第一章金属材料的力学性能

应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥梁中，等等，——统称为工程材料。其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工程材料.主要包括：

1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。

2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。

3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的多相材料。金属材料是制造机器的最主要材料。

1、金属材料按含金属元素数量的多少分为：

1）纯金属(一种金属).2）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属）第一章金属材料2、金属材料按是否含Fe元素分为：

1）黑色金属：铁族材料，指Fe及以Fe为基的合金。①钢：碳钢，合金钢，特殊性能钢等。②铸铁：灰铸铁，球墨铸铁，可锻铸铁，蠕墨铸铁等。

2）有色金属：非铁族材料，指黑色金属以外的所有金属及合金。①铜及铜合金。②铝及铝合金，等等。

3）粉末金材料在机械制造中应用的金属以黑色金属为主，占90%以上。那么，为什么金属材料或者黑色金属材料是用来制造机器的最主要材料？这是因为：

其具有优良的机械性能（力学性能）、工艺性能，并具较好的物理性能及化学稳定性。那么，什么是金属材料的机械性能（力学性能）？什么是金属材料的工艺性能？什么是金属材料的物理性能及化学性能？

第1节金属材料的力学性能

力学性能：金属在不同环境因素（温度、介质）下，承受外加载荷作用时所表现的行为。这种行为通常表现为金属的变形和断裂。因此，金属材料的力学性能可以理解为金属抵抗外加载荷引起的变形和断裂的能力。

常见的力学性能有：强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳。“失效现象”：如果金属材料对变形和断裂的抗力与服役条件不相适应，就会使机件失去预定的效能而损坏。

常见的失效形式有断裂、磨损、过量弹性变形和过量塑性变形。第一节刚度、强度、塑性1、拉伸试样

试验前在试棒上打出标距按国标规定标准拉伸试样可分为：

１)板形试样：原材料为板材或带材

２)圆形试样：长试样L0＝10d0，短试样L0=5d0其中：L0为试样标距，d0为试样直径一、拉伸试验与拉伸曲线刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出来的。2、拉伸过程

将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，直到把试样拉断为止，通过自动记录装置得到试样所受载荷F和伸长量△L的关系曲线称为拉伸曲线；并由此测定该金属的强度、刚度、弹性和塑性。１）当载荷不超Fp时，力－伸长曲线Op为一直线，即试样的伸长量与载荷成正比地增加，完全胡克定律，试样处于弹性变形阶段。载荷在Fp-Fe间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，力－伸长曲线不成直线，但试样仍处于弹性变形阶段。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：２）载荷超过Fe后，试样开始有塑性变形产生。当载荷达到Fs时，试样开始产生明显的塑性变形，在力－伸长曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为“屈服”。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：３）当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓“缩颈”现象。由于试样局部截面的逐渐减小，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上k点时，试样随即断裂。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：４）由力－伸长曲线可见，断裂时试样总伸长Of中gf是弹性变形，Og(Δlk)是塑性变形。塑性变形中Oh（Δlb）是试样产生缩颈前的均匀变形，hg（Δlu）是颈部的集中变形。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线：gf

２.应力与应变曲线二、刚度和弹性刚度：表征金属材料抵抗弹性变形的能力弱性模量E：表示引起单位变形时所需要的应力。即材料的E越大，产生的弹性变形越小，刚度越大。E值主要取决于材料的本性；提高刚度的方法有增加横截面积或改变截面形状。２、弹性极限

弹性极限σe：是材料在不产生塑性变形时所能承受的最大应力值。式中Fe——试样在不产生塑性变形时的最大载荷；A０——试样的原始横截面积弹性极限是工作中不允许有微量塑性变形零件(如精密的弹性元件、炮筒等)的设计与选材的重要依据。（三）弹性比功

弹性比功：又称弹性比能或应变能，它表示材料发生弹性变形时可吸收能量的能力，在卸载时，又能完全释放能量而使材料恢复原状。金属材料的弹性比功可用上图所示的应力——应变曲线下影线面积表示。

弹簧是典型的弹性零件，主要起缓冲和储存能量的作用，它要求材料具有大的弹性比功，由于弹性模量E对组织不敏感，故只有通过合金化、热处理和冷塑性变形等方法来提高材料的弹性极限σe，从而提高其弹性比功。三、强度

强度——金属材料在外力作用下永久抵抗变形和断裂的能力。按作用力性质不同，可分为屈服强度（屈服点）及抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。在工程上常用来表示金属材料强度的指标有屈服强度和抗拉强度。分类拉力——屈服强度、抗拉强度压力——抗压强度弯曲力——抗弯强度剪切力——抗剪强度1.屈服强度（屈服极限、屈服点）：

当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。

屈服点和条件屈服强度σ0.2是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用σs表示。

计算公式:σs=FsS0

条件屈服强度σ0.2

有些金属材料在拉伸试验中没有明显的屈服现象发生，为了衡量这些材料的屈服特性，规定产生永久残余变形等于一定值(一般为标距长度的0.2%)时的应力，称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2

。

F0.2A0σ0.2=F0.2——试样标距产生０.２%残余伸长时的载荷；A0——试样的原始横截面积。

σb=FbS0

Fb－－试样在破断前所承受的载荷；A0——试样的原始横截面积。

计算公式:2、

抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时的应力。用σb表示。

抗拉强度σb是表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。脆性材料在拉伸过程中，没有缩颈，抗拉强度σb是就的断裂强度。

1）伸长率（δ

）伸长率是指试样拉断后标距增长量与原始标距的百分比，即：lk-l0l0×100%δ=lk——试样拉断后的标距,mm;l0——试样的原始标距,mm。四、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率δ和断面收缩率Ψ

2）断面收缩率（Ψ

）断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，即：A0-AkA0Ψ=×100%A0——试样原始横截面积,mm2；A1——试样断裂处的最小横截面积,mm2

。δ、ψ越大，材料塑性越好。1.布氏硬度HB

用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d.

布氏硬度试验原理图第二节硬度

硬度:材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。

测量硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头，在一定试验力下，压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。用同样的压头，在相同试验力作用下，压入金属材料表面时，若压入程度愈大，则材料的硬度值愈低；反之，硬度值就愈高。

金属材料的硬度可用硬度仪来测试，常用的硬指标有布氏硬度、洛氏硬度等。

１、布氏硬度

用直径为D的球体（硬质合金球或钢球），在规定试验力F的作用下压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除载荷，测量试样表面压痕的直径d，由此计算压痕的球缺面积S，用压痕单位面积的平均压力（F/S）作为测试金属的布氏硬度值。

测定条件：压头为淬火钢球时,以HBS表示,可测<450的材料；压头为硬质合金时,以HBW表示,可测<650的材料。压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。布氏硬度计

计算公式：

压头是直径为D的钢球或硬质合金球。压头直径有10、5、2.5、2、1mm五种。布氏硬度表示方法：硬度符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径mm、载荷kgf（N）及载荷保持时间。

如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s，测得的布氏硬度值为120。600HBW1/30/20表示用直径1mm的硬质合金球，在３０kgf（292.4N）载荷作用下保持２０s，测得的布氏硬度值为600。布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。另外：材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(１MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(１MPa)≈3.4HB

对于灰铸铁：b(１MPa)≈1HB或b(１MPa)≈0.6(HB-40)优缺点：

材料布氏硬度钢、镍合金、钛合金３０铸铁<14010>14030铜及其合金<3535-200>20051030轻金属及其合金<3535-80>802.510(5、15)10(或15)铅、锡1２、洛氏硬度

用一个顶角1200的金刚石圆锥体或一定直径的钢球或硬质合金球为压头，在规定试验力作用下压入被测试金属表面，由压头在金属表面所形成的压痕深度来确定其硬度值。洛氏硬度计

3-3为卸除主试验力后，由于被测试金属弹性变形恢复，而使压头略为提高时的位置。这时，压头实际压入试样的深度为h3。故由主试验力引起的塑性变形而产生的残余压痕深度h=h3-h1，并以此来衡量被测试金属的硬度。上图表示金刚石圆锥压头的金属洛氏硬度试验原理。图中0-0为圆锥压头的初始位置；1-1为在初试验力作用下，压头压入深度为h1时的位置；2-2为在总试验力（初试验力+主试验力）作用下，压头压入深度为h2时的位置；h（h=h3-h1

）愈大，被测试金属的硬度愈低；反之，则愈高。根据h值及常数N和S，用下式计算洛氏硬度：

洛氏硬度＝N–h/SN—给定标尺的数值，A、C标尺为100；B标尺为130。S-给定标尺的单位，通常取0.002mm；h—残余压痕深度mm。洛氏硬度的分类及应用标尺硬度符号压头总载荷（kg）(N)应用范围适用材料AHRA120º金刚石圆锥60（588.4N）70~85硬质合金、表面淬火的钢BHRBΦ1.588mm钢球100(980.7N)25~100软钢、退火钢、铜合金CHRC120º金刚石圆锥150(1471N)20~67淬火钢、调质钢等

洛氏硬度符号为HR，其中HRC应用最广，测量范围是20～70。例如某零件硬度50HRC，表示用C标尺测定该零件表面的洛氏硬度值为50。

实际测量时，硬度值一般均由硬度计的刻度盘上直接读出。

优点：是操作迅速简便，由于压痕较小，可在成品表面或较薄的金属上进行试验。同时，采用不同标尺，可测出从极软到极硬材料的硬度。

缺点：是因压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得的硬度不够准确。故需测定三点，取其算术平均值。

一般用于测试淬火钢。

三、维氏硬度

用一个金刚石正四棱锥体压头，在规定试验力F作用下压入被测试金属表面，保持一定时间后卸除试验力，然后再测量压痕投影的两对角线的平均长度d，进而计算出压痕的表面积S，用F/S作为被测试金属的硬度值，符号HV。

数显维氏硬度计

维氏硬度符号HV之前的数值为硬度值，HV后面的数值依次表示试验力值（单位为kgf）和试验力保持时间（保持时间为10-15s时不标注）例如：640HV30表示在试验力294.2N下，保持10-15s测得的维氏硬度值为640。

640HV30/20表示在试验力为294.2N下，保持20S测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度特点：载荷小，压入深度浅，可测试表面淬硬层及化学热处理的渗层等。应用：渗碳层、陶瓷、钢、有色金属、薄板、金属薄片、电镀层、微小物体材料，热处理碳化层、脱碳层和淬火硬化层的硬度测量。第三节冲击韧度

冲击载荷：以很大速度作用于工件上的载荷。受冲击载荷作用的零件：冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞销与连杆、风动工具。对于承受冲击载荷的零件来说，仅具有足够的静载强度指标是不够的，还必须具有足够抵抗冲击载荷的能力

冲击韧性：金属材料在冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力。冲击试验的标淮试样有两种，如下图所示：夏比U型缺口试样夏比V型缺口试样

试验方法

：试验时，将试样放在试验机两支座上，把质量为m的摆锤抬到H高度，使摆锤具有位能mHg(g为重力加速度)。然后释放摆锤，将试样冲断，并向另一方向升高到h高度，这时摆锤具有位能为mhg。故摆锤冲断试样失去的位能为mHg-mhg，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功Ak。即

AK=mgH-mgh根据两种试样缺口形状不同，冲击吸收功分别用AKU和AKV表示，单位为焦耳（J）。

脆性材料：冲击吸收功值低的材料韧性材料：冲击吸收功值高的材料冲击试验的应用：测定金属材料开始发生冷脆现象的温度

冷脆现象：有些材料在室温20度左右试验时并不显示脆性，而在低温下则可能发生脆断。

从上图可知，冲击吸收功随温度的降低而减小，当试验温度降低到某一温度范围时，冲击吸收功急剧降低，使试样的断口由韧性断口过渡为脆性断口，这个温度范围称为韧脆转变温度范围。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关

Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果脆性材料：在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整、呈晶状或瓷