钢材的力学性能指标及选材钢材的力学性能指标及选材 作者：彭涛、钱昱作者：彭涛、钱昱强度强度弹性弹性塑性塑性韧性韧性疲劳疲劳硬度硬度耐磨性耐磨性1.强度强度定义定义：金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力称为强度根据所受载荷的不同又可分为一系列指标，如：抗拉强度，抗弯强度，屈服强度等1.1.强度强度抗拉强度：金属在静拉伸条件下的最大承载能力。 计算公式： =Fb/So抗弯强度：材料抵抗弯曲不断裂的能力。计算公式： 1.1.强度强度屈服强度：是指金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。1.1.强度强度持久强度：在给定的温度下和规定时间内，试样发生断裂的应力抗剪强度：指外力与材料轴线垂直，并对材料呈剪切作用时的强度极限蠕变强度：指金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力2.2.弹性弹性定义定义：物体在受到外力作用之后发生形态变化，若除去作用力之后并能够恢复原来形状的特性。主要性能指标有弹性模量，切变模量，弹性极限，比例极限2.2.弹性弹性弹性模量：材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。用E表示。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大即材料刚度越大。2.2.弹性弹性切变模量：材料在弹性变形阶段内，剪切应力与对应剪切应变的比值。用G表示。它表征材料抵抗切应变的能力 弹性模量与切变模量之间的关系式：2.2.弹性弹性弹性极限：指金属材料受外力（拉力）到某一限度时，若除去外力，其变形（伸长）即消失而恢复原状比例极限：材料在弹性阶段分成线弹性和非线弹性两个部分，线弹性阶段材料的应力与变形完全为直线关系，其应力最高点为比例极限3.3.塑性塑性定义：是指在外力作用下，材料能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。主要性能指标有伸长率，断面收缩率，泊松比。3.3.塑性塑性伸长率：指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比短试棒伸长率（5）、长试棒伸长率（10）3.3.塑性塑性断面收缩率：材料受拉力断裂时断面缩小，断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率。伸长率越大或断面收缩率越高，说明钢材塑性越大泊松比：泊松比是材料横向应变与纵向应变的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数4.4.韧性韧性定义：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。主要有两个指标：冲击韧度和冲击吸收功4.4.韧性韧性冲击韧度：带缺口的试件在冲击破坏时断裂面上所吸收的能量，是评定材料塑性变形和抵抗冲击能力的一种实用指标。4.4.韧性韧性断裂韧度：在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子即断裂韧度 对比：冲击吸收功AK反映在冲击载荷裂纹的形成、扩展直至断裂全过程所消耗的总能量，及材料抵抗冲击断裂全过程的能力;而断裂韧度只反映已有裂纹失稳扩展所消耗的能量，即材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。5.5.疲劳疲劳定义：料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。据统计，在机械零件失效中大约有80%以上属于疲劳破坏，而且疲劳破坏前没有明显的变形，所以疲劳破坏经常造成重大事故5.5.疲劳疲劳在疲劳试验中，应力交变循环大至无限次而试样仍不破损时的最大应力叫疲劳极限。特用循环次数达到1010而试样尚有50%不破坏情况下的应力表示疲劳极限。6.6.硬度硬度定义：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。主要的硬度指标有布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度，肖氏硬度。6.6.硬度硬度布氏硬度：用一定大小的试验力F(N),把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，用读数显微镜测出压痕平均直径d (mm)，然后按公式求出布氏硬度HB值。计算公式：6.6.硬度硬度洛氏硬度：当被测样品过小或者布氏硬度（HB）大于650时，就改用洛氏硬度计量。HRA是采用60Kg载荷和钻石锥压入器求的硬度，用于硬度较高的材料。例如：硬质合金。HRB 是采用100Kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料。例如：退火钢、 铸铁等。HRC 是采用150Kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。例如：淬火钢等6.6.硬度硬度维氏硬度：将正四棱锥金刚石压头以一定的载荷压入试样表面并保持一定的时间后卸除试验力，所使用的载荷与试样表面上形成的压痕的面积之比。 优点：不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度试验时不同标尺的硬度值无法统一的弊端。6.6.硬度硬度肖氏硬度：根据规定形状的压针在标准弹簧压力作用下于规定时间内压入试样的深度转换成的硬度值。 缺点：它对试样的厚度和重量都有一定要求，不适于较薄和较小试样 优点：它是一种轻便的手提式仪器，便于现场测试，其结构简单，便于操作，测试效率高7.7.耐磨性耐磨性定义：是指钢材的耐磨耗性能。其主要有相对耐磨系数和磨耗量7.7.耐磨性耐磨性相对耐磨系数：它是在模拟耐磨试验机上进行测定的，通常采用硬度为HRC52-53的65Mn钢作为标准试样，取相同试验条件下，标准试样的绝对磨损值（质量磨耗或体积磨耗）与被测定材料的绝对磨损值之比，就是被试材料的相对耐磨系数。相对耐磨系数的数值越大，就说明这种材料的耐磨性愈好，反之就不好。7.7.耐磨性耐磨性磨耗量：是两物体在磨损过程中，相对运动的表面材料损失量，它是通过规定条件的摩擦磨损试验来评定。目前尚没有统一的标准条件，也没有相互的换算关系。这些试验方法大体上都在规定条件下经过一定的磨损周期后，测算尺寸的变化、质量或体积的减量来表示。选材举例选材举例机床主轴的选材机床主轴的选材轻载主轴：一般用45钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。中载主轴：一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。重载主轴：一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。高精度主轴：一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。