金属材料的力学性能资料

金属材料的力学性能

金属材料在外力或能的作用下，所表现出来的一系列力学特性，如强度、刚度、塑性、韧性、弹性、硬度等，也包括在高低温、腐蚀、表面介质吸附、冲刷、磨损、空蚀（氧蚀）、粒子照射等力或机械能不同程度结合作用下的性能。力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据。充分了解、掌握金属材料的力学性能，对于合理地选择、使用材料，充分发挥材料的作用，制定合理的加工工艺，保证产品质量有着极其重要的意义。

一、强度

强度是材料受外力而不被破坏或不改变本身形状的能力。

(一)屈服点

金属试样在拉伸试验过程中，载荷不再增加而试样仍继续发生塑性变形而伸长，这一现象叫做“屈服”。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为“屈服点”，以σs表示。有些材料没有明显的屈服点，这往往采用σ0.2作为屈服阶段的特征值，称为屈服强度。

（二）抗拉强度

拉伸试验时，材料在拉断前所承受的最大标称应力，即拉伸过程中最大力所对应的应力，称为抗拉强度，以σb表示。

二、塑性

塑性是金属材料在外力作用下（断裂前）发生永久变形的能力，常以金属断裂时的最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。

（一）伸长率

金属材料在拉伸试验时试样拉断后其标距部分所伸长的长度与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，也叫伸长率，用δ表示。

（二）断面收缩率

金属试样在拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，以符号ψ表示。

三、硬度

硬度是金属材料表面抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是衡量材料软硬的性能指标。

硬度不是一个单纯的、确定的物理量，而是一个由材料弹性、塑性、韧性等一系列不

同性能组成的综合性能指标。所以硬度不仅取决于材料本身，还取决于试验方法和条件。

（一）布氏硬度

（二）洛氏硬度

（三）维氏硬度

四、韧性

金属在断裂前吸收变形能量的能力，称为韧性。衡量材料韧性的指标分为冲击韧性和断裂韧性。

（一）冲击韧性

冲击韧性是评定金属材料受冲击载荷作用时抵抗变形和断裂的抗力指标，以冲击韧度或冲击吸收功来度量。

（二）断裂韧性

断裂韧性是材料阻止或抵抗裂纹扩展的能力，确切地说是阻止裂纹产生临界扩展的能力，常用K1c或K c表示。K1c是表示平面应变状态下的断裂韧度，K c表示平面应力状态下的断裂韧度。

第三节钢的分类及编号

一、钢的分类

钢的分类方法很多，可以按化学成分、冶炼方法、品质、用途及金相组织等进行分类。

（一）按化学成份分类

按化学成分可分为碳素钢（简称碳钢）、合金钢两大类。碳素钢是指碳质量分数低于2.06%的铁碳合金，根据碳质量分数的不同，碳钢又可分为工业钝铁（wc≤0.02%）低碳钢（wc≤0.25%）、中碳钢（wc0.25%一0.60%）和高碳钢（wc＞0.6%）。合金钢是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能专门加入某些合金元素炼制而成的钢。按照合金元素总量的不同，合金钢可分为低合金钢（合金元素总量〔5%〕、中合金钢（合金元素总量为5％～10%）和高合金钢（合金元素总量≥10%）。

（二）按冶炼方法分类

根据炼钢炉类别分类，可分为平炉钢、转炉钢（又分氧气吹炼和空气吹炼转炉钢）和电炉钢（又分为电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢和电子束炉钢等）3大类。

根据冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢及半镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢，钢在熔炼后期，钢液仅用弱脱氧剂（锰铁）脱氧，所以钢液中有相当数量的氧化铁FeO）。在浇注和凝固时，由于碳与氧化铁反应，钢液不断析出一氧化碳，产生沸腾现象，故称为沸腾钢，以符号,“F”表示。沸腾钢耐蚀性和力学性能差，不宜用于重要结构使用。

镇静钢为完全脱氧钢，浇注和凝固时钢液镇静不沸腾，故称为镇静钢。这种钢冷凝后有集中缩孔，所以成材率低，成本高。但气体含量低，偏析少，时效倾向低，质量较高，因此得到广泛应用。镇静钢以符号,“Z”表示，但一般省略。

半镇静钢为半脱氧钢，脱氧程度介于上述两者之间，用符号“b’’表示。

（三）按品质分类

根据钢中有害杂质硫、磷的含量，可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。

（1）普通碳素钢ωp≤0.045%，ωS≤0.05%；

（2）优质碳素钢ωp、ωS均0.035%，其他非有意加入而是从原材料带入的残余杂质如Cr、Ni、Cu等的含量也有一定的限制；

（3）高级优质碳素钢ωp≤0.035%、ωS≤0.03%，混入的其他杂质含量限制得更加严格。

普通碳素钢一般采用转炉和大型平炉冶炼，产量大、成本低；优质碳素钢一般用电炉或平炉冶炼，杂质少；高级优质碳素钢主要是电炉钢或采用精炼的方法，质量最好、成本也高，它主要用来制造工具和要求很高的机器零件及焊接材料用钢。

（四）按金相组织分类

钢按金相组织可分为铁素体一珠光体型钢、贝氏体型钢、马氏体型调质高强度钢、铁素体型钢和奥氏体型钢等。

（五）按用途分类

钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢3大类。

结构钢还分为建筑及工程机械用钢、机械制造用钢、超高强度钢、轴承钢和弹簧钢等。

建筑及工程机械用钢还包括碳素结构钢、低合金高强钢、钢筋用钢等；机械制造用钢包括调质钢、表面硬化钢、易切钢、冷加工成形用钢等。

工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，包括量具、刃具、模具钢等。

特殊用途钢分为不锈耐酸钢、耐热钢、电工用钢、耐磨钢、低温用钢、各种专业用钢等。专业用钢主要有锅炉钢、压力容器用钢、船舶、桥梁、钢轨用钢等。

二、钢的编号及特性

我国的钢材牌号表示方法，是采用国际化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字并用的原则，即钢号中化学元素用国际化学符号表示；钢材名称、用途、冶炼和浇注方法等一般以汉语拼音的缩写字母来表示；钢中主要化学元素含量（百分率）采用阿拉伯数字表示。

（一）碳素结构钢的牌号、性能及用途

1．普通碳素结构钢

根据GB/T700--1988《碳素结构钢》标准，钢的牌号由代表屈服点的字母、数值、质量等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。主要钢种：Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q255D、Q255B、Q275。其中：

Q一表示钢的屈服点，为“屈”字拼音字母；