第一章 金属材料的性能
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第1章金属材料的性能与结构
1．晶体结构的基本知识
由于晶体原子排列呈周期性，因此， 可以从晶格中选取一个能够完全反应晶 格中原子排列特征的最小的几何单元， 来分析晶体中原子排列的规律性，这个 最小的几何单元称为晶胞 。
1．晶体结构的基本知识
晶格
晶胞
1．晶体结构的基本知识
Z c
α
β a
X a γ
b
Y
图1-9 晶胞的晶格常数和轴间夹角的表示法
（）
MPa
b
s
e
b
s
e
应变（%）
图1-2 单轴拉伸曲线示意图
2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 塑性是指金属材料在外力作用下，发生 永久变形而不破坏的能力。在工程中常用 塑性指标来判断金属材料的可成形性，常 用伸长率和断面收缩率来表征。 伸长率指试样在拉伸过程中，拉断标距长 度的延长值（见图1-1）与原始标距长度的 比值，即：
1.2.1 金属
在固态金属中，吸引力与排斥力的大 小以及它们的结合能量都随原子间距离 的变化而发生改变。这样就存在一个原 子间距，此时原子间相互排斥力与吸引 力相等，原子处于稳定平衡状态，该原 子间距即为平衡距离，这时原子之间的 结合能为最低，系统此时最稳定。
1.2.2 金属的晶体结构
1．晶体结构的基本知识 2. 常见金属的晶体结构 3. 晶面指数和晶向指数
第1章 金属材料的性能与结构
§1.1 金属材料的性能 §1.2金属的晶体结构
§1.3合金的相结构
1.1 金属材料的性能
金属材料是金属元素或以金属元素为 主构成的具有金属特性的材料的统称。 金属材料一般分为：黑色金属和有色 金属，黑色金属有钢、铸铁、铬、锰； 其他的金属，如铝、镁、铜、锌等及其 合金都为有色金属。 金属材料的性能包括：力学性能、物 理化学性能、工艺性能、经济性能等。
第一章2金属材料的性能特点
四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度 和刀具寿命来表示。
切削加工
金属材料具有适当的硬度(170 HBS～230 HBS) 和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当 的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢 的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。
五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透 性比较好, 碳钢的淬透性较差。
断后伸长率
A
A
11.3
δ5 δ10
ψ
%
%
断面收缩率
Z
三、硬度 硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。 即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度 一定直径的硬质合金球（或钢球）在一定载 荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, 计算硬 度值。 用钢球压头时硬度 用HBS表示 用硬质合金球时硬 度用HBW表示
布氏硬度计
布氏硬度计的使用
2、洛氏硬度 采用金刚石压头(或硬质合金球压头)， 加预载荷F0 ，压入深度h0 。再加主载荷F1 。 卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h。 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。 根据压头的种类和 总载荷的大小洛氏硬度常 用表示方式有: HRA、HRB、HRC
金属材料的强度与其化学成分和工艺有 密切关系。 纯金属的抗拉强度较低； 合金的抗拉强度较高。 纯铜抗拉强度： 60MPa 铜合金抗拉强度：600MPa～700MPa 纯铝抗拉强度： 40MPa 铝合金抗拉强度：400MPa～600MPa
退火状态的三种铁碳合金： 碳质量分数0.2%，抗拉强度为350MPa 碳质量分数0.4%，抗拉强度为500MPa 碳质量分数0.6%，抗拉强度为700MPa
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
金属材料的主要性能
定义： HR=k-(h1-h0)/0.002 常用标尺有：B、C、A三种
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。
②弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最 大应力。
弹性极限：σe=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。
2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即 在拉伸试验过程中，载荷不增加，
试样仍能继续伸长时的应力。
s = Fs/So
s
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示。
影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。
二、塑性 金属材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
1.延伸率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d)
2.断面收缩率 ψ=△S/So=(So-Sk)/So x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
0.2
3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大 应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极 限应力值）。
b = Fb/So
（5）灰铸铁拉伸时的力学性能 灰口铸铁是典型的脆性材料,其σ-曲线是一段微弯曲 线,如图a)所示,没有明显的直线部分,没有屈服和颈 缩现象,拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限 σb是其唯一的强度指标。 铸铁等脆性材料的抗拉强度 很低,所以不宜作为受拉零 件的材料。
无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的 塑性变形,而是突然发生,具有很大的危险性,有相当多 零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。
②弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最 大应力。
弹性极限：σe=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。
2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即 在拉伸试验过程中，载荷不增加，
试样仍能继续伸长时的应力。
s = Fs/So
s
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示。
影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。
二、塑性 金属材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
1.延伸率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d)
2.断面收缩率 ψ=△S/So=(So-Sk)/So x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
0.2
3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大 应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极 限应力值）。
b = Fb/So
（5）灰铸铁拉伸时的力学性能 灰口铸铁是典型的脆性材料,其σ-曲线是一段微弯曲 线,如图a)所示,没有明显的直线部分,没有屈服和颈 缩现象,拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限 σb是其唯一的强度指标。 铸铁等脆性材料的抗拉强度 很低,所以不宜作为受拉零 件的材料。
无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的 塑性变形,而是突然发生,具有很大的危险性,有相当多 零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。
第一章 金属材料的性能
表示直径为10mm的钢球在1000kgf 9.807kN） 10mm的钢球在1000kgf（ 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 30s测得的布氏硬度值为120。 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
洛氏硬度压痕
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维HV表示，符号前的数字为硬度值， 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序 HV表示 分别表示载荷值及载荷保持时间。 分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、小负荷 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法— 维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。 维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。
第一节 金属的力学性能
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性 能、物理性能和化学性能。 物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、 锻压、焊接、热处理和切削性能等。 锻压、焊接、热处理和切削性能等。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。
洛氏硬度HR 洛氏硬度HR HR=（ HR=（k-h）/0.002 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺， 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺 为A、B、C。
第一章 金属材料的机械性能
剑
司母戊鼎
铁器时代
黄河镇河大铁牛 (唐开元12年铸)
铁人
材料的分类
按经济部门 可分为：
土建工程材料 机械工程材料 电工材料 结构材料 按材料功 电子材料 用可分为： 功能材料 金属材料 有机高分子材料
按物质结构 可分为：
陶瓷材料
机械工程材料
概念：
主要用于制造结构件、机械 零件和工具的材料。 分类： 按化学成分分四类： 金属材料
金属材料的基础知识
一金属材料的机械性能
金属材料的常用性能
力学性能（强度、塑性韧性等）
物理性能（光、热、电、磁等）
金 属 材 分料 类性 能 的
力学性能，又称 机械性能，
是作为结构材料 材料工艺性能 应该具备的最主 要的性能。
化学性能（氧化、腐蚀等）
生物性能（相容性、自恢复性等）
加工性能（切削、锻造等）
h
F
试样缺口底部处横截面积（ cm2 ）。
疲劳强度
在交变载荷作用下，虽然零件所承受的应力 低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作
而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为 金属的疲劳。
-1
金属承受的交变应力越大, 则 断裂时应力循环次数N越少。 当应力低于一定值时, 试样可 以经受无限周期循环而不破 坏, 此应力值称为材料的疲劳 极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1 表示。
玻璃纤维树脂复合材料 (即玻璃钢)赛车壳体
玻璃钢储液罐
钛基复合材料
磁浮列车（时速430公里）
“神舟”五号飞 行成功
超7隐形战斗机
飞船 电动汽车
歼7E战斗机
运载火箭
人造卫星
New technique
材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得 到迅速发展.
金属材料基础知识
金属的冷热弯曲性能也取决于材料的塑性和强度。材料承受 弯曲而不出现裂纹的能力，称为弯曲性能。一般用弯曲角度 或弯心直径与材料厚度的比值来衡量弯曲性能。
电厂锅炉管道弯头和输粉管道弯头是经过冷热弯曲成型的。
(三)焊接性能
• 金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，优质焊 接接头的能力，称为金属的焊接性。
适用范围
HRC
120°金刚石圆 锥
150
HRB Φ1.588mm钢球
100
HRA
120°金刚石圆 锥
60
一般淬火钢等硬度较大材料
退火钢和有色金属等软材料
硬而薄的硬质合金或表面淬 火钢
3．维氏硬度（HV） 维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头压入试 样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线 的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏 硬度用符号HV表示，计算公式如下：
1．拉伸试样
2．拉伸曲线
• 拉伸曲线表示试样拉伸过程中力和变形关系，可用应力－延伸率曲线表 示，纵坐标为应力R，R=F/S0，横坐标为延伸率ε，ε＝ΔL/L0。
拉伸曲线的形状与材料有关， 由图可见，在载荷小的oa阶 段，试样在载荷F的作用下 均匀伸长，伸长量与载荷的 增加成正比。如果此时卸除 载荷，试样立即回复原状， 即试样产生的变形为弹性变 形。当载荷超过b点以后， 试样会进一步产生变形，此 时若卸除载荷，试样的弹性 变形消失，而另一部分变形 则保留下来，这种不能恢复 的变形称为塑性变形。
(四)切削性能 金属材料承受切削加工的难易程度，称为切削性能。
金属的切削性能与材料及切削条件有关，如纯铁很பைடு நூலகம்易切削，但难以获得较高的光洁度； 不锈钢可在普通车床上加工，但在自动车床上，却难以断屑，属于难加工材料。通常，材 料硬度低时切削性能较好，但是对于碳钢来说，硬度如果太低时，容易出现“粘刀”现象， 光洁度也较差。一般情况下金属承受切削加工时的硬度在HB170一230之间为宜。
金属材料的性能
疲劳曲线上没有水平直线部分。如图曲线2所示
这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定 一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力σN
作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。
一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108
金属的疲劳曲线
金属材料的性能
二、塑性
金属材料的性能
三、硬度
金属材料的性能
概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。
对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，
条件屈服强度
金属材料的性能
工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显
的屈服现象，无法确定其屈服点σs ，为此人为的专门规定，把当试样 产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(σ0.2)定 为该材料的屈服强度（条件屈服强度）
度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。
根据工作温度分为：低温强度、常温强度、高温强度；
根据力的性质分为：静力强度、疲劳强度；
(三)强度指标
（1）弹性极限σe
定义：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设 计依据。
计算公式： σe=Fe/Ao Fe—— 材料产生弹性变形所承受的最大拉伸力，N； Ao——试样原始横截面积， m㎡ ；
劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸 实验、硬度实验和冲击实验。
金属材料的性能
• 载荷的概念及分类：
定义：金属材料在加工及使用过程中所受的外力称变或变化过程缓慢的载荷 。 • ②冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 • ③交变载荷 ：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变
这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定 一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力σN
作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。
一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108
金属的疲劳曲线
金属材料的性能
二、塑性
金属材料的性能
三、硬度
金属材料的性能
概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。
对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，
条件屈服强度
金属材料的性能
工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显
的屈服现象，无法确定其屈服点σs ，为此人为的专门规定，把当试样 产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(σ0.2)定 为该材料的屈服强度（条件屈服强度）
度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。
根据工作温度分为：低温强度、常温强度、高温强度；
根据力的性质分为：静力强度、疲劳强度；
(三)强度指标
（1）弹性极限σe
定义：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设 计依据。
计算公式： σe=Fe/Ao Fe—— 材料产生弹性变形所承受的最大拉伸力，N； Ao——试样原始横截面积， m㎡ ；
劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸 实验、硬度实验和冲击实验。
金属材料的性能
• 载荷的概念及分类：
定义：金属材料在加工及使用过程中所受的外力称变或变化过程缓慢的载荷 。 • ②冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 • ③交变载荷 ：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变
1.1材料的力学性能
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
（2）符号及标注 符号：HR 常用三种标度符号：HRA HRB 标注方法： 数值＋符号 如：５２ HRC ７０ HRA （3）应用
HRC
压痕小，在批量成品或半成品质量检验中广 泛应用，并可测量较薄的工件或较薄的硬化层。
HRA用于测量高硬度材料, 如
三、硬度 含义：是指材料在外力作用下抵抗局部变形， 特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，通俗 说材料抵抗外力压入其表面的能力。硬度是 衡量材料软硬程度的判据。 硬度判据：布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度ＨＶ
测量方法：硬度实验法
１、布氏硬度HB
（1）测量方法：用直径D钢球或硬质合金球， 一定载荷p ，保持一定时间卸除，由读数显微 镜测得压痕直径d，计算得到。（单位Mpa） 注：实际应用中，不需计算，根据d查布氏硬度 表即可。
2、塑性
含义：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标（两个）： 伸长率： 断面收缩率：
l1 l 0 100% l0
F0 F1 100% F0
断裂后
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
说明：
① 用表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 与试样尺寸 有关，d0 相同时，l0，，故5> 10。只 有l0/d0 为常数时， 才有可比性。 ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征
关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
五、疲劳强度
何为疲劳？材料在低于s的循环交变应力作 用下发生断裂的现象。（举例） 疲劳强度的含义：材料抵抗疲劳破坏的能力。 指标： 疲劳极限：材料在规定次数应力循环后仍不 发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用N 表示（对称循环交变应力-1 。） 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为 108。
金属材料的力学性能
钢铁材料：107次 非铁合金：108次
1
2
n
-1
N1 N2 Nn
Nc
N
Hale Waihona Puke 疲劳曲线部分工程材料的疲劳极限σ
-1（MPa）
三、提高材料疲劳极限的途径
1、设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面 突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。 2、材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存 在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏 松、气孔和表面氧化等。 3、机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。 4、零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬 火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压 应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的 可能性。
二、洛氏硬度
1、洛氏硬度测量原理
洛氏硬度HR=K-h/s
式中，K为给定标尺的硬度数，S为给定标尺的单位， 通常以0.002为一个硬度单位。
洛氏硬度试验原理图
2、常用洛氏硬度标尺及适用范围
标 尺 硬度 符号 所用压 总试验力 头 F/N 适用范 围①HR 应用范围
A
HRA
金刚石 圆锥
588.4 20—88
一、布氏硬度
布氏硬度试验示意图
1、布氏硬度试验原理
HB 0.102 2P(N)
D(D - D 2 - d 2 )
式中 P—试验力（N）； d—压痕平均直径（mm）； D—硬质合金球直径（mm）
2、选择试验规范
根据被测金属材料的种类和试样厚度、选用不同大小的球 体直径D，施加的试验力F和试验力保持时间，按表1—1所 列的布氏硬变试验规范正确选择 。
3、试验优缺点
优点：与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在 试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头 变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可 靠，硬度值误差较小。 缺点：其硬度值需要先测量对角线长度，然后经计算或查 表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。
金属材料的力学性能
• •
ae =1/2×ζ e× ε e 弹簧是典型的弹性零件，要求有较大 的弹性比功。弹簧在实际工作中起缓冲和 存储能量作用。 • 实际设计时通过提高弹性极限ζ e ，提 高弹簧的弹性比功。
• 三、强度 • 强度是金属材料在外力的作用下，抵
抗变形和断裂的能力。根据零件的工作状 态不同分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强 度和抗剪强度等。 • 1、屈服强度和条件屈服强度 • 拉伸试样产生屈服现象（塑变）时的 应力。 ζ s=Fs/A0 • 对于许多没有明显屈服现象的金属材 料，工程中常以产生0.2%塑性变形时的应 力，作为该材料的条件屈服强度，用ζ 表示。
• §1—4 断裂韧度 • 机械零件的传统设计一般为强度设计、
刚度校核。强度设计标准为屈服强度。 • 零件在许用应力的条件下工作，不会发 生塑性变形和断裂。 • 实际工作情况往往不同。某些零件在远 远低于屈服强度条件下工作时会发生脆性 断裂，这种情况非常危险，称为低应力脆 断。 • 研究表明低应力脆断是由宏观裂纹扩展 引起的。
• 一、裂纹扩展的基本形式 • 裂纹扩展一般分为张开型、滑开型、撕
开性三种。其中以张开型最为危险。 • 二、应力场强度因子KI • 零件表面是凹凸不平的，在凸点和凹点 最容易引起应力集中，形成应力场。裂纹 的扩展与应力场有直接的关系。衡量应力 场的大小用应力场强度因子KI。
• 三、断裂韧度KIC及其应用 • KI随着和a的增大而增大。达到一定值
• §1—1 强度、刚度、弹性及塑性 • 金属材料的强度、刚度、弹性及塑性用
拉伸试验来测量。 • 一、拉伸曲线与 应力-应变曲线 • 1、拉伸曲线 • 拉伸过程分为 弹性变形、塑性变形和 断裂三个阶段。
• 几点说明：（书中图1-2） • 试件总伸长of，其中gf为弹性变形，og
第1章-金属材料的力学性能
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 等。
零件抵抗变形和断裂能力的大小，是用零件所用材料的力学性 能指标来反映的。显然，掌握材料的力学性能不仅是设计零件、 选用材料时的重要依据，而且也是按验收技术标准来鉴定材料的 依据，以及对产品的工艺进行质量控制的重要参数。
常用的力学性能有：强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧 度、断裂韧度和疲劳等。
第一章 金属材料的力学性能
金属材料的力学性能：是指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。
在机械制造业中，大多数机械零件或构件在不同的载荷与环境 下工作。如果金属材料不具备足够的抵抗变形和断裂的能力就会 使机件失去预定的效能而损坏，即产生“失效现象”。
2)有色金属N0 取108 、不锈钢及腐蚀介质作用下N0为 106 而不断裂的最大应力，为该材料的疲劳极限。
二、疲劳曲线与疲劳极限
疲劳曲线：交变应力与疲劳寿命（循环周次N）的关系曲 线称为疲劳曲线。
1－一般钢铁材料 2－有色金属、高强度钢等
疲劳极限：材料在无限多次交变载荷作用下，而不发生疲 劳断裂的最大应力。
实际测定时，材料不可能作无数次交变载荷试验，试验时 规定：
1)钢铁材料（曲线1）取循环周次N0为107时能承受的最 大循环应力为疲劳极限。
第一节 强度、刚度、弹性及塑性
一、力．伸长曲线与应力．应变曲线 （一）力－伸长曲线
曲线分三个阶段：1.弹性变形阶段：op、pe段 2.塑性变形阶段：es、sb段 3.断裂阶段：bk段
（二）应力－应变曲线
二、刚度和弹性
（一）弹性模量 弹性模量E是指金属材料在弹性状态下的应力
零件抵抗变形和断裂能力的大小，是用零件所用材料的力学性 能指标来反映的。显然，掌握材料的力学性能不仅是设计零件、 选用材料时的重要依据，而且也是按验收技术标准来鉴定材料的 依据，以及对产品的工艺进行质量控制的重要参数。
常用的力学性能有：强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧 度、断裂韧度和疲劳等。
第一章 金属材料的力学性能
金属材料的力学性能：是指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。
在机械制造业中，大多数机械零件或构件在不同的载荷与环境 下工作。如果金属材料不具备足够的抵抗变形和断裂的能力就会 使机件失去预定的效能而损坏，即产生“失效现象”。
2)有色金属N0 取108 、不锈钢及腐蚀介质作用下N0为 106 而不断裂的最大应力，为该材料的疲劳极限。
二、疲劳曲线与疲劳极限
疲劳曲线：交变应力与疲劳寿命（循环周次N）的关系曲 线称为疲劳曲线。
1－一般钢铁材料 2－有色金属、高强度钢等
疲劳极限：材料在无限多次交变载荷作用下，而不发生疲 劳断裂的最大应力。
实际测定时，材料不可能作无数次交变载荷试验，试验时 规定：
1)钢铁材料（曲线1）取循环周次N0为107时能承受的最 大循环应力为疲劳极限。
第一节 强度、刚度、弹性及塑性
一、力．伸长曲线与应力．应变曲线 （一）力－伸长曲线
曲线分三个阶段：1.弹性变形阶段：op、pe段 2.塑性变形阶段：es、sb段 3.断裂阶段：bk段
（二）应力－应变曲线
二、刚度和弹性
（一）弹性模量 弹性模量E是指金属材料在弹性状态下的应力
工程材料第一章--金属材料的力学性能
即，裂纹产生扩展的临界状态时其尖端的应力场大小
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的才能。
材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前，消费中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。
因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。
2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才能。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。
第01章 金属材料的基础知识-
晶体
非晶体
按一定的几何规律作周 期性排列而形成的聚集 状态； 非晶体 ：当原子 ( 或分 子)为无规则地堆积在一 起形成的一种无序的聚 集状态；
结构上：长程有序，短程有序； 性能上：有无固定熔点；各项同性/异性。
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
刚球模型；
空间点阵；
阵点/结点；
晶格；
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
Z
c
a
X b Y
晶格： 将空间点阵
用一系列相互平行的 直线连接起来形成的 空间格架。
a ，b ，c 晶格常数
晶胞 ：是组成晶格的
最基本的几何单元。
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
7种晶系、14中布拉菲点阵
立方
1.1.2 力学性能——硬度——布氏硬度
布氏硬度值是外力除以压痕球冠表 面积；
在实际操作中，不需计算，用刻度 放大镜测出压坑直径 d ，然后查表。
1.1.2 力学性能——硬度——布氏硬度
布 氏 硬 度 压 痕
淬火钢球： 用 以 测 定 硬 度
<450的金属材料，硬度值用HBS表 示；
硬质合金球： 用以测定硬
坏了原子的平衡状态使晶格发生扭曲； 性能变化——电阻增大，密度减小，强度和硬 度提高，塑性和韧性下降。
1.2.4 晶体的缺陷
线缺陷
晶体中的线缺陷是各种类型的位错；
位错 ：晶体中的一列或数列原子发
生有规律的错排现象；
刃型位错，螺型位错。
1.2.4 晶体的缺陷
线缺陷——刃型位错
当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，
第一章 金属材料的基础知识
非晶体
按一定的几何规律作周 期性排列而形成的聚集 状态； 非晶体 ：当原子 ( 或分 子)为无规则地堆积在一 起形成的一种无序的聚 集状态；
结构上：长程有序，短程有序； 性能上：有无固定熔点；各项同性/异性。
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
刚球模型；
空间点阵；
阵点/结点；
晶格；
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
Z
c
a
X b Y
晶格： 将空间点阵
用一系列相互平行的 直线连接起来形成的 空间格架。
a ，b ，c 晶格常数
晶胞 ：是组成晶格的
最基本的几何单元。
1.2.1 金属键与晶体结构——晶体的基本概念
7种晶系、14中布拉菲点阵
立方
1.1.2 力学性能——硬度——布氏硬度
布氏硬度值是外力除以压痕球冠表 面积；
在实际操作中，不需计算，用刻度 放大镜测出压坑直径 d ，然后查表。
1.1.2 力学性能——硬度——布氏硬度
布 氏 硬 度 压 痕
淬火钢球： 用 以 测 定 硬 度
<450的金属材料，硬度值用HBS表 示；
硬质合金球： 用以测定硬
坏了原子的平衡状态使晶格发生扭曲； 性能变化——电阻增大，密度减小，强度和硬 度提高，塑性和韧性下降。
1.2.4 晶体的缺陷
线缺陷
晶体中的线缺陷是各种类型的位错；
位错 ：晶体中的一列或数列原子发
生有规律的错排现象；
刃型位错，螺型位错。
1.2.4 晶体的缺陷
线缺陷——刃型位错
当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，
第一章 金属材料的基础知识
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§1.1
二、硬度
1、布氏硬度 (1)测定方法
金属材料的力学性能
HBS( HBW ) 0.102
2F
D( D D 2 d 2 )
式中：F - 试验力，N ；D - 球体直径，mm；
d - 压痕直径，mm
F单位为kgf时，去除0.102。
小知识
kgf： 千克力，力学单位，工程中常用。物理意义 是1kgf是在地表1平方厘米的面积上承受质量为 1Kg的物体受到的重力的大小。 1 kgf = 1kg×9.80665N/kg =9.80665 N
2、塑性指标 (2)断面收缩率 试样拉断后缩颈处横截面积的缩减量与原始 横截面积之比，用符号Ψ表示。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
2、塑性指标 (2)断面收缩率 Ψ=(S0-S1)/S0 *100% 式中，S0 — 试样原始横截面积，mm2 ; S1 — 试样断口处的横截面积，mm2 。
§1.1
二、硬度
1、布氏硬度 (2)标注方法
金属材料的力学性能
例：500HBW5/750 直径5mm硬质合金球，试验750kgf(7.355KN)， 保持时间10-15s，测得布氏硬度值500 。
§1.1
二、硬度
1、布氏硬度 (2)标注方法
金属材料的力学性能
例：150HBS10/1000/30 直径10mm淬火钢球，1000kgf载荷，保持30s ，测得的布氏硬度值为150。
§1.1
金属材料的力学性能
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
1、强度指标 (2)屈服点 指试样在拉伸试验过程中，力不增加(保持恒 定)仍然能继续伸长(变形)时的应力。其是工程技 术上极为重要的力学性能指标之一，也是大多数 机械零件选材和设计的依据。用符号σs表示。
§1.1
金属材料的力学性能
§1.1
二、硬度
3、维氏硬度 (2)标注方法
金属材料的力学性能
与布氏硬度一样，习惯上也只写出硬度数值 而不标出单位。在硬度符号HV之前的数字为硬度 值，HV后面的数值依次表示载荷和载荷保持的时 间(保持时间为10-15s时不标注)。
§1.1
二、硬度
3、维氏硬度 (2)标注方法
金属材料的力学性能
例：640 HV30 表示在30 kgf载荷作用下，保持10-15s测得 的维氏硬度值为640。
二、硬度
3、维氏硬度 (1)测定方法
金属材料的力学性能
负荷F 相对面夹角 136°正四 方棱锥形 时间T
(单位kgf)
压痕投影对 角线平均长 度d
§1.1
二、硬度
3、维氏硬度 (1)测定方法
金属材料的力学性能
维氏硬度值，用符号HV表示。
F HV S
F F 1.8544 2 2 d d 。 2 sin 68
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
1、强度指标 (3)抗拉强度 对于塑性金属来说，拉伸试样在承受最大拉 应力σb之前，变形是均匀一致的，但超过σb后， 金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形。
§1.1
金属材料的力学性能
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
2、塑性指标 塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形 量来表示。 常用的有断后伸长率和断面收缩率，它们是 工程上广泛使用的表征材料塑性好坏的主要力学 性能指标。
第一章
金属材料的性能
§1.1金属材料的力学性能
§1.2金属材料的其他性能
第一章
金属材料的性能
金属材料的性能包含使用性能和工艺性能。 使用性能是指金属材料在使用条件下所表现 出来的性能，它包括物理、化学和机械（力学） 性能等； 工艺性能是指金属材料在制造过程中适应加 工的性能，如铸造、锻造、焊接以及切削加工性
4) Fs’ -> Fb
冷变形强化阶段，材
料变形抗力逐渐增大；
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
分段： 5) F=Fb
开始产生缩颈；
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
分段： 6) Fb -> Fk
缩颈处可承受负载减
小，直至试样被拉断。
Fb为极限载荷。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
§1.1
二、硬度
2、洛氏硬度 (1)测定方法
金属材料的力学性能
§1.1
二、硬度
2、洛氏硬度 (1)测定方法
金属材料的力学性能
洛氏硬度值，用符号HR表示。
K h HR 0.002
金刚石压头，K=0.2；淬火钢球头，K=0.26。
§1.1
二、硬度
2、洛氏硬度 (2)标注方法
硬度符号 HRA HRB HRC
§1.1
二、硬度
3、维氏硬度
金属材料的力学性能
为了能在同一种硬度标尺上，测定从极软到 布氏硬度试验不能测定硬度较高的金属材料; 极硬金属材料的硬度值，因而特制定了维氏硬度 洛氏硬度试验虽可用来测定由极软到极硬金属材 试验法。 料的硬度，但不同标尺的硬度间没有简单的换算 关系，使用上很不方便。
§1.1
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
2、塑性指标 塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但 材料的塑性对零件的加工和使用都具有重要的实 际意义。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
2、塑性指标 塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制 等成形加工，而且在使用时万一超载，由于能发 生一定的塑性变形而不至于突然断裂，提高了工 作的安全性。所以大多数机械零件除要求具有较 高的强度外，还必须具有一定的塑性。
1、强度指标 金属材料的强度是用应力来表示的，即材料 受载荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力， 单位面积上的内力称为应力，用σ表示。 常用的强度指标有弹性极限、屈服点和抗拉 强度。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
1、强度指标 (1)弹性极限 指试样产生完全弹性变形时所能承受的最大 应力，用符号σe表示，单位为MPa。 σe=Fe/S0 其中，S0为试样原始横截面积，mm2
§1.1
二、硬度
金属材料的力学性能
硬度是衡量金属软硬程度的一种性能指标， 是材料抵抗局部变形(塑性变形、压痕、划痕)的 能力。 在一定程度上反映了材料的综合力学性能， 在生产中应用很广，是产品设计图样的技术条件 中的一项主要技术指标。
§1.1
二、硬度
金属材料的力学性能
硬度的测定方法很多，目前生产中应用较多 的是压入法、划痕法和回弹高度法，其中压入法 最为普遍。 压入法常用的测试方法有布氏硬度、洛氏硬 度和维氏硬度等试验方法。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
强度是指金属在静载荷作用下抵抗永久变形 和断裂的能力。 塑性是指金属在静载荷作用下发生不可逆变 形的能力。 金属材料的强度指标与塑性指标可以通过拉 伸试验测得。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
拉伸试验是在拉伸试 验机上进行的。 试验之前，测定d0(试 样原始直径)，L0(试样原 始标距长度)。
§1.1
二、硬度
1、布氏硬度
金属材料的力学性能
布氏硬度的特点是试验时金属表面压痕大， 能客观地反映被测金属的平均硬度，试验结果较 准确。但由于其压痕、损伤大，不宜测量成品件、 薄壁件、表面要求高或硬度高的材料。
§1.1
二、硬度
2、洛氏硬度 (1)测定方法
金属材料的力学性能
初F0(98N) 120°金刚石圆锥体、 直径1.588mm淬火钢球 初F0+主F1 试件压痕深 度h
一、强度与塑性
1、强度指标 (2)屈服点 σs=Fs/S0 一些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在进行 拉伸试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩 颈现象，这就无法确定σs。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
1、强度指标 (2)屈服点 因此，GB1063-1989规定，试样去除拉伸载荷 后，其标距部分的残余伸长量达到原始标距长度 0.2%时的应力，为该材料的屈服强度，用符号 σ0.2表示。
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
图中这些字母e、s、 s’、b,分别代表什么？
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
分段： 1) 0 -> Fe
弹性变形，可恢复；
2) Fe -> Fs
弹性变形伴随微量塑
性变形
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
分段： 3) Fs -> Fs’
屈服阶段，F不变；
金属材料的力学性能
压头 120°圆锥 淬火钢球 120°圆锥
总试验力kgf 硬度值范围 60 60-88 100 150 20-100 20-70
§1.1
二、硬度
2、洛氏硬度 (2)标注方法 例：50 HRC
金属材料的力学性能
用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。
§1.1
二、硬度
2、洛氏硬度
金属材料的力学性能
小知识
按GB 231-1984规定，压头直径有10mm,5mm, 2.5mm,2mm和1mm五种，载荷与压头直径平方的比 值(F/D2)有30mm,15mm,10mm,5mm,2.5mm,1.25mm和 1mm共7种，可根据金属材料的种类和布氏硬度范 围，按相应表格选定F/D2的值;载荷的保持时间黑 色金属为10-15s，有色金属为30s。
§1.1
金属材料的力学性能
§1.1
金属材料的力学性能
一、强度与塑性
1、强度指标 (3)抗拉强度 指试样拉断前所能承受的最大拉应力，用符 号σb，表示，单位为MPa。 σb=Fb/S0