金属材料的主要性能

1）弹性变形： 在开始(Oe)阶段,载荷F与伸长量△L 为线性关系。载荷去除后，试样恢复 到原长。此阶段变形——弹性变形。
2）塑性变形： 载荷超过Fe之后，试样在弹性变形的 基础上又产生塑性变形（不可恢 复），此时载荷去除后，试样不能恢 复到原始长度，形成永久塑性变形。
低碳钢拉伸曲线
当载荷超过Fs之后,拉伸图上出现较平坦阶段，表明载荷未（少）增
度h，由刻度盘上指针直接指示出HR值。是 洛氏硬度压痕
个无量纲数。
为能测试从软到硬
根据压头类型和载荷不同有A、B、C、 各种材料的硬度
D、E、F、G、H、K等9个标尺。其中
常用于钢材硬度测试的标尺一般为A、
洛氏硬度测试示意图
洛
B、C，即HRA、HRB、HRC。 （表1-
氏 硬
1）
度
计
h1-h0
标尺
1、冲击韧度（impact strength）
概念：材料在冲击载荷作用抵抗变形和断裂的能力叫做冲击韧度 （也称冲击强度）， 值用ak表示，由试验而得。
（1） 冲击韧度用于评价材料的抗冲击能力或判断材料的脆性和韧性程度。 （2） 冲击韧度是试样在冲击破坏过程中所吸收的能量与原始横截面积之比。 （3） 冲击韧度根据试验设备不同可分为简支梁冲击韧度、悬臂梁冲击韧度 （4）冲击韧度的测量标准主要有ISO国际标准（GB参照ISO）及美国材料ATSM标准 。
缩
< 时，有缩颈，为塑性材料表征
颈
现
象
这两个指标反映的物理意义是一样的（塑性）。常 用的是伸长率，但有时也用断面收缩率。
二、硬度
概念：固体材料抵抗局部塑性变形、压入或划痕的能 力。（局部抵抗能力）
➢ 材料的硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。不管是刀 具、量具、刃具还是工件都要有足够的硬度才能保证他们的使 用性能和寿命。
材料强度和塑性的综合指标。
工程中有些机件在工作时要受到瞬间大能 量的冲击载荷
如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、 飞机的起落架等。
v1
F1 v2
瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制 造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即韧性。
韧性的衡量指标是冲击韧度。
硬小 度负 计荷
维 氏
• 维氏硬度试验是由英国的史密斯（R.L.Smith）和 桑德兰德（G.E.Sandland）于1925年提出来的。
• 优点：所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压 入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬 度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬 度；
• 缺点：测定过程比较麻烦。
GB: 是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（J）， 其单位为MJ/m2。 ATSM:单位宽度所消耗的功，单位为J/m。
2、冲击韧度试验与计算（ GB） 通常采用摆锤式冲击试验机测定(大能量、一次冲断）。
冲击韧度：
ak = AK/A （J·cm-2）
Ak—折断试样所消耗的冲击功（J） A —试样断口处的原始截面积（mm2）
4、塑性 金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。 用伸长率 和断面收缩率表示。
1）伸长率δ
δ
l1 l0 l0
100%
式中：l0—试样原标距的长度（mm）
l1—试样拉断后的标距长度（mm）
2) 断面收缩率
= （A0-A1）/A0 ×100%
式中：A0—试样的原始截面积（mm2） A1—试样断面处的最小截面积（mm2）
• 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定（重复性 好）。
• 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。
• 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的 硬度。
2、洛氏硬度HR
钢球与金刚石压头
测试方法是以120°金刚石圆锥体（A、C）
或淬火钢球（B）为压头，在规定的载荷下， 垂直压入被测材料表面，卸载后依据压入深
加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
一、教学重点：金属材料的力学性能（包括：表达方式、测定方法、单 位量纲、物理意义等）。
二、教学难点：拉伸曲线（б-ε曲线）特点；硬度的实验过程。
第一节 金属材料的力学性能
力学性能: 是指金属材料在受外力作用时所反映出来的固有性能。
伸长率是指试样拉断前 后的相对伸长值。
断面收缩率是指试样拉 断后断面处横截面积的 相对收缩值。
说明：
、 越大，材料塑性越好，是材料用
于轧制、锻造、冲压、焊接的必要条
件；而且在使用时万一超载，由于塑
拉
性变形，可避免突然断裂。
伸
用断面缩率表示塑性比伸长率更接近
试
真实变形。
样 的
> 时，无缩颈，为脆性材料表征
• 应力 在外力作用下材料单位面积上承 受的载荷
五万吨水压机
一、强度与塑性
1、拉伸试验
金属材料的强度与塑性是通过拉伸试验测定出来的。
拉伸试验是在拉伸试验机上进行的
标准试样（参见国标GB6397-86)
拉
伸
试
验
机
d0为标准直径，L0为标准标距 在材料试验机上，进行应力应变的测试实验
2、拉伸试验的几个过程
➢ 刀具的硬度要大大高于材料的硬度，才能进行正常的切削加工。
常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。不同 的硬度指标，其试验方法和适用范围不同 。
金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度 机、洛氏硬度机和维氏硬度机等。
1、布氏硬度HB
测试方法是以直径为D的钢球或硬质合金球为压头, 在载荷P的静压力 下, 压入被测材料的表面，保持一定时间后撤去载荷，材料上得到直径为 d的压痕。硬度以下式计算（单位压痕表面积上的力MPa） ：
标，可绘出标准式样的应力——应变曲线。
纵坐标：应力 = P/F0 横坐标：应变 = (l-l0)/l0
屈服塑 性变形
弹塑性变形
缩颈变形
应 力 σ
断裂
弹
性
变 形
应变ε
屈服极限S 屈服阶段 弹性极限P 弹性阶段
强度极限B
s e
b
强化阶段
缩颈阶段
k
3、强度 材料抵抗由外力载荷所引起的塑性变形或断裂的能力。 工程中常用屈服和抗拉强度作为强度的判别依据。
洛氏硬度是由美国的洛克威尔（S.P.Rockwell 和H.M.Rockwell）于1919年提出 来的 。 洛氏硬度的优点：
操作简便，压痕小，适用范围广，可用于成品检验。 洛氏硬度的缺点：
测量结果分散度大，重复性较差。
3、维氏硬度 HV
136°四棱锥形，载荷小，压痕浅
将一个相对面夹角为1360的
洛氏硬度的特点： 洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤
工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。 但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析
或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。
三、韧性（与脆性相反）
概念：材料断裂前吸收的变形能量的能力称为韧性。 它是材料抵抗冲击荷载而不破坏的能力，或说材料断裂前吸收能量的能力。是
塑性材料试样有圆弧缺口，脆性材料不开缺口。
•材料的a k 值愈大，韧性就愈好；材料的a k 值愈小， 材料的脆性愈大。
•通常把a k 值小的材料称为脆性材料。 •温度的影响：
研究表明，材料的a k 值随温度的降低而降低。当温度降至 某一数值或范围时，a k 值会急剧下降，材料则由韧性状态转 变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转 变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好， 允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等 机件用材料，必须作低温（一般为–40℃）冲击弯曲试验，以 防止低温脆性断裂。
布
氏
硬
符号HBS或HBW之前的数字——表示硬度值；
度 压
痕
符号后面的数字分别表示：球体直径、载荷
及载荷保持时间。
如 120HBS10/1000/30 （原表示HB120)钢球直径为10mm，作用载荷1000kgf，保 持30s，测得的布氏硬度值。
• 布氏硬度试验是由瑞典的布利涅尔（J.B.Brinell） 于1900年提出来的 。
第一篇 金属材料导论
机械工程领域中，广泛应用着各种材料, 按属性可分类：
以金属元素 为主要成分、 原子通过金 属键结合而 成的一类固 体材料。
金属材料 非金属材料 复合材料
机械制造最主要的材料： 广泛应用于机床、矿山、 冶金、动力、交通等机械中
塑料、陶瓷、橡胶等
具有金属材料所没有的性 能，如绝缘性、耐磨性、 廉价性等
σb= Fb/A0 (MPa ) 式中：Fb—试样承受的最大载荷(N)
A0—试样原始横截面积(mm2）
屈服强度σs 和抗拉强度σb在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义。 由于机器零件在工作时，不允许产生塑性变形，因此机械零件多以σs作为强度设 计的依据。 对于脆性材料，因断裂前基本不发生塑性变形，因此在强度计算时以σb为依据。
金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 力学性能指标是选择、使用金属材料的重要依据。
• 变形
材料在使用过程中，在外力的作用下将 发生形状和尺寸的变化 弹性变形：外力去除后能够恢复的变形 塑性变形：不能恢复的变形
举例：弹簧、弯钢丝
• 应变 在外力作用下引起的材料的原始 尺寸或形状在单位长度上的变化
加而试样继续发生较大的塑性变形而伸长，这种现象称为“屈服”。S点 称为屈服点。
3）随着载荷增加，弹塑性变形增大，直到载荷达到Fb ---强化阶段。 4）当载荷超过Fb之后，试样某部分开始变细，出现“缩颈”现象，由于截
面减小，使继续变形所需载荷下降。当载荷变为Fk时, 试样在缩颈处断裂。
为使曲线能够直接反映出材料的力学性能，分别以σ和ε为纵坐标和横坐
应力，作为该材料的屈服点，称为条件屈服极限，用 0.2表示。脆性材料没有明
显的转变点。
F
试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长
F0.2
率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用
符号σ0.2表示。
条件屈服极限：
F0.2
σ0.2=
A0
0 0.2%L0
Fra Baidu bibliotek
ΔL
2）抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值
抗拉强度 b可按下式计
4、布氏硬度与洛氏硬度的特点比较
布氏硬度的特点： 布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据
的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材 料，一般在450HB以上的就不能使用（HBW在650以上不适用）。
由于压痕较大，成品检验也有困难。 通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。
正四棱锥体金刚石压头以选
定的试验力（P）压入试验
表面，经规定保持时间后卸
除试验力，测量压痕两对角
线长度来计算表面积。维氏
硬度值是试验力除以压痕表
面积所得之商，单位：MPa。 维氏硬度试验
原理
维氏硬度 压痕
维氏硬度 计
根据载荷范围不同，规 定了三种测定方法—维氏 硬度试验 、小负荷维氏硬 显微维氏硬度计 度试验、显微维氏硬度试 验。
压头
总载荷（N） 适用测试材料
有效值
HRA 120°金刚石圆锥 600 体
HRB Φ1.588mm淬火钢 1000 球
HRC 120°金刚石圆锥 1500 体
硬质合金、表面淬火 70~85
钢
退火钢
25~100
一般淬火钢件
20~67
符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。 HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。 HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。
HB 0.102
2P
D(D D2 d 2 )
式中：P—试验力(N) D—压头的直径(mm)
球冠面积，不好算，可直接查表（由d直接查HB值）
布
计
氏 硬
度
➢压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。 ➢压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。
将两种或两种以上的材料组合 在一起，既保原单种材料的性 能又具备单种材料不具的性能。 如双金属复合材料、金属塑料 涂覆材料等）
材料类别不同，则性能不同、用途不同、成型的技术也不同
第一章 金属材料的主要性能
材料使用性能
两 方 面
材料工艺性能
力学性能（强度，塑性，韧性等） 物理性能（导热、电，熔点，密度等） 化学性能（耐酸、碱，氧化，腐蚀等） 生物性能（相容性、自恢复性等）
1）屈服强度s：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， 用符号σs表示。
屈服点应力σs可按下式计算 σs = Fs / A0 (MPa)
式中：Fs—试样屈服时的载荷（N A0—试样原始横截面积（ mm2)
应用：σs常作为零件选材和设计的依据。
对于有些没有很明显屈服现象的金属材料，规定以试样产生0.2%塑性变形时的