金属材料的力学性能
金属材料在外力或能的作用下，所表现出来的一系列力学特性，如强度、刚度、塑性、韧性、弹性、硬度等，也包括在高低温、腐蚀、表面介质吸附、冲刷、磨损、空蚀（氧蚀）、粒子照射等力或机械能不同程度结合作用下的性能。力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，是选用金属材料的重要依据。充分了解、掌握金属材料的力学性能，对于合理地选择、使用材料，充分发挥材料的作用，制定合理的加工工艺，保证产品质量有着极其重要的意义。
一、强度
强度是材料受外力而不被破坏或不改变本身形状的能力。
(一)屈服点
金属试样在拉伸试验过程中，载荷不再增加而试样仍继续发生塑性变形而伸长，这一现象叫做“屈服”。材料开始发生屈服时所对应的应力，称为“屈服点”，以σs表示。有些材料没有明显的屈服点，这往往采用σ0.2作为屈服阶段的特征值，称为屈服强度。
（二）抗拉强度
拉伸试验时，材料在拉断前所承受的最大标称应力，即拉伸过程中最大力所对应的应力，称为抗拉强度，以σb表示。
二、塑性
塑性是金属材料在外力作用下（断裂前）发生永久变形的能力，常以金属断裂时的最大相对塑性变形来表示，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。
（一）伸长率
金属材料在拉伸试验时试样拉断后其标距部分所伸长的长度与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，也叫伸长率，用δ表示。
（二）断面收缩率
金属试样在拉断后，其缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率，以符号ψ表示。
三、硬度
硬度是金属材料表面抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是衡量材料软硬的性能指标。
硬度不是一个单纯的、确定的物理量，而是一个由材料弹性、塑性、韧性等一系列不
同性能组成的综合性能指标。所以硬度不仅取决于材料本身，还取决于试验方法和条件。
（一）布氏硬度
（二）洛氏硬度
（三）维氏硬度
四、韧性
金属在断裂前吸收变形能量的能力，称为韧性。衡量材料韧性的指标分为冲击韧性和断裂韧性。
（一）冲击韧性
冲击韧性是评定金属材料受冲击载荷作用时抵抗变形和断裂的抗力指标，以冲击韧度或冲击吸收功来度量。
（二）断裂韧性
断裂韧性是材料阻止或抵抗裂纹扩展的能力，确切地说是阻止裂纹产生临界扩展的能力，常用K1c或K c表示。K1c是表示平面应变状态下的断裂韧度，K c表示平面应力状态下的断裂韧度。
第三节钢的分类及编号
一、钢的分类
钢的分类方法很多，可以按化学成分、冶炼方法、品质、用途及金相组织等进行分类。
（一）按化学成份分类
按化学成分可分为碳素钢（简称碳钢）、合金钢两大类。碳素钢是指碳质量分数低于2.06%的铁碳合金，根据碳质量分数的不同，碳钢又可分为工业钝铁（wc≤0.02%）低碳钢（wc≤0.25%）、中碳钢（wc0.25%一0.60%）和高碳钢（wc＞0.6%）。合金钢是在碳钢的基础上，为了改善钢的性能专门加入某些合金元素炼制而成的钢。按照合金元素总量的不同，合金钢可分为低合金钢（合金元素总量〔5%〕、中合金钢（合金元素总量为5％～10%）和高合金钢（合金元素总量≥10%）。
（二）按冶炼方法分类
根据炼钢炉类别分类，可分为平炉钢、转炉钢（又分氧气吹炼和空气吹炼转炉钢）和电炉钢（又分为电弧炉钢、电渣炉钢、感应炉钢和电子束炉钢等）3大类。
根据冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢及半镇静钢。沸腾钢是脱氧不完全的钢，钢在熔炼后期，钢液仅用弱脱氧剂（锰铁）脱氧，所以钢液中有相当数量的氧化铁FeO）。在浇注和凝固时，由于碳与氧化铁反应，钢液不断析出一氧化碳，产生沸腾现象，故称为沸腾钢，以符号,“F”表示。沸腾钢耐蚀性和力学性能差，不宜用于重要结构使用。
镇静钢为完全脱氧钢，浇注和凝固时钢液镇静不沸腾，故称为镇静钢。这种钢冷凝后有集中缩孔，所以成材率低，成本高。但气体含量低，偏析少，时效倾向低，质量较高，因此得到广泛应用。镇静钢以符号,“Z”表示，但一般省略。
半镇静钢为半脱氧钢，脱氧程度介于上述两者之间，用符号“b’’表示。
（三）按品质分类
根据钢中有害杂质硫、磷的含量，可分为普通碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢。
（1）普通碳素钢ωp≤0.045%，ωS≤0.05%；
（2）优质碳素钢ωp、ωS均0.035%，其他非有意加入而是从原材料带入的残余杂质如Cr、Ni、Cu等的含量也有一定的限制；
（3）高级优质碳素钢ωp≤0.035%、ωS≤0.03%，混入的其他杂质含量限制得更加严格。
普通碳素钢一般采用转炉和大型平炉冶炼，产量大、成本低；优质碳素钢一般用电炉或平炉冶炼，杂质少；高级优质碳素钢主要是电炉钢或采用精炼的方法，质量最好、成本也高，它主要用来制造工具和要求很高的机器零件及焊接材料用钢。
（四）按金相组织分类
钢按金相组织可分为铁素体一珠光体型钢、贝氏体型钢、马氏体型调质高强度钢、铁素体型钢和奥氏体型钢等。
（五）按用途分类
钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢3大类。
结构钢还分为建筑及工程机械用钢、机械制造用钢、超高强度钢、轴承钢和弹簧钢等。
建筑及工程机械用钢还包括碳素结构钢、低合金高强钢、钢筋用钢等；机械制造用钢包括调质钢、表面硬化钢、易切钢、冷加工成形用钢等。
工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，包括量具、刃具、模具钢等。
特殊用途钢分为不锈耐酸钢、耐热钢、电工用钢、耐磨钢、低温用钢、各种专业用钢等。专业用钢主要有锅炉钢、压力容器用钢、船舶、桥梁、钢轨用钢等。
二、钢的编号及特性
我国的钢材牌号表示方法，是采用国际化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字并用的原则，即钢号中化学元素用国际化学符号表示；钢材名称、用途、冶炼和浇注方法等一般以汉语拼音的缩写字母来表示；钢中主要化学元素含量（百分率）采用阿拉伯数字表示。
（一）碳素结构钢的牌号、性能及用途
1．普通碳素结构钢
根据GB/T700--1988《碳素结构钢》标准，钢的牌号由代表屈服点的字母、数值、质量等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。主要钢种：Q195、Q215A、Q215B、Q235A、Q235B、Q235C、Q235D、Q255D、Q255B、Q275。其中：
Q一表示钢的屈服点，为“屈”字拼音字母；
235――数字表示钢的屈服点数值，单位为MPa;
A、B、C、D一分别为质量的4个等级，其中A级质量最低，D级质量最高；F表示沸腾钢；b表示半镇静钢；Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢。
2．优质碳素结构钢
优质碳素结构钢主要用于制造重要的机器零件、结构，其钢号用两位数字表示。两位数字表示该钢种平均碳质量分数的万分率，如20、45钢，分别表示钢中平均碳质量分数为0.20%、0.45%的优质碳素结构钢。常用的钢号有：10、15、20、30、35、40、45等。高级优质碳素结构钢在钢号后附加“高”或“A”字。含锰量较高（ωMn为0.70%～1.00%）的优质碳素钢，应将锰元素标出，如15Mn、60Mn等。
10、20钢具有良好的冲击韧度，良好的焊接性能，常用于各种结构件；35、40、45、55钢属于调质钢，调质处理后可获得良好的综合力学性能，多用于制造机器零件等。
3．碳素工具钢
碳素工具钢用钢的平均碳质量分数的千分率数字表示。为了与合金工具钢相区别，在数字前冠以“T’’字，读成“碳”。如碳质量分数为0.70%的碳素工具钢，其钢号写成T7，读成“碳7＂。常用的钢号有T7、T8、T9、T10、T12等。高级优质碳素工具钢含磷、硫较低，表示为Tl0A、T12A等。碳素工具钢一般要经热处理后使用。
4．其他专业用钢
在一般碳素结构钢基础上为满足某些专业用途的特殊需要，发展了一些专业用钢，如锅炉钢、容器钢、焊接气瓶用钢、船用钢、桥梁用钢、铁道用钢等。锅炉用钢板在钢号后加“g”字；压力容器用钢板加“R”字；焊接气瓶用钢板加“HP”字母；多层压力容器用钢板加“RC”，字母，如20g、20R、20HP、15MnHP、16MnRC、15MnVRC等。
（二）合金钢的牌号、性能及用途
1．低合金高强度结构钢的编号
根据GB/T 1591-1994《低合金高强度结构钢》标准，低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)3个部分组成．并按顺序排列。如：Q390A
其中：
Q一一一钢屈服点“屈”字拼音首位字母；
390－一－屈服点数值，单位MPa:
A、B、C、D、E—分别为质量等级符号：
低合金高强度结构钢共有Q295A（B）、Q345A（B、C、D、E）、Q390A（B、C、D、E）、Q420（A、B、C、D、E）和Q460C(D、E)5个牌号。一般以热轧、控轧、正火及正火加回火状态交货。Q420、Q460的C、D、E级钢也可按淬火加回火状态交货。
GB/T1591-1994与GB1591-1988标准中对应的钢牌号如表3-1所示。
表3-1 新旧低合金结构钢标准牌号对照
GB/T1591-1994GB1591-1988
Q295 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn
Q345 12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb
Q390 15MnV、15MnTi、16MnNb
Q420 15MnVN、14MnVTiRE
Q460
2.合金钢的编号
我国合金钢是按钢材的含碳量及所含合金元素的种类及其数量进行编号的，因此可以从钢号上直接看出钢材的大致化学成分及质量等级。其编号原则是：
（1）合金结构钢
1)首部数字表示平均碳质量分数（万分率），如20Mn2、20表示平均碳质量分数ωc=0.20%。
2)在表示含碳量的数字后面，用元素的化学符号或汉字表示所含有的主要合金元素，并用符号后面的数字表示该合金元素平均质量分数（％）。凡合金元素含量上限不超过 1.5%时，编号中只写元素符号，不标明含量。如果平均含量超过1.5%，在该元素后注出近似百分率，如含量为1.8%时．则用“2”表示。如09Mn2表示平均碳质量分数0.09%，平均锰质量分数约2%的合金结构钢。
（2）合金工具钢编号原则与合金结构钢大致相同，但含碳量的表示方法不同；当碳质量分数不超过1.0%时，以千分率的数字表示．如9SiCr，9表示平均碳质量分数为0.9%；含碳量超过1.0%时，为避免与结构钢相混淆，在钢号中不表示出含碳量。如CrWMn，表示碳质量分数超过1.0%，并含有Cr、w、Mn3种合金元素的合金工具钢。
（3）特殊高合金钢编号方法与合金工具钢基本相同。如2Cr13,表示平均碳质量分数为0.20%，铬质量分数为13%的不锈钢。但有些特殊高合金钢钢号不表示含碳量。如Cr17，表示铬质量分数约17%的不锈钢，其碳质量分数≤0.12%，但未表示出。钢中碳质量分数≤.03%或≤.08%时，钢号前分别以“00”或“0”表示，如00Cr18Ni10、0Cr13等。
（4）钢中的V、Ti、Al、B、RE等，均属微量合金化元素。虽含量很低，但仍在钢号中标出。如将ωC0.20%，ωMn1.0%～1.3%,Wv0.07%～0.12%,W B0.001%～0.005%的钢，钢号表示为20MnVB。
3.合金结构钢的分类及特性
合金结构钢是在碳素钢的基础上添加一定量的合金元素的钢，从而提高了钢的强度，并具有良好的塑性和韧性，也可获得一些特殊的使用性能，如高温、低温及耐蚀性等。应用较广的普通低合金结构钢（普通低合金钢），加人的合金元素总量在3%以下，但足以使钢的组织和性能发生明显变化，从而获得较碳素钢优越得多的特殊性能，如强度高、塑性好、耐磨、耐蚀、耐高温、低温等。因此在各个工业部门得到了广泛的应用。
合金结构钢的类型很多，合金系统也不相同。一般从焊接用钢来说，大致可分为两大类：一是强度用钢，二是特殊用钢。
（1）强度用钢这类钢应用很广，凡在一般温度下的受力结构，如压力容器、发电设备、车辆、船舶、起重机械、桥梁等都可使用。根据其强度级别（内）及热处理状态又分以下3种：
1)热轧及正火钢强度级别为294～490MPa的普通低合金钢，在热轧或正火条件下供货使用，一般称为热轧或正火钢，属非热处理强化钢。牌号09MnV、16Mn、15MnTi、15MnV、14MnMoV、19Mn2等
热轧钢的强度级别为294～392MPa,是在含碳ωC≤0.2%的基础上加入少量合金元素。这类钢主要是靠锰的固溶强化作用来保证强度的，其加入量不超过1.8%时仍可保持高的塑性和韧性。
固溶强化是在钢中加人Mn、Si、Mo、V、Cu等合金元素，这些元素的原子溶解于a-铁（铁素体）的晶格中，形成固溶体使铁素体晶格歪扭、产生畸变，从而使铁素体强化。溶入的溶质原子越多，强化作用越大，强度提高越多，同时将引起塑性、韧性下降。碳的固溶强化效果也较显著，但其含量超过0.6%对冲击韧度不利，使脆性转变温度提高。在各国的普通低合金钢中，锰用得最普遍。如我国的16Mn(Q345)钢，德国的St52钢，日本的SM50钢均属此类。热轧钢通常为铝镇静的细晶粒铁素体加珠光体组织钢。
正火钢，强度级别（σs）大于392MPa,在固溶强化的同时必须加强合金元素的沉淀强化作用。除主加合金元素锰外，还需加人一些碳化物、氮化物形成元素，如V、Ti、Nb、Mo 等，通过正火处理后生成的化合物以细小质点从固溶体中沉淀析出，弥散分布在晶内和晶界，以提高强度并同时细化晶粒。因此提高强度的同时，也适当地改善了钢材的塑性和韧性。
这类钢有15MnTi（Q390）、15MnVN（Q420）、14MnMoV和18MnMoNb等。对一些含钼钢，正火后还需进行回火处理，如14MnMoV和18MnMoNb钢。
2)低碳调质钢强度级别一般为490～980MPa,是一种热处理强化钢，在调质状态下供货使用。含碳量较低（一般ωC≤0.25%），不仅具有高强度兼有良好的塑性和韧性。可直接在调质状态下焊接，焊后不必调质处理，必要时进行消除应力处理。
调质钢的合金化原则与铁素体一珠光体型的热轧和正火钢不同，它的强度不直接取决于合金元素含量，而是取决于含碳量。合金元素的主要作用是保证淬透性，还可提高钢的抗回火性，使在较高的温度下不会降低钢的强度。
低碳调质钢同时加入多种合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo、V、Nb、B、Ti、Cu等。这类钢经调质后的组织是回火低碳马氏体或贝氏体。我国根据资源条件主要发展无铬镍低碳调质钢，如14MnMoVN和14MnMoNbB等，主要用于中温高压锅炉和石油、化工中温高压容器。
3)中碳调质钢强度级别为880～1176MPa以上，这类钢需提高含碳量才能达到上述强度，通常碳质量分数为0.25%～0.45%，因此淬透性很大，焊接性较差，焊接工艺非常复杂。焊后必须作调质处理才能保证焊接接头性能。常用于制造一些承受高负荷、截面较大的重要部件，如汽轮机叶轮、发电机主轴等，也用于制造同时承受冲击载荷的构件，如喷气涡轮的机轴、喷气式客机起落架和火箭发动机外壳等，其主要钢号有30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、35CrMoA、35CrMoVA等。
（2）特殊用途钢这类钢是具有特殊用途和特殊性能的钢，如不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、低温用钢及电工用钢、焊接材料用钢等。
1)耐热钢耐热钢一般指具有热强性及热稳性的钢。钢材抵抗蠕变变形的能力称为“热
强性”，抵抗氧化的能力称为“热稳性”。耐热钢材料主要有珠光体耐热钢、低碳贝氏体耐热钢和奥氏体、铁素体、马氏体不锈耐热钢。
珠光体耐热钢是以铬、钼为主的低合金钢，基体组织为珠光体和少量铁素体。这类钢有12CrMo、15CrMo、12Cr2Mo、12Cr1MoV等。
贝氏体耐热钢有12Cr2MoWVB、12Cr3MoVSiTiB、12MoVWBSiRE。12Cr2MoWVB等是我国自行研制的贝氏体低合金热强钢，不含镍、含铬少，用以代替镍铬奥氏体钢，可用于600℃以下工作的构件。
马氏体耐热钢有1Cr12、1Crl3、2Cr13、3Cr13、1Cr1MoV、1Cr12WMoV、4Cr9Si2、1Cr5Mo 及德国的X20CrMoWV121（Fll）、XZOCrbloV121（F12）等。4Ci9Si2钢在900T以下不起皮，用于800℃以下的受热面紧固定件。1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Crl1MoV、1Cr12VVMoV可用于制造汽轮机及燃气轮机叶片。Fll、F12钢可用于电站锅炉过热器，主蒸汽管道、联箱、热交换器等。
奥氏体耐热钢的合金系统主要是Cr-Ni、Cr-Ni-Mo、Cr-Mn-N型。钢号主要有：0Cr19Ni9、0Cr18Ni11Nb、0Cr23Ni13、2Cr23Ni13、0Cr18Ni13Si4等。镍铬奥氏体是不锈耐酸、耐热钢中最好的钢种，它兼有良好的耐酸性、耐热及热强性，其钢种也较多。
铁素体耐热钢主要有0Cr11Ti、2Cr25N、0Cr13Al、1Cr17等
2）低温钢低温钢可用于空气分离器、石油尾气分离及低温液体贮罐等。我国低温钢分为－40℃、－70℃、－90℃、－120℃、－196℃、－273℃6个等级。低温钢最重要的性能是韧性，脆性转变温度等。影响低温钢性能最主要的因素是化学成分、组织及晶粒度、热处理状态等。
我国的压力容器用低温低合金钢号有16MnDR（用于-40℃以上）、15MnNiDR（用于-45℃）、09Mn2VDR（用于-50℃）、09MnNiDR（用于-70℃）和07MnNiCrMoVD（用于-40℃），这些钢都属于铁素体型低温钢。此外，奥氏体钢如1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等不锈钢，具有优良的低温韧性，可用于－196℃以下。
9Ni钢为含Ni9％的低温钢，使用温度最低可达到－196℃。供货状态为二次正火＋回火和淬火＋回火2种。选用适当的焊接材料，焊后可不必进行消除应力热处理也能安全使用。
3）不锈耐酸钢通常所说的“不锈钢”实际上是耐酸钢、不锈钢和耐热钢的总称。不锈是指在空气中具有耐蚀的性能；耐酸是指在某些化学介质中能抵抗腐蚀的特性；耐热是指在高温下抗氧化、抗蠕变，具有高温持久强度的性能。不锈耐酸钢按照其组织类型可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型、奥氏体一铁素体型和沉淀硬化型。
压力容器上使用较多的是奥氏体型、奥氏体一铁素体型及铁素体型不锈耐酸钢；锅炉上使用较多的是马氏体型、奥氏体型不锈钢。
铁素体不锈钢主要特点是加热时不发生相变，因此不能进行热处理强化。铁素体不锈钢有3种脆化倾向：475℃脆性、a相析出脆化和粗晶脆化，主要钢号有0Cr13Al、00Cr17Mo、0Cr18Mo2等。
奥氏体不锈钢亦不能热处理强化，其屈服点较低，塑性、韧性及工艺性能都很好。具
有优良的耐蚀性，无磁性、应用广泛。压力容器常应用含稳定化元素钛的钢种，以防止晶间腐，如0Crl8Ni11Ti、1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb、1Cr18Ni12Mo2Ti等。
奥氏体一铁素体型不锈耐酸钢，其特点是在室温下具有奥氏体和铁素体的双相组织，因此可提高其抗晶间腐蚀能力和防止应力腐蚀开裂，其屈服点比奥氏体钢高，有磁性，主要钢号有：0Cr26Ni5Mo2、00Cr18Ni5Mo3Si2、1Cr18Ni 11S74AIT1、1Cr21Ni5Ti等。
4.合金元素对钢组织和性能的影响
钢中的化学元素及其含量决定了钢的化学成分，由于化学成分不同使钢的组织和性能也不同。
（1）碳碳是钢中两个基本组元之一，是决定钢强度的主要元素，随着钢中碳质量分数的增加，强度、硬度升高，塑性下降。
（2）锰锰可固溶于铁素体（溶解度约3%以下）和奥氏体中，使之固溶强化，提高硬度和强度。含锰量在1%以下，强化的同时几乎不影响塑性和韧性。锰是弱碳化物形成元素，是良好的脱氧剂、脱硫剂。
锰可降低下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化晶粒、改善力学性能。是低合金钢的重要合金元素。锰还可提高钢的淬透性，但能增加回火脆性。
（3）硅硅能固溶于铁素体和奥氏体中，使钢的强度、硬度提高，塑性和韧性下降。硅不会形成碳化物。硅与氧的亲和力仅次于铝和钛，为常用的脱氧剂。硅可提高钢的热强性和抗氧化能力，改善磁导率，降低磁滞损耗，是硅钢片的主要合金元素。
（4）钛钛是强碳化物形成元素，与氧、氮亲和力极强，是良好的脱氧剂。钛与碳的化合物(TIC)是一种间隙相化合物，极稳定，只有加热到1000℃以上才缓慢溶人固溶体中。
因此可提高钢的热强性，并细化晶粒。当钢含钛较多时，塑性有所下降。
不锈钢中，由于钛能从碳化铬中夺取碳形成碳化钛，使铬还原，从而提高钢抗晶间腐蚀能力。珠光体耐热钢中加人钛可防止含钼钢高温下石墨化倾向。
钛及钛合金是宇航工业材料。
（5）钒钒在钢中能与碳及氮形成极为稳定的碳化物和氮化物，这些化合物只有在高温时才能缓慢溶人奥氏体中，以细小的碳化物颗粒弥散分布，可使钢强化并能阻碍晶粒的长大，还提高钢的抗蠕变和高温持久性能。
钒还可提高耐腐蚀能力，但含钒量提高容易出现回火脆性，导致产生再热裂纹。
（6）钼钼是强碳化物形成元素，在较高回火温度下弥散分布，能显著提高强度及热强性，主要由于提高了钢的再结晶温度和铁素体的蠕变抗力。
钼可使钢晶粒细化，促使贝氏体形成，是贝氏体钢主要合金元素之一，可增强钢在高温、高压下抗氢腐蚀能力。不良影响是易促使石墨化倾向，因此应与其他合金元素（如铬等）一起加入。钼还提高淬透性，但对焊接性能影响不大。
（7）铬铬能提高钢的强度，而对塑性、韧性影响不大，具有良好的抗氧化能力和热强性。0.5%钼钢中加入1.5%铬，即可明显提高钢抗蠕变性能和高温持久强度。
在单一铬钢中由于铬使淬透性增强，会使焊接性降低，铬含量高时会引起回火脆性。铬在轴承钢中使其具有耐磨性。
（8）镍镍能扩大γ相区，在钢中不形成碳化物，是形成和稳定奥氏体的重要合金元素。镍能细化铁素体晶粒，改善低温性能、降低脆性转变温度。镍与铬配合可使钢在热处理后具有强度和韧性良好配合的综合力学性能。镍还提高钢的耐蚀性、耐热性。
镍钢的淬透性很小。如果钢中
金属材料的力学性能 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用。如起重机上的钢索，受到悬吊物拉力的作用；柴油机上的连杆，在传递动力时，不仅受到拉力的作用，而且还受到冲击力的作用；轴类零件要受到弯矩、扭力的作用等等。这就要求金属材料必须具有一种承受机械荷而不超过许可变形或不破坏的能力。这种能力就是材料的力学性能。金属表现来的诸如弹性、强度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料材料在外力作用下表现出力学性能的指标。 钢材力学性能是保证钢材最终使用性能（机械性能）的重要指标，它取决于钢的化学成分和热处理制度。在钢管标准中，根据不同的使用要求，规定了拉伸性能（抗拉强度、屈服强度或屈服点、伸长率）以及硬度、韧性指标，还有用户要求的高、低温性能等。 金属材料的机械性能 1、弹性和塑性： 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。力和变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。 塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。 2、强度：是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。强度指标一般用单位面积所承受的载荷即力表示，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。 材料在常温、静载作用下的宏观力学性能。是确定各种工程设计参数的主要依据。这些力学性能均需用标准试样在材料试验机上按照规定的试验方法和程序测定，并可同时测定材料的应力- 应变曲线。 对于韧性材料，有弹性和塑性两个阶段。弹性阶段的力学性能有： 比例极限：应力与应变保持成正比关系的应力最高限。当应力小于或等于比例极限时，应力与应变满足胡克定律，即应力与应变成正比。 弹性极限：弹性阶段的应力最高限。在弹性阶段内，载荷除去后，变形全部消失。这一阶段内的变形称为弹性变形。绝大多数工程材料的比例极限与弹性极限极为接近，因而可近似认为在全部弹性阶段内应力和应变均满足胡克定律。 塑性阶段的力学性能有： 屈服强度：材料发生屈服时的应力值。又称屈服极限。屈服时应力不增加但应变会继续增加。 屈服点：具有屈服现象的金属材料，试样在拉伸过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力，称屈服点。若力发生下降时，则应区分上、下屈服点。屈服点的单位为 N/mm2（MPa）。 上屈服点（Re H）:试样发生屈服而力首次下降前 的最大应力； 下屈服点（Re L）：当不计初始瞬时效应时，屈服阶段中的最小应力。 条件屈服强度：某些无明显屈服阶段的材料，规定产生一定塑性应变量（例如0.2 ％）时的应力值，作为条件屈服强度。应力超过屈服强度后再卸载，弹性变形将全部消失，但仍残留部分不可消失的变形，称为永久变形或塑性变形。 规定非比例延伸强度（Rp）:非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，例如Rp0.2 表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。 规定总延伸强度（Rt ）：总延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力。例如Rt0.5 表示规定总延伸率为
金属材料力学性能最常用的几项指标 硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。 对于金属材料的硬度，至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言，金属材料硬度的定义是:材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种测试方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要测试方法。而洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检测，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的及不可移动工件的硬度检测。 1.布氏硬度计原理 对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验
一、填空题（60 分） 1. 金属材料的性能的性能包括和。 2. 力学性能包括、、、、。 3. 圆柱形拉伸试样分为和两种。 4. 低碳钢拉伸试样从开始到断裂要经过、 、、四个阶段。 5. 金属材料的强度指标主要有和。 6. 金属材料的塑性指标主要有和。 7. 硬度测定方法有、、。 8. 夏比摆锤冲击试样有和两种。 9. 载荷的形式一般有载荷、载荷和载荷三种。 10. 钢铁材料的循环基数为，非铁金属循环基数为。 11. 提高金属疲劳强度的方法有和 。 表示用“ C”标尺测定的1000/30 表示用压头直径为 kgf 试验力作用下，保持为。硬度值为。 的硬质合金球，在s时测得的布氏硬度值 14. 金属材料的工艺性能包括、、 、、。
二、判断题（25 分） 1.金属的工艺性能是指金属在各种加工中所表现出的性能。（） 2.金属的力学性能是指在力作用下所显示的与弹性和非弹性反 应相关或涉及应力 - 应变关系的性能。（） 3.拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。（） 4. 屈服现象是指拉伸过程中拉伸力达到Fs 时，拉伸力不增加， 变形量却继续增加的现象。（） 5. 拉伸试样上标距的伸长量与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，用符号 A 表示。（） 6.现有标准圆形截面长试样 A 和短试样 B，经拉伸试验测得δ 10、δ5 均为 25%，表明试样 A 的塑性比试样 B 好。 ( ) 7.常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。（） 8.做布氏硬度试验，当试验条件相同时，压痕直径越小，则材料 的硬度越低。（） 9.洛氏硬度值是根据压头压入被测材料的的深度来确定的。（） 10.洛氏硬度 HRC测量方便，能直接从刻度盘上读数，生产中常 用于测量退火钢、铸铁和有色金属件。（） 11.一般来说，硬度高的金属材料耐磨性也好。（） 12.韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。（） 13.金属的使用性能包括力学性能、物理性能和铸造性能。( ) 14.拉伸试验中拉伸力和伸长量的关系曲线称为力一伸长曲线，
金属力学性能复习 一、填空题 1.静载荷下边的力学性能试验方法主要有拉伸试验、弯曲试验、扭转试验和压缩试验等。 2. 一般的拉伸曲线可以分为四个阶段：弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段和非均匀塑性变形阶段。 3. 屈服现象标志着金属材料屈服阶段的开始，屈服强度则标志着金属材料对开始塑性变形或小量塑性变形能力的抵抗。 4. 屈强比：是指屈服强度和抗拉强度的比值，提高屈强比可提高金属材料抵抗开始塑性变形的能力，有利于减轻机件和重量，但是屈强比过高又极易导致脆性断裂。 5. 一般常用的的塑性指标有屈服点延伸率、最大力下的总延伸率、最大力下的非比例延伸率、断后伸长率、断面收缩率等，其中最为常用的是断后伸长率和断面收缩率 。 6. 金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力称为金属材料的韧性。一般来说，韧性包括静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。 7. 硬度测试的方法很多，最常用的有三种方法：布氏硬度测试方法、络氏硬度的试验方法和维氏硬度实验法。 8. 金属材料制成机件后，机件对弹性变形的抗力称为刚度。它的大小和机件的截面积及其弹性模量成正比，机件刚度=E ·S. 9. 金属强化的方式主要有：单晶体强化、晶界强化、固溶强化、以及有序强化、位错强化、分散强化等（写出任意3种强化方式即可）。 10. 于光滑的圆柱试样，在静拉伸下的韧性端口的典型断口，它由三个区域组成：纤维区、放射区、剪切唇区。 11. 变形速率可以分为位移速度和应变速度。 二、判断题 1.在弹性变形阶段，拉力F 与绝对变形量之间成正比例线性关系;（√） 若不成比例原因，写虎克定律。 2.在有屈服现象的金属材料中，其试样在拉伸试验过程中力不断增加（保持恒定）仍能继续伸长的应力，也称为抗服强度。（×） 不增加，称为屈服强度。 3.一般来讲，随着温度升高，强度降低，塑性减小。（×） 金属内部原子间结合力减小，所以强度降低塑性增大。 4.络氏硬度试验采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主实验力，以测量压痕的深度来计算络氏硬度。压入深度越深，硬度越大，反之，硬度越小。（×） 络氏硬度公式 5.金属抗拉强度b σ与布氏硬度HB 之间有以下关系式：b σ＝KHB ，这说明布氏硬度越大，其抗拉强度也越大。（√） 6.弹性模量E 是一个比例常数，对于某种金属来说，它是一种固有的特性。（√） 7.使用含碳量高（含碳量为）的钢，不能提高机件吸收弹性变形功。（×） 8.脆性断裂前不产生明显的塑性变形，即断裂产生在弹性变形阶段，吸收的能量很小，这种
大连理工大学实验报告 学院（系）：材料科学与工程学院专业：材料成型及控制工程班级：材0701姓名：学号：组：___ 指导教师签字：成绩： 实验一金属拉伸实验 Metal Tensile Test 一、实验目的Experiment Objective 1、掌握金属拉伸性能指标屈服点σS，抗拉强度σb，延伸率δ和断面收缩率 φ的测定方法。 2、掌握金属材料屈服强度σ0.2的测定方法。 3、了解碳钢拉伸曲线的含碳量与其强度、塑性间的关系。 4、简单了解万能实验拉伸机的构造及使用方法。 二、实验概述Experiment Summary 金属拉伸实验是检验金属材料力学性能普遍采用的极为重要的方法之一，是用来检测金属材料的强度和塑性指标的。此种方法就是将具有一定尺寸和形状的金属光滑试样夹持在拉力实验机上，温度、应力状态和加载速率确定的条件下，对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。通过拉伸实验可以解释金属材料在静载荷作用下常见的三种失效形式，即过量弹性变形，塑性变形和断裂。在实验过程中，试样发生屈服和条件屈服时，以及试样所能承受的最大载荷除以试样的原始横截面积，求的该材料的屈服点σS，屈服强度σ0.2和强度极限σb。用试样断后的标距增长量及断处横截面积的缩减量，分别除以试样的原始标距长度，及试样的原始横截面积，求得该材料的延伸率δ和断面收缩率φ。 三、实验用设备The Equipment of Experiment 拉力实验的主要设备为拉力实验机和测量试样尺寸用的游标卡尺，拉力
实验机主要有机械式和液压式两种，该实验所用设备原东德WPM—30T液压式万能材料实验机。液压式万能实验机是最常用的一种实验机。它不仅能作拉伸试验，而且可进行压缩、剪切及弯曲实验。 （一）加载部分The Part of Applied load 这是对试样施加载荷的机构，它利用一定的动力和传动装置迫使试样产生变形，使试样受到力或能量的作用。其加载方式是液压式的。在机座上装有两根立柱，其上端有大横梁和工作油缸。油缸中的工作活塞支持着小横梁。小横梁和拉杆、工作台组成工作框架，随工作活塞生降。工作台上方装有承压板和弯曲支架，其下方为钳口座，内装夹持拉伸试样用的上夹头。下夹头安装在下钳口座中，下钳口座固定在升降丝杆上。 当电动机带动油泵工作时，通过送油阀手轮打开送油阀，油液便从油箱经油管和进入工作油缸，从而推动活塞连同工作框架一起上升。于是在工作台与大横梁之间就可进行压缩、弯曲等实验，在工作台与下夹头之间就进行拉伸实验。实验完毕后，关闭送油阀、旋转手轮打开回油阀，则工作油缸中的油液便经油管泄回油箱，工作台下降到原始位置。 （二）测力部分The Part of Measuring Force 加载时，油缸中的油液推动工作活塞的力与试样所承受的力随时处于平衡状态。如果用油管和将工作油缸和测力油缸连同，此油压便推动测力活塞，通过连杆框架使摆锤绕支点转动而抬起。同时，摆锤上方的推板便推动水平齿杆，使齿轮带动指针旋转。指针旋转的角度与油压亦即与试样所承受的载荷成正比，因此在测力度盘上便可读出试样受力的量值。 四、试样Sample 拉伸试样，通常加工成圆型或矩形截面试样，其平行长度L0等于5d或10d （前者为长试样，后者为短试样），本实验用短试样，即L0=5d。本实验所用的试样形状尺寸如图1—1所示。 图1－1圆柱形拉伸试样及尺寸
指标 法定计量单位 计算公式 试验仪器 含义说明 名称 符号 名称 单位 弹性 弹性是指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性 弹性指标 正弹性模量 E 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 σ──应力 ε──应变 P ──垂直应力（N ） l 0──试样原长（mm ） F 0──试样原来的横截面积（mm 2） Δl ──绝对伸长量（mm ） 拉伸试验机或万能材料试验机 金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定律），这个比例系数就称为弹性模数或弹性模量。根据应力，应变的性质通常又分为：正弹性模数（E ）和剪切弹性模数（G ），弹性模数的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，所以，它在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模数愈大，刚度也愈大，亦即在一定应力作用下，发生的弹性变形愈小 切变弹性模量 G 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──切应力 ──相应的扭转滑移 M ──扭转力矩 l 0──试样计算长度（mm ） ──计算长度l 0两端的扭 转角度（经度） ──扭转时试样截面相对于轴线的极惯性矩（对圆截面 ）（mm 4） 扭转试验机或万能材 料试 验机 比例极限 σp 兆帕 〔斯卡〕 MPa 式中 ──比例极限载荷（N ） F ──试样横截面积 （mm 2） 拉伸试验机 或万 能材 料试验机 指伸长与负荷成正比地增加，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 σe 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──弹性极限载荷（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 拉伸试验机或万 能材 料试 验机 这是表示金属最大弹性的指标，即在弹性变形阶段，试样不产生塑性变形时所能承受的最大应力，它和σp 一样也很难精确测定，一般多不进行测定，而以规定的σp 数值代替之 强度 强度指金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力 强度极限 σ 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──最大载荷（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 指金属受外力作用，在断裂前，单位面积上所能承受的最大载荷 抗拉强度 σb 兆帕〔斯卡〕 MPa 式中 ──最大拉力（N ） F ──试样横截面积（mm 2） 拉伸试验机 或万 能材 料试验机 指外力是拉力时的强度极限，它时 衡量金属材料强度的主要性能指标
金属材料力学性能实验报告 姓名：班级：学号：成绩： 实验名称实验一金属材料静拉伸试验 实验设备1）电子拉伸材料试验机一台，型号HY-10080 2）位移传感器一个； 3）刻线机一台； 4）游标卡尺一把； 5）铝合金和20#钢。 试样示意图 图1 圆柱形拉伸标准试样示意图 试样宏观断口示意图 图2 铝合金试样常温拉伸断裂图和断口图 （和试样中轴线大约成45°角的纤维状断口，几乎没有颈缩，可以知道为切应力达到极限，发生韧性断裂）
图3 正火态20#钢常温拉伸断裂图和断口图 （可以明显看出，试样在拉断之后在断口附近产生颈缩。断口处可以看出有三个区域：1.试样中心的纤维区，表面有较大的起伏，有较大的塑性变形；2.放射区，表面较光亮平坦，有较细的放射状条纹；3.剪切唇，轴线成45°角左右的倾斜断口） 原始数据记录 表1 正火态20#钢试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 左 中 右 平均值 9.90 10.00 10.00 9.97 9.92 10.00 10.00 10.00 10.00 9.92 左 中 右 平均值 8.70 8.72 8.68 8.69 8.68 8.70 8.70 8.64 8.72 8.70 表2 时效铝合金试样的初始直径测量数据（单位：mm ） 两试样的初始标距为050 L mm 。 表3 铝合金拉断后标距测量数据记录（单位：mm ） AB BC AB+2BC 平均 12.32 23.16 58.64 58.79 24.02 17.46 58.94 测量20#钢拉断后的平均标距为u L =69.53 mm ，断口的直径平均值为u d =6.00 mm 。 测量得到铝合金拉断后的断面直径平均值为7.96mm 。
第1章工程材料 1.1 金属材料的力学性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中应具备的性能，它包括力学性能（强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等）、物理性能（密度、熔点、导热性、导电性等）和化学性能（耐蚀性、抗氧化性等）。工艺性能是金属材料从冶炼到成品的生产过程中，适应各种加工工艺（如：铸造、冷热压力加工、焊接、切削加工、热处理等）应具备的性能。 金属材料的力学性能是指金属材料在载荷作用时所表现的性能。 1.1.1 强度 金属材料的强度、塑性一般可以通过金属拉伸试验来测定。 １．拉伸试样 图1.1.1拉伸试样与拉伸曲线 ２．拉伸曲线 拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直到拉断时的力 F时，拉伸曲线Ｏｐ为一直线，即试样的伸长量与载荷学特性。当载荷不超过 p 成正比地增加，如果卸除载荷，试样立即恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。载荷在Ｆｐ－Ｆｅ间，试样的伸长量与载荷已不再成正比关系，但若卸除载荷，试样仍然恢复到原来的尺寸，故仍处于弹性变形阶段。当载荷超过Ｆｅ后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形当载荷增加到Ｆｓ时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平的或锯齿形的线段，这种现象称为屈服。当载荷继续增加到某一最大值Ｆｂ时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的逐渐减少，故载荷也逐渐降低，试样就被拉断。 ３．强度 强度是指金属材料在载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
（１） 弹性极限 金属材料在载荷作用下产生弹性变形时所能承受的最大应力称为弹性极限，用符号σｅ 表示： （２） 屈服强度金属材料开始明显塑性变形时的最低应力称为屈服强度 在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点。所以国标中规定，以试样塑性变形量为试样标距长度的０．２％时，材料 承受的应力称为“条件屈服强度”，并以符号 σ０．２ 表示。 １.1.2 塑性 金属材料在载荷作用下，产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。常用的塑性指标有伸长率δ 和断面收缩率ψ。 １．伸长率 试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用δ表示： ２．断面收缩率 试样拉断后，标距横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，，用ψ表示： 1.1.3 硬度
目录 摘要1 1引言2 2金属材料的力学性能简介2 2.1 强度3 2.2 塑性3 2.3 硬度3 2.4 冲击韧性4 2.5 疲劳强度4 3金属材料力学性能测试方法4 3.1拉伸试验5 3.2压缩试验8 3.3扭转试验11 3.4硬度试验15 3.5冲击韧度试验22 3.6疲劳试验27 4常用的仪器设备简介29 4.1万能试验机29 4.2扭转试验机34 4.3摆锤式冲击试验机40 5金属材料力学性能测试方法的发展趋势42 参考文献42
金属材料的力学性能及其测试方法 摘要：金属的力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，它与材料的失效形式息息相关。本文主要解释了金属材料各项力学性能的概念，介绍了几个常见的测试金属材料力学性能的试验以及相关的仪器设备，最后阐述了金属材料力学性能测试方法的发展趋势。 关键词：金属材料，力学性能，测试方法，仪器设备，发展趋势 Test Methods for The Mechanical Properties of Metal Material Abstract：The mechanical properties of metal material which reflect some abilities of deformation and fracture resistance under various external forces are closely linked with failure forms. This paper mainly introduces some concepts of mechanical properties of metal material, mon experiments testing mechanical properties of metal material and apparatuses used. The trend of development of test methods for mechanical properties of metal material is also discussed. Keywords：metal material，mechanical properties，test methods，apparatuses，development trend
目录 摘要 (1) 1引言 (1) 2金属材料的力学性能简介 (2) 2.1 强度 (2) 2.2 塑性 (2) 2.3 硬度 (2) 2.4 冲击韧性 (3) 2.5 疲劳强度 (3) 3金属材料力学性能测试方法 (3) 3.1拉伸试验 (3) 3.2压缩试验 (6) 3.3扭转试验 (8) 3.4硬度试验 (11) 3.5冲击韧度试验 (16) 3.6疲劳试验 (19) 4常用的仪器设备简介 (20) 4.1万能试验机 (20) 4.2扭转试验机 (23) 4.3摆锤式冲击试验机 (28) 5金属材料力学性能测试方法的发展趋势 (30) 参考文献 (30)
金属材料的力学性能及其测试方法 摘要：金属的力学性能反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力，它与材料的失效形式息息相关。本文主要解释了金属材料各项力学性能的概念，介绍了几个常见的测试金属材料力学性能的试验以及相关的仪器设备，最后阐述了金属材料力学性能测试方法的发展趋势。 关键词：金属材料，力学性能，测试方法，仪器设备，发展趋势 Test Methods for The Mechanical Properties of Metal Material Abstract：The mechanical properties of metal material which reflect some abilities of deformation and fracture resistance under various external forces are closely linked with failure forms. This paper mainly introduces some concepts of mechanical properties of metal material, common experiments testing mechanical properties of metal material and apparatuses used. The trend of development of test methods for mechanical properties of metal material is also discussed. Keywords：metal material，mechanical properties，test methods，apparatuses，development trend 1引言 材料作为有用的物质，就在于它本身所具有的某种性能，所有零部件在运行过程中以及产品在使用过程中，都在某种程度上承受着力或能量、温度以及接触介质等的作用，选用材料的主要依据是它的使用性能、工艺性能和经济性，其中使用性能是首先需要满足的，特别是针对性的材料力学性能往往是材料设计和使用所追求的主要目标。材料性能测试与组织表征的目的就是要了解和获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系。而人们要有效地使用材料，首先必须要了解材料的力学性能以及影响材料力学性能的各种因素。因此，材料力学性能的测试是所有测试项目中最重要和最主要的内容之一。 在人类发展的历史长河过程中，人们已经建立了许多反映材料表面的和内在的各种关于力学、物理等相关材料性能的测试和分析技术，近现代科学的发展已使材料性能测试分析从经验发展并建立在现代物理理论和试验的基础之上，并且
金属材料力学性能文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]
常见的金属材料力学性能 一. 金属材料相关概念 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式的外力作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力；这种能力就是金属材料的力学性能。诸如金属材料的强度、刚度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料在外力下表现出来的力学性能的指标。 强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。一般用单位面 积所承受的作用力表示，符号为σ，单位为MPa。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力作用下，被拉断前所承受的最大应力值，用σb表示。 对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，则用抗拉强度作为其设计的依据。 刚度 刚度是指金属材料在外力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于机械零件要求较高的尺寸稳定性时，需要考虑刚度指标。 硬度 硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。
几种常用金属材料力学性能一览表 注：1.上表中材料的强度数值仅供参考，在不同的热处理工艺及环境下其对应的强度值不同。 二.材料的失效与许用应力 通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu 表示。对于脆性材料强度极限为其唯一强度指标；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。 为了机械零件使用的安全性，对于机械构件要有足够的强度储备。因此，实际是使用的最大应力值必须小于材料的极限应力。最大使用应力称为许用应力，用[σ]表示。许用应力与极限应力的关系如下： [σ]=σu n ， σu ={σs σb 式中，n 为大于1的因数，称为安全因数。对于塑性材料n 为，σu=σs ；对于脆性材料n 为，σu=σb 。 强度条件 σmax =（F A ）max ≤[σ] 式中，F ，机械零件所承受的最大载荷作用力，单位N ；
金属材料力学性能代号含义 名称代号单位含义 抗拉强度σb MPa 或 N/mm^2材料试样受拉力时,在拉断前所承受的最大应力.抗压强度σbc MPa 或 N/mm^2材料试样受压力时,在压坏前所承受的最大应力.抗弯强度σbb MPa 或 N/mm^2材料试样受弯曲力时,在破坏前所承受的最大应力.抗剪强度τMPa 或 N/mm^2材料试样受剪力时,在剪断前所承受的最大剪应力. 抗扭强度τb MPa 或 N/mm^2材料试样受扭转力时,在扭断前所承受的最大剪应力 屈服点σs MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中,负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服. 屈服时的最小应力称为屈服点和屈服极限. 屈服强度σ0.2MPa 或 N/mm^2材料试样在拉伸过程中, 负荷不增加或开始有所降低而变形继续发生的现象称为屈服. 对某些屈服现象不明显的金属材料, 测定屈服点比较困难,为便于测量,通常按其产生永久变形量等于试样原长0.2%时的应力称为屈服度或条件屈服强度. 弹性极限σcσc 材料能保持弹性变形的最大应力. 真实弹性极限难以测定, 实际规定按永久变形为原长的0.005%时的应力值表示. 比例极限σp MPa 或 N/mm^2在弹性变形阶段, 材料所承受的和应变能保持正比的最大应力,称比例极限. σp与σc两数值很接近,一般常互相通用. 弹性模量E MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标. E=σ/ε ε——试样纵向线应变. 切变模量G MPa 或 N/mm^2在比例极限的范围内, 应力与应变成正比时的比例常数,衡量材料刚度的指标. G=τ/γ γ——试样切应变. 泊松比μ在弹性范围内, 试样横向线应变与纵向线应变的比值. μ=|ε/ε'| ε'= -με, ε'——试样横向线应变.
材料力学性能测试实验 报告 标准化管理部编码-[99968T-6889628-J68568-1689N]
材料基本力学性能试验—拉伸和弯曲一、实验原理 拉伸实验原理 拉伸试验是夹持均匀横截面样品两端，用拉伸力将试样沿轴向拉伸，一般拉 至断裂为止，通过记录的力——位移曲线测定材料的基本拉伸力学性能。 对于均匀横截面样品的拉伸过程，如图 1 所示， 图 1 金属试样拉伸示意图 则样品中的应力为 其中A 为样品横截面的面积。应变定义为 其中△l 是试样拉伸变形的长度。 典型的金属拉伸实验曲线见图 2 所示。 图3 金属拉伸的四个阶段 典型的金属拉伸曲线分为四个阶段，分别如图 3(a)-(d)所示。直线部分的斜率E 就是杨氏模量、σs 点是屈服点。金属拉伸达到屈服点后，开始出现颈缩 现象，接着产生强化后最终断裂。 弯曲实验原理 可采用三点弯曲或四点弯曲方式对试样施加弯曲力，一般直至断裂，通过实 验结果测定材料弯曲力学性能。为方便分析，样品的横截面一般为圆形或矩形。 三点弯曲的示意图如图 4 所示。 图4 三点弯曲试验示意图 据材料力学，弹性范围内三点弯曲情况下C 点的总挠度和力F 之间的关系是 其中I 为试样截面的惯性矩，E 为杨氏模量。 弯曲弹性模量的测定 将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置上，施加横向力对样品进行弯曲， 对于矩形截面的试样，具体符号及弯曲示意如图 5 所示。 对试样施加相当于σpb0.01。 (或σrb0.01)的10％以下的预弯应力F。并记录此力和跨中点处的挠度，然后对试样连续施加弯曲力，直至相应于σpb0.01(或σrb0.01)的50％。记录弯曲力的增量DF 和相应挠度的增量Df ,则弯曲弹性模量为 对于矩形横截面试样，横截面的惯性矩I 为 其中b、h 分别是试样横截面的宽度和高度。 也可用自动方法连续记录弯曲力——挠度曲线至超过相应的σpb0.01(或σrb0.01)的弯曲力。宜使曲线弹性直线段与力轴的夹角不小于40o,弹性直线段的高度应超过力轴量程的3/5。在曲线图上确定最佳弹性直线段，读取该直线段的弯曲力增量和相应的挠度增量，见图 6 所示。然后利用式(4)计算弯曲弹性模量。 二、试样要求
金属材料机械性能的指标及意义 材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。锅炉、压力容器用材料的常规力学性能指标主要包括：强度、硬度、塑性和韧性等。 （1）强度强度是指金属材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。强度指标是设计中决定许用应力的重要依据，常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2（国外用Re表示）和抗拉强度σb（国外用Rm表示），高温下工作时，还要考虑蠕变极限σn和持久强度σD。 （2）塑性塑性是指金属材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率ψ，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量；冷弯（角）α，即试件被弯曲到受拉面出现第一条裂纹时所测得的角度。 （3）韧性韧性是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功Ａk和冲击韧性值αk表示。Αk值或αk 值除反映材料的抗冲击性能外，还对材料的一些缺陷很敏感，能灵敏地反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化。而且Ａk对材料的脆性转化情况十分敏感，低温冲击试验能检验钢的冷脆性。 表示材料韧性的一个新的指标是断裂韧性δ，它是反映材料对裂纹扩展的抵抗能力。 （4）硬度硬度是衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。而肖氏硬度（HS）则属于回跳法硬度试验，其值代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。 在断裂力学基础上建立起来的材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性。（Kic,Gic） 常用的35CrMo在850℃油淬，550℃回火后，机械性能如下： σb≥980MPa；σs≥835 MPa；δ5≥12%；ψ≥45%；AK≥63J； 而高级优质的35CrMoA的性能应该更加优良稳定。
常见的金属材料力学性能 一. 金属材料相关概念 任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式的外力作用。这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不被破坏的能力；这种能力就是金属材料的力学性能。诸如金属材料的强度、刚度、硬度、塑性和韧性等特征就是用来衡量金属材料在外力下表现出来的力学性能的指标。 1.1 强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。一般σ，单位为MPa用单位面积所承受的作用力表示，符号为。 工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形σs表示。抗拉强度是指金属材料在拉力作用时的最低应力值，用σb表示。下，被拉断前所承受的最大应力值，用对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件，则用抗拉强度作为其设计的依据。 1.2 刚度 刚度是指金属材料在外力载荷作用下抵抗弹性变形的能力。对于机械零件要求较高的尺寸稳定性时，需要考虑刚度指标。 1.3 硬度
硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物体压入的能力。 . . . . 几种常用金属材料力学性能一览表 材料牌b/MPa 抗拉强屈服强s/MPa 550-70045350-550 685-985490-685SKD61 650-970Cr12MoV 450-650 550-860350-5502S45C/S50C560-750350-560 Unimax 580-885 350-580 SKH51 680-960 485-680 注：1.上表中材料的强度数值仅供参考，在不同的热处理工艺及环境下其对应的强度值不同。 二.材料的失效与许用应力 通常将材料的强度极限与屈服极限统称为材料的极限应力，用σu表示。对于脆性材料强度极限为其唯一强度指标；对于塑性材料，其屈服应力小于强度极限，通常以屈服应力作为极限应力。 为了机械零件使用的安全性，对于机械构件要有足够的强度储备。因
课题： 3.1.1金属材料的力学性能 课型：复习课授课时间：2015.9.6 课时分配：共 2 课时 教学目标：1、掌握金属材料力学性能的分类及用途 2、理解金属材料各种力学性能指标的表达方式及测定方法 3、了解金属材料力学性能的实际应用 教学重点：1、强度指标的定义与分类 2、硬度指标的定义与分类 教学难点：金属的各力学指标的概念、测量方法 教学过程： 【案例导入】 在进行机械制造时，首先进入技术准备阶段。在技术技术准 备中，要完成相关的工作。这些工作中，有一项是非常重要的， 那就是选择材料。那么怎么选择材料呢？首先得研究常见的材料 的性质，只有掌握了材料的特征性质才能顺利进行选材。那么材 料的性质有哪些呢？ 【教学内容】 3.1.1金属材料的力学性能 力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的性能。 力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。 金属材料的力学性能 主要有：强度、塑性、硬 度、冲击韧度 和疲劳强度等。 1、强度 强度是在外力作用 备注
下，材料抵抗塑性变形和断 裂的能力。 按作用力性质不同， 强度可分为屈服点（屈服强 度）、抗拉强度、抗压 强度、抗弯强度、抗剪 强度等。 在工程上常用来表 示金属材料强度的指标 有屈服强度和抗拉强 度。 （1）屈服点 当载荷增达到Fs 时，拉伸曲线出现了平 台，即试样所承受 的载荷几乎不变，但产生了不断增加的塑性变形，这种现象称 为屈服。 屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小 应力。用ós 表示。 ós= （MPa ） 式中：Fs —试样产生明显塑性变形时所受的最小载荷，即 拉伸曲线中S 点所对应的外力（N ） Ao —试样的原始截面积（mm2） （2）抗拉强度 抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称强 度极限。常用ób 来表示。 ób= （MPa ） Ao Fs Ao Fb
金属材料力学性能试验相关术语 编制： 审核： 批准： 生效日期： 受控(1) 受控标识处： 分发号： 发布日期：2016年9月27日实施日期：2016年9月27日
制/修订记录
1.0 目的和范围 本文件定义了金属材料力学性能试验中使用的术语，并为本文件和一般使用时形成共同的称谓。 2.0 规范性应用文件 下列文件对于本文件的作用是必不可少的。凡是注日期的应用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的应用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 2.1 GB/T 228.1 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法 2.2 GB/T 10623 金属材料 力学性能试验术语 3.0 一般术语 3.1 与试样有关的术语 3.1.1 试件/试样test piece/specimen 通常按照一定形状和尺寸加工制备的用于试验的材料或部分材料。 3.1.2标距gauge length 用于测量试样尺寸变化部分的长度。 3.1.3原始标距original gauge length 在施加试验力之前的标距长度。 3.1.4 断后标距final gauge length after fracture 试样断裂后的标距长度。 3.1.5参考长度reference length 用以计算伸长的基础长度。 3.1.6平行长度parallel length 试样两头部或加持部分（不带头试样）之间平行部分的长度。 3.1.7伸长elongation 在试验期间任一时刻的原始标距Lo 或参考长度Lr 的增量。 3.1.8伸长率percentage elongation 原始标距Lo （或参考长度Lr ）的伸长与原始标距（或参考长度Lr ）之比百分率。 3.1.9 断后伸长率 percentage elongation after fracture A 断后标距的残余伸长（Lu-Lo ）与原始标距之比的百分率。 注：对于比例试样，若原始标距不为（So 为平行长度的原始横截面积），符号A 应附以下脚注说明所使用的比例系数，例如A 11.3表示原始标距为 对于非比例试样，符号A 应附以下脚注说明所使用的原始标距，以毫米（mm ）表示。例如，A 80mm 表示原始标距为80mm 的断后伸长率。 3.1.10断面收缩率percentage reduction of area 断裂后试样横截面积的最大缩减量（S 0-S u ）与原始横截面积（S 0）之比的百分率。 0U 00 S -S = 100%Z X S
一、填空题（60分） 1.金属材料的性能的性能包括和。 2.力学性能包括、、、、。 3.圆柱形拉伸试样分为和两种。 4.低碳钢拉伸试样从开始到断裂要经过、 、、四个阶段。 5.金属材料的强度指标主要有和。 6.金属材料的塑性指标主要有和。 7.硬度测定方法有、、。 8.夏比摆锤冲击试样有和两种。 9.载荷的形式一般有载荷、载荷和载荷三种。 10.钢铁材料的循环基数为，非铁金属循环基数为。 11.提高金属疲劳强度的方法有和 。 12.50HRC表示用“C”标尺测定的硬度值为。 13.150HRW10/1000/30表示用压头直径为的硬质合金球，在kgf试验力作用下，保持s时测得的布氏硬度值为。 14.金属材料的工艺性能包括、、
、、。 二、判断题（25分） 1.金属的工艺性能是指金属在各种加工中所表现出的性能。（） 2.金属的力学性能是指在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。（） 3.拉伸试验时，试样的伸长量与拉伸力总成正比。（） 4.屈服现象是指拉伸过程中拉伸力达到Fs时，拉伸力不增加，变形量却继续增加的现象。（） 5.拉伸试样上标距的伸长量与原始标距长度的百分比，称为断后伸长率，用符号A表示。（） 6.现有标准圆形截面长试样A和短试样B，经拉伸试验测得δ10、δ5均为25%，表明试样A的塑性比试样B好。( ) 7.常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。（） 8.做布氏硬度试验，当试验条件相同时，压痕直径越小，则材料的硬度越低。（） 9.洛氏硬度值是根据压头压入被测材料的的深度来确定的。（） 10.洛氏硬度HRC测量方便，能直接从刻度盘上读数，生产中常用于测量退火钢、铸铁和有色金属件。（） 11.一般来说，硬度高的金属材料耐磨性也好。（） 12.韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力。（） 13.金属的使用性能包括力学性能、物理性能和铸造性能。( )
第二章第一节金属材料的力学性能 一、选择题 1.表示金属材料屈服强度的符号是（）。 A.σ e B.σ s C.σ b D.σ -1 2.表示金属材料弹性极限的符号是（）。 A.σ e B.σ s C.σ b D.σ -1 3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（）。 A.HB B.HR C.HV D.HS 4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（）。 A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性 二、填空 1.金属材料的机械性能是指在载荷作用下其抵抗（）或（）的能力。 2.金属塑性的指标主要有（）和（）两种。 3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（）和（）三个阶段。 4.常用测定硬度的方法有（）、（）和维氏硬度测试法。 5.疲劳强度是表示材料经（）作用而（）的最大应力值。 三、是非题 1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。（） 2.用布氏硬度测量硬度时，压头为硬质合金球，用符号HBW表示。（） 四、改正题 1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。 2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。 3. 受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。 4. 衡量材料的塑性的指标主要有伸长率和冲击韧性。
5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。 五、简答题 1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σ S 、σ 0.2 、HRC、σ -1 。 2.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σ b 、δ 5 、HBS、a kv 。 2.2金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能 一、判断题 1.金属材料的密度越大其质量也越大。（） 2.金属材料的热导率越大，导热性越好。（） 3.金属的电阻率越小，其导电性越好。（） 二、简答题： 1.什么是金属材料的工艺性能？它包括哪些？ 2.什么是金属材料的物理性能？它包括哪些？ 3.什么是金属材料的化学性能？它包括哪些？