第一节 材料的基本特性
在选用材料时，首先必须考虑材料的有关性能，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，因此本节主要介绍材料的力学性能。
一、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，外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
1. 弹性与刚度
衡量材料力学性能时常使用应力和应变两个物理概念。将作用在单位面积上的载荷称为应力，通常表示成N ／m 2 。其计算公式为：
横截面积压力应力＝ 物体对应于施加的载荷而产生的变形称为应变。其计算公式为：
变形后的长度-变形前的长度应变=变形前的长度
评价材料力学性能最简单和最有效的方法就是测定材料的拉伸曲线。将标准试样（见图2-1-1）施加—单轴拉伸载荷，使之发生变形直至断裂，便可得到试样应变随应力（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2-1-2为低碳钢的应力-应变曲线，图2-1-3为几种典型材料在室温下的应力-应变曲线。
图2-1-1 圆形标准拉伸式样
图2-1-2低碳钢的应力-应变曲线
图2-1-3 几种典型材料在室温下的应力-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
在图2-1-2的应力-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
δ表示。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，用
P
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
δ表示。由于大多数材料的A点和A/点几乎重合在一起，的最大应力，称为比例极限，用
e
故一般不做区分。
在弹性变形范围内，应力与应变的比值称为弹性模量E。E实际上是OA线段的斜率，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都很小。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的方法来提高零件的刚度。
2. 强度与塑性
1）强度
材料在外力作用下抵抗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，如屈服强度、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。图2-1-4为材料在不同加载方式作用下的变形示例，图2-1-5为材料在拉伸载荷作用下的变形示例。
(a)拉伸 (b)压缩 (c)剪切 (d)拉伸中的剪切
图2-1-4 材料在不同加载方式作用下的变形示例
图2-1-5 材料在拉伸载荷作用下的变形示例
图2-1-6 条件屈服强度的确定
室外隔音墙（1）屈服强度
在图2-1-2中，应力超过B点后，材料将发生塑性变形。在BC段，塑性变形发生而应
六类网线做法表示。屈服强度反映力不增加，这种现象称为屈服。B点所对应的应力称为屈服强度，用
s
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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很明显，因此规定拉伸时产生0.2％残余变形所对应的应力为条件屈服强度，记为R0.2（R r0.2），如图2-1-6所示。（注：括号内为新标准符号，下同）
（2）抗拉强度
图2-1-2中，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交形，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δ（R m）表示。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计和材料拉强度，用
b
评价的重要指标。
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伸长率δ(A)。
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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率Ψ(Z)。
显然，δ与Ψ值越大，材料的塑性越好。两者相比，用Ψ表示塑性比用δ表示更接近于真实应变。当δ>Ψ时，试样无颈缩，使脆性材料的表征；反之，δ<Ψ时，试样有颈缩，是塑性材料的表征。
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。
3. 硬度
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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。 cng撬装加气站
1）布氏硬度
布氏硬度的试验原理如图2-1-7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早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120HBSl0／1000／30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、铸铁及有金属的硬度。
δ与HB之间的经验关系为：
材料的
b
δ(MPa)≈3.6HB
低碳钢：
b
δ(MPa)≈3.4 HB
高碳钢：
b
δ(MPa)≈1HB
灰铸铁：
b
图2-1-7 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2-1-8所示。在初载荷和总裁荷（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9个标尺，常用的标尺为A、B、C。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。
实际测量时，硬度值可直接从洛氏硬度计的表盘上读出。洛氏硬度的优点是操作简便、压痕小、适用范围广；缺点是测量结果分散度大。
图2-1-8 洛氏硬度的试验原理
3）维氏硬度
维氏硬度的试验原理如图2-1-9所示。将顶部两相对面具有规定角度(136°)的正四棱锥体金刚石压头在载荷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维氏硬度。维氏硬度可通过测量压痕对角线长度d查表得到。维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。如640HV30/20表示在30kgf（294.2N）载荷作用下保持20s测定的维氏硬度值为640。
维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。
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