金屬材料基礎(chǔ)知識

金屬材料基礎(chǔ)知識

目錄

1.純金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶.........................................................2

1.1.金屬的晶體結(jié)構(gòu).........................................................2

1.2.金屬的結(jié)晶..............................................................2

1.2.1.冷卻曲線和過冷現(xiàn)象.................................................2

1.2.2,結(jié)晶過程...........................................................3

1.3.金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變.....................................................3

2.合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶...........................................................3

2.1.合金的相結(jié)構(gòu)............................................................3

2.1.1.固溶體..............................................................3

2.1.2,金屬化合物..........................................................4

2.2.二元合金狀態(tài)圖.........................................................4

3.鐵一碳相圖...................................................................5

3.1.鐵一碳相圖..............................................................5

3.2.金屬組織................................................................6

4.金屬材料基本知識.............................................................7

4.1.概述....................................................................7

4.2.意義...................................................................7

4.3.種類...................................................................8

4.4.性能...................................................................8

5.金屬材料特性.................................................................9

5.1.疲勞....................................................................9

5.2.塑性..................................................................10

5.3.耐久性.................................................................10

5.4.硬度..................................................................11

6.力學(xué)性能...................................................................12

6.1.強(qiáng)度...................................................................12

6.2.塑性..................................................................13

6.3.韌性..................................................................14

6.4.疲勞性能..............................................................14

7.化學(xué)性能...................................................................15

8.物理性能...................................................................15

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9.工藝性能16

1.純金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1.1.金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬在固態(tài)下都是晶體。金屬的性能、塑性變形和熱處理相變都與晶體結(jié)

構(gòu)有關(guān)。金屬中最常見的晶格有三鐘：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六

方晶格。晶體缺陷根據(jù)幾何形態(tài)可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。

金屬從液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w（晶體）狀態(tài)的過程叫做金屬的結(jié)晶。

1.2.1.冷卻曲線和過冷現(xiàn)象

物質(zhì)冷卻過程中溫度和時(shí)間的關(guān)系曲線叫冷卻曲線。金屬結(jié)晶的冷卻曲線

可用熱分析法測定，其測定過程如下：先將金屬熔化并使溫度盡可能均勻，然

后以一定的速度冷卻，記錄下溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并將其繪制在溫度-時(shí)間

坐標(biāo)中，便可獲得如圖1所示的冷卻曲線。由于結(jié)晶時(shí)放出的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了

金屬向外界散失的熱量，冷卻曲線上出現(xiàn)了一段水平線，這段水平線所對應(yīng)是

溫度就是金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度。實(shí)驗(yàn)表明，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于

理論結(jié)晶溫度（平衡結(jié)晶溫度）TO,這種現(xiàn)象叫做過冷。過冷是結(jié)晶的必要條

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1.2.2.結(jié)晶過程

結(jié)晶過程是形核及晶核長大的過程。

1.3.金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象，稱為

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)

變的金屬有鐵、鉆、鈦、錫、鎰等。以不同晶格形式存在的同一金屬元素

的晶體稱為該金屬的同素異晶體。

2.合金的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶

相：指合金（或純金屬）中具有同一成分、結(jié)構(gòu)、性能，并以界面互相分開

的均勻的組成部分。

2.1.合金的相結(jié)構(gòu)

根據(jù)構(gòu)成合金的各元素之間的相互作用，合金中的相結(jié)構(gòu)可以分為固溶體

和金屬化合物兩大類型。

2.1.1.固溶體

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當(dāng)液態(tài)合金凝固后，組元之間仍能互相溶解，形成在某種元素的晶格中溶

有其它元素原子的相，這種相就稱為固溶體。

2.1.2.金屬化合物

金屬化合物，是指合金中的兩個(gè)元素或更多種元素，按一定的原子數(shù)量之

比相互化合，而形成的具有與這幾種元素完全不同類型晶格的化合物。金屬化

合物晶格一般比較復(fù)雜。通常它們具有高的硬度、熔點(diǎn)和脆性，因此，不能直

接使用。金屬化合物在合金中一般起強(qiáng)化作用。

各種元素發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質(zhì)稱為金屬化合物。

金屬化合物的組成一般可用化學(xué)式表示。金屬化合物的晶格類型不同于任一組

元，一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。其性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬度高、脆性大。當(dāng)合

金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降

低。金屬化合物是許多合金的重要組成相。

有機(jī)金屬化合物指一類有碳直接和金屬組成鍵的化合物。由于不同金屬的

特性，此鍵穩(wěn)定性不同。例如格林尼亞試劑里的鎂原子直接和碳鏈相連，再加

上碳比鎂的電負(fù)性高；于是鄰近鎂原子的那個(gè)碳原子就積聚了較多負(fù)電荷，導(dǎo)

致這根碳一鎂鍵極具反應(yīng)活性。

2.2.二元合金狀態(tài)圖

合金狀態(tài)圖又稱合金平衡圖或合金相圖，是表示在平衡條件下合金的狀態(tài)

和溫度、成分之間的關(guān)系圖解。它反映了合金系中不同成分的合金在無限緩慢

加熱或冷卻時(shí)的組織變化規(guī)律，是選擇合金成分、分析合金的顯微組織、研究

合金的性能和制定鑄造、鍛造、熱處理工藝的重要依據(jù)。

(1)勻晶狀態(tài)圖：兩組元在液態(tài)和固態(tài)都能無限互溶的狀態(tài)圖。

這類合金凝固時(shí)都從液相結(jié)晶出固溶體，這種結(jié)晶過程稱為勻晶轉(zhuǎn)變。

(2)共晶狀態(tài)圖：兩組元在液態(tài)完全互溶，并具有共晶轉(zhuǎn)變的狀態(tài)圖。

共晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，從一定成分的均勻液相中同時(shí)結(jié)晶出成分一定

的兩種固相的轉(zhuǎn)變。

(3)包晶狀態(tài)圖：兩組元在液態(tài)時(shí)無限互溶，在固態(tài)時(shí)形成有限固溶體，并

且有包晶轉(zhuǎn)變的狀態(tài)圖。

包晶轉(zhuǎn)變：在恒溫下，一定成分的液相和它所包圍的已結(jié)晶出來的一定成

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分的固相作用，形成另一個(gè)成分的新固相的轉(zhuǎn)變過程。

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3.鐵一碳相圖

3.1.鐵一碳相圖

鋼是一定成分范圍的鐵碳合金，鐵碳合金相圖表示不同成分的鐵碳合金在

不同溫度下的不同平衡組織，如圖Fe-Fe3c相圖所示。

由Fe-Fe3c相圖可以查出一定成分的鐵碳合金發(fā)生平衡相變的溫度，即臨

界點(diǎn)；可以預(yù)測出在不同溫度區(qū)域發(fā)生的相變過程和冷卻到常溫時(shí)可能得到的

平衡組織。鐵碳合金相圖中各特性點(diǎn)說明見表Fe-Fe3c相圖中的幾個(gè)特性點(diǎn)，

各特性線說明見表Fe-Fe3c相圖中的特性線。

根據(jù)鐵碳合金相圖，含碳量小于2.11%為碳鋼，大于2.11%為鑄鐵。根據(jù)

組織特征，從鐵碳合金相圖中將鐵碳合金按含碳量多少分為七大類：

(1)工業(yè)純鐵，含碳量＜0.0218%；

(2)共析鋼，含碳量0.77%；

(3)亞共析鋼，含碳量0.0218%?0.77%；

(4)過共析鋼，含碳量0.77%?2.11%；

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（5）共晶白□鑄鐵，含碳量4.30%；

（6）亞晶白口鑄鐵，含碳量2.11%?4.30%；

（7）過晶白口鑄鐵，含碳量4.30%?6.69%；

3.2.金屬組織

金屬：具有不透明、金屬光澤良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性并且其導(dǎo)電能力隨溫度

的增高而減小，富有延性和展性等特性的物質(zhì)。金屬內(nèi)部原子具有規(guī)律性排列

的固體（即晶體）。

合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物

質(zhì)。

固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙或結(jié)點(diǎn)，使晶格發(fā)生畸變，

使固溶體硬度和強(qiáng)度升高，這種現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。

化合物：合金組元間發(fā)生化合作用，生成一種具有金屬性能的新的晶體固

態(tài)結(jié)構(gòu)。

機(jī)械混合物：由兩種晶體結(jié)構(gòu)而組成的合金組成物，雖然是兩面種晶體，

卻是一種組成成分，具有獨(dú)立的機(jī)械性能。

鐵素體：碳在a-Fe（體心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。

奧氏體：碳在g-Fe（面心立方結(jié)構(gòu)的鐵）中的間隙固溶體。

滲碳體：碳和鐵形成的穩(wěn)定化合物（FesC）。

珠光體：鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物（F+Fe3c含碳0.8%）

萊氏體：滲碳體和奧氏體組成的機(jī)械混合物（含碳4.3%）

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（上圖為鐵碳相圖各階段對應(yīng)的金屬組織）

金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比，熱處理

一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組

織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善

工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。

為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用

材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)

用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱

處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通

過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。

4.金屬材料基本知識

4.1.概述

金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)

稱。包括純金屬、合金、金屬材料金屬間化合物和特種金屬材料等。（注：金

屬氧化物（如氧化鋁）不屬于金屬材料。）

4.2.意義

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人類文明的發(fā)展和社會的進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切。繼石器時(shí)代之后

出現(xiàn)的銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代，均以金屬材料的應(yīng)用為其時(shí)代的顯著標(biāo)志。現(xiàn)

代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

4.3.種類

金屬材料通常分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料。

(1)黑色金屬，又稱鋼鐵材料，包括含鐵90%以上的工業(yè)純鐵，含碳2%-

4%的鑄鐵，含碳小于2%的碳鋼，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、

高溫合金、不銹鋼、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括格、銃及其合金。

(2)有色金屬，是指除鐵、格、鋅以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金

屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。有色合金的強(qiáng)度和硬

度一般比純金屬高，并且電阻大、電阻溫度系數(shù)小。

(3)特種金屬材料，包括不同用途的結(jié)構(gòu)金屬材料和功能金屬材料。其中有

通過快速冷凝工藝獲得的非晶態(tài)金屬材料，以及準(zhǔn)晶、微晶、納米晶金屬材料

等；還有隱身、抗氫、超導(dǎo)、形狀記憶、耐磨、減振阻尼等特殊功能合金以及

金屬基復(fù)合材料等。

4.4.性能

一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機(jī)械零件在加工制

造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工

藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。由于加工條件不

同，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、

切削加工性等。

所謂使用性能是指機(jī)械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它

包括力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞，決定了它

的使用范圍與使用壽命。在機(jī)械制造業(yè)中，一般機(jī)械零件都是在常溫、常壓和

非常強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中使用的，且在使用過程中各機(jī)械零件都將承受不同載荷

的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為力學(xué)性能(過去也稱為

機(jī)械性能)。金屬材料的力學(xué)性能是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。外加載

荷性質(zhì)不同(例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等)，對金屬材料要求的

力學(xué)性能也將不同。常用的力學(xué)性能包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性、多

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次沖擊抗力和疲勞極限等。

5.金屬材料特性

5.1.疲勞

許多機(jī)械零件和工程構(gòu)件，是承受交變載荷工作的。在交變載荷的作用

下，雖然應(yīng)力水平低于材料的屈服極限，但經(jīng)過長時(shí)間的應(yīng)力反復(fù)循環(huán)作用以

后，也會發(fā)生突然脆性斷裂，這種現(xiàn)象叫做金屬材料的疲勞。金屬材料疲勞斷

裂的特點(diǎn)是：

(1)載荷應(yīng)力是交變的；

(2)載荷的作用時(shí)間較長；

(3)斷裂是瞬時(shí)發(fā)生的；

(4)無論是塑性材料還是脆性材料，在疲勞斷裂區(qū)都是脆性的。所以，疲勞

斷裂是工程上最常見、最危險(xiǎn)的斷裂形式。

金屬材料的疲勞現(xiàn)象，按條件不同可分為下列幾種：

#1

身周疲勞

指在低應(yīng)力(工作應(yīng)力低于材料的屈服極限，甚至低于彈性極限)條件下，

應(yīng)力循環(huán)周數(shù)在100000以上的疲勞，它是最常見的一種疲勞破壞。高周疲勞

一般簡稱為疲勞。

#2

低周疲勞

指在高應(yīng)力(工作應(yīng)力接近材料的屈服極限)或高應(yīng)變條件下，應(yīng)力循環(huán)周

數(shù)在10000?100000以下的疲勞。由于交變的塑性應(yīng)變在這種疲勞破壞中起主

要作用，因而，也稱為塑性疲勞或應(yīng)變疲勞。

#3

熱疲勞

指由于溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用，所造成的疲勞破壞。

#4

腐蝕疲勞

指機(jī)器部件在交變載荷和腐蝕介質(zhì)(如酸、堿、海水、活性氣體等)的共同

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作用下，所產(chǎn)生的疲勞破壞。

#5

接觸疲勞

這是指機(jī)器零件的接觸表面，在接觸應(yīng)力的反復(fù)作用下，出現(xiàn)麻點(diǎn)剝落或

表面壓碎剝落，從而造成機(jī)件失效破壞。

5.2.塑性

塑性是指金屬材料在載荷外力的作用下，產(chǎn)生永久變形（塑性變形）而不被

破壞的能力。金屬材料在受到拉伸時(shí)，長度和橫截面積都要發(fā)生變化，因此，

金屬的塑性可以用長度的伸長（延伸率）和斷面的收縮（斷面收縮率）兩個(gè)指標(biāo)來

衡量。

金屬材料的延伸率和斷面收縮率愈大，表示該材料的塑性愈好，即材料能

承受較大的塑性變形而不破壞。一般把延伸率大于百分之五的金屬材料稱為塑

性材料（如低碳鋼等），而把延伸率小于百分之五的金屬材料稱為脆性材料（如灰

口鑄鐵等）。塑性好的材料，它能在較大的宏觀范圍內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，并在塑

性變形的同時(shí)使金屬材料因塑性變形而強(qiáng)化，從而提高材料的強(qiáng)度，保證了零

件的安全使用。此外，塑性好的材料可以順利地進(jìn)行某些成型工藝加工，如沖

壓、冷彎、冷拔、校直等。因此，選擇金屬材料作機(jī)械零件時(shí)，必須滿足一定

的塑性指標(biāo)。

5.3.耐久性

建筑金屬腐蝕的主要形態(tài)：

（1）均勻腐蝕。金屬表面的腐蝕使斷面均勻變薄。因此，常用年平均的厚度

減損值作為腐蝕性能的指標(biāo)（腐蝕率）。鋼材在大氣中一般呈均勻腐蝕。

（2）孔蝕。金屬腐蝕呈點(diǎn)狀并形成深坑?？孜g的產(chǎn)生與金屬的本性及其所處

介質(zhì)有關(guān)。在含有氯鹽的介質(zhì)中易發(fā)生孔蝕?？孜g常用最大孔深作為評定指

標(biāo)。管道的腐蝕多考慮孔蝕問題。

（3）電偶腐蝕。不同金屬的接觸處，因所具不同電位而產(chǎn)生的腐蝕。

（4）縫隙腐蝕。金屬表面在縫隙或其他隱蔽區(qū)域常發(fā)生由于不同部位間介質(zhì)

的組分和濃度的差異所引起的局部腐蝕。

（5）應(yīng)力腐蝕。在腐蝕介質(zhì)和較高拉應(yīng)力共同作用下，金屬表面產(chǎn)生腐蝕并

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向內(nèi)擴(kuò)展成微裂紋，常導(dǎo)致突然破斷?；炷林械母邚?qiáng)度鋼筋（鋼絲）可能發(fā)生

這種破壞。

5.4.硬度

硬度表示材料抵抗硬物體壓入其表面的能力。它是金屬材料的重要性能指

標(biāo)之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度

和維氏硬度。

布氏硬度（HB）：以一定的載荷（一般3000kg）把一定大?。ㄖ睆揭话銥?/p>

10mm）的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時(shí)間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積

之比值，即為布氏硬度值（HB）,單位為公斤力/mm2（N/mm2）。

洛氏硬度（HR）：當(dāng)HB>450或者試樣過小時(shí)，不能采用布氏硬度試驗(yàn)而改

用洛氏硬度計(jì)量。它是用一個(gè)頂角120。的金剛石圓錐體或直徑為1.59、

3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的

硬度。根據(jù)試驗(yàn)材料硬度的不同，可采用不同的壓頭和總試驗(yàn)壓力組成幾種不

同的洛氏硬度標(biāo)尺，每一種標(biāo)尺用一個(gè)字母在洛氏硬度符號HR后面加以注

明。常用的洛氏硬度標(biāo)尺是A,B,C三種（HRA、HRB、HRC）。其中C標(biāo)尺應(yīng)

用最為廣泛。

HRA：是采用60kg載荷鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料

（如硬質(zhì)合金等）。

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于

硬度較低的材料（如退火鋼、鑄鐵等）。

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材

料（如淬火鋼等）。

維氏硬度（HV）：以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136。的金剛石方形錐壓入

器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值

（HV）o硬度試驗(yàn)是機(jī)械性能試驗(yàn)中最簡單易行的一種試驗(yàn)方法。為了能用硬度

試驗(yàn)代替某些機(jī)械性能試驗(yàn)，生產(chǎn)上需要一個(gè)比較準(zhǔn)確的硬度和強(qiáng)度的換算關(guān)

系。實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的

相應(yīng)關(guān)系。因?yàn)橛捕戎凳怯善鹗妓苄宰冃慰沽屠^續(xù)塑性變形抗力決定的，材

料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。

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金屬材料的性能

金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應(yīng)用的合理性。金屬材料的性能

主要分為四個(gè)方面，即：力學(xué)性能、化學(xué)性能、物理性能、工藝性能。

6.力學(xué)性能

應(yīng)力：物體內(nèi)部單位截面積上承受的力稱為應(yīng)力。由外力作用引起的應(yīng)力

稱為工作應(yīng)力，在無外力作用條件下平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力(例如

組織應(yīng)力、熱應(yīng)力、加工過程結(jié)束后留存下來的殘余應(yīng)力)。

力學(xué)性能：金屬在一定溫度條件下承受外力(載荷)作用時(shí)，抵抗變形和斷

裂的能力稱為金屬材料的機(jī)械性能(也稱為力學(xué)性能)。金屬材料承受的載荷有

多種形式，它可以是靜態(tài)載荷，也可以是動(dòng)態(tài)載荷，包括單獨(dú)或同時(shí)承受的拉

伸應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及摩擦、振動(dòng)、沖擊等

等，因此衡量金屬材料機(jī)械性能的指標(biāo)主要有以下幾項(xiàng)。

6.1.強(qiáng)度

這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的最大能力，可分為抗拉強(qiáng)度

極限(?？?、抗彎強(qiáng)度極限(obb)、抗壓強(qiáng)度極限(obc)等。由于金屬材料在外力

作用下從變形到破壞有一定的規(guī)律可循，因而通常采用拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測定，即

把金屬材料制成一定規(guī)格的試樣，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，直至試樣斷裂，

測定的強(qiáng)度指標(biāo)主要有：

(1)強(qiáng)度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的最大應(yīng)力，一般指拉力作用

下的抗拉強(qiáng)度極限，以。b表示，如拉伸試驗(yàn)曲線圖中最高點(diǎn)b對應(yīng)的強(qiáng)度極

限，常用單位為兆帕(MPa),換算關(guān)系有：lMPa=lN/m2=2kgf/mm2或

9.8

2

lkgf/mm=9.8MPao

(2)屈服強(qiáng)度極限：金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時(shí)，雖然

應(yīng)力不再增加，但是試樣仍發(fā)生明顯的塑性變形，這種現(xiàn)象稱為屈服，即材料

承受外力到一定程度時(shí)，其變形不再與外力成正比而產(chǎn)生明顯的塑性變形。產(chǎn)

生屈服時(shí)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度極限，用。s表示，相應(yīng)于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的S

點(diǎn)稱為屈服點(diǎn)。對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn)，而對

于低塑性材料則沒有明顯的屈服點(diǎn)，從而難以根據(jù)屈服點(diǎn)的外力求出屈服極

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限。因此，在拉伸試驗(yàn)方法中，通常規(guī)定試樣上的標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變

形時(shí)的應(yīng)力作為條件屈服極限，用o0.2表示。屈服極限指標(biāo)可用于要求零件

在工作中不產(chǎn)生明顯塑性變形的設(shè)計(jì)依據(jù)。但是對于一些重要零件還考慮要求

屈強(qiáng)比(即。s/ob)要小，以提高其安全可靠性，不過此時(shí)材料的利用率也較低

了。

(3)彈性極限：材料在外力作用下將產(chǎn)生變形，但是去除外力后仍能恢復(fù)原

狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的最大應(yīng)力即為彈性極限，相應(yīng)

于拉伸試驗(yàn)曲線圖中的e點(diǎn)，以oe表示，單位為兆帕(MPa)：oe=Pe/Fo式中

Pe為保持彈性時(shí)的最大外力(或者說材料最大彈性變形時(shí)的載荷)。

(4)彈性模數(shù)：這是材料在彈性極限范圍內(nèi)的應(yīng)力a與應(yīng)變3(與應(yīng)力相對

應(yīng)的單位變形量)之比，用E表示，單位兆帕(MPa)：E=o/3=tga。式中a為拉

伸試驗(yàn)曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。彈性模數(shù)是反映金屬材料剛性的指

標(biāo)(金屬材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛性)。

6.2.塑性

金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的最大能力稱為塑性，通常

以拉伸試驗(yàn)時(shí)的試樣標(biāo)距長度延伸率3(%)和試樣斷面收縮率中(%)

延伸率8=[(Ll-L0)/L0]xl00%

這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標(biāo)距長度L1與試樣原始

標(biāo)距長度L0之差(增長量)與L0之比。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，同一材料但是不同規(guī)格

(直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標(biāo)距長度)的拉伸試樣測得的延伸

率會有不同，因此一般需要特別加注，例如最常用的圓截面試樣，其初始標(biāo)距

長度為試樣直徑5倍時(shí)測得的延伸率表示為85,而初始標(biāo)距長度為試樣直徑

10倍時(shí)測得的延伸率則表示為310。

斷面收縮率ip=[(F0-Fl)/F0]xl00%

這是拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口細(xì)頸處最小截面積F1之差

(斷面縮減量)與F0之比。實(shí)用中對于最常用的圓截面試樣通?？赏ㄟ^直徑測量

進(jìn)行計(jì)算：

ip=[l-(Dl/D0)2]xl00%

式中：D0-試樣原直徑；D1-試樣拉斷后斷口細(xì)頸處最小直徑。3與小值越大，

表明材料的塑性越好。

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6.3.韌性

金屬材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力稱為韌性。通常采用沖擊試

驗(yàn)，即用一定尺寸和形狀的金屬試樣在規(guī)定類型的沖擊試驗(yàn)機(jī)上承受沖擊載荷

而折斷時(shí)，斷口上單位橫截面積上所消耗的沖擊功表征材料的韌性：

ak=Ak/F

單位J/crM或kg-m/cm?,lkg-m/cm2=9.8J/cm2oak稱作金屬材料的沖擊

韌性，Ak為沖擊功，F(xiàn)為斷口的原始截面積。

6.4.疲勞性能

疲勞強(qiáng)度極限金屬材料在長期的反復(fù)應(yīng)力作用或交變應(yīng)力作用下（應(yīng)力一

般均小于屈服極限強(qiáng)度os）,未經(jīng)顯著變形就發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱為疲勞破壞或

疲勞斷裂，這是由于多種原因使得零件表面的局部造成大于os甚至大于ob的

應(yīng)力（應(yīng)力集中），使該局部發(fā)生塑性變形或微裂紋，隨著反復(fù)交變應(yīng)力作用次

數(shù)的增加，使裂紋逐漸擴(kuò)展加深（裂紋尖端處應(yīng)力集中）導(dǎo)致該局部處承受應(yīng)力

的實(shí)際截面積減小，直至局部應(yīng)力大于ob而產(chǎn)生斷裂。在實(shí)際應(yīng)用中，一般

把試樣在重復(fù)或交變應(yīng)力（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等）作用下，在規(guī)

定的周期數(shù)內(nèi)（一般對鋼取106?107次，對有色金屬取108次）不發(fā)生斷裂所能

承受的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度極限，用bi表示，單位MPa。

除了上述幾種最常用的力學(xué)性能指標(biāo)外，對一些要求特別嚴(yán)格的材料，例

如航空航天以及核工業(yè)、電廠等使用的金屬材料，還會要求下述一些力學(xué)性能

指標(biāo)。

蠕變極限：在一定溫度和恒定拉伸載荷下，材料隨時(shí)間緩慢產(chǎn)生塑性變形

的現(xiàn)象稱為蠕變。通常采用高溫拉伸蠕變試驗(yàn)，即在恒定溫度和恒定拉伸載荷

下，試樣在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的蠕變伸長率（總伸長或殘余伸長）或者在蠕變伸長速度

相對恒定的階段，蠕變速度不超過某規(guī)定值時(shí)的最大應(yīng)力，作為蠕變極限，以

表示，單位MPa,式中T為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，t為溫度，3為伸長率，o為應(yīng)力；

或