金屬機械表面組織性能分析及測量研究

賀得飛，鐘 靈

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 武威 733006）

金屬材料的性能可以分為兩種，分別為使用性能和工藝性能。其中金屬材料的使用性能又可以被細分為機械性能、物力性能和化學性能等。而本文主要研究的則是金屬材料的使用性能里面的機械性能。具體從金屬機械的強度、塑性、韌性、硬度等進行了闡述。

1 金屬機械表面組織性能的類型

1.1 金屬的強度

金屬的機械性能具體可以分為好幾種，而其中比較基礎(chǔ)和重要的性能就是金屬的強度。很多行業(yè)在發(fā)展過程中都會應(yīng)用到金屬材料，就比如現(xiàn)在發(fā)展勢頭良好的汽車行業(yè)和建筑行業(yè)，就用到了大量的金屬材料。而行業(yè)發(fā)展中選擇金屬材料時需要考慮多種因素，金屬強度就是其中之一。強度主要指的是金屬在受到了靜載荷能力下，抵抗出現(xiàn)塑性變形和出現(xiàn)斷裂情況的能力。簡而言之就是金屬材料抵抗外力不出現(xiàn)變形和斷裂的能力。金屬材料的強度可以說使這些材料在設(shè)計、加工和使用過程中重點考察的性能指標，尤其是在選擇材料和設(shè)計材料這兩個環(huán)節(jié)中有著重要的作用，是進行這兩個環(huán)節(jié)的重要依據(jù)。在發(fā)生不同靜載荷作用時，其強度也可以分成好幾種，如抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、抗扭強度和抗彎強度。不同行業(yè)所需金屬強度是不一樣的，因此生產(chǎn)金屬材料時需要對強度性能指標進行測量，為各行業(yè)提供合適的金屬材料。

1.2 金屬的塑性

金屬材料的機械性能除了上述的強度外，塑性也是其基本性能之一。不同行業(yè)所需要的金屬材料的性能是不一樣的，如建筑行業(yè)顯然需要強度比較高和塑性比較強的技術(shù)材料。塑性主要指的是金屬材料在斷裂之前擁有的永久變形而不被破壞的能力。金屬的這種塑性能力在一定程度上可以提高金屬材料的安全性能。如今建筑行業(yè)和汽車行業(yè)快速發(fā)展，不論是建造的建筑還是汽車，在使用過程中如果因為金屬材料性能不好出現(xiàn)問題，必然會造成極大的隱患，甚至會危及到使用者的生命安全。因此提高金屬材料的安全性能是必然趨勢，而這就不得不涉及到金屬的塑性指標。

1.3 金屬的韌性

金屬的韌性也是金屬材料機械性性能的重要組成部分。韌性主要指的是金屬材料在受到了沖擊載荷作用力后形成的應(yīng)力與變形要比靜載荷引起的變形和應(yīng)力要大，其破壞能力也要比靜載荷作用力大得多，因此在進行零件設(shè)計時必須要充分的考慮到材料抵抗沖擊載荷的能力。其中將金屬材料的抵抗沖擊載荷作用力卻不會破壞的性能被稱作沖擊韌性。就如在汽車行業(yè)中，如果汽車金屬材料的韌性不足，將很容易造成各種安全事故的產(chǎn)生，對使用者造成極大的生命威脅。

1.4 金屬的硬度

金屬的硬度也是金屬材料機械性能的其中一部分，具體指的是金屬材料在遇到一定壓力時，擁有的可以抵抗這種壓力，或是局部變形和破壞的能力，尤其是抵抗金屬材料塑性變形、壓痕或是劃痕的能力。這種機械性能可以說在汽車行業(yè)起到了十分重要的作用，每輛汽車成本都極高，購買人員需要花費大量金錢購買，除了購買成本外，還需要承擔汽車的使用成本，如買油、定期保養(yǎng)等。很多使用者都很是愛惜自己的車輛，一旦出現(xiàn)了劃痕必然會感覺心痛。而這就不得不考慮到金屬材料的硬度了，如果汽車金屬材料硬度過低，必然容易造成劃痕，但如果硬度過高又會影響金屬材料的其他性能使用。就必須要對金屬材料硬度進行測量，為不同的行業(yè)提供合適的金屬材料。

2 金屬機械表面組織性能測量

2.1 金屬強度性能測量

在金屬材料強度性能的測定中主要采取了拉伸試樣的方法進行。拉伸試樣主要是選擇其中一種金屬材料，對其進行拉伸試驗，測量其中的拉伸力和伸長量之間的關(guān)系曲線。在選擇材料時，通常都會選擇低碳鋼作為主要實驗材料。為了能夠形成鮮明的對比，在進行了低碳鋼的拉伸試樣后，還選擇了一種脆性材料進行了拉伸試樣，將獲得的拉伸數(shù)據(jù)與金屬材料的拉伸數(shù)據(jù)進行對比。經(jīng)過對兩種材料的拉伸曲線、拉伸指標之間的對比之后可以明顯看到脆性材料在斷裂之前并沒有出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象。拉伸曲線包括了力-伸長曲線，指的是低碳鋼試樣在進行拉伸實驗中得出的拉伸力和伸長量之間的曲線關(guān)系。低碳鋼實驗器材在進行拉伸實驗過程中經(jīng)歷了三個階段，分別為彈性變形階段、屈服階段、強化階段等，同時還要觀察低碳鋼是否出現(xiàn)了明顯的頸縮現(xiàn)象。

2.2 金屬塑性性能測量

金屬的塑性性恩能夠通常是利用金屬材料斷后伸長率或是斷面的收縮力來表示的。因此在測量金屬材料的塑性性能時需要對金屬材料的斷后伸長率進行測量和計算，或是對金屬材料的斷面收縮率進行測量和計算。

2.3 金屬韌性性能測量

對金屬材料的韌性測量主要采取韌性沖擊試樣方法進行，采取沖擊試驗。金屬試樣在被沖段過程中吸收的能量也就是沖擊吸收功用AK表示，AK等于擺錘沖擊試樣前后勢能差。

2.4 金屬硬度性能測量

在對金屬材料的硬度性能進行測量時主要可以采取三種方式進行，分別為布氏硬度實驗法、洛氏硬度試驗法、維氏硬度實驗法。這三種方法各有各的優(yōu)勢，在金屬材料的硬度性能測量中都發(fā)揮著極其重要的作用。

布氏硬度測量法需要用到專門的布氏硬度實驗機器，從機器中獲取相應(yīng)的布氏硬度值。但是布氏硬度測量法既有優(yōu)勢也有缺點，優(yōu)勢就是測量的數(shù)值較為準確且穩(wěn)定，但是在測量過程中由于測壓痕面積比較大，很容易對金屬表面造成損傷，因此一般都是用來測量組織比較大或是組織不均勻的金屬材料，如鑄鐵、正火、退火、非鐵金屬等原材料或是半成品的硬度，卻不適合用來測量成品和比較薄小的金屬材料。當測量的樣品比較小或是布氏硬度超過450時，就需要利用洛氏硬度測量法進行測量。

洛氏硬度測量法需要用到專門的洛氏硬度試驗機，通過這個機器獲得金屬材料的洛氏硬度值。為了測定不同的金屬材料硬度值，經(jīng)常需要采用不同的壓頭和試驗力組裝成不同的硬度標尺。洛氏硬度值測量也同樣既有優(yōu)勢也有劣勢。優(yōu)點是操作比較簡單快捷，壓痕比較小，因此在十分適合測量成品和較小較薄的物件，并且在測試時不需要進行計算或是查表就可以直接讀出金屬材料的硬度值。劣勢則是缺乏精準度，重復性比較差，通常需要對同一個零件表面進行多次測試，然后選取其中的平均值作為硬度值。

維氏硬度實驗法和布氏硬度實驗法有著相似之處，都是需要計算金屬材料壓痕單位面積所承受的試驗力，然后根據(jù)試驗力去計算硬度值。不過壓頭卻不一樣，前者主要采用兩相對面夾角是136°的正四棱錐體金剛石。維氏硬度實驗法的優(yōu)點在于，實驗過程中所遭受的載荷比較小，因此壓入的深度比較淺，很適合測量零件表面淬硬層以及經(jīng)過化學熱處理的表面層。同時維氏硬度采取的標志是連續(xù)一致的，因此實驗時可以隨意選擇標尺，卻還不會影響硬度值。測量出來的硬度值測量精度高，且測量金屬材料類型更多，再軟再硬的金屬材料都可以測量。缺點卻也很明顯，就是操作過程比較復雜，且由于操作復雜，工作人員的工作效率就比較低。

3 金屬機械表面組織性能分析

3.1 金屬強度分析

在金屬強度試驗中涉及到了兩個強度指標，其強度的分析就是根據(jù)這兩個指標進行計算得出的。其一指標為屈服點，在對金屬材料進行拉伸實驗的過程中，隨著載荷能力的不斷增加，試樣仍能夠不斷進行伸長時的應(yīng)力被稱作屈服點。對于沒有出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的脆性材料，屈服點的計算就是在試樣卸除了載荷作用力后，其標距部分殘余伸長率達到了試樣標距長度的0.2時的應(yīng)力可以利用專門的符號表示。其二抗拉強度，指的是在材料斷裂之前所稱所的最大應(yīng)力。將實驗過程中得到的兩個指標利用專門的計算公式計算出強度指標。

3.2 金屬塑性分析

在金屬塑性分析中主要涉及了兩個指標，分別為伸長率和斷面收縮率。其中伸長率指的是在試樣被拉斷后，這時標距伸長和原始標距百分比。斷面收縮率指的是在試樣拉斷后，頸縮除的橫截面積和縮減量與之前沒有發(fā)生斷裂時橫截面積的百分比。

3.3 金屬韌性分析

進行了專門的試樣韌性實驗之后，將獲取的相應(yīng)數(shù)值進行專門的公式計算AK=GH1-GH2=G（H1-H2）。

3.4 金屬硬度分析

硬度分析相比前幾個分析要更為簡單點，因為硬度測量多是利用專門的器械進行，通過器械獲得相應(yīng)的數(shù)值，或是經(jīng)過計算，或是直接就顯示出金屬材料的硬度值。

4 結(jié)語

總之，金屬的重要性日益凸顯，金屬材料在我國各行各業(yè)可以說都得到普遍應(yīng)用，就如當前快速發(fā)展的汽車行業(yè)和建筑行業(yè)來說，更是使用金屬材料的重點行業(yè)。而金屬材料在使用過程中，不是所有的金屬材料都可以被使用的，還需要考慮到金屬材料的機械性能，如強度、硬度、韌性、塑性指標是否符合。本文就對金屬材料的機械性能測量方法和計算分析等進行了闡述，希望可以對金屬材料的使用提供幫助。