一、金属的性能(力学性能和工艺性能)
1 金属材料的主要性能解析
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ak不能直接用于强度方面计算，但可作为鉴
影响ak因素:材料的化学成分、显微组织、试 样的表面质量、热处理工艺以及试验温度等。
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动画 冲击试验
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Titanic沉没原因
——含硫高的钢板， 韧性很差，特别是在低温 呈脆性。所以，冲击试样 是典型的脆性断口。近代 船用钢板的冲击试样则具 有相当好的韧性。
一、金属材料的主要性能
2018/10/5
1
金属材料具有许多的可贵的性能，一般分为两大类：
使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
工程材料的性能
铸造性能 可锻性能 工艺性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性
2
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金属材料的主要性能
1.使用性能 ――反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。
包括： 力学性能： （强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能： （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性等） 化学性能： （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等
2. 工艺性能 ――反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。
包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工 特性等。 在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的 使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因 此作为本章讨论的重点。
Titanic
一项新的科学研究回答了80年未解之谜
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
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金属材料的主要性能—疲劳强度
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4、疲劳强度σr，N（交变载荷）
定义： 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。 承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往 在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 钢材的循环次数一般取 N = 107;有色金属的循环次数一般取 N = 108 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1 = (0.45～0.55)σb
金属材料的性能
金属材料的性能一、金属材料的力学性能任何机械零件工作时都会受到外力的作用，如行车吊运重物，钢丝绳会受到重物拉力的作用；柴油机连杆会受到拉力、压力、甚至交变外力和冲击力的作用等。
在这些外力作用下，材料所表现出来的一系列特性和抵抗的能力称力学性能。
按作用形式不同，外力常分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。
材料的力学性能也分为强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。
1．强度和塑性强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。
强度用应力表示，其符号为σ，单位为MPa，1MPa=1N/mm2。
常用来衡量金属材料强度的指标有屈服点（σs）和抗拉强度（σb）等。
金属材料的屈服点和抗拉强度是通过把材料做成标准试样，在材料试验机上进行拉伸试验测得的。
常用的拉伸试样如图4-1所示。
图中l0为试样的标距长度，d0为试样截面的直径。
按国家标准规第四章金属材料与热处理定，试样可以分为长试样和短试样两种，长试样l0=10 d0，而短试样l0=5 d0。
试验时，随着拉力的缓慢增加，试样的长度也逐渐增长，即产生变形。
在整个试验中，把拉力与试样的相应变形，画在以伸长量∆l为横坐标、拉力F为纵坐标的图上，所连成的曲线即为力—变形曲线，如图4-2所示。
图4-l 拉仲试样图4-2 低碳钢力—变形曲线图a）拉伸前b）拉伸后由图4-2可知，在开始的Oe阶段，试样在拉力作用下均匀伸长，伸长量与拉力保持正比关系。
这时若去掉拉力，试样将恢复原状，此时材料处于弹性变形阶段，弹性变形在e 点处达到最大极限。
因此，在e点处试样所承受的拉力与试样横截面积之比称为弹性极限，用σe表示。
当超过e点后，材料除弹性变形外，开始产生塑性变形，拉力与伸长量之间的正比关系不再保持。
当拉力增大到F s时，即使拉力不再增加，材料仍会继续伸长一定距离，这种现象称为“屈服”。
在s点处，试样承受的拉力与试样原始横截面积之比称为屈服点，用σs表示σs=F s/A0式中F s r——试样屈服时的拉力（N）；A0——试样原始截面积（mm2）。
金属材料的性能 重点概括
1、金属材料的性能包括：使用性能和工艺性能。
2、使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括①物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等）。
②化学性能（如抗腐蚀性、抗氧化性等）。
③力学性能（如强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等）。
④工艺性能。
力学性能的概念：力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。
3、力学性能包括：强度、硬度、塑性、冲击韧性a)金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。
强度的大小用应力来表示。
b)根据载荷作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。
一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。
4、金属材料受到载荷作用而产生的几何形式和尺寸的变化称为变形。
变形分为：弹性变形和塑性变形两种5、不能随载荷的去除而消失的变形称为塑形变形。
在载荷不增加或略有减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫做屈服。
屈服后，材料开始出现明显的塑性变形。
Fs称为屈服载荷6、sb：强化阶段：7、随塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为形变强化（或称加工硬化）。
Fb：试样拉伸的最大载荷。
8、在拉伸试验过程中，载荷不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点。
用符号σs表示，计算公式：σs=Fs/So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，计算公式：σ0.2=F0.2/So9、（2）抗拉强度材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb表示。
计算公式为：σb=Fb/So10、断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性。
塑性由拉伸试验测得的。
常用伸长率和断面收率表示。
11、伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。
用δ表示：计算公式：δ=(l1-l0)/l0×100%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的百分比称为断面收缩率。
用ψ表示12、材料抵抗局部变形特别是塑性变形压痕或划痕的能力称为硬度。
机械常用金属材料及热处理
第二十三页，共69页。
1．2钢的热处理
1.2.1．退火(tuì huǒ)
1.2.2．正火
1.2.3．淬火
1.2.4．回火
1.2.5．钢的表面热处理
第二十四页，共69页。
引子(yǐn zi)——
热处理：将钢在固 态下通过(tōngguò) 加热、保温和不同 的冷却方式，改变 金属内部结构，从 而获得所需性能的 操作工艺，工艺曲 线如图1－4。
焊接性能好——焊缝中 不易产生气孔、夹渣或 裂纹。
焊接性能比较：低碳钢 好，高碳钢和铸铁较差。
第二十二页，共69页。
4．切削(qiēxiāo)加工性能
切削加工性能：对工件材料(cáiliào)进行切削 加工的难易程度。
与材料(cáiliào)本身化学成分、金相组织、刀 具几何形状有关。
硬度过高或过低、韧性过大——切削性能较 差。
显然，试样不能在承受此载荷的条件下工作， 这样将导致构件破坏。
第八页，共69页。
1.1.1.2 塑性(sùxìng)
金属在外力作用(wài lì zuò yònɡ)下产生塑性 变形，其表示：
1）断后伸长率
2）断面收缩率
第九页，共69页。
1）断后(duàn hòu)伸长率
断后伸长(shēn chánɡ)率：试样拉断后，标距 的伸长(shēn chánɡ)与原始长度的百分比。
热处理工艺相比，退火钢的硬度最低，内应
力可全部消除，可提高刚才冷变形后的塑性。
又由于退火过程中发生重结晶，故可细化晶
粒，改善组织，所以退火可以达到(dá dào)各
个不同的目的。
第四十页，共69页。
退火(tuì huǒ) 正火
金属工艺学第一章金属材料性能ppt课件.ppt
拉伸试验
强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和 断裂的能力。
塑性：材料在外力作用下产生永久变形而 不破坏的能力。
硬度
硬度：金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的 能力，衡量材料的软硬程度。
硬度试验方法很多，机械工业普遍采用 压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、 洛氏硬度、维氏硬度等。
布氏硬度是用单位压痕面积的力作 为布氏硬度值的计量，符号HBS、HBW
洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏 硬度值的计量即，符号HR
维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为 硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角 为136°的金刚石正四棱锥体，维氏硬度用符 号HV表示。
冲击韧性和疲劳强度
冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断 裂的能力。
疲劳强度：金属材料在无数次重复或交变 载荷作用下而不致引起断裂的 最大应力。
使用性能：金属材料在使用过程中所表现出来 的性能。
（物理性能、化学性能、力学性能） 工艺性能：金属材料在各种加工过程中所表现
出来的性能。 （铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削性能）
1. 金属材料的力学性能
力学性能：指金属材料在外力（载荷）作用下 所表现出的抵抗变形和破坏的能力。
强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。 载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。
2.金属材料物理性能和化学性能
物理性能：密度、熔点、导热性、导电 性金属材料的工艺性能（略）
工艺性能：铸造性能、锻造性能、 焊接性能、切削加工性能
常用金属材料的一般知识
式中 Ak——冲击吸收功，J；
F——试验前试样刻槽处的横截面积，cm2；
ak——冲击值，J／cm2。
4．硬度
金属材料抵抗表面变形的能力。
常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV三种。
(三)金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能是指承受各种冷热加工的能力。
第三节 常用金属材料的一般知识
一、金属材料的性能
金属材料的性能通常包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。
(一)金属材料的物理化学性能
1．密度
物质单位体积所具有的质量称为密度，用符号P表示。利用密度的概念可以帮助我们解决一系列实际问题，如计算毛坯的重量，鉴别金属材料等。常用金属材料的密度如下：铸钢为7．8g／cm3，灰铸铁为7．2g／cm3，钢为8．9g／cm3，黄铜为8．63g／cm3，铝为2．7g／cm3。
C5
2．合金结构钢的编号
合金结构钢的钢号由三部分组成：数字+化学元素符号+数字。前面的两位数字表示平均碳含量的万分之几，合金元素以汉字或化学元素符号表示，合金元素后面的数字，表示合金元素的百分含量。当元素的平均含量<1．5％时，则钢号中只标出元素符号而不标注含量；其合金元素的平均含量≥1．5％、≥2．5％、≥3．5％……时，则在元素后面相应标出2、3、4、……如“16Mn”钢，从钢号可知：其平均含碳量为0．16％，平均含锰量为<1．5％。
(2)抗拉强度 金属材料在破坏前所承受的最大拉应力，以σb表示。σb值越大金属材料抵抗断裂的能力越大，强度越高。
强度的单位是MPa(兆帕)。
2．塑性
塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形的能力。表示金属材料塑性性能有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。
金属材料的力学性能
第1章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ) 1、测量原理
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图
第1章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 HV
1、测量原理:
第1章 金属材料的力学性能
2、表示方法： 符号HV。标注时，硬度值写在符号之前，如666HV
3、特点： 维氏硬度试验的测试精度较高，测试的硬度范围大，被测试样的厚度 或表面深度几乎不受限制(如能测很薄的工件、渗氮层、金属镀层等)。 但是, 维氏硬度试验操作不够简便，试样表面质量要求较高，故在生 产现场很少使用。
抗拉强度为设计机械零件和选材的主要依据。
σe σs σb
第1章 金属材料的力学性能
(二)疲劳强度
工程上规定，材料经无数次重复循环（交变）载荷作用而不发生 断裂的最大应力称为疲劳强度。表示材料经无数次交变载荷作用而 不致引起断裂的最大应力值。
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108
主要指标: 强度、塑性、冲击韧性和硬度。
第1章 金属材料的力学性能
1.1 强度
按照载荷的性质，金属材料的强度有静强度、疲劳强度和 冲击强度。一般意义上的强度是指静强度。
(一)强度 一、拉伸试验
1.拉伸试样 标准试样(按GB/T6397-1986规定) 常用圆截面拉伸试样 : 长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
钢铁材料的疲劳曲线
第1章 金属材料的力学性能
疲劳的危害:
第一章金属力学性能与工艺性能
σ
s
：屈服强度
b：最大应力点 “缩颈” σb ：抗拉强度
3.断裂点（k）
强度指标：
1.弹性极限ζe ：是指材料由弹性过 渡到弹-塑性变形的最大应力。 2.屈服强度ζs ：是指材料产生明显 塑性变形时的应力。 需要注意的是，对于高碳钢等一 些相对脆性的金属材料往往没有 明显的屈服平台，规定产生0.2% 残余应变时所对应的应力值作为 其屈服极限，称为条件屈服强度， 记作ζ0.2。 3.抗拉强度ζb ：是指材料拉伸时所 能承受的最大应力。
σ-应力；F-轴向拉力； S-试样原始横截面积
ε =ΔL/L0=(L1-L0)/L0
ε-应变； L0-试样标距； L1-试样拉伸 后长度
应力-应变关系曲线特点（σ-ε曲线）
1.弹性变形阶段（oe） 2.塑性变形阶段（eb） 3.断裂点（k）
应力-应变关系曲线特点（σ-ε曲线）
1.弹性变形阶段（oe）
塑性指标：一般用伸长率(δ)或断面收缩率(Ψ)来反
映材料塑性的好坏。
1.伸长率： δ =(L1-L0)/L0
2.断面收缩率： Ψ=(S0-S1)/S0
三、硬度：
定义：硬度反映了材料表面抵抗其他硬物 压入的能力。 意义：硬度能较敏感地反映材料的成分与 组织结构的变化，与强度、耐磨性以及工艺 性能往往存在一定对应关系，故可用来检验 原材料和控制冷热加工质量。
测量方法：静载压入法
根据压头和载荷的不同，主要有布氏硬度(HB)、 洛氏硬度(HR)和维氏硬度 (HV) 等。
布氏硬度：1900年瑞典工程师布利涅尔
（Brinell）提出
将一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入被 测金属的表面，并保持一定时间，然后卸除载荷，以金属表面球 形压痕单位面积上所承受载荷的大小来表示被测金属材料的硬度。
金属材料的主要性能
为提高材料的疲劳强度，一般可从以下几个方面考虑： 1) 设计方面，尽量使零件避免尖角、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，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当而引起的
一、金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种 外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击等）时所表现出的力学特征。力学 性能主要包括强度、塑性、硬度和韧性和抗疲劳性等，用来表征材料力学性能 的各种临界值或规定值均称为力学性能指标。金属材料的力学性能的优劣就是 用这些指标的具体数值衡量的
1 强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断 裂的能力
载荷
静载荷
冲击载荷
交变载荷
项目二 汽车常用工程才料
任务一 金属材料的主要性能
金属材料受到载荷作用时，发生几何尺寸和形状的变化称为变形。变形一 般分为弹性变形和塑性变形。所谓弹性变形，是指材料受到载荷作用时产生 变形，载荷卸除后恢复原状的变形。而塑性变形则是指材料在载荷作用下发 生变形，且当载荷卸除后不能恢复的变形，故也叫永久变形。
当L0=10d0时，称为长试样； L0=5d0时，称为短试样。
图2-1-1 圆形拉伸试样图
项目二 汽车常用工程材料
任务一 金属材料的主要性能
载荷F和伸长量 L
之间的关系曲线，称为拉伸曲线，如图2-1-2所 示。
2-1-2低碳钢的拉伸曲线图
曲线明显地分为以下几个变形阶段
Oe
弹性变 形阶段
材料的力学性能使用性能和工艺性能使用性能是指金属材料
第一节 材料的力学性能使用性能和工艺性能：使用性能是指金属材料在使用过程中表现出来的性能，包括力学性能、物理性能(如电导性、热导性等)、化学性能(如耐蚀性、抗氧化性等)。
所谓工艺性能是指金属材料在各种加工过程中所表现出来的性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能和切削加工性能等。
材料的力学性能是指材料在各种载荷(外力)作用下表现出来的抵抗能力，它是机械零件设计和选材的主要依据。
常用的力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。
一、刚度定义：工程上，指构件或零件在受力时抵抗弹性变形的能力。
计算：等于材料弹性模量E 与零构件截面积A 的乘积。
零构件发生过弹性变形的原因是刚度不足；金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变；提高零构件刚度方法是增加横截面积或改变截面形状。
二、强度强度是指材料在外力作用下抵抗变形或断裂的能力。
由于所受载荷的形式不同，金属材料的强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。
有些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸试验中没有明显的屈服现象。
所以国标中规定，以试样的塑性变形量为试样标距长度的0.2%时的应力作为屈服强度，用σ0.2表示。
三、塑性塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。
金属材料的塑性也是通过拉伸试验测得的。
常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
（1）伸长率 ： %10000⨯-=l l l k δ 长试样和短试样的伸长率分别用δ10和δ5表示，习惯上δ10也常写成δ。
(2)断面收缩率 ：%10000⨯-=S S S k ψ四、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的指标，它表示材料在外力作用下抵抗变形或破裂的能力。
常用的有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验方法。
HB=S F ⨯102.0=DhF π⨯102.0 用淬火钢球作压头测得的硬度用符号HBS 表示，适合于测量布氏硬度值小于450的材料；用硬质合金球作压头测得的硬度用符号HBW 表示，适合于测量布氏硬度值450～650的材料。
金属的力学性能
(2)抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度：试样在断裂前所能承受的最大应力。 抗拉强度
1）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力。 ）、它表示材料抵抗断裂的能力 2）、是零件设计的重要依据；也是评定 ）、是零件设计的重要依据； ）、是零件设计的重要依据 金属强度的重要指标之一。 金属强度的重要指标之一。
拉伸试样
第一节 强度和塑性
• 2.拉伸过程 拉伸过程
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
3.拉伸曲线 拉伸曲线
F
e p s b k
拉伸的四个阶段
1、oe段: 弹性变形阶段。(op段：比 例 弹性变形阶段；pe段：非比例弹性变 形阶段；) 2、es段：屈服阶段。平台或锯齿。 3、sb段：强化阶段。均匀塑性变形阶段。 *b点：形成了“缩颈”。 ∆l
σe σs σb
F σb = A
b
试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 ( M Pa )
0
试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
三、塑性: 塑性
是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。 1、断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收 、断面收缩率 与原始横截面积A 缩量∆ A与原始横截面积 0之比。 与原始横截面积 之比。 A0 - A 1 ψ = ——-—× 100% × A0 2、伸长率 是指试样拉断后的标距伸长量∆ L 、伸长率: 与原始标距L 之比。 与原始标距 0之比。 l 1 - l0 δ = ——-—× 100% × l0
e
σe 3.弹性极限 弹性极限: 弹性极限 Fe σe = A0 弹性极限载荷( 弹性极限载荷 N ) ( M pa ) 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)
金属材料的性能
金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。
金属材料的性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。
一.机械性能（一）应力的概念物体内部单位截面积上承受的力称为应力。
由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等）。
（二）机械性能金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。
金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：1.强度这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度极限（σb）、抗弯强度极限（σbb）、抗压强度极限（σbc）等。
由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：（1）强度极限：材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以σb表示，如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕（MPa），换算关系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa σb=Pb/Fo式中：Pb–至材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受的最大载荷）；Fo–拉伸试样原来的横截面积。
（2）屈服强度极限：金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。
产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。
建筑常用钢材的力学性能和工艺性能讲解
建筑常用钢材的力学性能和工艺性能讲解钢材的技术性能包括力学性能、工艺性能和化学性能等。
力学性能主要包括拉伸性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度等；工艺性能是钢材在加工制造过程中所表现的特性，包括冷弯性能、焊接性能、热处理性能等。
只有了解、掌握钢材的各种性能，才能正确、经济、合理地选择和使用各种钢材。
一、力学性能（一）拉伸性能钢材的拉伸性能，典型地反映在广泛使用的软钢（低碳钢）拉伸试验时得到的应力σ与应变ε的关系上，如图7.7所示。
钢材从拉伸到拉断，在外力作用下的变形可分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。
图7.7低碳钢受拉应力-应变1.弹性阶段在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。
弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp。
当应力稍低于A点时，应力与应变成线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用e表示。
弹性模量反映钢材的刚度，即产生单位弹性应变时所需要应力的大小。
2.屈服阶段当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上和B 下小范围内波动，而应变迅速增长。
在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段。
试件出现塑性变形，AB称为屈服阶段，B下所对应的应力值称为屈服极限σs。
钢材受力达到屈服强度后，变形即迅速发展，虽然尚未破坏，但已不能满足使用要求。
所以设计中一般以屈服强度作为钢材强度取值的依据。
对于在外力作用下屈服现象不明显的钢材，规定以产生残余变形为原标距长度0.2%时的应力作为屈服强度，用σ0.2表示，称为条件屈服强度。
3.强化阶段当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。
在σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。
对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb来表示，它是钢材所能承受的最大应力。
钢材屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比σs/σb），是评价钢材受力特征的一个参数，屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。
金属材料的力学性能(一)
（2）拉伸机
万能材料试验机
a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式
（3）拉伸试验
拉伸试验视频1
(a)试样
(b)伸长
(c)产生缩颈
(d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验视频1回顾
2、低碳钢拉伸曲线
OA＇ 弹性变形阶段 A＇ABC 屈服阶段 CD 强化阶段 DE 缩颈阶段
脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）
金属材料的力学性能又称为机械性能，是指金属
在外力作用下所反映出来的性能。 具体的说就是金属材料在受到拉伸、压缩、弯曲、 扭转、冲击、交变应力时，对变形与断裂的抵抗能力。
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为 变形。
外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。
外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
Fs s ( MPa) Ao
式中Fs——试样产 生屈服时所承受的最大 载荷，N ； Ao——试样原始截 面积，mm2。
对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没 有明显的屈服现象，无法确定其屈服强度。 国标GB228-2002规定，一般规定以试样产生 0.2%塑性变形时的应力作为该材料的屈服强度， 称为条件屈服强度，用σr0.2表示。
强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度
复习巩固
1、金属的力学性能包括哪些指标？ 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？
强度是金属材料在静载荷作用下，抵抗塑性 变形和断裂的能力。 强度指标主要有屈服极限和强度极限。
复习巩固
1、金属的力学性能包括哪些指标？ 2、什么是强度？衡量材料强度的指标是什么？ 3、设计零件主要依据哪种强度指标？
练一练：举几个日常生活中弹性变形和塑性变形的例子
金属材料的性能
金属材料的性能一、金属材料的物理性能和化学性能1. 金属的物理性能金属的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀、导热性、导电性和磁性等。
(1) 密度密度是指金属单位体积的质量，用ρ表示ρ=m Vm—金属质量(kg) V—金属体积(m3) ρ—金属密度(kg/m3)在实际应用中，常用金属密度来计算大型零件的质量，某些机械零件选材时必须考虑金属密度。
比如航空领域，密度是考虑的一个重要指标。
(2) 熔点金属由固态转变为液态是的温度称之为熔点。
纯金属都有固定的熔点。
熔点是制定热加工(冶炼、铸造、焊接)工艺规范的重要依据之一。
(3) 热膨胀性金属受热时，体积会增大，冷却时收缩，金属这种性能称之为热膨胀性。
热膨胀性能的大小可以用线膨胀系数或体膨胀系数来表示。
α1=l t−l0 l0Δtl0—线膨胀前的长度(cm)l t—线膨胀后的长度(cm)Δt—温度差(K或℃)α1—线膨胀系数(1/K)或(1/℃)从式中可以看出，线膨胀系数是指温度每升高一个单位，金属材料长度增量与原来长度的比值。
线膨胀系数不是一个固定不变的数值，它是随温度的升高而增大的。
体膨胀系数是线膨胀系数的3倍。
在实际工作中，应当考热膨胀的影响，例如铸造冷却时工件体积收缩，精密量具因温度变化二引起的读数误差等。
(4) 导热性金属传到热量的能力称为导热性。
金属导热性能较好。
这与其内部的自由电子有关。
金属导热能力的大小，常用导热率(导热系数)λ来表示。
热导率说明维持单位温度梯度(温度差)时，在单位时间内，流过物体单位横截面的热量，单位是W/(m·K)。
金属材料的导热率越大，说明导热性能越好。
一般来说，金属越纯，其导热能力越好。
导热性好的金属散热性能就越好，在制造散热器、热交换器等零件时，就要注意选用导热性能好的材料。
(5) 导电性金属能够传导电流的性能，称为导电性。
金属的导电性与其内部存在的自由电子有关。
金属导电性能的好坏，常用电阻率ρ来表示。
单位长度，单位截面积的物体在一定温度下所具有的电阻数叫电阻率，单位是Ω·m。
金属判断题(150题)
判断题1.金属材料的性能包括力学性能和工艺性能。
2.金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性、韧性及疲劳强度等。
3.硬度测定方法有压入法、划痕法及回弹高度法，其中划痕法的应用最为普遍。
4.疲劳强度是金属在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力值。
5.高碳钢的力学性能优于中碳钢，中碳钢的力学性能优于低碳钢。
6.钢与铸铁相比，化学成分中含碳量低、杂质元素少，所以力学性能差。
7.碳钢是指WC ≤2.11%，并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。
8.按钢的质量分类，可分为镇静钢、半镇静钢、沸腾钢，其中镇静钢的力学性能最好。
9.碳素钢含碳量越高，力学性能越好。
10.碳钢中常存杂质元素中的锰和硅是有益元素。
11.T8钢的碳的质量分数是WC≈0.80%。
12.由于T13钢中的碳的质量分数比T8钢高，因此T13钢的强度比T8钢高。
13.碳素工具钢一般具有较高的碳的质量分数。
14.碳素结构钢质量等级可分为A、B、C、D四级。
15.08钢的碳的质量分数是WC≈0.80%。
16.杂质元素磷对钢性能的危害主要是产生热脆。
17.T8A中的A，表示钢中硫、磷含量比T8中的少。
18.铸钢比铸铁的力学性能好，但铸造性能差。
19.热处理工艺过程由加热、保温、冷却三个阶段组成。
20.热处理不仅可以改变工件内部的显微组织，同时能改变工件的形状。
21.退火的目的是提高钢铁材料的硬度、塑性，改善切削加工性能及锻压加工性能。
22.表面热处理是为了改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行的热处理工艺。
23.刃具材料经过淬火后需低温回火。
24.只有造型、造芯是铸造生产中的重要工序、25.造型材料的优劣对铸件质量起到决定性的作用。
26.机器造型的紧砂方法以振实为主。
27.常用的机器造型起摸方法有顶箱、漏箱和翻转三种。
28.型芯的主要作用是用来获得铸件的内腔或作为铸件难以起摸部分的局部铸型。
29.大中型型芯的芯骨一般采用铁丝制成。
金属材料的性能
金属材料的性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。
●使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。
金属材料的使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等；●工艺性能是指金属材料在制造机械零件和工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。
工艺性能也是金属材料采用某种加工方法制成成品的难易程度，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。
一、金属材料的力学性能●金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力──应变关系的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。
●物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力。
●单位面积上的内力，称为应力σ(N/mm2)。
●应变є是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。
金属材料的力学性能主要有：强度、刚度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
（一）强度与塑性●金属材料在力的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。
●塑性是指金属材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。
金属材料的强度和塑性指标可以通过拉伸试验测得。
1．拉伸试验●拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力学性能的试验。
（1）拉伸试样。
拉伸试样通常采用圆柱形拉伸试样，分为短试样和长试样两种。
长试样L0=10d0；短试样L0=5d0。
a）拉断前 b）拉断后图1-5 圆形拉伸试样（2）试验方法。
2．力伸长曲线●在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量△L之间的关系曲线，称为力伸长曲线。
试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。
图1-7 退火低碳钢力伸长曲线3．强度指标金属材料的强度指标主要有:屈服点σs、规定残余伸长应力σ0.2、抗拉强度σb等。
（1）屈服点和规定残余延伸应力。
●屈服点是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。
金属材料的力学性能
3、FL 段：水平线（略有波动）明显的 塑性变形屈服现象，作用的力基本不变， 试样连续伸长。
4、FL-FM曲线：弹性变形+均匀塑性变形
5、M点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低， 拉伸力达到最大值，试样即将断裂。 6、K点：试件在缩颈处拉断
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§1-4 冲击韧度
一般来说，强度、塑性均好的材料，韧度值也高。在实 际工作中常见的是承受多次小能量冲击。对多次冲击 问题： •
•
1） 如果冲击能量低，冲击周次较多时，α KV主 要取决于材料的强度，强度高则冲击韧度较好；
2） 如果冲击能量高，则主要取决于材料的塑性， 材料塑性越高则冲击韧度较好。
1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）
原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面， 经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一 种压痕硬度试验。
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§1-3 硬度
2、洛氏硬度表示方法
洛氏硬度直接在符号前面写出硬度值。可从表盘上直接读出。
如：50HRC 3、优缺点
（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品、薄件（3）数据 不够准确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。
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§1-5 疲劳强度
1.5 一、概念
疲劳强度
什么是金属的疲劳？ 疲劳强度：在指定寿命下使试样失效的应力水平。
交变应力：大小和方向随时间作周期性变化的应力。 通常规定钢铁材料的循环基数取107，有色金属取108。
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§1-5 疲劳强度
金属的疲劳强度曲线
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S0:试件原横截面积。 S1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。
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1.1.4热膨胀性
在材料热加工过程中更要考虑其热膨胀行为，如
果表面和内部热膨胀不一致，就会产生内应力， 导致材料变形或开裂
常用金属的热膨胀系数为5×10-6～25×10-6/℃
1.1物理性能
1.1.5导电性
高压电线为什么用铝线而不用铜线？
金属一般具有导电性。 一般说导电性好的材料，其导热性也好。
因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变 形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力 越高，硬度值也就越高
1.3力学性能
2．强度
强度：在外力作用下钢材抵抗变形及
破坏的能力。
是衡量工件本身承载能力的重要指标。
万能拉伸试验机
拉伸试样
最常用的有抗拉强度和屈服强度。
强度
抗拉强度
符号 σb
屈服强度
在冲击载荷作用下钢材
抵抗破坏的能力。
韧性和塑性的区别？
相同强度下，塑性高的
金属韧性较好。
如何测定韧性？冲击试验
冲击试验机
5 疲劳
疲劳：： 材料或构件在长期交变载荷持续作用 下产生裂纹，直至失效或断裂的现象。 特点：突发性、低应力脆断
提高零件的疲劳强度的方法： 减小应力集中、表面加工、表面硬度强化 化学性能 力学性能 工艺性能
什么是金属？
光泽、不透明 导电性、导热性 正的电阻温度系数 固定熔点
1.1物理性能
1.1.1密度
密度是固定不变的值吗？
轻金属 一般指密度小于4.5克每立方厘米的金属 铝、镁、钾、钠 重金属 一般指密度大于4.5克每立方厘米的金属 铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、 银等
压痕面积大，测出值不受 可任意选载荷大 个别组成相及微小不均匀 小。可测定薄件 性的影响。试验数据稳定， 或薄层的硬度 重复性强 布氏硬度 维氏硬度 测定较为麻烦， 工作效率不高， 不宜用于成批生 产的常规检验 各种材料
缺点
压痕面积大，不宜在成品 上进行试验
适用材料
不太硬的材料
洛氏硬度测试方法
试验原理
1.1物理性能
1.1.2
熔点
金属一达到熔点就熔化吗？
金属开始融化的临界温度
合金的熔点低于纯金属
纯铁的熔点1538℃
钨 铁 铜 金
高
银
铝
锡
660 232 低
3410 1538 1083 1064 962
1.1物理性能
1.1.3导热性 金属传导热量的性能
合金的导热性比纯金属差
1.1物理性能
σs
定义 材料在拉伸 钢材在开始塑性变 断裂前所能 形时单位面积上所 能承受的拉力 够承受的最 大拉应力。 σb=Pb/A0 σS=PS/A0 计算 公式
应力-应变、载荷-变形曲线区别？
1.3力学性能
3．弹性与塑性
弹性
钢材在载荷作用下产生变形，一旦载荷消失仍能恢复原
状的性质。
塑性 当载荷消失后不能恢复原状，而仍保持变形状态的性质
1．4工艺性能
机械切削性能 铸造性能 锻造性能 焊接性
1．4工艺性能
1．4．1机械切削性能
切削加工金属材料的难易程度称为切削
加工性能。
影响切削加工性能的因素主要有工件的
化学成分、组织状态、硬度、塑性等。
1．4工艺性能
1．4．1机械切削性能
在生产中，可以采用以下措施改善材料的切
1．4．3锻造性能 金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而 不破裂的能力。
适于锤锻、轧制、拉拔、挤压等加工，具有良
好的可锻性
冲压成型不锈钢板制钢质地板的表面图案
1．4工艺性能
1．4．4焊接性
接合性能、使用性能 钢材焊接性能的好坏主要取决于它的化学组成。
而其中影响最大的是碳元素。
钢材的抗腐蚀性能
钢材抵抗各种介质侵蚀的能力
1.2化学性能
1.2.2抗氧化性能
钢材的抗氧化性能
在一定温度和介质条件下抵抗氧化的能
力
铁、铝哪个易氧化，哪个易腐蚀？
1.3力学性能
硬度 强度 弹性和塑性 韧性
1.3力学性能
1.硬度
衡量钢材软硬的一个指标
钢材抵抗其它更硬的材料压入的能力
银 铜 金 铝 锌 铁 铅
优 100 99 74 61 27 17 7.9 良
1.1物理性能
1.1.6 铁磁性
物质在磁场中受到力的作用，该物质就具有铁
磁性 与材料的成分和温度有关
1.2化学性能
1.2.1抗腐蚀性能
腐蚀
钢材在周围介质(大气、水蒸气、酸、碱、
盐等)的侵蚀作用下被破坏的现象
布氏硬度计
洛氏硬度计
维氏硬度计
硬度
布氏硬度 符号 压头 测量 优点 HB 淬火钢球或硬质合金球 负载/压痕面积 维氏硬度 HV 金刚石正四棱锥 负载/压痕面积 洛氏硬度 HR 金刚石圆锥体 压痕深度 操作简便迅速， 硬度值可在表盘 上直接读出；压 痕较小 洛氏硬度 数据代表性差载 荷大，不宜用来 测定极薄工件及 氮化层、金属镀 层的硬度 各种材料
塑性指标
延伸率 断面收缩率 弯曲角
符号
单位 测量 方法
δ
无 拉伸实验
Ψ
无 拉伸实验
α
角度 冷弯实验
计算 公式
(L-Lo)/Lo ×100%
(Fo-F)/Fo ×100%
出现第一条裂纹时的角度；如 果无裂纹时，一直弯曲到 180°，按照技术规范选取轴 的直径与试样厚度的比值。
1.3力学性能
4．韧性
削性：
1． 2.
通过适当的热处理，改善切削性 通过调整材料化学成分，改善切削性
1．4工艺性能
1．4．2铸造性能
铸造时的流动性、收缩性和偏析的倾向。 流动性好，则充满铸型的能力好 收缩性指钢材在冷却和凝固时钢材体积的收缩 把铸件在凝固后其化学成分的不均匀性称为偏析
1．4工艺性能
洛氏硬度是用规定的压头对试样先施加初试验力，接着再施
加主试验力，然后卸除主试验力，保留初试验力，用前后两 次初试验力作用下压头压入试样的深度差计算出的硬度值。
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测量金属硬度的意义
硬度试验简单易行
为了能用硬度试验代替某些力学性能试验，生产上需
要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。实践证明， 金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具 有近似的相应关系