1.2　工程材料的性能

1.2.1　工程材料的力学性能

工程材料的力学性能又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出来的性能。力学性能对工程材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响。材料的主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。

1.强度和塑性

金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定出来的。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。试验之前，先将被测金属材料制成如图1.2.1所示的标准试样，图中d0为试样直径，l0为测定塑性用的标距长度。试验时，在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷，使试样承受轴向静拉力。随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断。在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷F和伸长量Δl，并给出拉伸曲线。

如图1.2.2所示为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，在开始的Oe阶段，载荷F与伸长量Δl为线性关系，并且，去除载荷，试样将恢复到原始长度。在此阶段试样的变形称为弹性变形。载荷超过Fe之后，试样除发生弹性变形外还将发生塑性变形。此时，载荷去除后试样不能恢复到原始长度，这是由于其中的塑性变形已不能恢复，形成了永久变形的缘故。在载荷增大到Fs之后，拉伸图上出现了水平线段，这表示载荷虽未增加，但试样继续发生塑性变形而伸长，这种现象称为“屈服”，s点称为屈服点。当载荷超过Fb以后，试样上某部分开始变细，出现了“缩颈”，由于其截面缩小，使继续变形所需载荷下降。载荷到达Fk时，试样在缩颈处断裂。为使曲线能够直接反映出材料的力学性能，可用应力σ（试样单位横截面上的拉力）代替载荷F，以应变ε（试样单位长度上的伸长量）取代伸长量Δl。由此绘成的曲线，称为应力应变曲线。σ-ε曲线和F-Δl曲线形状相同，仅是坐标的含义不同。

（1）强度　强度是材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种判据，工程上以屈服强度和抗拉强度最为常用。

①屈服强度　是指拉伸试样产生屈服现象时的应力，以σ表示。它可按下式计算

式中　Fs——试样发生屈服时所承受的最大载荷，N；

A0——试样原始截面积，mm2。

对于许多没有明显屈服现象的金属材料，工程上规定以试样产生0.2％塑性变形时的应力作为该材料的屈服点，此时的屈服强度用σ0.2表示。

②抗拉强度　指金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以σb表示。它可按下式计算

式中　Fb——试样在拉断前所承受的最大载荷，N；

A0——试样原始截面积，mm2。

屈服强度σ和抗拉强度σb在选择、评定金属材料及设计机械零件时具有重要意义。由于机器零件或构件工作时，通常不允许发生塑性变形，因此多以σ作为强度设计的依据。对于脆性材料，因断裂前基本不发生塑性变形，故无屈服点可言，在计算强度时，则以σ为依据。

（2）塑性　塑性是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，通常以伸长率δ来表示

式中　l0——试样原始标距长度，mm；

l1——试样拉断后的标距长度，mm。

必须指出，伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定，以便进行比较。

金属材料的塑性也可用断面收缩率ф表示

δ和ф值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件，而且在使用时万一超载，由于产生塑性变形的原因，能够避免突然断裂。

2.硬度

金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力，称为硬度。硬度是衡量金属软硬程度的判据。硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性，因为机械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都应具有足够高的硬度，才能保证其使用性能和寿命。若所加工的金属坯料的硬度过高，则给切削加工带来困难。显然，硬度也是重要的力学性能指标，应用十分广泛。金属材料的硬度是在硬度计上测定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有时还采用维氏硬度法。

（1）布氏硬度（HB）　布氏硬度的测试原理如图1.2.3所示。以直径为D的淬火钢球或硬质合金球为压头，在载荷F的静压力下，将压头压入被测材料的表面［见图1.2.3（a）］，停留若干秒后，卸去载荷［见图1.2.3（b）］。然后，采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d，并依据d的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值。

布氏硬度计的压头直径有10mm、5mm、2.5mm三种，而载荷有30000N、7500N、1870N等数种，供不同材料和不同厚度试样测试时选用。布氏硬度法因压痕面积较大，其硬度值比较稳定，故测试数据重复性好，准确度较洛氏硬度法高。缺点是测量费时，且因压痕较大，不适于成品检验。由于测试过硬的材料可导致钢球的变形，因此布氏硬度通常用于HB值小于450的材料，如灰铸铁、非铁合金及较软的钢材。

必须看到，新型布氏硬度计设计有硬质合金球压头，从而可用于测试淬火钢等较硬金属的硬度，使布氏硬度法的适用范围扩大。

为了区别不同压头测出的硬度值，将钢球压头测出的硬度值标以符号HBS，而将硬质合金球压头测出的硬度值标以HBW。

（2）洛氏硬度（HR）　洛氏硬度的测试原理是以顶角为120°的金刚石圆锥体为压头，在规定的载荷下，垂直地压入被测金属表面，卸载后依据压入深度h，由刻度盘上的指针直接指示出HR值（见图1.2.4）。

为便于洛氏硬度计能够测试从软到硬各种材料的硬度，其压头及载荷可以变更，而刻度盘上也有三个不同的硬度标尺。

洛氏硬度测试简单、迅速，因压痕小，可用于成品检验。它的缺点是测得的硬度值重复性较差，这对存有偏析或组织不均匀的被测金属尤为明显，为此，必须在不同部位测量数次。

硬度试验设备简单，测试迅速，不损坏被测零件。同时，硬度和强度间有一定换算关系（可参阅有关手册），故在零件图的技术条件中，通常标注出硬度要求。

3.韧性

金属材料断裂前吸收的变形能量称为韧性。韧性的常用指标为冲击韧度。冲击韧度通常采用摆锤式冲击试验机测定。测定时，一般是将带缺口的标准冲击试样（参见GB/T 229—94）放在试验机上，然后用摆锤将其一次冲断，并以试样缺口处单位截面积上所吸收的冲击功表示其冲击韧度，即

式中　ak——冲击韧度（冲击值）；

Ak——冲断试样所消耗的冲击功，J；

A——试样缺口处的截面积，cm2。

对于脆性材料（如铸铁、淬火钢等）的冲击试验，试样一般不开缺口，因为开缺口的试样冲击值过低，难以比较不同材料冲击性能的差异。

冲击值的大小与很多因素有关。它不仅受试样形状、表面粗糙度、内部组织影响，还与试验时的环境温度有关。因此，冲击值一般作为选择材料的参考，不直接用于强度计算。必须指出，承受冲击载荷的机器零件，很少是在大能量下一次冲击而破坏的，而大多是受到小能量多次重复冲击而破坏的，如连杆、曲轴、齿轮等。因此，在大能量、一次冲断条件下来测定冲击韧度，虽然方法简便，但对大多数在工作中承受小能量重复冲击的机件来说就不一定适合。不过试验研究表明：在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度，而不要求过高的冲击韧度。例如，用球墨铸铁制造的曲轴，只要强度足够，其冲击韧度达到8～15J/cm2时，就能获得满意的使用性能。

还须指出，冲击值对组织缺陷很敏感，它能反映出材料品质、宏观缺陷和显微组织等方面的变化，因此，冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。

4.疲劳强度

机械上的许多零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等是在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳载荷）的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时，其应力往往大大低于该材料的强度极限，这种断裂称为疲劳断裂。

金属材料所承受的疲劳应力（σ）与其断裂前的应力循环次数（N），具有如图1.2.5所示的疲劳曲线关系。在应力下降到某值之后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度，亦即金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。当应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号σ-1表示。

由于实际测试时不可能做到无数次应力循环，故规定各种金属材料应有一定的应力循环基数。如钢材以107为基数，即钢材的应力循环次数达到107仍不发生疲劳断裂，就认为不会再发生疲劳断裂了。对于非铁合金和某些超高强度钢，则常以107为基数。产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于材料含有杂质、表面划痕及其他能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。

为了提高零件的疲劳强度，除应改善其结构形状、减少应力集中外，还可采取表面强化的方法，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。同时，应控制材料的内部质量，避免气孔、夹杂等缺陷。

1.2.2　材料的物理、化学性能

材料的物理性能主要有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。由于机器零件的用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。例如，飞机零件常选用密度小的铝、镁、钛合金来制造；设计电机、电器零件时，常要考虑金属材料的导电性等。

材料的化学性能主要是指在常温或高温时，抵抗各种介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。对于在腐蚀介质中或在高温下工作的机器零件，由于比在空气中或室温时遇到的腐蚀更为强烈，故在设计这类零件时应特别注意金属材料的化学性能，并采用化学稳定性良好的合金。如化工设备、医疗用具等常采用不锈钢来制造，而内燃机排气阀和电站设备的一些零件则常选用耐热钢来制造。

材料的品种繁多，又具有不同的性能，工程实际中往往根据材料的用途、零件的工作条件和失效分析出发选取材料的某些性能作为使用的依据。其中材料的物理化学性能是材料被选用的重要依据。

1.密度

密度是指材料单位体积的质量。材料的密度直接关系到产品的总质量和效能。对于航空、交通等工业产品往往要求质轻、强度高的材料，如钛合金在航空、航天工业上，铅合金和高分子材料及复合材料在交通工业上都得到了广泛的应用。

2.熔点

熔点是指材料的融化温度。金属都有固定的熔点，这取决于它的化学成分，对于金属与合金的冶炼、铸造和焊接等都要利用这个性能。熔点低的金属称易熔金属（如Sn、Pb等），可用来生产保险丝、焊丝等。熔点高的金属称难熔金属或耐热金属（如W、Mo等），可用来生产高温零件如燃气轮机转子等。陶瓷的熔点一般都高于常规的金属和合金的熔点，加上其具有良好的绝缘性，所以在一些要求高温绝缘的机件中一直得到很好的应用，如用于制造汽车火花塞、高压开关等。

3.热膨胀性

热膨胀性是材料受热后的体积膨胀，通常用热膨胀系数表示。对精密仪器或机器的零件，特别是高精度配合零件，热膨胀系数就是其在使用中的一个尤为重要的性能参数。如发动机活塞与缸套的材料就要求两种材料的膨胀量尽可能接近，否则将影响密封性。一般情况下，陶瓷材料的热膨胀系数较低，金属次之，而高分子材料最大。工程上有时也利用不同材料的膨胀系数的差异制造一些控制部件，如电热式仪表的双金属片等。

4.导电性

材料传导电流的能力称为导电性，一般用电阻率表示。金属一般都具有良好的导电性，Ag的导电性最好，Cu和Al次之。由于价格因素，导线主要用Cu或Al制作。合金的导电性一般比纯金属差，所以用NiCr合金、FeMnAl合金等制作电阻丝。导电性与环境的温度也有关系。一般情况下金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料的电阻率则随温度升高而变小。高分子材料一般都是绝缘体，但有的高分子复合材料也具有良好的导电性，正像陶瓷材料一样，一般都是良好的绝缘体，但有些特殊成分的陶瓷却是具有一定导电性的半导体。

5.导热性

材料热传导的能力称导热性，一般用热导率表示。材料的热导率大，说明导热性好。金属中导热性以Ag最好，Cu和Al次之。纯金属的导热性比合金好，而合金又比非金属好。

导热性对制订金属热加工工艺很重要。在材料加热和冷却过程中，由于表面与内部产生较大温差，极易产生内应力，甚至变形和开裂。导热性好的材料散热性也好，利用这个性能可制作热交换器、散热器等器件。相反利用导热性较差的材料可制作保温部件。

6.磁性

材料能导磁的性能叫磁性。磁性材料可分软磁材料和硬磁材料。软磁材料容易磁化，导磁性良好，但当外磁场去掉后，磁性基本消失，如硅钢片等；硬磁材料具有外磁场去掉后，保持磁场，磁性不易消失的特点，如稀土钴等。许多金属都具有较好的磁性，如Fe、Ni、Co等，利用这些磁性材料，可制作磁芯、磁头和磁带等电器元件。也有许多金属是无磁性的，如Al、Cu等。非金属材料一般无磁性。

7.光电性能

材料对光的辐射、吸收、透射、反射和折射以及荧光性等都属于光电性能。金属对光具有不透明性和高反射率，而陶瓷材料、高分子材料反射率均较小。某些材料通过激活剂引发荧光性，可制作荧光灯、显示管等。玻璃纤维作为光通信的传输介质。利用材料的光电性能制作一些光电器元件的前景十分广阔。

8.抗腐蚀性

材料对周围介质（如水汽、大气）及各种电解液的侵蚀的抵抗能力叫抗腐蚀性。研究抗腐蚀性对金属的使用和维护意义重大。

金属的腐蚀性可分化学腐蚀和电化学腐蚀两类。化学腐蚀是指金属与周围介质接触时单纯由化学作用而引起的腐蚀，多发生在干燥气体或非导电的流体场合中，在金属表面上形成某种化合物，从而使金属表面因腐蚀而损坏。电化学腐蚀是金属和电解质溶液构成原电池而引起的腐蚀，大多数的腐蚀过程属于此类，所以电化学腐蚀危害更大。

金属材料在高温条件下的抗蚀性可用高温抗氧化性来表述。由于机件工作温度越高，氧化损耗就越严重，而材料在高温条件下迅速氧化，在表面形成一层连续、致密并与基体结合牢固的氧化膜，从而阻止材料的进一步氧化。许多材料，如Al、Cr等都具有这种防护功能。

9.耐磨性

耐磨性是指材料表面在工作中承受磨损的能力。因为磨损分为磨料磨损、黏着磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损和腐蚀磨损等多种类型，所以材料的耐磨性与材料的硬度、热稳定性、表面摩擦因数、表面粗糙度以及工作时两摩擦表面的相对运动速度、载荷性质和润滑状况等多种因素有关。耐磨性是材料表面性质和工作条件的综合体现，许多零件往往是由于磨损失效而丧失了工作能力的。

金属材料的物理性能有时对加工工艺也有一定的影响。例如，高速钢的导热性较差，锻造时应采用较低的速度来加热升温，否则容易产生裂纹；而材料的导热性对切削刀具的温升有重大影响。又如，锡基轴承合金、铸铁和铸钢的熔点不同，故所选的熔炼设备、铸型材料等均有很大的不同。

1.2.3　材料的工艺性能

材料的工艺性能是指在制造机件的过程中采用某种加工方法制成成品的难易程度，是材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映。按工艺方法的不同，可分为铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能以及切削加工性能等。材料工艺性能的好坏，会直接影响到制造零件的工艺方法、质量以及制造成本。

1.铸造性能

铸造性能是指浇注铸件时，金属及合金易于成形并获得优质铸件的性能。流动性好、收缩率小、偏析倾向小是表示铸造性能好的指标。在常用的金属材料中，灰铸铁与锡青铜的铸造性较好，可浇铸较薄、结构较复杂的铸件。工程塑料在一些成形工艺方法中也要求有好的流动性和小的收缩率。

2.锻造性能

锻造性能一般用材料的可锻性来衡量。可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性包括材料的塑性及变形抗力两个方面。塑性好或变形抗力小，锻压所需外力小，则可锻性好。一般钢的可锻性良好，而铸铁则不能进行压力加工。热塑性塑料可经挤压和压塑成形，这与金属挤压和模压成形相似。

3.焊接性能

焊接性能一般用材料的可焊性来衡量。可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能。可焊性好坏一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。可焊性好的材料可用一般的焊接方法和工艺，焊时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。低碳钢具有优良的可焊性，而高碳钢、铸铁和铝合金的可焊性就较差。

4.切削加工性能

切削加工性能是指材料在切削加工时的难易程度。它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。切削加工性好的材料切削容易，刀具寿命长，易于断屑，加工出的表面也比较光洁。从材料种类看，铸铁、铜合金、铝合金及一般碳钢的切削加工性能较好。

在设计零件和选择工艺方法时，都要考虑金属材料的工艺性能。例如，灰铸铁的铸造性能优良，是其广泛用来制造铸件的重要原因，但它的可锻性极差，不能进行锻造，其焊接性也较差。又如，低碳钢的焊接性优良，而高碳钢则很差，因此焊接结构广泛采用低碳钢。