第一章 金属材料性能
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拉伸试样
-
机拉 伸 试 验
刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹
性模量E(单位为MPa)。 E R e
弹性模量E：表征材料产生弹性变形的难易程度。弹 性模量在工程上称为材料的刚度。显然，在零件的结 构、尺寸已确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性 模量，可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高 零件的刚度。 弹性模量主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶 体材料的晶格类型、原子间距等，除随温度升高而逐 渐降低外，材料的其他强化手段如热处理、冷热加工、 合金化等对弹性模量的影响较小。
压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
-
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
-
维氏硬度计
• 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 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。
硬度。 • 材料的Rm与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: Rm(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢： Rm(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： Rm(MPa)≈1HB或 Rm(MPa)≈ 0.6(HB40)
-
洛氏硬度 • 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 • 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的
l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=5d0 时，伸长率用A表示； 当l0=10d0 时，伸长率用A11.3表示。显然 A11.3 > A
-
三、硬度
• 材料抵抗表面局部塑性变形 的能力。
• 布氏硬度HBW
HBW
2F
gD(D D2d2)
布 氏 硬 度 计
-
布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写数值 而不标出单位，硬度值越高，表明材料越硬。
布氏硬度的表示方法：硬度值写在符号HBW之 前，符号之后按下列顺序用数值表示试验条件：①球 体直径（mm）；②试验力（Kgf）；③力保持时间 （s），如600HBW 1/30/20。
布氏硬度压痕
-
• 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。 • 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的
-
金属材料的力学性能:指金属材料在外力作用时表 现出来的性能。外力（载荷）形式主要有：拉伸、 压缩、弯曲、剪切、扭转等；常用的力学性能指标 有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等
-
一、弹性和刚度
图1-2 退火低碳钢的拉伸曲线 弹性：指标为弹性极限Re ，即材料承受最大弹性变 形时的应力。
-
低碳钢的应力-应变曲线
第一章 金属材料性能
• 第一节 金属材料的力学性能 • 第二节 材料的物理、化学性能和工艺
性能
-
• 金第属材一料具节有良金好的属各材项性料能。的为了力合学理地性使用能和加工
金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。 • 使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应
具备的性能，他决定了金属材料的应用范围，使用的可 靠性和寿命。包括力学（机械）性能、物理性能、化学 性能。 • 工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性 能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻 造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。
• sm段均匀塑性变形阶段， 应力随着应变增加而增加，
• 产生应变强化。超过m点后，试样开始发生局部塑性 变形，即出现颈缩，随应变增加应力明显下降，并在E
点迅速断裂。m点所对应的应力为抗拉强度Rm
抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设
计的材料评价的重要指标。
-
2 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能
-
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
-
二、强度与塑性
1 强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
屈服强度Re：材料发生微量塑性变形时的应力值。
Re
FS S0
S点附近，发生 塑性变形增加 而应力不增加， 这种现象叫做 屈服。S点对应 的应力称为屈 服强度。
-
• 规定塑性延伸强度Rp： 由于有很多材料的拉伸
Rp
Fp S0
曲线上没有明显的屈服
称为疲劳极限。用R-1表示。 • 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
-
金属的疲劳极限受到很多 因素的影响，主要有工作 条件、表面状态、材质、 残余内应力等。改善零件 的结构形状，避免应力集 中，降低零件表面粗糙度 值以及采取各种表面强化 的方法，都能提高零件的 疲劳极限 。
1-疲劳源、2-疲劳裂纹 扩展区和3-瞬时断裂区 疲劳断口示意图
标尺为A、B、C。
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
-
• 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 钢球压头与
硬质合金、表淬层和渗碳层。 金刚石压头 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。 洛氏硬度的优点：操作简便，
• 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
度小 计负
荷 维 氏 硬
-
四、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷 作用而不破坏的能力。
指标为冲击吸 收能量AKU或 AKV(通过冲击 实验测得)。
-
五、疲劳和断裂韧性
• 材料在低于Re的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 • 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力
点，无法确定屈服极限，
一般工程上以0.2%塑性
变形时的应力值为该材
料的规定塑性延伸强度，
以 Rp0.2表示。
特别注意：屈服强度反映材料 抵抗永久变形的能力，是最重
要的零件设计指标。
-
•
•
抗试样拉拉强断度前R最m大：载R荷m 所 决FSm0定
的应力值，即试样所能承受
的最大载荷除以试样原始横
截面积，单位为MPa
力。
Alu l0 10% 0
l0
现拉
断后延伸率 A：
象伸
断面收缩率 Z： ZS0 Su 10% 0
试 样
S0
的
颈
缩
断裂后
-
• 说明： • ① 用断面缩率表示塑性比断后伸长率更
接近真实变形。 • ② A>Z 时，无Βιβλιοθήκη Baidu缩，为脆性材料
A<Z 时，有颈缩，为塑性材料 • ③ 表征直径d0 相同时，l0，A。只有当
-
机拉 伸 试 验
刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹
性模量E(单位为MPa)。 E R e
弹性模量E：表征材料产生弹性变形的难易程度。弹 性模量在工程上称为材料的刚度。显然，在零件的结 构、尺寸已确定的前提下，其刚度取决于材料的弹性 模量，可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高 零件的刚度。 弹性模量主要取决于材料内部原子间的作用力，如晶 体材料的晶格类型、原子间距等，除随温度升高而逐 渐降低外，材料的其他强化手段如热处理、冷热加工、 合金化等对弹性模量的影响较小。
压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
-
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
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维氏硬度计
• 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 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。
硬度。 • 材料的Rm与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: Rm(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢： Rm(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： Rm(MPa)≈1HB或 Rm(MPa)≈ 0.6(HB40)
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洛氏硬度 • 洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002 • 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的
l0/d0 为常数时，塑性值才有可比性。 当l0=5d0 时，伸长率用A表示； 当l0=10d0 时，伸长率用A11.3表示。显然 A11.3 > A
-
三、硬度
• 材料抵抗表面局部塑性变形 的能力。
• 布氏硬度HBW
HBW
2F
gD(D D2d2)
布 氏 硬 度 计
-
布氏硬度的单位为N/mm2，但习惯上只写数值 而不标出单位，硬度值越高，表明材料越硬。
布氏硬度的表示方法：硬度值写在符号HBW之 前，符号之后按下列顺序用数值表示试验条件：①球 体直径（mm）；②试验力（Kgf）；③力保持时间 （s），如600HBW 1/30/20。
布氏硬度压痕
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• 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。 • 适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的
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金属材料的力学性能:指金属材料在外力作用时表 现出来的性能。外力（载荷）形式主要有：拉伸、 压缩、弯曲、剪切、扭转等；常用的力学性能指标 有：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等
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一、弹性和刚度
图1-2 退火低碳钢的拉伸曲线 弹性：指标为弹性极限Re ，即材料承受最大弹性变 形时的应力。
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低碳钢的应力-应变曲线
第一章 金属材料性能
• 第一节 金属材料的力学性能 • 第二节 材料的物理、化学性能和工艺
性能
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• 金第属材一料具节有良金好的属各材项性料能。的为了力合学理地性使用能和加工
金属材料，必须了解其使用性能和工艺性能。 • 使用性能：指各个零件或构件在正常工作时金属材料应
具备的性能，他决定了金属材料的应用范围，使用的可 靠性和寿命。包括力学（机械）性能、物理性能、化学 性能。 • 工艺性能：指金属材料在冷、热加工过程中应具备的性 能，它决定了金属材料的加工方法。包括铸造性能、锻 造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。
• sm段均匀塑性变形阶段， 应力随着应变增加而增加，
• 产生应变强化。超过m点后，试样开始发生局部塑性 变形，即出现颈缩，随应变增加应力明显下降，并在E
点迅速断裂。m点所对应的应力为抗拉强度Rm
抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设
计的材料评价的重要指标。
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2 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能
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疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
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二、强度与塑性
1 强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
屈服强度Re：材料发生微量塑性变形时的应力值。
Re
FS S0
S点附近，发生 塑性变形增加 而应力不增加， 这种现象叫做 屈服。S点对应 的应力称为屈 服强度。
-
• 规定塑性延伸强度Rp： 由于有很多材料的拉伸
Rp
Fp S0
曲线上没有明显的屈服
称为疲劳极限。用R-1表示。 • 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
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金属的疲劳极限受到很多 因素的影响，主要有工作 条件、表面状态、材质、 残余内应力等。改善零件 的结构形状，避免应力集 中，降低零件表面粗糙度 值以及采取各种表面强化 的方法，都能提高零件的 疲劳极限 。
1-疲劳源、2-疲劳裂纹 扩展区和3-瞬时断裂区 疲劳断口示意图
标尺为A、B、C。
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
-
• 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 钢球压头与
硬质合金、表淬层和渗碳层。 金刚石压头 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。 洛氏硬度的优点：操作简便，
• 维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
度小 计负
荷 维 氏 硬
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四、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷 作用而不破坏的能力。
指标为冲击吸 收能量AKU或 AKV(通过冲击 实验测得)。
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五、疲劳和断裂韧性
• 材料在低于Re的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 • 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力
点，无法确定屈服极限，
一般工程上以0.2%塑性
变形时的应力值为该材
料的规定塑性延伸强度，
以 Rp0.2表示。
特别注意：屈服强度反映材料 抵抗永久变形的能力，是最重
要的零件设计指标。
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抗试样拉拉强断度前R最m大：载R荷m 所 决FSm0定
的应力值，即试样所能承受
的最大载荷除以试样原始横
截面积，单位为MPa
力。
Alu l0 10% 0
l0
现拉
断后延伸率 A：
象伸
断面收缩率 Z： ZS0 Su 10% 0
试 样
S0
的
颈
缩
断裂后
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• 说明： • ① 用断面缩率表示塑性比断后伸长率更
接近真实变形。 • ② A>Z 时，无Βιβλιοθήκη Baidu缩，为脆性材料
A<Z 时，有颈缩，为塑性材料 • ③ 表征直径d0 相同时，l0，A。只有当