第1章工程材料的主要性能

标尺符号 HRA HRB HRC
常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围
所用压头
总载荷 测量范围 （kgf） （HR）
应用范围
120˚金刚石圆锥
60
60~85 硬质合金、淬火工具钢、表面硬化钢
1/16″（Φ1.588mm）钢球
100
25~100
软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁
120˚金刚石圆锥
150
20~70
220
5、冲击韧性(toughness )
冲击试验机
试样冲断时所消耗的冲击功Ak为: αK＝Ak/FN Ak=(GH1-GH2) 单位：J 或 kg．m
冲击试样和冲击试验示意图
221
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
冲击韧性是衡量零件在使用安全性，以及检测材料脆性断裂倾 向的主要指标；塑性良好的材料其韧性也好
标准压力：<100kgf
适用材料：软硬金属、 陶瓷材料 用HV表示
维氏硬度广泛用来测定金属薄镀层或化学热处理后表面层的硬度 ，以及较小工件的硬度试验。
118
119
动载时材料的力学性能
冲击试验是一种动态力学试验，它是将一定形状及尺寸的试 样放置在冲击试验机的固定支座上，然后将具有一定位能的摆锤 释放，使试样在冲击弯曲负荷作用下断裂。
标准拉伸试样和实验方法
4
强 度(strength)
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。
金属变形的三个阶段： ⅰ）弹性变形 ⅱ）弹－塑性变形 ⅲ）断裂
5
应力—应变曲线
F 屈服
s
弹
e
性
变
形O
塑 性
变b
金属的力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的力学行 为，宏观上一般表现为金属的变形和断裂。
常用力学性能指标包括强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和 缺口敏感性等。 （2）工艺性能——反应金属材料在被制成各种零件、构件和工具 的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、压 力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。
2
金属材料的力学性能
静载时材料的力学性能 静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性） 硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）
动载时材料的力学性能 冲击韧性（αKU） 疲劳强度
高温力学性能（蠕变、其它力学性能）
3
静载时材料的力学性能
金属的拉伸试验试样和试验方法，新标准为GB/T 2282002《金属材料室温拉伸试验方法》，旧标准为GB 6397-86 《金属拉伸试验试样》和GB 228-87《金属拉伸试验方法》。
σs = Fc/S0 (MPa)
（3）抗拉强度σs 拉伸试验时试样拉断过程中最大 试验力所对应的应力。
σb= Fm/S0 (MPa)
当外加应力大于材料的抗拉强度 时，材料发生断裂现象
8
强 度(strength)
9
3.塑性(plasticity)
材料在外力作用下产生塑性变 形而不断裂的能力。 （1）伸长率（specific
N1 N2 Nn
Nc
疲劳曲线
N
224
1.2. 物理、化学性能
物理性能
导电性 导热性 耐热性 磁性 热膨胀性 相对密度 熔点 …
化学性能
耐蚀性 耐候性 高温抗氧化性 …
225
1.3.工艺性能 1、铸造性能 材料用铸造方法制成优良
性能铸件的难易程度。
汽缸体铸件
铸 造 成 端形盖铸件
226
2、塑性成形性能
222
6.疲劳强度 材料在交变载荷应力反复作用下不致断裂的能力.
疲劳试验原理示意图
223
动载时材料的力学性能
钢铁材料：循环次数达到107次时的最大应力作为疲劳强度；
有色金属及其合金：循环次数达到108时的最大应力作为疲劳
强度。
σ-1= 0.45～0.55 σb
1 2
n
-1
钢铁材料：107次 非铁合金：108次
112
4.硬度 ( hardness )
材料抵抗局部塑性变形 的能力
硬度影响材料的切削加工 性能、零件的耐磨性和使 用性能
测试方法：压入法 主要采用两种硬度指标量： 布氏硬度和洛氏硬度。
布氏硬度计
113
布氏硬度（HB）
试验规范： 压头材料：淬火钢球或硬质 合金球 压头直径：10、5、2.5、1mm 标准压力：一定压力(3000kgf)
适用材料：未淬火钢、铸铁、有色金属
2P(kgf) HB
D(D- D2-d2)
HB 0.102 2P(N)
D(-DD2-d2)
114
静载时材料的力学性能
布氏硬度（HBW）
布氏硬度测量，适用于未经淬火钢、铸铁、有色金属及质 地较软的轴承合金等材料。由于布氏硬度试验是所有硬度试验 中压痕最大的一种试验方法，试验力最大达3000kgf,压痕不受 试样显微组织偏析、晶粒粗大及成分不均匀的影响，能综合反 映出材料的硬度性能，能最准确地反映出铸铁、铸钢、锻材等 粗大晶粒材料的真实硬度。是一种高精度的硬度试验方法，克 服了一般便携硬度计（如里氏硬度计）换算比对，误差很大的 缺点。在冶金、锻造、铸造、未经淬火钢及有色金属等工业领 域内广泛使用。
第一章 工程材料的主要性能
1、教学要求 了解工程材料使用性能（力学性能、物理性能、化学性
能）、工艺性能的含义。 重点了解强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度的概念与
测试方法 2、学时安排 1学时
1
1.金属材料的性能
金属材料的性能——用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。 两个方面： （1）使用性能——包括力学、物理、化学等方面的性能。
根据金属材料软硬程度不一，可选 用不同的压头和载荷配合使用，测得的 硬度值分别用不同的符号来表示。
HR K h 0.002
F
h
式中K为常数，用金刚石圆锥压头时，K= 0.2mm；用淬火钢球压头时，K= 0.26 mm。 洛氏硬度试验原理示意图
116
静载时材料的力学性能
采用不同的压头和总载荷组合作试验时，得到几种不同的 洛氏硬度标度。其中最常用的是HRA﹑HRB和HRC三种
elongation）
A Lu L0 10% 0 L0
（2）断面收缩(percentage reduction in area)
Z S0Su 10% 0 S0
110
拉
伸
塑性的技术意义：
试
（1）塑性良好是金属
样
进行压力加工的必要条
的
件；
颈
（2）塑性良好是材料
缩
安全使用的标志
现
象
111
静载时材料的力学性能
在弹性变形阶段，应力与应变之间符合虎克定律所表示的 正比关系，
拉伸时： σ= Eε ；剪切时： = Gγ
E和G分别为拉伸弹性模量和切变模量。 刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐 渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化 等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面 形状来提高零件的刚度。
115
静载时材料的力学性能
洛氏硬度
洛氏硬度试验法是目前生产检验中应用最广泛的硬度试验方法。 洛氏硬度试验原理与布氏硬度不同，它是用一个顶角为120˚的金刚 石圆锥体或直径为1.588 mm的淬火钢球为压头，用初始载荷F1和主 载荷F2两次将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除主 载荷F2，测量压痕深度，并经过计算得出硬度值。
形
缩颈
Fs Fb
断裂
k
L
6
强 度(strength)
1、强度 材料抵抗塑性变形和断裂 的能力
2、强度的指标
(1)弹性极限σe
材料由弹性变形过渡到 塑性变形的应力
σe = Fe/S0 (MPa)
当外加的应力超过弹性 极限以后，材料便开始 发生塑性变形。
7
强 度(strength)
（2）屈服强度σs 把在外力不增加（出现平台） 仍能继续伸长时的应力称为屈 服点或屈服强度。
用梅氏试样试验时，把冲断试样所消耗的功Ak（单位：J）， 除以试样断口处的横截面积FN（单位：cm2）所得的商称为冲击 韧性（或冲击值），以ak表示。
ak=（Ak/FN）kgf·m/cm2= （Ak/FN）J/cm2 金属在常温下的冲击试验较为简便易行，其冲击韧性对材 料的冶金质量﹑宏观缺陷﹑显微组织等十分敏感。它表示材料抵 抗冲击载荷而不被破坏的能力
材料用压力加工方法加工或成型的难易程度。
锻造
wk.baidu.com
冲压
锻压成形
锻件
冲压件
227
3、焊接性能 材料用一般焊接方法焊成优良接头的难
易程度。
焊接示范
焊接容器
228
4、切削加工性能 材料进行各种高质量切削加工的难易程度 。
车床
数控铣床
229
无悔无愧于昨天，丰硕殷实 的今天，充满希望的明天。
30
淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢
洛氏硬度试验法
优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面或较薄的 金属上进行试验。
缺点：压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得 的硬度值重复性差，分散度大，另不同的标度测定 的硬度值不能直接进行比较。
117
维氏硬度（HV）
试验规范：
压头材料： 136°金刚石四棱锥