1.1 金属材料的力学性能

金属材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。一般机械零件常以力学性能作为设计和选材的依据。金属材料的力学性能是指金属材料在外加载荷作用下表现出来的特性。载荷按其作用形式的不同，分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等，因此金属材料表现出的抵抗外力能力的特性也各不相同。通常力学性能主要是指强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

1.1.1 强度

金属材料在外载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。由于载荷作用方式不同，强度可分为屈服强度、抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。工程上应用最普遍的是屈服强度和抗拉强度，这两种强度指标通常用拉伸试验来测定。

试验前，将被测金属材料按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定，制成一定形状和尺寸的标准试样，试验时将试样装夹在拉伸试验机上，缓慢加载（静载荷）。试样的伸长量会随着载荷的增加而增加，直至试样被拉断为止。试验机自动记录装置可将整个拉伸试验过程中的载荷大小与对应的伸长量之间的关系绘成力-伸长曲线图，如图1-1a所示。

由图1-1a可知，当载荷 F 为零时，伸长量Δ L 为零。当载荷由零逐渐增大到 F _e 时，试样的伸长量与载荷成比例增加。此时卸除载荷，试样能完全恢复到原来的形状和尺寸，即试样处于弹性变形阶段。当载荷超过 F _e 时，试样除产生弹性变形外，还出现了塑性变形（或永久变形），即卸除载荷后，试样不能完全恢复到原来的形状和尺寸。当载荷加到 F _H 时，载荷曲线首次下降，并出现水平（或锯齿形）线段，这表示载荷不增加，试样却继续伸长，这种现象称为“屈服”， H 点称为材料的上屈服强度。当载荷超过 F _H 后，试样的伸长量又随载荷的增加而增大，此时试样已产生大量的塑性变形。当载荷继续增加到 F _m 时，试样出现局部直径变细的现象，通常称为“缩颈”现象。产生缩颈现象后，由于试样承载截面变小，使试样继续拉伸所需的载荷变小。当载荷逐渐降低到 F _k 时，试样在缩颈处被拉断。

金属材料受到载荷作用后其内部会产生一个与载荷相平衡的抵抗力（即内力），此力的大小与外力相等，方向相反。金属材料单位面积上的内力称为应力，用 R 表示（旧国标用 σ 表示）。金属材料的强度就是用应力来度量的，图1-1b所示为退火低碳钢的应力-应变曲线。

1.屈服强度

试样产生屈服现象时的最小应力称为屈服强度。屈服强度用来表示金属材料抵抗微量塑性变形的能力。当材料所受应力低于屈服强度时，仅有微量塑性变形产生；超过屈服强度时，将产生明显的塑性变形。

屈服强度分上屈服强度和下屈服强度。上屈服强度是试样发生屈服而力首次下降前的最大应力，用符号 R _eH （MPa）表示。

式中 F _H ——试样发生屈服而力首次下降前的最大载荷（N）；

S _o ——试样的原始横截面面积（mm ² ）。

下屈服强度是试样在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力（即不计图1-1b中的 a 点所对应的应力），用符号 R _eL （MPa）表示。

式中 F _L ——试样在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小载荷（N）；

S _o ——试样的原始横截面面积（mm ² ）。

下屈服强度相当于旧国标的屈服点 σ _s （注：本书中，部分表格摘自国家标准，若所引用的最新版国家标准仍采用 σ _s 表示，则本书表格也沿用 σ _s 。其余符号同此处理）。

有些金属材料（如高碳钢、铸铁等）在拉伸试验中没有明显的屈服现象，很难测出屈服强度。在这种情况下，工程上采用规定塑性延伸强度 R _p 来表征材料抗屈服的性能，即试样标距部分的伸长率达到规定的原始标距百分比时的应力。例如， R _p0.2 表示规定塑性延伸率为0.2%时的应力。该指标相当于旧国标中的 σ _0.2 。

式中 F _0.2 ——试样标距部分的塑性延伸率达到原始标距0.2%时的载荷（N）。

2.抗拉强度

试样被拉断前所能承受的最大拉应力称为抗拉强度，用符号 R _m （MPa）表示（注：旧国标用 σ _b 表示）。

式中 F _m ——试样断裂前所承受的最大载荷（N）。

抗拉强度是表示金属材料抵抗最大均匀塑性变形或断裂的能力。有些塑性较差的材料在拉伸试验中往往没有明显的屈服现象，而抗拉强度比较容易测定，因此抗拉强度也是衡量材料强度的一个重要指标。

1.1.2 塑性

金属材料在外载荷作用下出现断裂前所能承受的最大塑性变形的能力称为塑性。在断裂之前，材料的塑性变形越大，表示它的塑性越好。常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率，这两个指标也是通过拉伸试验来测定的。

1.断后伸长率

试样被拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号 A 表示（注：旧国标用 δ 表示）。

式中 L _u ——试样被拉断后的标距（mm）；

L _o ——试样的原始标距（mm）。

2.断面收缩率

试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用符号 Z 表示（注：旧国标用 Ψ 表示）。

式中 S _o ——试样的原始横截面面积（mm ² ）；

S _u ——试样断后最小横截面面积（mm ² ）。

断后伸长率与断面收缩率都是材料的重要性能指标，其数值越大，材料的塑性越好。

1.1.3 硬度

硬度是指材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的指标。由于可根据硬度值估计出金属材料近似的强度和耐磨性，因此硬度在一定程度上反映了材料的综合力学性能，应用很广。

材料的硬度是通过硬度试验来测定的。硬度试验所用设备简单，操作简便、迅速，可直接在半成品或成品上进行试验而不损坏被测件，因此常将硬度要求作为技术条件标注在零件图或写在工艺文件中。

硬度试验方法较多，常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和里氏硬度试验法。

1.布氏硬度

布氏硬度的试验原理是用一定直径 D 的硬质合金球做压头，在规定试验力 F 的作用下，压入被测金属试样表面（图1-2），保持规定的时间后卸除试验力，测量被测试样表面所形成的压痕直径 d ，用载荷与压痕球形表面积的比值作为布氏硬度值，用符号HBW表示。

式中 F ——试验力（N）；

S ——永久压痕球形表面积（mm ² ）。

布氏硬度值由硬度数值、硬度符号和试验条件（球体直径、试验力大小和保持时间）表示。例如，220 HBW 5/250表示用直径5mm的硬质合金球在2.452kN试验力下保持10～15s测定的布氏硬度值为220。硬度值越大，表示被测材料硬度越高。布氏硬度试验范围上限为650HBW。

布氏硬度试验法压痕面积较大，能反映出较大范围内材料的平均硬度，所测结果较准确、稳定，但操作不够简便。又因压痕大，故不宜测试薄件或成品件。布氏硬度主要用来测定灰铸铁、非铁金属及退火、正火和调质的钢材等。

2.洛氏硬度

洛氏硬度的试验原理是用顶角为120°的金刚石圆锥压头或直径为1.5875mm的碳化钨合金球压头，在初载荷与主载荷先后作用下，压入被测金属表面（图1-3），保持规定时间后卸除主载荷，根据残余压痕深度增量来测定金属材料的硬度。

在图1-3中，0-0位置为圆锥压头的初始位置，即压头没有与被测金属表面接触时的位置；1-1为在初载荷98.07N（10kgf）作用下，压头压入深度 h ₀ 的位置；2-2为加上主载荷后，压头再往下压入深度 h ₁ 的位置；3-3为卸除主载荷后，被测金属弹性变形恢复，使得压头向上回升 h ₂ 时的位置。洛氏硬度就是用压头受主载荷作用实际压入被测金属表面产生塑性变形的压痕深度值 h 的大小来衡量被测金属的硬度。压痕深度值 h 越大，则被测金属的硬度越低。为适应习惯上数值越大，硬度越高的概念，常用一常数 K 减去 h /0. 002作为洛氏硬度值，用符号HR表示，该值可直接从硬度计表盘上读出。

式中 K ——常数。当用金刚石圆锥作压头时， K = 100；当用碳化钨合金球作压头时， K =130。

洛氏硬度表示的方法是在符号前写出硬度值，如60HRC。常用洛氏硬度的试验条件及应用范围见表1-1。

3.维氏硬度

维氏硬度试验原理与布氏硬度试验原理相似，区别在于维氏硬度的压头是两相对面夹角为136°的正四棱锥金刚石。试验时，在规定试验力 F 作用下，压头压入试件表面，保持一定时间后卸除试验力，测量压痕两对角线长度，求其平均值，用于计算压痕表面积，如图1-4所示。维氏硬度值就是试验力 F 与该压痕表面积的比值，用符号HV表示，单位为kgf/mm ² 。

维氏硬度值不需要计算，一般是根据压痕对角线长度平均值查GB/T 4340.4—2022《金属材料 维氏硬度试验 第4部分：硬度值表》中的附表得出。维氏硬度习惯上不标单位，其表示方法为：在符号HV前面写出硬度值，HV后面依次用相应数字注明试验力和保持时间（10～15s不标）。例如640 HV 30/20，表示在30kgf试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为640。

维氏硬度试验法所用试验力小，压痕深度浅，轮廓清晰，数字准确可靠，故广泛用于测量金属镀层、薄片材料和化学热处理后的表面硬度。又因其试验力可在很大范围内选择（49.03～980.7N），所以可测量从很软到很硬的材料。但维氏硬度试验不如洛氏硬度试验简便、迅速，不适合成批生产的常规试验。

4.里氏硬度

里氏硬度是瑞士Leeb博士在1978年首次提出的一种全新硬度测量方法，其测量原理是用规定质量的冲击体在弹簧力作用下以一定速度冲击试样表面，当冲击体撞击被测表面时会使表面产生变形，这将导致动能的损耗，试样表面硬度越大，动能损耗就越小。利用电磁学原理，通过检测与速度成正比的电压，可得到冲击体距试样表面1mm处的冲击速度与回弹速度之比，从而得到里氏硬度值。

里氏硬度是用冲击体在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度之比来表示硬度值，其计算公式如下：

式中 HL——里氏硬度值；

v _A ——冲击体冲击速度（m/s）；

v _B ——冲击体回弹速度（m/s）。

里氏硬度计能即时显示出硬度测量值，且支持多种硬度制式，能在不同硬度制式间自由转换。里氏硬度计如图1-5所示。

里氏硬度测量具有以下特点：

1）里氏硬度计属于动载测试。里氏硬度检测的是冲击体冲击与反弹的速度，通过速度修正，可在任意方向上使用，使用非常简便。

2）里氏硬度计体积小、重量轻，便于现场检测。里氏硬度计的硬度传感器如同笔一般大小，无须工作台，无论是大、重型工件，还是几何形状复杂的工件，都很容易检测。而布氏、洛氏、维氏硬度计由于体积庞大，不便于在现场使用，特别是在测试大、重型工件时，这些硬度计的工作台由于容纳不下工件，因此无法检测。

3）测量范围广，可测量多种金属材料。

4）要求试样有一定的质量和厚度，不适合测试小工件。

5）里氏硬度在国际上还没有被普遍接受，迄今未被国际标准化组织采纳，试验数据在国际上还缺乏来自独立的第三方或国际组织方面的监督与复核。

5.硬度与抗拉强度的关系

硬度反映了金属材料在局部范围内对塑性变形的抵抗能力，因此材料的硬度与强度之间有一定内在联系，强度越高，塑性变形抗力就越大，硬度值也越高。根据材料的硬度值可以大致估计材料的抗拉强度，其经验公式如下：

低碳钢（<176HBW） R _m ≈3.6×HBW（MPa）

高碳钢（>175HBW） R _m ≈3.45×HBW（MPa）

合金调质钢 R _m ≈3.25×HBW（MPa）

灰铸铁 R _m ≈HBW（MPa）

1.1.4 冲击韧性

强度、塑性、硬度都是在静载荷作用下测得的力学性能指标。实际上，许多机器零件如冲床用的冲头、风动工具等，常在冲击载荷作用下工作。对于这些零件，除了需满足静载荷作用下的强度、塑性和硬度要求外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。

金属抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性，金属材料的冲击韧性可以通过冲击试验测定。摆锤式一次冲击试验是目前工程技术上应用最普遍的一种方法，它是将被测金属材料制成标准冲击试样，在专门的摆锤试验机上进行测试，如图1-6所示。试验时，将试样放在试验机的支座上，将质量为 m 的摆锤提升到高度 h ₁ ，使之获得一定的势能，然后让摆锤自由下落冲断试样，试样被冲断后，摆锤继续向前回升到高度 h ₂ 。在此过程中摆锤的势能差就是冲断试样所消耗的能量，即试样在冲击载荷一次作用下被冲断时所吸收的功，称为冲击吸收功，用 A _K （J）表示。用冲击吸收功除以试样底部横截面面积就得到冲击韧度，用符号 a _KU 或 a _KV （J/cm ² ）表示。

式中 S ——试样缺口底部横截面面积（cm ² ）。

冲击韧度越大，则材料的韧性越好；反之，则韧性越差，即脆性越大。

1.1.5 疲劳强度

许多机械零件（如发动机曲轴、连杆、齿轮、弹簧等）经常会受到大小和方向周期性变化的载荷作用，这种载荷称为交变载荷。在交变载荷的作用下，零件所承受的最大应力值虽然远小于其屈服强度，但经过多次循环后，零件在无显著的外观变形情况下却会发生断裂，这种断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂往往是突然发生的，因此具有很大的危险性，经常会造成严重事故。

实验证明，金属材料能承受的交变应力 S 与断裂前应力循环基数 N 之间的关系如图1-7所示。由图可知，当 S 低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无数次循环应力作用而不断裂，这一应力称为疲劳极限。通常用 σ _-1 表示光滑试样对称弯曲疲劳极限。

在指定寿命下使试样失效的应力水平称为疲劳强度，GB/T 10623—2008《金属材料 力学性能试验术语》规定，用 σ _N 表示 N 次循环后的疲劳强度，即在规定的应力比下使试样的寿命为 N 次循环的应力振幅值。通常交变应力越小，材料断裂前所能承受的应力循环次数就越多。工程上用的疲劳强度，是指在一定的应力循环基数作用下不发生断裂的最大应力，通常规定钢铁材料的循环基数取10 ⁷ ，非铁金属材料取10 ⁸ 。 SC1wHkTqyDMNnPgTbcYSKy+Mj6WbDUgIszGrsAf6U+MhiERuKpwCTfWAYpqyTnO/