第一章 金属的力学性能及试验方法
金属材料性能：使用性能和工艺性能
使用性能：为保证机械零件或工具正常工作,材料应具备的性能,它包括物理性能 （ 如导电性,导热性,热膨胀性等 ）,化学性能 （ 如抗腐蚀性,抗氧化性等 ） 和力学性能 。
工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中,材料适应各种冷,热加工和热处理的性能,它包括铸造,锻造,焊接,
切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等 。
力学性能：材料在外力作用下所显示的性能,又称机械性能,如强度,硬度,塑性,韧性,抗疲劳性等 。
一,强度
强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力
拉伸试验法：拉伸试验在 拉伸试验机 上进行
一,强度
强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力
拉伸试验法：拉伸试验在 拉伸试验机 上进行
拉伸试样：圆形试样 （ 断面为圆形 ）,根据 GB6397－
86的规定,拉伸试样分为长比例试样或短比例试样 。
对圆形试样：长试样 l=10d。 ；短试样 l=5d。
拉伸曲线,在开始的 阶段,材料处于弹性变形阶段；
超过 e点后,除弹性变形外,材料开始产生塑性变形,曲线在 S点处出现一小段水平 线段,这种现象称为,屈服,,
标志着材料发生微量塑性变形 。 当拉伸力达到 后,在试样的标距长度内某处,横截面发生局部收缩,即产生
,缩颈,现象,此时拉伸力开始减小,故 b点为曲线上集中干预部,直至断裂 （ k点 ） 。
Fb
oe
拉伸曲线,在开始的 阶段,材料处于弹性变形阶段；
超过 e点后,除弹性变形外,材料开始产生塑性变形,曲线在 S点处出现一小段水平 线段,这种现象称为,屈服,,
标志着材料发生微量塑性变形 。 当拉伸力达到 后,在试样的标距长度内某处,横截面发生局部收缩,即产生
,缩颈,现象,此时拉伸力开始减小,故 b点为曲线上集中干预部,直至断裂 （ k点 ） 。
Fb
oe
内力：试样受拉伸力 F作用后,导致材料内部之间产生同样大小的相互作用力应力：单位横截面积上的内力,。
屈服点 （ 屈服极限 ）,金属产生屈服现象时的应力 。
屈服强度：工程技术上一般规定,以试样产生的塑性变形伸长量达到 0,2％ 时的应力,σ0.2。
抗拉强度 （ 强度极限 ）,金属拉断前承受的最大拉应力,
AF
s
s
AF oss
AF o2.02.0
AF obb
b
二,塑性
塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力
断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比
由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率 δ数值不同,因此应注明试样尺寸比例 。
断面收缩率：试样拉断处横截面积的减小量与原始横截面积的百分比,Ψ
强度是表征材料变形抗力指标,而塑性是描述变形能力的指标 。
%100
0
01 l ll?
%100
0
01 A AA?
第二节 硬度及硬度试验
硬度：金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形,
压痕或划痕的能力
一,布氏硬度试验法
布氏硬度试验的原理,用一定直径 D（ mm） 的钢球或硬质合金球,以相应的试验力 F（ N） 压入试件表面,并保持一定的时间,然后卸除试验力,
测量试件表面的压痕直径 d（ mm）,用试验力除以压痕球形 表面积 A（ mm2） 所得的商作为布氏硬度值,符号为 HBS（ 压头为钢球时 ） 或 HBW（ 压头为硬质合金球时 ） 。
HBS适用于测量低于布氏硬度值 450的材料；
HBW适用于 测量低于布氏硬度值 650的材料 。
试验时,根据被测的材料不同,球直径,
试验力及试验力保持时间按表 -1选择 。
金属种类 布氏硬度范围 HBS
（ HBW）
试样厚度 /mm 0.102 球的直径 /mm 试验力 F/KN（ k g f) 试验力保持时间 /s
黑色金属 140-450 6～ 3
4～ 2
<2
30 10.0
5.0
2.5
29.42(3000)
7.355(750)
1.839(187.5)
12
<140 >6
6～ 3
10 10.0
5.0
9.807(1000)
2.452(250)
12
非铁金属 >130 6～ 3
4～ 2
<2
30 10.0
5.0
2.5
29.42(3000)
7.355(750)
1.839(187.5)
30
36～ 130 9～ 3
6～ 3
10 10.0
5.0
9.807(1000)
2.452(250)
30
8～ 35 >6 2.5 10.0 2.452(250) 60
表－１
120HBS10／ 1000／ 30代表用 10mm钢球,在 1000kgf
（ 10kN） 试验力作用下保持 30s,测得的布氏硬度值 。
布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材,铸铁,
有色金属等,也用于试验经淬火,回火但硬度不高的钢件 。
由于布氏硬度试验的压痕较大,试验结果能更好地代表试件的硬度 。
二、洛氏硬度实验
洛氏硬度试验法 原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度 。 试验时,先加初始试验力 98N（ 10kgf）,使压头紧密接触试件表面 a,并压入到 b处,以此作为衡量压入深度的起点,再加主试验力使压头压入到 c处,然后去掉主试验力,由于被试金属弹性变形的消除,压头向上回升到 d
处 。 洛氏硬度计 表盘上读出即可 。
二、洛氏硬度实验
洛氏硬度试验法 原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度 。 试验时,先加初始试验力 98N（ 10kgf）,使压头紧密接触试件表面 a,并压入到 b处,以此作为衡量压入深度的起点,再加主试验力使压头压入到 c处,然后去掉主试验力,由于被试金属弹性变形的消除,压头向上回升到 d
处 。 洛氏硬度计 表盘上读出即可 。
二、洛氏硬度实验
洛氏硬度试验法 原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度 。 试验时,先加初始试验力 98N（ 10kgf）,使压头紧密接触试件表面 a,并压入到 b处,以此作为衡量压入深度的起点,再加主试验力使压头压入到 c处,然后去掉主试验力,由于被试金属弹性变形的消除,压头向上回升到 d
处 。 洛氏硬度计 表盘上读出即可 。
试验时,根据被测的材料不同,压头的类型,试验力及按表 -2选择,对应的洛氏硬度标尺为 HRA,HRB,HRC三种符号 压头类型 载荷 /k g
f
硬度有效范围使用范围
HRA 金刚石圆锥体
60 70～ 85 适用于测量硬质合金、钢表、
淬火层或渗碳层
HRB 直径为
1.588mm钢球
100 25～ 100
（相当 60
～ 230HB
）
适用于测量非铁金属退火、火等
HRC 金刚石圆锥体
150 20～ 67
(相当
HB230～
700)
适用于调质钢、淬火钢等
120?
表 -2
第三节 韧性和冲击试验
冲击力：零件受到突然作用的外力
韧性：金属在冲击力作用下,断裂前吸收变形能量的能力 。 韧性愈好,代表金属的抗冲击能力愈强 。
一,摆锤式一次冲击试验
按 GB229－ 84的规定,将被试金属制成标准的冲击试样 。
摆锤式一次冲击试验 原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行,把试样放在试验机的支承面上,试样的缺口背向摆锤冲击方向 。 将质量为 m的摆锤安放到规定的高度 H，
然后下落,将试样打断,并摆过支点升到某一高度 h,试样在冲击试验力一次作用下,折断 时所吸收的功为冲击吸收功为 Ak
摆锤式一次冲击试验 原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行,把试样放在试验机的支承面上,试样的缺口背向摆锤冲击方向 。 将质量为 m的摆锤安放到规定的高度 H，
然后下落,将试样打断,并摆过支点升到某一高度 h,试样在冲击试验力一次作用下,折断 时所吸收的功为冲击吸收功为 Ak
摆锤式一次冲击试验 原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行,把试样放在试验机的支承面上,试样的缺口背向摆锤冲击方向 。 将质量为 m的摆锤安放到规定的高度 H，
然后下落,将试样打断,并摆过支点升到某一高度 h,试样在冲击试验力一次作用下,折断 时所吸收的功为冲击吸收功为 Ak
实际上,冲击吸收功 AK数值可由 试验机 读出,而无需计算
冲击韧度：将冲击吸收功 AK值除以试样缺口底部的横载而积 A0（ cm2） 得到的值
ak=AK/A0
冲击韧度作为衡量材料刚性的依据
实际上,冲击吸收功 AK数值可由 试验机 读出,而无需计算
冲击韧度：将冲击吸收功 AK值除以试样缺口底部的横载而积 A0（ cm2） 得到的值
ak=AK/A0
冲击韧度作为衡量材料刚性的依据二、多次重复冲击试验的概念
在小能量多次冲击破坏时,应进行多次重复冲击
试验测定其多冲抗力
材料制成专门的多冲缺口试样 1放在多冲试验机
上,使之受到试验机锤头 2的小能量 （ ＜ 15J)多次
冲击 。 测定材料在一定冲击能量下,开始出现裂
纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标第四节 金属疲劳的概念
交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力
金属的疲劳：在多次交变应力作用,金属会在远小于抗拉强度 σb,甚至小于屈服点 σs。 的应力下失效 （ 出现裂纹或完全断裂 ） 。
疲劳曲线,实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值
σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。
疲劳极限 σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值 。
通常规定经受 107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限第四节 金属疲劳的概念
交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力
金属的疲劳：在多次交变应力作用,金属会在远小于抗拉强度 σb,甚至小于屈服点 σs。 的应力下失效 （ 出现裂纹或完全断裂 ） 。
疲劳曲线,实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值
σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。
疲劳极限 σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值 。
通常规定经受 107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限 σ
σ－ 1
107(108) ㏑ N
疲劳破坏的过程：一般认为,在突变应力作用下,材料的某些局部地区逐渐产生微小的裂纹,尤其在氧化物,硫化物等非金属夹杂物和钢件表面的沟槽,螺纹根部,加工刀痕等处,更易诱发裂纹 。 随着应力循环次数的增加,裂纹逐渐扩展,使钢件剩下的断面大为减小,以致不能承受载荷而突然断裂 。
各向异性,由于晶体中原子的规则排列,晶格上不同的晶面和晶向的原子密度便不相同,因而沿着一个晶体的不同方向所测得的性能也不相同的现象 。
金属材料性能：使用性能和工艺性能
使用性能：为保证机械零件或工具正常工作,材料应具备的性能,它包括物理性能 （ 如导电性,导热性,热膨胀性等 ）,化学性能 （ 如抗腐蚀性,抗氧化性等 ） 和力学性能 。
工艺性能：在制造机械零件或工具的过程中,材料适应各种冷,热加工和热处理的性能,它包括铸造,锻造,焊接,
切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等 。
力学性能：材料在外力作用下所显示的性能,又称机械性能,如强度,硬度,塑性,韧性,抗疲劳性等 。
一,强度
强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力
拉伸试验法：拉伸试验在 拉伸试验机 上进行
一,强度
强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力
拉伸试验法：拉伸试验在 拉伸试验机 上进行
拉伸试样：圆形试样 （ 断面为圆形 ）,根据 GB6397－
86的规定,拉伸试样分为长比例试样或短比例试样 。
对圆形试样：长试样 l=10d。 ；短试样 l=5d。
拉伸曲线,在开始的 阶段,材料处于弹性变形阶段；
超过 e点后,除弹性变形外,材料开始产生塑性变形,曲线在 S点处出现一小段水平 线段,这种现象称为,屈服,,
标志着材料发生微量塑性变形 。 当拉伸力达到 后,在试样的标距长度内某处,横截面发生局部收缩,即产生
,缩颈,现象,此时拉伸力开始减小,故 b点为曲线上集中干预部,直至断裂 （ k点 ） 。
Fb
oe
拉伸曲线,在开始的 阶段,材料处于弹性变形阶段；
超过 e点后,除弹性变形外,材料开始产生塑性变形,曲线在 S点处出现一小段水平 线段,这种现象称为,屈服,,
标志着材料发生微量塑性变形 。 当拉伸力达到 后,在试样的标距长度内某处,横截面发生局部收缩,即产生
,缩颈,现象,此时拉伸力开始减小,故 b点为曲线上集中干预部,直至断裂 （ k点 ） 。
Fb
oe
内力：试样受拉伸力 F作用后,导致材料内部之间产生同样大小的相互作用力应力：单位横截面积上的内力,。
屈服点 （ 屈服极限 ）,金属产生屈服现象时的应力 。
屈服强度：工程技术上一般规定,以试样产生的塑性变形伸长量达到 0,2％ 时的应力,σ0.2。
抗拉强度 （ 强度极限 ）,金属拉断前承受的最大拉应力,
AF
s
s
AF oss
AF o2.02.0
AF obb
b
二,塑性
塑性：金属材料断裂前发生永久变形的能力
断后伸长率：试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比
由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率 δ数值不同,因此应注明试样尺寸比例 。
断面收缩率：试样拉断处横截面积的减小量与原始横截面积的百分比,Ψ
强度是表征材料变形抗力指标,而塑性是描述变形能力的指标 。
%100
0
01 l ll?
%100
0
01 A AA?
第二节 硬度及硬度试验
硬度：金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形,
压痕或划痕的能力
一,布氏硬度试验法
布氏硬度试验的原理,用一定直径 D（ mm） 的钢球或硬质合金球,以相应的试验力 F（ N） 压入试件表面,并保持一定的时间,然后卸除试验力,
测量试件表面的压痕直径 d（ mm）,用试验力除以压痕球形 表面积 A（ mm2） 所得的商作为布氏硬度值,符号为 HBS（ 压头为钢球时 ） 或 HBW（ 压头为硬质合金球时 ） 。
HBS适用于测量低于布氏硬度值 450的材料；
HBW适用于 测量低于布氏硬度值 650的材料 。
试验时,根据被测的材料不同,球直径,
试验力及试验力保持时间按表 -1选择 。
金属种类 布氏硬度范围 HBS
（ HBW）
试样厚度 /mm 0.102 球的直径 /mm 试验力 F/KN（ k g f) 试验力保持时间 /s
黑色金属 140-450 6～ 3
4～ 2
<2
30 10.0
5.0
2.5
29.42(3000)
7.355(750)
1.839(187.5)
12
<140 >6
6～ 3
10 10.0
5.0
9.807(1000)
2.452(250)
12
非铁金属 >130 6～ 3
4～ 2
<2
30 10.0
5.0
2.5
29.42(3000)
7.355(750)
1.839(187.5)
30
36～ 130 9～ 3
6～ 3
10 10.0
5.0
9.807(1000)
2.452(250)
30
8～ 35 >6 2.5 10.0 2.452(250) 60
表－１
120HBS10／ 1000／ 30代表用 10mm钢球,在 1000kgf
（ 10kN） 试验力作用下保持 30s,测得的布氏硬度值 。
布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材,铸铁,
有色金属等,也用于试验经淬火,回火但硬度不高的钢件 。
由于布氏硬度试验的压痕较大,试验结果能更好地代表试件的硬度 。
二、洛氏硬度实验
洛氏硬度试验法 原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度 。 试验时,先加初始试验力 98N（ 10kgf）,使压头紧密接触试件表面 a,并压入到 b处,以此作为衡量压入深度的起点,再加主试验力使压头压入到 c处,然后去掉主试验力,由于被试金属弹性变形的消除,压头向上回升到 d
处 。 洛氏硬度计 表盘上读出即可 。
二、洛氏硬度实验
洛氏硬度试验法 原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度 。 试验时,先加初始试验力 98N（ 10kgf）,使压头紧密接触试件表面 a,并压入到 b处,以此作为衡量压入深度的起点,再加主试验力使压头压入到 c处,然后去掉主试验力,由于被试金属弹性变形的消除,压头向上回升到 d
处 。 洛氏硬度计 表盘上读出即可 。
二、洛氏硬度实验
洛氏硬度试验法 原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度 。 试验时,先加初始试验力 98N（ 10kgf）,使压头紧密接触试件表面 a,并压入到 b处,以此作为衡量压入深度的起点,再加主试验力使压头压入到 c处,然后去掉主试验力,由于被试金属弹性变形的消除,压头向上回升到 d
处 。 洛氏硬度计 表盘上读出即可 。
试验时,根据被测的材料不同,压头的类型,试验力及按表 -2选择,对应的洛氏硬度标尺为 HRA,HRB,HRC三种符号 压头类型 载荷 /k g
f
硬度有效范围使用范围
HRA 金刚石圆锥体
60 70～ 85 适用于测量硬质合金、钢表、
淬火层或渗碳层
HRB 直径为
1.588mm钢球
100 25～ 100
（相当 60
～ 230HB
）
适用于测量非铁金属退火、火等
HRC 金刚石圆锥体
150 20～ 67
(相当
HB230～
700)
适用于调质钢、淬火钢等
120?
表 -2
第三节 韧性和冲击试验
冲击力：零件受到突然作用的外力
韧性：金属在冲击力作用下,断裂前吸收变形能量的能力 。 韧性愈好,代表金属的抗冲击能力愈强 。
一,摆锤式一次冲击试验
按 GB229－ 84的规定,将被试金属制成标准的冲击试样 。
摆锤式一次冲击试验 原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行,把试样放在试验机的支承面上,试样的缺口背向摆锤冲击方向 。 将质量为 m的摆锤安放到规定的高度 H，
然后下落,将试样打断,并摆过支点升到某一高度 h,试样在冲击试验力一次作用下,折断 时所吸收的功为冲击吸收功为 Ak
摆锤式一次冲击试验 原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行,把试样放在试验机的支承面上,试样的缺口背向摆锤冲击方向 。 将质量为 m的摆锤安放到规定的高度 H，
然后下落,将试样打断,并摆过支点升到某一高度 h,试样在冲击试验力一次作用下,折断 时所吸收的功为冲击吸收功为 Ak
摆锤式一次冲击试验 原理：试验在专门的摆锤式冲击试验机上进行,把试样放在试验机的支承面上,试样的缺口背向摆锤冲击方向 。 将质量为 m的摆锤安放到规定的高度 H，
然后下落,将试样打断,并摆过支点升到某一高度 h,试样在冲击试验力一次作用下,折断 时所吸收的功为冲击吸收功为 Ak
实际上,冲击吸收功 AK数值可由 试验机 读出,而无需计算
冲击韧度：将冲击吸收功 AK值除以试样缺口底部的横载而积 A0（ cm2） 得到的值
ak=AK/A0
冲击韧度作为衡量材料刚性的依据
实际上,冲击吸收功 AK数值可由 试验机 读出,而无需计算
冲击韧度：将冲击吸收功 AK值除以试样缺口底部的横载而积 A0（ cm2） 得到的值
ak=AK/A0
冲击韧度作为衡量材料刚性的依据二、多次重复冲击试验的概念
在小能量多次冲击破坏时,应进行多次重复冲击
试验测定其多冲抗力
材料制成专门的多冲缺口试样 1放在多冲试验机
上,使之受到试验机锤头 2的小能量 （ ＜ 15J)多次
冲击 。 测定材料在一定冲击能量下,开始出现裂
纹或最后破断的冲击次数作为多冲抗力指标第四节 金属疲劳的概念
交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力
金属的疲劳：在多次交变应力作用,金属会在远小于抗拉强度 σb,甚至小于屈服点 σs。 的应力下失效 （ 出现裂纹或完全断裂 ） 。
疲劳曲线,实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值
σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。
疲劳极限 σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值 。
通常规定经受 107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限第四节 金属疲劳的概念
交变压力：是指大小和方向构随时间周期变化的应力
金属的疲劳：在多次交变应力作用,金属会在远小于抗拉强度 σb,甚至小于屈服点 σs。 的应力下失效 （ 出现裂纹或完全断裂 ） 。
疲劳曲线,实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值
σmax与其失效前的应力循环次数（疲劳寿命） N的曲线关系。
疲劳极限 σ-1：材料可经受无数次应力循环而不失效的应力值 。
通常规定经受 107循环周次而不失效的最大应力为钢铁的疲劳极限 σ
σ－ 1
107(108) ㏑ N
疲劳破坏的过程：一般认为,在突变应力作用下,材料的某些局部地区逐渐产生微小的裂纹,尤其在氧化物,硫化物等非金属夹杂物和钢件表面的沟槽,螺纹根部,加工刀痕等处,更易诱发裂纹 。 随着应力循环次数的增加,裂纹逐渐扩展,使钢件剩下的断面大为减小,以致不能承受载荷而突然断裂 。
各向异性,由于晶体中原子的规则排列,晶格上不同的晶面和晶向的原子密度便不相同,因而沿着一个晶体的不同方向所测得的性能也不相同的现象 。
