金属材料-力学性能及金相检验基础知识
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金属材料 力学性能及金相检验基础知识
力学性能
• 金属材料的力学性能，以前叫做机械性能。 • 常用的金属材料力学性能指标有：强度、
硬度、塑性、韧性、疲劳和蠕变等。它们 的具体指标都能通过各种专用试验机测定 出来，以适用设计、制造和使用的需要。 • 这些试验大都是用“取样” 的办法来进行 的，只有在必要时才会模拟零部件的实际 受力状态进行破坏试验。
• 硬度试验主要包括：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖 氏硬度和里式硬度试验。
• 硬度试验由于设备简单，操作迅速方便，同时又能敏感地 反映出材料的化学成分或组织结构的差异，因而被广泛用 来检查原材料的质量及零件或工具热加工和热处理的性能。
• 由于硬度试验仅在金属表面局部体积内产生很小的压痕， 因而对大多数零件和工具可用产品试验，而无需专门加工 试样。同时，硬度试验也易于检查金属表面层情况，如脱 碳与增碳、表面淬火以及化学热处理后的表面硬度等。
强度
• 强度是指在外力作用下，金属材料抵抗变形和破 断的能力。根据受力状态，有扭转、抗弯、剪切、 抗压和抗拉强度之分，其中应用最为普遍的是抗 拉强度。
• 强度用单位横截面上的内力，即应力来表示，其 单位是N/mm2 （1 N/mm2 =1 MPa ）。
• 抗拉强度通过拉伸试验来测定，拉伸试验可测定 金属材料的屈服强度、抗拉强度，还可测定材料 的伸长率和断后收缩率。
•
KU8(3mm）或DVM或KU(DVM)等
• 旧版标准的表示符号是：Akv、Aku2、 Aku3，等。
硬度
• 所谓硬度，就是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压 痕或划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种性能指 标，也是金属材料力学性能的一个重要指标。
• 硬度试验的方法很多，硬度值也没有明确的物理意义，而 是人为规定的在特定试验条件下的一种工程量或技术量。
• 冲击试验的简要过程是：将规定几何形状和尺寸的缺口试样，置于冲 击试验机的两支座之间，试样的缺口背向打击面放置，摆锤自一定的 高度自由落下，一次把试样打断，测定摆锤打断试样所消耗的能量也 就是试样的冲击吸收能量（冲击功、冲击吸收功），其单位为焦耳J。 更早期的标准中是以冲击韧性值来表示的，是将冲击功除以试样缺口
拉伸试验过程简介-2
• 根据试样的变形特性，可将拉伸试验过程分成弹性变形、 屈服、均匀塑性变形和局部塑性变形等四个阶段。
• 弹性变形阶段—外力卸除后试样恢复到原始形状，包括线 弹性变形阶段和非线性变形阶段。
• 屈服阶段—虽然外力没有增加，但试样的伸长却突然增加， 好像试样屈服于外力而自行伸长。这种拉力不增加而变形 继续增加的线性是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的 一个明显标志。
• 材料的塑性值也可以通过拉伸试验，在测得金属 材料强度的同时确定出来。通常塑性的高低用伸 长率（A、δ）和断面收缩率（Z、ψ）来衡量，其 单位为%。
• 伸长率表示拉断后试样的伸长量与原来标距长度 相比的百分数。
• 截面收缩率表示拉断后试样在断裂处的收缩面积 与原来横截面积相比的百分数。
拉伸试验几个主要测试指标的符号
• 抗拉强度 Rm （σb） • 屈服强度 （σS） • 上屈服强度 ReH （σSU） • 下屈服强度 ReL （σSL） • 规定非比例伸长应力 RP0.2（σ0.2） • 断后伸长率 A5（δ5） • 断面收缩率 Z （ψ）
冲击韧性
• 所谓冲击韧性，就是在冲击力量的作用下，金属抵制变形和断裂的能 力。也是金属材料力学性能的一个重要特性，金属材料的韧性是通过 冲击试验来测定的。
布氏硬度
• 表示方法如下：120HBW10/1000/30,表示用直径为10mm 的硬质合金球压头在1000kgf（9.807kN）试验力的作用 下，保持30秒测得布氏硬度值为120。
• 当压头直径为10mm，试验力为3000kgf，保持10秒进行 测试时，可以省略试验条件，只在硬度符号前标出硬度值 即可，如230HBW。
• 对试样的要求：试验面应光滑、无氧化皮及外来污物，粗 糙度一般不大于1.6μm；支撑面应平整、平行，有足够的 厚度；试验面不得因受热、加工硬化而影响原来的硬度。
• 硬度值的比较：一般较硬的材料选较大的F/D2值进行试验， 只有当F/D2值相同时，才可进行比较。
• 优点：由于压痕较大，所测得的硬度值代表性和重复性较 好。
• 缺点：效率较低，因压痕较大，不宜在产品表面进行试验。 • 适用范围：适合于测定组织粗大且不均匀的的金属材料的
硬度，如铸铁、铸钢、有色金属及其合金以及各种退火、 正火或调质处理后的钢材。
洛氏硬度
• 表示方法：如，50HRC表示用洛氏硬度C标尺测 定的洛氏硬度值为50；90HRBW表示用球形硬质 合金压头B标尺测得的洛氏硬度值为90。
底部原横截面积，符号是ak，单位是J/cm2 。
• 冲击试验的国家标准是GB/T229《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》
• 冲击试样的缺口有——V型，深度2mm，表示符号为KV2或KV8；
wk.baidu.com
•
U型，深度2mm，表示符号为KU2(2mm）或
•
KU8(2mm）
•
U型，深度3mm，表示符号为KU2(3mm）或
• 拉伸试验方法的国家标准是GB/T228《金属材料 拉伸试验方法》
拉伸试验过程简介
• 拉伸试验的全部过程是：把试样夹持在拉伸试验 机上，把拉伸载荷逐渐缓慢地施加在试样上，观 察测定出由于载荷而引起的长度变化，直到试样 拉断为止。
• 拉伸载荷与试样伸长量的对应关系可用下图表示 出来，图中纵坐标表示试验力F，单位为N；横坐 标表示伸长量，单位为mm。这个图叫拉伸图， 这条拉伸曲线也叫外力—伸长曲线，可在试验机 的记录装置上自动绘制出来。
• 均匀塑性变形阶段—该阶段随着变形量的增加金属不断强 化，这种现象称为加工硬化或变形强化。
• 局部塑性变形阶段—该阶段变形强化跟不上变形的发展， 使变形集中在试样的某一部位进行，形成“缩颈”现象， 直至断裂。
拉伸曲线的类型
不同类型曲线上的上屈服强度和下 屈服强度（ReH和ReL）
塑性
• 是指在外力作用下，能引起金属永久变形而不发 生破断，在外力取消后仍能保持变形后的形状的 能力。
力学性能
• 金属材料的力学性能，以前叫做机械性能。 • 常用的金属材料力学性能指标有：强度、
硬度、塑性、韧性、疲劳和蠕变等。它们 的具体指标都能通过各种专用试验机测定 出来，以适用设计、制造和使用的需要。 • 这些试验大都是用“取样” 的办法来进行 的，只有在必要时才会模拟零部件的实际 受力状态进行破坏试验。
• 硬度试验主要包括：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖 氏硬度和里式硬度试验。
• 硬度试验由于设备简单，操作迅速方便，同时又能敏感地 反映出材料的化学成分或组织结构的差异，因而被广泛用 来检查原材料的质量及零件或工具热加工和热处理的性能。
• 由于硬度试验仅在金属表面局部体积内产生很小的压痕， 因而对大多数零件和工具可用产品试验，而无需专门加工 试样。同时，硬度试验也易于检查金属表面层情况，如脱 碳与增碳、表面淬火以及化学热处理后的表面硬度等。
强度
• 强度是指在外力作用下，金属材料抵抗变形和破 断的能力。根据受力状态，有扭转、抗弯、剪切、 抗压和抗拉强度之分，其中应用最为普遍的是抗 拉强度。
• 强度用单位横截面上的内力，即应力来表示，其 单位是N/mm2 （1 N/mm2 =1 MPa ）。
• 抗拉强度通过拉伸试验来测定，拉伸试验可测定 金属材料的屈服强度、抗拉强度，还可测定材料 的伸长率和断后收缩率。
•
KU8(3mm）或DVM或KU(DVM)等
• 旧版标准的表示符号是：Akv、Aku2、 Aku3，等。
硬度
• 所谓硬度，就是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压 痕或划痕的能力，是衡量金属材料软硬程度的一种性能指 标，也是金属材料力学性能的一个重要指标。
• 硬度试验的方法很多，硬度值也没有明确的物理意义，而 是人为规定的在特定试验条件下的一种工程量或技术量。
• 冲击试验的简要过程是：将规定几何形状和尺寸的缺口试样，置于冲 击试验机的两支座之间，试样的缺口背向打击面放置，摆锤自一定的 高度自由落下，一次把试样打断，测定摆锤打断试样所消耗的能量也 就是试样的冲击吸收能量（冲击功、冲击吸收功），其单位为焦耳J。 更早期的标准中是以冲击韧性值来表示的，是将冲击功除以试样缺口
拉伸试验过程简介-2
• 根据试样的变形特性，可将拉伸试验过程分成弹性变形、 屈服、均匀塑性变形和局部塑性变形等四个阶段。
• 弹性变形阶段—外力卸除后试样恢复到原始形状，包括线 弹性变形阶段和非线性变形阶段。
• 屈服阶段—虽然外力没有增加，但试样的伸长却突然增加， 好像试样屈服于外力而自行伸长。这种拉力不增加而变形 继续增加的线性是金属从弹性变形阶段到塑性变形阶段的 一个明显标志。
• 材料的塑性值也可以通过拉伸试验，在测得金属 材料强度的同时确定出来。通常塑性的高低用伸 长率（A、δ）和断面收缩率（Z、ψ）来衡量，其 单位为%。
• 伸长率表示拉断后试样的伸长量与原来标距长度 相比的百分数。
• 截面收缩率表示拉断后试样在断裂处的收缩面积 与原来横截面积相比的百分数。
拉伸试验几个主要测试指标的符号
• 抗拉强度 Rm （σb） • 屈服强度 （σS） • 上屈服强度 ReH （σSU） • 下屈服强度 ReL （σSL） • 规定非比例伸长应力 RP0.2（σ0.2） • 断后伸长率 A5（δ5） • 断面收缩率 Z （ψ）
冲击韧性
• 所谓冲击韧性，就是在冲击力量的作用下，金属抵制变形和断裂的能 力。也是金属材料力学性能的一个重要特性，金属材料的韧性是通过 冲击试验来测定的。
布氏硬度
• 表示方法如下：120HBW10/1000/30,表示用直径为10mm 的硬质合金球压头在1000kgf（9.807kN）试验力的作用 下，保持30秒测得布氏硬度值为120。
• 当压头直径为10mm，试验力为3000kgf，保持10秒进行 测试时，可以省略试验条件，只在硬度符号前标出硬度值 即可，如230HBW。
• 对试样的要求：试验面应光滑、无氧化皮及外来污物，粗 糙度一般不大于1.6μm；支撑面应平整、平行，有足够的 厚度；试验面不得因受热、加工硬化而影响原来的硬度。
• 硬度值的比较：一般较硬的材料选较大的F/D2值进行试验， 只有当F/D2值相同时，才可进行比较。
• 优点：由于压痕较大，所测得的硬度值代表性和重复性较 好。
• 缺点：效率较低，因压痕较大，不宜在产品表面进行试验。 • 适用范围：适合于测定组织粗大且不均匀的的金属材料的
硬度，如铸铁、铸钢、有色金属及其合金以及各种退火、 正火或调质处理后的钢材。
洛氏硬度
• 表示方法：如，50HRC表示用洛氏硬度C标尺测 定的洛氏硬度值为50；90HRBW表示用球形硬质 合金压头B标尺测得的洛氏硬度值为90。
底部原横截面积，符号是ak，单位是J/cm2 。
• 冲击试验的国家标准是GB/T229《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》
• 冲击试样的缺口有——V型，深度2mm，表示符号为KV2或KV8；
wk.baidu.com
•
U型，深度2mm，表示符号为KU2(2mm）或
•
KU8(2mm）
•
U型，深度3mm，表示符号为KU2(3mm）或
• 拉伸试验方法的国家标准是GB/T228《金属材料 拉伸试验方法》
拉伸试验过程简介
• 拉伸试验的全部过程是：把试样夹持在拉伸试验 机上，把拉伸载荷逐渐缓慢地施加在试样上，观 察测定出由于载荷而引起的长度变化，直到试样 拉断为止。
• 拉伸载荷与试样伸长量的对应关系可用下图表示 出来，图中纵坐标表示试验力F，单位为N；横坐 标表示伸长量，单位为mm。这个图叫拉伸图， 这条拉伸曲线也叫外力—伸长曲线，可在试验机 的记录装置上自动绘制出来。
• 均匀塑性变形阶段—该阶段随着变形量的增加金属不断强 化，这种现象称为加工硬化或变形强化。
• 局部塑性变形阶段—该阶段变形强化跟不上变形的发展， 使变形集中在试样的某一部位进行，形成“缩颈”现象， 直至断裂。
拉伸曲线的类型
不同类型曲线上的上屈服强度和下 屈服强度（ReH和ReL）
塑性
• 是指在外力作用下，能引起金属永久变形而不发 生破断，在外力取消后仍能保持变形后的形状的 能力。