1—1金属材料的性能
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
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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
2018/10/5
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
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，
1.金属材料的性能
课外小知识： 1、金属的特性(密度、熔点、硬度等)
物理性质 物理性质比较
银 铜 金 铝 锌 铁 铅 100 99 74 61 27 17 7.9（良） （优） 铅 银 铜 铁 锌 铝 （小） 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70 金 银 1064 962 金 铝 660 铝 锡 232（低） 铅
1.1金属材料的物理性能和化学性能
载荷是指零件或构件工作时所承受的 外力。 载荷的分类: 不随时间变化或变化较缓慢的载荷 称为静载荷， 如重力，锅炉中的压力，螺栓拧紧后 载 荷 受到的拉力; 随时间变化的栽荷称为冲击载荷， 如内燃机活塞杆受到的力，机器中的 齿轮受到的力等。 在工作过程中受到大小、方向随时 间呈周期性变化的载荷作用，这种载 荷称为交变载荷。 有许多机械零件，如轴、齿轮、连杆 和弹簧等，
1 耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他 化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀 性。 常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。 2 抗氧化性 金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧 化性。 金属材料在加热时，氧化作用加速，
3 化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗 氧化性的总称。 热稳定性 金属材料在高温下的化学 稳 定性。 制造在高温下工作的零件的 金属材料，要有良好的热稳定性。
一、金属材料的物理性能
2.熔点 定义 金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔 点。熔点一般用摄氏温度（℃）表示。各种金属都有 其固定熔点。如铅的熔点为323 ℃，钢的熔点为１５ ３８ ℃。 分类 低熔点金属——熔点低于 １０００ ℃， 中熔点金属——熔点在１０００～２０００ ℃， 高熔点金属——熔点 高于２０００ ℃。
1金属材料的种类与力学性能
第一讲金属材料的种类与力学性能于文强讲授各类机电产品，大多是由种类繁多、性能各异的工程材料通过加工制成的零件构成的。
工程材料分金属材料、非金属材料以及复合材料，其中金属材料是工程中应用最广泛的。
一.金属材料的种类金属材料是以过渡族金属为基础的纯金属及其含有金属、半金属或非金属的合金。
由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的加工方法制成零件，因此金属材料是目前应用最广泛的材料。
工业上通常把金属材料分为两大类：一类是黑色金属，它是指铁、锰、铬及其合金，其中以铁为基的合金——钢和铸铁应用最广，占整个结构和工具材料的80%以上；另一类是有色金属，它是指黑色金属以外的所有金属及其合金。
这两类材料还可进一步细分为图1.1所示的系列。
金属材料黑色金属有色金属白口铸铁灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁特殊性能铸铁合金钢铸铁钢碳素钢轻金属（密度小于3.5g/cm2）：如铝、镁、钠、钙重金属（密度大于3.5g/cm2）：如铜、镍、锡、铅、锌贵金属：如金、银、铂、铑、铱稀有金属：如锆、铪、铌、钽、铍、铯、钛稀土金属：如钕、钪、钇放射性金属：如镭、铀、钍图1.1 不同系列的金属材料二. 金属材料的性能金属材料的性能包括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应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。
工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：冶炼、铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
1.力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。
这些性能是机械设计、材料选择、工艺评定及材料检验的主要依据。
1）强度材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。
根据外力的作用方式，材料的强度分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。
金属材料的力学性能指标
金属材料的力学性能指标金属材料是工程中常用的材料之一，其力学性能指标对于材料的选择和设计具有重要意义。
力学性能指标是评价金属材料力学性能的重要依据，主要包括强度、韧性、塑性、硬度等指标。
下面将对金属材料的力学性能指标进行详细介绍。
首先，强度是评价金属材料抵抗外部力量破坏能力的指标。
强度可以分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
其中，屈服强度是材料在受到外部力作用下开始产生塑性变形的应力值，抗拉强度是材料在拉伸状态下抵抗破坏的能力，抗压强度是材料在受到压缩力作用下抵抗破坏的能力。
强度指标直接影响着材料的承载能力和使用寿命。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性指标包括冲击韧性、断裂韧性等。
冲击韧性是材料在受到冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，断裂韧性是材料在受到静态载荷作用下抵抗破坏的能力。
韧性指标反映了材料在受到外部冲击或载荷作用下的抗破坏能力，对于金属材料的使用安全性具有重要意义。
再次，塑性是材料在受力作用下产生塑性变形的能力。
塑性指标包括伸长率、收缩率等。
伸长率是材料在拉伸破坏前的延展性能指标，收缩率是材料在受力破坏后的收缩性能指标。
塑性指标直接影响着金属材料的加工性能和成形性能，对于金属材料的加工工艺和成形工艺具有重要影响。
最后，硬度是材料抵抗划伤、压痕等表面破坏的能力。
硬度指标包括洛氏硬度、巴氏硬度等。
硬度指标反映了材料表面的硬度和耐磨性能，对于金属材料的耐磨性和使用寿命具有重要意义。
综上所述，金属材料的力学性能指标是评价材料性能的重要依据，强度、韧性、塑性、硬度等指标直接影响着材料的使用性能和工程应用。
在工程设计和材料选择中，需要根据具体的工程要求和使用环境，综合考虑各项力学性能指标，选择合适的金属材料，以确保工程的安全可靠性和经济性。
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。
金属加工与实训题一
一、填空题（60分）1.金属材料的性能的性能包括和2.力学性能包括3.圆柱形拉伸试样分为4.低碳钢拉伸试样从开始到断裂要经过、、四个阶段。
5.金属材料的强度指标主要有和6.金属材料的塑性指标主要有和7.硬度测定方法有、、8.夏比摆锤冲击试样有9.载荷的形式一般有载荷和10.钢铁材料的循环基数为为。
11.提高金属疲劳强度的方法有。
12.50HRC表示用“C”标尺测定的13.150HRW10/1000/30表示用压头直径为的硬质合金球，在试验力作用下，保持时测得的布氏硬度值为。
14.金属材料的工艺性能包括二、判断题（25分）1.金属的工艺性能是指金属在各种加工中所表现出的性能。
（）2.金属的力学性能是指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。
（）3.拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。
（）4.屈服现象是指拉伸过程中拉伸力达到Fs时，拉伸力不增加，变形量却继续增加的现象。
（）5.拉伸试样上标距的伸长量与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，用符号A表示。
（）6.现有标准圆形截面长试样A和短试样B，经拉伸试验测得δ10、δ5均为25%，表明试样A的塑性比试样B好。
( )7.常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
（）8.做布氏硬度试验，当试验条件相同时，压痕直径越小，则材料的硬度越低。
（）9.洛氏硬度值是根据压头压入被测材料的的深度来确定的。
（）10.洛氏硬度HRC测量方便，能直接从刻度盘上读数，生产中常用于测量退火钢、铸铁和有色金属件。
（）11.一般来说，硬度高的金属材料耐磨性也好。
（）12.韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。
（）13.金属的使用性能包括力学性能、物理性能和铸造性能。
( )14.拉伸试验中拉伸力和伸长量的关系曲线称为力一伸长曲线，又称为拉伸曲线。
（）15.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。
（）16.韧性的大小通常通过小能量多次冲击试验来测定。
第一章 金属材料的力学性能
Fb σb= S0
四、塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 δ和断面收缩率 Ψ 塑性的衡量（塑性指标）：伸长率 和断面收缩率 ）：
1）伸长率（ δ ） ）伸长率（ 伸长率是指试样拉断 后标距增长量与原始 标距的百分比，即： 标距的百分比，
lk-l0 δ=
×100%
l0
lk——试样拉断后的标距 试样拉断后的标距,mm; 试样拉断后的标距 l0——试样的原始标距 。 试样的原始标距,mm。 试样的原始标距
第一章 金属材料及热处理基础知识
应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 应用于各种工程领域中的材料，如在机械工业中，建筑及桥 于各种工程领域中的材料 等等， 统称为工程材料。 梁中，等等，——统称为工程材料。 统称为工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料 用来制造各种机电产品的材料， 称为机械工程材料 其中用来制造各种机电产品的材料，——称为机械工程材料 称为机械工程材料. 主要包括： 主要包括： 1）金属材料：钢，铸铁，铜及铜合金，等等。 铸铁，铜及铜合金，等等。 ）金属材料： 2）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 ）非金属材料：塑料，橡胶，工业陶瓷，等等。 3）复合材料：由两种或两种以上性质不同的材料复合而成的 ）复合材料： 多相材料。 多相材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 金属材料是制造机器的最主要材料。 是制造机器的最主要材料 1、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 、金属材料按含金属元素数量的多少分为： 1）纯金属 一种金属 一种金属). ）纯金属(一种金属 2）合金（以一种金属为基 其他金属或非金属） 其他金属或非金属） ）合金（以一种金属为基+其他金属或非金属
刚度、强度、 第一节 刚度、强度、塑性
刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 塑性是根据拉伸试验 刚度、强度、弹性和塑性是根据拉伸试验测定出 来的。 来的。 一、拉伸试验与拉伸曲线 1、拉伸试样 试验前在试棒上打出标距 试验前在试棒上打出标距 按国标规定标准拉伸试样可分为： 按国标规定标准拉伸试样可分为： 板形试样： １) 板形试样：原材料为板材或带材 圆形试样：长试样L 短试样L ２) 圆形试样：长试样L0＝10d0，短试样L0=5d0 其中： 为试样标距， 其中：L0为试样标距，d0为试样直径
金属材料与热处理 第三版 模块一 金属的力学性能
金属的物理性能
5.热膨胀性 ✓ 热膨胀性是指固态金属在温度变化时热胀冷缩的能力，在工程上常用线膨胀系数来
表示，符号为α1
式中 α1 ——线膨胀系数(1/K); L0 ——材料的原始长度(mm); L1 ——材料从T0温度加热到T1温度后的长度(mm); T0——原始温度(K); T1 ——加热后的温度(K)。
感性、回火脆性、氧化脱碳倾向等。
强度与塑性
强度与塑性
低碳退火钢拉伸曲线分析 ✓ 第1阶段：弹性变形阶段（oa） 在
此阶段中应力-延伸率成直线关系， 加力时产生变形，卸力后变形能完 全恢复拉伸曲线oa阶段的斜率(R/e) 为试验材料的弹性模量（E）。弹 性模量表示金属材料对弹性变形的 抵抗能力，也叫材料的刚度。 ✓ 第2阶段：滞弹性变形阶段（ab） 这阶段中应力-延伸率出现了非直 线关系，当力加到b点时卸除力， 变形仍可回到原点
金属的工艺性能
所谓工艺性能，是指金属材料适应各种加工工艺的能力。金属的工艺性能包括 铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性等。
1．铸造性能 ✓ 材料适于铸造加工的性能称为铸造性能。衡量铸造性能的指标有流动性、收缩
性和偏析倾向等。 ✓ 凡是流动性好、收缩性小以及偏析倾向小的金属材料，其铸造性能良好，容易
别是对焊接的工艺性和焊接质量有较大影响。 1.密度 ✓ 密度是单位体积物质的质量，用符号ρ表示，单位为kg/m3。计算公式
为
金属的物理性能
✓ 密度是金属材料的特性之一。不同金属的密度不同。按密度的大小， 将金属分为轻金属与重金属两类。密度小于5×103 kg/m3 的金属称为 轻金属,如铝、镁、钛等及其合金;密度大于5×103 kg/m3的金属称为 重金属,如铁、铜、锡、铅等及其合金。
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
1金属材料的力学性能
金属工艺学•什么叫金属工艺学？金属工艺学是一门研究有关制造金属机件的工艺方法的综合性技术学科。
它主要研究：各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；常用金属材料性能对加工工艺的影响；工艺方法的综合比较等。
•机械制造的基本工程1、产品设计总体设计零部件设计决定功能选用材料决定尺寸及结构细节定出技术要求绘出图纸2、工艺准备决定生产方案制定工艺规程与工艺卡设计并制造工艺装备3、毛坯生产铸件、锻件、冲压件、焊接件、棒料、非金属材料、毛坯等。
4、切削加工粗加工、半精加工、精加工、外构件、外协件5、装配与调试组件装配、部件装配、总装、调试6、装箱出厂•机械制造的经济性原则材料成本、工时成本直接成本、间接成本生产成本、利润、税金•现代先进加工工艺1、采用物化知识的职能来代替人，使人从直接参加生产劳动变为主要负责控制生产。
2、采用先进工艺和高效专用设备，使工艺专业化。
3、机械加工技术柔性化，大量采用信息技术和计算机技术。
•材料是可以直接制成成品的东西,如木料、石料、金属材料等。
•工业生产中所使用的材料属于工程材料，主要包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。
•金属材料是现代制造机械的最主要材料。
•金属材料以合金为主，很少使用纯金属。
合金是以一种金属为基础，加入其它金属或非金属，经过熔炼、烧结或其它方法制成的具有金属特性的材料。
最常用的合金，有以铁为基础的铁碳合金；有以铜或铝为基础的铜合金和铝合金。
•用来制造机器零件的金属或合金应具有如下性能：1、优良的工艺性能，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机加工性能等。
2、较好的使用性能，包括物理性能、化学性能、力学性能等。
§1-1 材料的性能材料的性能以金属材料为例包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能等。
一、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性能。
金属加工与实训题一
一、填空题（60分）1.金属材料的性能的性能包括和2。
力学性能包括3.圆柱形拉伸试样分为4。
低碳钢拉伸试样从开始到断裂要经过、、四个阶段。
5.金属材料的强度指标主要有和6。
金属材料的塑性指标主要有和7.硬度测定方法有、、8。
夏比摆锤冲击试样有9。
载荷的形式一般有载荷和10。
钢铁材料的循环基数为为。
11.提高金属疲劳强度的方法有。
12。
50HRC表示用“C”标尺测定的13。
150HRW10/1000/30表示用压头直径为的硬质合金球，在试验力作用下，保持时测得的布氏硬度值为。
14。
金属材料的工艺性能包括二、判断题(25分)1.金属的工艺性能是指金属在各种加工中所表现出的性能.（）2.金属的力学性能是指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。
( ）3.拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。
（）4。
屈服现象是指拉伸过程中拉伸力达到Fs时,拉伸力不增加，变形量却继续增加的现象。
（)5.拉伸试样上标距的伸长量与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，用符号A表示。
（）6。
现有标准圆形截面长试样A和短试样B,经拉伸试验测得δ10、δ5均为25％，表明试样A的塑性比试样B好。
（)7.常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
（)8.做布氏硬度试验，当试验条件相同时，压痕直径越小,则材料的硬度越低。
（）9。
洛氏硬度值是根据压头压入被测材料的的深度来确定的。
（）10.洛氏硬度HRC测量方便，能直接从刻度盘上读数，生产中常用于测量退火钢、铸铁和有色金属件。
（）11.一般来说，硬度高的金属材料耐磨性也好。
( ）12。
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。
（)13。
金属的使用性能包括力学性能、物理性能和铸造性能。
( ）14。
拉伸试验中拉伸力和伸长量的关系曲线称为力一伸长曲线，又称为拉伸曲线.（）15.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.( )16.韧性的大小通常通过小能量多次冲击试验来测定。
《工程材料与加工基础(第2版)》电子教案 1.金属材料的性能
三． 韧性指标
冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。
思考题
将钟表发条拉成一直线，问 这是弹性变形还是塑性变形？ 怎样判断它的变形性质？
定金属强度的重要指标之一。
３．塑性指标：
塑性：材料产生永久变形而又不断裂的能力.
材料塑性的好坏可用伸长率和断面收缩率来
衡量。
（１）伸长率： δ＝
l1 l0 l0
Χ１００％
（２）断面收缩率：ψ＝
S0 S1 S0
Χ１００％
二：硬度指标
硬度是指材料表面抵抗更硬物体压入的能力。 硬度是 衡量材料软硬程度的一种性能指标。
常用•常测用量测方量法硬有度：的方法 布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HV
１．布氏硬度
（１）原理：压入法 （ ２）表示方法：
HBS（ <450 淬火钢球压头）; HBW（≥450硬质合金压头）
布氏试验机
（３）特点及应用：
◆ 数据准确，可近似估算σb： ◆ 压痕较大，易损坏成品表面不能测较薄件 ◆ 常用于测量退火正火调质钢件及有色金属
金属的力学性能
指金属材料在外力作 用下（拉伸、压缩、弯曲、扭 转、冲击等）所表现的抵抗 能力。包括金属的强度、 塑性、硬度及疲劳强度等。
静载荷
载荷
冲击载荷
交变载荷
一、 强度和塑性：
1：拉伸试验与拉伸曲 线：
(1) 拉伸试样：
长试样（L0=10d0）; 短试样（L0=5d0）
拉伸过程
拉
伸
试
样
颈缩的 颈 缩
现象现 象
拉伸试验机
（3）拉伸曲线：
Fe:试样保持弹性变形 的最大拉伸力。
Fs:屈服现象。 b点：颈缩现象。 K点：断裂现象。
1金属材料的性能分析
b k
断裂
s Fs Fb
弹 性 变 形
O
e
L
强度(strength): 材料在力的作用下抵抗 变形和破坏的能力。 (1)种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。 (2)屈服强度( yield strength): 屈服点 S
Fs
σs =
S0
试样屈服时的载荷( N ) ( M pa ) 试样原始横截面积( mm )
第1章
金属材料的性能
力学性能
材 使用性能 物理性能 料 化学性能 的 铸造性能 性 工艺性能 压力加工性能 能 切削加工性能
热处理性能
力学性能
定义 : 是指金属材料在外力的作用 下所表现出来的抵抗能力。
主要指标： 强度
力 学 性 能
塑性
硬度
韧性 疲劳
强度 塑性
拉伸试验
拉伸试验
拉伸试验机
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。
(二)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )
观看洛氏硬度
1.压头：
HRA 120º金刚石圆锥体钢球 钢球 HRB HRC
2.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。
硬度
韧性 疲劳
塑性(plasticity):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(percentage reduction in area): 是指试样拉断处横截面积S 1 的收缩量与原始横截面积S0之比。
1-金属材料的性能(SK)-精简
块 一 金
——残余伸长量达到规定原始标距百分比时的应力。用符 号Rp表示，常用Rp0.2（旧：σ0.2） 。
属
材 ReL 料 的
Rp0.2
Fp0.2 S0
性 能
Fp0.2—试样发生屈服时最小载荷（N）; S0—试样的原始横截面积（mm2）。
Rp0.2用于无明显屈服现象的塑性 金属材料。
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块 一
低碳钢拉伸曲线：
金
属 oe——弹性变形阶段
材 料
es——屈服阶段
的 sb——均匀塑性变形阶段
性 能
（强化阶段）
k——缩颈阶段
低碳钢拉伸曲线
※oe的斜率即为材料的弹性模量E，又称材料的刚度。
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模 块 一
金
属
材
料 的
屈服——载荷基本不变而试样继续伸长的现象。
性
能 ※※屈服的产生标志着材料产生明显的塑性变形
缩颈——载荷达到最大值后，试样的局部截面急剧 缩小的现象。
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有些材料并无（或无明显）屈服阶段。几种钢的拉
模 伸曲线比较、铸铁的拉伸曲线如图: 块 一 金 属 材 料 的 性 能
几种钢的拉伸曲线比较
铸铁的拉伸曲线
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（二）强度
模 块
1.概念
模 项目
块 一
布氏 硬度
金
属 材 料
洛氏 硬度
的
性
能
维氏 硬度
优点
缺点
测得的硬度值 较稳定、准确
对金属表面的损伤 较大，且效率较低
操作简单迅速， 数据不够稳定和准
金属材料的种类、特质和性能有哪些？
金属材料的种类、特质和性能有哪些？【1】概述金属材料是指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。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料）1.1意义:人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
1.2种类:金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
（1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
（2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
（3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
1.3性能:一般分为工艺性能和使用性能两类。
所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。
金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。
由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。
所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。
金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。
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拉伸（或压缩）载荷
剪切载荷
扭转载荷
弯曲载荷
载荷的作用形式
2．变形
变形——金属材料在载荷作用下会产生几何形 状和尺寸的变化。
弹性变形（载荷卸掉时，可以恢复原来形状或 尺寸的变形） 变形 塑性变形（载荷卸掉时，不能恢复原来形状或 尺寸的变形，又称为永久变形）
弹性变形与塑性变形
3．应力
内力——金属受外力作用时，为保持其不变形， 在材料内部作用着与外力相对抗的力。
Re
N/mm2 （Mpa）
拉伸时，力不断增加（保持 恒定）试样仍能继续伸长时的 应力
強
度 抗拉强度
Rm
N/mm2 试样拉断前所承受的最大应 （Mpa） 力
条件屈服 应力
Re0.2
N/mm2 规定残余伸长率达0.2%时的 （Mpa） 应力
断后伸长 率
A
塑性
断面收缩 率
Z
试样拉断后，标距的伸长量 % 与原始标距的百分比。A越大，
车削加工
6．热处理工艺性
热处理工艺性——金属材料适应各种热处理工艺的 能力。
材料工艺性能对机械零件选材的影响
工艺性能的好坏直接 影响零部件的质量、生产 效率和成本。当工艺性能 与使用性能相矛盾时，有 时往往从工艺性能考虑， 不得不放弃某些使用性能 合格的材料。工艺性能成 为选择材料的主导因素。 工艺性能对大批量生产的 零部件尤为重要。
试中 Fm ——试样拉断前承受的最大载荷， N。
2．塑性
塑性——金属材料受力后在断裂前产生永久变形 的能力。
（1）断后伸长率A
试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百
分率。
A = L1－ L0 ×100% L0
式中L1——试样拉断后紧密对接的标距，mm； L0——试样原始标距，mm。
（2）断面收缩率Z
另外，工厂生产的零件，硬度值都比较标准， 因此用新旧零件相比较也是保证判断准确的一种简 便办法。
细平锉
洛氏硬度原理
（3）维氏硬度HV
通过测量压痕对 角线长度来确定 硬度值
维氏硬度计
4．冲击韧性
冲击韧性——金属材料抵抗冲击载荷作用而不 破坏的能力。
衡量指标为冲击韧度，用符号 ak表示，单位为J/cm2。 材料的冲击韧性用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。
冲击实验
冲击试验设备
5．疲劳强度
在工程中有许多构件是在交变载荷的作用下工作的， 虽然承受的应力低于材料的屈服强度，但经过较长时间 的工作后会突然发生完全断裂，此现象称为金属的疲劳。
用载荷除以压痕表面积所得的商作为
维氏硬度 HV
硬度值。根据压痕对角线长度来衡量硬 度，一般用于表面薄硬层及化学热处理
的表面层
冲击韧 性
冲击韧度
ak
J/cm
2
冲击试样缺口处单位面积上的冲击吸 收功。 ak
越大，材料的冲击韧性越好
疲劳强 度
疲劳极限
R－1
MPa
金属材料承受无数次(一般为107周次) 对称循环交变应力仍不断裂的最大应力。
材料的塑性越好
试样拉断后，缩颈处横截面 % 积缩减量与原始横截面积的百
分比。Z越大，材料的塑性越好
（转下页）
性能指标 力学性
能 名 称 符 单位 号
说明
用载荷除以压痕球形面积所得的商作
布氏硬度 HB
为硬度值。根据压痕直径来衡量硬度， 一般用于硬度不高的材料
硬 度 洛氏硬度 HR
根据压痕深度来衡量硬度，HRC应用 最广，一般经过淬火的钢件(20～ 67HRC)
解题过程
例1-2：有一个直径d0=10mm, L0=100mm的低碳 钢试样，拉伸试验时测得Fe=21000N，Fm =29000N， d1 =5.65mm，L1=138mm。求此试样的ReL、 Rm 、A、 Z。
解题过程
αK
常用的力学性能指标及其说明
力学性
性能指标
能 名 称 符号 单位
说明
屈服强度
机械零件的失效和材料的力学性能
螺栓弯曲
螺栓折断 螺栓的失效
螺栓磨损
数控机床护罩 模压成形 的餐具
可转位式刀 具的刀片
冲模冲头
材料的力学性能在生活和生产中的体现
例1-1：某厂购进一批40钢钢材，按国家规定， 它的力学性能指标应不低于下列数值：下屈服强度 ReL ，340N/mm2；抗拉强度Rm，540N/mm2；断后伸 长率A，19%；断面收缩率Z，45%。验收时，将40钢 制成d0=10mm的短试样作拉伸试验，测得FeL=30000N， Fm=45000N，L1=60.5mm、d1 =7.3mm。请判断这批 钢材是否合格（得数保留整数）。
4．冷弯性
冷弯性——钢材在冷加工发生塑性变形时，对产 生裂缝的抵抗能力。
测定冷弯性通常是用试验方法来检验钢材承受 规定弯曲程度的弯曲变形性能。
5．切削加工性
切削加工性——金属材料 经切削加工后成为合格工件的
难易程度。切削加工性常用加
工后工件的表面粗糙度、允许
的切削速度以及刀具的磨损程 度来衡量。
应力（R）——单位面积上的内力。
R
=
F S
（N/mm2或MPa）
二、金属材料的力学性能
金属材料在外力作用下表现出来的性能称为金 属材料的力学性能。
衡量金属材料力学性能的指标： 强度 塑性 硬度 冲击韧性 疲劳强度
1．强度
强度——金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形 或断裂的能力。衡量指标为屈服强度和抗拉强度， 通常采用拉伸试验测定。
三、金属材料的工艺性能
金属材料的一般加工过程：
铸件
机加工
冶炼→铸造 铸 热锻
机加工 焊接
零
锭
热轧→板型料材、、棒管材材、
机加工 冷轧、冷拔、冷冲
件
金属材料的工艺性能——金属材料对不同加工工 艺方法的适应能力。它包括铸造性、锻造性、切削加 工性和焊接性、热处理性等。
金属材料的工艺性能：
1．铸造性 2．可锻性 3．焊接性 4．冷弯性 5．切削加工性 6．热处理工艺性
镗床顶尖
用锉刀判断硬度
用长150～200 mm、八成新的细平锉，锉削 被检验零件。若双手感觉有明显阻力，且有较多的 碎末被锉下来，零件的硬度约为40HRC；若双手感 觉不到有明显阻力，且锉刀在零件表面有些打滑， 没有碎末被锉下来，零件的硬度约为45HRC；若锉 刀在零件表面打滑，且没有碎末被锉下来，零件的 硬度为50HRC以上。
1．铸造性
铸造性—— 指金属材料用铸 造的方法获得优 良铸件的能力。 金属材料的铸造 性主要包括流动 性、收缩性和偏 析倾向等。
砂型铸件的生产过程
（1）流动性
液态金属充满型腔的能力。
（2）收缩性
铸件在凝固和冷却时体积收缩
的能力。 （3）偏析倾向
缩孔和缩松
指金属凝固后铸件内部化学成分和组织的不均
匀性。
§1—1 金属材料的性能
1．掌握金属材料的力学性能及其衡量指标。 2．掌握金属材料的工艺性能。
观察下面的图片，你知道它们是用什么材料制 成的吗？各有什么性能？
一、基本概念
在机械行业中，金属材料的性能主要指它的力 学性能和工艺性能。
1．载荷
载荷——金属材料在加工及使用过程中所受的 外力。
这种在载荷（或外力）作用下表现出来的性能 称为金属材料的力学性能。
（1）屈服强度
在拉伸过程中，当载荷不再增大或略有减小时，
试样继续发生明显塑性变形的现象，称为屈服。试样
产生屈服现象时所承受的应力称为屈服强度，用符号Re 表示，屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。
ReL
=
FeL S0
FeL ——屈服时的最小载荷，N； S0 ——试样原始横截面面积，mm2。
工程上使用的金属材料，多数没有明显的屈服现 象，如高碳钢、铸钢等脆性金属材料，测定其屈服强 度很困难。在此情况下，规定以试样长度方向产生 0.2%塑性变形时的应力作为材料的条件屈服强度， 或称屈服极限，用Re 0.2表示。
（2）抗拉强度Rm
抗拉强度——材料在拉断前所承受的最大的应
力。
Rm
=
Fm S0
硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、 压痕或划痕的能力。
硬度指标
布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 维氏硬度（HV）
（1）布氏硬度HBW
通过测量压痕直径来确定硬度值 布氏硬度计
布氏硬度原理
（2）洛氏硬度
通过测量压痕深度来确定硬度值
洛氏硬度计
HRA 淬火钢、硬质合金等70~85HRA HRB 退火钢、铜合金等25~100HRB HRC 冷硬铸铁、淬火钢20~67HRC
疲劳断裂断口示意图 疲劳强度——指金属材料在多次交变载荷作用 下而不断裂的最大应力。常用符号R－1表示。
提高构件的疲劳强度的措施：
（1）减小构件的表面粗糙度值，提高材料内部 质量。
（2）在构件结构设计时尽量避免尖角、缺口及 截面突变。
（3）对构件表面采取强化处理措施，如化 学热处理、表面淬火、喷丸和滚压等。
试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面 积比值的百分率。
Z = S0－ S1 ×100% S0
S1——试样拉断后缩颈处的最小横截面积，mm2。
材料的断面收缩率和断后伸长率越大，说明材 料的塑性越好，易于通过塑性变形加工成为形状复 杂的零件。并且，使用时零件不易发生突然断裂， 安全性较高。
３．硬度
2．可锻性
可锻性——指金属材料在压力加工时，能改变形状 而不产生裂纹的能力。
可锻性的好坏主要与金属材料的塑性有关。塑性 越好，可锻性越好。
3．焊接性
焊接性——指金属材料对 焊接加工的适应能力，主要是 指在一定的焊接工艺条件下， 获得优质焊接接头的难易程度。