金属材料的主要性能指标及涵义
金属材料及其性能
3、合金钢
为提高钢的性能，冶炼时在碳钢中有目的地加 入一种或几种合金元素所形成的钢。 合金钢按合金元素的质量分数可分为低合金钢、 合金钢； 按用途又可分为合金结构钢、合金工具钢和特 殊性能钢。
（1）合金结构钢
牌号：两位数字+合金元素+数字
前面的两位数字表示钢中碳平均含量的万分数， 后面的数字表示该元素平均含量的百分数，当平均 含量低于1.5%时，只标元素符号，而不标其含量。 如：20Cr、60Si2Mn
150HBS表示用淬火钢球为压头时测得布氏硬度值为150；
200HBW表示用硬质合金球为压头时测得布氏硬度值为200；
100HRC表示用120度金刚石圆锥为压头时测得的洛氏硬度值 为100。
复习提问
1、金属的力学性能包括哪些指标？
2、材料的δ和ψ的值越大，说明材料的 ak值越大，说明材料的 性越好。
不对。因为有的材料在静载荷下能充分变形，但在冲击 载荷下不能迅速地进行塑性变形。
1.5 金属材料及其性能
工程材料包括金属材料和非金属材料。金 属材料有良好的力学性能、物理性能、化学性 能和工艺性能，所以是机器最常用的材料。 金属材料又分为黑色金属（铁基）和有色 金属（非铁基）两大类。 黑色金属是以铁为基本元素的合金，如钢、 铸铁及其合金，它们在工业中得到极其广泛的 应用； 有色金属指除钢铁等材料以外的其他所有 金属材料，如铝、铜、镁及其合金。
耐热钢 在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。
钢中常含有较多的铬和硅，以保证有高的抗氧化性和高温 下的力学性能。适用于制造在高温下工作的零件。
航空发动机 汽轮机叶片
发动机叶片 汽车阀门
一、黑色金属
以铁为基本元素的合金，如钢、铸铁及其合金。 含碳量低于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称 碳钢； 含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸造生铁，简 称铸铁。
1 金属材料的主要性能解析
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ak不能直接用于强度方面计算，但可作为鉴
影响ak因素:材料的化学成分、显微组织、试 样的表面质量、热处理工艺以及试验温度等。
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动画 冲击试验
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Titanic沉没原因
——含硫高的钢板， 韧性很差，特别是在低温 呈脆性。所以，冲击试样 是典型的脆性断口。近代 船用钢板的冲击试样则具 有相当好的韧性。
一、金属材料的主要性能
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金属材料具有许多的可贵的性能，一般分为两大类：
使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
工程材料的性能
铸造性能 可锻性能 工艺性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性工艺性
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金属材料的主要性能
1.使用性能 ――反映金属材料在使用过程中所表现出的特性。
包括： 力学性能： （强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等） 物理性能： （密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 磁性等） 化学性能： （抗大气、海水及其它介质腐蚀、抗高温氧化等
2. 工艺性能 ――反映金属材料在加工制造过程中所表现出来的特性。
包括：铸造特性、压力加工特性、焊接特性、热处理特性、切削加工 特性等。 在选择和应用金属材料时，一般无特殊要求时，首先考虑金属材料的 使用性能，而在使用性能中，又主要以力学性能（机械性能）为主，因 此作为本章讨论的重点。
Titanic
一项新的科学研究回答了80年未解之谜
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
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金属材料的主要性能—疲劳强度
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4、疲劳强度σr，N（交变载荷）
定义： 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。 承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往 在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。 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)σb
金属材料主要性能指标
金属材料主要性能指标模具钢在工作性能方面的要求1)硬度模具在工作时受力状态是复杂的，如热作模具通常在交变的温度场下承受交变应力作用，因此它应具有良好的抗软化或塑性变形状态的能力，在长期工作环境下仍能保持模具的形状和尺寸精度。
硬度是模具钢的重要性能之一。
对冷作模具的硬度一般选择在58HRC以上，而热作模具尤其是要求高的抗热疲劳性能的模具，通常硬度在45HRC左右。
对普通使用的塑料模具，一般硬度要求在35HRC左右。
2)强度与韧度零件的成形使模具承受着巨大的冲击、扭曲等负荷，尤其是现代高速冲压、高速精锻造和液态成形等技术以及一次成型技术的发展，模具承受着更大的负荷，往往由于模具钢的强度和韧度不够，造成型腔边缘或局部塌陷、崩刃或断裂而早期失效，因此模具热处理后应具有较高的硬度和韧度。
3)耐磨性零件成形时材料与模具型腔表面发生相对运动，使型腔表面产生了磨损，从而使得模具的尺寸精度、形状和表面的粗糙度发生变化而失效。
磨损是一种复杂的过程，影响因素很多，除取决作用于模具的外界条件外，还在很大程度上取决于采用模具钢的化学成分不均匀性、组织状态、力学性能等。
4)疲劳性能模具工作时承受着机械冲击和热冲击的交变应力，热作模具在工作的过程中，热交变应力更明显地导致模具热裂。
受应力和温度梯度的影响而引起裂纹，往往是在型腔表面形成浅而细的裂纹，他的迅速传播和扩展导致模具失效。
另外，模具钢的化学成分及组织的不均匀，模具钢中存在的冶金缺陷如非金属夹杂物，气孔、显微裂纹等均可导致模具钢的疲劳强度降低，因为在交变应力的作用下，首先在这些薄弱地区产生疲劳裂纹并发展为疲劳破坏。
5)粘着性工模具零件的表面由于两金属原子相相互扩散或单相扩散的作用，往往会有一些被加工金属粘附着，尤其是一些切削、剪切工具和冲压工具的表面会产生粘附或结疤现象，这会影响刃口的锋利程度和局部组织、化学成分的改变，使刃口部分崩裂或粘附金属的脱落划伤模具，使工件表面粗糙。
金属的物理性能和机械性能主要包括哪些内容？含义各是什么？
金属的物理性能包括哪些内容？含义各是什么？金属的物理性能主要包括比重（密度）、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。
（1）密度：密度是物体质量和其体积的比值。
它的单位为克/立方厘米（g/cm³）。
在体积相同的情况下，物体的密度越大，质量也越大。
（2）熔点：金属从固态向液体状态转变时的熔化温度称为熔点。
熔点一般用摄氏温度（℃）表示。
（3）热膨胀性：热膨胀性是指金属材料受热时，体积会增大，冷却时则收缩的一种性能。
热膨胀的大小一般由线膨胀系数表示。
（4）导热性：导热性是指金属材料在加热或冷却时传导热能的性能，一般由导热系数表示。
导热系数的单位为千卡/米·时·℃。
（5）导电性：导电性是指金属材料传导电流能力的性能。
（6）磁性：金属能导磁的性能称为磁性。
具有导磁能力的金属都能被磁铁吸引。
金属的机械性能主要包括哪些内容？含义各是什么？金属材料的机械性能主要包括强度、弹性、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。
（1）强度：强度是指材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
强度的单位为帕斯卡（Pa）（牛顿/毫米²）。
根据载荷作用在材料上的不同，强度又可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度和抗剪强度五种。
（2）弹性：金属材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，变形消失，材料恢复原状的性能称为弹性。
（3）塑性：金属材料在外力作用下产生变形而不破坏，当外力去除后，仍能使变形保留下来的性能称为塑性。
塑性是用长度延伸率（δ）和断面收缩率（ψ）这两个指标来表示的。
（4）硬度：硬度是指金属材料表面抵抗比它硬的物体压入引起塑性变形的能力。
在实际生产中，最常用的硬度试验方法有布氏硬度试验和洛氏硬度试验两种。
（5）韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不致破坏的性能称为韧性。
（6）疲劳强度：金属材料在无数次交变载荷作用下而不致破坏的最大应力称为疲劳强度。
金属材料的主要性能
① HRA 硬、薄试件，如硬质合金、表面淬火层和渗碳层。 ② HRB 轻金属，未淬火钢，如有色金属和退火、正火钢等 ③ HRC 较硬，淬硬钢制品；如调质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。
②弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最 大应力。
弹性极限：σe=Fe/So 不产永久变形的最大抗力。
2）屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即 在拉伸试验过程中，载荷不增加，
试样仍能继续伸长时的应力。
s = Fs/So
s
条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点， 国家标准规定以残余变形量为0.2%时的 应力值作为它的条件屈服强度，以0.2 来表示。
影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹 杂物、表面状态、残余应力等。
二、塑性 金属材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
1.延伸率
延伸率与试样尺寸有关：δ5、δ10 (L0=5d,10d)
2.断面收缩率 ψ=△S/So=(So-Sk)/So x 100%
> 时，无颈缩，为脆性材料表征； < 时，有颈缩，为塑性材料表征。
0.2
3)抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大 应力值。（材料抵抗外力而不致断裂的极 限应力值）。
b = Fb/So
（5）灰铸铁拉伸时的力学性能 灰口铸铁是典型的脆性材料,其σ-曲线是一段微弯曲 线,如图a)所示,没有明显的直线部分,没有屈服和颈 缩现象,拉断前的应变很小,延伸率也很小。强度极限 σb是其唯一的强度指标。 铸铁等脆性材料的抗拉强度 很低,所以不宜作为受拉零 件的材料。
无论是塑性材料还是脆性材料,断裂时都不产生明显的 塑性变形,而是突然发生,具有很大的危险性,有相当多 零件的破坏属于疲劳破坏,对此必须引起足够的重视。
钢材的主要性能有哪些？各性能相应的指标是什么？
钢材的主要性能有哪些？各性能相应的指标是什么？钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。
力学性能是钢材最重要的使用性能，包括抗拉性能、塑性、韧性及硬度等。
工艺性能是钢材在各加工过程中表现出的性能，包括冷弯性能和可焊性。
(1)抗拉性能。
表示钢材抗拉性能的指标有屈服强度、抗拉强度、屈强比、伸长率、断面收缩率。
屈服是指钢材试样在拉伸过程中，负荷不再增加，而试样仍继续发生变形的现象。
发生屈服现象时的最小应力，称为屈服点或屈服极限，在结构设计时，一般以屈服强度作为设计依据。
抗拉强度是指试样拉伸时，在拉断前所承受的最大荷载与试样原横截面面积之比。
钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。
屈强比越大，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6～0.65，低合金结构钢为0.65～0.75，合金结构钢为0.84～0.86。
伸长率是指金属材料在拉伸时，试样拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比；断面收缩率是指金属试样拉断后，其缩颈处横截面面积的最大缩减量与原横截面面积的百分比。
伸长率和断面收缩率越大，钢材的塑性越好。
(2)冷弯性能。
冷弯性能是指钢材在常温下抵抗弯曲变形的能力，表示钢材在恶劣条件下的塑性。
钢材按规定的弯曲角度a和弯心直径d弯曲后，通过检查弯曲处的外面和侧面有无裂纹、起层或断裂等进行评定。
通过冷弯可以揭示钢材内部的应力、杂质等缺陷，还可用于钢材焊接质量的检验，能揭示焊件在受弯面的裂纹、杂质等缺陷。
(3)冲击韧性。
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用而不破坏的能力。
工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳(J)。
钢材的冲击韧性是衡量钢材质量的一项指标，特别对经常承受荷载冲击作用的构件，如重量级的吊车梁等，要经过冲击韧性的鉴定。
冲击韧性越大，表明钢材的冲击韧性越好。
(4)硬度。
硬度是指金属抵抗硬物体压人其表面的能力，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映弹性、强度、塑性等的一个综合性能指标。
金属材料的力学性能指标
金属材料的力学性能指标金属材料是工程中常用的材料之一，其力学性能指标对于材料的选择和设计具有重要意义。
力学性能指标是评价金属材料力学性能的重要依据，主要包括强度、韧性、塑性、硬度等指标。
下面将对金属材料的力学性能指标进行详细介绍。
首先，强度是评价金属材料抵抗外部力量破坏能力的指标。
强度可以分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
其中，屈服强度是材料在受到外部力作用下开始产生塑性变形的应力值，抗拉强度是材料在拉伸状态下抵抗破坏的能力，抗压强度是材料在受到压缩力作用下抵抗破坏的能力。
强度指标直接影响着材料的承载能力和使用寿命。
其次，韧性是材料抵抗断裂的能力。
韧性指标包括冲击韧性、断裂韧性等。
冲击韧性是材料在受到冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，断裂韧性是材料在受到静态载荷作用下抵抗破坏的能力。
韧性指标反映了材料在受到外部冲击或载荷作用下的抗破坏能力，对于金属材料的使用安全性具有重要意义。
再次，塑性是材料在受力作用下产生塑性变形的能力。
塑性指标包括伸长率、收缩率等。
伸长率是材料在拉伸破坏前的延展性能指标，收缩率是材料在受力破坏后的收缩性能指标。
塑性指标直接影响着金属材料的加工性能和成形性能，对于金属材料的加工工艺和成形工艺具有重要影响。
最后，硬度是材料抵抗划伤、压痕等表面破坏的能力。
硬度指标包括洛氏硬度、巴氏硬度等。
硬度指标反映了材料表面的硬度和耐磨性能，对于金属材料的耐磨性和使用寿命具有重要意义。
综上所述，金属材料的力学性能指标是评价材料性能的重要依据，强度、韧性、塑性、硬度等指标直接影响着材料的使用性能和工程应用。
在工程设计和材料选择中，需要根据具体的工程要求和使用环境，综合考虑各项力学性能指标，选择合适的金属材料，以确保工程的安全可靠性和经济性。
金属材料常用力学性能名称、符号及含义
J
使用摆锤冲击试验机冲断试样所需的能量(该能量已经对摩擦损失做了修正)，称为冲击吸收能量K。用字母V或U表示缺口几何形状，即KV或KU，用数字2或8以下标形式表示冲击刀刃半径，如KV2、KU8
有N次循环的应力幅值;σN是在N次循环的疲劳强度，σN是一个特定应力比的应力幅值，在此种情况下，试样具有N次循环的寿命。应力比是最小应力与最大应力的代数比值
疲劳极限σD
MPa
疲劳极限σD是一个应力幅的值，在这个值下，试样在给定概率时被希望可以进行无限次的应力循环。国家标准指出，某些材料没有疲劳极限;其他的材料在一定的环境下会显示出疲劳强度
洛氏硬度HRA、HRB、HRC、HRD、HRE、HRF、HRG、HRH、HRK、HRN、HRT
量纲一
采用金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作为压头，压入金属材料表面，取其压痕深度计算确定硬度的大小，这种方法测量的硬度为洛氏硬度。GB/T230.1-2009《金属材料洛氏硬度试验第1部分:试验方法(A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T标尺)》中规定了
A、B、C、D、E、F、G、H、K、N、T等标尺，以及相应的硬度符号、压头类型、总试验力等。由于压痕较浅，工件表面损伤小，适于批量、成品件及半成品件的硬度检验，对于晶粒粗大且组织不均的零件不宜采用。采用不同压头和试验力，洛氏硬度可以用于较硬或较软的材料，使用范围较广。
维氏硬度HV
维氏硬度试验是用一个相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以规定的试验力(49.03~980.7N)压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，以其压痕表面积除试验力所得的商，即为维氏硬度值维氏硬度试验法适用于测量面积较小、硬度值较高的试样和零件的硬度，各种表面处理后
屈服强度、上屈服强度ReH、下屈服强度ReL
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㈠物理性能指标
密度符号：γ单位:kg/m3或g/cm3涵义说明：密度是金属材料的特性之一，它
表示某种金属材料单位体积的质量，不同金属材料的密度是不同的。
在机械制造业上，通常利用“密度”来计算零件毛坯的质量（习惯上称质量）。
金属材料的密度也直接关系到由它所制成的零件或构件的质量或紧凑程度，这点对于要求减轻机件自重的航空和宇航工业制件具有特别重要的意义
㈡弹性指标
弹性模量符号：E 单位Mpa; 切削模量符号：G 单位Mpa涵义说
明：金属材料在弹性范围内，外力和变形成比例地增加，即应力与应变成正比例关系时（胡克定律），这个比例系数就称为弹性模量。
根据应力，应变的性质通常又分为：弹性模量（E）和切削模量（G），弹性模量的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力的大小，所以，它在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模量越大，刚度也越大，亦即在一定应力作用下，发生的弹性变形越小。
任何机器零件，在使用过程中，大都处于弹性状态，对于要求弹性变形较小的零件，必须选用弹性模量大的材料
比例极限符号：σ
（R P）单位Mpa 涵义说明：指伸长与负荷成正比地增
p
加，保持直线关系，当开始偏离直线时的应力称比例极限，但此位置很难精确测定，通常把能引起材料试样产生残余变形量为试样原长的0.001%或0.003%、0.005%、0.02%时的应力，规定为比例极限
弹性极限符号：σ
单位Mpa 涵义说明：这是表示金属材料最大弹性大的
e
指标，即在弹性变形阶段，试样不生产塑性变形时所能承受的最大应力，它和σp一样也难精确测定，一般多不进行测定，而以规定的σp数值代替之
㈢强度性能指标
强度极限符号：σ单位Mpa 涵义说明：指金属材料受外力作用，在断裂前，单位面积上所能承受的最大载荷
抗拉强度符号：σ
（R m）单位Mpa 涵义说明：指外力是拉力时的强度
b
极限，它是衡量金属材料强度的主要性能指标
抗弯强度符号：σ
（σw）单位Mpa 涵义说明：指外力是弯曲力时的强度
bb
极限
抗压强度符号：σ
（σy）单位Mpa涵义说明：指外力是压力时的强度极
bc
限，压缩试验主要适用于低塑性材料，如铸铁等
抗剪强度符号：τ单位Mpa 涵义说明：指外力是剪切力时的强度极限
抗扭强度符号：τ
单位Mpa涵义说明：指外力是扭转力时的强度极限
b
屈服点符号：σ
单位Mpa 涵义说明：金属材料受载荷时，当载荷不再增加，
s
但金属材料本身的变形，却继续增加，这种现象叫做屈服，产生屈服现象时的应力，叫屈服点
屈服强度符号：σ
单位Mpa 涵义说明：金属材料屈服现象时，为便于测
0.2
量，通常按其产生永久残余变形量等于试样原长0.2%时的应力作为“屈服强度”，或称“条件屈服极限”
持久强度符号：σ
（h）单位Mpa涵义说明：指金属材料在一定的高
b／时间
温条件下，经过规定时间发生断裂时的应力，一般所指的持久强度，是指在一定温度下，试样经十万小时后的破断强度，这个数值，通常也是用外推力的方法取得的
蠕变极限符号：σ变形量（%）／时间（h）单位Mpa涵义说明：金属材料在高温环境下，即使所受应力小于屈服点，也会随着时间的增长而缓慢地产生永久变形，这种现象叫做蠕变，在一定的温度下，经一定时间，金属材料的蠕变速度仍不超过规定的数值，此时所能承受的最大应力，称为蠕变极限
㈣硬度性能指标
布氏硬度（GB/T231-1984）符号：HBS或HBW 单位Kgf／mm2涵义说
维氏硬度（GB/T4340.1-1999）符号：HV 单位Mpa 涵义说明：用49.03～980.7N以内的载荷，将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压入金属材料的表面，以其压痕面积除载荷所得之商，即为维氏硬度值，HV只适用于测定很薄（0.3～0.5mm）的金属材料，或厚度为0.03～0.05mm的零件表面硬化层（如镀铬、渗碳、氮化、碳氮共渗层）的硬度
维氏硬度机测得的压痕，轮廓清晰，数值比较准确
肖氏硬度（GB/T4341-2001）符号：HSC (HSD) 涵义说明：利用一定质量
（2.5g）的钢球或金刚石球，自一定的高度（一般为254mm）落下，撞击金属后，球又回跳到某一高度h，此高度为肖氏硬度值，其优点是在金属表面上不留下伤痕，故适用于测定表面光滑的一些精密量具或精密零件，也常用来测定大型零件。
缺点是测定数值不够准确，现在很少使用××HSC(目测型)，××HSD(指示型)表示法
㈤塑性指标
断面收缩率符号：ψ（Z）单位% 涵义说明：金属材料受外力作用被拉断以后，其横截面的缩小量与原来横截面积相比的百分数，称为断面收缩率
δψ的数值愈高，表明这种材料的塑性愈好，易于进行压力加工
伸长率L0=5d L0=10d 符号：δ（A）或δ
（A）或δ10（A11.3）单位%涵
5
义说明：金属材料受外力作用被拉断以后，在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分数，称为伸长率。
根据试样长度的不同，通常用符号δ5或δ10来表示；δ5是试样标距长度为其直径5倍时的伸长率，δ10是试样标距长度为其直径10倍时的伸长率
冲击韧度符号:α
或αkv单位J/cm2冲击吸收功A KU或A Kv 单位J
ku
涵义说明：冲击韧度是评定金属材料于动载荷下承受冲击抗力的力学性能指标，通常都是以大量的一次冲击值（αku或αkv）作为标准的。
它是采用一定尺寸和形状的标准试样，在摆锤式一次冲击试验机上来进行试验，试验结果，以冲断试样上所消耗的功(A KU 或A Kv)与断口处横截面积（F）之比值大小来衡量。
冲击试样的基本类型有：梅氏、夏氏、艾氏、DVM等数种，我国一般多采用GB/T229-1994《夏比缺口冲击试样》为标准试样，其形状、尺寸和试验方法参见标准中的规定。
由于αK值的大小，不仅取决于材料本身，同时还随试样尺寸、形状的改变及试验温度的不同而变化，因而αK值只是一个相对指标。
目前国际上许多国家直接采用冲击功A K作为冲击韧度的指标
㈥疲劳性能指标
疲劳极限（或称疲劳强度）符号：σ
或σ-1n单位Mpa涵义说明：金属
-1
材料在交变负荷的作用下，经过无限次应力循环而不致引起断裂的最大循环应力，称为疲劳极限或极限疲劳强度
σ-1――表示光滑试样的对称弯曲疲劳极限
σ-1n――表示缺口试样的对称弯曲疲劳极限
按我国国家标准，一般金属材料采用107循环次数而不断裂的最大应力来确定其疲劳极限
㈦断裂韧度性能指标。