1.1 金属材料的主要性能
金属材料的性能主要是指在加工和使用过程中所表现出来的特性。它包括使用性能和工艺性能两个方面。在使用过程中所表现出来的特性为使用性能，包括物理性能、化学性能和力学性能。金属材料的使用性能决定了其可靠性和使用寿命等，从而决定了其应用范围。金属材料在加工过程中所表现出来的特性为工艺性能，包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。
金属材料的力学性能是指金属材料在受外力作用时表现出来的性能。金属零件或构件在工作时承受不同的外力作用，相应地就有不同的力学性能指标，而这些力学性能指标又是通过不同的试验测定的，常用的有拉伸试验、冲击试验、硬度试验和疲劳试验。根据零件的使用温度不同，有室温力学性能指标和高温力学性能指标。
1.1.1 室温下的力学性能指标
室温下的力学性能指标包括刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度。拉伸试验是工业上广泛采用的力学性能试验方法之一，可测定金属材料的刚度、强度和塑性等。
拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。把一定尺寸和形状的金属试样（图1-1a）装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。图1-1b所示为低碳钢的应力-应变曲线。图中纵坐标为应力R、横坐标为应变e，拉伸过程中的变形可分为五个阶段。如图中Oa段是弹性变形阶段，是一条斜直线。材料在外力作用下发生变形，若外力去除后变形随之消失，这种变形称为弹性变形。当拉伸外力继续增加时，试样进一步发生变形，此时若除去外力，弹性变形消失，而保留了微量变形，这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形），即图中ab段为微量塑性变形阶段。当载荷超过b点时，曲线上出现一段水平线段或锯齿线，此时载荷不增加，而试样的塑性变形量却继续增大，这种现象称为屈服现象。随着载荷的不断增加，塑性变形增大，载荷到达e点载荷时，为材料所能承受的最大载荷，即图中ce段，为强化阶段。当载荷超过最大载荷以后，试样局部截面缩小，产生局部缩颈现象，随后试样继续伸长，所受载荷迅速减小直至在颈缩处断裂，即图中ef段，为缩颈阶段。
图1-1 低碳钢的拉伸试验
1.刚度
刚度是指零（构）件在受外力时抵抗弹性变形的能力，它等于材料弹性模量与零（构）件截面面积的乘积。因此衡量材料刚度的指标是弹性模量E，其值的大小反映金属材料弹性变形的难易程度。在其他参数一定的情况下，构件材料弹性模量E越大，表明构件刚度越大，在外力作用下产生的弹性变形越小。弹性模量E主要取决于材料中原子本性和原子间结合力。熔点高低可以反映原子间结合力强弱，通常材料的熔点越高，其弹性模量也越高。另外，弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低。处理方法（如热处理、冷加工和合金化等）对E值影响很小。另外，对同一种材料增加横截面面积或改变截面形状，可以提高其刚度。一般机械零件大多在弹性状态下工作，要求零件具有一定的刚度。例如，发动机的机座和机体直接或间接支承着曲轴、连杆、活塞等运动件和其他零件，因此要求机座和机体必须有足够的刚度，以保证零件之间正确的相对位置和各自的运动状态。
2.强度
强度是金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。根据载荷作用方式的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度五种。工程上常用零件受拉时的屈服强度和抗拉强度为指标。
（1）屈服强度 屈服强度是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，区分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL，如图1-2所示。它表示材料抵抗微量塑性变形的能力，是设计和选材的主要依据之一。上屈服强度ReH为试件发生屈服，而力首次下降前的最大应力。下屈服强度ReL指在屈服期间，不计初始瞬间效应时的最小应力。屈服强度越大，其抵抗塑性变形的能力越强，越不容易发生塑性变形。
图1-2 应力-应变曲线中上、下屈服强度
（2）抗拉强度 材料在常温和载荷作用下发生断裂前的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示，单位为N/mm2或MPa。它表示材料抵抗断裂的能力。Rm越大，材料抵抗断裂的能力越强。
3.塑性
金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力称为塑性。许多零件和毛坯是通过塑性变形而成形的，要求材料有较高的塑性，并且为防止零件工作时脆断，也要求材料有一定的塑性。塑性也是金属材料的主要力学性能指标之一。通过拉伸试验，可测定金属材料的塑性指标。常用的塑性指标有断后伸长率A和断面收缩率Z。其计算公式分别为
式中 Lo和Lu——试样的原始长度（mm）和拉断时对应长度（mm）；
So和Su——试样的原始横截面面积（mm2）和断后缩颈处最小横截面面积（mm2）。
A和Z的数值越大，表示金属材料的塑性越好。一般把A≥5%的材料称为塑性材料，把A＜5%的材料称为脆性材料。例如，铸铁是典型的脆性材料；低碳钢是黑色金属中塑性最好的材料，其良好的塑性既能保证压力加工和焊接的顺利进行，又能保证零件工作时安全可靠，防止突然断裂。
4.硬度
硬度是金属材料局部抵抗硬物压入其表面的能力或金属材料表面抵抗局部塑性变形的能力。常用的硬度测定方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等测试方法。
（1）布氏硬度测试法 GB/T 231.1—2018规定，以一定的试验力F，将直径为D的碳化钨合金球压入被测金属表面（图1-3）并保持一定时间后卸去试验力，得到平均直径为
的压痕，布氏硬度与试验力除以压痕表面积的商成正比。压痕被看作是具有一定半径的球形。压痕的表面积通过压痕的平均直径和压头直径计算得到。布氏硬度以HBW表示，即
布氏硬度表示为“硬度值HBW球头直径/试验力大小/试验力保持时间”，如170HBW10/1000/30表示用直径10mm的硬质合金球，在1000kgf(9807N)的试验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170HBW。
布氏硬度测量精度较高，但因压痕较深且面积大，故不适宜测试太薄的试样和成品零件的硬度。
（2）洛氏硬度测试法 用一定的试验力，将压头（金刚石圆锥、硬质合金球）压入被测金属表面，根据压痕的深度确定被测金属材料硬度值的方法称为洛氏硬度测试法。
图1-3 布氏硬度试验原理
根据所加试验力的大小和压头类型不同，测量范围和应用范围也不同，部分洛氏硬度试验力及应用范围见表1-1。
表1-1 部分洛氏硬度试验力及应用范围（GB/T 230.1—2009）
洛氏硬度测试法测硬度简便、迅速、压痕小，可测定的材料范围广。但压痕小，对组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确，因此，需在试件上测定三点取其平均值。
（3）维氏硬度测试法 维氏硬度是采用夹角为136°的四棱锥体金刚石压头，用一定的试验力压入材料的表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度计算的硬度，即为维氏硬度，用HV来表示。维氏硬度表示为“硬度值HV试验力/试验力保持时间”，如640HV30/20表示在试验力为30kgf（294.2N）的作用下保持20s的硬度值为640。
5.冲击韧度
金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力，是评价材料在冲击载荷作用下的脆断倾向，由冲击韧度反映。
冲击韧度通常采用夏比摆锤冲击试验测定。夏比摆锤冲击试验是将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，摆锤从一定高度落下，试样在一次冲击下被冲断。在这一过程中，试样所吸收能量称为冲击吸收能量，用K表示。常用的试样缺口有U型和V型缺口两种，测得的冲击吸收能量分别表示为KU和KV。如KU2表示U型缺口冲击试样在2mm摆锤刀刃下的冲击吸收能量。冲击吸收能量越大，说明材料的冲击韧度越好。
6.疲劳强度
许多机械零件如发动机的曲轴、连杆、齿轮、弹簧等都是在交变载荷下工作的。所谓交变载荷，是指载荷的大小、方向随时间发生周期性变化的载荷。零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生突然断裂的现象叫疲劳。例如，气阀上的弹簧经常发生折断，通常是由于工作时弹簧产生疲劳所致。据统计，在机械零件断裂失效中有80%以上属于疲劳断裂。
大量试验证明，应力减小，试样能经受的交变载荷循环次数增加，而且应力越小，试样能经受的循环次数越多。图1-4所示钢的交变应力S与循环次数N的关系曲线，叫作S-N应力寿命曲线。从该曲线中可以看出，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，这个应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用σ-1表示。
图1-4 应力寿命曲线
实际上，要实现无限次交变载荷试验是不可能的。一般黑色金属取循环周次为107时能承受的最大循环应力为疲劳强度，有色金属、高强度钢等取108次。
为提高零件的疲劳强度，可采取改善零件的结构形状，减小零件的表面粗糙度值，提高表面加工质量和应用化学热处理、表面淬火、喷丸处理、表面滚压等各种表面强化处理的方法。
1.1.2 高温下的力学性能指标
柴油机的排气阀、涡轮增压器的涡轮叶片、高压蒸汽锅炉等零件长期在高温条件下运转，高温下材料的强度随温度升高、加载时间延长而降低。金属长时间在高温和载荷作用下，即使应力小于屈服强度也会缓慢发生塑性变形的现象称为蠕变。温度越高，蠕变越严重，甚至会导致零件断裂。对于一般金属，当温度超过（0.3～0.4）Tm（Tm为材料的熔点，以K为单位）时会出现较明显的蠕变。
金属材料高温力学性能的评定，在室温力学性能基础上，还需加入温度和时间两个因素。金属在高温下的力学性能指标有高温强度（又称热强度）和热硬性。
1.高温强度
高温强度是应力、应变、温度和时间综合作用的反映。其指标为蠕变强度和持久强度。
（1）蠕变强度 蠕变强度是金属材料长期在高温和载荷的作用下抵抗塑性变形的能力。以符号
t表示，单位为MPa，即在给定温度T（单位为℃）下和规定时间t（单位为h）内，使试样产生一定的蠕变总变量A（%）的应力值。
=100MPa表示材料在500℃温度下，105h后总变形量为1%的蠕变强度为100MPa。
（2）持久强度 持久强度是金属材料长期在高温和载荷作用下抵抗断裂的能力。在给定温度T（单位为℃）和规定时间t（单位为h）内，使试样发生断裂的应力，以符号
表示。例如
=300MPa表示材料在700℃温度下经1000h后的持久强度为300MPa。
2.热硬性
热硬性是金属材料在高温下保持较高硬度的能力。热硬性是高温下工作的机器零件和高速切削刀具的主要力学性能指标。
1.1.3 金属材料的物理、化学及工艺性能
1.物理性能
金属材料的物理性能是指在重力、电磁场、温度等物理因素作用下，材料所表现的性能或固有属性，主要包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。金属材料的物理性能对于选材、热加工工艺等方面有较大的影响。如为降低重量，可选择密度小的铝合金材料；而散热器、热交换器则可选用导热性好的铜合金作为热交换元件。
2.化学性能
金属材料的化学性能是指材料抵抗其周围介质侵蚀的能力，主要包括耐蚀性和抗氧化性。
（1）耐蚀性 耐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。根据介质侵蚀能力的强弱，对于不同介质中工作的金属材料的耐蚀性要求也不相同，如海洋设备及船舶用钢，应耐海水和海洋大气腐蚀；而贮存和运输酸类的容器、管道等，则应具有较高的耐酸性能。一种金属材料在某种介质、某种条件下是耐腐蚀的，而在另一种介质或条件下就可能不耐腐蚀，如镍、铬不锈钢在稀酸中耐腐蚀，而在盐酸中不耐腐蚀；铜及铜合金在大气中耐腐蚀，在氨水中却不耐腐蚀。
（2）抗氧化性 抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。在高温（高压）下工作的锅炉、各种加热炉、内燃机中的零件等都要求具有良好的抗氧化性。
3.工艺性能
金属材料的工艺性能是指它在加工、制造过程中表现出来的特性，主要包括铸造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。这些性能将在后续章节中分别介绍。