應用于各種工程領域中的材料，如在機械工業中，建筑及橋梁中，等等，——統稱為工程材料。其中用來制造各種機電產品的材料，——稱為機械工程材料.主要包括：

1）金屬材料：鋼，鑄鐵，銅及銅合金，等等。

2）非金屬材料：塑料，橡膠，工業陶瓷，等等。

3）復合材料：由兩種或兩種以上性質不同的材料復合而成的多相材料。金屬材料是制造機器的最主要材料。

1、金屬材料按含金屬元素數量的多少分為：

1）純金屬(一種金屬).2）合金（以一種金屬為基+其他金屬或非金屬）第一章金屬材料2、金屬材料按是否含Fe元素分為：

1）黑色金屬：鐵族材料，指Fe及以Fe為基的合金。①鋼：碳鋼，合金鋼，特殊性能鋼等。②鑄鐵：灰鑄鐵，球墨鑄鐵，可鍛鑄鐵，蠕墨鑄鐵等。

2）有色金屬：非鐵族材料，指黑色金屬以外的所有金屬及合金。①銅及銅合金。②鋁及鋁合金，等等。

3）粉末金材料在機械制造中應用的金屬以黑色金屬為主，占90%以上。那么，為什么金屬材料或者黑色金屬材料是用來制造機器的最主要材料？這是因為：

其具有優良的機械性能（力學性能）、工藝性能，并具較好的物理性能及化學穩定性。那么，什么是金屬材料的機械性能（力學性能）？什么是金屬材料的工藝性能？什么是金屬材料的物理性能及化學性能？

第1節金屬材料的力學性能

力學性能：金屬在不同環境因素（溫度、介質）下，承受外加載荷作用時所表現的行為。這種行為通常表現為金屬的變形和斷裂。因此，金屬材料的力學性能可以理解為金屬抵抗外加載荷引起的變形和斷裂的能力。

常見的力學性能有：強度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌度和疲勞。“失效現象”：如果金屬材料對變形和斷裂的抗力與服役條件不相適應，就會使機件失去預定的效能而損壞。

常見的失效形式有斷裂、磨損、過量彈性變形和過量塑性變形。第一節剛度、強度、塑性1、拉伸試樣

試驗前在試棒上打出標距按國標規定標準拉伸試樣可分為：

１)板形試樣：原材料為板材或帶材

２)圓形試樣：長試樣L0＝10d0，短試樣L0=5d0其中：L0為試樣標距，d0為試樣直徑一、拉伸試驗與拉伸曲線剛度、強度、彈性和塑性是根據拉伸試驗測定出來的。2、拉伸過程

將試樣裝在拉力試驗機夾頭上，緩慢加載，直到把試樣拉斷為止，通過自動記錄裝置得到試樣所受載荷F和伸長量△L的關系曲線稱為拉伸曲線；并由此測定該金屬的強度、剛度、彈性和塑性。１）當載荷不超Fp時，力－伸長曲線Op為一直線，即試樣的伸長量與載荷成正比地增加，完全胡克定律，試樣處于彈性變形階段。載荷在Fp-Fe間，試樣的伸長量與載荷已不再成正比關系，力－伸長曲線不成直線，但試樣仍處于彈性變形階段。拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線：２）載荷超過Fe后，試樣開始有塑性變形產生。當載荷達到Fs時，試樣開始產生明顯的塑性變形，在力－伸長曲線上出現了水平的或鋸齒形的線段，這種現象稱為“屈服”。拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線：３）當載荷繼續增加到某一最大值Fb時，試樣的局部截面縮小，產生所謂“縮頸”現象。由于試樣局部截面的逐漸減小，故載荷也逐漸降低，當達到拉伸曲線上k點時，試樣隨即斷裂。拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線：４）由力－伸長曲線可見，斷裂時試樣總伸長Of中gf是彈性變形，Og(Δlk)是塑性變形。塑性變形中Oh（Δlb）是試樣產生縮頸前的均勻變形，hg（Δlu）是頸部的集中變形。拉伸試驗中得出的拉伸力與伸長量的關系曲線：gf

２.應力與應變曲線二、剛度和彈性剛度：表征金屬材料抵抗彈性變形的能力弱性模量E：表示引起單位變形時所需要的應力。即材料的E越大，產生的彈性變形越小，剛度越大。E值主要取決于材料的本性；提高剛度的方法有增加橫截面積或改變截面形狀。２、彈性極限

彈性極限σe：是材料在不產生塑性變形時所能承受的最大應力值。式中Fe——試樣在不產生塑性變形時的最大載荷；A０——試樣的原始橫截面積彈性極限是工作中不允許有微量塑性變形零件(如精密的彈性元件、炮筒等)的設計與選材的重要依據。（三）彈性比功

彈性比功：又稱彈性比能或應變能，它表示材料發生彈性變形時可吸收能量的能力，在卸載時，又能完全釋放能量而使材料恢復原狀。金屬材料的彈性比功可用上圖所示的應力——應變曲線下影線面積表示。

彈簧是典型的彈性零件，主要起緩沖和儲存能量的作用，它要求材料具有大的彈性比功，由于彈性模量E對組織不敏感，故只有通過合金化、熱處理和冷塑性變形等方法來提高材料的彈性極限σe，從而提高其彈性比功。三、強度

強度——金屬材料在外力作用下永久抵抗變形和斷裂的能力。按作用力性質不同，可分為屈服強度（屈服點）及抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。在工程上常用來表示金屬材料強度的指標有屈服強度和抗拉強度。分類拉力——屈服強度、抗拉強度壓力——抗壓強度彎曲力——抗彎強度剪切力——抗剪強度1.屈服強度（屈服極限、屈服點）：

當載荷增達到s點時，拉伸曲線出現了平臺，即試樣所承受的載荷幾乎不變，但塑性變形不斷增加，這種現象稱為屈服。

屈服點和條件屈服強度σ0.2是指在外力作用下開始產生明顯塑性變形的最小應力。用σs表示。

計算公式:σs=FsS0

條件屈服強度σ0.2

有些金屬材料在拉伸試驗中沒有明顯的屈服現象發生，為了衡量這些材料的屈服特性，規定產生永久殘余變形等于一定值(一般為標距長度的0.2%)時的應力，稱為條件屈服強度或簡稱屈服強度σ0.2

。

F0.2A0σ0.2=F0.2——試樣標距產生０.２%殘余伸長時的載荷；A0——試樣的原始橫截面積。

σb=FbS0

Fb－－試樣在破斷前所承受的載荷；A0——試樣的原始橫截面積。

計算公式:2、

抗拉強度（強度極限）:材料承受最大載荷時的應力。用σb表示。

抗拉強度σb是表示塑性材料抵抗大量均勻塑性變形的能力。脆性材料在拉伸過程中，沒有縮頸，抗拉強度σb是就的斷裂強度。

1）伸長率（δ

）伸長率是指試樣拉斷后標距增長量與原始標距的百分比，即：lk-l0l0×100%δ=lk——試樣拉斷后的標距,mm;l0——試樣的原始標距,mm。四、塑性的衡量（塑性指標）：伸長率δ和斷面收縮率Ψ

2）斷面收縮率（Ψ

）斷面收縮率是指試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積的百分比，即：A0-AkA0Ψ=×100%A0——試樣原始橫截面積,mm2；A1——試樣斷裂處的最小橫截面積,mm2

。δ、ψ越大，材料塑性越好。1.布氏硬度HB

用直徑D的淬火鋼球或硬質合金球,在一定壓力P下,將鋼球垂直地壓入金屬表面,并保持壓力到規定的時間后卸荷,測壓痕直徑d.

布氏硬度試驗原理圖第二節硬度

硬度:材料抵抗更硬的物體壓入其內的能力。

測量硬度方法最常用的是壓入硬度法，它是用一定幾何形狀的壓頭，在一定試驗力下，壓入被測試的金屬材料表面，根據被壓入程度來測定其硬度值。用同樣的壓頭，在相同試驗力作用下，壓入金屬材料表面時，若壓入程度愈大，則材料的硬度值愈低；反之，硬度值就愈高。

金屬材料的硬度可用硬度儀來測試，常用的硬指標有布氏硬度、洛氏硬度等。

１、布氏硬度

用直徑為D的球體（硬質合金球或鋼球），在規定試驗力F的作用下壓入被測金屬的表面，保持規定時間后卸除載荷，測量試樣表面壓痕的直徑d，由此計算壓痕的球缺面積S，用壓痕單位面積的平均壓力（F/S）作為測試金屬的布氏硬度值。

測定條件：壓頭為淬火鋼球時,以HBS表示,可測<450的材料；壓頭為硬質合金時,以HBW表示,可測<650的材料。壓頭直徑有10、5、2.5、2、1mm五種。布氏硬度計

計算公式：

壓頭是直徑為D的鋼球或硬質合金球。壓頭直徑有10、5、2.5、2、1mm五種。布氏硬度表示方法：硬度符號HBS或HBW之前的數字表示硬度值，符號后面的數字按順序分別表示球體直徑mm、載荷kgf（N）及載荷保持時間。

如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s，測得的布氏硬度值為120。600HBW1/30/20表示用直徑1mm的硬質合金球，在３０kgf（292.4N）載荷作用下保持２０s，測得的布氏硬度值為600。布氏硬度的優點：測量誤差小，數據穩定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量灰鑄鐵、非鐵合金及較軟鋼材的硬度。另外：材料的b與HB之間的經驗關系：對于低碳鋼:b(１MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：b(１MPa)≈3.4HB

對于灰鑄鐵：b(１MPa)≈1HB或b(１MPa)≈0.6(HB-40)優缺點：

材料布氏硬度鋼、鎳合金、鈦合金３０鑄鐵<14010>14030銅及其合金<3535-200>20051030輕金屬及其合金<3535-80>802.510(5、15)10(或15)鉛、錫1２、洛氏硬度

用一個頂角1200的金剛石圓錐體或一定直徑的鋼球或硬質合金球為壓頭，在規定試驗力作用下壓入被測試金屬表面，由壓頭在金屬表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值。洛氏硬度計

3-3為卸除主試驗力后，由于被測試金屬彈性變形恢復，而使壓頭略為提高時的位置。這時，壓頭實際壓入試樣的深度為h3。故由主試驗力引起的塑性變形而產生的殘余壓痕深度h=h3-h1，并以此來衡量被測試金屬的硬度。上圖表示金剛石圓錐壓頭的金屬洛氏硬度試驗原理。圖中0-0為圓錐壓頭的初始位置；1-1為在初試驗力作用下，壓頭壓入深度為h1時的位置；2-2為在總試驗力（初試驗力+主試驗力）作用下，壓頭壓入深度為h2時的位置；h（h=h3-h1

）愈大，被測試金屬的硬度愈低；反之，則愈高。根據h值及常數N和S，用下式計算洛氏硬度：

洛氏硬度＝N–h/SN—給定標尺的數值，A、C標尺為100；B標尺為130。S-給定標尺的單位，通常取0.002mm；h—殘余壓痕深度mm。洛氏硬度的分類及應用標尺硬度符號壓頭總載荷（kg）(N)應用范圍適用材料AHRA120o金剛石圓錐60（588.4N）70~85硬質合金、表面淬火的鋼BHRBΦ1.588mm鋼球100(980.7N)25~100軟鋼、退火鋼、銅合金CHRC120o金剛石圓錐150(1471N)20~67淬火鋼、調質鋼等

洛氏硬度符號為HR，其中HRC應用最廣，測量范圍是20～70。例如某零件硬度50HRC，表示用C標尺測定該零件表面的洛氏硬度值為50。

實際測量時，硬度值一般均由硬度計的刻度盤上直接讀出。

優點：是操作迅速簡便，由于壓痕較小，可在成品表面或較薄的金屬上進行試驗。同時，采用不同標尺，可測出從極軟到極硬材料的硬度。

缺點：是因壓痕較小，對組織比較粗大且不均勻的材料，測得的硬度不夠準確。故需測定三點，取其算術平均值。

一般用于測試淬火鋼。

三、維氏硬度

用一個金剛石正四棱錐體壓頭，在規定試驗力F作用下壓入被測試金屬表面，保持一定時間后卸除試驗力，然后再測量壓痕投影的兩對角線的平均長度d，進而計算出壓痕的表面積S，用F/S作為被測試金屬的硬度值，符號HV。

數顯維氏硬度計

維氏硬度符號HV之前的數值為硬度值，HV后面的數值依次表示試驗力值（單位為kgf）和試驗力保持時間（保持時間為10-15s時不標注）例如：640HV30表示在試驗力294.2N下，保持10-15s測得的維氏硬度值為640。

640HV30/20表示在試驗力為294.2N下，保持20S測得的維氏硬度值為640。

維氏硬度特點：載荷小，壓入深度淺，可測試表面淬硬層及化學熱處理的滲層等。應用：滲碳層、陶瓷、鋼、有色金屬、薄板、金屬薄片、電鍍層、微小物體材料，熱處理碳化層、脫碳層和淬火硬化層的硬度測量。第三節沖擊韌度

沖擊載荷：以很大速度作用于工件上的載荷。受沖擊載荷作用的零件：沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、內燃機的活塞銷與連桿、風動工具。對于承受沖擊載荷的零件來說，僅具有足夠的靜載強度指標是不夠的，還必須具有足夠抵抗沖擊載荷的能力

沖擊韌性：金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗破壞的能力。沖擊試驗的標淮試樣有兩種，如下圖所示：夏比U型缺口試樣夏比V型缺口試樣

試驗方法

：試驗時，將試樣放在試驗機兩支座上，把質量為m的擺錘抬到H高度，使擺錘具有位能mHg(g為重力加速度)。然后釋放擺錘，將試樣沖斷，并向另一方向升高到h高度，這時擺錘具有位能為mhg。故擺錘沖斷試樣失去的位能為mHg-mhg，這就是試樣變形和斷裂所消耗的功，稱為沖擊吸收功Ak。即

AK=mgH-mgh根據兩種試樣缺口形狀不同，沖擊吸收功分別用AKU和AKV表示，單位為焦耳（J）。

脆性材料：沖擊吸收功值低的材料韌性材料：沖擊吸收功值高的材料沖擊試驗的應用：測定金屬材料開始發生冷脆現象的溫度

冷脆現象：有些材料在室溫20度左右試驗時并不顯示脆性，而在低溫下則可能發生脆斷。

從上圖可知，沖擊吸收功隨溫度的降低而減小，當試驗溫度降低到某一溫度范圍時，沖擊吸收功急劇降低，使試樣的斷口由韌性斷口過渡為脆性斷口，這個溫度范圍稱為韌脆轉變溫度范圍。TITANIC建造中的Titanic號TITANIC的沉沒與船體材料的質量直接有關

Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結果脆性材料：在斷裂前無明顯的塑性變形，斷口較平整、呈晶狀或瓷