金属材料力学性能

一.金属材料相关概念

任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式的外力作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力；这种能力就是金属材料的力学性能。诸如金属材料的强度、刚度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料在外力下表现出来的力学性能的指标。

1.1 强度

强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。一般用单位面积所承受的作用力表示，符号为σ，单位为MPa。

   工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力作用下，被拉断前所承受的最大应力值，用σb表示。

   对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，则用抗拉强度作为其设计的依据。

1.2 刚度

刚度是指金属材料在外力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于机械零件要求较高的尺寸稳定性时，需要考虑刚度指标。

1.3 硬度

   硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。

几种常用金属材料力学性能一览表

二.材料的失效与许用应力

 通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu

表示。对于脆性材料强度极限为其唯一强度指标；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。

为了机械零件使用的安全性，对于机械构件要有足够的强度储备。因此，实际是使用的最大应力值必须小于材料的极限应力。最大使用应力称为许用应力，用[σ]表示。许用应力与极限应力的关系如下：

[σ]= ，   σu

式中，n为大于1的因数，称为安全因数。对于塑性材料n为1.5-2.5，σu=σs；对于脆性材料n为3.0-7.0，σu=σb。

2.1 强度条件

σmax=（）max≤[σ]

式中，F，机械零件所承受的最大载荷作用力，单位N；

A，承受载荷作用的面积，单位mm²；

[σ]，材料的许用应力，单位MPa；