在機械制造行業(yè),金屬的機械性能檢測指標一般包括強度、硬度、塑性和韌性等。
(一)強度:
強度是金屬材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。強度一般有許多項評價(jià)指標,在機械行業(yè)最為常用的是抗拉強度和屈服點(diǎn)(亦可稱(chēng)為屈服強度)。
1.屈服點(diǎn)(σs或σ0.2)
它是指使拉伸試樣產(chǎn)生屈服現象時(shí)的應力。
對于許多沒(méi)有明顯屈服現象的金屬材料,工程上規定以試樣產(chǎn)生0.2%塑性變形時(shí)的應力作為該材料的屈服點(diǎn)。
在屈服點(diǎn)以下金屬發(fā)生的變形基本上是屬于彈性變形;而在屈服點(diǎn)以上金屬發(fā)生的變形則屬于塑性變形。
2.抗拉強度(σb)
是指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應力。
屈服點(diǎn)和抗拉強度在選擇、評定金屬材料和設計機械零件時(shí)具有相當重要的意義。由于機器零件在工作時(shí),通常是不允許發(fā)生塑性變形的,因此在設計計算時(shí)多以屈服點(diǎn)作為強度設計的依據。對于脆性材料,因在其斷裂前基本上不發(fā)生塑性變形,所以脆性材料沒(méi)有屈服點(diǎn),在強度計算時(shí),則以抗拉強度為依據。
(二)硬度:
金屬材料抵抗局部變形,特別是塑性變形、壓頭壓入痕跡的能力,稱(chēng)為硬度。硬度是反映金屬硬軟程度的一個(gè)重要評價(jià)指標。硬度直接影響到金屬材料的耐磨性和切削加工性能,這是因為在機械加工、制造過(guò)程中,所用的模具、刃具、量具以及工件的耐磨表面都具有足夠高的硬度,才能夠保證它們的使用性能和壽命。若被切削加工的金屬零件的硬度過(guò)高,必然會(huì )給切削加工增加困難,甚至損害切削刀具??梢?jiàn)硬度是一項極為重要的機械性能指標,而且其應用最為廣泛。
硬度與強度之間存在一定的換算關(guān)系,所以在零件圖紙設計的技術(shù)條件中,通常只標注出硬度要求。
金屬材料的硬度通常是采用硬度計進(jìn)行測定,可直接讀出數值。常用的硬度試驗方法有兩種:布氏硬度和洛氏硬度。
1.布氏硬度(HB):
布氏硬度采用淬火鋼球或者硬質(zhì)合金鋼球作為壓頭,在一定載荷的作用下將壓頭壓入被測工件的表面,停留一定時(shí)間后,卸去載荷。然后采用專(zhuān)用的帶有刻度的放大鏡測量壓痕直徑,從壓痕直徑與硬度對照表讀出布氏硬度(HB)值。
布氏硬度壓痕面積比較大,所以測試比較準確,硬度值比較穩定。布氏硬度適用于金屬坯料但是不適于成品零件的檢查。
2.洛氏硬度(HRC):
洛氏硬度采用圓錐體金剛石作為壓頭,在規定的載荷的作用下將壓頭垂直壓入被測金屬工件的表面,可以直接從洛氏硬度計的刻度表讀出洛氏硬度值(HRC)。
洛氏硬度測試簡(jiǎn)單、迅速、壓痕面積很小,可以用于成品零件的檢驗。
無(wú)論布氏硬度實(shí)驗還是洛氏硬度實(shí)驗,壓頭的壓痕面積均隨著(zhù)被測金屬零件的硬度的升高而縮小。
硬度試驗的設備簡(jiǎn)單,可在生產(chǎn)現場(chǎng)進(jìn)行檢驗,操作簡(jiǎn)便迅速,不損壞被測金屬零件,是目前應用十分普遍的一種檢測手段。
(三)塑性:
塑性是指金屬材料在發(fā)生塑性變形而不被破壞的能力。
1.延伸率(伸長(cháng)率)(δ):
按照規定的尺寸制備試樣在試驗設備上進(jìn)行拉伸,拉斷時(shí)試樣因變形而伸長(cháng)的部分與試樣原始長(cháng)度之比的百分數就是該實(shí)驗材料的延伸率。
2.斷面收縮率(ψ):
金屬拉伸試樣在拉伸過(guò)程中隨著(zhù)變性的發(fā)展,金屬拉伸試樣長(cháng)度不斷延伸,截面面積不斷縮小,直至拉斷。此時(shí),截面面積縮小的絕對值與原截面面積之比的百分數就是該實(shí)驗材料的斷面收縮率。
延伸率和斷面收縮率的值愈大,金屬的塑性愈好。良好的塑性不但是金屬材料能夠進(jìn)行軋制、鍛造、擠壓、沖壓、焊接的必要條件,而且在工作或使用過(guò)程中萬(wàn)一發(fā)生超載,由于零件首先發(fā)生塑性變形,能夠避免發(fā)生突然斷裂。
圖片
(四)沖擊韌性(aK):
沖擊韌性通常采用擺錘式?jīng)_擊試驗機進(jìn)行試驗測定。測定時(shí),一般是將帶有缺口的標準沖擊試樣放在沖擊試驗機上,然后用擺錘將其一次沖斷,并以式樣缺口處的單位截面面積上所吸收的沖擊功表示其沖擊韌度。
對于脆性材料,如鑄鐵、鑄鋼、淬火鋼等,其沖擊試驗,試樣一般不開(kāi)缺口,因為開(kāi)缺口的試樣沖擊值太低,難以比較不同材料沖擊性能的差異。
沖擊值得大小與很多因素有關(guān),如試樣的形狀、表面粗糙度、內部組織、實(shí)驗的環(huán)境溫度都有可能影響材料的沖擊值,所以,沖擊韌性一般僅作為選擇材料的參考。
實(shí)際上在諸多承受沖擊載荷的機器零件中,很小有是在大能量一次沖擊下而被破壞的,而大多是受到小能量多次重復沖擊而遭到破壞的。因此,在大能量、一次沖斷條件下測定出的沖擊韌性,雖然方法簡(jiǎn)單,但對于大多數在工作中受到小能量多次重復沖擊的零件就顯得不太適用。
沖擊實(shí)驗和沖擊韌性對組織缺陷極為敏感,它能反映出材料品質(zhì)、宏觀(guān)缺陷和顯微組織等方面的變化,因此,沖擊試驗是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。
(五)疲勞強度(σ-1)
在實(shí)際使用過(guò)程中,絕大多數承受交變載荷的零件往往在其所受力遠遠沒(méi)有達到它的強度極限時(shí)就突然發(fā)生了斷裂,這種現象稱(chēng)之為疲勞斷裂。發(fā)生疲勞斷裂時(shí)的臨界應力(或稱(chēng)疲勞應力)稱(chēng)之為疲勞強度。一般來(lái)講,運動(dòng)機件如齒輪、連桿、曲軸、彈簧等的主要損壞形式就是疲勞斷裂。
產(chǎn)生疲勞斷裂的原因:金屬材料的缺陷(如氣孔、夾雜、晶界缺陷等);金屬表面的劃痕;以及零件制造過(guò)程中形成的溝、槽、尖角等。上述缺陷容易造成應力集中現象,導致金屬材料產(chǎn)生微裂紋,這種微裂紋隨交變載荷作用次數的增加而逐漸擴展加深,直至不能承受所加的交變載荷而突然發(fā)生斷裂。