§2-1 金属材料的主要性能指标
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第2章 机械工程材料
§2-1 金属材料的主要性能指标
材料的应用及发展：
材料是人类生产和 生活所必须的物质基础。
―神舟”四号飞船成功返 回
锉刀
手 锤
国产涡喷-7涡轮喷气发动机
材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，
历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。
石器时代
青铜器时代
象形尊(西周)
例如： 50HRC<70HRA 50HRB>40HRC
〤 〤
④ 特点及应用：
优点：测量操作简单，压痕小。
缺点： 测量精度较低，可比性差，不同标尺
的硬度值不能比较。 是生产中应用最广 泛的硬度试验方法。 应用：
用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。
（3） 维氏硬度 HV
①试验原理： 与布氏硬度 试验原理基本相 同，只是压头改 用了金刚石四棱 锥体。
(2) 疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处 产生局部永久性累积损伤,经一定循环次 数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂。 疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时 断裂三个阶段组成。
三、金属材料的工艺性能
工艺性能是指金属材料在加工过程中是否易于 成形的能力。
1、铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健 全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、 吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和 青铜的铸造性能较好。 2、锻造性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称 为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和 变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的 锻造性能越好。
冲击韧度试验
1、该试验中采用了什么试样？
2、该试验的原理是什么？
3、该试验可测得什么性能指标？
4、冲击韧度
——材料抵抗冲击载荷而不断裂的能力。
冲击试样
夏比Ｕ形缺口
夏比Ｖ形缺口
试样冲断时所消耗的冲击功A k为: Ak=mgH–m gh (J)
冲击韧度： Rk = Ak/SN
（J/cm2）
Ak ——冲断试样所消耗的冲击功；（J） SN —— 试样缺口处的截面积。 冲击吸收功对材料的意义： 1. Ak 对材料内部缺陷很敏感，可用来鉴定材料的冶金质 量、热加工质量； 2. Ak 随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象 （寒冷地区的机械）。
等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现
在的一亿吨。
鞍钢
攀钢夜景
原子弹、氢
弹的爆炸， 卫星、飞船 的上天等都 说明了我国 在材料的开 发、研究及
中 国 造 第 卫 一 星 颗 人 中 国 第 一 颗 原 子 弹 爆 炸 中 国 第 一 颗 氢 弹 爆 炸
长 征 火 箭 大 家 族
应用等方面
维 氏 硬 度 计
锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥 ② 压头： 体
H V=F/S
③ 特点及应用：
优点： 适用范围广，从极软到极硬材 料都可测量；测量精度高，可 比性强；能测较薄工件。 缺点： 测量操作较麻烦，测量效率低。 广泛用于科研单位和高校，以及 应用： 薄件表面硬度检验。 不适于大批生产和测量组织不均 匀材料。
钢球压头与金 刚石压头
洛氏硬度压痕
②计算公式： HR = (k-h) / 0.002
不写单位 对金刚石圆锥压头： k = 0.2 mm 对钢球压头： k = 0.26 mm
洛氏硬度实验原理
③洛氏硬度值的表示：
70~85HRA 25~100HRB 20~70HRC
注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可 直接比较大小
万能拉伸试验机
圆形拉伸试样
1、强度
—— 指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 破坏的能力。 （1）试样
圆形 矩形 长试样：L0=10d0； 短试样：L0=5d0
（2）拉伸曲线
低碳钢应力-应变图
强度极限B 颈缩阶段
屈服极限S
强化阶段 屈服阶段 弹性极限P 弹性阶段
（3）强度指标
①屈服点——材料产生屈服点的最小应力。
流经 进书愿 你籍知 的之识 心渠之 田而泉 ！奔，
•
常用的硬度指标
洛氏硬度HR 维氏硬度HV
Βιβλιοθήκη Baidu
（1）布氏硬度 HB
布氏硬度计
①试验原理：
用一定直径的压头 （球体），以相应试验 力压入待测表面，保持 规定时间卸载后，测量 材料表面压痕直径，以 此计算出硬度值。
②计算公式：
HBS（HBW） = F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2] 不写单位：kgf/mm2 • 淬火钢球： HBS • 硬质合金钢球： HBW • 当F的单位取N时，加 系数0.102 布氏硬度实验原理
近代工业技术的发展，同样与材料紧密相连， “能源、信息、材料”已成为现代技术的三大 支柱，而前二者的发展均离不开材料。
金属材料 陶瓷材料
工程材料
高分子材料
复合材料
铸铁 黑色金属 金属材料 碳钢 合金钢 铝合金
有色金属
铜合金
其它有色金属 塑料 高分子材料 橡胶 非金属材料 陶瓷材料 复合材料 合成纤维
3、焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件 下焊接成按规定设计要求的构件，并满足
预定服役要求的能力。
4、切削加工性能
切削加工性能是指金属在切削加工时
的难易程度。
思考练习：
1、金属材料的性能主要包含哪两方面？
2、金属材料的使用性能包括哪些？
3、金属材料的工艺性能包括哪些？
4、各种力学性能指标的符号分别是哪些？
有了飞跃的
发展。
中国的航天事业-“神舟”号飞船
―神舟”一号 发射成功 ― 神 舟 ” 一 号 飞 船
神 舟 发二 射号 工” 位飞 船 运 往
―
―神舟”二号发射成 功
中国的航天事业-“神舟”号飞 船
―神舟”三号 发射成功 ― 神 舟 ” 三 号 飞 船 ―神舟”四号 发射成功
― 神 舟 ” 四 号 飞 船
表征金属发生明显塑性变形的抗力。
Fs s MPa S0 ②抗拉强度——材料在拉断前所承受的最大应力。
表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力。
Fb b MPa S0
2、塑性
—— 产生塑性变形而不断裂的能力。
（1）断后伸长率 A = [( Lu - L0 )/ L0 ]×100%
（2）断面收缩率
Z = [( S0 - Su )/S0 ]×100%
A和Z越大，材料的塑性越好。
塑性对材料的意义： 1. 提高安全性 2. 便于压力加工成型 （板金件加工成型）
硬度试验
1、硬度测试的方法有哪些？
2、各测量方法可测得哪些性能指标？
3、它们有何区别？各应用在什么场合？
3、硬度
——指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面 内的能力，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的 性能，是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和 韧性的机械性能指标。 布氏硬度HB
春秋晚期 矿井深达50m 炼铜炉渣多达40万吨
实属罕见
我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学 家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳 热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国
在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。
宋应星
生铁炒熟铁图
新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢
二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，
称作现代文明的三大支柱之一。
前苏联在1957年把第一颗人造卫星送 入太空，令美国人震惊不已，认识到在
前 导弹火箭技术上落后了。因此在其后的 苏 联 十年里，在十多所大学中陆续建立了材 第 一 颗 料科学研究中心，并把约2/3大学的冶 人 金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系 造 卫 星 或材料科学与工程系。其涉及的材料由 及 其 金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。 运 载 火 可见，高技术需要先进材料的支持。 箭
③特点及应用：
优点： 测量误差小（因压痕大），数据稳定，
重复性强。
缺点： 压痕面积较大，测量费时。 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。
（2）洛氏硬度 HR
①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。
力学性能是指金属在力或能的作用下，材料 所表现的性能。它反映了金属材料在各种外力作 用下抵抗变形和破坏的某些能力，是选用金属材 料的重要依据。 （1）拉伸试验
（2）硬度试验
（3）冲击韧度试验
拉伸试验
1、该试验中采用了什么设备和试样？ 2、该拉伸过程中经历了哪几个变形阶段？
3、该试验中可测得哪些性能指标？
5、疲劳强度
(1)疲劳强度（疲劳极限）疲劳试验
疲劳曲线
—— 材料经无限多 次应力循环而不断裂的 最大应力, 用R-1表示。
影响材料疲劳强度的因素：
1. 材质（组织、缺陷、夹杂、……） 2. 设计（尺寸变化、缺口、避免尖角……） 3. 工艺（降低表面粗糙度、表面强化……）
钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作
出过重大贡献。
早在公元前6000~ 5000 年的新石器时代，中华 民族的先人就能用黏土 烧制成陶器，到东汉时 期又出现了瓷器，并流 传海外。
4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、
商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。
司母戊鼎
河南安阳晚商遗址出土
铁器时代
铁器
石器
材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的 标志。
材料的发展与人类社会简图
没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前
的计算机技术。
龙芯
联想计算机
没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的 航空工业和宇航工业。
飞机发动机叶片
波音客机
在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片
没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。
§2-1 金属材料的主要性能指标 一、金属材料的主要性能
1、使用性能 （1）物理性能
密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。
（2）化学性能
化学稳定性
耐腐蚀性 高温抗氧化性
（3）力学性能
强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、断裂韧度
2、工艺性能
铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理性等
二、金属材料的力学性能
青铜铸造
高133厘米
重875kg
饰纹优美
越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器
出土于湖北江陵楚墓
长55.7厘米
剑锷锋芒犀利 锋能割断头发
古代剑刃制造中的特殊技术
梯 度 材 料 古 已 有 之 这 是 古 代 剑 刃 截 面 图
春秋战国时代的
青铜剑，剑身及
剑锋由不同成分 的青铜组成，是
复合材料很好的
例子
黄石铜矿遗址
§2-1 金属材料的主要性能指标
材料的应用及发展：
材料是人类生产和 生活所必须的物质基础。
―神舟”四号飞船成功返 回
锉刀
手 锤
国产涡喷-7涡轮喷气发动机
材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，
历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。
石器时代
青铜器时代
象形尊(西周)
例如： 50HRC<70HRA 50HRB>40HRC
〤 〤
④ 特点及应用：
优点：测量操作简单，压痕小。
缺点： 测量精度较低，可比性差，不同标尺
的硬度值不能比较。 是生产中应用最广 泛的硬度试验方法。 应用：
用于成品检验和薄件表面硬度检验。 不适于测量组织不均匀材料。
（3） 维氏硬度 HV
①试验原理： 与布氏硬度 试验原理基本相 同，只是压头改 用了金刚石四棱 锥体。
(2) 疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处 产生局部永久性累积损伤,经一定循环次 数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂。 疲劳断裂由疲劳裂纹产生—扩展—瞬时 断裂三个阶段组成。
三、金属材料的工艺性能
工艺性能是指金属材料在加工过程中是否易于 成形的能力。
1、铸造性能 金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健 全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、 吸气性、收缩性和偏析等。在金属材料中灰铸铁和 青铜的铸造性能较好。 2、锻造性能 金属材料利用锻压加工方法成形的难易程度称 为锻造性能。锻造性能的好坏主要同金属的塑性和 变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的 锻造性能越好。
冲击韧度试验
1、该试验中采用了什么试样？
2、该试验的原理是什么？
3、该试验可测得什么性能指标？
4、冲击韧度
——材料抵抗冲击载荷而不断裂的能力。
冲击试样
夏比Ｕ形缺口
夏比Ｖ形缺口
试样冲断时所消耗的冲击功A k为: Ak=mgH–m gh (J)
冲击韧度： Rk = Ak/SN
（J/cm2）
Ak ——冲断试样所消耗的冲击功；（J） SN —— 试样缺口处的截面积。 冲击吸收功对材料的意义： 1. Ak 对材料内部缺陷很敏感，可用来鉴定材料的冶金质 量、热加工质量； 2. Ak 随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象 （寒冷地区的机械）。
等大型钢铁基地。钢产量由49年的15.8万吨上升到现
在的一亿吨。
鞍钢
攀钢夜景
原子弹、氢
弹的爆炸， 卫星、飞船 的上天等都 说明了我国 在材料的开 发、研究及
中 国 造 第 卫 一 星 颗 人 中 国 第 一 颗 原 子 弹 爆 炸 中 国 第 一 颗 氢 弹 爆 炸
长 征 火 箭 大 家 族
应用等方面
维 氏 硬 度 计
锥面夹角为136º的金刚石正四棱锥 ② 压头： 体
H V=F/S
③ 特点及应用：
优点： 适用范围广，从极软到极硬材 料都可测量；测量精度高，可 比性强；能测较薄工件。 缺点： 测量操作较麻烦，测量效率低。 广泛用于科研单位和高校，以及 应用： 薄件表面硬度检验。 不适于大批生产和测量组织不均 匀材料。
钢球压头与金 刚石压头
洛氏硬度压痕
②计算公式： HR = (k-h) / 0.002
不写单位 对金刚石圆锥压头： k = 0.2 mm 对钢球压头： k = 0.26 mm
洛氏硬度实验原理
③洛氏硬度值的表示：
70~85HRA 25~100HRB 20~70HRC
注意：HRA、HRB、HRC分别测得的硬度，不可 直接比较大小
万能拉伸试验机
圆形拉伸试样
1、强度
—— 指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 破坏的能力。 （1）试样
圆形 矩形 长试样：L0=10d0； 短试样：L0=5d0
（2）拉伸曲线
低碳钢应力-应变图
强度极限B 颈缩阶段
屈服极限S
强化阶段 屈服阶段 弹性极限P 弹性阶段
（3）强度指标
①屈服点——材料产生屈服点的最小应力。
流经 进书愿 你籍知 的之识 心渠之 田而泉 ！奔，
•
常用的硬度指标
洛氏硬度HR 维氏硬度HV
Βιβλιοθήκη Baidu
（1）布氏硬度 HB
布氏硬度计
①试验原理：
用一定直径的压头 （球体），以相应试验 力压入待测表面，保持 规定时间卸载后，测量 材料表面压痕直径，以 此计算出硬度值。
②计算公式：
HBS（HBW） = F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2] 不写单位：kgf/mm2 • 淬火钢球： HBS • 硬质合金钢球： HBW • 当F的单位取N时，加 系数0.102 布氏硬度实验原理
近代工业技术的发展，同样与材料紧密相连， “能源、信息、材料”已成为现代技术的三大 支柱，而前二者的发展均离不开材料。
金属材料 陶瓷材料
工程材料
高分子材料
复合材料
铸铁 黑色金属 金属材料 碳钢 合金钢 铝合金
有色金属
铜合金
其它有色金属 塑料 高分子材料 橡胶 非金属材料 陶瓷材料 复合材料 合成纤维
3、焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工条件 下焊接成按规定设计要求的构件，并满足
预定服役要求的能力。
4、切削加工性能
切削加工性能是指金属在切削加工时
的难易程度。
思考练习：
1、金属材料的性能主要包含哪两方面？
2、金属材料的使用性能包括哪些？
3、金属材料的工艺性能包括哪些？
4、各种力学性能指标的符号分别是哪些？
有了飞跃的
发展。
中国的航天事业-“神舟”号飞船
―神舟”一号 发射成功 ― 神 舟 ” 一 号 飞 船
神 舟 发二 射号 工” 位飞 船 运 往
―
―神舟”二号发射成 功
中国的航天事业-“神舟”号飞 船
―神舟”三号 发射成功 ― 神 舟 ” 三 号 飞 船 ―神舟”四号 发射成功
― 神 舟 ” 四 号 飞 船
表征金属发生明显塑性变形的抗力。
Fs s MPa S0 ②抗拉强度——材料在拉断前所承受的最大应力。
表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力。
Fb b MPa S0
2、塑性
—— 产生塑性变形而不断裂的能力。
（1）断后伸长率 A = [( Lu - L0 )/ L0 ]×100%
（2）断面收缩率
Z = [( S0 - Su )/S0 ]×100%
A和Z越大，材料的塑性越好。
塑性对材料的意义： 1. 提高安全性 2. 便于压力加工成型 （板金件加工成型）
硬度试验
1、硬度测试的方法有哪些？
2、各测量方法可测得哪些性能指标？
3、它们有何区别？各应用在什么场合？
3、硬度
——指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面 内的能力，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的 性能，是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和 韧性的机械性能指标。 布氏硬度HB
春秋晚期 矿井深达50m 炼铜炉渣多达40万吨
实属罕见
我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学 家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳 热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国
在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。
宋应星
生铁炒熟铁图
新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢
二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，
称作现代文明的三大支柱之一。
前苏联在1957年把第一颗人造卫星送 入太空，令美国人震惊不已，认识到在
前 导弹火箭技术上落后了。因此在其后的 苏 联 十年里，在十多所大学中陆续建立了材 第 一 颗 料科学研究中心，并把约2/3大学的冶 人 金系或矿冶系改建成了冶金材料科学系 造 卫 星 或材料科学与工程系。其涉及的材料由 及 其 金属扩展到了陶瓷和高分子聚合物材料。 运 载 火 可见，高技术需要先进材料的支持。 箭
③特点及应用：
优点： 测量误差小（因压痕大），数据稳定，
重复性强。
缺点： 压痕面积较大，测量费时。 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。
（2）洛氏硬度 HR
①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。
力学性能是指金属在力或能的作用下，材料 所表现的性能。它反映了金属材料在各种外力作 用下抵抗变形和破坏的某些能力，是选用金属材 料的重要依据。 （1）拉伸试验
（2）硬度试验
（3）冲击韧度试验
拉伸试验
1、该试验中采用了什么设备和试样？ 2、该拉伸过程中经历了哪几个变形阶段？
3、该试验中可测得哪些性能指标？
5、疲劳强度
(1)疲劳强度（疲劳极限）疲劳试验
疲劳曲线
—— 材料经无限多 次应力循环而不断裂的 最大应力, 用R-1表示。
影响材料疲劳强度的因素：
1. 材质（组织、缺陷、夹杂、……） 2. 设计（尺寸变化、缺口、避免尖角……） 3. 工艺（降低表面粗糙度、表面强化……）
钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。
中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作
出过重大贡献。
早在公元前6000~ 5000 年的新石器时代，中华 民族的先人就能用黏土 烧制成陶器，到东汉时 期又出现了瓷器，并流 传海外。
4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、
商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。
司母戊鼎
河南安阳晚商遗址出土
铁器时代
铁器
石器
材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的 标志。
材料的发展与人类社会简图
没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前
的计算机技术。
龙芯
联想计算机
没有高温高强度的结构材料，就不可能有今天的 航空工业和宇航工业。
飞机发动机叶片
波音客机
在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片
没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。
§2-1 金属材料的主要性能指标 一、金属材料的主要性能
1、使用性能 （1）物理性能
密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性等。
（2）化学性能
化学稳定性
耐腐蚀性 高温抗氧化性
（3）力学性能
强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、断裂韧度
2、工艺性能
铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理性等
二、金属材料的力学性能
青铜铸造
高133厘米
重875kg
饰纹优美
越王勾践剑
春秋晚期越国青铜兵器
出土于湖北江陵楚墓
长55.7厘米
剑锷锋芒犀利 锋能割断头发
古代剑刃制造中的特殊技术
梯 度 材 料 古 已 有 之 这 是 古 代 剑 刃 截 面 图
春秋战国时代的
青铜剑，剑身及
剑锋由不同成分 的青铜组成，是
复合材料很好的
例子
黄石铜矿遗址