教学课题： 第 1 章 工程材料的主要性能

1. 材料的使用性能

■ 材料的力学性能

■ 材料的物理化学性能 2. 材料的工艺性能

通过本章的学习，掌握材料常用的力学性能指标及力学性能指标在选材中的应用

1. 常用的力学性

能指标

2. 力学性能指标

在选材中的意义

思考： 材料的性能有哪些？ 材料的性能是由什么决定的？ 如何衡量这些性能？ 钢丝、铁丝、铜丝和铝丝四者的性能有那些区别？ 不同服役条件下应具备哪些性能？

材料的性能有哪些？ 材料的性能包含工艺性能和使用性能。 使用性能：是指材料在服役条件下，为保证安全可靠地

工作，材料所必须具备的性能。如：力学性能、物理性能、化学性能。工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用寿命和应用范围。

工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应某种成形加工的性能。如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。工程材料工艺性能好坏，直接影响零件或构件的制造方法和制造成本。

1.1.1 材料的力学性能 力学性能：是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。

外力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。 载荷形式：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。

一、低碳钢常温静载拉伸实验 标准拉伸试样： 长试样 L0=10d0

短试样 L0=5d0 应力 (σ) ：单位横

截面积的内力

1. 拉伸曲线分析 oe 弹性变形阶段 csd 屈服阶段 db 强化阶段 bk 缩颈阶段 k 试样断裂

1. 拉伸曲线分析 弹性变形阶段 ①e 点以前产生的变形是可以恢复的弹性变形， e点对应了弹性变形阶段的极限值，称为弹性极限，以 σe 表示（单位为 Mp

a ）。

②oe 段近似为一直线，直线的斜率代表弹性模量 E ，弹性模量 E 是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。 E 愈大，使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。弹性模量的大小主要取决于金属的本性（晶格类型和原子结构），而与金属的显微组织无关。工程上称为材料的刚度，表示材料弹性变形抗力的大小。

1. 拉伸曲线分析 屈服阶段

② 图形上出现平台，即载荷无明显增加，试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，这种现象叫屈服。

① 当应力超过 σe 时，试样开始出现塑性变形。

③σs 为屈服阶段的最小应力，称为屈服强度（屈服点）。

)(0

MPaS

FSS

式中 Fs—— 屈服时的最小载荷（ N ）；

S0—— 试样原始截面积（ mm2 ）

其含义是：当 σ>=σs 时，认为材料开始产生塑性变形；当 σ<σs 时，认为材料不产生塑性变形。零件发生塑性变形，意味着零件散失了对尺寸和公差的控制，因此工程中常根据 σs 确定材料的许用应力。

1. 拉伸曲线分析 屈服阶段 ④ 对于铸铁等脆性材料，无明显屈服阶段，可用规定残余伸长应力 σ0.2 表示。σ0.2 表示试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到 0.2%时的应力，也称为名义屈服强度。

)(0

2.02.0 MPa

S

Frr

1. 拉伸曲线分析 强化阶段 ① 在屈服阶段以后，欲使试样继续伸长，必须不断加载。即随着试样塑性变形增大，试样变形抗力也逐渐增加，这种现象称为变形强化（或称加工硬化）。

② 材料在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度 σb 。

)(0

MPaS

Fbb

式中 Fb—— 试样断裂前所承受的最大载荷 （ N ）； S0—— 试样原始截面积（ mm2 ）

其含义是：当 σ>=σb 时，材料将会断裂，当 σ<σb 时，材料不会断裂。

1. 拉伸曲线分析 缩颈阶段 当应力达到 σb 时，试样就在某个薄弱部位形成缩颈。由于试样局部截面的逐渐减小，故应力也逐渐降低，当达到曲线上的 k 点时，试样发生断裂。

2. 强度指标 强度是指材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断

裂的能力。 其中抵抗塑性变形的能力，用屈服强度 σs 表示，无明显屈服阶段，可用规定残余伸长应力 σ0.2 表示；抵抗断裂的能力，用抗拉强度 σb

表示。

σs 与 σb 的比值叫做屈强比，屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，屈强比太小，则材料强度的有效利用率太低，一般取值在 0.65 ～ 0.75。

② 断面收缩率

塑性是指材料断裂前发生最大变形的能力。

3. 塑性指标

① 断后伸长率 式中 L0 ， L1——分别为试样原始标距和被拉断后的标距（ m

m ）。 %100

0

10

S

SS

式中 S0 ， S1——分别为试样原始截面积和断裂后缩颈处的最小截面积（ mm2 ）。 ③ 塑性对材料的意义 a.提高安全性：塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不突然断裂，因此比较安全。 b.便于压力加工成型：塑性好的材料可以发生大量塑性变形而不破坏，易于通过塑性变形加工成形状复杂的零件。

加工硬化：材料经过加工产生塑性变形后，强度、硬度上升，而韧性、塑性下降的现象。

4. 加工硬化

二、硬度实验 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时

抵抗局部塑性变形的能力。 硬度测量能够给出金属材料软硬程度的数量概念。 硬度试验简单易行，又无损于零件，而且可以近似的推算出材料的其他机械性能，因此在生产和科研中应用广泛。

硬度试验方法很多，机械工业普遍采用压入法来测定硬度，压入法又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。

1. 布氏硬度 实验过程 一定直径的球体 (钢球或硬质合金球 ) 在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径 , 计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(当用钢球压头时 )或HBW(当用硬质合金球时 )来表示。

HBS （ HBW） = F/A = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2]

1. 布氏硬度 布氏硬度表示方法 标注：如 120HBS10/1000/10 ，即表示用直径D=10mm 的淬火钢球压头在 1000kgf(9.8KN) 的试验载荷作用下，保持 10秒所测得布氏硬度值为 120 。 HBS只可用来测定硬度值小于 450 的金属材料。 500HBW5/750 表示用直径D=5mm 的硬质合金球压头在 750kgf(7.35KN) 的试验载荷作用下，保持 10-15 秒 (不标注 ) 所测得布氏硬度值为 500 。 HBW可用来测定硬度值 450-650 的金属材料。

1. 布氏硬度 布氏硬度特点 布氏硬度试验的压痕较大，测量数值稳定，准确，能很好的反应材料的硬度；但操作时间较长，对不同材料需要不同的压头和试验力，压痕直径测量费时，因此不适用批量生产、成品及薄件；在进行高硬度材料试验时，由于球体本身的变形会使测量结果不准确，因此，用淬火钢球压头测量时，材料硬度值必须小于 450 ；用硬质合金球压头时，材料硬度值必须小于 650 。

布氏硬度应用 布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢；结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。

2. 洛氏硬度 实验过程 将金刚石压头 (或钢球压头 ), 在先后施加两个载荷 ( 预载荷 F0 和主载荷 F1) 的作用下压入金属表面。总载荷 F 为预载荷 F0 和主载荷 F1之和。卸去主载荷 F1 后 , 测量其残余压入深度 h, 用 h与 h0之差△h来计算洛氏硬度值。

预加载荷的目的是使压头与试样表面接触良好 , 以保证测量结果准确。

硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出。

布氏硬度表示方法

2. 洛氏硬度

标注：如 40-45HRC

常见洛氏硬度标尺的实验条件及应用

硬度符号 压头 总载荷

（ kgf）表盘上刻

度颜色常用硬度值范围 使用范围

HRA 金钢石圆锥 60 黑 色 20~85碳化物、硬质合金、表面淬火层等

HRBφ1.5875mm钢球 100 红 色 25~100

有色金属、退火及正火钢等

HRC 金钢石圆锥 150 黑 色 20~67 调质钢、淬火钢等

2. 洛氏硬度 洛氏硬度特点

操作简便迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；压痕小，可以测定成品及较薄零件；测试的硬度值范围大，从很软到很硬的金属材料均可测量。缺点是：压痕小，测量数值代表性差，通常需要在不同部位测试数次，取平均值。

3. 维氏硬度 实验过程

是用一种顶角为 136°的正四棱锥体金钢压头，在载荷 F(kgf) 作用下，试样表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度 d(mm)供以计算试样的硬度值。 ——根据 d 值查表即可得到硬度值。

为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。

3. 维氏硬度 维氏硬度表示方法 维氏硬度用符号HV表示， HV前面为硬度值， HV后面的数字按试验载荷、试验载荷保持时间 (10～ 15s 不标注 ) 的顺序表示试验条件。例如： 640HV30 表示用 294.2N(30kgf) 的试验载荷，保持 10～ 15s(不标出 )测定的维氏硬度值为 640 ； 640HV30/20 表示用 294.2N(30kgf) 的试验载荷，保持 20s测定的维氏硬度值为 640 。

维氏硬度应用 维氏硬度试验主要用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理 (如氮化、渗碳等 ) 后的表面硬度。

三、夏比冲击实验

材料断裂前吸收变形能量的能力。

韧性

冲击韧性

冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。

三、夏比冲击实验 实验过程

Ak=mg(h1-h2) 单位为焦耳

冲击吸收功 Ak

冲击韧度 ak

ak=冲击破坏所消耗的功Ak/标准试样断口截面积 F,单位为焦耳 /厘米 ²（ J/cm²）

三、夏比冲击实验

ak 值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形； ak 值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。

韧脆转变温度

冲击吸收功急剧 变化或断口韧性急剧转变的温度区域。

四、疲劳强度 机械零件的断裂 80%由疲劳造成。 承受周期性循环应力或交变应力作用。 应力往往远小于强度极限甚至屈服极限。 突然断裂。 疲劳断裂过程：疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、

断裂三个阶段。

四、疲劳强度 疲劳强度

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。

材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。 循环基数：钢铁材料 107 ；非铁金属 108 ；腐蚀介质作用下 106 。 陶瓷、高分子材料的疲劳抗力很低，金属材料疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。

1.1.2 材料的物理、化学性能 材料的物理性能 ■ 密度

■ 熔点

■ 导热性

■ 导电性

■ 热膨胀性

■ 磁性

1.1.2 材料的物理、化学性能

材料的化学性能 金属材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。

(1) 耐腐蚀性——指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。

(2) 抗氧化性——指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮的能力。

耐腐蚀性材料如：不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等。

如：耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等。

1.2 材料的工艺性能 工艺性能是指材料适应加工工艺要求的能力。 ■ 铸造性能

■ 锻造性能

■ 焊接性能

■ 切削加工性能

■ 热处理工艺性能