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金属的力学性能有哪些金属材料的力学性能包括强度、屈服点、抗拉强度、延伸率、断面收缩率、硬度、冲击韧性等。
金属材料力学性能包括其中包括：弹性和刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度、断裂韧度及疲劳强度等，它们是衡量材料性能极其重要的指标。
1、强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。
材料单位面积受载荷称应力。
2、屈服点（6s）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生0.2%L。
时应力值，单位用牛顿/毫米2(N/mm2）表示。
3、抗拉强度（6b）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。
单位用牛顿/毫米2(N/mm2）表示。
如铝锂合金抗拉强度可达689.5MPa 4、延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。
工程上常将δ≥5%的材料称为塑性材料，如常温静载的低碳钢、铝、铜等；而把δ≤5%的材料称为脆性材料，如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷等。
5、断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。
6、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度(HBS、HBW）和洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）。
7、冲击韧性（Ak）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳/厘米2(J/cm2）。
什么是金属材料金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。
一般分为黑色金属和有色金属两种。
黑色金属包括铁、铬、锰等。
其中钢铁是基本的结构材料，称为“工业的骨骼”。
由于科学技术的进步，各种新型化学材料和新型非金属材料的广泛应用，使钢铁的代用品不断增多，对钢铁的需求量相对下降。
但迄今为止，钢铁在工业原材料构成中的主导地位还是难以取代的。
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。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指材料在受到力的作用下的行为和性能。
常见的金属材料（如钢、铝、铜等）具有较高的强度和刚性，具有良好的塑性和延展性。
其主要的力学性能包括以下几个方面：
1. 强度：金属材料的强度是指材料在受到外力作用下抵抗变形和破坏的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度、抗压强度等。
2. 延展性：金属材料具有较好的延展性，即在受到外力作用下能够发生塑性变形。
延展性可以通过材料的延伸率、断面收缩率等指标来描述。
3. 韧性：金属材料的韧性是指材料能够在承受外力作用下吸收较大的能量而不发生断裂或破坏的能力。
韧性也可以通过断裂韧性、冲击韧性等指标来描述。
4. 硬度：金属材料的硬度是指材料抵抗局部变形和外界划
痕的能力。
硬度可以通过洛氏硬度、布氏硬度等进行测量。
5. 弹性模量：金属材料的弹性模量是指材料在受到外力后，能够恢复到原来形状的能力。
弹性模量可以描述材料的刚
度和变形的程度。
6. 疲劳性能：金属材料的疲劳性能是指材料在受到交替或
重复载荷下的疲劳寿命和抗疲劳性能。
疲劳性能可以通过
疲劳寿命、疲劳极限等指标来描述。
以上是金属材料的一些常见力学性能参数，不同的金属材
料在这些性能方面有所差异。
这些性能参数的好坏直接决
定了金属材料在工程实践中的应用范围和性能优势。
一金属材料的基本知识现代生产中，特别是机械行业中，大量使用各种金属材料，为了合理选择和使用金属材料，充分发挥金属材料的性能潜力，必须了解金属材料的性能。
金属材料的性能，一般可以分为两类：一类是使用性能，包括力学（机械）性能、物理性能、化学性能等，作为结构材料首先要考虑的是金属材料使用过程中在外力作用下所表现出来的特性；另一类是工艺性能，它包括铸造性能、切削性能、焊接性能、热处理性能等，它反映金属材料在制造加工过程中所表现出来的各种特性。
一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性，如：强度、塑性、弹性、硬度、韧性、疲劳、蠕变等。
机械性能指标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能力，是设计金属制件时选材和进行强度计算的主要依据。
1．强度金属材料在静载荷作用下抵抗永久塑性变形和断裂的能力，称为强度。
下面简要介绍拉伸曲线及由此得出的材料性能指标。
2．塑性塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
常用的塑性指标是延伸率δ和断面收缩率ψ，两个指标均为百分率（%）表示。
塑性指标在工程技术中具有重要的实际意义。
塑性好的材料，适宜于各种压力加工，如：冲压、挤压、冷拔、热轧及锻造等；制成零件在使用时，万一超载，也能由于塑性变形使材料强度提高而避免突然断裂。
3．硬度硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它反映了材料抵抗局部塑性变形的能力。
常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
4．冲击韧性冲击韧性是指金属材料抵抗冲击力而不破坏的能力。
许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞箱、连杆及风动工具等，这些零件不仅要求具有足够的静载荷强度，而且要具有足够的抵抗冲击载荷的能力。
冲击韧性用αk表示。
5．疲劳强度许多机械零件，如轴、齿轮、弹簧等在交变应力下工作，虽然它们所承受的应力通常低于材料的屈服点，但在交变应力的长期作用下，材料在不发生明显的塑性变形、事前无察觉的情况下突然断裂，该现象称疲劳。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能主要包括以下几个方面：
1. 强度：金属材料的强度是指它抵抗外力的能力。
通常用屈服强度、抗拉强度或抗压强度来表示材料的强度。
2. 延展性：金属材料的延展性是指其在受力下能够发生塑性变形的
能力。
常用的评价指标有伸长率、断面收缩率和断裂延伸率。
3. 硬度：金属材料的硬度是指其抵抗局部划痕或压痕的能力。
常用
的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
4. 韧性：金属材料的韧性是指其抵抗断裂的能力。
韧性与强度和延
展性密切相关，一般用冲击韧性和断裂韧性来评价材料的韧性。
5. 塑性：金属材料的塑性是指其在受力作用下发生可逆形变的能力。
塑性是金属材料特有的力学性能，它使得金属材料可以制成各种形状。
6. 疲劳性能：金属材料的疲劳性能是指其在交变或周期性载荷下抵抗疲劳损伤的能力。
疲劳性能的评价指标包括疲劳寿命和疲劳极限等。
不同的金属材料具有不同的力学性能，这些性能会受到材料的化学成分、晶体结构、热处理和加工工艺等因素的影响。
因此，在选择和使用金属材料时，需要根据具体的工程要求和环境条件来考虑其力学性能。
金属材料的力学性能力学性能是指金属材料在受力作用下所表现出的力学行为和性质。
主要包括强度、塑性、韧性、硬度和抗疲劳性等。
以下将对金属材料的这些力学性能进行简要介绍。
首先，强度是指金属材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标有屈服强度、抗拉强度和抗压强度等。
屈服强度是材料在受力过程中开始发生塑性变形时的应力值，抗拉强度是金属材料在拉伸试验中抵抗断裂的能力，抗压强度则是抗压试验中材料承受外压力的能力。
这些强度指标决定了金属材料的受力承载能力。
其次，塑性是指金属材料在受力过程中能够产生可逆的永久变形的能力。
塑性是金属材料重要的力学性能，它体现了材料的延展性和可塑性。
常见的塑性指标有延伸率和冷弯性能等。
延伸率是材料在拉伸过程中产生的伸长量与原长度的比值，冷弯性能则是金属材料在室温下能够承受的塑性变形能力。
韧性是指金属材料在受力过程中能够吸收较大的能量而不断进行塑性变形的能力。
韧性是强度和塑性的综合体现，越高的韧性意味着金属材料在遭受外力时能更好地抵抗断裂。
常见的韧性指标有断裂韧性和冲击韧性等。
硬度是指金属材料抵抗外界划伤或压痕的能力，也是反映材料抗外界形变的能力。
硬度是金属材料与其他物质接触时发生形变的抵抗力，常见的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
抗疲劳性是指金属材料在重复应力加载下抵抗疲劳损伤的能力。
金属材料在长期受到交变载荷时会发生疲劳破坏，抗疲劳性能反映了材料的疲劳寿命和稳定性。
常见的抗疲劳性指标有疲劳极限和疲劳寿命等。
综上所述，金属材料的力学性能包括强度、塑性、韧性、硬度和抗疲劳性等方面。
不同的金属材料在这些方面有着不同的特点和应用范围，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的金属材料。
第二节金属材料的力学性能（硬度、韧性、疲劳）及工艺性能一、复习要求1、知道硬度的概念；2、熟悉硬度测试的方法及原理；3、知道各种硬度测试的表示方法；4、知道各种硬度测试方法的特点并能根据特点进行合理选用；5、知道冲击韧性的概念并了解其测试原理、方法及适用；6、知道疲劳的概念并了解其特征和产生疲劳的原因；7、知道疲劳曲线和疲劳极限的概念并了解影响疲劳极限的因素；8、了解工艺性能的种类及影响因素。
二、课前自主复习（一）、复法指导1、复习内容1）、硬度、韧性、疲劳概念；2）、硬度、韧性、疲劳的测试方法及应用场合；3）、影响硬度、韧性、疲劳的因素。
2、怎么复1）、抓住载荷特性及衡量指标结合强度、塑性的概念对硬度、韧性、疲劳的概念进行比较记忆；2）、课堂以探究解析硬度、韧性、疲劳等知识应用选择来帮助同学理解知识为主；3）、提出问题、分析问题、解决问题并及时巩固问题并学会对知识的迁移应用。
（二）、知识准备1）、硬度是指金属材料在静载荷的作用下抵抗局部变形特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
2）、硬度的测试方法有很多，最常用的有布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。
分别用HB、HR、HV表示。
3）、布氏硬度值根据所采用的压头材料不一样，分别用符号HBS（钢球）和HBW（硬质合金球）表示。
4）、洛氏硬度有HRA、HRB、HRC三种标尺，压头型式分为1200的金刚石圆锥体和直径为Φ1.588mm的钢球两种。
5）、维氏硬度用的是1360的正四棱锥体金钢石压头。
6）、冲击韧性在指金属材料在冲击载荷的作用下而不破坏的能力。
常用的测试方法有大能量一次冲击试验和小能量多次冲击试验，测试结果分别用冲击韧度αk和规定冲击载荷下冲击的次数N表示的。
7）、疲劳是金属材料在交变载荷作用下虽然承受小于或远远小于屈服点的应力但在较长的时间后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象。
8）、疲劳曲线指的是作用的交变应力与循环次数的关系曲线。
曲线表明金属承受的交变应力越小则断裂前的应力循环次数越多。
9）、疲劳极限是无限多次交变应力作用下而不破坏的最大应力。
当应力为对称循环时，疲劳极限用符号σ-1表示。
10）、工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。
11）、衡量铸造性能的主要指标有流动性、收缩性和偏析倾向等。
12）、锻造性能的好坏主要同金属的塑性和变形抗力有关，焊接性主要同金属材料的化学成分有关，一般认为金属材料具有适当硬度(170—230HBS)和足够的脆性时较易切削。
（三）、导复平台1）、金属材料在硬度、冲击韧性、疲劳试验中所用的载荷分别为静载荷、冲击载荷、交变载荷。
2）、硬度试验中压头肯定不是金刚石的是布氏硬度测试法，肯定是金刚石头的是维氏硬度测试法。
3）、冲击韧度指的是冲击试样在试样缺口处单位截面积上的冲击吸收功。
冲击韧度越大表示材料的冲击韧性越好。
4）、疲劳试验中的所受的交变应力应低于（高于、低于、等于）屈服点且需要长时间作用才会出现裂纹或断裂现象5）、交变应力与循环次数的关系称为疲劳曲线，交变应力越小则断前应力作用的循环次数越多，当交变应力小到疲劳极限时可以作用的循环次数可以达到无数次。
6）、焊接性主要同金属材料的化学成分有关，其中碳的影响最大。
三、课堂探析（一）、探析问题【问题1】：硬度测试与哪些条件有关？【解析过程】：常用的硬度测试法中有三种压头形式：球形、1200圆锥体、1360正四棱锥体，不难理解在同等条件下球形压头让金属材料留下痕迹球形最难、1200圆锥体压头最易。
同样是球形压头，直径越小、材料越硬越易让金属材料留下痕迹。
所以布氏硬度中压头材料不一表示方法也不一样，有HBS（钢球压头）与HBW（硬质合金压头之分）；洛氏硬度也有HRB 与HRA、HRC标尺之分。
试验力的大小及保持时间不一测试结果不一样，试验力越大留下痕迹越明显、保持时间越长回弹越小留下的痕迹也越明显。
默认条件下硬度值只需在符号前加硬度值即可，非默认条件需在符号后注明条件。
布氏硬度的默认条件是试验力3000Kg力、球体直径10mm、力的保持时间是10～15s；洛氏硬度各种标尺的测试条件是只有力的保持时间可以变动，默认的也为10～15s；维氏硬度测试条件可可改变的有测试力和保持时间，默认值分别为1Kg力、10～15s。
例如170HBS10/1000/30表示在用10mm的钢球，在1000Kg试验力的作用下作用30s时测得的布氏硬度值为170；640HV30表示在30Kg试验力的条件下保持10～15s测得的维氏硬度值为640。
【解题结论】：压头的形式及材料，试验力的大小及保持时间。
【拓展训练】：有三种材料的硬度值分别为450HBS、450HBW、450HV，试比较硬度高低。
【解析思路】：由于测试原理相同，但维氏硬度采用的是金钢石四棱锥体压头，比布氏硬度的球形压头更易压入，故硬度值相同时维氏硬度最低。
同样是球形压头时，钢球比硬质合金球易变形，在同等条件下工件的压痕不及硬质合金球，即硬度相等的布氏硬度值钢球测试出来的结果反映的硬度较高。
【解题结论】：硬度从高到低排列450HBS、450HBW、450HV【问题2】：为什么说布氏硬度的测试原理与维氏硬度基本相同？【解析过程】：二者均以压痕单位面积上所承受的平均压力来表示硬度值，其硬度值的计算也均以应力公式F/S来计算的，单位也均以Mpa为单位。
由于面积的计算相对较为复杂，也均测量压痕的直径（维氏硬度测量的是正方形的对角线长度也称正方形直径）来通过硬度表中查出。
表中查出的数值即为应力公式中计算出来的数值所以说硬度值可以间接的金属的强度，但试验比拉伸试验简单易行。
二者不同点是一个压痕为球面，一个压痕为四正棱表面；一个试验力大，一个试验力小，测试时对工件的损伤也不一样，故在应用上也不同。
【解题结论】：二者均以压痕单位面积上所承受的平均压力来表示硬度值。
【问题3】：为什么洛氏硬度没有单位？【解析过程】：洛氏硬度测试法是以压痕的深度来计算硬度值的大小的，计算方法是用常数减压入的硬度单位来计算的，以每压入0.002mm的压痕深度作为一个硬度单位，故无单位。
当压头为球体时常数为130，当压头为金刚石圆锥体时常数为100。
常数也即为最高理想硬度值。
例用洛氏硬度C标尺来测量材料硬度时测量的压痕深度为0.12mm时,硬度值HRC=100－0.12/0.002=40，即40HRC。
还注意的是洛氏硬度的测试结果可以直接从硬度计上读出来而勿需查表。
【解题结论】：可由洛氏硬度的计算公式推导。
【问题4】：测试法与工件材料的关系如何？【解析过程】：布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料，如果测试硬度较高的材料时压头变形比较明显从而使测量结果比实际硬度低，故当布氏硬度值大于450时必须采用硬质合金压头，但测试材料布氏硬度值仍不能高于650。
由于布氏硬度的测试力大，压痕较大，故测量结果较能真实反映材料的硬度，同时也对材料有了一定程度的破坏，所有不能对成品或薄件进行测量以防造成工件报废。
洛氏硬度由于采用的试验力较小，故选用了小径钢球或金钢石圆锥体作为压头，对材料的破坏较小，适用于测量各种成品或半成品。
但由于材料组织的不均匀性，测试结果不能真实反映出材料性能，需多次测量取平均值。
在三种洛氏硬度中，HRB标尺采用的是直径为1.588mm的钢球较HRA、HRC标尺采用金钢石圆满锥体压头相比较难压入材料，故适用于软钢、退火钢、铜合金等较软的材料。
通过HRA、HRC标尺对比，虽采用同样的压头但试验力HRC标尺是HRA标尺的2.5倍，也就是说明能测量更硬的材料。
一般来讲，HRA标尺用来测量硬质合金或表面淬火钢的硬度，HRC标尺用来测量一般淬为钢的硬度。
通过对比可知，当某工件用布氏或洛氏硬度均可测量时优先选用的是布氏硬度。
但不管哪种测试方法均由于试验力的问题不能对较薄件和表层硬度测量，不然不是对工件造成了破坏就是测量的整体硬度而非表层硬度。
对较薄件和表层硬度的测量一般采用维氏硬度进行，且维氏硬度计根据工件的实际状况对试验力的调整较为方便、对测试结果影响也较小。
【解题结论】：布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的坯料或破坏性试验，洛氏硬度主要用于测量各种成品硬度，维氏硬度主要适用于测量前两种方法不宜测量的薄件或工件的表层硬度。
【拓展训练】：某企业用40Cr加工一批齿轮且齿轮成品要求表面进行渗氮处理，试问对齿轮的坯料及成品分别用什么方法来测试其硬度较为合理？【解析思路】：布氏硬度测试法测量值较为准确，对坯料的破坏可以在加工中得到修整；维氏硬度测试法所施加的测试力较小，只能测示出表层的硬度，故材料整体硬度的测量需试验力稍大的洛氏硬度。
考虑到成品的齿轮是经过调质处理的淬火钢件，可采用洛氏硬度C标尺测试其硬度以免损伤工件，但需多次测量以达到较为准确的硬度值。
如要测量齿轮更准确的整体硬度值，可采用布氏硬度测试法对齿轮进行破坏性试验进行抽检，这也是某些齿轮图纸技术要求中常标注布氏硬度值的原因。
【解题结论】：坯料采用布氏硬度测试法，成品整体硬度的测试采用洛氏硬度测试法、表面硬度测试采用维氏硬度测试法。
【问题5】：冲击韧性的两种测试方法与工件材料有什么关系？冲击力的大小根据什么来选择？【解析过程】：两种测试方法的选用与工件材料有一定关系。
因为像铸铁等脆性材料用大能量一次冲击试验测试出的冲击韧度几乎为零，不能真实的反映出这类材料的真实抗冲击性能。
相反像一些软钢用小能量多次冲击试验测试结果经受的冲击次较多也不能反映出受到大量冲击时抗冲击能力就强。
故用哪种测试方法还是根据工件的实际工作状况来分，一般来讲脆性材料像铸铁、工具钢等用小能量多次冲击试验来测试冲击韧性。
冲击力的大小根据冲击试验方法不同取决的因素也不一样，大能量冲击载荷作用时取决于试样被冲断时单位面积的冲击吸收功即材料的冲击韧度αk，小能量多次冲击条件下取决于材料的强度和塑性。
【解题结论】：塑性材料用大能量一次冲击试验、脆性材料用小能量多次冲击试验，大能量冲击载荷作用时取决于材料的冲击韧度αk、小能量多次冲击条件下取决于材料的强度和塑性。
【问题6】：疲劳产生的原因是什么？【解析过程】：疲劳产生的原因是由于材料的表面或内部有缺陷造成这些地方的局部应力大于屈服点，从而产生局部的塑性变形而导致开裂。
随着应力的循环裂纹也随之扩展，造成承受载荷的截面积不断减少以至不能承受载荷而发生突然断裂。
因此疲劳具有以下特征：断前没有明显的宏观塑变，断前没有预兆（但有裂纹扩展）；引起疲劳的应力很低，常低于屈服点或远远低于屈服点（裂纹扩展使实际受力面积减小）；疲劳破坏的宏观断口有两部分组成：光滑区和断裂区（光滑区是扩展中挤压磨损、断裂区呈粗糙状）。
