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第一章 金属材料的性能 金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括力学性能和物理、化学性能等；工艺性能是指材料对各种加工工艺适应的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。本章主要介绍金属材料的力学性能。 金属的力学性能是指材料在各种载荷（静载荷、冲击载荷、疲劳载荷等）作用下表现出来的抵抗变形和破坏的能力。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。 一、强度 金属材料在载荷作用下所表现出来的抵抗变形或断裂的能力称为强度。强度指标一般可通过金属拉伸试验来测定，而静载荷拉伸试验是工业上最常用的试验方法之一。按标准规定，把标准试样装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷的同时连续测量力和相应的伸长，直至把试样拉断为止，依据测出的拉伸曲线，求出相关的力学性能。 1、拉伸曲线 材料的性质不同，拉伸曲线形状也不相同。图1-1为退火低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示绝对伸长ΔL，单位为mm。以退火低碳钢拉伸曲线为例说明拉伸过程中几个变形阶段。 （1）OE——弹性变形阶段 试样的伸长量与载荷成正比增加，此时若卸载，试样能完全恢复原状。Fe为能恢复原状最大拉力； （2）ES——屈服阶段 当载荷超过Fe时，试样除产生弹性变形外，开始出现塑性变形，此时若卸载，试样的伸长只能部分恢复。当载荷增加到Fs时，图形上出现平台，即载荷不增加，试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，这种现象叫屈服； （3）SB——均匀塑性变形阶段 载荷超过Fs后，试样开始产生明显塑性变形，伸长量随载荷增加而增大。Fb为试样拉伸试验的最大载荷； （4）BK——缩颈阶段 载荷达到最大值Fb后，试样局部开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，由于截面积减小，试样变形所需载荷也随之降低，K点时试样发生断裂。 2、强度指标 金属材料的强度是用应力来度量的，即单位截面积上的内力称为应力，用表示。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度。 （1）屈服点 材料产生屈服时的最小应力，单位MPa。 式中 Fs——屈服时的最小载荷（N）； S0——试样原始截面积（mm2）. 对于无明显屈服现象的金属材料（如铸铁、高碳钢等）测定很困难，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服点，用表示。 屈服点表征金属发生明显塑性变形的抗力，因此它是机械设计的主要依据。 （2）抗拉强度 材料在拉断前所承受的最大应力。 试中 Fb——试样断裂前所承受的最大载荷（N）。 抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，是设计机械零件和选材的主要依据。 二、塑性 金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性，塑性指标也是通过拉伸试验测定的。常用的指标有两个： 1、断后伸长率： 式中 、——分别为试样原始标距和被拉断后的标距（mm）。 2、断面收缩率： 式中 、——分别为试样原始截面积和断裂后缩颈处的最小截面积（mm2）。 、数值愈大，表明材料的塑性愈好。 三、硬度 硬度是表征材料表面局部体积内抵抗其它物体压入时变形的能力。金属材料质量检验主要用压入法进行硬度试验，而其中应用最为广泛是布氏硬度试验和洛氏硬度试验。 1、布氏硬度试验法 （1）试验原理 图1-3为试验原理图。它是用一定直径的淬火钢球或硬质合金钢球做压头以相应试验力压入被测材料表面，经规定保持时间后卸载，以压痕单位面积上所受试验力的大小来确定被测材料的硬度值，用符号HB表示。 式中 F——试验力（N）； ——压痕表面积（mm2）； D——球体直径（mm）； d——压痕平均直径（mm）。 （2）表示方法 表示布氏硬度值时应同时标出压头类型，当试验压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS；当试验压头为硬质合金钢球时，硬度符号为HBW。HBS或HBW之前数字为硬度值，例如120HBS，450HBW。 （3）应用范围 HBS适于测量布氏硬度值小于450的材料，HBW适于测量硬度值小650的材料。因压痕大，不适宜检验薄件或成品。 2、洛氏硬度试验法 （1）试验原理 图1-4为试验原理图。洛氏硬度是用顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588的淬火钢球作为压头，试验时先施加初始载荷，目的是使压头与试样表面接触良好，保证测量结果准确，然后施加主载荷，保持规定时间后卸除主载荷，依据压痕深度确定硬度值。 金属越硬，压痕深度越小。为适应人们习惯上数值越大硬度越高的观念，故人为的规定一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用HR表示，测洛氏硬度值为： 由此可见，洛氏硬度值是一个无量纲的材料性能指标，使用金刚石压头时，常数K为0.