1.3　金属材料的力学性能

1.3.1　术语

①应力　试验期间任一时刻的作用力Fm除以试样原始横截面积S0之商，单位为MPa（N/mm2），包括正应力、切应力、轴向应力和横向应力等。

②弹性模量　低于比例极限的应力与相应应变的比值，一般用符号“E”表示。

③剪切模量　切应力与切应变成线性比例关系范围内切应力与切应变之比，一般用符号“G”表示。

④泊松比　低于材料比例极限的轴向应力所产生的横向应变与相应轴向应变的负比值，一般用符号“μ”表示。

⑤最大扭矩　屈服阶段之后所能承受的最大扭矩，对于无明显屈服（连续屈服）的金属材料，为试验期间的最大扭矩。

1.3.2　强度

强度是金属在一定温度条件下承受外力作用时，抵抗变形和断裂的极限能力，可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗扭强度、屈服强度等。

①抗拉强度Rm　表示金属在静拉伸条件下的最大承载能力（对于脆性材料，它反映了材料的断裂抗力），单位为MPa（N/mm2）。以下未注明单位时同此。

②抗压强度Rmc　指材料在压裂前所能承受的最大应力值。对于脆性材料，指试样压至破坏过程中的最大压缩应力；对于在压缩中不以粉碎性破裂而失效的塑性材料，抗压强度则取决于规定应变和试样几何形状。

③抗剪强度Rτ　指材料在剪断前所能承受的最大应力值。

④抗弯强度Rbb　指材料在弯断前所能承受的最大应力值，即弯曲试验中试样破坏时拉伸侧表面的最大正应力。

⑤抗扭强度τb　指材料在扭断前所能承受的最大剪切应力值。

⑥屈服强度Re　指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。

上屈服强度ReH：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，对应上屈服力FeH；

下屈服强度ReL：试样在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力，对应下屈服力FeL。

⑦规定非比例延伸强度Rp　指非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，使用的符号应附以下脚注说明所规定的百分率，例如Rp0.2，表示规定非比例延伸率为0.2%时的应力。

⑧疲劳强度σN　很多机械零件在交变应力作用下工作一段时间后会发生断裂，而交变应力大小和断裂循环次数之间的有一定的关系。在实际工作中，常把循环次数达到某一数值（常用钢材的循环基数为107，非铁金属和某些超高强度钢的循环基数为108）时不发生断裂的最高应力称为疲劳强度。

1.3.3　塑性

塑性表示金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力，通常以伸长率A和试样断面收缩率Z表示。

①断后伸长率A　材料受拉力作用断裂时，试棒伸长的长度（Lu-L0）与原来长度L0的百分比（%）。

GB/T 228.1—2010规定，拉伸试样分比例试样和非比例试样两种。比例试样的原始标距L0与原始横截面积S0的关系是L0=k。比例系数k=5.65时称为短比例试样（国际上使用的比例系数），k=11.3时称为长比例试样。对于后者，其断后伸长率应标成A11.3。

对于非比例试样，符号A应附以下脚注说明所使用的原始标距，mm。例如，A80mm表示原始标距（L0）为80mm的断后伸长率。

②断面收缩率Z　材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积（S0-Su）与原始断面积S0的百分比（%）。断后伸长率和断面收缩率越大，表示材料的延性越好。

GB/T 228.1—2010《金属材料　拉伸试验　第1部分：室温试验方法》中的力学性能名称和符号与GB/T 228—2002标准有所不同，但是与GB/T 228—1987相比差异很大。为了大家在参考其他资料时方便，现将金属材料力学性能名称和符号新旧对照列于表1.6。

1.3.4　硬度

硬度是材料抵抗变形，特别是压痕或划痕形成的永久变形的能力。常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

①布氏硬度HB　布氏硬度有HBS和HBW两种表示方法。

HBS表示压头为淬硬钢球，用于测定布氏硬度值在450以下的材料，如软钢、灰铸铁和非铁金属等。

HBW表示压头为硬质合金，用于测定布氏硬度值在650以下的材料。

布氏硬度的表示方法：HBS或HBW之前的数字为硬度值，后面按顺序用数字表示试验条件：压头的球体直径/试验载荷/试验载荷保持的时间（10～15s不标注）。

例如：170HBS10/1000/30表示用直径10mm的钢球，在9807N（1000kgf）的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。而530HBW5/750表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N（750kgf）的试验载荷作用下，保持10～15s时测得的布氏硬度值为530。

②洛氏硬度HR　材料抵抗通过硬质合金或钢球压头，或对应某一标尺的金刚石圆锥体压头，施加试验力所产生永久压痕变形的度量，其值没有单位。洛氏硬度有三种：HRA（金刚石圆锥压头），适用范围为20～88；HRB（ϕ1.588mm钢球压头），适用范围为20～100；HRC（金刚石圆锥压头），适用范围为20～70。

③维氏硬度HV　材料抵抗通过金刚石正四棱锥体压头，施加试验力所产生永久压痕变形的度量单位［HV=0.102×试验力（N）/永久压痕的表面积（mm2）］。

这种方法可用于测定很薄金属材料的表面层硬度，测量范围为5～1000。例如640HV30/20表示用30kgf（294.2N）保持20s，测定的维氏硬度值为640（MPa）。它具有布氏、洛氏法的主要优点，而克服了它们的基本缺点，但不如洛氏法简便。

1.3.5　韧性

韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，有断裂韧性与冲击韧性之分。

①断裂韧性是材料阻止宏观裂纹失稳扩展能力的度量，也是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关，而和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所做的功表示。

②冲击韧性表示金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，用摆锤弯曲冲击试验测定。将质量为m的摆锤提升到h1高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断，并升到h2高度，冲断试样所消耗的功为Ak=mg（h1-h2），J。金属的冲击韧性αk就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功，即αk=Ak/A（J/cm2）（A为试样缺口处原始截面积，cm2）。

冲击试验中常用到冲击吸收能量，是指规定形状和尺寸的试样，在摆锤刀刃冲击试验力一次作用下折断时所吸收的能量。U形缺口时用KUx表示，V形缺口时用KVx表示（其中“x”表示刀刃宽度，可为2mm或8mm），单位为J。

1.3.6　弹性

弹性是指物体在外力作用下发生形变，当外力撤销后能恢复原来大小和形状的性质。在固体力学中弹性是指当应力被移除后，材料恢复到变形前的状态。线性弹性材料的形变与外加的载荷成正比。在一定的限度以内，物体所受的外力撤销后，能够恢复原来的大小和形状；在限度以外则不能恢复原状，这个限度叫弹性极限。