第一章 金属材料力学性能指标.

汽车材料
第一章 金属材料力学性能指标
所谓材料

材料是人类生产和生活所必须的物质，人类社 会的发展伴随着各种材料的不断开发和利用。目前， 世界上已存在的自然材料和人工材料有近百万种， 自然材料仅占1/20，其余均为人工材料。在当前社 会中，绝大多数的生产和生活用品是采用人工材料 制造的，人工材料在材料科学的发展中有着极其重 要的地位。在现代社会里，材料、能源、信息被称 为现代技术的三大支柱，而能源和信息的发展，在 某种程度上又依赖于材料的进步。因此，材料科学 的发展在现代工业社会中占举足轻重的地位。
金属材料的塑性
塑性是指材料在载荷作用下，产生塑性变形 而不被破坏（不断裂）的能力。材料的良好 塑性，有利于金属的冷冲压成型加工。如汽 车驾驶室外壳、车厢板、油箱等，在其成型 过程中，若金属材料塑性不好，则在成型时 容易开裂。 衡量材料塑性好坏的指标是伸长率和断面收 缩率。

金属材料的塑形
伸长率：是指金属试样进行拉伸试验被拉断 后标距长度的伸长量与原始标距长度之比值 的百分比，用δ表示。 断面收缩率：是指金属试样进行拉伸试验拉 断处横截面积缩小量与原始横截面积之比值 的百分比，用ψ表示。
材料之于汽车

材料是汽车工业的基础。简而言之，汽车应用 材料包括了制造汽车各种零部件用的汽车工程材料， 以及汽车在使用过程中使用的燃料和工业液等汽车 运行材料。如：黑色金属（钢铁材料），有色金属 （铝、铜等及其合金） ，非金属材料（橡胶、玻璃、 塑料、陶瓷），汽车燃料（汽油、柴油、天然气）， 汽车润滑液及工作液（各部位润滑油、液力传动液 及汽车其它工作液）。

摆锤式一次能量冲击试验

把带有缺口的试样放在一次摆锤试验机上，测定金属承受冲 击载荷的能力。在实际应用中，直接从试验机上读出摆锤打 断试样所作的冲击功AKU ，然后将冲击功AKU的值除以试样 缺口处的横截面积A便得到冲击韧度值αKU。
小能量多次冲击试验

实际上，汽车上零件在动载荷作用下并非一次或几次冲击而 破坏，多数情况是零件承受的冲击载荷属于小能量的多次冲 击载荷。因此，利用小能量多次冲击试验，得到的冲击韧度 值更符合实际。
金属材料
金属的性能： 1、金属的力学性能：金属材料受到各种不同性质的 载荷（外力、负荷）作用时，所表现出的性能。它 包括强度、硬度、塑性、韧性和抗疲劳强度等性能 指标。 2、金属的物理、化学性能及工艺性能：密度、熔点、 导热性、热膨胀性、磁性、抗氧化性、抗腐蚀性、 铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性 能及热处理性能等。

拉伸实验

拉伸实验是在拉伸实验机上进行的。以普通 低碳钢的拉伸实验为例，实验前，按国家标 准（GB397-1986）规定要求，预先将退火状 态的普通低碳钢制作成一定尺寸和形状的圆 柱拉伸试样，如图所示：
拉伸实验

试验时，将试样放到 试验机上，匀速缓慢 地向试样两端施加轴 向静拉力，直至拉断 为止。整个过程中把 外加载荷与试样的相 应形变量画成曲线， 即该金属材料的拉伸 图。
金属材料的疲劳



许多汽车零件，如齿轮、钢板弹簧、曲轴等在工作时承受的 载荷所产生的应力的大小和方向呈周期性变化，此应力称为 交变应力。在这种应力作用下的零件，在其交变应力远低于 该材料的强度极限，有时甚至低于屈服极限时就发生断裂， 这种现象称为金属的疲劳或疲劳断裂。 疲劳断裂主要是由于材料表面或内部缺陷（如加工刀痕、原 有裂纹、软点、夹杂、夹角等应力集中源）造成的。另外， 疲劳断裂与零件受到交变应力的大小、应力循环次数和应力 特性有关系。 要提高零件的疲劳强度，除了改善结构形状，避免内外部应 力集中外，还可以通过提高零件表面加工质量或采取各种表 面强化的方法来达到，如在零件表面进行喷丸、滚压、抛光 及表面热处理等。

金属材料的韧性
在汽车运行时，汽车的许多零件要受到一些 突然施加的外力作用。如发动机曲轴、弹簧 钢板、大梁、前工字梁等在汽车起动、制动 及速度突然改变时，都会受到突然施加的力 作用。这种突然作用的力称为冲击载荷。 受冲击载荷作用的零件不仅要有较高的强度 和一定的硬度，还要有足够的韧性，以防止 零件受冲击载荷作用而破坏。
金属的力学性能
强度 硬度 （外力）作用下，抵抗变形和不 受损坏的能力称为强度。 按载荷的不同强度分为抗拉、抗压、抗剪、 抗扭和抗弯曲五种。实际应用中最广泛的是 拉伸强度指标，其他强度指标与拉伸强度指 标具有一定的关系，知道拉伸强度就可以近 似的预测其他强度指标，而且测定金属拉伸 强度的方法——拉伸试验也最为简单。
拉伸试验
该曲线实际分为五个阶段：
1.Oe-弹性变形阶段 试样变形量与载荷成正比。这时如果卸除载荷，试样便会 恢复到试验前的原有状态，这种变形称为弹性变形。 2.es-微量塑性变形阶段 当外载荷增大超过Fe后，试样进一步变形，且外载荷去除 后，一部分变形消失，这种不能恢复的变形称为塑性变形。 3.ss`-屈服阶段 在此阶段，尽管外载荷不增加或增加很少，但变形量继续 增大，在拉伸图上出现近似水平线，这种现象称为屈服。 4.s`b-大量塑性变形阶段 当外载荷超过Fe后，尽管外载荷增加不大，但试样变形量却很大，直至b点。且b点的外载荷Fb为最大。 5.bk-缩颈阶段 当载荷增大到Fb后，试样的某一部位的截面开始急剧减小，产生缩颈现象，其抵抗外载荷的能力下 降，此时即使不增加外载荷，试样仍然被拉断。工业上使用的金属材料，有些是没有屈服现象的。有 些脆性材料不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。

金属材料的硬度


硬度是指金属表面上局部体积内抵抗塑性变形和破 坏的能力。它是材料的一个重要力学属性。 虽然硬度与强度间没有严格的对应关系，但可以通 过大量实验数据找出粗略的换算关系。而硬度实验 设备简单，操作容易，性能测试时又不损坏金属零 部件。所以，可通过硬度实验检验工具和零件的质 量。 广泛应用的硬度试验有布氏硬度和洛氏硬度试验两 种。
布氏硬度


原理：用直径为D的淬硬圆钢 球以规定的载荷F压入被测试 材料表面，保持一定时间后， 卸除载荷，测量被测材料的表 面压痕直径d和压痕球面积A， 计算平均压力F/A的大小作为 布氏硬度指标。布氏硬度用符 号HBS表示。 布氏硬度只适用于硬度较低， 尺寸较大的金属材料。广泛应 用于退火或调质后的钢件、灰 口铸铁和有色金属等较软的材 料。
疲劳曲线


疲劳曲线：金属材料在疲劳 断裂前应力循环次数N与交变 应力σ的关系曲线。 从曲线可以看出，应力值越 低，则断裂前的循环次数越 多。当应力降到一定值时疲 劳曲线与横轴平行，应力低 于此值时材料经无数次应力 循环而不断裂，此应力值称 为疲劳极限，也叫疲劳强度。
拉伸试验结论
综上所述，金属在外载荷作用下，变形可分为三个阶段：弹性变 形、弹塑性变形和断裂。只有塑性材料的塑性变形有五个阶段。 由上述各阶段的应力-应变关系，可以得出几个力学性能的强度指 标： 弹性极限σe –表示金属材料抵抗弹性变形的最大应力。 屈服极限(屈服强度) σs –表示金属材料抵抗塑性变形的应力。 强度极限(抗拉强度) σb –表示金属材料抵抗塑性变形不至断裂 的最大应力。 以上三个强度指标具有重要的实际意义。例如，汽车上许多 零件都不允许产生过量的塑性变形，像汽缸盖螺栓，就是以屈 服极限为设计依据。强度极限也是设计零件时的主要依据之一。
洛氏硬度


洛氏硬度试验和布氏硬度试验同 样采用压入法测定硬度。两者的 区别是洛氏硬度试验用的压头是 一个120°的圆锥形金刚石压头， 施加相应载荷后，测定金属材料 压痕的深度，以压痕深度来表示 硬度值。洛氏硬度用HRC表示。 洛氏硬度试验可以直接从刻度盘 上读取硬度值；压痕小，可测定 成品及薄的工件；测试的硬度范 围大，可以测从极软到极硬的金 属材料。但洛氏硬度测试压痕小， 测量值有时不够准确，所以，同 一试样应测三点以上，取其平均 值。