第一章 力学性能讲解
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金属材料的力学性能讲课用
GB/T 228-2002新标准 名称 屈服强度① 符号 －
GB/T 228-1987旧标准 名称 屈服点 符号 σs
上屈服强度
下屈服强度 规定残余延伸 强度 抗拉强度 断后伸长率
ReH
ReL Rr Rm A或A11.3
上屈服点
下屈服点
σsU
σsL
规定残余延伸 σr 应力 抗拉强度 断后伸长率 σb δ5或δ10
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
3. 脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）
F
0
ΔL
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。
主要力学性能指标：
刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧 性、疲劳强度等。
1．刚度与弹性
材料在受力时发生可恢复变形的性质叫弹 性，材料抵抗弹性变形的能力称为刚度，它表 示材料变形的难易程度。
洛 氏 硬 度 HRC 可 以 用于硬度很高的材料 ，在钢件热处理质量 检查中应用最多。
4、测量范围
用于测量淬火钢、硬质合金等材料.
优点：测量迅速简便 ，压痕小，可在成品 零件上检测 。
洛氏硬度测试原理
洛氏硬度测试步骤
三、维氏硬度
1、测定原理
用一定的试验力F，将顶角为
1360的金刚石四棱锥压入金属 表面，保持一定时间后卸去试
2、符号
k h HR 0.002
试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表1-2 选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种
硬度 符号
表1-2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围 硬度值有效范围 应用范围 压头类 总实 型 验力 F/N
第一章 金属材料的力学性能
度
A、C标尺为100
B标尺为130
机 械 制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
二、洛氏硬度
标注——用符号HR表示， A标尺HRA B标尺HRB C标尺HRC
如： 42 HRA
机
械
硬度值 A标尺
制
造
基
础
§1.2 硬度
第一章 金属材料的力学性能
三、维氏硬度 测定原理——基本上和布氏硬度相同，只是所用 压头为金刚石正四棱锥体
冲击韧度高
机
•冲击能量高时， --材料的冲击韧度主要取决于材料的塑性，塑性高则
韧度高
械 制
造
基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
机
械
制
造
基
础
§1.4 疲劳强度
第一章 金属材料的力学性能
疲劳强度
Sl110000%%Sl10lS0 110100%0%
Sl 二者的值越大塑性越好 00
lS0 0
机 械 制
原始原横始截标面距积
试样拉试断样后断的裂标处距截面积
造 基
础
第一章 金属材料的力学性能
第一章 金属材料的力学性能
§1.1 强度和塑性
§1.2 硬度
§1.3 冲击韧度
§1.4 疲劳强度
本章小结
第一章 金属材料的力学性能
由主金要属内材容料：制成的零、部件，在工作过
程中金都属要材承料受的外力力学性(或能称指载标荷和) 测作试用方而法产，
第一章工程材料的力学性能
表示方式：600HBW1/30/20 350HBW5/750
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
第1章材料力学性能
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.7硬度
1.7 硬度 硬度——用来衡量材料软硬程度的性能指标。 测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬
度指标。
第1章材料力学性能
1.布氏硬度 HB
1）试验原理
以压力F 将直径为D的 球形压头压入材料表面， 形成直径为d的压痕，以 压痕单位面积上承受的压 力大小来衡量材料的硬度。
L1L0 10% 0
L0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
2. 断面收缩率Ψ 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积
收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：
S0 S1 100%
S0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
材料的δ、Ψ值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的实用意义： 1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好 的材料才可以进行变形加工。 2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比 较好。
能力。 衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线
上，E体现为oe 段的斜率。
第1章材料力学性能
铁 214000
材料的力学性能——1.5刚度
常用材料的弹性模量E/MPa
镍 210000
钛 118010
铝 72000
铜 132400
镁 45000
在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料 发生的弹性变形比较小。
1. 屈服强度σs ——材料受静载荷作用时，抵抗塑性 变形的能力。
s
FS S0
MPa
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.4强度
如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材 料就会发生塑性变形。
在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作 载荷低于零件材料的屈服强度（σ工作<σs），否则 零件就会发生塑性变形而失效。
材料的力学性能——1.7硬度
1.7 硬度 硬度——用来衡量材料软硬程度的性能指标。 测试硬度的方法有多种，相应的也有多种硬
度指标。
第1章材料力学性能
1.布氏硬度 HB
1）试验原理
以压力F 将直径为D的 球形压头压入材料表面， 形成直径为d的压痕，以 压痕单位面积上承受的压 力大小来衡量材料的硬度。
L1L0 10% 0
L0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
2. 断面收缩率Ψ 断面收缩率是试样被拉断后，颈缩处的横截面积
收缩量（S0-S1）与原始横截面积S0之百分比：
S0 S1 100%
S0
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.6塑性
材料的δ、Ψ值越大，表明其塑性越好。 材料的塑性在工程上的实用意义： 1）塑性是变形加工（锻压）的条件。塑性较好 的材料才可以进行变形加工。 2）塑性好的材料，不易脆断，应用时安全性比 较好。
能力。 衡量刚度大小的指标是弹性模量E。在拉伸曲线
上，E体现为oe 段的斜率。
第1章材料力学性能
铁 214000
材料的力学性能——1.5刚度
常用材料的弹性模量E/MPa
镍 210000
钛 118010
铝 72000
铜 132400
镁 45000
在一定的载荷作用下，弹性模量（E）大的材料 发生的弹性变形比较小。
1. 屈服强度σs ——材料受静载荷作用时，抵抗塑性 变形的能力。
s
FS S0
MPa
第1章材料力学性能
材料的力学性能——1.4强度
如果材料所受的载荷达到或超过其屈服强度，材 料就会发生塑性变形。
在设计和使用机器零件时，必须保证零件的工作 载荷低于零件材料的屈服强度（σ工作<σs），否则 零件就会发生塑性变形而失效。
第一章 金属材料的力学性能优秀课件
2）强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性 变形和破坏的能力。
a.屈服点、屈服强度：表征金属材料对产生明
F(σ)
b
es k
p
Fb
FeFs
显塑性变形的抗力。
屈服现象：S点 屈服点是指在外力作用下开 始产生明显塑性变形的最小
Fp
应力，用σS表示。
o
Δl
σS =FS/S0 (N/mm2 =Mpa)
低碳钢的力-伸长曲线 (ε)
3）塑性: 是指材料在载荷作用下产生不可逆 永久变形而不被破坏的能力。
(1)断面收缩率: 是指试样拉断处横截面积的收缩 量Δ S与原始横截面积S0之比。
(2)断后伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ L 与原始标距L 0之比。
说明：
①直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0
为常数时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5>
②用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变 形。
③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征 < 时，有颈缩，为塑性材料表征
第二 硬 度
硬度:是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力， 是衡量金属软硬的指标，直接影响金属的耐磨性。 常压入法； 三种：布氏、洛氏、维氏硬度
头还硬的材料。 适于测量灰铸铁、非铁合金及较软钢材的硬度。 另外：材料的b与HB之间的经验关系：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于灰铸铁： b(MPa)≈1HB
或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40)
(2)洛氏硬度 HR 测量步骤：洛氏硬度HR是将标准压头用规定 压力压入被测材料表面，根据压痕深度h来确 定硬度值。值越小，材料越硬。
材料力学性能教案
材料力学性能教案第一章：材料力学性能概述教学目标：1. 理解材料力学性能的概念及其重要性。
2. 掌握材料力学性能的主要指标。
3. 了解不同材料的力学性能特点。
教学内容：1. 材料力学性能的概念：定义、重要性。
2. 材料力学性能的主要指标：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、韧性、硬度等。
3. 不同材料的力学性能特点：金属材料、非金属材料、复合材料等。
教学活动：1. 引入讨论：为什么了解材料的力学性能很重要？2. 讲解材料力学性能的概念及其重要性。
3. 通过示例介绍不同材料的力学性能特点。
4. 练习计算材料力学性能指标。
作业：1. 复习材料力学性能的主要指标及其计算方法。
2. 选择一种材料，描述其力学性能特点，并解释其在实际应用中的作用。
第二章：弹性模量教学目标：1. 理解弹性模量的概念及其物理意义。
2. 掌握弹性模量的计算方法。
3. 了解弹性模量在不同材料中的变化规律。
教学内容：1. 弹性模量的概念：定义、物理意义。
2. 弹性模量的计算方法：胡克定律、应力-应变关系。
3. 弹性模量在不同材料中的变化规律：金属材料、非金属材料、复合材料等。
教学活动：1. 复习上一章的内容，引入弹性模量的概念。
2. 讲解弹性模量的计算方法，并通过示例进行演示。
3. 通过实验或示例观察不同材料的弹性模量变化规律。
作业：1. 复习弹性模量的概念及其计算方法。
2. 完成弹性模量的计算练习题。
第三章：屈服强度与抗拉强度教学目标：1. 理解屈服强度与抗拉强度的概念及其物理意义。
2. 掌握屈服强度与抗拉强度的计算方法。
3. 了解屈服强度与抗拉强度在不同材料中的变化规律。
教学内容：1. 屈服强度与抗拉强度的概念：定义、物理意义。
2. 屈服强度与抗拉强度的计算方法：应力-应变关系、极限状态方程。
3. 屈服强度与抗拉强度在不同材料中的变化规律：金属材料、非金属材料、复合材料等。
教学活动：1. 复习上一章的内容，引入屈服强度与抗拉强度的概念。
第一章 材料的力学性能
第一章材料的力学性能一、名词解释1、力学性能：材料抵抗各种外加载荷的能力，称为材料的力学性能。
2、弹性极限：试样产生弹性变形所承受的最大外力，与试样原始横截面积的比值，称为弹性极限，用符号σe表示。
3、弹性变形：材料受到外加载荷作用产生变形，当载荷去除，变形消失，试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
4、刚度：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为刚度，用符号E表示。
5、塑性：材料在外加载荷作用下，产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。
6、塑性变形：材料受到外力作用产生变形，当外力去除，一部分变形消失，一部分变形没有消失，这部分没有消失的变形称为塑性变形。
7、强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为强度。
8、抗拉强度：材料在断裂前所承受的最大外加拉力与试样原始横截面积的比值，称为抗拉强度，用符号σb表示。
9、屈服：材料受到外加载荷作用产生变形，当外力不增加而试样继续发生变形的现象，称为屈服。
10、屈服强度：表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力，用符号σs表示。
11、σ0.2：表示条件屈服强度，规定试样残留变形量为0.2％时所承受的应力值。
用于测定没有明显屈服现象的材料的屈服强度。
12、硬度：金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力，即材料抵抗局部塑性变形的能力，称为硬度。
13、冲击韧度：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，称为冲击韧度，用符号αk表示。
14、疲劳：在交变载荷作用下，材料所受的应力值虽然远远低于其屈服强度，但在较长时间的作用下，材料会产生裂纹或突然的断裂，这种现象称为疲劳。
15、疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生断裂，这一应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号σ-1表示。
16、蠕变：材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力值小于该温度下的屈服极限，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂，这种现象称为蠕变。
17、磨损：由两种材料因摩擦而引起的表面材料的损伤现象称为磨损。
工程材料力学性能第一章
材料力学性能 课件
工程材料力学性能第一章
绪论
工程材料力学性能第一章
一、材料科学
• 研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间 关系的科学
工程材料力学性能第一章
1、成分／组织结构 表示材料结构所包含的四个层次：原子结构、结 合键、原子排列方式（晶体与非晶体）和组织
2、制备合成与加工工艺 其方法相对性能的影响随材料种类的不同而不同
工程材料力学性能第一章
• 三 比例极限和弹性极限 • 弹性极限σe:材料由弹性变形过渡到弹—塑性
变形时的应力。 • 比例极限σp:应力与应变成正比关系的最大应
力; • σe σp的实际意义是：一般的σe >σp • 选择比例极限σp：对于要求在服役时其应力应变
关系维持严格直线关系的机件； • 选择弹性极限σe：对于要求不允许产生微量塑性
•
工程材料力学性能第一章
• 思考题： • 1 弹性变形的实质是什么？ • 2 弹性模量E的物理意义？E是一个特殊的力
性指标，表现在哪里？ • 3 比例极限、弹性极限、屈服极限有和异同？ • 4 你学习了哪几个弹性指标？
工程材料力学性能第一章
• 理想材料弹性变形：可逆性、单值性 • 弹性不完整性 ：实际上，金属的弹性变形与加载方向
物理意义：当应变为一个单位时．弹性模量等于弹性应 力．即弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。 （ 无意义）
• 工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料 在外载荷下抵抗弹性变形的能力.
• 机件的刚度与材料刚度不同
机件刚度（AE）与两个因素相关： • 构件的几何尺寸
• 材料弹性模量
工程材料力学性能第一章
工程材料力学性能第一章
二、金属材料的使用性能
工程材料力学性能第一章
绪论
工程材料力学性能第一章
一、材料科学
• 研究各种材料的结构、制备加工工艺与性能之间 关系的科学
工程材料力学性能第一章
1、成分／组织结构 表示材料结构所包含的四个层次：原子结构、结 合键、原子排列方式（晶体与非晶体）和组织
2、制备合成与加工工艺 其方法相对性能的影响随材料种类的不同而不同
工程材料力学性能第一章
• 三 比例极限和弹性极限 • 弹性极限σe:材料由弹性变形过渡到弹—塑性
变形时的应力。 • 比例极限σp:应力与应变成正比关系的最大应
力; • σe σp的实际意义是：一般的σe >σp • 选择比例极限σp：对于要求在服役时其应力应变
关系维持严格直线关系的机件； • 选择弹性极限σe：对于要求不允许产生微量塑性
•
工程材料力学性能第一章
• 思考题： • 1 弹性变形的实质是什么？ • 2 弹性模量E的物理意义？E是一个特殊的力
性指标，表现在哪里？ • 3 比例极限、弹性极限、屈服极限有和异同？ • 4 你学习了哪几个弹性指标？
工程材料力学性能第一章
• 理想材料弹性变形：可逆性、单值性 • 弹性不完整性 ：实际上，金属的弹性变形与加载方向
物理意义：当应变为一个单位时．弹性模量等于弹性应 力．即弹性模量是产生100％弹性变形所需的应力。 （ 无意义）
• 工程上把弹性模量E、G称做材料的刚度，它表示材料 在外载荷下抵抗弹性变形的能力.
• 机件的刚度与材料刚度不同
机件刚度（AE）与两个因素相关： • 构件的几何尺寸
• 材料弹性模量
工程材料力学性能第一章
工程材料力学性能第一章
二、金属材料的使用性能
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金属工艺学
第一篇 金属材料的基本知识
第一章 金属材料的主要性能
金属按其成分可分为纯金属和合金两大 类
纯金属是由单一金属元素组成的
合金是由两种或两种以上元素组成的具有 金属特性的物质。
有些合金全部是由金属元素组成的，比如黄铜， 就是由铜和锌两种金属元素组成的。
有些合金则是由金属元素和非金属元素组成的， 比如碳钢，就是由金属元素铁和非金属元素碳 组成的。
来确定。冲击韧性值ak就是冲断试样所消耗能量和试样断 裂处横截面积的比值，单位是J/cm²。ak低的材料称为脆性 材料，在断裂前没有明显的塑性变形，吸收能量少，抵抗 冲击载荷的能力低；ak高的材料称为塑性材料。在断裂前 有明显的塑性变形，吸收能量多，抵抗冲击载荷的能力强。
Impact hardness
交变载荷和交变应力
交变载荷是指载荷的大
小和方向随时间作周期 性或者不规则改变的载 荷。在交变载荷作用下， 结构件的应力称为交变 应力。
24.5Mpa下运行4×10-6次
工程技术训练中心
2007-4-9
工程技术训练中心
2007-4-9
疲劳破坏的主要特征
1. 在金属构件中的交变应力远小于材料的强度极限的 情况下，破坏就可能发生。
是Mpa/m。根据比重可以将金属分为轻金属和重金属两大类。
＜49×10-³Mpa/m(5克重/厘米³)的金属是轻金属，＞49×10-
³Mpa/m(5克重/厘米³)的金属是重金属。比重是金属材料的一个重
要的物理性能，特别是在航空工业中，为了增加有效载重和减少
燃料的消耗，飞机结构部件大部分都是用轻合金（如铝合金等）
工程技术训练中心
2007-4-9
金属材料的主要性能
工程中，金属材料的选择应考虑以下几 个方面：
（1）使用性能 （2）工艺性能 （3）经济性 其中，金属材料的使用性能通常包括： 物理性能、化学性能和机械性能。
工程技术训练中心
2007-4-9
一、金属的机械性能（力学性能）
金属的机械性能是指金属在载荷作用下抵 抗破坏和变形的能力。
工程技术训练中心
2007-4-9
二、硬度-硬度计
工程技术训练中心
2007-4-9
二、硬度 布氏硬度测试方法形成的 压痕面积大，能反映出较大 范围内被测试金属的平均硬 度，适用于组织比较粗大且 不均匀的材料，但不宜测试 成品件或薄金属件的硬度， 也不能测试硬度高于HB450 的金属材料。布氏硬度通常用符号HB表示。
飞机结构在使用中要承受各种载荷，所以， 金属材料的机械性能是飞机结构设计和选 择材料的重要依据。
工程技术训练中心
2007-4-9
金属材料的力学性能
金属材料的机械性能指标主 要包括强度、塑性、硬度、 韧性和抗疲劳性能等。
一、强度和塑性
Strength and plasticity
拉伸试验
金属的强度和塑性是通
Brinell Hardness
工程技术训练中心
2007-4-9
二、硬度
洛氏硬度测试法测试的压 痕，可以在制成品或较薄 的金属材料上进行测试； 而且，从较软材料到较硬 材料，测试范围比较广。 但对组织比较粗大且不均 匀的材料，测量结果不准 确。洛氏硬度通常用符号 HR表示，并根据压头的 种类和所加载荷的大小分 为HRB、HRC和HRA三 种。
工程技术训练中心
2007-4-9
4. 疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整 个结构的所有材料。影响金属材料疲劳极限的因 素很多，除了材料本身的质量外，试件的形状， 连接配合形式，表面状态及所处环境等等都对疲 劳极限有影响。
工程技术训练中心
2007-4-9
与光滑试件（Kt = 1应力集中系数）相比，存在有应力集中 试件的疲劳极限要下降很多。应力集中是指受力时结构件中 应力分布的不均匀程度。金属结构件表面或内部的缺陷处 （如划伤、夹杂、压痕、气孔等）以及截面突变处（如螺纹、 大小截面转接处等），都会在载荷作用下出现应力局部增大 的现象，形成应力集中。应力集中的程度用应力集中系数Kt 来表示，Kt越大，表示构件局部出现的高应力比均匀分布时 的应力大的越多。应力集中的地方往往会成为疲劳裂纹的起 源点，产生疲劳裂纹，导致疲劳破坏。应力集中会使试件的 疲劳极限大大下降，是影响疲劳强度的主要因素之一。所以， 改进局部的细节设计，提高金属构件表面光洁度，减少热处 理造成的各种小缺陷，都可以较明显地提高金属构件的疲劳 极限，延长它的使用寿命。在使用中发现疲劳裂纹时，一般 并不需要更换全部结构，只需更换损伤部分。在疲劳损伤不 严重的情况下，有时只需要排除疲劳损伤，比如扩铰孔排除 孔边裂纹、在裂纹尖端打止裂孔就可以了。
式中：lk — 试样拉断后的标距长度； l0 — 试样的原始标距长度，
对于塑性材料，拉断前会产生明显的颈缩现象， 在颈缩部位产生较大的局部延伸。
工程技术训练中心
2007-4-9
(二）塑性指标
2. 断面收缩率：
试样被拉断后，拉断处横截面积的缩减量与原始 横截面积之比就称为断面收缩率。即
= (Fo-Fk)/Fo×100% 式中：Fk — 试样在拉断处的最小横截面积；
金属材料的弹性模量随着温度的升高而降低。
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2.弹性极限
材料保持弹性变形的最大应力值称为弹性极限，用e
表示。 式中：Pe
—试e 件= P保e/持F0弹（性Mp变a）形的最大载荷。
3. 屈服极限
当所加载荷P达到某一数值Ps 时，曲线上出现一个小平台，
这一阶段称为屈服段，试样屈服时的应力称为材料的屈服 极限，也称为屈服强度s ，即
（五）导热性：金属传导热量的能力称为金属的导热性。金属的导热 性常用导热系数（）来表示，常用的单位是卡/厘米·度·秒。导热系 数越大，金属的导热性越好。一般情况下金属的导热能力要比非金属 大的多。金属的导电性和导热性有密切的关系，导电性好的金属导热 性也好。
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二、金属的物理性能（一）
金属的物理性能一般包括：颜色、比重、熔点、导电性、导热性、热 膨胀性和磁性。
（一）颜色：金属都具有一定的颜色。根据颜色可将金属分为黑
色金属和有色金属两大类。铁、锰、铬是黑色金属，其余的金属
都是有色金属。
（二）比重：比重是单位体积金属的重量，用符号表示，单位
= P / F0 （Mpa） 把试样的伸长量l 除
以试件原始的标距长度 l0，则得到试样的相对 伸长—应变，即 = l / l0
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（一）强度指标
金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。强度指标包 括弹性模量、弹性极限、屈服极限和强度极限等。
用中，不允许发生微小塑性变形的结构件来说，材料的屈服极限 是很重要的性能指标。
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4. 强度极限
材料在断裂时承受的最大应力称为强度 极限b ，即
b =Pb/F0 （Mpa）
式中：Pb — 试样断裂前所承受的最大载荷。 材料的强度极限b 就是材料拉断时的强度，
根据金属材料的硬度值可估计出材料的近似强度极限和耐磨 性。特别是布氏硬度和许多金属材料的强度极限之间存在着 近似的正比关系，硬度值大，材料的强度极限也大。通过测 量金属材料的布氏硬度，可以近似确定材料强度极限，并可 推断材料的热处理状态。对于硬度较小的材料，容易被划伤、 碰伤和磨损，在维修工作中，应注意保护。金属材料的硬度 对材料的机械加工性能也有影响。
Rockwell Hardness
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三、韧性
韧性是指金属试样断裂时， 吸收能量的能力。韧性好的 金属材料，脆性就小，断裂 时，吸收能量较多，不易发 生脆性断裂。 （一）冲击韧性
金属材料在冲击载 荷作用下，抵抗破坏的能 力称为冲击韧性。金属材 料的冲击韧性用冲击韧性值ak来表示，并需要进行冲击试验
式中：Ps — 试样发生s屈=服Ps时/ F的0（载M荷pa，）即屈服载荷。
有些常用金属的拉伸曲线上没有明显的屈服段，因此又规定，试
样标距部分残余相对伸长达到原标距长度0.2%时的应力为屈服极 限，也称为条件屈服极限，用0.2 表示。
屈服极限反映了金属材料对微量塑性变形的抵抗能力，对于在使
材料结构件和大型焊接结构中。低应
力脆断是结构件中原有缺陷形成的裂
纹，发生失稳扩展而引起的。所以，裂纹扩展难易，也就 是裂纹扩展所需的能量大小，就成为判定材料是否易
于断裂的一个重要指标。
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补充介绍
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fatigue strength
四、抗疲劳性能
金属材料在交变载荷作 用下发生的破坏，称为 疲劳破坏。金属材料抵 抗疲劳破坏的能力，称 为金属材料的抗疲劳性 能。
来制造。
（三）熔点：金属加热时由固态变为液态时的温度称为熔点。根
据熔点的高低，又可将金属分为易熔金属和难熔金属。熔点低于
摄氏700度的金属属于易熔金属，熔点高于摄氏700度的金属属于
难熔金属。
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二、金属的物理性能（二）
（四）导电性：金属传导电流的能力称为金属的导电性。金属的导电 性用金属的电阻率（）来表示，单位是·mm²/m。越大，金属的导 电性越差。金属是电的良导体，但各种金属的导电性并不相同，银的 导电性最好，铜和铝次之。
过拉力试验来测定。拉力试
样通常有圆形截面的棒状和
矩形截面的板状（图1-1），
在试件中间一段截面均匀的
部分是试验段，其长度用l0
第一篇 金属材料的基本知识
第一章 金属材料的主要性能
金属按其成分可分为纯金属和合金两大 类
纯金属是由单一金属元素组成的
合金是由两种或两种以上元素组成的具有 金属特性的物质。
有些合金全部是由金属元素组成的，比如黄铜， 就是由铜和锌两种金属元素组成的。
有些合金则是由金属元素和非金属元素组成的， 比如碳钢，就是由金属元素铁和非金属元素碳 组成的。
来确定。冲击韧性值ak就是冲断试样所消耗能量和试样断 裂处横截面积的比值，单位是J/cm²。ak低的材料称为脆性 材料，在断裂前没有明显的塑性变形，吸收能量少，抵抗 冲击载荷的能力低；ak高的材料称为塑性材料。在断裂前 有明显的塑性变形，吸收能量多，抵抗冲击载荷的能力强。
Impact hardness
交变载荷和交变应力
交变载荷是指载荷的大
小和方向随时间作周期 性或者不规则改变的载 荷。在交变载荷作用下， 结构件的应力称为交变 应力。
24.5Mpa下运行4×10-6次
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疲劳破坏的主要特征
1. 在金属构件中的交变应力远小于材料的强度极限的 情况下，破坏就可能发生。
是Mpa/m。根据比重可以将金属分为轻金属和重金属两大类。
＜49×10-³Mpa/m(5克重/厘米³)的金属是轻金属，＞49×10-
³Mpa/m(5克重/厘米³)的金属是重金属。比重是金属材料的一个重
要的物理性能，特别是在航空工业中，为了增加有效载重和减少
燃料的消耗，飞机结构部件大部分都是用轻合金（如铝合金等）
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金属材料的主要性能
工程中，金属材料的选择应考虑以下几 个方面：
（1）使用性能 （2）工艺性能 （3）经济性 其中，金属材料的使用性能通常包括： 物理性能、化学性能和机械性能。
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一、金属的机械性能（力学性能）
金属的机械性能是指金属在载荷作用下抵 抗破坏和变形的能力。
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二、硬度-硬度计
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二、硬度 布氏硬度测试方法形成的 压痕面积大，能反映出较大 范围内被测试金属的平均硬 度，适用于组织比较粗大且 不均匀的材料，但不宜测试 成品件或薄金属件的硬度， 也不能测试硬度高于HB450 的金属材料。布氏硬度通常用符号HB表示。
飞机结构在使用中要承受各种载荷，所以， 金属材料的机械性能是飞机结构设计和选 择材料的重要依据。
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金属材料的力学性能
金属材料的机械性能指标主 要包括强度、塑性、硬度、 韧性和抗疲劳性能等。
一、强度和塑性
Strength and plasticity
拉伸试验
金属的强度和塑性是通
Brinell Hardness
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二、硬度
洛氏硬度测试法测试的压 痕，可以在制成品或较薄 的金属材料上进行测试； 而且，从较软材料到较硬 材料，测试范围比较广。 但对组织比较粗大且不均 匀的材料，测量结果不准 确。洛氏硬度通常用符号 HR表示，并根据压头的 种类和所加载荷的大小分 为HRB、HRC和HRA三 种。
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4. 疲劳破坏常具有局部性质，而并不牵涉到整 个结构的所有材料。影响金属材料疲劳极限的因 素很多，除了材料本身的质量外，试件的形状， 连接配合形式，表面状态及所处环境等等都对疲 劳极限有影响。
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与光滑试件（Kt = 1应力集中系数）相比，存在有应力集中 试件的疲劳极限要下降很多。应力集中是指受力时结构件中 应力分布的不均匀程度。金属结构件表面或内部的缺陷处 （如划伤、夹杂、压痕、气孔等）以及截面突变处（如螺纹、 大小截面转接处等），都会在载荷作用下出现应力局部增大 的现象，形成应力集中。应力集中的程度用应力集中系数Kt 来表示，Kt越大，表示构件局部出现的高应力比均匀分布时 的应力大的越多。应力集中的地方往往会成为疲劳裂纹的起 源点，产生疲劳裂纹，导致疲劳破坏。应力集中会使试件的 疲劳极限大大下降，是影响疲劳强度的主要因素之一。所以， 改进局部的细节设计，提高金属构件表面光洁度，减少热处 理造成的各种小缺陷，都可以较明显地提高金属构件的疲劳 极限，延长它的使用寿命。在使用中发现疲劳裂纹时，一般 并不需要更换全部结构，只需更换损伤部分。在疲劳损伤不 严重的情况下，有时只需要排除疲劳损伤，比如扩铰孔排除 孔边裂纹、在裂纹尖端打止裂孔就可以了。
式中：lk — 试样拉断后的标距长度； l0 — 试样的原始标距长度，
对于塑性材料，拉断前会产生明显的颈缩现象， 在颈缩部位产生较大的局部延伸。
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(二）塑性指标
2. 断面收缩率：
试样被拉断后，拉断处横截面积的缩减量与原始 横截面积之比就称为断面收缩率。即
= (Fo-Fk)/Fo×100% 式中：Fk — 试样在拉断处的最小横截面积；
金属材料的弹性模量随着温度的升高而降低。
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2.弹性极限
材料保持弹性变形的最大应力值称为弹性极限，用e
表示。 式中：Pe
—试e 件= P保e/持F0弹（性Mp变a）形的最大载荷。
3. 屈服极限
当所加载荷P达到某一数值Ps 时，曲线上出现一个小平台，
这一阶段称为屈服段，试样屈服时的应力称为材料的屈服 极限，也称为屈服强度s ，即
（五）导热性：金属传导热量的能力称为金属的导热性。金属的导热 性常用导热系数（）来表示，常用的单位是卡/厘米·度·秒。导热系 数越大，金属的导热性越好。一般情况下金属的导热能力要比非金属 大的多。金属的导电性和导热性有密切的关系，导电性好的金属导热 性也好。
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二、金属的物理性能（一）
金属的物理性能一般包括：颜色、比重、熔点、导电性、导热性、热 膨胀性和磁性。
（一）颜色：金属都具有一定的颜色。根据颜色可将金属分为黑
色金属和有色金属两大类。铁、锰、铬是黑色金属，其余的金属
都是有色金属。
（二）比重：比重是单位体积金属的重量，用符号表示，单位
= P / F0 （Mpa） 把试样的伸长量l 除
以试件原始的标距长度 l0，则得到试样的相对 伸长—应变，即 = l / l0
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（一）强度指标
金属在载荷作用下抵抗变形和断裂的能力叫强度。强度指标包 括弹性模量、弹性极限、屈服极限和强度极限等。
用中，不允许发生微小塑性变形的结构件来说，材料的屈服极限 是很重要的性能指标。
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4. 强度极限
材料在断裂时承受的最大应力称为强度 极限b ，即
b =Pb/F0 （Mpa）
式中：Pb — 试样断裂前所承受的最大载荷。 材料的强度极限b 就是材料拉断时的强度，
根据金属材料的硬度值可估计出材料的近似强度极限和耐磨 性。特别是布氏硬度和许多金属材料的强度极限之间存在着 近似的正比关系，硬度值大，材料的强度极限也大。通过测 量金属材料的布氏硬度，可以近似确定材料强度极限，并可 推断材料的热处理状态。对于硬度较小的材料，容易被划伤、 碰伤和磨损，在维修工作中，应注意保护。金属材料的硬度 对材料的机械加工性能也有影响。
Rockwell Hardness
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三、韧性
韧性是指金属试样断裂时， 吸收能量的能力。韧性好的 金属材料，脆性就小，断裂 时，吸收能量较多，不易发 生脆性断裂。 （一）冲击韧性
金属材料在冲击载 荷作用下，抵抗破坏的能 力称为冲击韧性。金属材 料的冲击韧性用冲击韧性值ak来表示，并需要进行冲击试验
式中：Ps — 试样发生s屈=服Ps时/ F的0（载M荷pa，）即屈服载荷。
有些常用金属的拉伸曲线上没有明显的屈服段，因此又规定，试
样标距部分残余相对伸长达到原标距长度0.2%时的应力为屈服极 限，也称为条件屈服极限，用0.2 表示。
屈服极限反映了金属材料对微量塑性变形的抵抗能力，对于在使
材料结构件和大型焊接结构中。低应
力脆断是结构件中原有缺陷形成的裂
纹，发生失稳扩展而引起的。所以，裂纹扩展难易，也就 是裂纹扩展所需的能量大小，就成为判定材料是否易
于断裂的一个重要指标。
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fatigue strength
四、抗疲劳性能
金属材料在交变载荷作 用下发生的破坏，称为 疲劳破坏。金属材料抵 抗疲劳破坏的能力，称 为金属材料的抗疲劳性 能。
来制造。
（三）熔点：金属加热时由固态变为液态时的温度称为熔点。根
据熔点的高低，又可将金属分为易熔金属和难熔金属。熔点低于
摄氏700度的金属属于易熔金属，熔点高于摄氏700度的金属属于
难熔金属。
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二、金属的物理性能（二）
（四）导电性：金属传导电流的能力称为金属的导电性。金属的导电 性用金属的电阻率（）来表示，单位是·mm²/m。越大，金属的导 电性越差。金属是电的良导体，但各种金属的导电性并不相同，银的 导电性最好，铜和铝次之。
过拉力试验来测定。拉力试
样通常有圆形截面的棒状和
矩形截面的板状（图1-1），
在试件中间一段截面均匀的
部分是试验段，其长度用l0