金属机械表面组织性能分析及测量研究

贺得飞，钟 灵

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

金属材料的性能可以分为两种，分别为使用性能和工艺性能。其中金属材料的使用性能又可以被细分为机械性能、物力性能和化学性能等。而本文主要研究的则是金属材料的使用性能里面的机械性能。具体从金属机械的强度、塑性、韧性、硬度等进行了阐述。

1 金属机械表面组织性能的类型

1.1 金属的强度

金属的机械性能具体可以分为好几种，而其中比较基础和重要的性能就是金属的强度。很多行业在发展过程中都会应用到金属材料，就比如现在发展势头良好的汽车行业和建筑行业，就用到了大量的金属材料。而行业发展中选择金属材料时需要考虑多种因素，金属强度就是其中之一。强度主要指的是金属在受到了静载荷能力下，抵抗出现塑性变形和出现断裂情况的能力。简而言之就是金属材料抵抗外力不出现变形和断裂的能力。金属材料的强度可以说使这些材料在设计、加工和使用过程中重点考察的性能指标，尤其是在选择材料和设计材料这两个环节中有着重要的作用，是进行这两个环节的重要依据。在发生不同静载荷作用时，其强度也可以分成好几种，如抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。不同行业所需金属强度是不一样的，因此生产金属材料时需要对强度性能指标进行测量，为各行业提供合适的金属材料。

1.2 金属的塑性

金属材料的机械性能除了上述的强度外，塑性也是其基本性能之一。不同行业所需要的金属材料的性能是不一样的，如建筑行业显然需要强度比较高和塑性比较强的技术材料。塑性主要指的是金属材料在断裂之前拥有的永久变形而不被破坏的能力。金属的这种塑性能力在一定程度上可以提高金属材料的安全性能。如今建筑行业和汽车行业快速发展，不论是建造的建筑还是汽车，在使用过程中如果因为金属材料性能不好出现问题，必然会造成极大的隐患，甚至会危及到使用者的生命安全。因此提高金属材料的安全性能是必然趋势，而这就不得不涉及到金属的塑性指标。

1.3 金属的韧性

金属的韧性也是金属材料机械性性能的重要组成部分。韧性主要指的是金属材料在受到了冲击载荷作用力后形成的应力与变形要比静载荷引起的变形和应力要大，其破坏能力也要比静载荷作用力大得多，因此在进行零件设计时必须要充分的考虑到材料抵抗冲击载荷的能力。其中将金属材料的抵抗冲击载荷作用力却不会破坏的性能被称作冲击韧性。就如在汽车行业中，如果汽车金属材料的韧性不足，将很容易造成各种安全事故的产生，对使用者造成极大的生命威胁。

1.4 金属的硬度

金属的硬度也是金属材料机械性能的其中一部分，具体指的是金属材料在遇到一定压力时，拥有的可以抵抗这种压力，或是局部变形和破坏的能力，尤其是抵抗金属材料塑性变形、压痕或是划痕的能力。这种机械性能可以说在汽车行业起到了十分重要的作用，每辆汽车成本都极高，购买人员需要花费大量金钱购买，除了购买成本外，还需要承担汽车的使用成本，如买油、定期保养等。很多使用者都很是爱惜自己的车辆，一旦出现了划痕必然会感觉心痛。而这就不得不考虑到金属材料的硬度了，如果汽车金属材料硬度过低，必然容易造成划痕，但如果硬度过高又会影响金属材料的其他性能使用。就必须要对金属材料硬度进行测量，为不同的行业提供合适的金属材料。

2 金属机械表面组织性能测量

2.1 金属强度性能测量

在金属材料强度性能的测定中主要采取了拉伸试样的方法进行。拉伸试样主要是选择其中一种金属材料，对其进行拉伸试验，测量其中的拉伸力和伸长量之间的关系曲线。在选择材料时，通常都会选择低碳钢作为主要实验材料。为了能够形成鲜明的对比，在进行了低碳钢的拉伸试样后，还选择了一种脆性材料进行了拉伸试样，将获得的拉伸数据与金属材料的拉伸数据进行对比。经过对两种材料的拉伸曲线、拉伸指标之间的对比之后可以明显看到脆性材料在断裂之前并没有出现明显的屈服现象。拉伸曲线包括了力-伸长曲线，指的是低碳钢试样在进行拉伸实验中得出的拉伸力和伸长量之间的曲线关系。低碳钢实验器材在进行拉伸实验过程中经历了三个阶段，分别为弹性变形阶段、屈服阶段、强化阶段等，同时还要观察低碳钢是否出现了明显的颈缩现象。

2.2 金属塑性性能测量

金属的塑性性恩能够通常是利用金属材料断后伸长率或是断面的收缩力来表示的。因此在测量金属材料的塑性性能时需要对金属材料的断后伸长率进行测量和计算，或是对金属材料的断面收缩率进行测量和计算。

2.3 金属韧性性能测量

对金属材料的韧性测量主要采取韧性冲击试样方法进行，采取冲击试验。金属试样在被冲段过程中吸收的能量也就是冲击吸收功用AK表示，AK等于摆锤冲击试样前后势能差。

2.4 金属硬度性能测量

在对金属材料的硬度性能进行测量时主要可以采取三种方式进行，分别为布氏硬度实验法、洛氏硬度试验法、维氏硬度实验法。这三种方法各有各的优势，在金属材料的硬度性能测量中都发挥着极其重要的作用。

布氏硬度测量法需要用到专门的布氏硬度实验机器，从机器中获取相应的布氏硬度值。但是布氏硬度测量法既有优势也有缺点，优势就是测量的数值较为准确且稳定，但是在测量过程中由于测压痕面积比较大，很容易对金属表面造成损伤，因此一般都是用来测量组织比较大或是组织不均匀的金属材料，如铸铁、正火、退火、非铁金属等原材料或是半成品的硬度，却不适合用来测量成品和比较薄小的金属材料。当测量的样品比较小或是布氏硬度超过450时，就需要利用洛氏硬度测量法进行测量。

洛氏硬度测量法需要用到专门的洛氏硬度试验机，通过这个机器获得金属材料的洛氏硬度值。为了测定不同的金属材料硬度值，经常需要采用不同的压头和试验力组装成不同的硬度标尺。洛氏硬度值测量也同样既有优势也有劣势。优点是操作比较简单快捷，压痕比较小，因此在十分适合测量成品和较小较薄的物件，并且在测试时不需要进行计算或是查表就可以直接读出金属材料的硬度值。劣势则是缺乏精准度，重复性比较差，通常需要对同一个零件表面进行多次测试，然后选取其中的平均值作为硬度值。

维氏硬度实验法和布氏硬度实验法有着相似之处，都是需要计算金属材料压痕单位面积所承受的试验力，然后根据试验力去计算硬度值。不过压头却不一样，前者主要采用两相对面夹角是136°的正四棱锥体金刚石。维氏硬度实验法的优点在于，实验过程中所遭受的载荷比较小，因此压入的深度比较浅，很适合测量零件表面淬硬层以及经过化学热处理的表面层。同时维氏硬度采取的标志是连续一致的，因此实验时可以随意选择标尺，却还不会影响硬度值。测量出来的硬度值测量精度高，且测量金属材料类型更多，再软再硬的金属材料都可以测量。缺点却也很明显，就是操作过程比较复杂，且由于操作复杂，工作人员的工作效率就比较低。

3 金属机械表面组织性能分析

3.1 金属强度分析

在金属强度试验中涉及到了两个强度指标，其强度的分析就是根据这两个指标进行计算得出的。其一指标为屈服点，在对金属材料进行拉伸实验的过程中，随着载荷能力的不断增加，试样仍能够不断进行伸长时的应力被称作屈服点。对于没有出现明显屈服现象的脆性材料，屈服点的计算就是在试样卸除了载荷作用力后，其标距部分残余伸长率达到了试样标距长度的0.2时的应力可以利用专门的符号表示。其二抗拉强度，指的是在材料断裂之前所称所的最大应力。将实验过程中得到的两个指标利用专门的计算公式计算出强度指标。

3.2 金属塑性分析

在金属塑性分析中主要涉及了两个指标，分别为伸长率和断面收缩率。其中伸长率指的是在试样被拉断后，这时标距伸长和原始标距百分比。断面收缩率指的是在试样拉断后，颈缩除的横截面积和缩减量与之前没有发生断裂时横截面积的百分比。

3.3 金属韧性分析

进行了专门的试样韧性实验之后，将获取的相应数值进行专门的公式计算AK=GH1-GH2=G（H1-H2）。

3.4 金属硬度分析

硬度分析相比前几个分析要更为简单点，因为硬度测量多是利用专门的器械进行，通过器械获得相应的数值，或是经过计算，或是直接就显示出金属材料的硬度值。

4 结语

总之，金属的重要性日益凸显，金属材料在我国各行各业可以说都得到普遍应用，就如当前快速发展的汽车行业和建筑行业来说，更是使用金属材料的重点行业。而金属材料在使用过程中，不是所有的金属材料都可以被使用的，还需要考虑到金属材料的机械性能，如强度、硬度、韧性、塑性指标是否符合。本文就对金属材料的机械性能测量方法和计算分析等进行了阐述，希望可以对金属材料的使用提供帮助。