材料的性能

1.1　材料的性能

1.1.1　材料性能概述

工程材料的性能可分为使用性能和工艺性能两个方面。

1.使用性能

在正常工作条件下，材料应具备的性能。包括力学性能（机械性能）、物理性能（密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）和化学性能（耐腐蚀性、抗氧化性）等。

2.工艺性能

材料在加工制造中表现出的制造难易程度，包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能等。

在机械行业中选取材料时，一般将材料的力学性能作为主要依据。

1.1.2　材料的力学性能

材料的力学性能是指金属材料在外力（载荷）作用下所表现出来的特性，主要包括：弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

1.强度

材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。材料的强度可以由拉伸试验测定，图1-1所示为低碳钢拉伸应力 σ — 应变 ε 曲线。

图1-1　低碳钢拉伸应力σ-应变ε曲线

工程中常用的强度指标有以下几个：

（1）弹性极限 σ_e　材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力。

（2）屈服极限 σ_s　材料开始发生明显塑性变形时的应力。大部分材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服强度σ_0.2来表示，即产生0.2% 残余伸长率时的应力。

（3）抗拉强度σ_b　材料断裂前所能承受的最大应力，即材料的强度极限。

2.塑性

材料在外力作用下产生永久变形的能力称为塑性。主要指标是断后伸长率 δ 和断面收缩率 ψ。δ 和 ψ 越大，材料的塑性越好，工程上一般将 δ ＞5% 的材料称为塑性材料。

（1）伸长率 δ　材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。

（2）断面收缩率 ψ　材料在拉伸断裂后，缩颈断口处横截面积与原横截面积的百分比。

3.硬度

材料在外力作用下抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度，它是衡量材料软硬程度的性能指标。材料的硬度可以用硬度试验机测定，常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

（1）布氏硬度　布氏硬度试验采用淬硬钢球或硬质合金钢球为压头，以规定的压力压入材料表面，经过规定的载荷保持时间后卸载，测量压痕直径。通过查压痕直径与布氏硬度对照表可得出布氏硬度。布氏硬度用 HB 表示，当压头采用淬硬钢球时，记为 HBS；当压头采用硬质合金钢球时，记为 HBW。

布氏硬度测量数值稳定、准确，但操作慢，不适用批量生产和薄形件。主要用于铸铁、有色金属以及经过退火、正火和调质处理的钢等零件的硬度测量。

（2）洛氏硬度　洛氏硬度试验常采用顶角为120° 的金刚石锥体或直径为1.59mm 的淬硬钢球为压头。根据压头的种类和载荷的大小，洛氏硬度常用表示方法见表1-1。

表1-1　　　　　　洛氏硬度分类

洛氏硬度测量操作简便，压痕小，可用于成品和薄形件。主要用于淬火钢，调质钢等。

（3）维氏硬度　维氏硬度试验常采用顶角为136° 的金刚石正四棱锥体为压头，且所加压力较小。可测量从极软到极硬的各种金属材料，也可测量薄形件，还可测量渗碳、渗氮层的硬度。

4. 冲击韧度 a_k

材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧度。国际标准规定，用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的夏氏冲击试样（10×10×55mm，带2mm 深的 V 形缺口）进行一次性打击，摆锤冲断试样所做的功称为冲击吸收功，用 A_k值表示，单位为 J（焦耳）。试样断口处单位横截面积上所消耗的冲击功记为冲击韧度，用 a_k表示，单位为 J/m²。

材料的韧度通常随着加载速度的提高、温度的降低、应力程度的加剧而下降。冲击韧度对材料内部的缺陷很敏感，可用于鉴定材料的冶金质量、热处理质量等。