材料的力学性能

材料的力学性能

材料是机械产品制造所必须的物质基础，材料的力学性能包括使用性能和工艺性能。

使用性能：是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括力学性能和物理、化学性能等。

工艺性能：是指材料对各种加工工艺适应的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。

切削加工的过程一般在常温下，在不改变材料物理、化学性能的前提下，去除材料上多余金属，使之成为成品的过程。

材料的力学性能是指材料在外力作用下所表现的抵抗能力。

材料的力学性能是确定材料切削加工方案的主要依据。

1.1材料的强度

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为σ，单位为MPa。

工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs 表示。抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。

对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其强度设计的依据。

低碳钢拉伸试验铸铁拉伸试验

结论一：在切削加工中，假定其他条件不变，则随着被加工材料强度极限（或弹性模量）的增大，切削力也随之增大，机床负荷增加。而且在工件安装方面，注意要有足够的夹紧力。

2材料的塑性

塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。

工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。

(1)伸长率A

A= （L1-L0）/L0 ×100%

式中： L0—试样原标距的长度（mm）

L1—试样拉断后的标距长度（mm）

(2) 断面收缩率φ

断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。

φ= （A0-A1）/A0 ×100%

式中：A0—试样的原始截面积（mm2）

A1—试样断面处的最小截面积（mm2）

伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金

属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。（一般把A＜5％的材料称为脆性材料；把A≥5％的材料称为塑性材料。）

结论二：在切削加工中，假定其他条件不变，则以被加工材料断后伸长率5%为界，区别材料是塑性材料还是脆性材料，其结果是采用的加工方法和使用的刀具发生相应变化。加工中切屑情况也有不同，即脆性材料切屑多为碎颗粒；而塑性材料的切屑多为条状或带状。特别是塑性材料，材料的断后伸长率A值越大，越不容易断屑，给加工带来困难和危险。

1.3材料的硬度

硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。

硬度是材料的重要力学性能指标。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的强度越高，塑性变形抗力越大，硬度值也越高。

金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。（1）布氏硬度：

HBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值。

HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值。

（2）洛氏硬度

试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。布氏硬度与洛氏硬度的特点比较

布氏硬度的特点：

1）布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复

性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。

2）由于压痕较大，成品检验也有困难。

3）通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。

洛氏硬度的特点：

1）洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。

2）但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差

结论三：由于硬度是材料抵抗硬物体压入的能力，故在切削加工中，刀具的硬度与工件硬度相比，其差值越大，切削越容易，否则刀具就容易磨损。特别是在微量加工时，有可能切不进去。所以保持刀具与工件有较高的硬度差，对加工十分有利。

结论四：在测试工件硬度时，应按图样上给定的硬度符号，采取相应的硬度计和测试压头进行测试。

1.4材料的疲劳强度

工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。

零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。

疲劳强度的概念

金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。

材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。

结论五：在切削加工中，减小加工表面的表面粗糙度值有利于提高零件的抗疲劳能力，此外，为减少产生应力集中的情况，工艺人员在审核图样时，应从结构工艺性上加以考虑。

1.5材料的特殊力学性能

在某些表面强化结构钢，具有一些特殊的力学性能，如工具钢、轴承钢等具有高耐磨性的耐磨钢，在受到强烈冲击载荷或高温压力的作用下，发生表面硬化的现象，而且冲击作用越大，这种表面硬化的效果越显著。

结论六：对于这一类钢的加工，降低冲击载荷是首要的。当只对这类钢施加较小的冲击载荷或者压力时，一般不会产生或者仅有较小的加工硬化效果。此外，可以采用以磨代车、提高刀具的硬度的方法，或尽可能采用铸钢材料。