5.2 金屬材料性能的基礎知識 
金屬材料的性能決定著材料的適用范圍及應用的合理性。金屬材料的性能主要分為四個方面，即：機械性能、化學性能、物理性能、工藝性能。 
一.機械性能 
（一）應力的概念 
物體內部單位截面積上承受的力稱為應力。由外力作用引起的應力稱為工作應力，在無外力作用條件下平衡于物體內部的應力稱為內應力（例如組織應力、熱應力、加工過程結束后留存下來的殘余應力…等等）。 
（二）機械性能 
金屬在一定溫度條件下承受外力（載荷）作用時，抵抗變形和斷裂的能力稱為金屬材料的機械性能（也稱為力學性能）。金屬材料承受的載荷有多種形式，它可以是靜態載荷，也可以是動態載荷，包括單獨或同時承受的拉伸應力、壓應力、彎曲應力、剪切應力、扭轉應力，以及摩擦、振動、沖擊等等，因此衡量金屬材料機械性能的指標主要有以下幾項： 
1.強度 
這是表征材料在外力作用下抵抗變形和破壞的大能力，可分為抗拉強度極限（σb）、抗彎強度極限（σbb）、抗壓強度極限（σbc）等。由于金屬材料在外力作用下從變形到破壞有一定的規律可循，因而通常采用拉伸試驗進行測定，即把金屬材料制成一定規格的試樣，在拉伸試驗機上進行拉伸，直至試樣斷裂，測定的強度指標主要有： 
（1）強度極限：材料在外力作用下能抵抗斷裂的大應力，一般指拉力作用下的抗拉強度極限，以σb表示，如拉伸試驗曲線圖中高點b對應的強度極限，常用單位為兆帕（MPa），換算關系有：1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa   σb=Pb/Fo 
式中：Pb–至材料斷裂時的大應力（或者說是試樣能承受的大載荷）；Fo–拉伸試樣原來的橫截面積。
σs=Ps/Fo  單位：兆帕（MPa） 式中：Ps –達到屈服點S處的外力（或者說材料發生屈服時的載荷）。
 
對于塑性高的材料，在拉伸曲線上會出現明顯的屈服點，而對于低塑性材料則沒有明顯的屈服點，從而難以根據屈服點的外力求出屈服極限。因此，在拉伸試驗方法中，通常規定試樣上的標距長度產生0.2%塑性變形時的應力作為條件屈服極限，用σ0.2表示。 
屈服極限指標可用于要求零件在工作中不產生明顯塑性變形的設計依據。但是對于一些重要零件還考慮要求屈強比（即σs /σb）要小，以提高其安全可靠性，不過此時材料的利用率也較低了。 
 
（3）彈性極限：材料在外力作用下將產生變形，但是去除外力后仍能恢復原狀的能力稱為彈性。金屬材料能保持彈性變形的大應力即為彈性極限，相應于拉伸試驗曲線圖中的e點，以σe表示，單位為兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo  式中Pe為保持彈性時的大外力（或者說材料大彈性變形時的載荷）。 
（4）彈性模數：這是材料在彈性極限范圍內的應力σ與應變δ（與應力相對應的單位變形量）之比，用E表示，單位兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα 式中α為拉伸試驗曲線上o-e線與水平軸o-x的夾角。
 
彈性模數是反映金屬材料剛性的指標（金屬材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛性）。 
2.塑性 
金屬材料在外力作用下產生*變形而不破壞的大能力稱為塑性，通常以拉伸試驗時的試樣標距長度延伸率δ（%）和試樣斷面收縮率ψ（%）表示： 
延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%，這是拉伸試驗時試樣拉斷后將試樣斷口對合起來后的標距長度L1與試樣原始標距長度L0之差（增長量）與L0之比。 
在實際試驗時，同一材料但是不同規格（直徑、截面形狀-例如方形、圓形、矩形以及標距長度）的拉伸試樣測得的延伸率會有不同，因此一般需要特別加注，例如常用的圓截面試樣，其初始標距長度為試樣直徑5倍時測得的延伸率表示為δ5，而初始標距長度為試樣直徑10倍時測得的延伸率則表示為δ10。 
斷面收縮率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，這是拉伸試驗時試樣拉斷后原橫截面積F0與斷口*處小截面積F1之差（斷面縮減量）與F0之比。實用中對于常用的圓截面試樣通常可通過直徑測量進行計算：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，式中：D0-試樣原直徑；D1-試樣拉斷后斷口*處小直徑。 
δ與ψ值越大，表明材料的塑性越好。 
3.硬度 
金屬材料抵抗其他更硬物體壓入表面的能力稱為硬度，或者說是材料對局部塑性變形的抵抗能力。因此，硬度與強度有著一定的關系。根據硬度的測定方法，主要可以分為： 
（1）布氏硬度（代號HB） 
用一定直徑D的淬硬鋼球在規定負荷P的作用下壓入試件表面，保持一段時間后卸去載荷，在試件表面將會留下表面積為F的壓痕，以試件的單位表面積上能承受負荷的大小表示該試件的硬度：HB=P/F。在實際應用中，通常直接測量壓坑的直徑，并根據負荷P和鋼球直徑D從布氏硬度數值表上查出布氏硬度值（顯然，壓坑直徑越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。 
布氏硬度與材料的抗拉強度之間存在一定關系：σb≈KHB，K為系數，例如對于低碳鋼有K≈0.36，對于高碳鋼有K≈0.34，對于調質合金鋼有K≈0.325，…等等。  
（2）洛氏硬度（HR） 
用有一定頂角（例如120°）的金剛石圓錐體壓頭或一定直徑D的淬硬鋼球，在一定負荷P作用下壓入試件表面，保持一段時間后卸去載荷，在試件表面將會留下某個深度的壓痕。由 洛氏硬度機自動測量壓坑深度并以硬度值讀數顯示（顯然，壓坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。根據壓頭與負荷的不同，洛氏硬度還分為HRA、HRB、HRC三種，其中以HRC為常用。 
洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之間有如下換算關系：HRC≈0.1HB。 
除了常用的洛氏硬度HRC與布氏硬度HB之外，還有維氏硬度（HV）、肖氏硬度（HS）、顯微硬度以及里氏硬度（HL）。

這里特別要說明一下關于里氏硬度，這是目前穎的硬度表征方法，利用里氏硬度計進行測量，其檢測原理是：
里氏硬度計的沖擊裝置將沖頭從固定位置釋放，沖頭快速沖擊在試件表面上，通過線圈的電磁感應測量沖頭距離試件表面1毫米處的沖擊速度與反彈速度（感應為沖擊電壓和反彈電壓），里氏硬度值即以沖頭反彈速度和沖擊速度之比來表示：HL=(Vr/Vi)·1000
式中：HL-里氏硬度值；Vr-沖頭反彈速度；Vi-沖頭沖擊速度（注：實際應用裝置中是以沖擊裝置中的閉合線圈感應的沖擊電壓和反彈電壓代表沖擊速度和反彈速度）。