材料的机械性能
金属材料的机械性能
金属材料的机械性能金属材料是人类使用最早、最广泛的材料之一，它们的强度、硬度、韧性等机械性能是评价其使用价值的重要指标。
机械性能是指材料在受力下表现出的变形和破坏过程。
下面，我们将从强度、硬度、韧性等方面介绍金属材料的机械性能。
一、强度强度是金属材料的最基本的机械性能之一，指的是材料在外力作用下抗拉、抗压、抗剪等方向上的承载能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度、剪切强度等。
屈服强度是指材料在受拉力作用下，开始发生塑性变形并出现显著的应力松弛时所承受的最大应力值。
抗拉强度是材料在拉伸过程中承受的最大应力值。
抗压强度是指材料在受压力作用下承受的最大压应力值。
剪切强度是指材料受到剪切应力时所承受的最大应力值。
强度的大小与金属材料的组织结构、成分、热处理等因素有关。
一般来说，金属材料的强度与其硬度成正比，而与其韧性成反比。
不同材料的强度有很大的差别，在选择材料时需要根据使用条件和要求进行合理选择。
二、硬度硬度是指材料抵抗表面受压痕的能力，是金属材料的另一个重要机械性能指标。
硬度可用于估计金属材料的抗划伤性、金属材料的耐磨性和其他机械性能。
硬度测试常用的方法有维氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度等。
这些方法的基本原理都是利用不同直径和角度的硬度试验锥体或硬度试验球压入试样表面，测出不同深度下硬度的值。
金属材料的硬度与其晶粒大小、成分、组织结构、热处理等因素密切相关。
一般来说，材料的晶粒越小其硬度越大，成分和组织结构的变化也会影响材料的硬度。
三、韧性韧性是指金属材料在受力后发生变形后仍能够吸收能量的能力，它也是材料性能的重要指标之一。
韧性的大小决定了材料在受到冲击或重载作用下的抗破坏能力。
韧性可用塑性变形能或断裂韧性来表征。
塑性变形能是指材料在发生塑性变形过程中所吸收的能量，断裂韧性则是指材料在断裂点吸收的总能量。
金属材料的韧性可以通过控制材料的组织结构和成分来实现。
例如，通过加工和淬火的处理，可以使材料的晶粒细化和增强位错密度，从而提高材料的韧性。
常说的机械性能的主要机械性
机械性能常说的机械性能的主要机械性能有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性等。
首先解释一下相关概念：弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破的能力。
刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。
疲劳强度：当金属材料在无数次重复活交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。
断裂韧性：用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。
光谱分析仪器光谱分析仪器是一种用于测量发光体的辐射光谱，即发光体本身的指标参数的仪器。
根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道分析仪OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集,处理,存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作,使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测盆准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出.目前,它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测.工作原理分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合郎珀-比尔定律A= -lg I/I o= -lgT = KCL 式中I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A=KC。
机械性能定义
机械性能是金属材料的常用指标的一个集合。
在机械制造业光缆机械性能试验机中，一般机械零件都是在常温、常压和非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。
金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。
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。
金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。
外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。
常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。
时效处理:钢材经过冷加工后，在常温下存放15-20天，或加热至100-200度并保持2小时左右。
时效敏感性：因时效作用导致钢材性能改变的程度。
一般，钢材的机械强度提高，而塑性和韧性降低。
弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
塑性：金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的能力。
刚度：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
强度：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
硬度：金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力。
疲劳强度：当金属材料在无数次重复活交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。
断裂韧性：用来反映材料抵抗裂纹失稳扩张能力的性能指标。
通常说一种金属机械性能不好，是指它易折，易断，或者没有良好的打磨延展性。
一般纯金属的机械强度都要弱于合金的强度，举例来说就是钢的性能好于铁，后者的纯度更高。
第一类回火脆性第二类回火脆性回火脆性，是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。
淬火钢在回火时，随着回火温度的升高，硬度降低，韧性升高，但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷，一个在 200~400℃之间，另一个在450~650℃之间。
随回火温度的升高，冲击韧性反而下降的现象，回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。
材料机械性能
材料机械性能
材料的机械性能是指材料在外力作用下所表现出的力学性能，主要包括强度、
硬度、韧性、塑性和疲劳性能等。
这些性能直接影响着材料在工程中的应用，并且对材料的选择、设计和加工具有重要的指导意义。
首先，强度是材料抵抗外力破坏的能力。
它包括拉伸强度、抗压强度、抗弯强
度等。
材料的强度越高，其承受外力的能力就越大，因此在工程中，需要根据具体的应用场景选择具有足够强度的材料。
其次，硬度是材料抵抗划伤或压痕的能力。
硬度高的材料不容易被划伤或压痕，因此在一些对表面硬度要求较高的场合，需要选择硬度较高的材料。
韧性是材料抵抗断裂的能力，是指材料在受到外力作用下发生变形和破坏之前
所能吸收的能量。
韧性高的材料能够在受到冲击或挤压等外力作用时不易发生破裂，因此在一些需要抵抗冲击或挤压的场合，需要选择韧性较高的材料。
塑性是材料在受到外力作用下发生形变并能保持形变的能力。
塑性好的材料在
加工过程中能够更容易地进行成形，因此在一些需要进行塑性加工的场合，需要选择塑性较好的材料。
最后，疲劳性能是材料在长期交替加载下所表现出的抗疲劳性能。
疲劳性能好
的材料能够在长期交替加载下不易发生疲劳断裂，因此在一些需要经受长期交替加载的场合，需要选择疲劳性能较好的材料。
综上所述，材料的机械性能对于材料的应用具有重要的影响。
在工程中，需要
根据具体的应用场景选择具有合适机械性能的材料，以确保材料能够满足工程要求，并且能够发挥最佳的作用。
金属材料的机械性能-超全
金属材料的机械性能-超全引言机械性能是指材料在力学加载下的性能表现，包括强度、硬度、韧性、延展性等多个方面。
金属材料作为常用的工程材料，其机械性能的研究对于设计和制造具有重要意义。
本文将重点探讨金属材料的机械性能，并针对超全的机械性能进行阐述。
1. 金属材料的机械性能概述金属材料的机械性能是指材料在加载下所表现出的性能。
机械性能包括强度、硬度、韧性、延展性等多个方面。
1.1 强度强度是指材料抵抗外力的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度和抗压强度等。
屈服强度是指材料开始产生塑性变形时的应力值，抗拉强度是指材料在拉伸过程中的最大应力值，抗压强度则是指材料在受到压缩力时的最大应力值。
1.2 硬度硬度是指材料抵抗在其表面产生的塑性变形和划伤的能力。
硬度测试常用的方法有洛氏硬度测试、维氏硬度测试等。
1.3 韧性韧性是指材料抵抗断裂的能力。
一个韧性良好的材料能够在受到外力作用时发生塑性变形，而不会立即断裂。
1.4 延展性延展性是指材料在拉伸或压缩过程中的长度变化能力。
良好的延展性意味着材料能够发生较大的变形。
2. 金属材料的超全机械性能特点超全机械性能是指金属材料具备较高的强度、硬度、韧性和延展性等多个方面的性能。
2.1 高强度超全金属材料具有较高的强度，可以承受更大的外力。
这种高强度使得超全金属材料在工程领域具有更广泛的应用。
2.2 高硬度超全金属材料通常具有较高的硬度，能够抵抗划伤和塑性变形，提高材料的耐磨性和使用寿命。
2.3 高韧性超全金属材料具有较高的韧性，能够在受到外力作用时发生塑性变形，而不会立即断裂。
这种高韧性使得超全金属材料在承受冲击和振动载荷时具有较好的性能。
2.4 高延展性超全金属材料具有较高的延展性，能够发生较大的变形。
这种高延展性使得超全金属材料在需要变形加工的情况下具有较好的可塑性。
3. 金属材料的超全机械性能检测方法超全机械性能的检测对于金属材料的研究和应用具有重要意义。
本节将介绍几种常见的金属材料超全机械性能检测方法。
材料的机械性能指标
名称
代号
单位
解释
抗拉强度极限
（抗拉强度）
σb
Pa或N/mm2
(kgf/mm2)
规定试样收拉力作用，拉断前单位面积上所能承受的最大载荷，该指标是衡量金属材料强度的主要指标。
抗压强度极限
（抗压强度）
σy
规定试样受力作用，压坏前单位面积上所能成熟的最大载荷，该指标主要应用于低塑性材料
抗弯强度极限
（抗弯强度）
σw
规定试样受弯曲力作用，破坏前单位面积上所能承受的最大载荷
屈服强度极限
（屈服点）
σδ
Pa或N/mm2
(kgf/mm2)
规定试样所承受的载荷增加到某一限度，变形突然增加很大，不再与外力大小成正比，出现屈服现象，此时单位面积上承受的载荷。
条件屈服极限
（条件屈服强度）
σ0.2
规定试样在试验中产生屈服现象时，产生等于试样原长0.2％永久变形时的应力
伸长率（延伸率）
用短试棒
用长试棒
σ5
σ10
%
规定试样受拉力作用断裂时，伸长的长度与原有长度的百分比
试样的标距等于5倍直径
试样的标距等于10倍直径
断面收缩率
（收缩率）
ψ
规定试样受拉力作用时，断面缩小的面积与原有断面面积的百分比
冲击吸收功
（冲击功）
Akv
J
具有V型缺口的规定试样，在冲击试验中被冲断时所消耗的功
冲击韧性
（冲击值）
aku
ak
J/cm2
(kgf·m/cm2)
具有U型缺口的规定式样，在冲击实验中被冲断时所消耗的功与端口处断面面积之比
断口形貌
转变温度
材料的性能
材料的性能
材料的机械性能
金属材料作为结构材料使用时，选材的依据主要是 力学性能指标。力学性能又称机械性能，是指金属材 料在外力（载荷）作用下所表现出的抵抗变形和破坏 的能力。它是衡量工程材料性能优劣的主要指标，也 是设计过程中选材、设计计算和工艺评定的主要依据 。常用的力学性能有强度、硬度、塑性、冲击韧性和 疲劳强度等。
材料的性能
材料的机械性能
强度 金属材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力，
称为强度。
按载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗 压强度、抗弯强度和抗剪强度等。通常以抗拉强 度作为判断金属材料强度高低的指标。
材料的性能
材料的机械性能 硬度 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，是衡量材料软硬程度的指标。 常用的硬度指标
布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度
材料的性能
材料的机械性能
塑性 塑性是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能
力。
塑性的实际意义在于： ①对于需通过锻、轧、冲压、拉拔等变形方式成形、加工 的型材或零件，必须具有良好的塑性. ②.零件使用中难免过载，塑性好的零件过载时会发生一 定量的塑性变形，而不至于像脆性材料那样突然断裂； ③零、构件中难免出现局部应力集中，塑性好的零、构件， 可通过应力集中处的塑性变形削减应力集中的程度. ④材料的韧性是由强度和塑性共同决定的，可通过强度和 塑性指标间接了解材料的韧性。
物理性能
材料的性能
密度
材料的物理、化学性能
熔点
导热性
导电性
热膨胀性
磁性
化学性能
材料的性能
材料的物理、化学性能
耐腐蚀性 抗氧化性 化学稳定性
机械工程材料
材料的机械性能指标
材料的机械性能指标
材料的机械性能指标包括以下几个方面：
1. 强度：指材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标有抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。
2. 韧性：指材料在受力下发生塑性变形的能力。
韧性高的材料可以承受更大的能量吸收和变形，不容易发生断裂。
3. 脆性：相对于韧性，指材料在受力下发生断裂的能力。
脆性高的材料容易发生断裂，不具有塑性变形的能力，容易产生裂纹。
4. 硬度：指材料的抵抗划痕或压入的能力。
硬度高的材料不容易被刮擦或变形，常用于制作耐磨部件。
5. 弹性模量：也称为杨氏模量，表示材料在受力下的变形程度。
弹性模量越大，材料越难变形。
6. 疲劳寿命：指材料在循环受力下能够承受的循环次数。
疲劳寿命长的材料具有较好的耐久性。
7. 确定性与可靠性：指材料的性能在不同条件下的稳定性和一致性。
材料的性能应保持较高的确定性和较好的可靠性。
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钢球压头与金刚 石压头
洛氏硬度压痕
洛氏硬度用符号HR表示：
HR=k-(h1-h0)/0.002
洛氏硬度测试示意图 洛 氏 硬 度 计
h1-h0
表示方法：数字
+ 符号，如45HRC。
HRA：用于测量高硬度材料,
如硬 如有
质合金、表淬层和渗碳层。
HRB：用于测量低硬度材料,
力学行为：
材料在外加载荷或环境因素的 作用下所表现的行为。 现象： 弹性变形、塑性变形和断裂。
五万吨水压机
解理型断口
微孔聚合型断口
晶间断裂
晶内断裂
应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0
拉 伸 试 验 机
低碳钢的应力-应变曲线
拉伸试样
屈服 塑性 变形
均匀 塑性变形பைடு நூலகம்
不均匀集中 塑性变形
C为断裂应力，aC为临界
裂纹半长，单位为 MN / m 3 2
断裂判据
•KI < KIC •KI > KIC 构件安全 构件发生脆性断裂
•KI＝ KIC
裂的临界条件
构件发生低应力脆性断
4、高、低温载荷作用时：
1）蠕变强度（σ
T δ/t）；
2）持久强度（σ t）；
T
六、断裂韧性
油轮断裂和北极星导 弹发动机壳体爆炸与 材料中存在缺陷有关
1943年美国T-2油轮发生断裂
裂纹扩展的基本形式
北 极 星 导 弹
c (ac )
1 / 2
应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的
指标。
K I Y a
断裂韧性：材料抵抗内部
裂纹失稳扩展的能力。
K IC Y C aC
五、硬度
材料抵抗表面局部塑
性变形的能力。
布氏硬度HB
HB 0.102 2P
D( D D 2 d 2 )
布 氏 硬 度 计
HBS ：为钢球压头，适用于布氏硬
度值在450以下的材料。
HBW ：为硬质合金球压头，适用于
布氏硬度在650以下的材料。
表示方法：120HBS
布 氏 硬 度 压 痕
-59℃
-12℃
4℃
16℃
24℃
79℃
低强度铁素体钢冲击断口照片
建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没与
船体材料的质量直
接有关
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
四、疲劳
材料在低于s的重复交变应力作 用下发生断裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不 发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。 用-1表示。 钢铁材料规定次数为107，有色金 疲劳应力示意图 属合金为108。 疲劳曲线示意图
断裂
不断裂
2）循环次数（N）
材料的纯度及组
织状态对疲劳抗 力有显著影响
40Cr钢组织类型对疲劳极限的影响
组织状态
退火（铁素体＋珠光体）
淬火（马氏体）
σb /MPa
σ-1 /MPa
650
2080
314
775
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
•通过改善材料的形状结构，减少表面 缺陷，提高表面光洁度，进行表面强 化等方法可提高材料疲劳抗力。
第一章
材料的性能
神 舟 一 号 飞 船
机械工程材料的常用性能
力学性能（强度、塑性韧性等）
材料使用性能 物理性能（光、热、电、磁等） 化学性能（氧化、腐蚀等）
两 方 面
材料工艺性能
生物性能（相容性、自恢复性等）
加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）
应 力 σ
断裂 弹 性 变 形
应变ε
一、弹性和刚度
弹性：指标为弹性
极限e，即材料承 受最大弹性变形时 的应力。
刚度：材料受力时
e
E tg （MPa）
抵抗弹性变形的能 力。指标为弹性模 量 E。
•弹性模量：
主要取决于材料的本性，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。 •刚度：可以通过增加横截面积或改 变截面形状来提高。
显微维氏硬度计
硬度的特点与实用性
1）设备简单，操作方便，不破坏工件，
且与抗拉强度之间存在一定对应关系。 2）是综合性力学指标：
（1）说明强度（σ）与塑性（δ）的匹
配关系；
（2）使用性能指标，说明零件的耐磨性； （3）可作为评价工艺制定合理程度的重 要指标。 例如、当材料的硬度在HB150~220间 时，其切削性较好。 3）零件图纸上往往只标注硬度值。 4）产品质量检查。
布氏硬度的优点：
测量误差小，数据稳定，b与HB
钢
之间有关系：如、低碳钢b≈3.6HB；
高碳钢b≈3.4HB；铸铁 b≈1HB。
缺点：
HB
黄铜
球墨铸铁
压痕大，不能用于太薄件、 成品件及比压头还硬的材料。
布氏硬度的应用：
适于测量退火、正火、
调质钢,铸铁及有色金属的硬 度。
•洛氏硬度HR
色金属和退火、正火钢等。
HRC：用于测量中等硬度材料，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。
缺点：测量结果分散度大。
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度用符号HV表示，符号前的
数字为硬度值。
用于第二相硬度的测量。
小 负 荷 维 氏 硬 度 计
二、强度与塑性
强度：材料在外力作用下
s
抵抗变形和破坏的能力。
屈服强度s：材料发生微
量塑性变形时的应力值。
条件屈服强度0.2：残余变
0.2
形量为0.2%时的应力值。
抗拉强度b：材料断裂前
所承受的最大应力值。
•塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性 变形的能力。指标为：
伸长率：
的能力。
指标为冲击韧性
值ak(通过冲击 实验测得)。
ak
Ak F
Ak mg (h h)
ak = Ak / F
•韧脆转变温度
材料的冲击韧性随 温度下降而下降。
在某一温度范围内 冲击韧性值急剧下 降现象称韧脆转变。
发生韧脆转变的温 度范围称韧脆转变 温度。
韧
体心立方金属具有 韧脆转变温度，而 大多数面心立方金 材料的使用温度应 高于韧脆转变温度。 属没有。
l1 l 0 100% l0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
F0 F1 100% 断面收缩率： F0
断裂后
说明：
①用面缩率表示塑性比伸长率
更接近真实变形。
③ < 5% 时，无颈缩，为脆 性材料表征。
② > 5% 时，有颈缩，为塑
性材料表征；
三、冲击韧性
是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏