1.2　材料的性能

工程材料的性能分为使用性能和工艺性能。使用性能是指在服役条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能（机械性能）、物理性能、化学性能等。工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围和寿命。对绝大多数工程材料来说，其力学性能是最重要的使用性能。工艺性能是指材料的可加工性，包括锻造性能、铸造性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。

1.2.1　材料的力学性能

（1）静载时材料的力学性能

静载是指对试样缓慢加载。最常用的静载试验有拉伸、压缩、硬度、弯曲、扭转试验等。利用这些试验方法，可以测得材料的各种力学性能指标。

1）弹性和刚度

材料受外力作用时产生变形，当外力去除后能恢复其原来形状的能力称为弹性。衡量材料抵抗弹性变形能力的力学性能指标为弹性模量E，E值可用拉伸试验方法进行测定。

拉伸试验是将被测材料按GB/T 228—2010要求制成标准拉伸试样，在拉伸试验机上缓慢地从试样两端由零开始加载，使之承受轴向拉力P，并引起试样沿轴向伸长ΔL（ΔL=L₁-L₀），直至试样断裂为止。

为消除试样尺寸大小的影响，将拉力P除以试样原始横截面积F₀，得到拉应力σ（MPa）；将伸长量ΔL除以试样原始长度L₀，得到应变ε。以σ为纵坐标，ε为横坐标，则可画出应力-应变曲线（σ-ε曲线），如图1-2所示。从σ-ε曲线中可获取被测材料的一些性能信息，如弹性、强度、塑性等。

应力-应变曲线中的OP段为直线。在这一段的加载过程中若中途卸除载荷，则试样将恢复原状，这种不产生永久变形的能力称为弹性。应力-应变曲线中直线部分的斜率E称为弹性模量，其单位为MPa。弹性模量E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用来表示材料的刚度。其值愈大，材料产生一定量的弹性变形所需的应力愈大，表明材料愈不易产生弹性变形，即材料的刚度愈大。E值仅与材料有关，一些处理方法（如热处理、合金化、冷热加工等）对它的影响很小。材料在使用中，如刚度不足，则会由于发生过大的弹性变形而失效。应力-应变曲线中E点为试样不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限，以σ_e表示。常见材料的弹性模量E值如表1-1所示。

2）强度

①屈服强度。如图1-2所示，当载荷增加到S点时曲线转为一水平段，即应力不增加而变形继续增加，这种现象称为“屈服”。此时若卸载，则试样不能恢复原状而是保留一部分残余的变形，这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。试样产生屈服时的应力称为屈服强度（屈服点），以σ_s表示。

没有明显屈服现象的材料，国家标准规定用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ_0.2表示。

机械零件在工作状态下一般不允许产生明显的塑性变形，因此σ_s或σ_0.2是机械零件设计和选材的主要依据，也是衡量金属材料承载能力大小的重要力学性能指标。

②抗拉强度。应力超过屈服点时，整个试样将发生均匀而显著的塑性变形。当达到B点时，试样开始局部变细，出现“颈缩”现象。此后由于试样截面积显著减小而不足以抵抗外力的作用，在K点发生断裂。断裂前的最大应力称为抗拉强度，以σ_b表示。它反映了材料产生最大均匀变形的抗力。

屈服强度与抗拉强度的比值σ_s/σ_b称为屈强比，其值越大，越能发挥材料的潜力，减小结构的自重；其值越小，零件工作时的可靠性越高；其值太小，材料强度的有效利用率会降低。因此，屈强比一般取0.65～0.75。

3）塑性

材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。常用的性能指标有断后伸长率δ和断面收缩率ψ，可在拉伸试验中，通过把试样拉断后将其对接起来进行测量得到。

断后伸长率δ：

断面收缩率ψ：

式中　L₀——试样原始标距长度，mm；

       L₁——试样拉断后对接的标距长度，mm；

       S₀——试样原始横截面积，mm²；

       S₁——试样拉断后缩颈处的最小横截面积，mm²。

δ、ψ愈大，材料塑性愈好。一方面，金属材料应具有一定的塑性才能进行各种变形加工；另一方面，材料具有一定塑性，可以提高零件使用的可靠性，防止突然断裂。由于断后伸长率与试样尺寸有关，因此，比较断后伸长率时要注意试样规格的统一。

材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量称为材料的韧性，即拉伸曲线与横坐标轴所包围区域的面积。

4）硬度

材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力称为硬度。硬度反映了材料抵抗局部塑性变形的能力，是检验毛坯、成品件、热处理件的重要性能指标。

一般地讲，硬度越高，越有利于耐磨性的提高。生产中常用硬度值来估测材料耐磨性的好坏。测试硬度的试验方法有多种，但基本上可分为压入法和刻划法两大类，其中压入法较为常用。常用的压入法测量硬度的指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

①布氏硬度。布氏硬度试验原理如图1-3所示。用一定载荷F将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，此时被测表面将出现直径为d的压痕。在读数显微镜下测量压痕直径，并根据所测直径查表，得到硬度值。显然，材料愈软，压痕直径愈大，布氏硬度值愈低；反之，布氏硬度值愈高。

压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于测量退火、正火、调质钢及铸铁、非铁合金等布氏硬度小于450的软金属；压头为硬质合金球时，用HBW表示，适用于测量布氏硬度值在650以下的材料。标注布氏硬度值时，代表其布氏硬度值的数字置于HBS（或HBW）前面。布氏法的优点是测定结果较准确；缺点是压痕大，不适于成品检验。目前布氏硬度一般均以钢球为压头，主要用于测量较软的金属材料。

实践证明，金属材料的硬度与强度之间具有近似的对应关系。因为硬度是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。工程上，材料的σ_b与布氏硬度之间的经验关系为：

低碳钢：σ_b（MPa）≈3.53HBS

高碳钢：σ_b（MPa）≈3.33HBS

合金调质钢：σ_b（MPa）≈3.19HBS

灰铸铁：σ_b（MPa）≈0.98HBS

退火铝合金：σ_b（MPa）≈4.70HBS

②洛氏硬度。洛氏硬度的测试原理如图1-4所示，它是以顶角为120°的金刚石圆锥体（见图1-4）或直径1.588mm的淬火钢球作为压头，以一定的压力压入材料表面，通过测量压痕深度来确定其硬度的。被测材料硬度可直接由硬度计的刻度盘读出。压痕愈深，材料愈软，洛氏硬度值愈低。根据所加载荷和压头的不同，洛氏硬度有三种标尺，分别以HRA、HRB、HRC表示，洛氏硬度符号、试验条件和应用如表1-2所示。

以上三种洛氏硬度中，以HRC标尺应用得最多，一般经淬火处理的钢或工具都用HRC标尺测量。在中等硬度情况下，洛氏硬度HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1∶10，如40HRC相当于400HBS左右。

③维氏硬度。维氏硬度的测量原理为：采用锥面夹角为136°的金刚石正四棱锥体，将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验压力，测量压痕对角线平均长度d，根据d值查维氏硬度表即可求出维氏硬度值，如图1-5所示。维氏硬度用HV表示，单位为MPa，一般不予标出。

维氏硬度试验载荷小，压痕深度浅，可用于测量较薄材料、金属镀层、渗氮、渗碳层的硬度。此外，因其压头是金刚石角锥，载荷可调范围大，故对软、硬材料均适用，测定范围为10～1000HV。但其硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，工作效率比洛氏硬度低。

上述各种硬度测量法相互之间没有理论换算关系，因此，各硬度试验法测得的硬度值不能直接进行比较，必须通过硬度换算表换算成同一种硬度值后，方可比较其大小。

（2）动载时材料的力学性能

1）冲击韧性

在生产实践中，许多机械零件和工具均会处于冲击载荷下工作，如锻锤锤杆、冲床冲头、飞机起落架、汽车齿轮等。由于冲击载荷的加载速度大，作用时间短，机件常常因局部载荷过大而产生变形和断裂。因此，对于承受冲击载荷的机件，仅具有高强度是不够的，还必须具备足够的抵抗冲击载荷的能力。

金属材料在冲击载荷下抵抗破坏的能力称为冲击韧性。冲击韧性一般是以在冲击力作用下材料被破坏时单位面积所吸收的能量来表示的。测定冲击韧性常用的方法是，用一个带有V形或U形刻槽的标准试样，在一次摆锤式弯曲冲击试验机上弯曲折断，测定其所消耗的能量，如图1-6所示。

试验时，把试样2放在试验机的两个支承3上，试样缺口背向摆锤冲击方向，将重量为W（N）的摆锤1放至一定高度H（m），释放摆锤，并测量出击断试样后向另一方向升起的高度h（m）。根据摆锤重量和冲击前后摆锤的高度差，由刻度盘直接读出击断试样所消耗的冲击功A_k。冲击韧性值a_k的计算公式为：

a_k=A_k/F　（J/cm²）

式中　A_k——冲击吸收功，J；

       F——试样缺口处横截面积，cm²。

冲击韧性值越高，材料韧性越好。在实际工作中，零件的破坏是多次能量冲击所致。试验表明：材料的多次冲击抗力由强度和塑性综合决定，冲击能量小时，取决于材料的强度；冲击能量大时，取决于材料的塑性。此外，材料的韧性还和温度有关，脆性转变温度越低的材料，低温下承受冲击的能力越强。

2）疲劳强度

许多机械零件（如齿轮、轴、弹簧等）是在重复或交变应力的作用下工作的，如图1-7所示。承受重复或交变应力的零件，工作中往往会在工作应力低于其屈服点的情况下发生断裂，这种断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同。无论是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，没有明显的塑性变形，很难事先观察到，具有很大的危险性。据统计，在机械零件失效中60%～70%属于疲劳破坏，因此，设计时应充分考虑材料的疲劳断裂。

疲劳破坏是一个裂纹发生和发展的过程。由于材料质量和加工过程中存在缺陷，在零件局部区域造成应力集中，在重复或交变应力的反复作用下就会产生疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使材料承受载荷的有效面积不断减小，当减小到不能承受外加载荷作用时，就产生瞬时断裂。

大量试验表明，金属材料所受的最大交变应力越大，断裂前所受的循环次数N（定义为疲劳寿命）就越少。这种交变应力与疲劳寿命N的关系曲线称为疲劳曲线或σ-N曲线，如图1-8所示。

一般钢铁材料的σ-N曲线如图1-8所示。从曲线上可以看出，循环应力σ越低，则断裂前的循环次数N越多。当应力降到某一定值后，曲线趋于水平，这说明当应力低于此值时，材料可经无限次应力循环而不断裂。试样不发生断裂的最大循环应力值称为疲劳强度，用σ_-1表示。实际上不可能做无限多次交变载荷试验，一般钢铁材料取循环次数为10⁷次时能承受的最大循环应力为疲劳强度。

不存在疲劳极限的材料，如非铁金属、高强度钢及在腐蚀介质作用下的钢铁材料，以断裂前所规定的循环次数N时所能承受的最大应力为疲劳强度，称为条件疲劳强度，用σ_N表示。一般规定：非铁金属的N取10⁶次；腐蚀介质作用下钢铁材料的N取10⁸次。

金属的疲劳强度与抗拉强度之间存在近似的比例关系：

碳素钢：σ_-1≈（0.4～0.55）σ_b。

灰铸铁：σ_-1≈0.4σ_b。

非铁金属：σ_-1≈（0.3～0.4）σ_b。

（3）高、低温性能

1）高温性能

蠕变，是指金属材料在恒温、恒载荷的长期作用下缓慢地产生塑性变形的现象。任何温度下金属材料都可能产生蠕变，但低温时并不明显，因此可以忽略不计；当约比温度>0.3时，蠕变效应将比较明显。时间是影响金属材料高温蠕变特性的另一重要因素。

在常温下，基本可以忽略时间对金属材料蠕变特性产生的影响，但随着温度的升高，时间效应对蠕变特性的影响就逐渐显现出来了。蠕变的一般规律是，温度越高，工作应力越大，则蠕变的发展越快，产生断裂的时间就越短。因此在高温下使用的金属材料，应具有足够的抗蠕变能力，如在高压蒸汽锅炉、汽轮机、化工炼油设备及航空发动机中的机件。工程塑料在室温下受到应力作用就可能发生蠕变，这在应用塑料受力件时应予以注意。

蠕变的另一种不良结果是导致应力松弛。所谓应力松弛是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量应保持不变，但随时间的延长发生蠕变后，就会发生工作应力自行逐渐衰减现象。如高温紧固件，当出现应力松弛时，将会使紧固失效。

高温下，金属的强度可用蠕变强度和持久强度来表示。蠕变强度是指金属在一定温度下、一定时间内产生一定变形量所能承受的最大应力，例如，表示在600℃下、1000h内，引起0.1%变形量所能承受的最大应力值为88MPa。而持久强度是指金属在一定温度下、一定时间内所能承受的最大断裂应力。例如=186MPa，表示工作温度为800℃、约100h所能承受的最大断裂应力为186MPa。

2）低温性能

温度是影响金属材料和工程结构断裂方式的重要因素之一。许多断裂事故发生在低温条件下，这是由于温度对工程上广泛使用的低中强度结构钢和铸铁的性能影响很大，随着温度的降低，钢的屈服强度增加、韧性降低。体心立方金属存在脆性转变温度，而面心立方金属，如铝等，没有明显的低温脆性。

通过在不同温度下对材料进行一系列冲击试验，可得到材料的冲击韧性与温度的关系曲线，如图1-9所示。图1-9所示为两种钢材的温度-冲击功关系曲线。由图1-9可知，材料的冲击功A_k随温度下降而减小。当温度降到某一值时，A_k值会急剧减小使材料呈脆性状态。材料由韧性状态变为脆性状态的温度T_k称为冷脆转化温度。材料的T_k低，表明其低温韧性好，图1-9中虚线所表示的钢材的T_k低于实线所表示的钢材的T'_k，故前者低温韧性好。低温韧性对于在低温条件下使用的材料很重要。

1.2.2　材料的物理性能

物理性能是指材料的密度、熔点、热膨胀性、磁性、导电性与导热性等。

（1）密度

材料的密度是指单位体积中材料的质量。一般将密度小于5000kg/m³的金属称为轻金属，密度大于5000kg/m³的金属称为重金属。抗拉强度σ_b与密度ρ之比称为比强度；弹性模量E与密度ρ之比称为比弹性模量。比强度和比弹性模量也是衡量零件材料性能的重要指标。密度大的材料将增加零件的重量，降低零件单位重量的强度，即降低比强度。一般航空、航天等领域都要求材料具有高的比强度和比弹性模量。

（2）熔点

熔点是指材料开始熔化的温度。金属都有固定的熔点，合金的熔点取决于它的化学成分，是金属与合金的冶炼、铸造和焊接等重要的工艺参数。熔点高的金属称为难熔金属（如W、Mo、V等），可以用来制造耐高温零件，在燃气轮机、航空、航天等领域有广泛的应用。熔点低的金属称为易熔金属（如Sn、Pb等），可以用来制造熔丝、防火安全阀等零件。陶瓷的熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，而高分子材料一般不是完全晶体，没有固定的熔点。

（3）热膨胀性

材料的热膨胀性通常用热膨胀系数表征。陶瓷的热膨胀系数最低，金属次之，高分子材料最高。对于精密仪器或机器零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标。在异种金属焊接中，常因材料的热膨胀性相差过大而使焊件变形或破坏。

（4）磁性

材料能导磁的性能叫作磁性。磁性材料可分为软磁性材料和硬磁性材料，前者是指容易磁化，导磁性良好，但外磁场去掉后，磁性基本消失的磁性材料（如电工用纯铁、硅钢片等）。后者是指去磁后仍保持磁场，磁性不易消失的磁性材料（如淬火的钴钢、稀土钴等）。许多金属（如Fe、Ni、Co等）均具有较高的磁性，但也有不少金属（如Al、Cu、Pb等）是无磁性的。非金属材料一般无磁性。

（5）导热性

材料的导热性用热导率（也称导热系数）λ来表征。材料的热导率越大，导热性越好。一般来说，金属越纯，其导热能力越大。金属及合金的热导率远高于非金属材料。

导热性好的材料其散热性也好，可用来制造热交换器等传热设备的零、部件。而导热性差的材料如高合金钢，在锻造或热处理时，加热和冷却速度过快会引起零件表面与内部大的温差，产生不同的膨胀，形成过大的热应力，引起材料发生变形或开裂。

（6）导电性

材料的导电性一般用电阻率表征。通常金属的电阻率随温度升高而增加，非金属材料则与此相反。金属一般具有良好的导电性。导电性与导热性一样，是随合金成分的复杂化而降低的，因而纯金属的导电性总比合金要好。高分子材料都是绝缘体，但有的高分子复合材料也有良好的导电性。陶瓷材料虽然也是良好的绝缘体，但某些特殊成分的陶瓷却是有一定导电性的半导体。

常用金属的物理性能如表1-3所示。

1.2.3　材料的化学性能

化学性能是指材料在室温或高温时抵抗各种介质化学侵蚀的能力，主要有耐腐蚀性和抗氧化性。

（1）耐腐蚀性

材料抵抗各种介质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。一般来说，非金属材料的耐腐蚀性远高于金属材料。在金属材料中，碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差，不锈钢、铝合金、铜合金、钛及其合金的耐腐蚀性较好。在食品、制药、化工工业中不锈钢是重要的应用材料。

（2）抗氧化性

金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。加入Cr、Si等合金元素，可提高钢的抗氧化性。如合金钢4Cr9Si2中含有质量分数为9%的Cr和质量分数为2%的Si，可在高温下使用，制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。

材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。在高温条件下工作的设备，如锅炉、汽轮机、喷气发动机等部件和零件应选择热稳定性好的材料来制造。

1.2.4　材料的工艺性能

任何零件都是由不同的工程材料通过一定的加工工艺制造出来的，材料的工艺性能将直接影响到零件的加工质量和费用。工艺性能是指材料在成形过程中实施冷、热加工的难易程度，主要包含以下内容：

（1）铸造性能

铸造性能是指材料在铸造生产工艺过程中所表现出来的性能，它包含流动性、收缩性。合金中，铸造铝合金、铸造铜合金的铸造性能优于铸铁和铸钢，而铸铁优于铸钢。在铸铁中以灰铸铁的铸造性能为最好。

（2）压力加工性能

压力加工性能是指材料的塑性和变形抗力，包括锻造性能、冷冲压性能等。塑性好，则易成形，加工面质量优良，不易产生裂纹；变形抗力小，则变形比较容易，变形功小，金属易于充满模腔，不易产生缺陷。一般低碳钢的压力加工性能比高碳钢好，非合金钢的压力加工性能比合金钢好。

（3）焊接性能

焊接性能指材料对焊接成形的适应性，即在一定焊接工艺条件下材料获得优质焊接接头的难易程度。它包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向，焊缝脆性、裂纹、气孔及其他缺陷倾向等。通常低碳钢和低合金钢具有良好的焊接性能，碳与合金元素含量越高，焊接性能越差。

（4）切削加工性能

切削加工性能指材料接受切削加工而成为合格工件的难易程度，通常用切削抗力大小、零件表面粗糙度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等来综合衡量其性能好坏。一般地，材料硬度值在170～230HBW范围内，切削加工性能好。

（5）热处理工艺性能

热处理工艺性能指材料对热处理工艺的适应性，常用材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等来评定。一般地，碳钢的淬透性差、强度较低、加热时易过热、淬火时易变形开裂，而合金钢的淬透性优于碳钢。

（6）黏结固化性能

高分子材料、陶瓷材料、复合材料及粉末冶金材料，大多数由黏合剂在一定条件下将各组分黏结固化而成。因此，这些材料应注意在成形过程中，各组分之间的黏结固化倾向，才能保证顺利成形及成形质量。