动态力学性能

材料在动载荷的作用下所表现出的各种性能称为动态力学性能。动载荷主要是指加载速度较快，材料的塑性变形速度也较快的冲击载荷和作用力大小与方向作周期性变化的交变载荷。在这类载荷作用下，材料强度和塑性都表现出下降的现象，而且难以像静载荷那样测出外力与变形的关系曲线。因此，其力学性能指标必须从另一角度来定义。材料的动态力学性能指标主要有冲击韧度、疲劳强度和耐磨性3种。

2．3．1 冲击韧度

冲击载荷是以很大速度作用于工件上的载荷。许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞销与连杆、风动工具等。由于冲击载荷的加载速度高，作用时间短，使金属在受冲击时，应力分布与变形很不均匀。故对承受冲击载荷的零件来说，仅具有足够的静载荷强度指标是不够的，必须还具有抵抗冲击载荷的能力。

（1）韧性的定义

韧性是指零件在工作状态承受载荷的作用下，对所引起的塑性变形和断裂的抵抗程度。它是强度和塑性的综合表现。

（2）冲击韧度的定义

冲击韧度ak是指材料抵抗冲击载荷的能力，以单位面积承受的冲击吸收功来衡量，即

A0——试样断口处的原始横截面积，cm2。

（3）冲击韧度的测试原理与方法

材料的冲击韧度是在摆锤式冲击试验机上测得的，如图2．5所示。冲击试验标准试样是10mm×10mm×55mm，可分为无缺口、V形缺口和U形缺口3种。

材料的冲击韧度除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。因此，冲击韧度除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由韧性状态转变为脆性状态的韧脆转变温度，也用来考查材料对缺口的敏感性。

ak＝Ak／A0（2．5）

式中 Ak——试样所承受的冲击吸收功，J；

图2．5 摆锤式冲击试验原理图

（4）多次冲击抗力

在生产中，冲击载荷下工作的零件，往往是经受千万次小能量冲击而破坏的，很少是受大能量一次性冲击破坏的，因此应进行多次冲击试验以确定其多次冲击抗力。

2．3．2 疲劳强度

工程中有许多零件，如发动机曲轴、齿轮、弹簧及滚动轴承等都是在交变应力或重复应力作用下工作的。在这种情况下，零件往往在工作应力低于其屈服强度的条件下发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形预兆，很难事先觉察到，也属于低应力脆断，故具有很大的危险性。

（1）疲劳强度

疲劳强度是用来表示材料抵抗交变应力的能力，常用σr表示，其下脚标r为应力比，即

r＝σmin／σmax（2．6）

式中 σmin——交变循环应力中的最小应力值；

σmax——交变循环应力中的最大应力值。

对于对称循环交变应力，r＝－1，这种情况下材料的疲劳代号为σ－1。

（2）疲劳强度的测量

材料的疲劳强度是在疲劳试验机上测定的。试验规定，钢在经受106～107次，有色金属107～108次交变应力循环作用而不发生断裂的最大应力为材料的疲劳强度。

金属材料的疲劳强度通常都小于屈服点，这说明材料抵抗交变应力比抵抗静应力的能力低。材料的疲劳强度值虽然取决于材料本身的组织结构状态，但随试样表面粗糙度和张应力的增加而下降。疲劳强度对缺口也很敏感。为提高零件的疲劳强度，除改善内部组织和外部结构形状避免应力集中外，还可以通过降低零件表面粗糙度和采取表面强化方法，如表面淬火、喷丸处理、表面滚压等来提高疲劳强度。几种材料的实测疲劳强度如图2．6所示。

图2．6 几种材料的实测疲劳强度

（3）高周疲劳和低周疲劳

1）高周疲劳

当机件在较低的交变应力作用下，经受的循环周次较高（N＞105）的疲劳断裂称为高周疲劳，也称为应力疲劳。以上提到的疲劳现象都属于高周疲劳。

当机件在高周疲劳下服役时，应主要考虑材料的强度，即选用高强度的材料。

2）低周疲劳

当机件在较高的交变应力（接近或超过材料的屈服点）作用下，经受的循环周次较低（N＝102～105）的疲劳断裂称为低周疲劳，也称为应变疲劳。工程上，许多机件是由于低周疲劳而破坏的，例如，风暴席卷海船的壳体、常年尘风吹刮的桥梁、飞机在启动和降落时的起落架、经常充气的高压容器等，往往都是因承受循环塑性应变作用而发生低周疲劳断裂。

应当指出，低周疲劳的寿命与材料的强度及各种表面强化处理关系不大，它主要取决于材料的塑性。因此，当机件在低周疲劳下服役时，应在满足强度要求的前提下，选用塑性较高的材料。

2．3．3 耐磨性

任何一部机器在运转时，各机件之间总要发生相对运动。当两个相互接触的机件表面做相对运动时就会产生摩擦，有摩擦就必有磨损。磨损是降低机器和工具效率、精确度甚至使其报废的重要原因，也是造成材料损耗和能源消耗的重要原因。因此，研究磨损规律，提高机件耐磨性，对节约能源，减少材料消耗，延长机件寿命具有重要意义。

（1）耐磨性定义

耐磨性是指相互运动零件间抵抗磨损的性能。它不仅取决于相互配合的两个零件本体材料，还取决于配合面的形状、大小、表面质量、压紧力及润滑情况等。这是一个系统性质。迄今为止，还没有一个统一的意义明确的耐磨性指标。通常狭义的做法是，用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。磨损量既可以用试样摩擦表面法线方向的尺寸减小来表示，也可以用试样体积或质量损失来表示。前者称为线磨损，后者称为体积磨损或质量磨损。

（2）磨损的种类

磨损可以分为黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等类型。

1）黏着磨损

黏着磨损又称为咬合磨损，是在滑动摩擦条件下，当摩擦副相对滑动速度较小（钢小于1m／s）时发生的。它是因缺乏润滑油，摩擦副表面无氧化膜，并且单位法向载荷很大，以至接触应力超过实际接触点处屈服强度而产生的一种磨损。

2）磨粒磨损

磨粒磨损又称为研磨磨损，是当摩擦副一方表面存在坚硬的凸起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。前者又称为两体磨粒磨损，如锉削过程；后者又可称为三体磨粒磨损，如抛光。硬质粒子可以是磨损产生而脱落在摩擦副表面间的金属磨屑，也可以是自由表面脱落下来的氧化物或其他沙、灰尘等。

3）腐蚀磨损

在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨损。腐蚀磨损因常与摩擦面之间的机械磨损共存，因此又称为机械磨损。

腐蚀磨损包括氧化磨损、热磨损和表面疲劳磨损等类型。