1.1金屬材料力學性能的主要指標1.1.11.1.2強度、剛度與塑性

硬度

1.2常用力學性能指標在選材中的意義

第1章金屬材料的力學性能1.1.3沖擊韌性1.1.4疲勞強度1.1.5金屬材料的斷裂韌度1.2.11.2.2剛度與彈性

硬度和強度1.2.3塑性和沖擊韌性1.2.4斷裂韌度1.2.5材料強度、塑性與韌性的合理配合11.1金屬材料力學性能的主要指標1.1.11.1.2強度、剛1本章重點內容學習目的1.金屬材料常用的力學性能指標及意義1.掌握力學性能指標及意義2.了解拉伸實驗過程及相關指標概念和意義。3.了解各種硬度實驗測試方法和應用范圍。4.了解沖擊實驗方法和所測指標的意義。2本章重點內容學習目的1.金屬材料常用1.掌握力學性能指標及2

金屬材料的性能是指用來表征材料在給定外界條件下的行為參量，包括使用性能和工藝性能。第1章3第1章金屬材料的力學性能

使用性能：是指金屬材料在使用條件下所表現出來的性能。工藝性能：是指制造工藝過程中材料適應加工的性能如：鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性熱處理工藝性

如：力學性能、物理性能、化學性能金屬材料的性能是指用來表征材料在給定外界條第3

第1章41.1金屬材料力學性能的主要指標

由于多數機械零件是在常溫、常壓、非強烈腐蝕性介質中工作，而且在使用過程中受到不同性質載荷（外力）的作用，所以設計零（構）件、選用材料、鑒定工藝質量時大多以力學性能為主要依據外力形式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉等。載荷形式：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷等。第1章41.1金屬材料力學性能的主要指標41.1.1強度、剛度與塑性

金屬材料在外力作用時表現出來的性能。力學性能—指標：強度、剛度、硬度、塑性、韌性等。1.1強度、剛度與塑性5第1章靜載單向靜拉伸實驗應力（σ）：單位橫截面積的內力標準拉伸試樣：長試樣L0=10d0短試樣L0=5d0

1.1金屬材料力學性能的主要指標1.1.1強度、剛度與塑性金屬材料在外力作用時表51.1.1強度、剛度與塑性

第1章6靜載單向靜拉伸應力――應變曲線1.1.1強度、剛度與塑性第1章6靜載單向靜拉伸61.1.1強度、剛度與塑性7靜載單向靜拉伸應力――應變曲線第1章分析拉伸實驗：oe彈性變形階段csd屈服階段db強化階段bk縮頸階段k試樣斷裂1.1.1強度、剛度與塑性7靜載單向靜拉伸應力7

1.1.1強度、剛度與塑性

第1章81、強度（1）彈性極限σe

材料拉伸時保持彈性變形，不發生永久變形的最大應力。

單位:MPa(MN/mm2)金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。

（2）屈服極限σs（屈服強度或屈服點）

σs=Fs/So（MPa）

金屬材料開始發生明顯塑性變形的抗力。σe=Fe/So（MPa）條件屈服強度σ0.2

規定殘余伸長率為0.2%時的應力值。(△L=0.2%LO)

用于無屈服點的中高碳鋼，脆性材料：灰口鑄鐵。1.1.1強度、剛度與塑性第1章81、強度（1）彈性81.1.1強度、剛度與塑性

第1章9（3）抗拉強度σb

（強度極限）是試樣被拉斷前的所能承受的最大應力

σb=Fb/So（MPa）材料抵抗外力而不致斷裂的最大應力值

屈強比—σs與σb的比值。

屈強比愈小，工程構件的可靠性愈高，屈強比太小，則材料強度的有效利用率太低。2、剛度表示材料抵抗彈性變形的能力。

1.1.1強度、剛度與塑性第1章9（3）抗拉強度9彈性模量E—E=σ/ε彈性模量

,應力應變的比值。單位MPa1.1.1強度、剛度與塑性第1章10E愈大，剛度越大，彈性變形越不容易進行。3.塑性斷后伸長率斷面收縮率是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標。材料在斷裂前發生塑性變形的能力彈性模量E—E=σ/ε彈性模量

,應力應變的比值。單位101.1.1強度、剛度與塑性

第1章11δ、ψ越大，材料塑性越好1.1.2.硬度

材料抵抗局部變形、特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數量概念，

硬度試驗簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其它機械性能，因此在生產和科研中應用廣泛斷面收縮率不受試樣尺寸的影響硬度試驗方法很多，機械工業普遍采用壓入法來測定硬度，壓入法又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

1.1.1強度、剛度與塑性第1章11δ、ψ越大111.1.1強度、剛度與塑性

第1章121、布氏硬度（1）布氏硬度測定的原理是把一定直徑的淬火鋼球或硬質合金球，以規定的載荷F壓入被測材料表面，保持一定時間后卸除載荷，測出壓痕直徑d，求出壓痕面積，實驗載荷除以球面壓痕表面積所得的商即為布氏硬度。選壓頭——加載——保荷——卸載——測壓痕——計算或查表——得硬度值1.1.1強度、剛度與塑性第1章121121.1.1強度、剛度與塑性第1章13布氏硬度測試原理示意圖1.1.1強度、剛度與塑性第1章13布氏硬度測試原理示意圖13材料種類布氏硬度使用范圍(HBS)球直徑D/mm0.102F/D2試驗載荷F/N試驗載荷保持時間t/s注鋼鑄鐵≥1401052.530294207355183910壓痕中心距試樣邊緣距離不應小于壓痕平均直徑的2.5倍兩相鄰壓痕中心距離不應小于壓痕平均直徑的4倍試樣厚度至少應為壓痕深度的10倍。試驗后，試樣支撐面應無可見變形痕跡＜1401052.5109807245261310～15非鐵金屬材料≥1301052.53029420735518393035～1301052.510（5或15）9807245261330＜351052.52.5（或1.25）245261315360布氏硬度的試驗規范14材料布氏硬度使用范圍(HBS)球直徑0.102F/D2試驗載141.1.1強度、剛度與塑性第1章15布氏硬度測定主要適用于各種未經淬火的鋼、退火、正火狀態的鋼；結構鋼調質件；鑄鐵、有色金屬、質地輕軟的軸承合金等原材料。標注：如120HBS10/1000/10，即表示用直徑D=10mm的淬火鋼球壓頭在1000kgf（9.8KN）的試驗載荷作用下，保持10秒所測得布氏硬度值為120。HBS只可用來測定硬度值小于450的金屬材料500HBW5/750表示用直徑D=5mm的硬質合金球壓頭在750kgf（7.35KN）的試驗載荷作用下，保持10-15秒（不標注）所測得布氏硬度值為500。HBW可用來測定硬度值450-650的金屬材料（2）布氏硬度的表示方法1.1.1強度、剛度與塑性第1章15布氏硬度測151.1.1強度、剛度與塑性

第1章162、洛氏硬度（HR）

洛氏硬度就是以主載荷引起的殘余壓入深度來表示硬度值。硬度值的大小直接由硬度計表盤上讀出

（1）洛氏硬度測試原理

洛氏硬度測定時需要先后施加二次載荷（初載荷F0和主載荷F1）預加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好,以保證測量結果準確。1.1.1強度、剛度與塑性第1章162、洛氏硬161.1.1強度、剛度與塑性

第1章17洛氏硬度實驗原理示意圖1.1.1強度、剛度與塑性第1章17洛氏硬度實驗171.1.1強度、剛度與塑性

第1章18(2)洛氏硬度表示方法——如40～45HRC

常見洛氏硬度的試驗條件及應用范圍硬度符號壓頭總載荷（kgf）表盤上刻度顏色常用硬度值范圍使用范圍HRA金鋼石圓錐60黑

色20~85碳化物、硬質合金、表面淬火層等HRBφ1.5875mm鋼球100紅

色25~100有色金屬、退火及正火鋼等HRC金鋼石圓錐150黑

色20~67調質鋼、淬火鋼等1.1.1強度、剛度與塑性第1章18(2)洛氏硬18151.1.1強度、剛度與塑性

第1章19(3)特點與應用

洛氏硬度測定僅產生很小壓痕，并不損壞零件，因而適合于成品檢驗和較薄工件。

設備簡單，操作迅速方便。但測一點無代表性，不準確，需多點測量，然后取平均值。洛氏硬度可用來測定各種金屬材料的硬度。不宜用來測定極薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度洛氏硬度無單位，各標尺之間沒有直接的對應關系。151.1.1強度、剛度與塑性第1章19(3)191.1.1強度、剛度與塑性

第1章203、維氏硬度（HV）

為了從軟到硬的各種金屬材料有一個連續一致的硬度標度，因而制定了維氏硬度試驗法。

是用一種頂角為136°的正四棱錐體金鋼壓頭，在載荷F（kgf）作用下，試樣表面壓出一個四方錐形壓痕，測量壓痕對角線長度d（mm）供以計算試樣的硬度值。——根據d值查表即可得到硬度值。（1）維氏硬度試驗法原理1.1.1強度、剛度與塑性第1章203、維氏硬度201.1.1強度、剛度與塑性

第1章21

維氏硬度試驗主要用來測定金屬鍍層、薄片金屬以及化學熱處理（如氮化、滲碳等）后的表面硬度。

維氏硬度用符號HV表示，HV前面為硬度值，HV后面的數字按試驗載荷、試驗載荷保持時間（10～15s不標注）的順序表示試驗條件。例如：（2）維氏硬度的表示方法640HV30表示用294.2N（30kgf）的試驗載荷，保持10～15s（不標出）測定的維氏硬度值為640；640HV30/20表示用294.2N（30kgf）的試驗載荷，保持20s測定的維氏硬度值為640。1.1.1強度、剛度與塑性第1章21維氏硬211.1.1強度、剛度與塑性

第1章221.1.3.沖擊韌性（Ak或ak

）

韌性：材料斷裂前吸收變形能量的能力沖擊韌性：沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。ak=沖擊破壞所消耗的功Ak/標準試樣斷口截面積F

單位為焦耳/厘米2（J/cm2）

ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯變形ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。Ak=mg(h1-h2)沖擊吸收功（Ak）

：單位為焦耳沖擊韌度（ak）

：韌脆轉變溫度：沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性急劇轉變的溫度區域1.1.1強度、剛度與塑性第1章221.1.3.221.1.1強度、剛度與塑性

第1章23沖擊韌性實驗Ak=mg(h1-h2)1.1.1強度、剛度與塑性第1章23沖擊韌性實驗A23

沖擊吸收功還與試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內部組織和缺陷等有關，所以沖擊吸收功一般只能作為選材的參考，而不能直接用于強度計算。在不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功急劇變斷口韌性急劇轉變的溫度區域，稱為韌脆轉變溫度。韌脆轉變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。選擇金屬材料時，應使該材料的韌脆轉變溫度低于其服役環境的最低溫度。沖擊吸收功與溫度有關，Ak值隨溫度降低而減小。1.1.1強度、剛度與塑性

第1章24沖擊吸收功還與試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、241.1.4.疲勞強度σ-1

1.1.1強度、剛度與塑性

第1章2580%的斷裂由疲勞造成

1.疲勞斷裂：材料在承受大小和方同隨時間作周期性變化（包括交變應力和重復）的載荷作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力下發生斷裂。2.疲勞強度（疲勞極限）：材料經無數次應力循環而不發生疲勞斷裂的最高應力值。循環基數：鋼鐵材料10；非鐵金屬10；腐蝕介質作用下107陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強度較高，纖維增強復合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素：循環應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態、殘余應力等。861.1.4.疲勞強度σ-1

1.1.1強度、剛度與塑性251.1.5.金屬材料的斷裂韌度有些高強度材料的零（構）件往往在遠低于屈服點的狀態下發生脆性斷裂；中、低強度的重型零（構）件、大型結構件也有類似情況1.1.1強度、剛度與塑性

第1章262、裂紋擴展的基本形式1、低應力脆斷1.1.5.金屬材料的斷裂韌度有些高263、斷裂韌度及其應用

1.1.1強度、剛度與塑性

第1章27單位為MPa·m1/2

當材料中存在裂紋時，裂紋尖端附近某點處的實際應力值與施加應力（稱為名義應力）裂紋半長a及外力施力點距裂紋尖端的距離有關。施加的應力在裂紋尖端附近形成了一個應力場，為表述該應力場的強度，引入應力場強度因子的概念。應力場強度因子3、斷裂韌度及其應用1.1.1強度、剛度與塑性第27

當KI達到某一臨界值時，就能使裂紋尖端附加的內應力達到材料的斷裂強度，裂紋將發生突然的失穩擴展，導致構件脆斷。這時所對應的應力場強度因子KI就稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。

KIC的單位與KI相同，它表示材料抵抗裂紋失穩擴展（即抵抗脆性斷裂）的能力。1.1.1強度、剛度與塑性

第1章28斷裂韌度當KI達到某一臨界值28已知材料的工作應力和最大裂紋尺寸，可以算出應力場強度因子KI，根據應力場強度因子和斷裂韌度的相對大小，可判斷材料在受力時，是否會因為裂紋失穩擴展而斷裂。1.1.1強度、剛度與塑性

第1章29斷裂韌度的應用

已知KIC，可根據工作應力，確定材料中允許存在的、不會失穩擴展的最大裂紋長度；根據材料已存在的裂紋長度，確定材料能夠承受的不致脆斷的最大應力。已知材料的工作應力和最大裂紋尺寸，可以算出應力291.2常用力學性能指標在選材中的意義1.2常用力學性能指標在選材中的意義第1章301、剛度剛度和彈性當零件的尺寸和外加載荷一定時，材料的彈性模量E（或切變模量G）越高，零件的彈性變形量越小，則剛度越好。

1.2.1例如：一根承受彎曲載荷的軸，在軸的長度和截面尺寸及外加載荷相同的情況下，分別選用鋼、鋁合金、聚苯乙烯這三種材料進行比較1.2常用力學性能指標在選材中的意義1.2常用力學性能指標在30它們的彈性模量E的比為21×104MPa：7×104MPa：0.35×104MPa，三者的彈性撓曲變形量之比則為1:3:60，即鋼軸彈性撓曲變形為1cm，鋁合金軸為3cm，聚苯乙烯軸為60cm，顯然，鋼軸的剛度最好。1.2.1剛度與彈性第1章31未來是你們的它們的彈性模量E的比為21×104MPa：7×104MPa：31在不同的加載方式下，比剛度可分別以E/ρ、/ρ、/ρ等表示。例如，飛機機翼的加載方式為平板受彎曲，其比剛度應以

/ρ來度量。若選用鋼和鋁合金比較，由于鋼的密度為7.8g/cm3，鋁合金的密度為2.7g/cm3，則鋼的比剛度為0.76，鋁合金為1.5，是鋼的兩倍，因此，飛機機翼應選用鋁合金制造。1.2.1剛度與彈性第1章32如果要在給定的彈性變形量下，要求零件的重量最輕，則必須按照比剛度進行選材。在不同的加載方式下，比剛度可分別以E/ρ、1.2.322、彈性材料的彈性極限越高和彈性模量E越低，則彈性能越大,零件的彈性越好。

工程結構中的彈簧都選用彈性模量較大，彈性極限或屈服強度較高的材料。如汽車板彈簧，常選用合金彈簧鋼經淬火+中溫回火，以獲得盡可能高的彈性極限和屈服強度。1.2.1剛度與彈性第1章彈性元件在工作時，不僅要滿足彈性要求，還要滿足強度要求332、彈性材料的彈性極限越高和彈性模量E越低，則彈性33硬度和強度1、硬度1.2.21.2.2硬度和強度第1章34硬度高，耐磨性就好，一般情況下，在一定的處理工藝下，只要硬度達到了規定的要求，其他性能也基本能達到要求。

同樣的硬度可以通過不同的處理工藝得到。

2、強度＜[]=/K

承受純剪或純拉的零件，可直接作為設計的依據，并取K=1.1～1.3；屈服強度硬度和強度1、硬度1.2.21.2.2硬度和強度34

承受交變接觸應力的零件，除保證表面高硬度外，要適當提高零件心部屈服強度；抗拉強度1.2.2硬度和強度第1章35疲勞斷裂：通常也以抗拉強度來衡量疲勞強度的高低

塑性低的材料：抗拉強度作為兩種不同材料或同一材料在兩種不同熱處理狀態下性能比較的標準。＜[]=

/K

承受彎曲和扭轉的軸類零件，只要求一定的淬硬層深，對于零件心部的屈服強度不需做過高要求。

低應力脆斷的零件，其承載能力決定于材料的韌性，應適當地降低材料的屈服強度；承受交變接觸應力的零件，除保證表面高351.2.3塑性和沖擊韌性第1章36塑性和沖擊韌性1.2.31、塑性塑性指標、只能表示在單向拉伸應力狀態下的塑性，不能反映應力集中、工作溫度、零件尺寸等對斷裂強度的影響，因此不能可靠的避免零件脆斷。是材料產生塑性變形使應力重新分布而減少應力集中的能力的度量。沖擊韌性指標或表征在有缺口時材料塑性變形的不足。

2.沖擊韌性的能力，反映了應力集中和復雜應力狀態下材料的塑性，而且對溫度很敏感，正好彌補了、1.2.3塑性和沖擊韌性第1章36塑性和36由于影響材料沖擊韌性的因素很多，1.2.4斷裂韌度第1章37不能定量的用于設計。斷裂韌度1.2.4低應力脆斷為主要危險時，其承載能力取決于材料的斷裂韌度，應該根據斷裂韌度KIC選材。[]＜＜

或由于影響材料沖擊韌性的因素很多，1.2.4斷裂韌度第37材料強度、塑性與韌性的合理配合1.2.51.2.5材料強度、塑性與韌性的合理配合

第1章38

通常材料的強度與塑性、韌性是互相矛盾的，強度高，則塑性、韌性低。傳統設計中，為防止零件發生脆斷，一般選定較高的、和或值，勢必造成零件尺寸增大，而又未必能保證零件工作安全可靠，因為大多數機件的斷裂是由高周疲勞引起的，因強度不足而發生早期疲勞斷裂時，往往塑性、韌性尚有余。如果選用強度、塑性和韌性都好的高級材料，又會使零件成本提高。所以，在零構件的設計中，必須兼顧材料的強度、塑性與韌性。材料強度、塑性與韌性的合理配合1.2.51.2.5材料強度381.2.5材料強度、塑性與韌性的合理配合

第1章39

以高周疲勞斷裂為主要危險的零件，在

＜1400MPa范圍內，提高材料強度，適當降低塑性、韌性。這類中低強度材料的斷裂韌度較高，

可以用工作應力≤／K若＞1400MPa，隨強度增加，其疲勞壽命可能會對于以低應力脆斷為主要危險的零件，應該反而降低。用斷裂韌度來選材。

來計算和選材，提高屈服強度可以提高零件的允許工作應力和減輕零件的重量。1.2.5材料強度、塑性與韌性的合理配合391.1金屬材料力學性能的主要指標1.1.11.1.2強度、剛度與塑性

硬度

1.2常用力學性能指標在選材中的意義

第1章金屬材料的力學性能1.1.3沖擊韌性1.1.4疲勞強度1.1.5金屬材料的斷裂韌度1.2.11.2.2剛度與彈性

硬度和強度1.2.3塑性和沖擊韌性1.2.4斷裂韌度1.2.5材料強度、塑性與韌性的合理配合11.1金屬材料力學性能的主要指標1.1.11.1.2強度、剛40本章重點內容學習目的1.金屬材料常用的力學性能指標及意義1.掌握力學性能指標及意義2.了解拉伸實驗過程及相關指標概念和意義。3.了解各種硬度實驗測試方法和應用范圍。4.了解沖擊實驗方法和所測指標的意義。2本章重點內容學習目的1.金屬材料常用1.掌握力學性能指標及41

金屬材料的性能是指用來表征材料在給定外界條件下的行為參量，包括使用性能和工藝性能。第1章3第1章金屬材料的力學性能

使用性能：是指金屬材料在使用條件下所表現出來的性能。工藝性能：是指制造工藝過程中材料適應加工的性能如：鑄造性、鍛造性、焊接性、切削加工性熱處理工藝性

如：力學性能、物理性能、化學性能金屬材料的性能是指用來表征材料在給定外界條第42

第1章41.1金屬材料力學性能的主要指標

由于多數機械零件是在常溫、常壓、非強烈腐蝕性介質中工作，而且在使用過程中受到不同性質載荷（外力）的作用，所以設計零（構）件、選用材料、鑒定工藝質量時大多以力學性能為主要依據外力形式：拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉等。載荷形式：靜載荷、沖擊載荷、交變載荷等。第1章41.1金屬材料力學性能的主要指標431.1.1強度、剛度與塑性

金屬材料在外力作用時表現出來的性能。力學性能—指標：強度、剛度、硬度、塑性、韌性等。1.1強度、剛度與塑性5第1章靜載單向靜拉伸實驗應力（σ）：單位橫截面積的內力標準拉伸試樣：長試樣L0=10d0短試樣L0=5d0

1.1金屬材料力學性能的主要指標1.1.1強度、剛度與塑性金屬材料在外力作用時表441.1.1強度、剛度與塑性

第1章6靜載單向靜拉伸應力――應變曲線1.1.1強度、剛度與塑性第1章6靜載單向靜拉伸451.1.1強度、剛度與塑性7靜載單向靜拉伸應力――應變曲線第1章分析拉伸實驗：oe彈性變形階段csd屈服階段db強化階段bk縮頸階段k試樣斷裂1.1.1強度、剛度與塑性7靜載單向靜拉伸應力46

1.1.1強度、剛度與塑性

第1章81、強度（1）彈性極限σe

材料拉伸時保持彈性變形，不發生永久變形的最大應力。

單位:MPa(MN/mm2)金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。

（2）屈服極限σs（屈服強度或屈服點）

σs=Fs/So（MPa）

金屬材料開始發生明顯塑性變形的抗力。σe=Fe/So（MPa）條件屈服強度σ0.2

規定殘余伸長率為0.2%時的應力值。(△L=0.2%LO)

用于無屈服點的中高碳鋼，脆性材料：灰口鑄鐵。1.1.1強度、剛度與塑性第1章81、強度（1）彈性471.1.1強度、剛度與塑性

第1章9（3）抗拉強度σb

（強度極限）是試樣被拉斷前的所能承受的最大應力

σb=Fb/So（MPa）材料抵抗外力而不致斷裂的最大應力值

屈強比—σs與σb的比值。

屈強比愈小，工程構件的可靠性愈高，屈強比太小，則材料強度的有效利用率太低。2、剛度表示材料抵抗彈性變形的能力。

1.1.1強度、剛度與塑性第1章9（3）抗拉強度48彈性模量E—E=σ/ε彈性模量

,應力應變的比值。單位MPa1.1.1強度、剛度與塑性第1章10E愈大，剛度越大，彈性變形越不容易進行。3.塑性斷后伸長率斷面收縮率是衡量材料產生彈性變形難易程度的指標。材料在斷裂前發生塑性變形的能力彈性模量E—E=σ/ε彈性模量

,應力應變的比值。單位491.1.1強度、剛度與塑性

第1章11δ、ψ越大，材料塑性越好1.1.2.硬度

材料抵抗局部變形、特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

硬度測量能夠給出金屬材料軟硬程度的數量概念，

硬度試驗簡單易行，又無損于零件，而且可以近似的推算出材料的其它機械性能，因此在生產和科研中應用廣泛斷面收縮率不受試樣尺寸的影響硬度試驗方法很多，機械工業普遍采用壓入法來測定硬度，壓入法又分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

1.1.1強度、剛度與塑性第1章11δ、ψ越大501.1.1強度、剛度與塑性

第1章121、布氏硬度（1）布氏硬度測定的原理是把一定直徑的淬火鋼球或硬質合金球，以規定的載荷F壓入被測材料表面，保持一定時間后卸除載荷，測出壓痕直徑d，求出壓痕面積，實驗載荷除以球面壓痕表面積所得的商即為布氏硬度。選壓頭——加載——保荷——卸載——測壓痕——計算或查表——得硬度值1.1.1強度、剛度與塑性第1章121511.1.1強度、剛度與塑性第1章13布氏硬度測試原理示意圖1.1.1強度、剛度與塑性第1章13布氏硬度測試原理示意圖52材料種類布氏硬度使用范圍(HBS)球直徑D/mm0.102F/D2試驗載荷F/N試驗載荷保持時間t/s注鋼鑄鐵≥1401052.530294207355183910壓痕中心距試樣邊緣距離不應小于壓痕平均直徑的2.5倍兩相鄰壓痕中心距離不應小于壓痕平均直徑的4倍試樣厚度至少應為壓痕深度的10倍。試驗后，試樣支撐面應無可見變形痕跡＜1401052.5109807245261310～15非鐵金屬材料≥1301052.53029420735518393035～1301052.510（5或15）9807245261330＜351052.52.5（或1.25）245261315360布氏硬度的試驗規范14材料布氏硬度使用范圍(HBS)球直徑0.102F/D2試驗載531.1.1強度、剛度與塑性第1章15布氏硬度測定主要適用于各種未經淬火的鋼、退火、正火狀態的鋼；結構鋼調質件；鑄鐵、有色金屬、質地輕軟的軸承合金等原材料。標注：如120HBS10/1000/10，即表示用直徑D=10mm的淬火鋼球壓頭在1000kgf（9.8KN）的試驗載荷作用下，保持10秒所測得布氏硬度值為120。HBS只可用來測定硬度值小于450的金屬材料500HBW5/750表示用直徑D=5mm的硬質合金球壓頭在750kgf（7.35KN）的試驗載荷作用下，保持10-15秒（不標注）所測得布氏硬度值為500。HBW可用來測定硬度值450-650的金屬材料（2）布氏硬度的表示方法1.1.1強度、剛度與塑性第1章15布氏硬度測541.1.1強度、剛度與塑性

第1章162、洛氏硬度（HR）

洛氏硬度就是以主載荷引起的殘余壓入深度來表示硬度值。硬度值的大小直接由硬度計表盤上讀出

（1）洛氏硬度測試原理

洛氏硬度測定時需要先后施加二次載荷（初載荷F0和主載荷F1）預加載荷的目的是使壓頭與試樣表面接觸良好,以保證測量結果準確。1.1.1強度、剛度與塑性第1章162、洛氏硬551.1.1強度、剛度與塑性

第1章17洛氏硬度實驗原理示意圖1.1.1強度、剛度與塑性第1章17洛氏硬度實驗561.1.1強度、剛度與塑性

第1章18(2)洛氏硬度表示方法——如40～45HRC

常見洛氏硬度的試驗條件及應用范圍硬度符號壓頭總載荷（kgf）表盤上刻度顏色常用硬度值范圍使用范圍HRA金鋼石圓錐60黑

色20~85碳化物、硬質合金、表面淬火層等HRBφ1.5875mm鋼球100紅

色25~100有色金屬、退火及正火鋼等HRC金鋼石圓錐150黑

色20~67調質鋼、淬火鋼等1.1.1強度、剛度與塑性第1章18(2)洛氏硬57151.1.1強度、剛度與塑性

第1章19(3)特點與應用

洛氏硬度測定僅產生很小壓痕，并不損壞零件，因而適合于成品檢驗和較薄工件。

設備簡單，操作迅速方便。但測一點無代表性，不準確，需多點測量，然后取平均值。洛氏硬度可用來測定各種金屬材料的硬度。不宜用來測定極薄工件及氮化層、金屬鍍層等的硬度洛氏硬度無單位，各標尺之間沒有直接的對應關系。151.1.1強度、剛度與塑性第1章19(3)581.1.1強度、剛度與塑性

第1章203、維氏硬度（HV）

為了從軟到硬的各種金屬材料有一個連續一致的硬度標度，因而制定了維氏硬度試驗法。

是用一種頂角為136°的正四棱錐體金鋼壓頭，在載荷F（kgf）作用下，試樣表面壓出一個四方錐形壓痕，測量壓痕對角線長度d（mm）供以計算試樣的硬度值。——根據d值查表即可得到硬度值。（1）維氏硬度試驗法原理1.1.1強度、剛度與塑性第1章203、維氏硬度591.1.1強度、剛度與塑性

第1章21

維氏硬度試驗主要用來測定金屬鍍層、薄片金屬以及化學熱處理（如氮化、滲碳等）后的表面硬度。

維氏硬度用符號HV表示，HV前面為硬度值，HV后面的數字按試驗載荷、試驗載荷保持時間（10～15s不標注）的順序表示試驗條件。例如：（2）維氏硬度的表示方法640HV30表示用294.2N（30kgf）的試驗載荷，保持10～15s（不標出）測定的維氏硬度值為640；640HV30/20表示用294.2N（30kgf）的試驗載荷，保持20s測定的維氏硬度值為640。1.1.1強度、剛度與塑性第1章21維氏硬601.1.1強度、剛度與塑性

第1章221.1.3.沖擊韌性（Ak或ak

）

韌性：材料斷裂前吸收變形能量的能力沖擊韌性：沖擊載荷下材料抵抗變形和斷裂的能力。ak=沖擊破壞所消耗的功Ak/標準試樣斷口截面積F

單位為焦耳/厘米2（J/cm2）

ak值低的材料叫做脆性材料，斷裂時無明顯變形ak值高，明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤，韌性材料。Ak=mg(h1-h2)沖擊吸收功（Ak）

：單位為焦耳沖擊韌度（ak）

：韌脆轉變溫度：沖擊吸收功急劇變化或斷口韌性急劇轉變的溫度區域1.1.1強度、剛度與塑性第1章221.1.3.611.1.1強度、剛度與塑性

第1章23沖擊韌性實驗Ak=mg(h1-h2)1.1.1強度、剛度與塑性第1章23沖擊韌性實驗A62

沖擊吸收功還與試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、內部組織和缺陷等有關，所以沖擊吸收功一般只能作為選材的參考，而不能直接用于強度計算。在不同溫度的沖擊試驗中，沖擊吸收功急劇變斷口韌性急劇轉變的溫度區域，稱為韌脆轉變溫度。韌脆轉變溫度越低，材料的低溫抗沖擊性能越好。選擇金屬材料時，應使該材料的韌脆轉變溫度低于其服役環境的最低溫度。沖擊吸收功與溫度有關，Ak值隨溫度降低而減小。1.1.1強度、剛度與塑性

第1章24沖擊吸收功還與試樣形狀、尺寸、表面粗糙度、631.1.4.疲勞強度σ-1

1.1.1強度、剛度與塑性

第1章2580%的斷裂由疲勞造成

1.疲勞斷裂：材料在承受大小和方同隨時間作周期性變化（包括交變應力和重復）的載荷作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力下發生斷裂。2.疲勞強度（疲勞極限）：材料經無數次應力循環而不發生疲勞斷裂的最高應力值。循環基數：鋼鐵材料10；非鐵金屬10；腐蝕介質作用下107陶瓷、高分子材料的疲勞抗力很低，金屬材料疲勞強度較高，纖維增強復合材料也有較好的抗疲勞性能。影響因素：循環應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態、殘余應力等。861.1.4.疲勞強度σ-1

1.1.1強度、剛度與塑性641.1.5.金屬材料的斷裂韌度有些高強度材料的零（構）件往往在遠低于屈服點的狀態下發生脆性斷裂；中、低強度的重型零（構）件、大型結構件也有類似情況1.1.1強度、剛度與塑性

第1章262、裂紋擴展的基本形式1、低應力脆斷1.1.5.金屬材料的斷裂韌度有些高653、斷裂韌度及其應用

1.1.1強度、剛度與塑性

第1章27單位為MPa·m1/2

當材料中存在裂紋時，裂紋尖端附近某點處的實際應力值與施加應力（稱為名義應力）裂紋半長a及外力施力點距裂紋尖端的距離有關。施加的應力在裂紋尖端附近形成了一個應力場，為表述該應力場的強度，引入應力場強度因子的概念。應力場強度因子3、斷裂韌度及其應用1.1.1強度、剛度與塑性第66

當KI達到某一臨界值時，就能使裂紋尖端附加的內應力達到材料的斷裂強度，裂紋將發生突然的失穩擴展，導致構件脆斷。這時所對應的應力場強度因子KI就稱為材料的斷裂韌度，用KIC表示。

KIC的單位與KI相同，它表示材料抵抗裂紋失穩擴展（即抵抗脆性斷裂）的能力。1.1.1強度、剛度與塑性

第1章28斷裂韌度當KI達到某一臨界值67已知材料的工作應力和最大裂紋尺寸，可以算出應力場強度因子KI，根據應力場強度因子和斷裂韌度的相對大小，可判斷材料在受力時，是否會因為裂紋失穩擴展而斷裂。1.1.1強度、剛度與塑性

第1章29斷裂韌度的應用

已知KIC，可根據工作應力，確定材料中允許存在的、不會失穩擴展的最大裂紋長度；根據材料已存在的裂紋長度，確定材料能夠承受的不致脆斷的最大應力。已知材料的工作應力和最大裂紋尺寸，可以算出應力681.2常用力學性能指標在選材中的意義1.2常用力學性能指標在選材中的意義第1章301、剛度剛度和彈性當零件的尺寸和外加載荷一定時，材料的彈性模量E（或切變模量G）越高，零件的彈性變形量越小，則剛度越好。

1.2.1例如：一根承受彎曲載荷的軸，在軸的長度和截面尺寸及外加載荷相同的情況下，分別選用鋼、鋁合金、聚苯乙烯這三種材料進行比較1.2常用力學性能指標在選材中的意義1.2常用力學性能指標在69它們的彈性模量E的比為21×104MPa：7×104MPa：0.35×104MPa，三者的彈性撓曲變形量之比則為1:3:60，即鋼軸彈性撓曲變形為1cm，鋁合金軸為3cm，聚苯乙烯軸為60cm，顯然，鋼軸的剛度最好。1.2.1剛度與彈性第1章31未來是你們的它們的彈性模量E的比為21×104MPa：7×104MPa：70在不同的加載方式下，比剛度可分別以E/ρ、/ρ、/ρ等表示。例如，飛機機翼的加載方式為平板受彎曲，其比剛度應以

/ρ來度量。若選用鋼和鋁合金比較，由于鋼的密度為7.8g/cm3，鋁合金的密度為2.7g/cm3，則鋼的比剛度為0.76，鋁合金為1.5，是鋼的兩倍，因此，飛機機翼應選用鋁合金制造。1.2.1剛度與彈性第1章32如果要在給定的彈性變形量下，要求零件的重量最輕，則必須按照比剛度進行選材。在不同的加載方式