在人類文明發展的歷史過程中，由于材料性能的不合格造成的大大小小的事故不勝枚舉。像1912年泰坦尼克號的沉沒，1938年二戰前夕英國皇家空軍Spitfire戰斗機的墜落，1998年德國的鐵路慘案……在早期時候是由于人類認知水平的不足而造成的，而在科學發達的今天，事故的發生更多是由于設計、制造工藝、使用環境等因素考慮不周，使用不當而造成的。因此，對材料性能的全面了解以及正確的使用合適的材料，變得非常的重要。材料的性能包括力學性能、物理化學性能及工藝性能等，本文主要介紹一下材料的力學性能。

金屬材料的力學性能，是指金屬材料在受到不同性質的載荷作用時，所表現出來的性能，它包括：強度、硬度、塑性、韌性和抗疲勞強度等性能指標。

1  強度  

相信大家對材料的強度這個詞是耳熟能詳了，平常中聽的最多的也是這個。由于載荷的不同，強度也分為：抗拉、抗壓、抗剪、抗扭、抗彎曲五種。我們所要關注的為抗拉強度，其他四種強度與抗拉強度存在一定的關系，可以用抗拉強度來推測。

圖1 拉伸曲線

圖1為材料進行拉伸試驗時得到的曲線，這里我們不展開詳細描述，需要的注意的是以下幾點：

1. 脆性材料和塑性材料差異。

圖1中曲線為塑性材料的拉伸曲線，對于脆性材料（沒有明顯屈服現象），將產生規定殘余伸長率為0.2%時的應力值作為該材料的屈服強度，以σ0.2表示。

2. 計算時用屈服強度還是抗拉強度。

若不允許發生過量的塑性變形，以屈服強度σs 或σ0.2 為依據；若零件在使用時只要求不發生破壞，以抗拉強度σb 來設計。

3. 手冊上給出的強度值是否可以直接使用。

一般的設計手冊中給出的強度值為采用標準試棒拉伸得到的。這個標準試棒直徑一般較小，通常16mm，而且表面粗糙度較好，沒有應力集中區域。有些手冊上針對不同的直徑段，也給出了相應的強度值，但是依然比較籠統。正因如此，在中國通常我們使用“許用強度/應力”，它實際上是試棒試驗的強度除以一個安全系數得到的數值。手冊上給出的許用值通常會比較保守。如果需要精確計算，則需要考慮更多的因素，如尺寸大小、應力集中、表面處理、粗糙度等等，DIN743是個不錯的參考資料。

4. 疲勞強度與抗拉強度的關系。

一般情況下，彎曲疲勞極限σbw=0.5σB，拉壓疲勞極限σzdw=0.4σB，扭轉疲勞極限σtw=0.3σB。

2  硬度  

硬度是指，金屬表面上局部體積內抵抗塑性變形和破壞的能力。通常在做材料檢測時，我們會打一下硬度，進而判斷材料性能的好壞。實際上，硬度和強度并沒有嚴格對應換算關系，雖然有些標準給出了這種對應關系，它只能說是大量實驗得出的一種粗略換算關系。那為什么我們要用硬度呢？因為硬度檢測設備簡單，操作起來也比較方便，最重要的是它可以在不破壞零件的情況下進行測量。雖然和強度不能一一對應，但是大體上可以對材料進行判斷。

（a）布氏硬度測量（HB）；（b）維氏硬度測量（HV）；（c）洛氏硬度測量（HR）

圖2 常用的硬度測試方式

圖2給出了三種硬度測試原理的示意圖，更多信息大家可以通過教材得以了解。下面我們看一下需要注意的地方：

1. 為什么有些硬度的用HBW, HBS, HRA, HRB, HRC等來表示。

后綴字母的區別是由于采用壓頭的材料或標度不一樣。不同的后綴測定的硬度范圍是不一樣的，適用的材料也是不一樣的，需要注意。

2. 這三種硬度測試方法，什么時候應用什么硬度？

布氏硬度 （HB）：適用于硬度較低和尺寸較大的材料，示值重復性好，一般不用于成品件測量。

洛氏硬度 （HR）：壓痕小，可用于成品件，較薄件的硬度測量，而且測量硬度范圍廣，但示值重復性較差，需多點取平均值，淬火鋼硬度的測量多用洛氏硬度。

維氏硬度 （HV）：可測量的硬度范圍最廣，而且不受試驗力大小的影響，可用于測較薄的硬化層測量，但是由于其對試樣和操作者要求較高，目前主要集中用于實驗室中對材料研究以及科學試驗方面。

表1 布氏硬度和抗拉強度的換算關系

3  塑性  

塑性是指，材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。良好的塑性有利于金屬材料的冷沖壓成型加工，材料塑性好不好，通常我們通過伸長率δ 和端面收縮率ψ 兩個指標來衡量。當δ>ψ 時，無縮頸，為脆性材料表征；當ψ>δ 時，有縮頸，為塑性材料表征。更多信息這里就不展開了，我們來看看有關塑性的問題：

1. 材料塑性的意義是什么。

安全：防止產生突然破壞；緩和：應力集中；軋制：擠壓等冷加工已變形，放開裂。

2. 材料塑性與強度的關系。

強度和塑性是一對矛盾的性能指標，要想提高強度就要犧牲一部分塑性，反之改善塑性就必須犧牲一部分強度。不過可以通過熱處理，改善材料的金相組織來同時提高強度和塑性。

4  韌性  

我們實際中用到的很多零部件，有時會受到一個突然間的外力作用，我們稱之為沖擊載荷。在沖擊載荷的情況下，材料不僅要有較高的強度和硬度，還要有足夠的韌性，以防止沖擊帶來的破壞。

圖3 泰坦尼克的沉沒

正像文章的標題提到的，泰坦尼克號的沉沒就是由于材料的沖擊韌性不達標造成。這艘曾被稱作為“永不沉沒的船”和“夢幻之船”的豪輪，在其處女航時和冰川撞上之后開裂而進水沉沒。

圖4 擺錘沖擊試驗

材料的沖擊韌性指標Ak 通常采用擺錘式的沖擊功試驗來驗證，材料的Ak 值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內，Ak 值發生急劇降低，這種現象稱為冷脆，此溫度范圍稱為“韌脆轉變溫度Tk。

圖5 溫度對沖擊功的影響

Ak 值受到多種因素的影響，這里不作展開。考慮以下幾個問題：

1. 什么時候需要做沖擊功試驗？

如果零部件實際使用工況中存在沖擊性載荷，或在低溫狀態下使用時需要考慮沖擊試驗。沖擊試驗的溫度根據實際情況選擇，一般溫度越低，沖擊韌性越差。

2. Ak 值大的是不是一定比Ak 值小的沖擊韌性好？

Ak  值是將零部件做成一定試樣后來確定的，如果僅僅給出了Ak  值，但沒有標明試樣的類型和尺寸，其Ak  值是不能直接比較的。

5  疲勞  

處在交變應力下的零部件，在其應力值低于材料的抗拉強度，甚至有時低于屈服極限時就發生斷裂，我們稱之為疲勞。下圖為疲勞曲線圖。

圖6 疲勞曲線圖

影響材料的疲勞極限的因素有很多，包括：內在的材料本身的表面特征和內部缺陷，以及外部載荷力大小，循環次數等。一些內在的因素我們可以通過設計和制造工藝控制來提高，改善材料的疲勞應力。考慮以下問題：

1. 計算中疲勞應力如何取？

在前面第一部分中，我們簡要的提到了疲勞強度和抗拉強度的關系。這只是一個粗略的關系，精確計算疲勞極限時還要考慮很多因素。另外如果我們可以計算其循環次數，則我們可以適當根據循環次數和疲勞曲線圖選擇較大的疲勞極限值，而不是一直用永久疲勞極限值。

2. 有哪些措施可以改善疲勞強度？

設計中避免尖角，缺口和截面突變；提高表面加工質量；表面強化處理，如淬火，噴丸等。