材料的主要性能
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第一章 金属材料的主要性能
教学重点：金属材料的力学性能 教学难点：б -ε 曲线特点
材料的主要性能:
1.使用性能
（1）力学性能
（2）物理性能 （3）化学性能 2.工艺性能——加工成形的性能
第一节 金属材料的力学性能
力学性能（又称机械性能）是指金属材料在受外力作用时所 反映出来的性能。
零件受力情况有：静载荷、动载荷、交变载荷
σ——ε：应力应变曲线
两种基本变形形式
（1）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，
当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失
而消失的变形，称为弹性变形。
（2）塑性变形材料在外力作用下产生永久的不 可恢复的变形，称为塑性变形。
变形的三个阶段
弹性变形
塑性变形
断裂
常见的几种失效形式 （1）断裂（2）塑性变形（3）过量弹性变（4）磨损（5）腐蚀
式中：Fb—试样承受的最大Baidu Nhomakorabea荷，N
A0—试样原始横截面积，mm2。
屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、 评定金属材料时有重要意义 。 机械零件多以σ s作为强度 设计的依据。 对于脆性材料，在强度计算时，则以σ b为依据。
2. 塑性 —材料在外力作用下，产生塑性变形而不引起破坏的能力。
力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据 1.衡量在静载荷作用下的力学性能指标有：强度、塑性、硬度 2.衡量在动载荷作用下的力学性能指标有：冲击韧度 3.衡量在交变载荷作用下的力学性能指标有：疲劳强度。
外力作用下材料的变形与失效
F F
F’
F
F = F’
F' F S S
（MPa）
σ= F’ /S
d1
l1
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。
二．硬度
金属材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、 压痕、划痕的能力。
硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直 接影响到材料的耐磨性及切削加工性
布氏硬度计
1、布氏硬度
用一定直径的压头（球体），以相应试验力压 入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面 压痕直径，以此计算出硬度值。
压入载荷（N） HB 压痕的表面积（ m m） 2F 0.102 2 d D 2 (1 1 ) D 应用：测量比较软的材料。测量范围 HBS<450、HBW<650的金属材料。 优缺点：压痕大，测量准确，但测 量费时压痕较大不能测量成品件。
布 氏 硬 度 测量
压头材质表示方法
淬火钢球
2. 洛氏硬度
加初载荷 加主载荷 卸除主载荷 读硬度值
0 h3 1 3 2
洛 氏 硬 度 试 验 原 理 0
h1
1 3 2
h2
1-1 初载10kg 2-2 总载150kg 3-3 卸载140kg 最后测得：
h1 h2 h3
h
残余压痕深度增量 h
HR=h/0.002 HR=C-h/0.002
h=h3-h1
(1)伸长率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）
δ < 2 ~ 5% δ ≈ 5 ~ 10% δ > 10%
属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
F
d0
F
l0
L
（2）断面收缩率:
A0 A1 100% A0
1．强度：
强度——材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。 （1） 屈服点（屈服强度）（σ S） 指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 σ
S
=
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。 当材料单位面积上所受的应力σ e <σ <σ s 时，只产生微量 的塑性变形。当σ > σ s 时，材料将产生明显的塑性变形。
布氏硬度特点
优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定， 重复性强。 缺点：压痕面积较大，测量费时。
应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、
退火正火钢材的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。
洛氏硬度试验原理
用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直 径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压 入待测表面，保持规定时间卸载后卸除 主试验力，以测量的残余压痕深度增量 来计算出硬度值。
洛氏硬度应用范围
常用洛氏硬度标度的试验范围
HRA
120°金刚 石圆锥体
600N
70~85
HRB HRC
1.588mm 钢球 120°金刚 石圆锥体
1000N 1500N
25~100 20~67
洛氏硬度标注
（1）屈服强度
中、高碳钢和其他脆 性金属材料无明显屈服现 象，国家标准以产生0.2% 塑性变形的应力来表示屈 服强度，即： σ 0.2 = F0.2 / A0
屈服强度是塑性材料选材和评定的依据。
（2
抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，
用符号σ b表示，单位 Mpa，
σ
b
= Fb / A0
( Mpa )
退火低碳钢力-伸长曲线
oe——弹性变形阶段；es——屈服阶段； sb——强化阶段；bk——缩颈阶段
s-屈服点 b-开始发生缩颈现象
强度极限B
颈缩阶段
屈服极限S
强化阶段 屈服阶段 弹性极限P 弹性阶段
颈缩现象
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
低碳钢拉伸曲线
铸铁拉伸曲线
F——Δl：载荷伸长量拉伸曲线
硬质合金钢球
HBS
HBW
布氏硬度值与压头
布氏硬度值450的材料,选用淬火钢球压头
例如：200HBS 350HBS
布氏硬度值450~650的材料，选用硬质合金球压头
例如：550HBW 600HBW
布氏硬度标 注
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、 载荷及载荷保持时间。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。
外力 —— 内力——应力
一、强度与塑性
强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂 的能力。 塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而 不破坏的能力。 拉伸试验 标准试件
拉伸试样（GB6397-86）
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
σ = F/Ao ε = △L / L 0 分别以 σ 和 ε 为纵坐标 和横坐标，绘出 应力-应变曲线 。应力-应变曲 线的形状与拉伸 曲线完全相似， 只是坐标与数值 不同。
教学重点：金属材料的力学性能 教学难点：б -ε 曲线特点
材料的主要性能:
1.使用性能
（1）力学性能
（2）物理性能 （3）化学性能 2.工艺性能——加工成形的性能
第一节 金属材料的力学性能
力学性能（又称机械性能）是指金属材料在受外力作用时所 反映出来的性能。
零件受力情况有：静载荷、动载荷、交变载荷
σ——ε：应力应变曲线
两种基本变形形式
（1）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，
当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失
而消失的变形，称为弹性变形。
（2）塑性变形材料在外力作用下产生永久的不 可恢复的变形，称为塑性变形。
变形的三个阶段
弹性变形
塑性变形
断裂
常见的几种失效形式 （1）断裂（2）塑性变形（3）过量弹性变（4）磨损（5）腐蚀
式中：Fb—试样承受的最大Baidu Nhomakorabea荷，N
A0—试样原始横截面积，mm2。
屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、 评定金属材料时有重要意义 。 机械零件多以σ s作为强度 设计的依据。 对于脆性材料，在强度计算时，则以σ b为依据。
2. 塑性 —材料在外力作用下，产生塑性变形而不引起破坏的能力。
力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据 1.衡量在静载荷作用下的力学性能指标有：强度、塑性、硬度 2.衡量在动载荷作用下的力学性能指标有：冲击韧度 3.衡量在交变载荷作用下的力学性能指标有：疲劳强度。
外力作用下材料的变形与失效
F F
F’
F
F = F’
F' F S S
（MPa）
σ= F’ /S
d1
l1
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。
二．硬度
金属材料抵抗局部变形、特别是塑性变形、 压痕、划痕的能力。
硬度是衡量金属软硬的判据。硬度直 接影响到材料的耐磨性及切削加工性
布氏硬度计
1、布氏硬度
用一定直径的压头（球体），以相应试验力压 入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面 压痕直径，以此计算出硬度值。
压入载荷（N） HB 压痕的表面积（ m m） 2F 0.102 2 d D 2 (1 1 ) D 应用：测量比较软的材料。测量范围 HBS<450、HBW<650的金属材料。 优缺点：压痕大，测量准确，但测 量费时压痕较大不能测量成品件。
布 氏 硬 度 测量
压头材质表示方法
淬火钢球
2. 洛氏硬度
加初载荷 加主载荷 卸除主载荷 读硬度值
0 h3 1 3 2
洛 氏 硬 度 试 验 原 理 0
h1
1 3 2
h2
1-1 初载10kg 2-2 总载150kg 3-3 卸载140kg 最后测得：
h1 h2 h3
h
残余压痕深度增量 h
HR=h/0.002 HR=C-h/0.002
h=h3-h1
(1)伸长率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）
δ < 2 ~ 5% δ ≈ 5 ~ 10% δ > 10%
属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
F
d0
F
l0
L
（2）断面收缩率:
A0 A1 100% A0
1．强度：
强度——材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。 （1） 屈服点（屈服强度）（σ S） 指材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力。 σ
S
=
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。 当材料单位面积上所受的应力σ e <σ <σ s 时，只产生微量 的塑性变形。当σ > σ s 时，材料将产生明显的塑性变形。
布氏硬度特点
优点：测量误差小（因压痕大），数据稳定， 重复性强。 缺点：压痕面积较大，测量费时。
应用：常用于测量较软材料、灰铸铁、有色金属、
退火正火钢材的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。
洛氏硬度试验原理
用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直 径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压 入待测表面，保持规定时间卸载后卸除 主试验力，以测量的残余压痕深度增量 来计算出硬度值。
洛氏硬度应用范围
常用洛氏硬度标度的试验范围
HRA
120°金刚 石圆锥体
600N
70~85
HRB HRC
1.588mm 钢球 120°金刚 石圆锥体
1000N 1500N
25~100 20~67
洛氏硬度标注
（1）屈服强度
中、高碳钢和其他脆 性金属材料无明显屈服现 象，国家标准以产生0.2% 塑性变形的应力来表示屈 服强度，即： σ 0.2 = F0.2 / A0
屈服强度是塑性材料选材和评定的依据。
（2
抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，
用符号σ b表示，单位 Mpa，
σ
b
= Fb / A0
( Mpa )
退火低碳钢力-伸长曲线
oe——弹性变形阶段；es——屈服阶段； sb——强化阶段；bk——缩颈阶段
s-屈服点 b-开始发生缩颈现象
强度极限B
颈缩阶段
屈服极限S
强化阶段 屈服阶段 弹性极限P 弹性阶段
颈缩现象
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
低碳钢拉伸曲线
铸铁拉伸曲线
F——Δl：载荷伸长量拉伸曲线
硬质合金钢球
HBS
HBW
布氏硬度值与压头
布氏硬度值450的材料,选用淬火钢球压头
例如：200HBS 350HBS
布氏硬度值450~650的材料，选用硬质合金球压头
例如：550HBW 600HBW
布氏硬度标 注
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、 载荷及载荷保持时间。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。
外力 —— 内力——应力
一、强度与塑性
强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂 的能力。 塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而 不破坏的能力。 拉伸试验 标准试件
拉伸试样（GB6397-86）
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
σ = F/Ao ε = △L / L 0 分别以 σ 和 ε 为纵坐标 和横坐标，绘出 应力-应变曲线 。应力-应变曲 线的形状与拉伸 曲线完全相似， 只是坐标与数值 不同。