機械性能

機械性能是金屬材料的常用指標的一個集合，是機械類產品設計中使用的重要材料性能指標。在一般用途機械產品中，機械零件都是在常溫、常壓和非強烈腐蝕性介質中使用的，因此一般不考慮特種使用狀態下的特殊要求。但是由於機械產品的用途千差萬別，在使用過程中各機械零件所承受得載荷情況也是各不相同，因此在產品設計中選用的具體材料力學性能指標略有差異。

基本介紹

• 中文名：機械性能
• 外文名：Mechanical properties
• 別稱：力學性能
• 定義：在載荷作用下抵抗破壞的性能
• 分類：彈性、塑性、剛度、強度，硬度
• 試驗：室溫低碳鋼拉伸試驗

定義

金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為機械性能（或稱為力學性能）。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用範圍與使用壽命，金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據，外載入荷性質不同（例如拉伸、壓縮、扭轉、衝擊、循環載荷等），對金屬材料要求的機械性能也將不同。

常用的機械性能包括：強度、塑性、硬度、衝擊韌性、多次衝擊抗力和疲勞極限等。

原理

鋼材經過冷加工後，在常溫下存放15-20天，或加熱至100-200度並保持2小時左右，這個過程稱為時效處理。所謂時效敏感性：因時效作用導致鋼材性能改變的程度。一般，鋼材機械強度提高，而會導致塑性和韌性降低。

通常說一種金屬機械性能不好，是指它易折，易斷，或者是沒有良好的打磨延展性。一般純金屬的機械強度都要弱於合金的強度，舉例來說就是鋼的性能好於純鐵。

分類

常說的機械性能主要有：彈性、塑性、剛度、時效敏感性、強度、硬度、衝擊韌性、疲勞強度和斷裂韌性等。

彈性：金屬材料受外力作用時產生變形，當外力去掉後能恢復其原來形狀的性能。

塑性：金屬材料在外力作用下，產生永久變形而不致引起破壞的能力。

剛度：金屬材料在受力時抵抗彈性變形的能力。

強度：金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。

硬度：金屬材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力。

衝擊韌性：金屬材料抵抗衝擊載荷作用下斷裂的能力。

疲勞強度：當金屬材料在無數次重複或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應力。

斷裂韌性：用來反映材料抵抗裂紋失穩擴張能力的性能指標

試驗

1 試件和實驗條件

試件：圓形截面試件l0=10d0或l0=5 d0。矩形截面長試件l0=11.3A0，短試件l0=5.65A0，A0為橫截面面積。

試件標距長度l有兩種如下圖所示，常用為l=10d的這一種；試驗條件為：室溫靜載試驗，在電子式萬能試驗機上進行試驗。在GB/T228-2010中對材料的室溫、高溫、低溫、液氮試驗都進行了詳細規定，可以進行查取。

低碳鋼應力-應變曲線

2低碳鋼拉伸應力-應變曲線

橫截面上的正應力σ=F/A0；試件在作段內的相對伸長量ε=Δl/ l0，ε稱為線應變。以σ為縱坐標，ε為橫坐標，繪出σ–ε的關係曲線，稱為應力–應變圖。

試件受力後，長度增加，產生變形。σ=Eε

—比例階段

σe—彈性極限

1) 屈服階段

σs—屈服極限

3）強化階段ce（恢復抵抗變形的能力）

σb—強度極限

它是衡量材料強度的另一個重要指標。

4）局部徑縮階段ef

試件繼續變形所需的力F減少，應力σ隨之減少。曲線σ–ε迅速下降，直至f點試件被拉斷。

2、兩個塑性指標:

(1) 延伸率δ

試件拉斷後，其塑性變形量（l₁－l₀）與原始標距l₀之比的百分數稱為延伸率，即

δ>5%的材料稱為塑性材料，如低碳鋼、黃銅、鋁合金等。

δ≤5%的材料稱為脆性材料，如鑄鐵、高碳鋼、玻璃、石料等。

(2) 斷面收縮率Ψ

試件斷口處橫截面面積的相對變化率稱為斷面收縮率，

3、卸載定律及冷作硬化

彈性範圍內卸載、再載入

過彈性範圍卸載、再載入

即材料在卸載過程中應力和應變是線形關係，這就是卸載定律。

材料的比例極限增高，延伸率降低，稱之為冷作硬化或加工硬化。

工程中常利用冷作硬化來提高材料的彈性極限，以提高承載能力。