金属材料的主要性能指标及其含义

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衡量金属材料力学性能的指标名称、符号、基本单位及其含义说明

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衡量金属材料力学性能的指标名称、符号、基本单位及其含义说明

指标 法定计量单位 计算公式 试验仪器 含义说明
名称 符号 名称 单位
弹性 弹性是指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性
弹性指标 正弹性模量 E 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中σ──应力
ε──应变
P──垂直应力(N)
l0──试样原长(mm)
F0──试样原来的横截面积(mm2)
Δl──绝对伸长量(mm) 		拉伸试验机或万能材料试验机 金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，即应力与应变成正比例关系时(符合虎克定律)，这个比例系数就称为弹性模数或弹性模量。根据应力，应变的性质通常又分为：正弹性模数(E)和剪切弹性模数(G)，弹性模数的大小，相当于引起物体单位变形时所需应力之大小，所以，它在工程技术上是衡量材料刚度的指标，弹性模数愈大，刚度也愈大，亦即在一定应力作用下，发生的弹性变形愈小
切变弹性模量 G 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──切应力
──相应的扭转滑移
M──扭转力矩
l0──试样计算长度(mm)
──计算长度l0两端的扭转角度(经度)
──扭转时试样截面相对于轴线的极惯性矩(对圆截面)(mm4)
 扭转试验机或万能材料试验机
比例极限 σp 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中
──比例极限载荷(N)
F──试样横截面积(mm2) 		拉伸试验机或万能材料试验机 指伸长与负荷成正比地增加，保持直线关系，当开始偏离直线时的应力称比例极限，但此位置很难精确测定，通常把能引起材料试样产生残余变形量为试样原长的0.001％或0.003％、0.005％、0.02％时的应力，规定为比例极限
弹性极限 σe 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──弹性极限载荷(N)
F──试样横截面积(mm2) 		拉伸试验机或万能材料试验机 这是表示金属最大弹性的指标，即在弹性变形阶段，试样不产生塑性变形时所能承受的最大应力，它和σp一样也很难精确测定，一般多不进行测定，而以规定的σp数值代替之
强度 强度指金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力
强度性能指标 强度极限 σ 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──最大载荷(N)
F──试样横截面积(mm2) 		指金属受外力作用，在断裂前，单位面积上所能承受的最大载荷
抗拉强度 σb 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──最大拉力(N)
F──试样横截面积(mm2) 		拉伸试验机或万能材料试验机 指外力是拉力时的强度极限，它时衡量金属材料强度的主要性能指标
抗弯强度 σbb
或σw 		兆帕〔斯卡〕 MPa
(适用于脆性材料)
式中 ──最大弯曲力矩(N·mm)
W──试样横面系数(mm3)
灰铸铁的弯曲试验按GB/*977-1984进行，符号为σw 		弯曲试验机或万能材料试验机 指外力是弯曲力时的强度极限
抗压强度 σbc
或σy 		兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──最大压力(N)
F ──试样横截面积(mm2) 		压缩试验机或万能材料试验机 指外力是压力时的强度极限，压缩试验主要适用于低塑性材料，如铸铁、木材、塑料等
抗剪强度 τ 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──最大剪切力(N)
F ──试样横截面积(mm2) 		剪切实验机或万能材料试验机 指外力是剪切力时的强度极限
抗扭强度 τb 兆帕〔斯卡〕 MPa (适用于钢材)
(适用于铸铁)
式中 ──扭转力矩(N·mm)
──扭转时试样截面的极断面系数(mm3) 		扭转试验机或万能材料试验机 指外力是扭转力时的强度极限
屈服极限(或称屈服点) σs 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──屈服载荷(N)
F ──试样横截面积(mm2) 		拉伸试验机或万能材料试验机 金属受载荷时，当载荷不再增加，但金属本身的变形，却继续增加，这种现象叫做屈服，产生屈服现象时的应力，叫屈服极限或屈服点
屈服强度 σ0.2 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 ──试样产生永久变形为0.2%时的负载(N)
F ──试样横截面积(mm2) 		拉伸试验机或万能材料试验机 金属发生屈服现象时，为便于测量，通常按其产生永久残余变形量等于试样原长0.2％时的应力，作为“条件屈服强度”或称“条件屈服极限”
持久强度 σb/时间(h) 兆帕〔斯卡〕 MPa 按试验结果绘制的“在给定温度下应力与破断时间关系的双对数或半对数坐标曲线图”，从这些曲线上利用内插或外推法，即可获得在规定条件下的持久强度及其他设计上需要数据 持久试验机 指金属在一定的高温条件下，经过规定时间发生断裂时的应力，一般所指的持久强度，是指在一定温度下，试样经十万小时后的破断强度，这个数值，通常也是用外推的方法取得的
蠕变强度 σ变形量(%)/时间(h) 兆帕〔斯卡〕 MPa 按试验结果绘制的“蠕变曲线”坐标图和由此而绘制的其他设计上所要求的曲线，利用外推或内插法即可获得在规定条件下的蠕变强度和所需要的其他设计数据 蠕变试验机 金属在高温环境下，即使所受应力小于屈服点，也会随着时间的增长而缓慢地产生永久变形，这种现象叫做蠕变，在一定的温度下，经一定时间，金属的蠕变速度仍不超过规定的数值，此时所能承受的最大应力，称为蠕变强度或蠕变极限
硬度 硬度就是指金属抵抗硬的物体压人其表面的能力
硬度性能指标 布氏硬度(GB/T231金属布氏硬度试验法) HBS HBV 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中F ──钢球上的载荷kgf(N)
S ──压痕表面积(mm2)
D──钢球直径(mm)
d──压痕直径(mm) 		布氏硬度机 用淬硬小钢球或硬质合金球压人金属表面，以其压痕面积除加在钢球上的载荷，所得之商，以相应的试验压力，经规定保持时间后即为金属的布氏硬度数值。使用钢球测定硬度小于等于450HBS。使用硬质合金球测定硬度小于等于650HBW。当试验力单位为N时，布氏硬度值见图－14
洛氏硬度(GB/T230) 硬度标尺 硬度符号 1
式中K ──常数，HRC及HRA的K值=100，HRB的K值=130
──压痕深度(mm)
0.002──试验机刻度盘上每一小格所代表的压痕深度(mm)，每一小格既表示洛氏硬度一度 		洛氏硬度机 压头类型 总试验力F 洛氏硬度范围
A HRA 金刚石圆锥 588.4N 20～88HRA
B HRB 1.5875mm钢球 980.7N 20～100HRB
C HRC 金刚石圆锥 1.471kN 20～70HRC
D HRD 金刚石圆锥 980.7N 40～77HRD
E HRE 3.175mm钢球 980.7N 70～100HRE
F HRF 1.5875mm钢球 588.4N 60～100HRF
G HRG 1.5875mm钢球 1.471kN 30～94HRG
H HRH 3.175mm钢球 588.4N 80～100HRH
K HRK 3.175mm钢球 1.471kN 40～100HRK
维氏硬度(GB/T4340) HV 兆帕〔斯卡〕 MPa
式中 P ──压头上的载荷(N)
──压痕表面积(mm2)
──压痕对角线长度(mm) 		维氏硬度机 用49.03～980.7N以内的载荷，将顶角为136°的金刚石四方角锥体压头压人金属的表面，以其压痕面积除载荷所得之商，即为维氏硬度值，HV只适用于测定很薄(0.3mm～0.5mm)的金属材料，或厚度为0.03mm～0.05mm的零件表面硬化层(如镀铬、渗碳、氮化、碳氮共渗层等)的硬度；维氏硬度机测得的压痕，轮廓清晰，数值比较准确
肖氏硬度(GB/T4341) HSC
HSD 		回跳高度 h 按仪器刻度尺上的刻度(140格)表示 肖氏硬度机 利用一定重量(2.5g)的钢球或金刚石球，自一定的高度(一般为254mm)落下，撞击金属后，球又回跳到某一高度h，此高度为肖氏硬度值，其优点是在金属表面上不留下伤痕，故适用于测定表面光滑的一些精密量具或精密零件，也常用来测定大型零件。缺点是测定数值不够准确，现在很少使用××HSC(目测型)，××HSD(指示型)表示法
塑性 所谓塑性是指金屑材料在外力作用下，产生永久变形而不致破裂的能力
塑性指标 伸长率
L0=5d
L0＝10d 		δ
δ5
δ10 		百分率 ％
式中 ──试样拉断后的长度
──试样原来的长度 		拉伸试验机或万能材料试验机 金属受外力作用被拉断以后，在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分数，称为伸长率。根据试样长度的不同，通常用符号δ5或δ10来表示；δ5是试样标距长度为其直径5倍时的伸长率，δ10是试样标距长度为其直径10倍时的伸长率
断面收缩率 ψ 百分率 ％
式中F1──试样断裂处的横截面积
F0──试样原来的横截面积 		拉伸试验机或万能材料试验机 金属受外力作用被拉断以后，其横截面的缩小量与原来横截面积相比的百分数，称为断面收缩率。δ、ψ的数值愈高，表明这种材料的塑性愈好，易于进行压力加工
韧性 所谓韧性是指金属材料在冲击力(动力载荷)的作用下而不破坏的能力
韧性指标 大能量一次冲击 冲击韧度 aKU或aKV 焦耳每平方厘米 J/cm2
式中 ──夏比U形缺口试样冲击值
──夏比V形缺口试样冲击值
──夏比U形缺口试样冲断时所消耗的冲击功 (J)
──夏比V形缺口试样冲断时所消耗的冲击功(J)
F──试样缺口处的横截面积(cm²) 		摆锤式一次冲击试验机  冲击韧度是评定金属材料于动载荷下承受冲击抗力的力学性能指标，通常都是以大能量的一次冲击值(aKU或aKV)作为标准的。它是采用一定尺寸和形状的标准试样，在摆锤式一次冲击试验机上来进行试验，试验结果，以冲断试样上所消耗的功(AKU或AKV)与断口处横截面积(F)之比值大小来衡量。冲击试样的基本类型有：梅氏、夏氏、艾氏、DVM等数种，我国目前一般多采用GB/T229－1994《夏比U形缺口冲击试样》为标准试样，其形状、尺寸和试验方法参见标准中的规定。由于aK值的大小，不仅取决于材料本身，同时还随试样尺寸、形状的改变及试验温度的不同而变化，因而aK值只是一个相对指标。目前国际上许多国家直接采用冲击功AK作为冲击韧度的指标
冲击吸收功 AKU或AKV 焦耳 J
韧性指标 小能量多次冲击抗力 试验证明：材料的多次冲击抗力是一项以材料强度为主、仅要求一定冲击韧性的综合性能指标，目前在这方面的试验方法和指标表示方法尚未标准化 多次冲击试验机 工程上很多承受冲击载荷的机件，在使用中很少，因受大能量一次冲击而破坏的，大多数是经千百万次的小能量多次重复冲击，最后导致破断。因此，用aK值来衡量材料的冲击抗力，不符合实际情况，所以，有人建议用“小能量多次重复冲击试验”来测定材料承受冲击抗力的能力
疲劳 金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷(即大小、方向反复变化的载荷)的作用，在不发生显著塑性变形的情况下而突然断裂的现象，称为疲劳
疲劳性能指标 疲劳极限或称疲劳强度 σ－1
σ－1n 		兆帕[斯卡] MPa 按试验测绘出来的σ-N(即应力-循环次数)曲线图表来确定  疲劳试验机 金属材料在交变负荷的作用下，经过无限次应力循环而不致引起断裂的最大循环应力，称为疲劳极限或称极限疲劳强度
σ－1──表示光滑试样的对称弯曲疲劳极限。
σ－1n──表示缺口试样的对称弯曲疲劳极限。
按我国国家标准，一般钢铁材料采用107循环次数而不断裂的最大应力来确定其疲劳极限。对于有色金属材料，则规定应力循环次数在108或更多周次，才能确定其疲劳极限
断裂韧度
断裂韧度性能指标 平面应变断裂韧度 KIC N/mm3/2 参见“断裂力学”有关文献 断裂韧性是衡量金属材料在裂纹存在情况下抵抗脆性开裂能力的指标，它是现代断裂力学在分析高强度材料使用过程中，发生一系列技术事故的基础上而提出的一个新的重要的力学性能指标。根据材料的断裂韧性和用无损探伤方法确定的内部缺陷存在的情况，可以预知零件在工作过程中有无脆性断裂的危险，从而采取合金化与热处理等措施，以满足使用性能的要求
条件断裂韧度 KO N/mm3/2
平面应变断裂韧度 KIC N/mm3/2 断裂韧性是强度和塑性的综合指标，它是在裂纹试样上测得的；而传统的五大力学指标中的强度指标σs、σb与塑性指标δ、ψ以及韧性指标αK是分开的，它们都是由光滑或带缺口的试样上测得的。两者各代表不同条件下的材料性能，其应用场合也不同。前者主要适用于高强度材料、或者即使是普通强度的材料，但具体的服役条件有可能促使零件脆断的场合，对一般机械零件使用的具有普通强度和足够塑性、韧性的材料，当断面尺寸不是太大，破坏形式主要是韧性断裂时，仍可沿用传统的五大力学性能指标，无须提出断裂韧度的要求
条件断裂韧度 KO N/mm3/2
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