金属材料的机械性能
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第一章 金属材料的机械性 能
机械设计中，材料的选择是按结构材料的力学性能－即机械性能 来进行选择的。
材料的力学性能（机械性能）：即材料抵抗外力的能力。其主要 表现为：在静载荷下，动载荷下，特殊状态载荷下的力学性能。
第一节 静载时材料的机械性能
静载时材料的机械性能指标（力学性能 指标），可用静拉伸试验测定。
注：
＊ E为材料本身的指标，随材料不同而不同。
故各种钢材的弹性模量均为：
E＝190000～220000
（
E 只取决于材料本身，基本不受热处理、
合金化、冷热加工方式的影响。
＊ E的值，随温度T的升高而降低。
）
MP a
N / mm2
（二）强度
强度：外力作用下，材料抵抗变形与断 裂的能力。
衡量强度的指标为：
e
比例极限
：（图 1－1）上P点的应力值，即保持应力与应变成正比
关系的最大应力值。
*
与
，实用中常取相同值。
P
e
P
刚度：在图 1－1上，OP直线的斜 率，是材料的弹性模量E，弹性模量E又称为 刚度，它是表征材料抵抗产生弹性变形的能 力（即衡量材料产生变形难易程度的指标。）。
其定义式为：
E
E愈大，使其产生弹性变形的应力亦愈大，变 形愈困难。
及
概念~。
试验中注意 ： P
F 0
L ，
L 0
应力、应变图（图 1－1）等
一，静载时材料的机械（力学)性能
（一）弹性和刚度
弹性：在应力、应变图上，如加载后应力不超过
，卸载后试
样即可完全恢复原状，这种不产生永久变形的性能，称为弹性。
e
弹性极限 应力值。
：（图 1－1）上E点的应力值，即不产生永久变形的最大
冲击韧性（
）的大小，除取
决于材料本身外，还受温度，试样大小，缺口
形状等的影响。
说明：
1.
不参与零（构）件的设计计算过程。
2. 工 作 时 受 冲 击 的 零 件 ， 进 行 强 度 计 算 时 , 应 按 经 验 选 择 有 一 定
值的材料。如kv：
受冲击的零件，选材
49 J/cm
一般载荷零件，选材
是试样在拉断前的最大应力值，同样是零
（构）件设计、选材的重要指标。
注：＊ /
s
b
强比
的比值称为屈强比。屈
愈小，构件可靠性愈高, 但
材料利
, sb
用率愈低。
＊ 热处理、 合金化、 冷热加工
等对
（三）塑性
塑性：产生塑性变形但不断裂的性能称为塑性。
塑性大小，用伸长率 ，断面收缩率
表示：
L1 L0 L
e
P
,
s
b
二，硬度---静载时材料的局部机械（力学）性能指标
硬度：
是指金属表面抵抗其 它硬物压入的能力，是材料对局部塑性变形的抗力。 随着被测材料的种类，软硬程度、厚薄尺寸的不同， 工程上常用的硬度指标有：
布氏硬度HB，洛氏硬度HRC，肖氏硬度HV， 维氏硬度HS等，各种硬度指标的值之间，可以换算。
（一）布氏硬度HB 定义：见图1－2，以3000kgf的压力P，将直径为D的淬火钢球压入金
属材料表面，得到压痕直径为d，则载荷p与压痕面积的比值，即为布氏硬度 HB值。 实际上由HB的表达式可知，测得压痕直径d的数值，即可求出布氏硬 度值。 注：
太薄、太硬（ HB450）的材料不易采用布氏硬度。
（二）洛氏硬度
＝29～49 J/cm
3. 实际中，常用冲击试验来检验: kv
①材料的组织均匀性、白点、裂纹等。
②用来检验材料的热处理质量如：回火 kv
2
脆性，晶粒大小等。
2
kv
二，疲劳强度
疲劳断裂现象：零件工作时承受交变载荷，
即使交变应力往往低于 s
，但经一定循环次数
后便发生的断裂现象。
原因：材料内部缺陷，加工过程中的外伤、 划痕，设计不合理引起的应力集中等。
屈服 强s 度
强度
，b 抗拉
1. 屈服强度 s ：
即（图 1－1）上，S点的应力，表示
材料在外力作用下开始产生塑性变形的
最
低应力值。
零（构）件在工作中一般不允
许产生
s
塑性变形。
因此,
是零（构）件设计
计算时的主
要参数，是材料选择的重要指标。
2. 抗拉强度 ： b 即图 （1－1）上，B点的应力，
HB约为 / 3.4 b
HB约为 / 3.25 b HB约为 b / 0.26
HB约为
/ 0.55 b
这 些 关 系 可 用 于 热 处 理 后 零件b 实 际
值的测定，即可用实测零件硬度值的方法来确 定零件的实际强度，同时判断零件的热处理质 量。
第二节 动载荷：主要有两种形式： 动载时材料的机械性能
洛氏硬度，随测试时使用的压头及施加压力 的不同，分为HRA、HRB、HRC等三种硬度指标，最常 用的为HRC。
HRC
P=150kgf 金刚石锥头（顶角
）用压痕深h
值标定,压痕越深，硬度1越20低0 。
HRA
P=60kgf 金刚石锥头（顶角
h
1200
）用压痕深
值标定,压痕越深，硬度越低。
注：HRC，HRA用于渗碳层，表面淬火层，硬质合
疲劳强度：指在一定应力循环次数下， 不发生断裂的最大应力。
常用疲劳强度指标为 ：
1
――对称循环疲劳强度
1
――脉动循环疲劳强度
一定应力循环次数：即循环基数N（见后图
1 － 4 ） ， (N钢 107
属
)。
N 10,8 有 色 金
说明：
度
，
冲击韧kv 性（
）
，疲1
劳Βιβλιοθήκη Baidu
强1
100 00
0
注：＊
F F
0
，F
1 的1值00愈00 大，材料塑性愈好。
0
需承受各种变形加工与冲击载荷的零件应具
有一定的塑性 。
, ＊ ， 虽然与 ， ，
一样，是材料的力学性能指
标，但在零（构） 件的设计中，e 却不参P 与强度计s 算过程b 。
另： ， ， ， ，
均为材料的整体强度标。
金材料的硬度表示。
HRB
P=100kgf D＝1.588mm钢球 用压痕
深h值标定,压痕越深，硬度越低。
HRB适用于软铜,铜合金材料的硬度表示。
说明：
1 各种硬度值之间有换算关系。
2 材料的硬度HB与
值之间亦有换
算关系，如：
b
低碳钢 高碳钢 调质合金钢
铝铸件 退火青铜、黄铜
HB约为 / 3.6 b
冲击：以较高速度施加到零件上的载荷。 交变载荷：其大小与方向作周期性变化的载荷。
一， 冲击韧性（
）
kv
定义：即指材料抵抗冲击的能力，kv
用
的值表示。由其测量方法（见图1
－3）确定的计算式为 ：
GH GH
J/cm kv
1
F
2 9.8
2
2
2
式中单位： 1 J/cm ＝0.1kgf、m/cm
kv
机械设计中，材料的选择是按结构材料的力学性能－即机械性能 来进行选择的。
材料的力学性能（机械性能）：即材料抵抗外力的能力。其主要 表现为：在静载荷下，动载荷下，特殊状态载荷下的力学性能。
第一节 静载时材料的机械性能
静载时材料的机械性能指标（力学性能 指标），可用静拉伸试验测定。
注：
＊ E为材料本身的指标，随材料不同而不同。
故各种钢材的弹性模量均为：
E＝190000～220000
（
E 只取决于材料本身，基本不受热处理、
合金化、冷热加工方式的影响。
＊ E的值，随温度T的升高而降低。
）
MP a
N / mm2
（二）强度
强度：外力作用下，材料抵抗变形与断 裂的能力。
衡量强度的指标为：
e
比例极限
：（图 1－1）上P点的应力值，即保持应力与应变成正比
关系的最大应力值。
*
与
，实用中常取相同值。
P
e
P
刚度：在图 1－1上，OP直线的斜 率，是材料的弹性模量E，弹性模量E又称为 刚度，它是表征材料抵抗产生弹性变形的能 力（即衡量材料产生变形难易程度的指标。）。
其定义式为：
E
E愈大，使其产生弹性变形的应力亦愈大，变 形愈困难。
及
概念~。
试验中注意 ： P
F 0
L ，
L 0
应力、应变图（图 1－1）等
一，静载时材料的机械（力学)性能
（一）弹性和刚度
弹性：在应力、应变图上，如加载后应力不超过
，卸载后试
样即可完全恢复原状，这种不产生永久变形的性能，称为弹性。
e
弹性极限 应力值。
：（图 1－1）上E点的应力值，即不产生永久变形的最大
冲击韧性（
）的大小，除取
决于材料本身外，还受温度，试样大小，缺口
形状等的影响。
说明：
1.
不参与零（构）件的设计计算过程。
2. 工 作 时 受 冲 击 的 零 件 ， 进 行 强 度 计 算 时 , 应 按 经 验 选 择 有 一 定
值的材料。如kv：
受冲击的零件，选材
49 J/cm
一般载荷零件，选材
是试样在拉断前的最大应力值，同样是零
（构）件设计、选材的重要指标。
注：＊ /
s
b
强比
的比值称为屈强比。屈
愈小，构件可靠性愈高, 但
材料利
, sb
用率愈低。
＊ 热处理、 合金化、 冷热加工
等对
（三）塑性
塑性：产生塑性变形但不断裂的性能称为塑性。
塑性大小，用伸长率 ，断面收缩率
表示：
L1 L0 L
e
P
,
s
b
二，硬度---静载时材料的局部机械（力学）性能指标
硬度：
是指金属表面抵抗其 它硬物压入的能力，是材料对局部塑性变形的抗力。 随着被测材料的种类，软硬程度、厚薄尺寸的不同， 工程上常用的硬度指标有：
布氏硬度HB，洛氏硬度HRC，肖氏硬度HV， 维氏硬度HS等，各种硬度指标的值之间，可以换算。
（一）布氏硬度HB 定义：见图1－2，以3000kgf的压力P，将直径为D的淬火钢球压入金
属材料表面，得到压痕直径为d，则载荷p与压痕面积的比值，即为布氏硬度 HB值。 实际上由HB的表达式可知，测得压痕直径d的数值，即可求出布氏硬 度值。 注：
太薄、太硬（ HB450）的材料不易采用布氏硬度。
（二）洛氏硬度
＝29～49 J/cm
3. 实际中，常用冲击试验来检验: kv
①材料的组织均匀性、白点、裂纹等。
②用来检验材料的热处理质量如：回火 kv
2
脆性，晶粒大小等。
2
kv
二，疲劳强度
疲劳断裂现象：零件工作时承受交变载荷，
即使交变应力往往低于 s
，但经一定循环次数
后便发生的断裂现象。
原因：材料内部缺陷，加工过程中的外伤、 划痕，设计不合理引起的应力集中等。
屈服 强s 度
强度
，b 抗拉
1. 屈服强度 s ：
即（图 1－1）上，S点的应力，表示
材料在外力作用下开始产生塑性变形的
最
低应力值。
零（构）件在工作中一般不允
许产生
s
塑性变形。
因此,
是零（构）件设计
计算时的主
要参数，是材料选择的重要指标。
2. 抗拉强度 ： b 即图 （1－1）上，B点的应力，
HB约为 / 3.4 b
HB约为 / 3.25 b HB约为 b / 0.26
HB约为
/ 0.55 b
这 些 关 系 可 用 于 热 处 理 后 零件b 实 际
值的测定，即可用实测零件硬度值的方法来确 定零件的实际强度，同时判断零件的热处理质 量。
第二节 动载荷：主要有两种形式： 动载时材料的机械性能
洛氏硬度，随测试时使用的压头及施加压力 的不同，分为HRA、HRB、HRC等三种硬度指标，最常 用的为HRC。
HRC
P=150kgf 金刚石锥头（顶角
）用压痕深h
值标定,压痕越深，硬度1越20低0 。
HRA
P=60kgf 金刚石锥头（顶角
h
1200
）用压痕深
值标定,压痕越深，硬度越低。
注：HRC，HRA用于渗碳层，表面淬火层，硬质合
疲劳强度：指在一定应力循环次数下， 不发生断裂的最大应力。
常用疲劳强度指标为 ：
1
――对称循环疲劳强度
1
――脉动循环疲劳强度
一定应力循环次数：即循环基数N（见后图
1 － 4 ） ， (N钢 107
属
)。
N 10,8 有 色 金
说明：
度
，
冲击韧kv 性（
）
，疲1
劳Βιβλιοθήκη Baidu
强1
100 00
0
注：＊
F F
0
，F
1 的1值00愈00 大，材料塑性愈好。
0
需承受各种变形加工与冲击载荷的零件应具
有一定的塑性 。
, ＊ ， 虽然与 ， ，
一样，是材料的力学性能指
标，但在零（构） 件的设计中，e 却不参P 与强度计s 算过程b 。
另： ， ， ， ，
均为材料的整体强度标。
金材料的硬度表示。
HRB
P=100kgf D＝1.588mm钢球 用压痕
深h值标定,压痕越深，硬度越低。
HRB适用于软铜,铜合金材料的硬度表示。
说明：
1 各种硬度值之间有换算关系。
2 材料的硬度HB与
值之间亦有换
算关系，如：
b
低碳钢 高碳钢 调质合金钢
铝铸件 退火青铜、黄铜
HB约为 / 3.6 b
冲击：以较高速度施加到零件上的载荷。 交变载荷：其大小与方向作周期性变化的载荷。
一， 冲击韧性（
）
kv
定义：即指材料抵抗冲击的能力，kv
用
的值表示。由其测量方法（见图1
－3）确定的计算式为 ：
GH GH
J/cm kv
1
F
2 9.8
2
2
2
式中单位： 1 J/cm ＝0.1kgf、m/cm
kv