第1篇 汽车工程材料

第1章 金属材料的性能及零件的失效形式

【知识准备】

汽车常见零部件的名称、常见零部件的材料、材料的物理性质等。

【学习以及能力目标】

（1）掌握：强度的定义及其指标；塑性的定义及其指标；刚度的定义及其指标；硬度的定义及常用硬度测量方法；疲劳及疲劳强度的定义；冲击韧性的定义及冲击韧性的工程意义。

（2）了解：材料的物理、化学性能对材料使用性能的影响；材料的力学性能指标的测定方法；材料的工艺性能。

（3）能独立完成：材料强度、刚度、硬度、塑性的计算；较准确判断常见零件失效的形式。

【教学建议】

（1）教具：生活中常见材料、汽车常见零部件；材料力学实验标件。

（2）建议：尽量利用汽车专业学生对汽车的兴趣，参照实物，结合多媒体课件观察、讲解和分析。

汽车工程材料主要是指制造汽车零部件用的材料。一辆汽车由成千上万个零部件组成，而这些零部件又由上千种不同的材料加工制造而成。在这些众多的材料中，金属材料占有一半以上的比例，因此本章将主要介绍金属材料的性能。

金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。

1.1 金属材料的力学性能

由金属材料制成的零部件，工作过程中在外力（又称为载荷）作用下，都会发生形状、尺寸改变，这种改变称为变形。金属材料承受的载荷有多种形式，可以是静态载荷，也可以是包括单独或同时承受拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、震动、冲击等的动态载荷。

金属材料的力学性能指标有强度、硬度、塑性、冲击韧性等。常用的试验方法有拉伸试验、硬度试验和冲击试验。

金属材料在载荷作用下的变形有弹性变形和塑性变形两种。弹性变形是随着载荷作用而产生，随着载荷的去除而消失的变形；塑性变形是不随载荷的去除而消失的变形。塑性变形和断裂是材料在静载荷作用下失效的主要形式。

1.1.1 强度、塑性和刚度

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。塑性是指金属材料在载荷作用下发生塑性变形而不发生断裂破坏的能力。刚度反映了材料发生弹性变形的难易程度。金属材料的强度和塑性是在静载荷作用下测定的，静载荷是指大小、方向不变或变化缓慢的载荷。

1.拉伸试验与拉伸曲线

拉伸试验是测定静态力学性能指标的常用方法。试验通常在常温下进行，选用具有代表性的低碳钢或铸铁做成标准试样，在拉伸试验机上进行。试验时，将试样两端夹在试验机上，然后开动试验机，在试样上慢慢施加拉力F，直到试样被拉断为止。在拉伸过程中，试验机上的绘图仪能自动绘出所加载荷F与试样标距伸长量△l之间的关系曲线，称为拉伸曲线或力—伸长曲线。由于拉伸曲线与拉伸试样的几何尺寸有关，为消除试样几何尺寸的影响，将纵坐标载荷F除以试样横截面面积S₀，横坐标伸长量△l除以试样标距l₀，得到能反映材料力学性能的应力—应变曲线，如图1-1所示。

从图1-1中可以看出，整个拉伸过程，大致可分为4个阶段。

①弹性阶段（图中OA′段）。OA为直线段，在此阶段，应力与应变呈正比例关系，即符合胡克定律。OA′段内，材料发生的是弹性变形，若卸除拉力，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸。

②屈服阶段（图中BC段）。当拉力继续增加时，试样将产生塑性变形，并且在曲线上出现接近水平的有微小波动的锯齿状线段，说明在此阶段内，应力虽有微小的波动，但基本不变，而应变却迅速增加，表明此时试样暂时几乎失去抵抗变形的能力，这种现象称为材料的屈服。

③强化阶段（图中CD段）。屈服后曲线又呈上升趋势，表明试样又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形就必须增加拉力，这种现象称为材料的强化。

④缩颈阶段（图中DE段）。强化阶段后，变形就集中在试样的某一局部区域内，截面尺寸显著减小，出现缩颈现象（见图1-2）。随后，试样承受拉伸力的能力迅速减小，最后试样在缩颈处被拉断。

通过拉伸曲线（应力—应变曲线）可测定材料的强度与塑性。

2.强度指标

强度指标用应力值来表示，应力用符号σ表示，有：

式中，F——拉伸载荷，N；

S₀——试样原始横截面面积，mm²。

从拉伸曲线图（见图1-1）中分析得出，有三个拉伸载荷比较重要，即弹性范围内的最大拉伸载荷F_e、最小屈服拉伸载荷F_s和最大拉伸载荷F_b。相应得出金属材料的三个强度指标：弹性极限、屈服强度和抗拉强度。

（1）弹性极限。金属材料保持弹性变形的最大应力，用σ_e表示。其计算公式为：

式中，F_e—弹性形变范围内的最大拉伸载荷，N；

S₀——试样原始横截面面积，mm²。

（2）屈服强度（又称屈服极限）。金属材料产生屈服现象时的最小应力，用σ_s表示。其计算公式为：

式中，F_s——材料产生屈服的最小载荷，N。

对低塑性材料，由于屈服现象不明显，所以此类材料屈服强度常以产生一定的微量塑性变形（塑性变形为试样标定长度的0.2%）的应力为屈服应力，用σ_0.2表示，其计算公式为：

式中，F_0.2——塑性变形量为试样原始长度0.2%时的载荷，N。

（3）抗拉强度（又称抗拉极限）。材料断裂前能够承受的最大应力，用σ_b表示。其计算公式为：

式中，F_b——材料产生断裂前的最大载荷，N。

屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择、评定金属材料时有重要意义，材料不能在超过其σ_s的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；更不能超过其σ_b的条件下工作，否则会导致机件的破坏。

3.塑性指标

金属材料的塑性指标用拉伸试验时试样的伸长率和断面收缩率表示。

（1）伸长率。伸长率（又称延伸率）是指试样拉伸时绝对伸长量与原始长度比值的百分数，用δ表示。其计算公式为：

式中，L₀——试样的原始标距，mm；

L₁——受检试件当前长度，mm。

（2）断面收缩率。断面收缩率是指试样拉断后，试样断口处横截面积的收缩量与原始横截面面积比值的百分数，用ψ表示。其计算公式为：

式中，S₁——试样断口处的横截面面积，mm²。

伸长率与试样尺寸有关，试样的长度和直径不同，测得的伸长率不同。长短试样的伸长率分别记为δ₁₀和δ₅，习惯上将δ₁₀记为δ。长短试样的伸长率不能直接进行比较。

塑性是材料的一个重要指标，其数值越大，材料的塑性越好。金属材料的塑性好坏，对于零件的使用和加工性能有着十分重要的意义。例如，低碳钢和铝合金等材料的塑性好，可以冲压成型。汽车的车身制造可以选取低碳钢和铝合金，采用冲压工艺制造而成。铸铁塑性差，不便采用压力加工，只能铸造。同时，由于材料具有一定的塑性，在使用中能够保证材料不会因为稍微超载而突然断裂，增加了材料使用的安全性。

由于材料塑性变形后零件不能恢复原状，因此绝大多数零件正常工作时不允许发生明显的塑性变形。但是冷塑性变形有利于提高材料的硬度，故常被利用来对零件进行表面强化处理，例如，冷喷丸处理。

4.刚性指标（刚度和弹性）

金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性。刚性指标是弹性模量，用E表示。其计算公式为：

式中，σ——在弹性变形范围内的应力，MPa。

ε——在应力作用下产生的应变，即相对变形量，∆L/L，无量纲。

材料的弹性模量越大，材料的刚性越好，也就是材料保持自身形状的能力越强。工程上常用刚度来衡量一个构件或零件在受力时抵抗弹性变形的能力，其计算为材料的弹性模量与零件或构件受力截面积之积。

绝大多数情况下，不允许零件材料有过量的弹性变形，更不允许有明显的塑性变形，因此对零件的刚度有确定的要求。零件的刚度除与受力截面积有关外，还和金属材料以及热处理方式有关。

1.1.2 硬度

硬度是指材料抵抗更硬的物体压入其内的能力，是材料性能的一个综合物理量。它表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。

硬度测试方法有压入法、划痕法和弹性回跳法。方法不同，硬度的物理意义也不同。压入法表征材料的塑性变形抗力及应变硬化能力。划痕法表征材料对切断的抗力（切断强度）。弹性回跳法表征金属弹性变形功的大小。

1.布氏硬度

将一直径为D（mm）的压头（淬火钢球或硬质合金球），以规定的载荷P压入试件表面，并保持一段规定时间，然后卸载，取出试件，测量材料表面压痕直径d（mm），如图1-3所示。根据下式计算布氏硬度值：

式中，A——压痕球冠的表面积，mm²；

D——压球直径，mm；

d——压痕平均直径，mm。

P——规定载荷。

实际测量时，测量出压痕直径d，根据试验条件查表，即可得出布氏硬度值。

布氏硬度符号：压头为淬火钢球，其符号为HBS，适用于布氏硬度值在450以下的材料；当压头为硬质合金球（碳化钨）时，其符号为HBW，适用于布氏硬度值为650以下的材料。

2.洛氏硬度

使用顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的淬火钢球作为压头，在初试验P₀力和总试验力P（P=P₀+P₁）分别作用下压入材料表面。除去主试验力P₁后，在初试验力P₀作用下测定残余压痕深度h。用压痕深度来表示材料的洛氏硬度值，并规定每压入0.002mm为一个硬度单位。

如图1-4所示，0—0为压头未加试验力的位置。1—1为压头在初试验力P₀（100N）作用下压入试样的位置，压入深度h₁。2—2为在总试验力P作用下压头压入试样的位置，深度为h₂。3—3为在卸去主试验力P₁后，压头压入试样的位置，深度为h₃。洛氏硬度计算公式：

式中，C——常数，压头为淬火钢球时，C=130；压头为金刚石圆锥时，C=100。材料越硬，h值越小，所测得洛氏硬度值越大。

洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压头，它们组合成9种不同的硬度标尺，用A到H八个字母再加字母K表示。这9个标尺的应用涵盖了几乎所有常用的金属材料。最常用的标尺是HRA、HRB和HRC。

洛氏硬度表示方法：硬度值+符号HR+标尺字母。例如，60HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为60。

洛氏硬度试验的优点是操作简便，可从表盘上直接读出硬度值，不用计算或查表，而且压痕小，可测定薄壁件，测定范围广。其缺点是精度稍差、硬度值重复性差。通常要在材料的不同部位进行数次测定，取其平均值作为材料的硬度。

3.维氏硬度

维氏硬度的测定原理和布氏硬度的相同，不同的是维氏硬度测定时所用压头是顶角为136°的金刚石正四棱锥。试验时，在载荷F作用下，在试样表面上压出一个正方形的锥面压痕，测量正方形对角线平均长度d，计算压出压痕表面积S，以F/S的值来表示试样的硬度值，用符号HV表示。计算公式如下：

式中，F——载荷，N；

d——压痕对角线的算术平均值，mm。

除了可以根据上式计算出维氏硬度值外，还可以根据所测得的d值，从维氏硬度表中直接查出。

维氏硬度试验根据试验力大小的不同，细分为三种试验，即维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验和显微维氏硬度试验。

维氏硬度表示为HV，维氏硬度符号HV前面的数值为硬度值，后面为试验载荷值。例如，600HV30表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间10～15s时得到的硬度值为600；又如600HV30/20表示采用294.2N（30kg）的试验力，保持时间20s时得到的硬度值为600。

维氏硬度试验的特点：维氏硬度试验的压痕是正方形，轻廓清晰，对角线测量准确，因此，维氏硬度试验是常用硬度试验方法中精度最高的，同时它的重复性也很好，这一点比布氏硬度优越。维氏硬度试验测量范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个维氏硬度单位）都可测量。维氏硬度试验最大的优点在于其硬度值与试验力的大小无关，只要是硬度均匀的材料，可以任意选择试验力，其硬度值不变。这就相当于在一个很宽广的硬度范围内具有一个统一的标尺。在中、低硬度值范围内，在同一均匀材料上，维氏硬度试验和布氏硬度试验结果会得到近似的硬度值。

1.1.3 冲击韧性和疲劳强度

在工程实际中，很多构件所承受载荷的大小、方向均有可能随着时间发生变化。这种大小、方向随着时间发生变化的载荷在材料力学中称为动载荷。加载速度很快，作用时间很短的载荷称为冲击载荷。若载荷的大小和方向随时间作周期性变化，则称其为交变载荷。为了判定构件材料抗击冲击载荷和交变载荷而不被破坏的能力，通常通过试验测定冲击韧性和疲劳强度来评定。

1.冲击韧性

材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧性。材料的冲击韧性通常采用图1-5所示的试验获得。

将带有缺口的标准冲击试样安放在冲击试验机的支座上，试样缺口背向摆锤冲击方向。把质量为m的摆锤从一定高度h₁落下，将试样冲断；冲断试样后，摆锤继续摆升到h₂的高度。摆锤冲断试样所消耗的能量称为冲击吸收功，用符号A_k表示。

冲击吸收功可从冲击试验机的刻度盘上直接读出。将冲击吸收功除以试样缺口处横戴面积，即得到冲击韧性值，用符号α_k表示。α_k是一个综合性的力学性能指标，与材料的强度和塑性有关，单位为J/m²。标准试样缺口有U形和V形两种，所以冲击韧性分别用α_ku和α_kv表示。冲击韧性值计算公式如下：

式中，S——试样缺口处截面积，cm²。

在一次冲断条件下，测得的冲击韧性值对于判断材料抵抗大能量冲击能力有一定意义。一般把α_k值低的材料称为脆性材料，α_k值高的材料称为韧性材料。试验表明：α_k值取决于材料及其状态，同时与试样的形状、尺寸有很大关系。α_k值对材料的内部结构缺陷、显微组织的变化很敏感。例如，夹杂物、偏析、气泡、内部裂纹、钢的回火脆性、晶粒粗化等都会使α_k值明显降低；同种材料的试样，缺口越深、越尖锐，缺口处应力集中程度越大，越容易变形和断裂，冲击功越小，材料表现出来的脆性越高。因此不同类型和尺寸的试样，其α_k或A_k值不能直接比较。

另外，材料的α_k值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内，α_k值发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度（T_k）”。

当材料承受的载荷是小能量，多次冲击时，则材料的冲击韧性主要取决于材料的强度。材料强度越高，则冲击韧性较好。如果冲击能量大，冲击次数少，则冲击韧性主要取决于材料的塑性；材料塑性越高，则冲击韧性较好。因此，冲击韧性值一般只作设计和选材的参考。

2.疲劳和疲劳强度

许多机械零件，如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等，在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化。这种随时间做周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力的作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳。在循环加载下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程经足够的应力或应变循环后，损伤累积可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂。出现可见裂纹或者完全断裂都叫疲劳破坏。

疲劳破坏是一种损伤累积的过程，因此它的力学特征不同于静力破坏。不同之处主要表现为：在循环应力远小于静强度极限的情况下，破坏就可能发生，但不是立刻发生的，而要经历一段时间，甚至很长的时间；疲劳破坏前，即使是塑性材料（延性材料），有时也没有显著的残余变形。

金属疲劳破坏可分为三个阶段：微观裂纹扩展阶段；宏观裂纹扩展阶段；瞬时断裂阶段。

①微观裂纹扩展阶段。在循环加载下，由于物体内部微观组织结构的不均匀性，某些薄弱部位首先形成微观裂纹，此后，裂纹即沿着与主应力约成45°的最大剪应力方向扩展。在此阶段，裂纹长度在0.05mm以内。若继续加载，微观裂纹就会发展成为宏观裂纹。

②宏观裂纹扩展阶段。裂纹基本上沿着与主应力垂直的方向扩展。借助电子显微镜可在断口表面上观察到此阶段中每一应力循环所遗留的疲劳条带。

③瞬时断裂阶段。当裂纹扩大到使物体残存截面不足以抵抗外载荷时，物体就会在某一次加载下突然断裂。

在疲劳宏观断口上往往有两个区域：光滑区域和颗粒状区域。疲劳裂纹的起始点称作疲劳源。实际构件上的疲劳源总是出现在应力集中区，裂纹从疲劳源向四周扩展，如图1-6所示。由于反复变形，裂纹的两个表面时而分离，时而挤压，这样就形成了光滑区，即疲劳裂纹第二阶段扩展区域。第三阶段的瞬时断裂区域表面呈现较粗糙的颗粒状。如果循环应力的变化不是稳态的，应力幅值不保持恒定，裂纹扩展忽快、忽慢或者停顿，则在光滑区域上用肉眼可看到贝壳状或海滩状纹迹的疲劳弧线。

试验证明，金属材料所承受的交变应力与断裂前应力循环次数N有关。由图1-7所示可知，当σ低于某个值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无数次循环应力作用而不被破坏，把这一最大应力称为疲劳强度，用σ_-1表示。根据疲劳曲线可知，交变应力越小，断裂前所能承受的循环次数越多；交变应力越大，可循环的次数越少。工程上用的疲劳强度指的是在一定基数下不发生断裂的最大应力。通常规定钢铁材料应力循环次数取10⁶～10⁷，有色金属取10⁸。

影响金属疲劳极限的因素很多，主要有零部件的工作条件、金属材料的化学成分、表面质量、残余应力等。因此改善零件的结构形状，减缓应力集中，采用合理零件结构减轻震动，降低零件的表面粗糙度，采用各种表面强化的方法等都能提高零件的疲劳极限。

1.2 金属材料的工艺性能

工艺性能是指材料在成型过程中，对某种加工工艺的适应能力，它是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，材料工艺性能的好坏，会直接影响机械零件的工艺方法、加工质量、制造成本等。材料的工艺性能主要包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。

1.铸造性能

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型型腔内，经冷却凝固获得有预定形状、尺寸和性能的零件的工艺过程。金属材料在铸造成型的过程中，获得优良铸件的能力称为金属的铸造性能。因为铸造常用来制造重型、结构复杂，尤其是内腔复杂的零件，所以衡量金属材料铸造性能的指标主要有流动性、收缩性等。

①流动性是指熔融金属材料的流动能力。流动性好的材料容易充满铸型型腔，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰、无浇注不足的铸件。同时，还可以制造难以用车铣类加工方法获得的薄壁零件。流动性主要受化学成分和浇注温度的影响。化学成分是影响合金流动性的本质因素。例如，灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差；高的浇注温度能使金属保持液态的时间延长，并且能降低金属液的黏度，从而提高流动性。

②收缩性是指铸件在冷却凝固过程中其体积和尺寸减少的现象。铸件收缩不仅影响其尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形、开裂等缺陷。金属材料的铸造收缩性也主要受化学成分和浇注温度的影响。例如，灰铸铁的收缩率小于铸钢的。

随着材料科学的发展，金属合金化程度越来越高。因此偏析对金属合金材料铸造性能影响越来越突出。铸造偏析是指液态合金在铸型中凝固以后，铸件断面上存在化学成分的不均匀现象，它严重影响铸件的力学性能和化学性能。

2.压力加工性能

汽车制造和维修过程中，用到的金属压力加工方法很多，如锻造、轧制、冷（热）挤压、冷（热）拉拔、冷（热）冲压等。锻造包括模型锻造（简称模锻）和自由锻造。例如，汽车发动机曲轴可采用模锻而成；轧制包括冷轧和热轧。例如，汽车车身板材是通过冷轧而成的；挤压包括冷挤压和热挤压。例如，发动机冷却器（水箱）的铝管可采用挤压而成；冲压分为冷冲压与热冲压。例如，轿车的车身主体都是由钢板冲压成形后焊接装配而成。拉拔有冷拉拔和热拉拔。例如，发动机燃油高压供给管是通过冷拉拔而成的。

金属压力加工，又称金属塑性加工，是指在金属体积不改变的情况下，利用金属在外力作用下所产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法。而金属经过压力加工获得优质原材料、毛坯或零件的性能，称为金属的压力加工性能。金属压力加工主要是让金属发生塑性变形，因此金属材料的塑形直接影响其压力加工性能。例如，低碳钢的压力加工性能好于高碳钢的。

金属冷压力加工能够使金属材料结构更致密，同时金属在冷态塑性变形中，使金属的某些性能指标，如屈服点、硬度等提高，而另一些力学性能，如伸长率降低的现象称为冷作硬化，又称为冷加工硬化。一方面冷加工硬化会给零件的再加工增加困难，另一方面，也可以利用这种现象来提高零件的某些性能。例如，冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧等，就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限的。

3.焊接性能

焊接生产具有批量大、生产速度快的特点，是目前汽车流水线生产中一项不可或缺的加工工艺。例如，汽车车架、车桥、车身、车厢、变速器箱、消声器、减震器等很多零部件生产都含有焊接工序。

焊接指两被焊工件（同种材质或异种材质），通过加热或（和）加压，用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程。

金属材料的焊接性是指金属材料采用一定的焊接工艺（焊接方法、焊接材料、焊接规范及焊接结构形式等），获得优良焊接接头的难易程度。金属材料的焊接性能与焊接接头中的化学成分以及焊接时产生的组织有关。

①钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。其中，影响最大的是碳元素，金属含碳量的多少决定了它的可焊性。因为钢中含碳量增加，淬硬倾向增大，塑性下降，容易产生焊接裂纹。含碳量越高，可焊性越差。通常，含碳量小于0.25%的低碳钢和低合金钢，塑性和冲击韧性优良，焊后的焊接接头塑性和冲击韧性也较好。随着含碳量增加，大大增加焊接的裂纹倾向。一般说来，含碳量大于0.25%的钢材不应用于制造锅炉、压力容器的承压元件。

②焊接性能的好坏还受焊接方法、焊接时的温度、压力等外界因素的影响。例如，高强度合金轿车车身修复采用的电阻点焊质量主要受焊接时的压力、电流、通电时间的影响。

4.切削加工性能

材料接受切削加工的难易程度称为材料的切削加工性能。它主要包括切削速度、表面粗糙度、刀具的使用寿命等。

一般来说，材料的硬度适中（180～220HBS），其切削加工性能良好，所以灰铸铁的切削加工性比钢好，碳钢的切削加工性比合金钢好。改变钢的成分和显微组织可改善钢的切削加工性能。

5.热处理性能

热处理性能是金属材料进行热处理时表现出来的性能。一般通过热处理来提高金属材料的机械性能。例如，采用渗碳淬火可强化变速器轴类零件、差速器齿轮、转向器轴齿件、发动机活塞销等。

1.3 金属材料的化学性能

材料的化学性能就是材料与外界接触物时表现出来的耐受性，实质上表现为材料的化学稳定性。金属材料的化学性能一般指耐腐蚀性和抗氧化性。

1.耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他外围化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。金属材料在腐蚀性介质中会发生化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，如钢的氧化反应。电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。

腐蚀不但使金属表面材料本身受到损伤，还会使机械零部件的使用性能遭到破坏，甚至会成为疲劳损伤的疲劳源，进而发生机械事故，引发灾难。

汽车常用的金属材料中，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，而铝、铜的耐腐蚀性较强。对汽车上的易腐蚀部位，一方面可以采用耐腐蚀性的材料，比如采用铝合金、钛合金，或使用高强度塑料代替；另一方面也可以加适当涂覆层，起到防腐蚀的作用。

2.抗氧化性

金属材料在高温抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。在钢中加入Cr、Si等元素，可达到提高钢的抗氧化性。例如，汽车发动机排气门工作在高温环境下，就可以采用4CrSi2这种材料；汽车排放系统零部件主要采用耐热铸铁，包括中硅（或中钼）耐热球墨铸铁、硅钼铬耐热球墨铸铁、高镍奥氏体球墨铸铁等，因为这些材料具有良好的高温强度和抗氧化性。

1.4 机械零件的失效形式

机械零件由于各种原因造成不能完成预定的功能称为失效。机械零件常见的失效形式有磨损（表面损伤）、断裂和过量变形。零件失效可能是其中一种，也可能是几种。

1.磨损

零件的磨损非常常见，例如，汽车制动片磨损超差。零件摩擦表面的金属在相对运动过程中不断损失的现象，称为零件的磨损。磨损的发生将造成零件形状尺寸及表面性质的变化，使零件的工作性能逐渐降低。根据摩擦原理的不同，磨损可分为磨料磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。

①磨料磨损是指摩擦表面间存在的硬质颗粒引起的磨损。这种硬质颗粒称为磨料，它主要来自空气中的灰尘、润滑油中的杂质及运动过程中从零件表面脱落下来的金属颗粒。

②黏着磨损是指当金属表面的油膜被破坏，摩擦表面间直接接触而发生黏着作用，使一个零件表面的金属转移到另一个零件表面引起的磨损。

③疲劳磨损是指主要由于金属表面负荷大、温度高而引起的磨损。在交变载荷作用下，零件表层产生疲劳剥落的现象。它主要发生在纯滚动及滚动与滑动并存的摩擦状态下。

④腐蚀磨损是指在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀产物剥落的现象。它是在腐蚀现象与机械磨损、黏着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境中，在有酸、碱、盐等特殊介质条件下尤其容易发生。

在相对静止的接合零件上，往往易产生被忽视的微动磨损。微动磨损是指两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损。其最大特点是在外界变动载荷作用下，产生振幅很小（约10µm）的相对运动，由此发生摩擦磨损。微动磨损常发生在键连接处、过盈配合处、螺栓连接处、铆钉连接接头处等。微动磨损使配合精度下降，紧配合部件紧度下降甚至松动，连接件松动乃至分离，严重者引起事故。此外，也易引起应力集中，导致连接件疲劳断裂。

零件的磨损是不可避免的，工作条件的不同引起零件磨损的原因也就不同。但各种零件的磨损却具有一定的共同规律，这种规律称为零件磨损特性。零件的磨损一般可分为磨合期、工作期和极限磨损期三个阶段。在磨合期，若新零件及修复件表面过于粗糙，工作时零件表面的凸起点会划破油膜，在零件表面上产生强烈的刻划、黏结等作用，同时从零件表面上脱落下来的金属及氧化物颗粒会引起严重的磨料磨损，所以该阶段的磨损速度较快。随着磨合时间的增加，零件表面质量不断提高，磨损速度会相应降低，适应性及强度增强，所以零件在正常工作期的磨损变得非常缓慢，从而进入工作期。随着磨损的不断积累，造成的极限磨损期零件的配合间隙过大，油压降低，正常的润滑条件被破坏，零件之间的相互冲击也随之增加，零件的磨损急剧上升，此时不及时修理将会造成事故性的损坏，这一阶段称为极限磨损期。

2.断裂

断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下，其本身连续性遭到破坏，发生局部开裂或分裂成几部分的现象。零件断裂后不仅完全丧失工作能力，而且还可能造成重大的经济损失或伤亡事故。因此，尽管与磨损、变形相比，断裂所占的比例很小，但它仍是一种最危险的失效形式。尤其是现代机械设备日益向着大功率、高转速的趋势发展，断裂失效的概率有所提高。断裂的分类方法很多，本书主要介绍延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、环境断裂、蠕变断裂等。

①延性断裂是指零件在外力作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形，外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂的现象。延性断裂的宏观特点是断裂前有明显的塑性变形，常出现缩颈，而从断口形貌微观特征上看，断面有大量微坑（也称韧窝）覆盖。延性断裂实际上是显微空洞形成、长大、连接以致最终导致断裂的一种破坏方式。

②脆性断裂是指金属零件或构件在断裂之前无明显的塑性变形，发展速度极快的一类断裂现象。它通常在没有预示信号的情况下突然发生，是一种极危险的断裂。

③疲劳断裂是指按静强度安全设计的机械零件，在承受低于材料屈服强度或抗拉强度的交变应力长期缓慢作用下，仍然发生的断裂。它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重（80%～90%）。

④环境断裂是指材料与某种特殊环境相互作用而引起的具有一定环境特征的断裂方式。环境断裂主要有应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变、腐蚀疲劳断裂、冷却断裂等。

⑤蠕变断裂是材料在长时间的恒温恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象引起的断裂。例如，高温交变的压力管的破裂常常因为蠕变引起的。

3.过量变形

过量变形是指机械构件扭曲、拉长，弹性元件发生的永久变形。它包括过量的弹性变形、塑性变形、蠕变等。过量变形会造成零件尺寸和形状的改变，影响它们的正确使用位置，破坏零件或部件间相互配合的位置和关系，使机器不能正常工作，甚至造成事故。蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限施加的力时也能出现。许多材料（如金属、塑料、岩石和冰）在一定条件下都表现出蠕变的性质。由于蠕变，材料在某瞬时的应力状态，一般不仅与该瞬时的变形有关，而且与该瞬时以前的变形过程有关。

机械零件失效形式是多样的，失效的原因也是多样的。机械零件失效可能由于选材不当、零件设计不合理、加工工艺不合理或工艺过程控制不稳定等根本因素所致，也可能因为零件承受的载荷性质、应力应变种类而发生失效。

能力训练与拓展

某一低碳合金结构钢试件，其受力曲线如图1-1所示，请标出该试件发生形变的几个阶段。试计算该试件材料的弹性模量E、弹性极限σ_e、抗拉强度σ_b、最大伸长率δ以及断面收缩率ψ。已知试件原直径为10mm，长度为100mm，在载荷为21000N时发生屈服，此时的长度为101mm。试件断裂前受到的最大载荷为45000N，拉断后长度为130.5mm，断裂处直径为8mm。

解：低碳合金结构钢为塑性材料，试件发生形变的几个阶段为：

OA'段：弹性变形阶段；BC段：屈服阶段；CD：强化阶段；DE段：局部颈缩阶段。

低碳合金结构钢为塑性材料，它发生屈服时受到的作用力比较接近其开始屈服时的作用力，因此，可以通过计算屈服极限σ_s来估计弹性极限σ_e。根据公式（1-2），该试件的弹性极限：

同理，该试件发生屈服变形时的应变ε=1%，则由式（1-8）有材料的弹性模量：

再由式（1-5）有试件材料的抗拉强度：=573.2MPa;

最大伸长率δ=30.5%；

断面缩缩率ψ=×100%=36%。

根据本试件拉伸试验可知：弹性阶段受力变化很大，但是材料变形不大，且材料变形均匀；屈服阶段受力变化不大，而材料变形很大，材料失去抵抗变形的能力，材料的破坏通常就发生在这个阶段；强化阶段，材料部分恢复了抵抗变形的能力，又开始出现均匀变形的情况，工程实践中通常利用它来提高材料的抗拉能力。

复习思考题

1-1 什么是金属材料的化学性能，主要包括哪些？

1-2 什么是金属材料的力学性能？根据载荷的不同，力学性能主要包括哪些指标？

1-3 什么是强度？什么是塑性？衡量这两种性能的指标有哪些？各用什么符号表示？

1-4 测定某种钢的力学性能时，已知试棒的直径是10mm，其标距长度是直径的五倍，F_b=33.81kN，F_s=20.68kN，拉断后的标距长度是65mm。试求此钢的σ_s，σ_b及δ值是多？

1-5 什么是硬度？HBS、HBW、HRA、HRB和HRC各代表什么方法测出的硬度？

1-6 什么是冲击韧性？用什么符号表示？

1-7 冲击韧性有什么工程意义？

1-8 什么是疲劳？什么是疲劳强度？什么是疲劳破坏？

1-9 疲劳破坏过程可分为哪三个阶段？零件产生疲劳源的部位有何规律？

1-10 长期工作的弹簧突然断裂，属于哪类问题？与材料的哪些性能关？

1-11 大能量冲击和小能量多次冲击的冲击韧性各取决于金属材料的哪些力学性能指标？

1-12 什么是材料的工艺性能？

1-13 下列硬度的写法是否正确？

HBS150 HRC140 HRC70 HRB10 478HV HRA79 474HBW

1-14 连接螺栓的脱落属于哪种失效形式？