1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能
单元 3
1.2 金属材料的性能
基本内容和要求
一, 金属材料力学性能
1,了解力学性能的种类, 概念及指标。
2,了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。
3,了解各种硬度实验测试方法和应用范围。
4,了解冲击实验方法和所测指标的意义。
金属材料的性能包含 工艺性能 和 使用性能 。
使用性能, 是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。
如：机械性能、物理性能、化学性能。
工艺性能,是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。
如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。
1 单元 3
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能
单元 3
1.2 金属材料的性能
一, 金属材料的机械性能
是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。 机械性能 —
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 。
指标,强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。
1.强度
金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 单位, MPa(MN/mm2)
2 单元 3
分：抗拉强度 σb、抗压 σbc、抗弯 σbb、抗剪 τb、抗扭 τt。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 4
静载单向静拉伸应力 ―― 应变曲线
介绍拉伸实验,
弹性变形阶段
屈服阶段
强化阶段
缩颈阶段
试样断裂
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 5
静载单向静拉伸应力 ―― 应变曲线
介绍拉伸实验,
ob弹性变形阶段
bcd屈服阶段
db强化阶段
Bk缩颈阶段
k试样断裂
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 6
根据拉伸实验确定一些强度指标
① 弹性极限 σe（ elastic limit）
材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。
比例极限, σp=Pp/Fo 应力 ― 应变保持线性关系的极限应力值
弹性极限, σe=Pe/Fo 工程上,σp,σe视为同一值,
刚度 — 表示材料弹性变形抗力的大小。
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。
E=σ/ε 杨氏弹性模量,应力应变的比值。单位 MPa
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 7
② 屈服极限 σs（屈服强度或屈服点）
金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。 σs=Ps/Fo
条件屈服强度 σ0.02 — 产生 0.02%残余塑性变形的抗力的极限应力值。
用于无屈服点的中高碳钢。 脆性材料,σb=σs 灰口铸铁
③ 抗拉强度 σb （强度极限）
是试样被拉断前的最大承载能力,σb=Pb/Fo （ MPa）
（ MPa）
材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值
屈强比 —— σs与 σb的比值。 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。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 11
延伸率
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 9
3,硬度
① 布氏硬度
是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。
材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。
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
材料的其它机械性能，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。
布氏硬度值 HB是以试样压痕面积上的平均压力 P/F表示。
即单位面积所承受的压力。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 10
布氏硬度测定的原理 — 是把一定直径的淬火钢球，以规定的
载荷 P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压
痕直径 d，求出压痕面积 F计算出平均应力值，以此为布氏硬度
值的计量指标，并用符号 HB表示。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 12
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。
标注,D/P/T如 120HB/10/3000/10，即表示此硬度值 120
在 D=10mm,P=3000kgf,T=10秒的条件下得到的 。
简单标注,200～ 230HB或 300～ 330HBS
布氏硬度试验只可用来测定小于 HB450的金属材料,
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 14
② 洛 氏硬度 （ HR）
基本原理 — 洛氏硬度属压入法
洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（予载荷 P1和主载荷 P2） 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。洛氏硬度就是以
主载荷引起的残余压入深度 （ 来表示 ）。
为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致采用一常数（ k）
减去（ h3-h1）的差值表示硬度值。为了简便起见又规定每 0.002mm
压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格。）
洛氏硬度值公式如下,
采用金钢石圆锥时 k=0.2（用于 HRA,HRC）
用钢球时 k=0.26（用于 HRB）。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 15
布氏硬度实验
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 17
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 70~85 碳化物、硬质合金表 面淬火等
HRB 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
洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验
设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，需多点测量,
然后取平均值。洛氏硬度虽可用来测定各种金属材料的硬度 。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 18
③ 维氏硬度（ HV）
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。
维氏硬度试验法 是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相同,
是用一种顶角为 136° 的金钢石角锥压头，在载荷 p（ 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）供以计算压痕
面积 F（ m㎡ ）以 P/F的数值表示试样的硬度值。
维氏硬度值表示方法为 HV硬度数值，有时为反映试验条件在硬度数值
前用下标加上负荷，例如 HV20232,20为加载负荷。
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。
维氏硬度的压力一般可选 5,10,20,30,50,100,120kg等,
小于 10kg的压力可以测定显微组织硬度。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 20
4,冲击韧性 （ Ak或 ak ）
韧性,材料断裂前吸收变形能量的能力 ----韧度
冲击韧性 （ Ak）,冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。
单位为焦耳 /厘米 2（ J/cm2）
ak=冲击破坏所消耗的功 Ak/标准试样断口截面积 F
ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。
ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。
Ak=mg(h1-h2)
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 22
冲击韧性实验
Ak=h1-h2
5,疲劳强度 σ-1
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 23
80%的断裂由疲劳造成
疲劳,承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化,
交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小
于屈服极限的应力下发生断裂。
疲劳极限,材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂
的最高应力值。
条件疲劳极限,经受 10 应力循环而不致断裂的最大应力值。 7
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。
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。
单元 3
1.2 金属材料的性能
基本内容和要求
一, 金属材料力学性能
1,了解力学性能的种类, 概念及指标。
2,了解拉伸实验过程及相关指标概念和意义。
3,了解各种硬度实验测试方法和应用范围。
4,了解冲击实验方法和所测指标的意义。
金属材料的性能包含 工艺性能 和 使用性能 。
使用性能, 是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。
如：机械性能、物理性能、化学性能。
工艺性能,是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。
如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。
1 单元 3
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能
单元 3
1.2 金属材料的性能
一, 金属材料的机械性能
是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。 机械性能 —
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 。
指标,强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。
1.强度
金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 单位, MPa(MN/mm2)
2 单元 3
分：抗拉强度 σb、抗压 σbc、抗弯 σbb、抗剪 τb、抗扭 τt。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 4
静载单向静拉伸应力 ―― 应变曲线
介绍拉伸实验,
弹性变形阶段
屈服阶段
强化阶段
缩颈阶段
试样断裂
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 5
静载单向静拉伸应力 ―― 应变曲线
介绍拉伸实验,
ob弹性变形阶段
bcd屈服阶段
db强化阶段
Bk缩颈阶段
k试样断裂
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 6
根据拉伸实验确定一些强度指标
① 弹性极限 σe（ elastic limit）
材料拉伸时保持弹性变形，不发生永久变形的最大应力。
比例极限, σp=Pp/Fo 应力 ― 应变保持线性关系的极限应力值
弹性极限, σe=Pe/Fo 工程上,σp,σe视为同一值,
刚度 — 表示材料弹性变形抗力的大小。
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。
E=σ/ε 杨氏弹性模量,应力应变的比值。单位 MPa
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 7
② 屈服极限 σs（屈服强度或屈服点）
金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。 σs=Ps/Fo
条件屈服强度 σ0.02 — 产生 0.02%残余塑性变形的抗力的极限应力值。
用于无屈服点的中高碳钢。 脆性材料,σb=σs 灰口铸铁
③ 抗拉强度 σb （强度极限）
是试样被拉断前的最大承载能力,σb=Pb/Fo （ MPa）
（ MPa）
材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值
屈强比 —— σs与 σb的比值。 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。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 11
延伸率
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 9
3,硬度
① 布氏硬度
是金属材料表面在接触应力作用下抵抗塑性变形的一种能力。
材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。
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
材料的其它机械性能，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。
布氏硬度值 HB是以试样压痕面积上的平均压力 P/F表示。
即单位面积所承受的压力。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 10
布氏硬度测定的原理 — 是把一定直径的淬火钢球，以规定的
载荷 P压入被测材料表面，保持一定时间后卸除载荷，测出压
痕直径 d，求出压痕面积 F计算出平均应力值，以此为布氏硬度
值的计量指标，并用符号 HB表示。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 12
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。
标注,D/P/T如 120HB/10/3000/10，即表示此硬度值 120
在 D=10mm,P=3000kgf,T=10秒的条件下得到的 。
简单标注,200～ 230HB或 300～ 330HBS
布氏硬度试验只可用来测定小于 HB450的金属材料,
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 14
② 洛 氏硬度 （ HR）
基本原理 — 洛氏硬度属压入法
洛氏硬度测定时需要先后施加二次载荷（予载荷 P1和主载荷 P2） 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。洛氏硬度就是以
主载荷引起的残余压入深度 （ 来表示 ）。
为了与习惯上数值越大硬度越高的概念相一致采用一常数（ k）
减去（ h3-h1）的差值表示硬度值。为了简便起见又规定每 0.002mm
压入深度作为一个硬度单位（即刻度盘上一小格。）
洛氏硬度值公式如下,
采用金钢石圆锥时 k=0.2（用于 HRA,HRC）
用钢球时 k=0.26（用于 HRB）。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 15
布氏硬度实验
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 17
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 70~85 碳化物、硬质合金表 面淬火等
HRB 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
洛氏硬度测定仅产生很小压痕，并不损坏零件，因而适合于成品检验
设备简单，操作迅速方便。但测一点无代表性，不准确，需多点测量,
然后取平均值。洛氏硬度虽可用来测定各种金属材料的硬度 。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 18
③ 维氏硬度（ HV）
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。
维氏硬度试验法 是压入试验法中较精确的一种，它与布氏硬度试验法相同,
是用一种顶角为 136° 的金钢石角锥压头，在载荷 p（ 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）供以计算压痕
面积 F（ m㎡ ）以 P/F的数值表示试样的硬度值。
维氏硬度值表示方法为 HV硬度数值，有时为反映试验条件在硬度数值
前用下标加上负荷，例如 HV20232,20为加载负荷。
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。
维氏硬度的压力一般可选 5,10,20,30,50,100,120kg等,
小于 10kg的压力可以测定显微组织硬度。
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 20
4,冲击韧性 （ Ak或 ak ）
韧性,材料断裂前吸收变形能量的能力 ----韧度
冲击韧性 （ Ak）,冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。
单位为焦耳 /厘米 2（ J/cm2）
ak=冲击破坏所消耗的功 Ak/标准试样断口截面积 F
ak值低的材料叫做脆性材料，断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。
ak值高，明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽，韧性材料。
Ak=mg(h1-h2)
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 22
冲击韧性实验
Ak=h1-h2
5,疲劳强度 σ-1
1.材料的结构与性能 1.2 金属材料的性能 单元 3 23
80%的断裂由疲劳造成
疲劳,承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化,
交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小
于屈服极限的应力下发生断裂。
疲劳极限,材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂
的最高应力值。
条件疲劳极限,经受 10 应力循环而不致断裂的最大应力值。 7
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。
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。
