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1、金属的机械性能金属的机械性能我们将讨论金属的一些重要的机械性能；这里的讨论限于以下五种性能： 强度 延展性 硬度 韧性 疲劳强度强度强度强度被定义为“材料能够承受所加载荷的能力”，有很多种强度，每一种都取决于这一载荷是如何施加到材料上的，如拉伸强度，剪切强度，抗扭强度，冲击强度和疲劳强度。金属的拉伸强度被描述为当金属承受张力或拉力载荷而不失效的能力。因为金属常常被用于承受拉伸载荷，这是设计者所要考虑的很重要的特性之一。当测定金属特性时，拉伸强度通常以两种不同方式描述。 所用的术语是最大的拉伸强度和屈服强度。这两种强度表示了该材料两个不同方面。最大拉伸强度，UTS，（有时简单地称为拉伸强度）与金

2、属的最大承载能力有关，也就是当材料失效时的强度。为了定义屈服强度，有必要理解金属”弹性变形”的含义。弹性变形是指金属在载荷下变形，当移掉此载荷，将不引起永久性的变形。弹性变形可以用一个熟悉的例子来说明；一条橡皮筋是一种典型的弹性材料。当它受载时会伸长，但当载荷去掉时，它会恢复原形。 当金属在其弹性区域内受载时，它会有一些伸长。在这弹性范围内，伸长的量直接与所加的载荷成比例，所以弹性变形是线性的。当金属弹性运作，它能够伸长到某一点，当载荷移掉时，它可以回到原来的长度。这就是说，它没有发生永久变形。图6.1 就说明了这一点。如果金属在其弹性极限外被施加应力，它就无法再进行弹性活动。它的形为现在可以

3、称为塑性变形，就是出现永久变形。这也意味着应力应变图关系不再是线性的了。一旦塑性变形出现当所施的载荷移掉时，材料将不会恢复到其原来的长度，而发生了永久变形。材料从其弹性至塑性转换的点称为该材料的屈服点。因此屈服强度就是材料能够承受从弹性至塑性的强度。这个数值是极其重要的。因为大部分设计师都用此值作为某些结构最大载荷限度的基础。 这是必要的。 因为一个结构可以起作用，除非所受应力超过了其屈服点，并且成为永久性的变形。拉伸强度和屈服强度通常是由一个拉伸试验来确定的。一个已知横截面积的试件加载，其应力就可以以每平方英吋磅来确定。那么当试件被加载至失效，它就能被确定以每平方英吋磅为基础的承载的能力。下

4、面这一例子就显示了一种材料它们之间的相互关系。拉伸试验的拉伸强度为60,000 psi。此金属能承受的最大负荷是 60,000 psi 乘以横截面积。对于一1 英吋 x 1英吋的部件（截面积为1 平方英吋）：最大负荷= 60,000 psi x 1 in2最大负荷= 60,000 磅对于一2 英吋 x 2英吋的部件（截面积为4 平方英吋）：最大负荷= 60,000 psi x 4 in2最大负荷= 240,000 磅当设计师了解了金属的拉伸强度，他就能够确定需要多大的横截面积才能承受住一给定的载荷。拉伸试验提供了一个金属强度直接的测量值。另外用硬度试验对强度进行非直接测量也是可能的。 对于碳钢

5、，拉伸强度和硬度之间有一直接的关系。 那就是如果硬度增加，拉伸强度也增加，反之亦然。但是拉伸试验测定的拉伸强度是最精确的。通常在碳钢和低合金钢上最方便的是做硬度试验以估算它们相当的拉伸强度。图 6.2 显示的是通用建造材料的拉伸和屈服强度，延伸率以及硬度值。 有趣的是你会发现所记录的数值随着材料的热处理状态，机械状态或质量可能有所变化。这些状态的变化，可能会引起机械性能的变化，虽然材料具有相同的化学成分。金属的温度对其强度也有影响。当温度上升，金属强度降低。如果金属在高温下承受载荷，设计师必须考虑到在该温度下材料强度有所减小。温度对金属的延展性也有影响，在下面进行讨论。母材母材/合金合金屈服强

6、度屈服强度拉伸强度拉伸强度延伸率延伸率硬度硬度lb/in2MPakg/mm2lb/in2MPakg/mm2在在 2in 的的%(50)BHN铝5,00034.53.513,00089.69.13523铜 (脱氧的)10,00068.97.033,000227.523.24030铸铁-25,000172.417.50.5180锻造铁27,000186.119.040,000275.828.125100低合金钢50,000344.735.175,000517.152.728170高碳钢90,000620.563.2140,000965.298.420310低碳钢36,000218.225.360,

7、000413.642.235120锰钢(14Mn)75,000517.152.7118,000813.582.922200中碳钢52,000358.536.587,000599.861.224170不锈钢(奥氏体)40,000275.828.190,000620.563.223160钛40,000275.828.160,000413.642.228-图图 6.2-一些金属的机械性能一些金属的机械性能延展性延展性延展性是材料在承受载荷而没有失效情况下变形或伸长的能力。 金属的延展性越大，在断裂前伸长量也越大。 它是金属的一个重要的性能，因为它可能影响到金属在受载下是慢慢失效还是突然失效。 如果金

8、属有高的延展性，它通常会慢慢地断裂。 延展性良好的金属在其断裂前会弯曲，意味着金属的屈服点逐渐地被超过。延展性差的金属会在没有任何预兆的情况下突然断裂，为脆性断裂。金属的延展性直接与其温度有关。当温度上升时，金属的延展性会增加。 当温度下降时，延展性会减小。 室温下延展性好的金属在零度以下，以脆性失效。具有高延展性的金属可以称为韧性，如是低延展性可称为脆性。 脆性材料在破裂前只有一点点变形或没有变形。 最好的例子，玻璃就是脆性材料。通常的脆性金属是铸铁，特别是白口铸铁。脆性与韧性失效的外观上的不同可以轻易地看出。图 6.3所示的是二个夏比试件，一个是脆性失效而另一个是以韧性失效。延展性是一种特

9、性，允许几个在长度上稍有差别的部件一起承受载荷，而其中任何一个部件都不会过载失效。如果其中一个部件略短一点，但它具有韧性，那么它有能力充分变形以便和其它部件一起分担负载。这个现象的一个实际例子就是拉紧的钢丝形成支撑吊桥的的钢缆。因为钢丝长度不可能被做的很精确，钢丝是由韧性金属做成的。当桥承载时，那些瞬时承载大的钢丝能伸长以使其它钢丝能承担它们的载荷。当金属要进行下一道的成形工艺，延展性就变得更重要了例如，用于汽车车身的部件的金属必须要有足够的延展性以允许形成到所希望的形状。延展性和强度与材料在制造时的轧制方向有很大的关系。轧制金属有方向性的特性。轧制使得晶体或颗粒沿轧制方向的伸长远远大于横向的

10、伸长。结果是轧制金属，如钢板的韧性和强度沿其轧制方向是最大。在材料的横向，相对于轧制方向的性能，强度要降低 30%，延伸性要减少50%。 在厚度方向，其强度和延伸性甚至更低。 对于一些金属，在厚度方向的延伸性非常低。上述所涉及的三个方向的每一个都分配了一个识别字母。轧制方向是X，横向是Y，厚度方向是 Z。或许您已经见证过焊工考试的弯曲试板，试件在母材处断裂。 通常这是由于试板的轧制方向与焊缝轴线平行。 甚至金属也会在其轧制方向表现出非常好的特性，而在其他两个方向加载可能导致过早地失效。金属的延展性通常是用拉伸试验来测定的，可与强度测试同时进行，。 延伸性通常以二种方式表达，延伸率和断面收缩率。

11、硬度硬度硬度是最常用和容易测量的机械性能之一。它被定义为一材料抵抗压痕或侵入的能力。如前所述，对于碳钢，硬度和强度是直接相关的。 当强度增加，也硬度随之增加，反之亦然。 因此，如果金属的硬度已知，其强度可以估算，特别是碳钢和低合金钢。这对估计金属的强度极其有用，因为它不用切除，准备和拉伸试样。金属硬度可以用多种方法确定。 然而，最通常使用的方法是通过载荷把压头压入金属表面。 用此基本技术，可以做各种各样的试验；它们取决于所用压头的种类和形状以及所施加的载荷的大小。然后，材料的硬度是随或者压痕的大小或深度来确定的。 图 6.4所示是通常使用的硬度试验的压头以及产生的压痕形状。通过这么多的方法，可

12、以测定金属表面大面积的硬度或是金属晶粒的硬度。韧性韧性下一个要讨论的机械性能是韧性。总的来说，韧性是材料吸取能量的能力。从拉伸试验中产生的应力应变图中，金属韧性是可以用应力应变曲线下的面积的计算来确定，如图6.5 所示。 从这些曲线可以看出，蒙耐尔材料比低碳钢材料韧性更好，因为其曲线下的面积更大。另一通常术语是缺口韧性。这与韧性不同，因为这是当有表面缺陷存在，材料吸收能量的能力。韧性是材料光滑无缺口时吸收能量的能力。而且，与缺口韧性不同的是韧性通常是确定当材料被慢慢加载时的行为，而缺口韧性值反映了在载荷最高点时能量吸收值。所以，缺口韧性常常是指冲击强度。这两个术语间的不同可以用拉断一条绳索的模

13、拟试验来说明。如果施加稳定的载荷，与把这绳子猛地拉断相比较，要花费更大的努力。当讨论韧性和缺口韧性时，所感兴趣的是材料在其失效前有多少能量能被吸收。低韧性的金属将会在较低值时失效，并且几乎无变形。在另一方面，韧性好的金属将在相当高的值，并且在永久性变形出现时才失效。前面我们已经讨论过延展性，韧性高和韧性低金属之间的差异是，韧性低的金属往往表现为脆性失效而韧性高的金属往往表现为韧性失效。在延展性良好的情况下，金属的韧性随着温度变化而变化。 总的来说，当温度降低时，金属韧性降低。 所以金属的韧性是在某温度下确定的。没有加上试验温度的韧性值几乎是无意义的。由于有缺口或其它形式的应力集中使得结构材料在

14、一定条件下易于发生脆性失效，所以缺口韧性最令人注意。许多金属，特别是高强度工具钢，对于表面尖锐的不规则是极其敏感的。 图6.6所示的是一些引起缺口效应的常见例子。如果金属的缺口韧性很高，这就意味着无论是否有缺口存在，它都会工作良好。但是如果金属对缺口敏感，这就是说它是低缺口韧性，在受冲击或重复性载荷时，它会更容易失效。总的来说，当金属的硬度增加并且温度降低时，它的缺口韧性将下降。在测定金属韧性的试验中，通常要确定的是金属从韧性转为脆性的温度。该温度被称为金属的脆性转变温度。有几种试验来确定金属的缺口韧性。然而，它们主要在载荷和开缺口的方式上不同。大部分试验是将金属在某一温度时施加冲击载荷。常用

15、的缺口韧性或冲击试验包括夏比试验，落锤无延性转变温度试验，爆破试验，动态撕裂以及裂纹尖端张开位移试验（CTOD）。疲劳强度疲劳强度最后要讨论的金属机械性能是疲劳强度。为了定义这一强度，人们首先必须知道金属的疲劳失效意味着什么。金属疲劳是由于循环或重复机械行为引起的。这就是说，载荷在高应力与低应力之间或相反应力间交替变换。疲劳会迅速出现，比如马达旋转，或是更慢的周期，如几天一次。疲劳破坏的一个例子就是一个马达轴重复地弯曲产生的破坏。这种形式的失效通常是在低于轴的拉伸强度下出现。金属的疲劳强度定义为金属在重复载荷下抵御失效的必要强度。了解疲劳强度是很重要的，因为绝大部分的金属失效是由于疲劳引起的。

16、疲劳强度值常常与引起失效所需的循环次数一起报告；通常的循环次数是百万次或千万次。疲劳强度可以通过疲劳试验来确定。 试验有很多不同种的方式，通常疲劳试验是以拉伸施加应力，然后再在以同样的量压缩，如此循环反复。 这种试验称为反向弯曲试验。 当所施加的最大的应力增加，所需的产生失效的循环次数减少。如果试验是在各种应力下进行的，那么就可以作出一S-N 曲线，如图 6.7所示。 S-N曲线是用图来描述在各种应力下产生疲劳失效所需要的循环次数。这些曲线显示了钢有明确的疲劳极限，但铝的曲线并没有明确的疲劳极限。疲劳极限是指无论载荷施加了多少个循环次数，金属不出现失效的最大应力。该曲线显示了铝将最终失效，甚至

17、在较低的应力下。然而对于钢，只要应力保持在疲劳极限下，可以无限地维持。碳钢的疲劳强度常常大约等于其拉伸强度的一半。如冲击强度一样，疲劳强度与其表面几何形状密切相关。任何缺口或引起应力集中的存在都能使得应力增加而超过金属的疲劳极限。 在足够循环次数下，疲劳失效将出现。 图6.8所示是缺口锐利程度对金属疲劳强度的影响。 另外正如图 6.9所示，表面光洁度对疲劳强度也有影响。在焊接中对金属的疲劳强度也有所担心。 但是，这并不是担心金相的变化。 而是焊接也能产生一些尖锐的不规则的表面。 除非焊接后，光滑研磨，否则焊缝本身也是一种表面不规则。焊缝表面的不连续，如咬边，焊瘤，加强高过大或凸面都对焊件的疲劳强度有影响。因为它们都形成了尖锐的缺口，而这些缺口成为疲劳裂纹的始发点。图6.10 中所示的是一些表面不规则。焊缝内部的不连续也能造成疲劳失效，那些在表面上的不连续更让人忧虑。因为表面的不连续比内部的不连续更快地导致疲劳失效。 原因就是表面应力通常高于内部应力。 由于此原因，焊接检验师通过对表面进行仔细目视检验可在防止疲劳失效中起到很大的作用。发现并纠正尖锐的表面不规则将大大地改善结构的疲劳特性。在许多疲劳情况下，光滑的小焊缝要比带有尖锐的表面不规则的大焊缝要好。