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金属零件受到一定外力作用时，对金属材料有一定的破坏作用。因此要求金属材料具有抵抗外力的作用而不被破坏的性能，这种性能称为机械性能。金属材料的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。它们的具体数值是在专门的试验机上测定出来的。
在旧石器时代和新石器时代之后，出现了金属的时代。其年代，在东方大约开始于公元前3500年左右，在西方则为公元前2000年左右。最初出现的金属是青铜器，后来发展为铁器。金属的使用使社会生产力大幅度的提高，而用于战争的武器也大大改进，从某种意义上说，金属的发现和使用间接导致了原始公社制的解体和奴隶制度的产生。而那个时候，不可能有机器来对金属的机械性能进行测试，人们对金属性能的理解和掌握，也是从各种应用中得到的。 而在业内，普遍认为，对于金属材料的机械性能测试历史，已有约700年。下面的三张图片，就是在700多年前，科学家们对于金属进行的拉伸测试。

图a是1500年达芬奇进行的一个测试， 另外两个由伽利略分别在1591和1516年完成。

下面这个设备，测试Tinius Olsen在19世纪80年代设计研发的小巨人杠杆式试验机，当初的设计初衷是用来测试锅炉板的强度。

而到了现在，随着人们对于材料应用的需求，出现了各种满足需求的测试设备。我们也对需要测试金属的何种参数来满足其应用需求有了更明确的理解。

金属材料机械性能详解

1、金属材料的变形和应力金属材料受外力作用时引起的形状改变称为变形。变形分为弹性变形（当外力取消后，变形消失并恢复到原来形状）和塑性变形（当外力除去后，不能恢复到原来形状，保留一部分残余形变）。 当金属材料受外力作用时，其内部还将产生一个与外力相对抗的内力，它的大小与外力相等，方向相反。单位截面上的内力称为应力。在拉伸和压缩时应力用符号σ表示。

σ=P/F
式中：σ — 应力，MPa;P — 拉伸外力，N；F — 试样的横截面积，mm²。 

2、强度

强度是金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度可通过拉力试验来测定。将图（a）所示标准样安装在拉力试验机上，对其施加一个平稳而无冲击逐渐递增的轴向拉力，随着拉力的增加试样产生形变如图（b）直到断裂如图（c）。

以试样的受拉力P为纵坐标，伸长值⊿L为横坐标，给制出拉伸曲线。

金属材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力称为弹性极限，用σ_e表示。

σ_e=P_e/F_o

式中：  

σ_e— 弹性极限，MPa；

P_e — 材料开始塑性变形时的负荷，N；

F_o — 试样原横截面积，mm²。 

OE段的负荷与伸长成线性关系，是材料的弹性变形阶段。当负荷超过E点，试样开始产生塑性变形，这一段曲线几乎呈水平，表明试样在拉伸过程中，负荷不增加甚至有降低，试样继续塑性形变，材料丧失了抵抗变形的能力。这种现象称为屈服。 

产生现象时的应力称为屈服点，用σs表示。

σ_s=P_s/F_o

式中： σ_s— 屈服点，Mpa ；

P_s  — 材料产生明显形变时的负荷，N；

F_o — 试样原横截面积，mm²。 

负荷超过S点后，形变量随负荷增加而急剧增加，当过B点，形变部位出现缩颈现象，试样已不能抵抗外力作用，在K点发生断裂。试样拉断前能承受的ZD负荷P_b所对应的应力称为抗拉强度，用σ_b表示。

σ_b=  P_b/F_o

式中： 

σ_b — 抗拉强度，Mpa ；

P_b — 试样拉断前的ZD拉力，N；

Fo — 原横截面积，mm²。 

屈服强度（σ_s），抗拉强度（σ_b）和屈强比（屈服强度与抗拉强度的比σ_s/σ_b）是评定金属材料质量的重要机械性能指标，是设计和选材的主要依据之一。 

3、塑性

塑性是金属材料受外力作用时断裂前产生塑性变形的能力。通常用两种方法来表示。 

（1）伸长率：

试样拉断后标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比，用δ表示。

δ=（L₁－L₀）/L₀×100%

式中：δ — 试样的伸长率，%；

L₁ — 试样拉断后标距长度，㎜；

L₀  — 试样原标距长度，㎜。 

（2）  断面收缩率：试样拉断后缩颈处横截面积的ZD缩减量与原截面积的百分比，用φ表示。

φ=（F₀-F₁）/F₀

式中：

φ — 试样的断面收缩率，%；

F₀ — 试样原横截面积，mm² ；

F₁ — 试样拉断后缩颈处的最小横截面积，mm² 。 

δ、φ的数值越大，说明金属材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。 

4、硬度

硬度是金属材料抵抗外物压入其表面的能力，一般说，硬度高的材料耐磨性较好，强度也比较高。硬度是评价金属材料质量的机械性能指标，也是机械零件设计要求的技术条件之一。 生产中有不同的测定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。 

(1) 布氏硬度：

用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定保荷时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径。以压痕球状表面积所承受的平均负荷作为布氏硬度值，用符号HBS（HBW）表示。

式中：

HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－mm² ;

P — 加在淬火钢球上的负荷，kgf；

D — 淬火钢球直径，㎜。 

压头为钢球时用HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料，如铸铁和有色金属。压头为硬质合金球时用HBW，适用于布氏硬度值在650以下的材料。 

(2) 洛氏硬度：

用压头压入的压痕深度表示材料的硬度值。压痕越深表示材料越软，硬度值越低。两种硬度可以利用特制的表格进行换算。  

硬度表示金属材料在局部范围内对塑性变形的抗力，所以硬度与强度间有一定的换算关系。 

5、冲击韧性

冲击韧性是金属材料抗击冲击负荷的能力。现在普通采用一次摆锤冲击试验来测定材料的冲击韧性。 

实验表明，材料受小能量多次重复冲击的能力，主要取决于材料强度。强度越高，寿命越长，设计中可不必过分追求高冲击值。
6、疲劳强度
实际中许多工件所承受负荷的方向和大小是周期变化的。这种周期变化的负荷称为交变负荷。金属工件在交变负荷作用下，经长时间工作而发生断裂的现象称为金属疲劳。 

在交变负荷作用下金属工件所受应力大小和断裂前应力交变循环的次数有关。应力越大，则断裂前能随承受的循环次数越低。当钢铁材料的循环次数达到107，有色金属的循环次数达到108时，若试样仍不发生疲劳破坏，其ZD应力称为该材料的疲劳极限。当应力交变循环对称时，疲劳极限用σ-1表示。 

生产中多数金属工件是在交变负荷下工作的，疲劳破坏是破裂的主要形式。因此疲劳强度设计是材料的重要强度计算之一。另外，改善零件结构形状避免应力集中；降低表面粗糙度；采取表面强化处理等都能有效提高金属工件的抗疲劳能力。 

影响金属材料伸长率结果的因素

我们通过相关的标准来确定金属材料的这些性能是否达标，伸长率作为表示材料均匀变形或稳定变形的重要参数，其结果通常会受到以下几个因素的影响：

● 测试速度

● 试样的几何结构

● 夹具和引伸计由于动能损耗所引起的散热

● 试样的表面处理情况

● 对中

● 试样在夹具内的安装方法

因此我们在测试时，也需要对这些可能影响试验结果的因素加以注意。

金属零件受一定外力作用时，对金属材料有一定的破坏作用。因此要求金属材料具有抵抗外力的作用而不被破坏的性能，这种性能称为机械性能。金属材料的机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。它们的具体数值是在专门的试验机上测定出来的。

1、金属材料的变形和应力

金属材料受外力作用时引起的形状改变称为变形。变形分为弹性变形（当外力取消后，变形消失并恢复到原来形状）和塑性变形（当外力除去后，不能恢复到原来形状，保留一部分残余形变match）。

当金属材料受外力作用时，其内部还将产生一个与外力相对抗的内力，它的大小与外力相等，方向相反。单位截面上的内力称为应力。在拉伸和压缩时应力用符号σ表示。

σ=P/F

式中：

σ — 应力，MPa;

P — 拉伸外力，N；

F — 试样的横截面积，mm2。

2、强度

强度是金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。强度可通过拉力试验来测定。将图（a）所示标准样安装在拉力试验机上，对其施加一个平稳而无冲击逐渐递增的轴向拉力，随着拉力的增加试样产生形变如图（B）直到断裂如图（C）。

以试样的受拉力P为纵坐标，伸长值⊿L为横坐标，给制出拉伸曲线。

金属材料由弹性变形过渡到塑性变形时的应力称为弹性极限，用σe表示。

σe=Pe/Fo

式中：  

σe— 弹性极限，MPa；

Pe — 材料开始塑性变形时的负荷，N；

Fo — 试样原横截面积，mm2 。

OE段的负荷与伸长成线性关系，是材料的弹性变形阶段。当负荷超过E点，试样开始产生塑性变形，这一段曲线几乎呈水平，表明试样在拉伸过程中，负荷不增加甚至有降低，试样继续塑性形变，材料丧失了抵抗变形的能力。这种现象称为屈服。

产生现象时的应力称为屈服点，用σs表示。

σs=Ps/Fo

式中： 

σs — 屈服点，Mpa ；

Ps — 材料产生明显形变时的负荷，N；

Fo — 试样原横截面积，mm2。

负荷超过S点后，形变量随负荷增加而急剧增加，当过B点，形变部位出现缩颈现象，试样已不能抵抗外力作用，在K点发生断裂。试样拉断前能承受的Z大负荷 Pb所对应的应力称为抗拉强度，用σb表示。

σb=  Pb/Fo

式中： 

σb — 抗拉强度，Mpa ；

Pb — 试样拉断前的Z大拉力，N；

Fo — 原横截面积，mm2。

屈服强度（σs），抗拉强度（σb）和屈强比（屈服强度与抗拉强度的比σs/σb）是评定金属材料质量的重要机械性能指标，是设计和选材的主要依据之一。

3、塑性

塑性是金属材料受外力作用时断裂前产生塑性变形的能力。通常用两种方法来表示。

（1）  伸长率：

试样拉断后标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比，用δ表示。

δ=（L1－L0）/L0×

式中：

δ — 试样的伸长率，%；

L1 — 试样拉断后标距长度，㎜；

L0 — 试样原标距长度，㎜。

（2）  断面收缩率：

试样拉断后缩颈处横截面积的Z大缩减量与原截面积的百分比，用φ表示。

φ=（F0-F1）/F0

式中：

φ — 试样的断面收缩率，%；

F0 — 试样原横截面积，mm2 ；

F1 — 试样拉断后缩颈处的Z小横截面积，mm2 。

δ、φ的数值越大，说明金属材料的塑性越好，反之亦然。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。

4、硬度

硬度是金属材料抵抗外物压入其表面的能力，一般说，硬度高的材料耐磨性较好，强度也比较高。硬度是评价金属材料质量的机械性能指标，也是机械零件设计要求的技术条件之一。

生产中有不同的测定方法，常用的有布氏硬度和洛氏硬度。

(1) 布氏硬度：

用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定保荷时间后卸除试验力，测量试样表面压痕直径。以压痕球状表面积所承受的平均负荷作为布氏硬度值，用符号HBS（HBW）表示。

式中：

HBS（HBW）— 布氏硬度值，kgf－mm2  ;

宁夏绿水试验仪器有限公司是集研发、制造、销售、服务于一体的高新技术企业。是由宁夏青山试验机有限公司的“青山”牌试验机和宁夏绿水试验仪器有限公司“绿水”牌试验机两品牌组成的试验机联合体，公司主要产品：电子式拉力试验机、微机控制扭转试验机、疲劳试验机、工艺性试验机（机动弯折、线材扭转、线材缠绕等）、扭距标准机、微机控制wan能试验机等各种类型测试设备，工艺试验机是金属制品行业配套检测设备。

概述

    硬度是金属材料力学性能中Z常用的一个性能指标。硬度检测又是Z迅速Z经济的
一种试验方法。但是对于金属材料的硬度，至今国内外还没有一个包括所有试验方法在
内的统一而明确的定义。

    一般说来，金属的硬度常被认为是：材料对压人塑性变形、划痕、磨损或切削等的抗力。

对压入法来讲，也被认为是：材料在一定条件下抵抗另一本身不发生残余变形物体压入的能力。之所以存在上述两种说法，是因为“硬度”本身不是个简单物理常数。

它是一个不仅决定于所研究材料本身的宏观与微观条件(如宏观的变形程度，冷热加工条件，微观的金属晶体点阵类型、晶格常数和原子间的结合力等)，而且也决定于测试的特征和条件量。

        可以这样说，对于披检测的材料而言，硬度是代表省在一定的压头和力的作用下所反应出的弹性、塑性、塑性形变强化率、强度、韧性以及扰摩擦性能等一系列不同物理量的综合性能指标。例如，将同样尺寸、相同材质的压头以同样大小的试验力分别压在铁和铜的表面上，去掉试验力后看到铁被压入的珏痕深度浅，而铜被压人的压痕深度深，这表明铁的形变抗力比铜的形变抗力大，即铁比铜硬。而实质上在这比较中，还包括了两种材料的不词弹性、塑性变形能力和形变强化率等因素在内另外，试验方法不问，硬度值的物理含义也不相同：例如布氏硬度试验，是比较个问材料单位面积上所受抗力的大小，而洛氏硬度没有量纲，只是在使用同一标尺条件下，以数值的大小来比较硬度值的高低。

        因此，用更准确的定义去更科学地反映出硬度客观实质，还有待于人们从试验中和对金属宏观和微观结构的深入研究中去获得。尽管如此，不同试验方法的基础上，正确运用试验原理和试验条件，得出的试验结果对于各行各业正使用金属材料、监视厂艺的正确性、判足产品品质以及在科学实验中均有重大的实际意义。

进入二十一世纪以来，我国航空航天事业得到前所未有的发展，所有这些，依赖的是机体结构、强劲的发动机、强壮的起落架、先进的系统等，而构成这一切零部件基础的主要是航空金属材料。

下面小编带领大家来了解一下金属材料在航空航天领域的应用。航空航天领域的产品耗资巨大，即使是很小的减重也能对总成本产生巨大影响，因此材料的轻量化在航空航天领域至关重要。铝合金、镁合金、钛合金和镍钼钨合金等合金材料以其低密度、高使用寿命、优异的耐腐蚀及耐高温等综合性能，在飞行器及航空航天领域被广泛应用。

其中铝合金材料占飞机用料50%--70%左右，镁合金材料占飞机用料5%--10%左右，现代化的飞机，钛合金的用量比重越来越大，而镍钨钼合金则用于飞机发动机。

铝合金

铝（面心立方结构）是一种轻金属，密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），具有很高的塑性（δ：32~40%，ψ：70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态 σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。

铝合金密度低，强度较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，被广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

镁合金

在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4，比重2.1--2.3左右，熔点300度左右。具有高强度、高刚性。主要用来制造不承重的部件、壳体。例如各种活门壳体，油泵壳体等。

镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3镁合金左右），比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门，用来制造低承力的零件。

镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀，因此零件使用前，表面需要经过化学处理或涂漆。镁合金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定，适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管，又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。

钛合金

钛也是一种轻金属，比重4.5左右，比铝重，但是强度很高，很耐高温，熔点1660多度，是造飞机的理想材料，飞机发动机，防弹部位，强化部位，加固部位，燃烧室，涡轮轴，喷口等，大多数是用钛合金材料制造的。

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展钛合金主要用于制作飞机发动机、压气机部件，其次为火箭和高速飞机的结构件。

镍钼钨合金

是造发动机的理想材料。飞机发动机的温度高达2000多度，一般的材料是不行的，只有镍钨钼合金才能胜任。

高强钢

高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命，以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其它参数的结构件中。无论是在半成品生产中，还是在复杂结构件的构造中，尤其是在以焊接作为ZZ工序的焊接结构件生产中，钢材都是不可替代的材料。

长期以来，飞机制造业使用最多的钢材，是强度水平为1600-1850MPa、断裂韧性约为77.5-91MPa每平方米的中合金化高强钢。目前，在保持同样断裂韧性指标的条件下，已将钢材的ZD强度水平提高到了1950Mpa。还开发出了新型经济合金化的高抗裂性、高强度焊接结构钢，开发强度性能水平为2100-2200Mpa的高可靠性结构钢；高强度耐蚀钢强度水平与中合金结构钢相近，可靠性参数大大超过中合金结构钢。

随着高分子材料被应用在制作飞机的材料上，使得飞机的性能越来越好。在航空工业中，腐蚀与防腐是个重要的问题，可是一般的金属防腐蚀的效果很差，由于高分子材料耐酸，碱，盐介质的腐蚀性优于金属和其他的合金材料，故被应用在飞机的制作上。另外，高分子材料具有密度小，强度大的优点，这对减轻飞机本身的质量和减少能源的消耗都有重要的意义。