第一节 金属材料的主要性能

用来制造各种机械零件的材料统称为机械工程材料。一般分为两大类：金属材料和非金属材料。金属材料包括：钢、铁、铜和铝等；非金属材料包括：工程塑料、橡胶、陶瓷等。

在生产实际中，不同的材料有不同的性能和用途。同一种金属材料通过不同的热处理方法，可以得到不同的性能。金属材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。一般机械零件常以力学性能作为设计和选材的主要依据。金属材料的力学性能是指金属材料在外载荷（也称为外力）作用下表现出来的特性。外载荷按照其作用形式不同，分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。

金属材料的力学性能主要是指强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

一、金属材料的力学性能

1.强度

金属材料在外力作用下，材料抵抗破坏和断裂的能力，称为强度。抵抗变形和断裂的能力越大，则强度越高。一般以抗拉强度作为金属材料的强度指标。

2.刚度

金属材料在外力作用下，材料抵抗变形的能力，称为刚度。主要的参数指标用抗拉强度来确定。

3.塑性

金属材料在外力的作用下产生塑性变形而不断裂的能力，称为塑性。常用的塑性指标有延伸率（δ）和段面收缩率（Ψ）。对于同样材料，用不同长度的试样测得的延伸率的数值不同。因此对不同尺寸的试样应标以不同符号。例如，用长度为直径5倍的试样测得的延伸率以δ₅表示；用长度为直径10倍的试样测得的延伸率以δ₁₀表示，δ₁₀通常简写成δ。

金属材料具有一定的塑性才能进行压力加工，如冷冲、冷弯等。此外，具有良好塑性的零件，万一超载不至于立即断裂。

金属材料的强度、塑性可以根据GB6397—86的规定，通过金属材料的拉伸试验来确定。标准拉伸试样一般用为圆形棒料。在拉伸试验过程中，试样所受拉载荷F与伸长量Δl的关系曲线称为拉伸曲线，经计算得到试样所受应力σ和应变ε的关系曲线，称为应力—应变曲线。如图3-1所示，分别表示低碳钢试样的拉伸曲线和应力—应变曲线。

由图可知，在载荷较小的Oe段，试样的伸长量随载荷增加而增加，外载荷去除后试样恢复原状，此种变形为弹性变形，故Oe段为弹性变形阶段。超过e点后，试样进入弹性—塑性变形阶段，当去掉外载荷后，试样不能恢复原状。当应力增加到σ_s时，拉伸曲线（应力—应变曲线）到达s点后出现近似于水平的阶段，这表示在载荷不变的情况下，试样仍明显继续增长，这种现象称为屈服。屈服现象之后，试样又随载荷的增加而伸长，由于较大的塑性变形伴随着变形强化现象（因金属材料产生变形而使其强度、硬度增高的现象），故称为强化阶段。当应力增加到σ_b时，试样中间出现局部变细的缩颈现象。当应力增加到σ_k时，试样在缩颈处断裂。

（1）弹性极限σ_e和弹性模量E。在弹性变形阶段，e点对应的弹性变形阶段的极限值，称为弹性极限σ_e。

金属材料在弹性变形阶段内，应力与应变的比值，表征材料抵抗弹性变形的能力，其值大小反映金属材料弹性变形的难易程度，称为弹性模量E，即

其中，称为应力，F为载荷，A为试样截面面积；，称为应变，ΔL为试样拉伸变长量，L为试样原来的长度。

（2）屈服强度σ_s。在屈服阶段金属材料产生屈服时的应力称为屈服强度σ_s。屈服强度标志着金属材料塑性变形的能力。

（3）抗拉强度σ_b。在塑性变形阶段，曲线最高点b所对应的应力σ_b，标志着金属材料在断裂前所能承受的最大应力，称为抗拉强度。

（4）延伸率δ和断面收缩率φ。试样拉断后，试样伸长量与原来长度比值的百分比，称为延伸率δ；试样拉断缩颈断面面积的变化量与原来截面面积的百分比，称为断面收缩率φ。δ、φ是金属材料的塑性指标，公式表示如下

式中 l₀——试样的原来长度；

l₁——试样拉断后的长度；

S₀——试样原来的截面面积；

S₁——试样断裂缩颈处的截面面积。

δ和φ越大，表示材料的塑性越好。

4.硬度

金属材料抵抗外物压入的能力，称为硬度。它是衡量金属材料软硬程度的指标，表征了材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形及破坏的能力。材料的硬度高，其耐磨性就好。

测定硬度常用压入法：把淬硬的钢球或金刚石圆锥压入金属材料的表层，然后根据压痕的面积或深度来测定被测金属的硬度值。常用的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）和维氏硬度（HV）。数据越大，硬度越高。

（1）布氏硬度HB。布氏硬度试验是用一定直径的钢球或硬质合金球，以相应的试验压力压入试样，保持规定时间后，测量试样表面的压痕直径。经过计算所得的数值为布氏硬度值。

（2）洛氏硬度HR。洛氏硬度是在初始试验压力和总试验压力的先后作用下，将金刚石圆锥体或钢球的压头压入试样表面，经保持时间后，由测量原残余压痕深度增量计算硬度值。

根据被测材料的硬度和厚度等条件的不同，可得到15种不同的洛氏硬度标准，最常用的为HRA、HRB、HRC三种。符号后面的数字表示硬度的大小，数字越大，表示的硬度越高。

（3）维氏硬度HV。维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同的是所加载荷较小，压头是顶角为136°的正四棱锥金刚石压头，在被测材料的表面得到的是四方锥形压痕。

5.冲击韧性

金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，称为冲击韧性。冲击韧性的测定是在冲击试验机上用一定高度的摆锤将试样打断，测出打断试样所需的冲击功A_k（J），再用试样断口处的截面积S（m²）去除，所得的商值，即为冲击韧性值α_k，单位为J／m²。

6.疲劳强度

疲劳强度是指金属材料经过无数次的应力循环后仍不断裂的最大应力，用来表征金属材料抵抗疲劳破坏的能力。

金属材料疲劳强度试验所测得的材料所受循环应力σ与其断裂前的应力循环次数N的关系曲线，称为疲劳曲线，如图3-2所示。由图可知，循环应力越小，则材料断裂前所承受的循环次数越多。工程上规定：材料在应力循环作用下达到某一基数而不断裂时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。一般钢铁材料的循环次数取10⁷。当金属材料承受对称循环应力时，材料的疲劳极限用σ_-1表示。

二、金属材料的物理和化学性能

1.物理性能

金属材料的物理性能主要包括比重、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于零件的用途不同，对金属材料的物理性能要求也有所不同。例如：飞机零件要求比重小、内燃机活塞要求热膨胀性低、变压器的硅刚片要求良好的磁性等。

金属材料的一些物理性能对热加工工艺也有一定的影响。例如导热性对热加工具有重要意义，在焊接、铸造、热处理和锻造时，金属材料因导热原因在加热或冷却过程中产生内外温差，导致不同部位的膨胀或冷却，产生内应力，从而引起材料产生内部裂纹等。对于导热性较差的金属材料如合金钢，应采取适当的措施，避免急剧的加热或冷却，防止材料产生裂纹。

2.化学性能

化学性能是指金属材料在常温或高温条件下抵抗外界介质化学腐蚀的能力。其包括耐酸性、耐碱性和抗氧化性等。

一般金属材料的耐酸性、耐碱性和抗氧化性都是很差的，为了防止化学腐蚀，必须使用特殊的合金钢及某些有色金属，或使之与介质隔离。

三、金属材料的工艺性能

金属材料的工艺性是指材料加工成形的难易程度。按照加工工艺的不同，工艺性能可以分为可铸性、可焊性、可锻性、切削加工和热处理等。