第一章 材料的性能
我们在选用材料时，首先必须考虑的就是材料的有关性能，使之与构件的使用要求相匹配。材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在使用过程中所表现的性能，包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能是指材料在加工过程中所表现的性能，包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。
由于力学性能是结构件选材的主要依据，因此本章主要介绍材料的力学性能。
第一节 材料的力学性能
材料在加工和使用过程中，总要受到外力作用。材料受外力作用时所表现的性能称为力学性能（又称机械性能），如强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形，外力去处后不能够恢复的变形称为塑性变形。 一、弹性与刚度
评价材料力学性能最简单和最有效的办法就是测定材料的拉伸曲线。将标准试样(见图1-1)施加一单轴拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样伸长率 (试样原始标距的伸长与原始标距之比的百分率）随应力(试验期间任一时刻的力除以试样原始横截面积之商）变化的关系曲线，称为应力-应变曲线,图1-2为低碳钢的应力-应变曲线。
图1-1 圆形标准拉伸试样
图1-2 低碳钢的应力-应变曲线
在应力-应变曲线中，OA段为弹性变形阶段，此时卸掉载荷，试样恢复到原来尺寸。A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限。其中OA’部分为一斜直线，应力与应变呈比例关系，A’点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限。由于大多数材料的A点和A’点几乎重合在一起，一般不作区分。
在弹性变形范围内，应力与伸长率的比值称为弹性模量E。E实际上是OA线段的斜率：E?tg?(MPa)，其物理意义是产生单位弹性变形时所需应力的大小。弹性模量是材料最稳定的性质之一，它的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，其指标即为弹性模量。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 二、强度与塑性 1、强度
材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据加载方式不同，强度指标有许多种，如抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。其中以拉伸试验测得的屈服强度和抗拉强度两个指标应用最多。 ⑴ 屈服强度
在图1-2中, 应力超过B点后, 材料将发生塑性变形。在BC段，塑性变形发生而力不增加，这种现象称为屈服。B点所对应的应力称为屈服强度（? S）。屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标之一。实际上多数材料的屈服强度不是很明显的，
因此规定拉伸时产生0.2% 残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为Rr0.2(? 0.2)，如图1-3所示。(注：括弧内为旧标准符号，下同）
⑵ 抗拉强度Rm（?b）
图1-3 条件屈服强度的确定
图1-2中的CD段为均匀塑性变形阶段。在这一阶段，应力随应变增加而增加，产生应变强化。变形超过D点后，试样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加，应力明显下降，并迅速在E点断裂。D点所对应的应力为材料断裂前所承受的最大应力，称为抗拉强度Rm。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计和评价材料的重要指标。 2、塑性
塑性是指材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力，指标为断后伸长率和断面收缩率。
试样被拉断后，标距部分的残余伸长与原始标距之比的百分率称为断后伸长
L?L0l?lA?u?100%??10?100%L0(l0)为原始标距，Lu(l1)L0l0率A(?)。()。式中，为断后标距。
试样断裂后，断口处横截面积的减少值与原始横截面积的比值称为断面收缩
S?SuF?F1Z?0?100%??0?100%SF00率Z(?)。()。式中，S0(F0)为原始横截面积，Su(F1)为断后最小横截面积。
显然，A与Z值越大，材料的塑性越好。两者相比，用Z 表示塑性比A 更
接近于真实应变。当A＞Z时，试样无颈缩，是脆性材料的表征，反之，A＜Z时，试样有颈缩，是塑性材料的表征。试样d(d0)不变时，随L0增加，A下降，只有当L0/d为常数时，不同材料的伸长率才有可比性。当L0?11.3S0时，断后伸
长率用A11.3(?10) 表示，当L0?5.65S0时，断后伸长率用A(?5)表示，很明显，A＞A11.3。
从拉伸曲线我们还可以得到材料韧性的信息，所谓材料的韧性是指材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量，具体地说就是拉伸曲线与横坐标所包围的面积。 三、硬度
硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力，现在多用压入法测定。根据测量方法不同，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。用各种方法所测得的硬度值不能直接比较，可通过硬度对照表换算。 1、布氏硬度
布氏硬度的试验原理如图1-4所示。将直径为D的钢球或硬质合金球，在一定载荷P的作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表面积的比值即为布氏硬度。布氏硬度值可通过测量压痕平均直径d查表得到。
当压头为钢球时,布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金时用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。
布氏硬度的优点是测量误差小、数据稳定；缺点是压痕大，不能用于太薄件或成品件。最常用的钢球压头适于测定退火钢、正火钢、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。
材料的Rm（?b）与HB之间的经验关系为： 对于低碳钢：Rm（MPa）≈3.6HB 对于高碳钢：Rm（MPa）≈3.4HB 对于灰铸铁：Rm（MPa）≈1HB 或 Rm（MPa）≈0.6（HB-40）
图1-4 布氏硬度的试验原理
2、洛氏硬度
洛氏硬度的试验原理如图1-5所示。在初载荷和总载荷（初载荷与主载荷之和）的先后作用下，将压头（金刚石圆锥体或钢球）压入试样表面，保持一定时间后卸除主载荷，用测量的残余压痕深度增量(h1?h0)计算硬度值（h0为初载荷压入的深度，h1为卸除主载荷后残余压痕的深度）。洛氏硬度用符号HR表示，根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C，如表1-1所示。符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺，如50HRC表示用C标尺测定的洛氏硬度值为50。
图1-5 洛氏硬度的试验原理
表1-1 常用洛氏硬度的符号、试验条件及应用
硬度标尺 硬度 符号 P0/N A B C HRA HRB HRC 金刚石圆锥 1.588mm钢球 金刚石圆锥 98.07 98.07 98.07 490.3 882.6 1373 100 130 100 黑色 红色 黑色 20~88 20~100 20~70 碳化物、硬质合金、表面淬火钢等 软钢、退火钢、铜合金等 淬火钢、调质钢等 初载荷 主载荷 P1/N 表盘刻度颜色 压头类型 K 硬度范围 应用举例