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机械制造行业里所用的零件或构件都是由金属材料或非金属材料制成的，它们在不同的载荷和环境条件下服役。机械加工中的加工对象多数是金属材料，为配合本书后面章节内容，本章重点讲述金属材料的性能指标。如果金属材料对变形和断裂的抗力与服役条件不相适应，就会使机件失去预定的效能而损坏，即产生所谓的“失效”。
金属材料的性能指标包含使用性能和工艺性能。使用性能是金属材料在使用过程中反映出来的特性，它决定了金属材料的应用范围、安全可靠性和使用寿命。使用性能又包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能是指金属材料在制造加工过程中反映出的各种特性，它决定材料是否易于加工以及如何进行加工等要素。
在选用金属材料制造机械零件时主要考虑力学性能和工艺性能。在某些特定环境和工作条件下，还要考虑零件的物理性能和化学性能。金属材料的主要性能指标见表1.1。
表1.1金属材料的主要性能指标
要注意的是，刚度不属于材料的力学性能指标，它是零件或结构受到的外力与该外力作用方向上产生的结构变形量的比值。零件或结构的刚度不仅与材料性能有关，而且与构件的结构形式、载荷作用方式等有关。因此，构件或机械系统的刚度有静刚度和动刚度之分。
金属材料的力学性能又称机械性能，它是金属材料在外力作用下反映出的性能指标，主要包含弹性极限、强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。金属材料的力学性能是零件设计计算、选择材料、工艺评定以及材料检验的主要依据。
金属材料的弹性极限、强度与塑性一般是取金属试样在金属拉伸试验机上进行拉伸试验来测定的。其试样要求及拉伸试验过程可参见《金属材料拉伸试验第 1部分：室温试验方法》（GB/ T 228。1—2010）来确定。通过在试样两端逐渐施加轴向载荷过程中测定试样承受的载荷和产生的变形量之间的关系，从而得到金属的拉伸曲线，这一过程持续到试样被拉断为止。金属的拉伸曲线可以测定该金属的弹性极限、强度与塑性等指标。
金属材料在拉伸过程中通常会经历弹性变形、塑性变形和断裂3 个阶段。常见的低碳钢的拉伸曲线如图1.1所示。其横坐标代表伸长量Δl，纵坐标代表试件受到的载荷F。当载荷不超过F e 时，拉伸曲线为一条直线（oe段），试样的伸长量与载荷成正比，这时试件处于弹性变形阶段；当载荷超过F e 后试样除了产生弹性变形还将产生塑性变形；达到F s 时试样出现明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现了水平或锯齿形线段，这种现象称为“屈服”；当载荷继续增加到某一最大值F b 时，试样的局部截面缩小，产生“缩颈”现象；由于试件的截面逐渐变小，伸长量加大，试件上的载荷也逐渐降低，当到达拉伸曲线k点时试件在“缩颈”处断裂。
在实际工程应用中，拉伸曲线的纵坐标也可以由试件受到的应力σ（单位截面积上受到的拉力）表示，横坐标由试件受到的应变ε（单位长度上的伸长量）表示。因此，测得材料的拉伸曲线对应地也可以得到该材料的应力σ-应变ε曲线。
弹性极限是金属材料在外力作用下不产生塑性变形时所能承受的最大应力值，即
式中σ e ———弹性极限，MPa；
F e ———试样不产生塑性变形时的最大载荷，N；
A o ———试样的原始横截面积，mm 2 .
图1.1低碳钢拉伸曲线
强度是金属材料在静载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。由于载荷对材料的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等多种形式，所以强度又包含屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。工程上以材料的屈服强度和抗拉强度最为常用。
①屈服强度是金属拉伸试样产生屈服现象时所对应的应力，即
式中σ s ———屈服强度，MPa；
F s ———试样产生屈服时对应的最大载荷，N；
A o ———试样的原始横截面积，mm 2 .
②抗拉强度是金属试样在拉断前所能承受的最大应力，即
式中σ b ———抗拉强度，MPa；
F b ———试样在拉断前所能承受的最大载荷，N；
A o ———试样的原始横截面积，mm 2 .
当零件在工作时所受应力
时材料只产生弹性变形；当
时材料除有弹性变形外，还产生微量的塑性变形；当
时材料除有弹性变形外，还产生明显的塑性变形；当
时零件产生裂纹，甚至出现断裂。因此，在选择评定金属材料和设计机械零件时应以零件工作的载荷状况不同选择不同的强度极限为依据。
塑性是金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。通常用材料的伸长率
（指金属试样拉断后标距的增长量与原始标距的百分比）和断面收缩率
（指金属试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比）来表示材料的好坏。
伸长率δ与试样的尺寸有关，而断面收缩率ψ与试样的尺寸无关。δ和ψ值越大，材料的塑性越好。机器零件工作时的可靠性要求材料具有一定的塑性，遇到偶然过载时才能避免零件突然断裂而失效。同时，良好的塑性也是金属材料进行塑性变形的必要条件。
硬度是金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的综合能力。它是衡量材料软硬的一个指标，在工程中常用硬度计来测定，主要有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三大表征方法。一般来说，材料的硬度越高，耐磨性越好，强度也越高。
①布氏硬度是用一定的淬火钢球或硬质合金球在一定压力下压入材料试样表面，保持压力后卸载，测得压痕直径，计算压痕表面积进而得到平均压力值。这个值就是布氏硬度，常用HB表示，其试验原理如图1.2所示。硬度值一般不直接计算，而是用放大镜测出压痕直径再查表得到。当压头为淬火钢球时测得的硬度用HBS表示，压头为硬质合金时则用HBW表示。一般未淬火的碳钢，或者正火及调质状态的钢材多用HB表示。
图1.2布氏硬度试验原理图
布氏硬度法测得的压痕面积大，数据重复性好，但不适于测定产品成品及薄而小的零件，也不适于测定太硬的材料。一般超过650HB的材料就不用布氏硬度法标定。
②洛氏硬度是用一个锥顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的钢球在规定载荷下压入材料试样表面，卸载后测得压痕深度来确定洛氏硬度值，常用HR表示。
根据不同的压头和载荷用3 种不同的标定值即HRA、HRB、HRC，其中HRC硬度值应用最广泛。 HRA一般用于硬质合金及高硬度表面，其测量范围一般为70~ 85HRA，比如汽车传动箱从动齿轮的齿部局部表面淬火后就常用HRA表示；HRB一般用于软钢、灰铸铁及有色金属的硬度标定，其测量范围一般为20~ 100HRB；HRC主要应用在一般通用淬火钢件的硬度标定，其测量范围一般为20~ 65HRC，如汽车齿轮轴是低碳合金钢，常采用整体渗碳淬火热处理工艺，其表面硬度值一般习惯用HRC。
③维氏硬度可采用不同标尺测定极软到极硬金属材料的硬度值，一般用HV表示，其试验基本原理与布氏硬度方法类似。自然界最坚硬的物质金刚石的显微硬度就达到了10000HV。
维氏硬度是一个连续一致的标尺，试验时所加载荷小，压入深度浅，适于测试零件的表面淬硬层和化学热处理的表面层，但测试工作效率不如洛氏硬度高。
冲击韧性是金属材料在冲击载荷作用下抵抗被破坏的能力。前面提到的强度、硬度等都是在静载荷作用下的力学指标。实际上很多零件，如柴油机曲轴、压力机的锻锤和冲模等都是在冲击载荷下工作的。瞬时的外力冲击所引起的变形和应力比受静载时大得多，所以设计冲击载荷的零件时必须考虑材料的冲击韧性。
冲击韧性的测定通常用摆锤式冲击试验机进行，其试验原理如图1.3所示。将带缺口的冲击材料试样用摆锤一次冲断，以试样缺口处单位截面积所吸收的冲击功表示其冲击韧性，即
式中 a k ———冲击韧性值，根据试样缺口形状不同，有a kV 、a kU 两种表示法，J/cm 2 ；
A k ———冲断试样所消耗的冲击功，J；
A———试样缺口处的截面积，cm 2 .
图1.3冲击韧性试验原理
1—摆锤；2—试样
a k 值越低，表示材料的冲击韧性越差。材料的冲击韧性与塑性之间有一定的联系，a k 值高的材料，一般都具有较高的塑性指标；但塑性好的材料其a k 值不一定高。这是因为在静载荷作用下能充分变形的材料，在冲击载荷下不一定能迅速进行塑性变形。实验研究表明，材料承受小能量的多次重复冲击的能力主要取决于强度而不是冲击韧性值。例如球磨铸铁的冲击韧性仅为15J/cm 2 ，但只要强度足够，也适合用来制造柴油机曲轴。
疲劳强度是金属材料经过无数次循环载荷作用而不致引起疲劳断裂的最大应力。承受交变应力或重复应力的零件，往往在工作应力远低于其强度极限时就发生断裂，这个现象工程上称为疲劳断裂。不管是脆性材料还是塑性材料，疲劳断裂都有可能突然发生，断裂前材料无明显的塑性变形征兆，具有很大的危险性。当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度用符号σ -1 表示。
由于实际测试中不可能做到无限次应力循环，故规定各种金属材料的疲劳强度应有一定的应力循环次数基数。如钢材常规定以107应力循环次数为基数测试，如仍不发生疲劳断裂，就认为该材料再不会发生疲劳断裂了。对于非铁合金和某些超高强度钢，常取108为基数。
工程上常通过诸多措施来提高零件的疲劳强度。比如在结构设计上避免应力集中，工艺上提高表面质量，进行表面强化，材料上减少夹杂疏松来提高冶金质量等。
金属材料的物理性能是指它对自然界各种物理现象，如温度变化、地球引力、电磁环境改变等所引起的反应。
金属材料的物理性能主要有材料的密度、熔点、导热性、导电性、导磁性和热膨胀性等。不同工作环境的零件对零件材料的物理性能提出了不同要求。比如，飞机上的零件由于考虑飞机整体质量常选用密度较小的铝、镁、钛等合金来制造；电机、电器等的导电零件常用导电性能好的铜基材料。
金属材料的物理性能有时对加工工艺有一定影响。比如高速钢导热性较差，所以锻造高速钢时应采用较低的加热速度来升温加热，否则材料容易产生裂纹；前面提及的镁、钛等合金虽然密度小，但它们的机械切削加工工艺性能较差。
金属材料的化学性能主要是指它在常温或高温时，抵抗各种活泼介质的化学侵蚀能力。如材料的耐腐蚀性、耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。
在一些腐蚀介质或高温等恶劣环境下工作的机械零件就要特别注意采用化学稳定性良好的金属。比如，化工设备和医疗设备常用耐腐蚀性能较高的不锈钢制造；内燃机排气阀和电站的发电机组的一些零件常用耐热钢来制造。
金属材料的工艺性能是指该材料对制造零件时的工艺适应性能，它包括铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性等。
在零件设计选材和选用工艺方法时都要重点考虑材料的工艺性能。比如，广泛用来制造铸件的灰铸铁，其铸造性能优良但可锻性极差，基本不能进行锻造加工，焊接性也比较低；低碳钢的焊接性能优良而高碳钢则焊接性差，所以在机械结构设计中有焊接结构时，其构件材料通常用低碳钢。关于零件结构的工艺性能本书后面有相关章节专门讨论，在此不再赘述。