2.2　金属材料的力学性能

为了更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握金属材料的各种性能。

2.2.1　金属材料的性能分类

金属材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两类，如图2-2所示。

图2-2　金属材料的性能分类

金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能称为金属材料的力学性能（或机械性能）。力学性能的指标包括强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度等。

2.2.2　强度与塑性

强度是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏（永久变形或断裂）的能力，是衡量金属材料力学性能的主要指标。按载荷的作用形式不同可分为拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、剪切强度、扭转强度等几种。载荷的作用形式不同，金属强度的判据不同。拉伸强度的判据应用最普遍、测试方法最简单，通常采用拉伸试验法，在拉伸试验机上进行。

1.强度判据

常用的强度判据有屈服点和抗拉强度。

1）屈服点和规定残余伸长应力。在拉伸过程中力不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为屈服点，以σ_S表示，单位为MPa。

σ_S=F_S/A₀

式中　F_S——材料屈服时的拉伸力，单位为N；

A₀——试样拉伸前d₀处横截面积，单位为mm²。

屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标。除退火或热轧的低碳钢和中碳钢等少数合金有屈服点外，大多数合金都没有屈服现象，因此提出“规定残余伸长应力”作为相应的强度指标。国家标准规定：当试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力，作为规定残余伸长应力σ_r。表示此应力的符号应附以角标说明，例如σ_r0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。

σ_r=F_r/A₀

式中　F_r——产生规定伸长时的拉力，单位为N。

2）抗拉强度。拉伸过程中最大力F_b所对应的应力称为抗拉强度，以σ_b表示。

σ_b=F_b/A₀

抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受的最大应力值，它是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。

2.塑性判据

塑性是金属材料在载荷的作用下产生塑性变形（永久变形）而不被破坏的能力。

常用的塑性判据是材料断裂时最大相对塑性变形，有拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。

1）断后伸长率。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以δ表示。

δ=（L₁-L₀）/L₀×100%

式中　L₁——试样拉断后的标距，单位为mm；

L₀——试样原始标距，单位为mm。

2）断面收缩率。试样拉断后，缩颈处横截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，以Ψ表示。

Ψ=（A₀-A₁）/A₀×100%

式中　A₀——试样原始截面积，单位为mm²；

A₁——试样断裂后缩颈处的最小横截面积，单位为mm²。

δ和Ψ越大，表示材料的塑性越好；反之，表示材料的塑性越差，脆性越大。

2.2.3 硬度

硬度是指金属材料抵抗局部变形，尤其是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量金属软硬程度的判据。

材料的硬度是通过硬度试验测得的。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，还可根据硬度值估计出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，应用很广泛。常将硬度作为技术条件标注在零件图样或写在工艺文件中。

硬度试验方法较多，生产中常用的是布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。其试验条件和应用范围分别参见GB/T 231.1—2009和GB/T 230.1—2009的规定。

2.2.4　冲击韧性及疲劳强度

冲击韧性是金属材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力。

疲劳强度是指金属材料在多次交变载荷作用下而不发生疲劳断裂的最大应力，也称为疲劳极限。当施加的交变应力是非对称循环应力时，疲劳强度用σ₀表示；当施加的交变应力是对称循环应力时，疲劳强度用σ_-1表示。