常见金属材料的力学性能名称
金属材料的力学性能
（1）测量值较精确，反复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2） 可测旳硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低
4、测量范围
用于测量调质钢、铸铁、非金属材料及有色金属材料等.
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第一章 金属旳力学性能
引言：
第二节 硬度
1、定义：指材料局部体积内抵抗弹性、塑性变形、压 痕和划痕旳能力。它是衡量材料软硬程度旳指标，其物 理含义与试验措施有关。
2、硬度旳测试措施 （1）布氏硬度 （2）洛氏硬度 （3）维氏硬度
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§1-2 硬度
一、布氏硬度
1、布氏硬度试验（布氏硬度计）
原理:用一定直径旳球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应旳试验力 压入待测材料表面，保持要求时间并到达稳定状态后卸除试验力，测量 材料表面压痕直径，以计算硬度旳一种压痕硬度试验措施。
布氏硬度计
返回
16
洛氏硬度计
返回
17
维氏硬度计
返回
18
布洛维氏硬度计
19
8
§1-2 硬度
二、洛氏硬度
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，在试验力旳作用下压入试样表面， 经要求时间后卸除试验力，用测量旳残余压痕深度增量来计算硬度旳一
种压痕硬度试验。
2、洛氏硬度值 出。如：50HRC 3、优缺陷
用测量旳残余压痕深度表达。可从表盘上直接读
（1）试验简朴、以便、迅速（2）压痕小，可测成品、薄件（3）数据 不够精确，应测三点取平均值（4）不能测组织不均匀材料，如铸铁。
4、测量范围
常用金属材料的力学性能一览表
常用金属材料的力学性能金属材料的力学性能任何机械零件或工具，在使用过程中，往往妾受到各种形式外力的作托。
如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用：柴油机上的连杆，在传递动力时.不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件燮受到弯矩、扭力的作用等尊。
这就要求金属材料必须具有一种弟受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力* 这种能力就是材料的力学性能。
金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在夕卜力作坤下表现出力学性能的指标。
111 强度强度是扌旨金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
逼度扌旨标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，符号为6 单位为 MP 弘工程中常用的强度指标有屈服逼度和扰拉强度。
屈服逼度是指金属材料在外力作用下* 产生屈服现象时的应力，或开始岀现塑性变形吋的最低应力值，用％表示?抗竝强度是指金厲材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用巧表示。
对于大多数机械零件.工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是事件逼度设计的依据！对于因断裂而失效的零件，而用抗拉强度作为其逼度设计的依据。
1.1 2 塑性塑性是扌旨金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性揭标有诩长率和断面收缩率。
伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号豪示*断面收縮率指试样拉断后，断面縮小的面积与原来截面积之比，用甲表示。
伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之塑性越差，良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
113 硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力? 硬度的测试方法很多，生产中常埔的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏碳度试验方法两神°C- ）布氏硬度试验法布氏硬度试验法是用一直径为 D 的淬火钢球或硬质合金球作为压头，在载荷 0 的作用下压入被测试金厲表面，保持一定时间后卸载，测量金属表面形成的压痕直径乩以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测全属的布氏硬度值。
金属材料的力学性能
第1章工程材料1.1 金属材料的力学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、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：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。
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。
1.1.1 强度金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。
１．拉伸试样图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线２．拉伸曲线拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。
当载荷不超过p成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。
载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。
当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。
当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。
由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。
３．强度强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（１） 弹性极限金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示：（２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。
所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号σ０．２ 表示。
１.1.2 塑性金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。
金属材料力学性能代 含义
金属材料力学性能代号含义名称代号单位含义抗拉强度σb MPa 或 N/mm^2材料试样受拉力时,在拉断前所承受的最大应力.抗压强度σbc MPa 或 N/mm^2材料试样受压力时,在压坏前所承受的最大应力.抗弯强度σbb MPa 或 N/mm^2材料试样受弯曲力时,在破坏前所承受的最大应力.抗剪强度τMPa 或 N/mm^2材料试样受剪力时,在剪断前所承受的最大剪应力.抗扭强度τb MPa 或 N/mm^2材料试样受扭转力时,在扭断前所承受的最大剪应力屈服点σs MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中,负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服.屈服时的最小应力称为屈服点和屈服极限.屈服强度σ0.2MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中, 负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服.对某些屈服现象不明显的金属材料, 测定屈服点比较困难,为便于测量,通常按其产生永久变形量等于试样原长0.2%时的应力称为屈服度或条件屈服强度.弹性极限σcσc 材料能保持弹性变形的最大应力. 真实弹性极限难以测定, 实际规定按永久变形为原长的0.005%时的应力值表示.比例极限σp MPa 或 N/mm^2在弹性变形阶段, 材料所承受的和应变能保持正比的最大应力,称比例极限.σp与σc两数值很接近,一般常互相通用.弹性模量E MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标.E=σ/ε ε——试样纵向线应变.切变模量G MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标.G=τ/γ γ——试样切应变.泊松比μ在弹性范围内, 试样横向线应变与纵向线应变的比值.μ=|ε/ε'|ε'= -με, ε'——试样横向线应变.疲劳极限σ-1MPa 或 N/mm^2材料试样在对称弯曲应力作用下, 经受一定的应力循环数数 N 而仍不发生断裂时所能承受的最大应力.对钢来说,如应力循环 N 达 10^6-10^7仍不发生断裂时,则可认为随循环次数的增加,将不再发生疲劳断裂,因此常采用 N=(0.5～1)x10^7为基数,确定钢的疲劳极限.蠕变极限σ(1/10^4),σ(1/10^5),σ(0.2/200)...MPa 或 N/mm^2在一定温度下(通常在高温下)和恒定载荷作用下,材料在规定的时间(使用期间)内的蠕变变量或蠕变速度不超过某一规定值的最大应力.符号右下角的分数中, 分子表示规定的变形量的百分数,分母表示产生该变形量所经历的时间(小时).σ(1/10^4) 表示在10000小时产生 1% 变形量的应力,有时在符号的右上角标明试验温度.DVM蠕变极限DVM MPa 或 N/mm^2加载后观测25-35小时, 可允许的伸长速度为10x10^(-14)%/小时的应力.持久极限σ(b/10^4),σ(b/10^5),σ(b/200)MPa 或 N/mm^2在一定温度下(通常在高温下), 材料在恒定载荷作用时, 材料在一定时间(使用期间)内材料破坏时的应力.符号右下角的分数中,分母表示时间(小时).有时在符号的右上角标明试验温度.伸长率(延伸率)δ,δ5,δ10%δ 材料试样被拉断后, 标距长度的增加量与原标距长度之百分比.δ5 试样的标距等于 5 倍直径时的伸长率.δ10 试样的标距等于 10 倍直径时的伸长率.断面收缩率ψ%材料试样在拉断后, 其断裂处横截面积的缩减量与原横截面积的百分比.收缩率和伸长率均用来表示材料塑料的指标冲击韧性值αku ,或 αkv J/cm^2金属材料对冲击负荷的抵抗能力称为韧性, 通常都是以大能量的一次冲击值 (αku ,或 αkv)作为标准的.它是采用一定尺寸和形状的标准试样,在摆锤式一次冲击试验机上来进行试验, 试验结果以冲断试样上所消耗的功( Aku ,或 Akv)与断口处横截面积(F)之比来衡量.冲击功Aku ,或 Akv J 金属材料对冲击负荷的抵抗能力称为韧性, 通常都是以大能量的一次冲击值 (αku ,或 αkv)作为标准的.它是采用一定尺寸和形状的标准试样,在摆锤式一次冲击试验机上来进行试验. Aku,或Akv是冲断试样所消耗的功.布氏硬度HB( HBS 或HBW )kgf/mm^2(一般不标注)硬度是指金属抵抗硬的物体压入其表面的能力.用淬硬小钢球或硬质合金球压入金属表面, 保持一定时间待变形稳定后卸载, 以其压痕面积除加加在钢球上的载荷,所得之商,即为金属的布氏硬度数值.洛氏硬度C 级HRC用1471N 载荷, 将顶角为 120°的圆锥形金刚石的压头,压入金属表面,取其压痕的深度来计算硬度的大小,即为金属的HRC硬度.HRC用来测量HB=230-700的金属材料,主要用于测定淬火钢、调质钢等较硬的金属材料(GB230-83)洛氏硬度A 级HRA用 588.4N 载荷和顶角为 120°的圆锥形金刚石的压头所测定出来的硬度, 一般用来测定硬度很高或硬而薄的金属材料, 如碳化物、硬质合金或表面淬火层,HRA用来测量HB＞700金属材料.洛氏硬度B 级HRB用980.7N 载荷和直径为 1.59mm(1/16in)的淬硬钢球所测得的硬度.主要用于测定HB=60-230这一类较软的金属材料,如软钢、退火钢、正火钢、铜、钼等有色金属表面洛氏硬度HRN,HRT试验原理同前面洛氏硬度, 不同的是试验载荷较轻,HRN的压头是顶角为 120°金刚石圆锥体,HRT的压头是直径为1.5875mm 的淬硬钢球.二者的载荷均为15kgf、30kgf 和 45kgf.二者的标注分别为HRN15、HRN30、HRN45和HRT15、HRT30、HRT45.表面洛氏硬度只适用于钢材表面层硬度, 以及较薄、较小试件的硬度测定,数值较准确(见GB1818-79)HRN=100-100tHRT=100-100tt——表示主载荷与初载荷两次加载的压痕深度的差值,mm.维氏硬度HV N/mm^2用49.03-980.7N以内的载荷,将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压入金属的表面, 以其压痕面积除载荷所得之商,即为维氏硬度值.HV 只适用测定很薄(0.3-0.5mm)的金属材料、金属薄镀层或化学热处理后的表面层硬度(如镀铬、渗碳、氮化、碳氮共渗层等)(见GB4340-84)HV=2P/d^2.sin(136/2)=0.1891P/d^2P——压头上的负荷,Nd——压痕对角线长度,mm肖氏硬度HS 以一定重量的冲头, 从一定的高度落于被测试样的表面,以其冲头的回跳高度表示硬度的度量.适用于测定表面光滑的一些精密量具或不易搬动的大型机件.。
金属材料常用力学性能名称、符号及含义
J
使用摆锤冲击试验机冲断试样所需的能量(该能量已经对摩擦损失做了修正)，称为冲击吸收能量K。用字母V或U表示缺口几何形状，即KV或KU，用数字2或8以下标形式表示冲击刀刃半径，如KV2、KU8
有N次循环的应力幅值;σN是在N次循环的疲劳强度，σN是一个特定应力比的应力幅值，在此种情况下，试样具有N次循环的寿命。应力比是最小应力与最大应力的代数比值
疲劳极限σD
MPa
疲劳极限σD是一个应力幅的值，在这个值下，试样在给定概率时被希望可以进行无限次的应力循环。国家标准指出，某些材料没有疲劳极限;其他的材料在一定的环境下会显示出疲劳强度
洛氏硬度HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK、HRN、HRT
量纲一
采用金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作为压头，压入金属材料表面，取其压痕深度计算确定硬度的大小，这种方法测量的硬度为洛氏硬度。GB/T230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)》中规定了
A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T等标尺，以及相应的硬度符号、压头类型、总试验力等。由于压痕较浅，工件表面损伤小，适于批量、成品件及半成品件的硬度检验，对于晶粒粗大且组织不均的零件不宜采用。采用不同压头和试验力，洛氏硬度可以用于较硬或较软的材料，使用范围较广。
维氏硬度HV
维氏硬度试验是用一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以规定的试验力(49.03~980.7N)压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，以其压痕表面积除试验力所得的商，即为维氏硬度值维氏硬度试验法适用于测量面积较小、硬度值较高的试样和零件的硬度，各种表面处理后
屈服强度、上屈服强度ReH、下屈服强度ReL
常见金属材料的力学性能名称
常见金属材料的力学性能名称、代号、单位和涵义指标单位涵义说明名称符号弹性指标弹性模量E N/mm2金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定理），这个比例系数就称为弹性模量，根据应力，应变的性质通常又分为：弹性模量和切变模量，弹性模量的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，是衡量材料刚度的指标，弹性模量愈大，刚度也愈大。
切变模量G N/mm2弹性极限σe N/mm2这是表示金属最大弹性的指标，即在弹性变形阶段，试样不产生塑性变形时所能承受的最大应力强度性能指标抗拉强度σb N/mm2指外力是拉力时的强度极限，它是衡量金属材料强度的主要性能指标抗弯强度σbb或σwN/mm2指外力是弯曲力时的强度极限抗压强度σbc或σyN/mm2指外力是压力时的强度极限，压缩试验主要适用于低塑性材料，如铸铁、塑料等抗剪强度τN/mm2指外力是剪切力时的强度极限抗扭强度τb N/mm2指外力是扭转力时的强度极限屈服点σs N/mm2金属承受载荷时，当载荷不再增加，但金属本身的变形却继续增加的现象称为屈服，产生屈服现象时的应力叫屈服点屈服强度σ0.2N/mm2金属发生屈服现象时，为便于测量，通常按其产生永久残余变形量等于试样原长0.2%时的应力，作为屈服强度持久强度σb/hN/mm2指金属在一定的高温条件下，经过规定时间发生断裂时的应力，一般所指的持久强度，是指在一定温度下，试样经十万小时后的破断强度蠕变极限σ%/hN/mm2金属在高温环境下，即使所受应力小于屈服点，也会随着时间的增长而缓慢地产生永久变形，这种现象叫做蠕变，在一定的温度下经一定的时间，金属的蠕变速度仍不超过规定的数值，此时所能承受的最大应力，称为蠕变极限硬度性能指标布氏硬度HBSHBWN/mm2用淬硬小钢球或硬质合金球压入金属表面，以其压痕面积除加压在钢球上的载荷，所得之商，即为金属的布氏硬度数值。
使用钢球测定硬度≤450HBS；使用硬质合金球测定硬度＞450HBW洛氏硬度C级HRC 无量钢用1471N载荷，将顶角为120°的圆锥形金刚石的压头，压入金属表面，取其压痕的深度来计算硬度的大小，即为金属的HRC硬度，HRC用来测量HB=230~700的金属材料，主要用于测定淬火钢及较硬的金属材料A级HRA 指用588.4N载荷和顶角为120°的圆锥形金刚石的压头所测定出来的硬度，一般用来测定硬度很高或硬而薄的金属材料，如碳化物、硬质合金或表面处理过的零件B级HRB 指用980.7N载荷和直径为1.59mm（即1/16in）的淬硬钢球所测得的硬度。
阐述金属材料的力学性能及其指标
阐述金属材料的力学性能及其指标在机械加工领域，常研究的金属材料的力学性能主要包括以下几个方面：材料强度与塑性、材料硬度、冲击韧性与疲劳强度。
通过对金属材料力学性能的研究，在满足零部件加工性能的同时，更好更合理的选材。
一、强度与强度指标金属材料在机械加工时，承受静载荷的作用，其抵抗塑性变形或断裂的能力称之为强度。
载荷就是金属材料在使用及加工过程中所承受的各种外力，其中载荷分为静载荷、冲击载荷、交变载荷。
顾名思义静载荷就是力的大小和方向均不发生变化的载荷，而冲击载荷就是冲击力比较大，作用在工件上的时间比较短、速度比较快，交变载荷与静载荷相反，力的大小和方向随时间发生周期性的变化。
我们所研究的强度指标就是在静载荷作用下研究的。
屈服强度是用来表示金属材料强度指标最有效的形式。
当金属材料受力达到一定程度出现屈服现象时，发生塑性变形并且变形能力不随力增加而改变，此时所对应的应力称之为屈服强度。
在机械加工领域，常用到的材料一般不允许存在塑性变形，这就决定了屈服强度是我们设计零部件和选材的最主要依据。
二、塑性与塑性指标金属材料在机械加工时承受载荷作用时发生变形，当载荷增加一定程度时发生断裂，在断裂前所承受的最大塑性变形的能力我们称之为材料塑性。
拉伸试验是我们获得金属材料的强度和塑性指标最有效的试验。
首先把被测材料加工成标准试样，将试样安装在拉伸试验机上通过缓慢施加拉伸载荷，获得拉伸载荷与式样伸长量的关系，即拉伸曲线。
三、硬度和硬度试验金属材料的硬度就是指金属材料抵抗局部塑性变形和破坏的能力。
金属材料的力学性能中最重要的指标之一就是硬度。
与拉伸试验相比，硬度试验相对操作比较简单，可以直接在零部件表面进行试验，比较直观，应用比较广泛。
硬度试验方法种类比较多，最常用的有以下三种试验方法。
1、布氏硬度试验法（1）布氏硬度试验原理布氏试验就是先使用硬质合金球做压头压入金属表面，在施加一定的压力，在规定时间后消除试验力，最后测量压痕表面直径，根据试验压力，作用时间，压痕直径，带入公式，通过计算公式得出其硬度值。
1.1材料的力学性能
洛氏硬度测试示意图
洛 氏 硬 度 计
h1-h0
（2）符号及标注 符号：HR 常用三种标度符号：HRA HRB 标注方法： 数值＋符号 如：５２ HRC ７０ HRA （3）应用
HRC
压痕小，在批量成品或半成品质量检验中广 泛应用，并可测量较薄的工件或较薄的硬化层。
HRA用于测量高硬度材料, 如
三、硬度 含义：是指材料在外力作用下抵抗局部变形， 特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，通俗 说材料抵抗外力压入其表面的能力。硬度是 衡量材料软硬程度的判据。 硬度判据：布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度ＨＶ
测量方法：硬度实验法
１、布氏硬度HB
（1）测量方法：用直径D钢球或硬质合金球， 一定载荷p ，保持一定时间卸除，由读数显微 镜测得压痕直径d，计算得到。（单位Mpa） 注：实际应用中，不需计算，根据d查布氏硬度 表即可。
2、塑性
含义：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标（两个）： 伸长率： 断面收缩率：
l1 l 0 100% l0
F0 F1 100% F0
断裂后
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
说明：
① 用表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 与试样尺寸 有关，d0 相同时，l0，，故5> 10。只 有l0/d0 为常数时， 才有可比性。 ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征
关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
五、疲劳强度
何为疲劳？材料在低于s的循环交变应力作 用下发生断裂的现象。（举例） 疲劳强度的含义：材料抵抗疲劳破坏的能力。 指标： 疲劳极限：材料在规定次数应力循环后仍不 发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用N 表示（对称循环交变应力-1 。） 钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为 108。
金属材料及其热处理
㈡ 热处理工艺
工艺
目的
加热温度
组织
退火
1.调整硬度,便于切削加工。 2.细化晶粒,为最终热处理作组织准备。
亚共析钢Ac3+30~50℃ 共析钢 Ac1+30~50℃ 过共析钢Ac1+30~50℃
F+P P P球
正火
1.低中碳钢同退火。 2.过工析钢：消除网状二次渗碳体。 3.普通件最终热处理
三、组织
㈠ 纯金属的组织 1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程 ⑴ 结晶的条件——过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 ⑵ 结晶的基本过程——晶核形成与晶核长大 形核——自发形核与非自发形核 长大——均匀长大与树枝状长大
⑶ 结晶晶粒度控制方法：①增加过冷度；②变质处理；③机械振动、搅拌 2、纯金属中的固态转变 同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。 固态转变的特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大;③伴随着体积变化。
2、冷却时的转变
⑴ 等温转变曲线及产物
650℃
600℃
550℃
350℃
A1
MS
Mf
时间
P
S
T
B上
B下
M
M+A’
A→P
A→S
A→T
A→B上
A→B下
工程材料第一章--金属材料的力学性能
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
金属材料的力学性能
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
（一）强度
1. 定义:强度是指金属材料抵抗塑性变形和断 裂的能力，是工程技术上重要的力学性能指 标。由于材料承受载荷的方式不同，其变形 形式也不同，分为抗拉、抗扭、抗压、抗弯、 抗剪等的强度。
最常用的强度是抗拉强度或强度极限σb。
1.变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
1.变动载荷
——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方
向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均
值即为变动应力。
变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力) 和无规则随机变动应力两种。
GB/T 228-2002新标准 名称 屈服强度① 符号 －
GB/T 228-1987旧标准 名称 屈服点 符号 σs
上屈服强度
下屈服强度 规定残余延伸 强度 抗拉强度 断后伸长率
ReH
ReL Rr Rm A或A11.3
上屈服点
下屈服点
σsU
σsL
规定残余延伸 σr 应力 抗拉强度 断后伸长率 σb δ5或δ10
第一章 金属材料的力学性能
概 述
使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、
物理性能和化学性能。
工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻 压、焊接、热处理和切削性能等。
金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗
冲击试样
原理
冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验 时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架 的支座上，将摆锤升至高度H1，使其具有势能 mgH1；然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断， 并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为mgH2。 所以，摆锤用于冲断试样的能量
金属的力学性能
2、断面收缩率
S0 S1 100% L0
S1
So
试样断裂后缩颈处的最小横截面积（mm2）
试样原始截面积（mm2）
•δ和ψ是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大
小。
•一般认为ψ＞5％的材料为塑性材料，如低碳钢；ψ＜5％的为 脆性材料，如灰铸铁 .
塑性对材料的意义: 1.是金属材料进行压力加工的必要条件; 2.提高安全性:因为零件在工作时万一超 载，也会由于塑性变形使材料强化而避 免突然断裂
第一章
金属材料的性能
金属的性能
使用性能—力学、物理、化学
〈
工艺性能—铸造、锻压、焊接、切削加工
力学性能：受外力作用下所表现出的性能。不能说：机械性能
判据 如： 强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等
第一节
一、基本概念
金属的力学性能
研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据
1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当 外力卸除后物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。
循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷
按作用形式不同分：
6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化， 称为变形。分为弹性变形与塑性变形 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。
一、强度 概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力 。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。
一、布氏硬度
1、测定原理
布氏硬度计
布氏硬度试验原理图
2、计算公式
F 0.102 2F HBS(W ) 0.102 ( N / mm2 ) S压 D( D D 2 d 2 )
钢铁材料的力学性能及名词解释
值大小来衡量
由于αK值的大小，不仅取决于材料本身，同时
还随试样尺寸、形状的改变及试验温度的不同 而变化，因而αK值只是一个相对指标。目前国 际上许多国家直接采用冲击吸收功AK作为冲 击韧度的指标 AKU αKU = ——； F AKU
2
冲击吸收功
AKU或 AKV
αKV= ——；
五
疲劳
大小、方向反复变化的载荷）的作用，在不发生显 著塑性变形的情况下而突然断裂的现象，称为疲劳 金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次
1
疲劳极限
σ-1
MPa
（N）的应力循环仍不发生断裂时所能承受的最大 应力称为疲劳极限
金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次 （N）后断裂时所能承受的最大应力，叫作疲劳强 2
3
抗压强度
σbc
MPa
σbc＝—— Fo 式中 Pbc——试样所受最大集中载荷（N） Fo——试样原横截面积（mm 2）
试样剪断前，所承受的最大负荷下的受剪截面具有 的平均应力 P 双剪:σr＝—— ； 2Fo 4
抗剪强度
r、σr
MPa
P 单剪:σr＝—— ； Fo 式中 P——剪切时的最大负荷（N） Fo——受剪部位的横截面积（mm 2） 指外力是扭转力的强度极限 3Mb τb≈—— （适用于钢材） 4Wp
1
布氏硬度
HBS
/
验力，测表面压痕直径计算的硬度值。使用钢球测 定硬度小于等于450HBS；使用硬质合金球测定硬度 大于450HBW
2
洛氏硬度
HRA HRB HRC HRD HRE HRF HRG HRH HRK HV
用金刚石圆锥或钢球压头以初始试验力和总试验力 作用下，压入试样表面，经规定的保持时间后，卸
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收缩率
ψ
%
金属受外力作用被拉断以后，其横截面的缩小量与原来横截面积相比的百分数，称为断面收缩率。δ、ψ的数值愈高，表明这种材料的塑性愈好，易于进行压力加工
韧性指标
冲击
韧度
aKU
aKV
J/m2
kJ/m2
冲击韧度是评定金属材料于动载荷下承受冲击抗力的力学性能指标，通常都是以大能量的一次冲击值作为标准的。试验结果，以冲断试样上所消耗的功与断口处横截面积之比值大小来衡量。由于aK值的大小不仅取决于材料本身，还随试样尺寸、形状的改变及试验温度的不同而变化，因而aK值只是一个相对指标
A级
HRA
指用588.4N载荷和顶角为120°的圆锥形金刚石的压头所测定出来的硬度，一般用来测定硬度很高或硬而薄的金属材料，如碳化物、硬质合金或表面处理过的零件
B级
HRB
指用980.7N载荷和直径为1.59mm（即1/16in）的淬硬钢球所测得的硬度。主要用于测定HB=60~230这一类较软的金属材料，如退火钢、铜、铝等
常见金属材料的力学性能名称、代号、单位和涵义
ห้องสมุดไป่ตู้指标
单位
涵义说明
名称
符号
弹性指标
弹性
模量
E
N/mm2
金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定理），这个比例系数就称为弹性模量，根据应力，应变的性质通常又分为：弹性模量和切变模量，弹性模量的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，是衡量材料刚度的指标，弹性模量愈大，刚度也愈大。
H
（回跳高度）
利用一定重量（2.5g）的钢球或金刚石球，自一定的高度（一般为254mm）落下撞击金属后，球又回跳到某一高度h，此高度为肖氏硬度值，其优点是在金属表面上不留下伤痕，缺点是测定值不够准确
塑性指标
伸长率
L0=5d
L0=10d
δ
δ5
δ10
%
金属受外力作用被拉断以后，在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分数，称为伸长率。根据试样长度的不同，通常用符号δ5或δ10来表示；δ5是试样标距长度为其直径5倍时的伸长率，δ10是试样标距长度为其直径10倍时的伸长率
硬度性能指标
布氏
硬度
HBS
HBW
N/mm2
用淬硬小钢球或硬质合金球压入金属表面，以其压痕面积除加压在钢球上的载荷，所得之商，即为金属的布氏硬度数值。使用钢球测定硬度≤450HBS；使用硬质合金球测定硬度＞450HBW
洛氏硬度
C级
HRC
无量钢
用1471N载荷，将顶角为120°的圆锥形金刚石的压头，压入金属表面，取其压痕的深度来计算硬度的大小，即为金属的HRC硬度，HRC用来测量HB=230~700的金属材料，主要用于测定淬火钢及较硬的金属材料
断裂韧度性能指标
平面应变断裂韧度
K1c
N/mm1.5
断裂韧度是衡量金属材料在裂纹存在的情况下抵抗脆性开裂能力的指标，它是现代断裂力学在分析高强度材料使用过程中，发生一系列技术事故的基础上而提出的一个新的重要的力学性能指标。根据材料的断裂韧度和用无损探伤方法确定的内部缺陷存在的情况，可以预知零件在工作过程中有无脆性断裂的危险，从而采取合金化与热处理等措施，以满足使用性能的要求。
冲击
吸收功
AKUAKV
J
疲劳性能指标
疲劳
极限
σ-1
σ-1n
N/mm2
金属材料在交变负荷的作用下，经过无限次应力循环而不致引起断裂的最大循环应力，称为疲劳极限。σ-1—表示光滑试样的对称弯曲疲劳极限，σ-1n—表示缺口试样的对称弯曲疲劳极限
按我国国家标准，一般钢铁材料采用107循环次数而不断裂的最大应力来确定其疲劳极限，对于有色金属材料，则规定应力循环次数在108或更多周次，才能确定其疲劳极限
N/mm2
金属发生屈服现象时，为便于测量，通常按其产生永久残余变形量等于试样原长0.2%时的应力，作为屈服强度
持久
强度
σb
/h
N/mm2
指金属在一定的高温条件下，经过规定时间发生断裂时的应力，一般所指的持久强度，是指在一定温度下，试样经十万小时后的破断强度
蠕变
极限
σ%
/h
N/mm2
金属在高温环境下，即使所受应力小于屈服点，也会随着时间的增长而缓慢地产生永久变形，这种现象叫做蠕变，在一定的温度下经一定的时间，金属的蠕变速度仍不超过规定的数值，此时所能承受的最大应力，称为蠕变极限
维氏
硬度
HV
N/mm2
用49.03~980.7N以内的载荷，将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压入金属的表面，以其压痕面积除载荷所得之商，即为维氏硬度值，HV只适用于测定很薄（0.3~0.5mm）的金属材料，或厚度为0.03~0.05mm的零件表面硬化层的硬度，测定的数值比较准确
肖氏
硬度
HSC
HSD
断裂韧度是强度和塑性的综合指标，它是在裂纹试样上测得的，主要适用于高强度材料或服役条件有可能促使零件脆断的场合的普通强度材料。对一般机械零件，当断面尺寸不是太大，破坏形式主要是韧性断裂时，仍可沿用传统的五大力学性能指标，无须提出断裂韧度的指标
切变
模量
G
N/mm2
弹性
极限
σe
N/mm2
这是表示金属最大弹性的指标，即在弹性变形阶段，试样不产生塑性变形时所能承受的最大应力
强度性能指标
抗拉
强度
σb
N/mm2
指外力是拉力时的强度极限，它是衡量金属材料强度的主要性能指标
抗弯
强度
σbb或
σw
N/mm2
指外力是弯曲力时的强度极限
抗压
强度
σbc或
σy
N/mm2
指外力是压力时的强度极限，压缩试验主要适用于低塑性材料，如铸铁、塑料等
抗剪强度
τ
N/mm2
指外力是剪切力时的强度极限
抗扭
强度
τb
N/mm2
指外力是扭转力时的强度极限
屈服点
σs
N/mm2
金属承受载荷时，当载荷不再增加，但金属本身的变形却继续增加的现象称为屈服，产生屈服现象时的应力叫屈服点
屈服
强度
σ0.2