§2-1 金属材料的主要性能指标
第1章金属材料的性能与结构
1．晶体结构的基本知识
由于晶体原子排列呈周期性，因此， 可以从晶格中选取一个能够完全反应晶 格中原子排列特征的最小的几何单元， 来分析晶体中原子排列的规律性，这个 最小的几何单元称为晶胞 。
1．晶体结构的基本知识
晶格
晶胞
1．晶体结构的基本知识
Z c
α
β a
X a γ
b
Y
图1-9 晶胞的晶格常数和轴间夹角的表示法
（）
MPa
b
s
e
b
s
e
应变（%）
图1-2 单轴拉伸曲线示意图
2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？ 塑性是指金属材料在外力作用下，发生 永久变形而不破坏的能力。在工程中常用 塑性指标来判断金属材料的可成形性，常 用伸长率和断面收缩率来表征。 伸长率指试样在拉伸过程中，拉断标距长 度的延长值（见图1-1）与原始标距长度的 比值，即：
1.2.1 金属
在固态金属中，吸引力与排斥力的大 小以及它们的结合能量都随原子间距离 的变化而发生改变。这样就存在一个原 子间距，此时原子间相互排斥力与吸引 力相等，原子处于稳定平衡状态，该原 子间距即为平衡距离，这时原子之间的 结合能为最低，系统此时最稳定。
1.2.2 金属的晶体结构
1．晶体结构的基本知识 2. 常见金属的晶体结构 3. 晶面指数和晶向指数
第1章 金属材料的性能与结构
§1.1 金属材料的性能 §1.2金属的晶体结构
§1.3合金的相结构
1.1 金属材料的性能
金属材料是金属元素或以金属元素为 主构成的具有金属特性的材料的统称。 金属材料一般分为：黑色金属和有色 金属，黑色金属有钢、铸铁、铬、锰； 其他的金属，如铝、镁、铜、锌等及其 合金都为有色金属。 金属材料的性能包括：力学性能、物 理化学性能、工艺性能、经济性能等。
2.2金属的力学性能
30
<140 非铁 金属 >130
10 30
12 30
36～130 8～35
10 2.5
30 60
3、表示方法
XXX HBS(W) XX / XXX / XX
硬度值 试验力保持 压头直径（mm ） 实验力（N） G=mg(g=9.807) 表示用直径5mm硬质合金球在7355N试验力作用下保持 10~15s测得的布氏硬度值为500 表示用直径10mm钢球压头在9807N试验力作用下保持30s 测得的布氏硬度值为120
除低碳钢、中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，对于 大多数没有明显的屈服现象的金属材料。 定义：条件屈服强度： Rp0.2（ σ0.2 指出： 是工程技术中最重要的机械性能指标之一；
）
规定：产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度。
是设计零件时作为选用金属材料的重要依据。
• 工程上各种构件或机器零件工作时均不允许 发生过量塑性变形，因此屈服强度ReL和规定 残余延伸强度Rp0.2是工程技术上重要的力学 性能指标之一，也是大多数机械零件选材和 设计的依据。
• ReL 和Rp0.2 常作为零件选材和设计的依据。 • 传统的强度设计方法，对韧性材料，以屈服 强度为标准，规定许用应力[σ ]= ReL /n， 安全系数n一般取2或更大。
3）抗拉强度
定义：指在外力作用下由产生大量塑性变形到断裂前所承受的
最大应力，故又称强度极限。 公式：
Fm Rm 或 S0
菏泽高级技工学校
想一想：
1、金属材料受力后会有什么反应？
2、金属的力学性能的指标一般有哪些？ 怎样获得这些指标？
3、金属材料为什么会发生断裂？
§2-2金属的力学性能
电工电子技术与技能(高教版)金属材料的力学性能
第一章金属材料的力学性能【教学组织】1．提问5分钟2．讲解75分钟3．小结5分钟4．布置作业5分钟【教学重点与难点】1．重点：金属材料的强度与塑性、硬度2．难点：韧性、疲劳现象和疲劳强度【教学方法与教学手段】1．利用试样、挂图等教具。
2．利用多媒体资料进行短时演示。
【教学内容】金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。
●使用性能是指金属材料为保证机械零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。
使用性能包括力学性能（或机械性能）、物理性能和化学性能等。
●工艺性能是指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属材料采用某种成形加工方法制成成品的难易程度。
工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。
第一节金属材料的强度与塑性一、力学性能的概念●金属材料的力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能，又称机械性能，主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。
注：根据载荷性质，零件受力情况可分为静载荷和动载荷两类。
静载荷是指逐渐而缓慢地作用在工件上的力，如机床床头箱对床身的压力、钢索的拉力、梁的弯矩、轴的扭矩和剪切力等。
动载荷包括冲击载荷和交变载荷等，如空气锤锤杆所受的冲击力；齿轮、曲轴、弹簧等零件所受的大小与方向是随时间周期变化的载荷等。
●物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力称为内力。
●单位面积上的内力称为应力σ(N/mm2或Mpa）。
●材料在外力作用下引起形状和尺寸改变，称为变形，包括弹性变形（卸载后可恢复原来形状和尺寸）和塑性变形（卸载后不能完全恢复原来形状和尺寸）。
●应变є是指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。
二、拉伸试验过程分析●拉伸试验是指用静（缓慢）拉伸力对试样进行轴向拉伸，通过测量拉伸力和伸长量，测定试样强度、塑性等力学性能的试验。
圆柱形拉伸试样分为短圆柱形试样和长圆柱形试样两种。
金属力学性能
钢材的循环次数一般取 N = 107 有色金属的循环次数一般取 N = 108
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σ b
1943年美国T-2油轮发生断裂
1.2 金属的工艺性能
• 金属工艺性能是指金属材料在加工过程中是否易于加 工成形的能力。
1、铸造性能：金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件 的能力称为铸造性能。主要指标有流动性、收缩性和 偏析倾向等。
塑性指标不直接用于计算，但任何零件都需要一定
塑性。防止过载断裂；塑性变形可以缓解应力集中、 削减应力峰值。
硬度
硬度 是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力
布氏硬度HB • 常用测量硬度的方法 洛氏硬度HR
维氏硬度HV
(1)布氏硬度 HB
布氏硬度计
(1)布氏硬度 HB
适用范围: ❖ ＜450HBS; ❖ ＜650HBW;
应 力
• 定义 : 单位面积上的内力。 • 金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面
积上的应力按下式计算：
式中 σ——应σ力= F（/SMP a） ；FS
F——外力（N）；
S ——横截面积（mm2）。
拉伸图
• 拉伸试样
按照国家标准（GB/T 228－2002）常用的拉 伸试样图：
这一 晚，有 约。 从茶 山行开 始，她 隐约觉 得，他 选择这 一组， 是因为 她。 而 晚 上 他 约 的人， 是她？ 她有一 个瞬间 ，闪过 不去的 念头， 实在是 很累很 累了。 不 去 ， 就 不 会再遇 ，缘分 也就生 出间隙 ，擦肩 而过。 但是， 她也很 想知道 ，那是 不 是完完 全全的 一种错 觉。 事实 上，当 然是去 了。 她才 下车就 吐了一 地， 她 都 还 坚 持 。她有 什么理 由拒绝 。大家 对他的 印象， 自然都 极好。 他 绅 士 的 为 她们打 开车门 ，发动 车子对 她们说 ，开始 想带她 们喝茶 ，后来 因为还 有朋友 约， 所 以 ， 带 他 们到了 歌厅， 都好， 是她们 都喜欢 的。 她 不 能 喝酒 ，还是 喝了很 多 ， 热 热 闹 闹的性 格，总 是担心 冷场， 有时候 ，有事 没事的 热闹。 还好， 他一直 坐 在 她 身 边 ，对她 的关心 ，一点 没有掩 饰。 那 一 刻 ，总 觉得， 在他的 眼里， 只 有 她 ， 这 难道真 的是， 一种错 觉。 他 给 她 倒了 牛奶， 她第一 时间递 给了同 伴 ， 爱 的 传 递不过 如此， 你关心 我，我 关心着 身边的 伙伴， 因为关 心，像 了半个 主 人。 呵护 ，因为 懂得。 总 之，感 觉不同 。不然 ，早走 的人， 应该是 她， 很 累 很 累 。 事 实 上 ， 玩高兴 了。 当 那 个 女子 ，唱《 相见恨 晚》， 她就觉 得 ， 她 们 会 喜欢同 样的歌 ，约那 个女子 同唱一 曲，那 个女子 说，唱 《趁早 》吧，
金属材料的种类特性和性能
全了！金属材料的种类、特质和性能有哪些2015-01-18金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料）意义人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显着标志。
现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
（1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
（2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
（3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
性能一般分为工艺性能和使用性能两类。
所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。
金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。
由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。
所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。
金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。
材料的常用力学性能有哪些
材料的常用力学性能有哪些材料的常用力学性能指标有哪些材料在一定温度条件和外力作用下,抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能.锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括:强度、硬度、塑性和韧性等.(1)强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力.强度指标是设计中决定许用应力的重要依据,常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb,高温下工作时,还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD.(2)塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力.塑性指标包括:伸长率δ,即试样拉断后的相对伸长量;断面收缩率ψ,即试样拉断后,拉断处横截面积的相对缩小量;冷弯(角)α,即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度.(3)韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力.韧性常用冲击功Ak和冲击韧性值αk表示.Αk值或αk值除反映材料的抗冲击性能外,还对材料的一些缺陷很敏感,能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化.而且Ak对材料的脆性转化情况十分敏感,低温冲击试验能检验钢的冷脆性.表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ,它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力.(4)硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标.硬度试验的方法较多,原理也不相同,测得的硬度值和含义也不完全一样.最常用的是静负荷压入法硬度试验,即布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)、维氏硬度(HV),其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力.而肖氏硬度(HS)则属于回跳法硬度试验,其值代表金属弹性变形功的大小.因此,硬度不是一个单纯的物理量,而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标.力学性能主要包括哪些指标材料的力学性能是指材料在不同环境(温度、介质、湿度)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征.性能指标包括:弹性指标、硬度指标、强度指标、塑性指标、韧性指标、疲劳性能、断裂韧度.钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能.金属材料的力学性能指标有哪些一:弹性指标1.正弹性模量2.切变弹性模量3.比例极限4.弹性极限二:强度性能指标1.强度极限2.抗拉强度3.抗弯强度4.抗压强度5.抗剪强度6.抗扭强度7.屈服极限(或者称屈服点)8.屈服强度9.持久强度10.蠕变强度三:硬度性能指标1.洛氏硬度2.维氏硬度3.肖氏硬度四:塑性指标1:伸长率(延伸率)2:断面收缩率五:韧性指标1.冲击韧性2.冲击吸收功3.小能量多次冲击力六:疲劳性能指标1.疲劳极限(或者称疲劳强度) 七:断裂韧度性能指标1.平面应变断裂韧度2.条件断裂韧度衡量钢材力学性能的常用指标有哪钢材的力学性能是指标准条件下钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能和冲击韧性等,也称机械性能.1. 屈服强度钢材单向拉伸应力—应变曲线中屈服平台对应的强度称为屈服强度,也称屈服点,是建筑钢材的一个重要力学特征.屈服点是弹性变形的终点,而且在较大变形范围内应力不会增加,形成理想的弹塑性模型.低碳钢和低合金钢都具有明显的屈服平台,而热处理钢材和高碳钢则没有.2. 抗拉强度单向拉伸应力—应变曲线中最高点所对应的强度,称为抗拉强度,它是钢材所能承受的最大应力值.由于钢材屈服后具有较大的残余变形,已超出结构正常使用范畴,因此抗拉强度只能作为结构的安全储备.3. 伸长率伸长率是试件断裂时的永久变形与原标定长度的百分比.伸长率代表钢材断裂前具有的塑性变形能力,这种能力使得结构制造时,钢材即使经受剪切、冲压、弯曲及捶击作用产生局部屈服而无明显破坏.伸长率越大,钢材的塑性和延性越好.屈服强度、抗拉强度、伸长率是钢材的三个重要力学性能指标.钢结构中所有钢材都应满足规范对这三个指标的规定.4. 冷弯性能根据试样厚度,在常温条件下按照规定的弯心直径将试样弯曲180°,其表面无裂纹和分层即为冷弯合格.冷弯性能是一项综合指标,冷弯合格一方面表示钢材的塑性变形能力符合要求,另一方面也表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂等)符合要求.重要结构中需要钢材有良好的冷、热加工工艺性能时,应有冷弯试验合格保证.5. 冲击韧性冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力,它用钢材断裂时所吸收的总能量来衡量.单向拉伸试验所表现的钢材性能都是静力性能,韧性则是动力性能.韧性是钢材强度、塑性的综合指标,韧性越低则发生脆性破坏的可能性越大.韧性值受温度影响很大,当温度低于某一值时将急剧下降,因此应根据相应温度提出要求.力学性能指标符号是什么?任何机械零件或工具,在使用过程中,往往要受到各种形式外力的作用.如起重机上的钢索,受到悬吊物拉力的作用;柴油机上的连杆,在传递动力时,不仅受到拉力的作用,而且还受到冲击力的作用;轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等.这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力.这种能力就是材料的力学性能.金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标.1.1.1 强度强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力.强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示,符号为σ,单位为MPa.工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度.屈服强度是指金属材料在外力作用下,产生屈服现象时的应力,或开始出现塑性变形时的最低应力值,用σs表示.抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下,被拉断前所能承受的最大应力值,用σb表示.对于大多数机械零件,工作时不允许产生塑性变形,所以屈服强度是零件强度设计的依据;对于因断裂而失效的零件,而用抗拉强度作为其强度设计的依据.1.1.2 塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力.工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率.伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率,用符号δ表示.断面收缩率指试样拉断后,断面缩小的面积与原来截面积之比,用y表示.伸长率和断面收缩率越大,其塑性越好;反之,塑性越差.良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件,也是保证机械零件工作安全,不发生突然脆断的必要条件.1.1.3 硬度硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力.硬度的测试方法很多,生产中常用的硬度测试方法有布氏硬度测试法和洛氏硬度试验方法两种.(一)布氏硬度试验法布氏硬度试验法是用一直径为D的淬火钢球或硬质合金球作为压头,在载荷P的作用下压入被测试金属表面,保持一定时间后卸载,测量金属表面形成的压痕直径d,以压痕的单位面积所承受的平均压力作为被测金属的布氏硬度值.布氏硬度指标有HBS和HBW,前者所用压头为淬火钢球,适用于布氏硬度值低于450的金属材料,如退火钢、正火钢、调质钢及铸铁、有色金属等;后者压头为硬质合金,适用于布氏硬度值为450~650的金属材料,如淬火钢等.布氏硬度测试法,因压痕较大,故不宜测试成品件或薄片金属的硬度.(二)洛氏硬度试验法洛氏硬度试验法是用一锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为f1.558mm(1/16英寸)的淬火钢球为压头,以一不定的载荷压入被测试金属材料表面,根据压痕深度可直接在洛氏硬度计的指示盘上读出硬度值.常用的洛氏硬度指标有HRA、HRB和HRC三种.采用120°金刚石圆锥体为压头,施加压为600N时,用HRA表示.其测量范围为60~85,适于测量合金、表面硬化钢及较薄零件.采用f1.588mm淬火钢球为压头,施加压力为1000N时,用HRC表示,其测量硬度值范围为25~100,适于测量有色金属、退火和正火钢及锻铁等.采用120°金刚石圆锥体为压头,施加压力为1500N时,用HRC表示,其测量硬度值范围为20~67,适于测量淬火钢、调质钢等.洛氏硬度测试,操作迅速、简便,且压痕小不损伤工件表面,故适于成品检验.硬度是材料的重要力学性能指标.一般材料的硬度越高,其耐磨性越好.材料的强度越高,塑性变形抗力越大,硬度值也越高.1.1.4 冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性,用ak表示,单位为J/cm2.冲击韧性常用一次摆锤冲击弯曲试验测定,即把被测材料做成标准冲击试样,用摆锤一次冲断,测出冲断试样所消耗的冲击AK,然后用试样缺口处单位截面积F上所消耗的冲击功ak表示冲击韧性.ak值越大,则材料的韧性就越好.ak值低的材料叫做脆性材料,ak值高的材料叫韧性材料.很多零件,如齿轮、连杆等,工作时受到很大的冲击载荷,因此要用ak值高的材料制造.铸铁的ak值很低,灰口铸铁ak值近于零,不能用来制造承受冲击载荷的零件.低碳钢的力学性能指标低碳钢由于含碳量低,它的延展性、韧性和可塑性都是高于铸铁的,拉伸开始时,低碳钢试棒受力大,先发生变形,随着变形的增大,受力逐渐减小,当试棒断开的瞬间,受力为“0”,其受力曲线是呈正弦波>0的形状.铸铁由于轫性差,拉伸开始时,受力是逐步加大的,当达到并超过它的拉伸极限时,试棒断开,受力瞬间为“0”,其受力曲线是随受力时间延长,一条直线向斜上方发展,试棒断开,直线垂直向下归“0”.同样的道理:低碳钢抗压缩的能力比铸铁要低,当对低碳钢试块进行压缩实验时,受力逐渐加大,试块随外力变形,当试块变形达到极限时,其受力也达到最大值,其受力曲线是一条向斜上方的直线.铸铁则不然,开始时与低碳钢受力情况基本相同,只是当铸铁试块受力达到本身的破坏极限时,受力逐渐减小,直到试块在外力下被破坏(裂开),受力为“0”其受力曲线与低碳钢拉伸时的受力曲线相同.以上就是低碳钢和铸铁在拉伸和压缩时力学性质的异同点.简述常用力学性能指标在选材中的意义?钢材常见的力学性能通俗解释归为四项,即:强度、硬度、塑性、韧性.简单的可这样解释:强度,是指材料抵抗变形或断裂的能力.有二种:屈服强度σb、抗拉强度σs.强度指标是衡量结构钢的重要指标,强度越高说明钢材承受的力(也叫载荷)越大;硬度,是指材料表面抵抗硬物压人的能力.常见有三种:布氏硬度HBS、洛氏硬度HRC、维氏硬度HV.硬度是衡量钢材表面变形能力的指标,硬度越高,说明钢的耐磨性越好;即不容易磨损;塑性,是指材料产生变形而不断裂的能力.有两种表示方法:伸长率δ、断面收缩率ψ.塑性是衡量钢材成型能力的指标,塑性越高,说明钢材的延展性越好,即容易拉丝或轧板;韧性也叫冲击韧性,是指材料抵抗冲击变形的能力,表示方法为冲击值αk.冲击韧性是衡量钢材抗冲击能力的指标,数值越高,说明钢材抵抗运动载荷的能力越强.一般情况下,强度低的钢材,硬度也低,塑性和韧性就高,例如钢板、型材,就是由强度较低的钢材生产的;而强度较高的钢材,硬度也高,但塑性和韧性就差,例如生产机械零件的中碳钢、高碳钢,就很少看到轧成板或拉成丝.＂钢材的主要力学性能指标有哪些(1)拉伸性能反映建筑钢材拉伸性能的指标,包括屈服强度、抗拉强度和伸长率.屈服强度是结构设计中钢材强度的取值依据.抗拉强度与屈服强度之比(强屈比)是评价钢材使用可靠性的一个参数.强屈比愈大,钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大,安全性越高;但强屈比太大,钢材强度利用率偏低,浪费材料.钢材在受力破坏前可以经受永久变形的性能,称为塑性.在工程应用中,钢材的塑性指标通常用伸长率表示.伸长率是钢材发生断裂时所能承受永久变形的能力.伸长率越大,说明钢材的塑性越大.试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分比即为断后伸长率.对常用的热轧钢筋而言,还有一个最大力总伸长率的指标要求.预应力混凝土用高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点,抗拉强度高,无明显的屈服阶段,伸长率小.由于屈服现象不明显,不能测定屈服点,故常以发生残余变形为0.2%原标距长度时的应力作为屈服强度,称条件屈服强度,用σ0.2表示.(2)冲击性能冲击性能是指钢材抵抗冲击荷载的能力.钢的化学成分及冶炼、加工质量都对冲击性能有明显的影响.除此以外,钢的冲击性能受温度的影响较大,冲击性能随温度的下降而减小;当降到一定温度范围时,冲击值急剧下降,从而可使钢材出现脆性断裂,这种性质称为钢的冷脆性,这时的温度称为脆性临界温度.脆性临界温度的数值愈低,钢材的低温冲击性能愈好.所以,在负温下使用的结构,应当选用脆性临界温度较使用温度低的钢材.(3)疲劳性能受交变荷载反复作用时,钢材在应力远低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏.疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的,所以危害极大,往往造成灾难性的事故.钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关,一般抗拉强度高,其疲劳极限也较高.硬度硬度，物理学专业术语，材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。
金属材料-力学性能及金相检验基础知识
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。 • 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。
压缩、弯曲、剪切试验
• 压缩试验与拉伸试验相似，只是受力方向相反。通常只用 于生铁、水泥等较脆的材料。抗压强度的符号是σbc ，单 位也是MPa（N/mm2）。 • 弯曲试验主要用于测定材料在弯曲力矩作用下的强度和塑 性，通常有两种加载方法：三点加载和四点加载，弯曲试 验的对象主要是对塑性变形很小或较脆的材料，在拉伸时 不易进行塑性变形测量的材料，如铸铁、硬质合金、工具 钢等，测量指标是抗弯强度和挠度。弯曲强度的符号是 σbb ，单位也是MPa（N/mm2），挠度符号是f，单位mm。 对于塑性很好的材料，弯曲试验没有什么意义，只在评定 材料工艺性能时进行冷弯试验，以观察其在弯曲到规定角 度时有无裂缝或断裂，借此评定材料的工艺质量，不进行 应力计算。试验方法是GB/T232《金属材料 弯曲试验方 法》。 • 剪切试验的对象是铆钉、销子等，其试验材料为塑性很好 的金属。剪切试验的目的是测出材料的最大错动力和相应 的应力，即剪切强度。
维氏硬度
• 表示方法：如，225HV1/20表示用1kgf（9.807N）试验力 保持20秒，测定的维氏硬度值为225。 • 对试样要求：试验面的制备要求较高，一般要求粗糙度不 大于0.2μm，但对于小负荷和显微维氏硬度试验，则要求 在0.1μm以下；而且试验面的加工也必须确保使表面产生 形变硬化。 • 优点：试验力可任意选择，可测厚薄不同的试样的厚度， 是测量最精确的一种试验方法。 • 缺点：试样制备与压痕测量较费时间，工作效率较低，只 适用于在试验室中进行，不适用大批量生产中的常规检验， 压痕较小，代表性差，受成分偏析和组织不均匀等缺陷影 响较大，因此所测硬度值的重复性差，分散度大。 • 虽然试验力可任意选择，硬度值可任意比较，但因压痕大 小不同，测量误差也不同，因此，在进行硬度值比较时， 应尽可能选择与原先测试那些试样硬度时相同的试验力。
金属材料的性能
这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定 一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力σN
作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。
一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108
金属的疲劳曲线
金属材料的性能
二、塑性
金属材料的性能
三、硬度
金属材料的性能
概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。
对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，
条件屈服强度
金属材料的性能
工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显
的屈服现象，无法确定其屈服点σs ，为此人为的专门规定，把当试样 产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(σ0.2)定 为该材料的屈服强度（条件屈服强度）
度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。
根据工作温度分为：低温强度、常温强度、高温强度；
根据力的性质分为：静力强度、疲劳强度；
(三)强度指标
（1）弹性极限σe
定义：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设 计依据。
计算公式： σe=Fe/Ao Fe—— 材料产生弹性变形所承受的最大拉伸力，N； Ao——试样原始横截面积， m㎡ ；
劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸 实验、硬度实验和冲击实验。
金属材料的性能
• 载荷的概念及分类：
定义：金属材料在加工及使用过程中所受的外力称变或变化过程缓慢的载荷 。 • ②冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 • ③交变载荷 ：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变
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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
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。
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
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
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
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
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？
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
常用的硬度指标
洛氏硬度HR 维氏硬度HV
（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
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. 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
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 往舟 发二 射号 工” 位飞 船 运
“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
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。
§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
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 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
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)