工程设计与加工处理所需要的材料性能

1.2　工程设计与加工处理所需要的材料性能

1.2.1　整机性能、零部件性能与材料性能的关系

机器是零件（或部件）间有确定的相对运动、用来转换或利用机械能的机械。机器由零件、部件（为若干零件的组合，具备一定功能）组成一个整体，因此一台机器的整机性能除了与机器构造、制造加工等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键零部件的性能。

如金属切削机床要能对金属坯料或工件进行有效而高质量的加工，其主轴组件、支承件（如床身等）、导轨及传动装置等必须处于良好的工作状态。主轴的刚度、强度或韧度不足，导轨的磨损，以及传动齿轮的破损或失效，都会影响机床的正常工作，甚至无法进行切削加工。柴油机是以柴油作为燃料的往复活塞式内燃机，靠燃油在气缸内经高温高压的空气雾化、压缩、自动燃烧所释放的能量推动活塞作往复运动，并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功，柴油机的性能主要由喷油系统（喷油泵）、连杆、曲轴、活塞及气缸的性能所决定。因此，可以认为，在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其零部件的强度及其他相关性能来决定，而零部件的性能又主要取决于所用材料的性能。

如机械零件的强度一般表现为短时承载能力和长期使用寿命。它是由许多因素确定的，其中结构因素、加工处理因素和材料因素起主要作用，使用因素对寿命也起很大作用。结构因素指零件在整机中的作用、零件的形状和尺寸，以及与其他连接件的配合关系等；加工处理因素指全部加工处理过程中对零件强度所产生的影响；材料因素指材料的成分、组织与性能。上述三个因素各自有独立的作用，但又相互影响，在解决与零件强度有关的问题时必须综合加以考虑。在结构因素和加工处理因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、质量、性能和寿命主要由材料因素即材料的强度及其他力学性能所决定。

在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择材料的强度等力学性能判据指标来进行定量计算，以确定产品的结构和零件的形状尺寸。

1.2.2　机械工程材料的使用性能

材料的使用性能——材料在使用过程中所具有的功能，包括力学性能和理化性能。

1.材料的力学性能

材料的力学性能即抵抗各种外力的能力，它是指材料在不同环境因素（如温度、介质等）下，承受外加载荷作用时所表现的行为，这种行为通常表现为材料的变形和断裂。因此，材料的力学性能也可以理解为材料抵抗外加载荷引起变形和断裂的能力。当外加载荷的性质、环境温度与介质等外在因素不同时，对材料要求的力学性能要求也不相同。室温下常用的力学性能有强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧度、断裂韧度和疲劳极限等。

GB/T　228—2002《金属材料　室温拉伸实验方法》中已将不少力学性能的符号改用其他符号，常见新旧标准力学性能名称和符号见表1－1。由于目前与力学性能相关的课程或书籍文献中，大部分沿用旧标准，故本书依然采用旧标准的符号。

表1－1　常见新旧标准力学性能名称和符号对照

1）拉伸试验和应力－应变曲线

图1－2所示为退火低碳钢的拉伸应力－应变图（GB/T　6397—1986）。

图中，应力σ＝P/F₀，应变ε＝Δl/l₀，P为外力，F0为试样横截面积，l₀为试件标距长，Δl为试件变形过程中和P对应的总伸长（l₀－l₁），l₁为断裂后的标距长度，δ_E为伸长率（总塑性应变），ε_E为E点时的总应变（含弹性及塑性应变）。

在图1－2所示的σ－ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，随载荷的增加，试样的变形增大；若去除外力，变形完全恢复，这种变形称为弹性变形，其应变值很小，A点的应力σ_e称为弹性极限，为材料不产生永久变形的可承受的最大应力值，是弹性零件的设计依据。OA线中OA′段为一斜直线，在OA′段，应变与应力始终成比例，所以A′点的应力σ_P称为比例极限，即应变量与应力成比例所对应的最大应力值。由于A点和A′点很接近，一般不作区分。

2）弹性和刚度

材料在弹性范围内，应力与应变的比值（σ/ε）称为弹性模量E（在曲线上表现为OA段的斜率），即

图1－2　退火低碳钢的拉伸应力－应变图

式中，E反映了材料抵抗弹性变形的能力，即材料刚度的大小，为刚度的度量指标。金属材料的E值主要取决于材料的本性，与显微组织关系较小，一些加工处理方法（如热处理，冷、热加工，合金化等）对它的影响很小。零件或结构一般在工作中不允许产生过量的弹性变形，否则，将不能保证精度要求，提高零件刚度的办法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度升高逐渐降低。材料的弹性模量E与其密度ρ的比值（E/ρ）称为比刚度或比模量。比刚度大的材料（如铝合金、钛合金、碳纤维增强复合材料等）在航空航天工业上得到了广泛应用。

图1－3　铸铁的拉伸曲线

3）强度、塑性和黏弹性

（1）强度　强度是材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度等，其中，以拉伸试验所得的抗拉强度指标的应用最为广泛。

在图1－2中，当试验应力σ超过A点时，试件除产生弹性变形外还产生塑性变形；在BC段，应力几乎不增加，但应变大量增加，称之为屈服。B点的应力σ_s称为屈服强度，即

式中:Ps为试棒产生屈服时所承受的最大外力；F0为试棒原始横截面积。

有些塑性材料没有明显的屈服现象发生，对这种情况用试件标定距离（标距）范围内产生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，也称为名义（或条件）屈服强度，如图1－3所示。屈服强度表示了材料由弹性变形阶段过渡到弹－塑性变形阶段的临界应力，亦即材料抵抗微量塑性变形的抗力。由于很多零件在工作时不允许产生塑性变形，因此屈服强度是零件设计的主要依据，也是材料最重要的强度指标。

材料发生屈服后，试样应变的增加有赖于应力的增加，材料进入强化阶段（称为应变强化或加工硬化），如图1－2中的CD段所示，在此阶段，试样的变形为均匀变形。到D点应力达最大值σ_b。D点以后，试件在某个局部的横截面发生明显收缩，出现“颈缩”现象，此时试样产生不均匀变形，由于试样横截面积的锐减，维持变形所需要的应力明显下降，并在E点处发生断裂。最大应力值σ_b称为抗拉强度，它是材料抵抗均匀变形和断裂所能承受的最大应力值，即

式中:Pb为试棒拉断前承受的最大外力。

σ_b也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。σ_b测量方便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考虑，或者是用低塑性材料或脆性材料制造零件，都可用σ_b作为设计依据，但所取安全系数要大些。绳类产品可选σ_b作设计依据。

在航空航天及汽车工业中，为了减轻零件的自重，在产品和零件设计时经常采用比强度的概念。材料的强度指标与其密度的比值称为比强度（σ_b/ρ）。强度相等时，材料的密度越小，比强度越大。另外，屈强比（σ_s/σ_b）表征了材料强度潜力的发挥、利用程度和该种材料所制零件工作时的安全程度。

（2）塑性　塑性是材料在外力作用下产生塑性变形（外力去除后不能恢复的变形）而不断裂的能力。

材料的常用塑性指标有断后伸长率（或伸长率）和断面收缩率。

伸长率即断后总伸长率，以δ表示，即

式中:l₀为标距原长；l₁为断裂后的标距长度。

断面收缩率以ψ表示，即

式中:F₀为试件原始横截面积；F₁为断口处的横截面积。

同一材料的试样长短不同，测得的δ略有不同。如l₀为试样原始直径d₀的10倍，则伸长率常记为δ₁₀（此时常简写成δ）。考虑到材料塑性变形时可能有颈缩行为，故ψ能较真实地反映材料的塑性好坏（但均不能直接用于工程计算）。

良好的塑性能降低应力集中，使应力松弛，吸收冲击能，产生形变强化，提高零件的可靠性，同时有利于压力加工，这对工程应用和材料的加工都具有重大意义。

（3）黏弹性　理想的弹性材料在加载时（加载应力不超过材料的弹性极限）立即产生弹性变形，卸载时变形立即消失，应变和应力是同步发生的。但实际工程材料尤其是高分子材料，加载时应变不是立即达到平衡值，卸载时变形也不立即消失，应变总是落后于应力，这种应变滞后于应力的现象称为黏弹性。具有黏弹性的物质，其应变不仅与应力大小有关，而且与加载速度和保持载荷的时间有关。

必须指出的是，上述退火低碳钢的应力－应变曲线是一种最典型的情形，几种典型材料室温时的应力－应变曲线比较如图1－4所示。

图1－4　几种典型材料室温时的应力－应变曲线

1—高碳钢；2—低合金结构钢；3—黄铜；4—陶瓷、玻璃类材料；

5—橡胶；6—工程塑料

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拉伸试验及试验机

拉伸试验是材料力学性能测试中最常见试验方法之一。试验中的弹性变形、塑性变形、断裂等各阶段真实反映了材料抵抗外力作用的全过程。它具有简单易行、试样制备方便等特点。拉伸试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制，以及设备的安全和评估都有很重要的应用价值和参考价值。

金属拉伸试验的步骤可参见ASTM　E－8标准。

WDW—5型电子拉力试验机的特点:采用国际流行的主机结构、进口伺服调速系统和日本松下电机、德国进口减速机、德国进口滚珠丝杠，整体结构完美，性能先进。试验机PC机控制系统实现了试验力、试样变形、横梁位移等参数的闭环控制，可实现试验力、试验力峰值、横梁位移、试样变形及试验曲线的屏幕显示，同时，进行数据自动处理、处理结果的储存、试验报告的打印。可增配不同规格的传感器、引伸计和夹具，拓宽测量范围，从而实现一机多用。超过最大负荷5%～10%（可设定）时机器自动停机，其外形如图1－5所示。

图1－5　WDW—5型电子拉力试验机

其适用范围:质量监督、教学科研、航空航天、车辆制造、钢铁冶金、机械制造、石油化工、电线电缆、医疗器械、纺织、橡胶、塑料、家电、建材等试验领域。广泛用于金属、非金属材料的拉、压、弯、剪等力学性能试验；通过配置种类繁多的附具，还可用于型材和构件的力学性能试验。

（资料来源:http://zhidao.baidu.com/question/；http://www.bai17.com/html/2009513/）

4）硬度

硬度是反映材料软硬程度的一种性能指标，它表示材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。测定硬度的试验方法有十多种，但基本上均可分为压入法和刻划法两大类，其中压入法较为常用。

（1）布氏硬度　布氏硬度的试验原理、方法与条件在GB/T　231.1—2002《金属布氏硬度试验方法》中有详细说明。如图1－6所示，用一定直径D的淬硬钢球或硬质合金球（即压头），以相应的试验载荷p压入试样表面，经规定的保持时间，卸载后测量试样表面的压痕直径d，计算出压痕表面积，进而得到所承受的平均应力值，即为布氏硬度值，记作HB。

具体试验时，硬度值可据实测的d按已知的p、D值查表求得。当压头为淬火钢球时用HBS表示，适用于布氏硬度低于450以下的材料，如记为230HBS等；当压头选为硬质合金球时用HBW表示，适用于布氏硬度在450以上、650以下的材料，如记为550HBW等。如钢球直径为10mm，载荷为29　400N（3　000kgf），保持10s，硬度值为200，可记为200HBS10/3　000/10，此时也常简单表示为200HBS或200HB。

布氏硬度试验的优点是因压痕面积大，测量结果误差小，且与强度之间有较好的对应关系，故有代表性和重复性。但同时也因压痕面积大而不适宜于成品零件及薄而小的零件。

（2）洛氏硬度　GB/T　230.1—2004《金属洛氏硬度试验方法》详细说明了洛氏硬度的测试原理、方法与条件。如图1－7所示，洛氏硬度是采用一定规格的压头，在一定载荷作用下压入试样表面，然后测定压痕的残余深度来计算并表示其硬度值，记为HR。实际测量时可直接从硬度计表盘上读得硬度值（现在硬度计上也有配备数字显示的），十分方便。

为测定不同材料与工件的硬度，采用不同的压头（不同的压头材料与压头的形状尺寸）和载荷的组合可获得不同的洛氏硬度标尺。每一种标尺用一个字母写在硬度符号HR之后，其中HRA、HRB、HRC最常用，其数字置于HR之前，如60HRC、75HRA等。常用洛氏硬度标尺的试验条件与应用范围见表1－2。

表1－2　常用洛氏硬度标尺的试验条件与应用范围

洛氏硬度试验在力学性能试验中是最迅速、最简便、最经济的试验方法。但因压痕较小，使代表性、重复性较差，数据分散度也较大。

（3）其他硬度　为了测试一些特殊对象的硬度，工程上还有一些其他硬度试验方法。

①维氏硬度HV:如图1－8所示，试验原理同布氏硬度，不同点是压头为锥面夹角为136°金刚石四方角锥，所加负荷较小并可在较大范围内可调，主要用于薄工件或薄表面硬化层的硬度测试，参照GB/T　4340.1—1999《金属维氏硬度试验方法》进行。

②显微硬度HM（也可用HV表示）:实质为小负荷的维氏硬度，用于材料微区硬度（如单个晶粒、夹杂物、某种组成相等）、表面硬化层及脆性材料的硬度测试。

③莫氏硬度:这是一种以材料抵抗刻划的能力作为衡量指标，用于陶瓷和矿物的硬度测定。该硬度的标尺是选定十种不同的矿物，从软到硬将莫氏硬度分为10级（或更多），如金刚石硬度对应于莫氏硬度10级，滑石则为1级。

④邵氏（A型）硬度（HA）:在规定的试验条件下用标准弹簧压力将硬度计上的钝形压针压入试样时，指针所表示的硬度度数（0～100），常用于橡胶、塑料的测定（塑料的硬度还常用相应的布氏硬度和洛氏硬度法来测定）。其外形如图1－9所示。

⑤里氏硬度:试验按GB/T　17394—1998《金属里氏硬度试验方法》进行，测量时将笔形里氏硬度计的冲击装置用弹簧力加载后定位于被测位置，自动冲击后，即可由硬度计显示系统读出硬度值，用符号HL表示，其定义为冲击体回弹速度与冲击速度之比乘以1　000。里氏硬度计是一种小型便携式硬度计，操作方便，适合一定尺寸工件的现场测试。

由于各种硬度的试验条件不同，故相互间无理论换算关系。但通过实践发现，在一定条件下存在着某种粗略的经验换算关系。如在200～600HBS（HBW）内，HRC≈1/10HBS（HBW）；在小于450HBS时，HBS≈HV。这为设计选材与质量控制提供了一定的方便。

硬度测试有以下优点:①试验设备简单，操作迅速方便；②试验时一般不破坏成品零件，因而无须加工专门的试样，测试对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；③硬度作为一种综合的性能参量，与其他力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，特别是对塑性材料可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；④材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；⑤硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工制品的质量要求。

故硬度测试在很多情况下，可以完成其他力学性能试验所不能完成的工作，故广泛应用。

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1.布氏硬度计

HB—3000布氏硬度计（见图1－6）特点:构造坚固、刚性好、精确、可靠、耐用，测试效率高；采用机械式换向开关；具有测试精度高，测量范围宽等特点；高精度读数显微镜测量系统。采用10mm直径球压头，3　000kg试验力，其压痕面积较大，能反映较大范围内金属各组成相综合影响的平均值，面不受个别组成相及微小不均匀度的影响，因此特别适用于测定灰铸铁、非铁合金、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料。它的试验数据稳定，重现性好，精度高于洛氏，低于维氏。

图1－6　布氏硬度计

2.洛氏硬度计

HR－150A型洛氏硬度计（见图1－7）特点:不需电源手动操作、纯机械加载方式、精密油压缓冲器，加载速度可调；精确、可靠、耐用，测试效率高；表盘直接读HRA、HRB、HRC标尺；精度符合GB/T　230.2、ISO　6508－2和美国ASTM　E18。

3.维氏硬度计

MC010－HVST－5Z电脑全功能维氏硬度计（见图1－8）具有良好的可靠性，可操作性和直观性，是采用精密机械技术、光电技术、图形图像处理技术和材料硬度分析软件的新型维氏和努普硬度测试仪器。它能调节测量光源强弱，预置试验力保持时间、维氏和努氏试验方法切换、文件号与储存等。在软键面板上的LCD大显示屏能显示试验方式、试验力、压痕测量长度、硬度值、试验力保持时间、测量次数并能键入年、月、日，其试验结果可通过微型打印机输出，也可通过RS232接口与计算机联网。通过面板输入测量压痕对角线长度、屏幕直接读出硬度值，简化了查表。能对所测压痕和材料金相组织进行拍摄，数据分析及读取，使测量过程更加方便快捷。

图1－7　洛氏硬度计

图1－8　维氏硬度计

图1－9　邵氏硬度计HT－6510A

其适用范围:热处理、碳化、淬火硬化层，表面覆层，钢，非铁合金和微小及薄形零件等的显微硬度，配备努氏压头后能测定玻璃、陶瓷、玛瑙、人造宝石等较脆而又材料硬的努氏硬度。

4.邵氏硬度计

邵氏硬度计HT－6510A（见图1－9）用来测量软塑料、橡胶、合成橡胶、毡、皮革、打印胶辊的硬度（邵氏D型硬度计用来测量包括硬塑料和硬橡胶的硬度，例如:热塑性塑料，硬树脂，地板材料，保龄球等，特别适合于现场对橡胶和塑料成品的硬度测量）。

显示参数:硬度值，平均值，最大值。自动关机，带有RS232C接口，使用环境:温度为0～40℃；湿度为10%～90%RH。电源:4节7号电池。外形尺寸:162mm×65mm×28mm。

测量范围:0～100HA。测量误差:在20～90HA内，HA≤±1HA。分辨率:0.2HA。

符合以下标准:《邵氏硬度计》检定规程JJG　304—1989；《邵尔A型橡胶袖珍硬度计技术条件》HG　2369—1992；《硫化橡胶邵氏A硬度试验方法》GB/T　531—1992；ISO　7619（国际）；ASTMD2240（美国）；JISK7215（日本）。

（资料来源:http://www.ythuayin.com/web_files/；http://www.yr1718.net/；http://www.testmart.cn/ProductFile/）

5）冲击韧度

在一定温度下材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为冲击韧度，为强度和塑性的综合指标，反义为脆性。如图1－10所示，常采用摆锤冲击试验一次性冲断标准缺口试样（GB/T　229—2007）所做的总功AK（单位为J）来表示材料冲击韧度的大小，也可用AK除以试样缺口处截面积F₀得冲击韧度（用a_K表示，单位为J/cm²），试样为U型缺口时，可记为a_Ku；为V型缺口时，可记为a_Kv。AK值对材料的夹杂物等缺陷及晶粒大小十分敏感。一般把冲击韧度值低的材料称为脆性材料，冲击韧度值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，韧性材料在断裂前有明显的塑性变形。反映在图1－2中，拉伸曲线与横坐标所包围的面积越大，则材料的韧度就越好。

图1－10　冲击试验示意图

1—摆锤；2—试样；3—机架；4—指针；5—刻度盘

图1－11　冷脆转变温度

有的材料（如低碳钢）在室温及室温以上处于韧性状态，具有很高的冲击韧度，而在低温下冲击韧性急剧下降，即具有延性－脆性转变现象，其特征温度称为T_K（冷脆或韧脆转变温度），如图1－11所示。金属的韧度一般随加载速度的提高、温度的降低、应力集中程度的加剧以及材料缺陷的增多而减小。

a_K试验值不可直接用于零件的设计与计算，但可用于判断材料的冷脆倾向和不同材质韧度比较，以及评定材料在大能量冲击下的缺口敏感性。

6）疲劳强度

轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间做周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力（也称循环应力）。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作时却可能产生裂纹或突然发生完全断裂，此过程称为材料的疲劳。材料承受的交变应力（σ）与材料断裂前承受的交变应力的循环次数N（疲劳寿命）之间的关系可用疲劳曲线来表示，如图1－12所示。材料承受的交变应力越大，则断裂时应力的循环次数N就越少。当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。对于对称循环交变应力的疲劳强度用σ_－1表示。实际上，材料不可能作无限次交变载荷试验，对于钢铁材料，一般规定应力循环10⁷周次而不断裂的最大应力称为疲劳极限（而非铁合金、不锈钢则取10⁸周次）。

图1－12　疲劳曲线和对称循环交变应力示意图

疲劳断裂属低应力脆断，断裂应力远低于材料静载下的σ_b甚至σ_s，断裂前无明显塑性变形，危险性极大。其断口一般存在裂纹源、裂纹扩展区和最后断裂区三个典型区域。

一般而言，钢铁材料的σ_－1值约为其σ_b的一半，钛合金及高强钢疲劳强度较高，而塑料、陶瓷的疲劳强度则较低。

金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有工作条件（如温度、介质及载荷类型等）、表面状态（如表面粗糙度、应力集中情况、硬化程度等）、材质、残余内应力等。对塑性材料，一般其σ_b越大，则相应的σ_－1就越高。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度，以及采取各种表面强化的方法都能提高零件的疲劳极限。

7）断裂韧度

桥梁、船舶、高压容器、转子等大型构件有时会发生低应力脆断，其名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的伸长率、韧度和屈服强度，但仍可能会破坏。其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷如气孔、夹渣等，裂纹在应力作用下会发生失稳扩展，从而导致机件发生低应力脆断。材料抵抗裂纹失稳扩展而断裂的能力称为断裂韧度。

设有一很大的板件，内有一长为2a的贯通裂纹，当受垂直裂纹面的外力拉伸时，裂纹尖端就是一个应力集中点，而形成应力分布特殊的应力场。裂纹尖端的应力场大小可用应力场强度因子K_I来描述:

式中:Y为与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的量，可查手册得到（本例情况下Y＝）；σ为垂直于裂纹的外加名义应力（MPa）；a为裂纹的半长（m）。

随着外加应力σ的增大，应力场强度因子K_I也不断增大。当K_I增大到某一临界值时，就能使裂纹前沿某一区域内的内应力大到足以使材料分离，导致裂纹扩展，使试样断裂。裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子，用K_IC表示，单位为（MN·m^－3/2），它代表了材料的断裂韧性。

断裂韧度K_IC是材料本身的特性，由材料的成分、组织状态决定，与裂纹的尺寸、形状以及外加应力的大小无关。而应力场强度因子K_I则与外应力大小有关，也同裂纹尺寸有关。当K_I＞K_IC时，裂纹失稳扩展，可导致断裂发生。由此可知，当裂纹尺寸2a一定，且外应力σ＞K_IC/Ya1/2时，裂纹将失稳扩展。当外应力σ一定，且裂纹半长a＞（K_IC/Yσ）²时，裂纹将失稳扩展。因此，可以根据工作应力来确定所允许存在的最大裂纹，也可根据裂纹长度来估算工件允许的最大工作应力。常用材料的断裂韧度值如表1－3所示。

表1－3　常用材料的断裂韧度值

8）高温力学性能

材料在高温下的力学性能的一个重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变是指材料在较高的恒定温度下，当外加应力低于屈服强度时，材料会随着时间的延长逐渐发生缓慢的塑性变形甚至断裂的现象。常用的材料蠕变性能指标为蠕变极限和持久强度。

蠕变极限是指在给定温度T（℃）下和规定的时间t（h）内，使试样产生一定蠕变伸长量所能承受的最大应力，用符号表示。对于电站锅炉、汽轮机叶片等要求精度高的零件，常以为蠕变极限作为选材、设计的依据。例如＝100MPa表示温度为700℃、持续时间为10⁴h时产生蠕变总变形为1%的蠕变极限为100MPa。

持久强度表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力。以试样在给定温度T（℃）下和规定的时间t（h）内不发生断裂所能承受的最大应力作为持久强度，用符号表示。如对高温下只需一定寿命而变形量要求不高的零件，如锅炉管道，可用持久强度评定:例如＝300MPa表示在700℃，持续时间为100h时发生断裂的应力值为300MPa。

2.材料的理化性能

理化性能是材料的物理和化学性能。

1）物理性能

物理性能表征材料固有的物理特征，如密度、熔点、热膨胀性、导电性等。

（1）密度　单位体积物质的质量称为该物质的密度。一般把密度小于5×10³ kg/m³的金属称为轻金属，反之为重金属。对于飞机、车辆等要求减轻自重的机械，采用密度小的金属材料很有必要。尽管铝合金的强度低于钢，但它的相对密度却小得多，比强度较大，用铝合金代替钢制造同一零件，其质量可减小很多。高速柴油机为减小活塞的惯性，采用铝合金制造。强度高、密度小的钛合金在航空与导弹工业上得到广泛应用。

（2）熔点　材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。金属材料的铸造与焊接要利用这个性能。熔点低的合金（易熔合金）可用于制造焊锡、熔断器中的熔体（铅、锡、铋、镉的合金）等，熔点较高的合金（难熔合金，如钨、钼、钒等的合金）用于制造重要机械零件、结构件与耐热零件。

（3）热膨胀性　材料随温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性，用线膨胀系数a_l和体膨胀系数a_V来表示，对各向同性材料有:aV＝3a_l，且有

式中:l₁、l₂分别为膨胀前、后试样的长度；Δt为温度变化量（K或℃）。

柴油机活塞与缸套之间的间隙很小，既要允许活塞在缸套内作往复运动，又应保证气密性，因此活塞与缸套材料的热膨胀性要相近，以免两者卡住或出现漏气。

（4）导电性　材料传导电流的能力称为导电性，用电阻率ρ（单位为Ω·m）来衡量。合金的导电性一般比纯金属的差。纯银、纯铜、纯铝的导电性好，可用做电线；Ni－Cr合金、Fe－Mn－Al合金、Fe－Cr－Al合金的导电性差而电阻率较高，可用做电阻丝。一般而言，塑料、橡胶、陶瓷导电性很差，常作为绝缘体使用，但部分陶瓷为半导体，少数在特定条件下为超导体。

（5）导热性　表征材料热传导性能的指标有导热系数（热导率）λ，单位为W/（m·K），以及传热系数k，单位为W/（m²·K）。金属中银和铜的导热性最好，其次为铝，而非金属导热性则差。纯金属的导热性比合金好。制造散热器、热交换器与活塞等的材料，其导热性要好。导热性对制定金属的加热工艺很重要，如合金钢导热比碳钢差，其加热速度就要慢一些。

（6）磁学性能　磁学性能是指材料被外界磁场磁化或吸引的能力。金属材料可分为铁磁性材料（在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴、镍等）、顺磁性材料（在外磁场中只能微弱地被磁化、如锰、铬等）和抗磁性物质（能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如锌、铜、银、铝、奥氏体钢，还有高分子材料、玻璃等）三类。铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表中的铁芯等；为避免电磁场干扰的零件、结构（如航海罗盘）则应选用抗磁性材料制造。铁磁性材料当温度升高到一定数值（居里点）时，磁畴被破坏，可变为顺磁性材料。

（7）光学性能　光学性能是指材料对光的辐射、吸收、透射、反射和折射的能力。某些材料可以产生激光，玻璃纤维可用于光通信的传输介质。此外，还有用于光电转换的光电材料。

2）化学性能

材料的化学性能表征材料抗介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、耐蚀性、抗氧化性等。

金属材料常见的腐蚀形态有均匀腐蚀、电偶腐蚀、小孔腐蚀（点蚀）、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、磨损腐蚀、氢损伤（氢腐蚀）等。金属和合金抵抗周围介质（如大气、水汽等）及各种电解液侵蚀的能力称为抗腐蚀性或耐蚀性，各种与化学介质相接触的零件和容器都要考虑腐蚀问题。在高温条件下，材料的抗腐蚀性也称抗氧化性。耐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性，高温下的化学稳定性称为热稳定性。

任何一种材料在不同浓度、温度的不同介质环境中甚至在不同的应力作用下，其耐蚀性都可能不同，有时还相差很大。一般所说的耐蚀材料是指在常见介质中具有一定耐蚀能力的材料。

评定材料耐蚀性的方法很多。对均匀腐蚀而言，通常用材料表面一年的腐蚀深度来评定，其中之一如表1－4所示。此外，对不同类型的腐蚀，还可用腐蚀前后力学性能（σ_b、δ等）的变化、腐蚀产生的时间、腐蚀的孔数、腐蚀失重率等来评价耐蚀性。

表1－4　我国金属耐蚀性的四级标准

注:工程上也有用三级、十级等标准的。

1.2.3　机械工程材料的加工工艺性能

加工工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工处理的性能，反映了材料加工处理的难易程度。

1.金属材料的加工工艺性能

（1）铸造性　铸造性是指材料适应铸造工艺的能力，如液体金属的流动性、凝固过程中的收缩、偏析倾向（合金凝固后化学成分的不均匀性称为偏析）以及熔点等。流动性好的金属充满铸型的能力大，例如，铸铁的流动性比钢好，它能浇铸较薄与较复杂的铸件。收缩小，则铸件中缩孔、缩松、变形、裂纹等缺陷产生的倾向较小；偏析小，则铸件各部位成分和组织均较均匀；熔点低则易于熔化，模具寿命较长。采用流动性好、收缩小、偏析小等的金属，易于在铸造工艺中保证铸件质量。常用的金属材料中，灰铸铁的铸造性能较好。

（2）可锻性　可锻性是指金属适应压力加工的能力。可锻性包括金属本身的塑性与变形抗力两个方面。塑性高或变形抗力小，锻压所需外力小，允许的变形量大，则可锻性好。低碳钢的可锻性比中碳钢、高碳钢的好，碳钢的可锻性比合金钢的好。

（3）焊接性　焊接性是指金属适应通常的焊接方法与工艺获得优质接头的能力。焊接性好的材料可用一般的焊接方法和工艺施焊，焊时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊后接头强度与母材相近。低碳钢有优良的焊接性，中碳钢的焊接性就较差，高碳钢和铸铁的焊接性则很差。

（4）切削加工性　切削加工性是指金属是否易于切削加工。切削性好的金属在切削时消耗的功率小，刀具寿命长，切屑易于折断脱落，切削后表面粗糙度低。灰铸铁具有良好的切削性，碳钢当其硬度适中时，也具有较好的切削性。

（5）热处理工艺性　热处理工艺性是指材料接受热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向，可用淬透性、淬硬性、回火脆性、氧化脱碳倾向，以及变形开裂倾向等指标评价。

2.塑料和陶瓷材料的加工性能

塑料工业包含树脂生产和塑料制品生产（即塑料成形加工）两个系统。塑料制品的加工方法有注塑、挤出、压延、浇注、吹塑等，也可进行切削加工、焊接成形、表面处理等。由于其成形方法和材料的不同，要求的工艺性能也不同，如流动性、结晶性、吸湿性、热敏性、收缩性及塑料状态与稳定的关系等。与其他材料相比，高聚物容易成形，其加工性能较好。

陶瓷材料的成形主要有可塑法、注浆法、压制法等，都采用粉末原料配制、室温预成形、高温常压或高压烧结而制成。由于其成形方法和材料的不同，要求的工艺性能也不同，如可塑性、收缩性、压制性、烧结性、流动性等。陶瓷材料硬而脆，不便于切削及焊接。