金屬材料在外力或能的作用下，所表現出來的一系列力學特性，如強度、剛度、塑性、韌性、彈性、硬度等，也包括在高低溫、腐蝕、表面介質吸附、沖刷、磨損、空蝕（氧蝕）、粒子照射等力或機械能不同程度結合作用下的效能。力學效能反映了金屬材料在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力，是選用金屬材料的重要依據。充分了解、掌握金屬材料的力學效能，對於合理地選擇、使用材料，充分發揮材料的作用，制定合理的加工工藝，保證產品質量有著極其重要的意義。
強度是材料受外力而不被破壞或不改變本身形狀的能力。
(一)屈服點
金屬試樣在拉伸試驗過程中，載荷不再增加而試樣仍繼續發生塑性變形而伸長，這一現象叫做「屈服」。材料開始發生屈服時所對應的應力，稱為「屈服點」，以σs表示。有些材料沒有明顯的屈服點，這往往採用σ0.
2作為屈服階段的特徵值，稱為屈服強度。
（二）抗拉強度
拉伸試驗時，材料在拉斷前所承受的最大標稱應力，即拉伸過程中最大力所對應的應力，稱為抗拉強度，以σb表示。
塑性是金屬材料在外力作用下（斷裂前）發生永久變形的能力，常以金屬斷裂時的最大相對塑性變形來表示，如拉伸時的斷後伸長率和斷面收縮率。
（一）伸長率
金屬材料在拉伸試驗時試樣拉斷後其標距部分所伸長的長度與原始標距長度的百分比，稱為斷後伸長率，也叫伸長率，用δ表示。
（二）斷面收縮率
金屬試樣在拉斷後，其縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，稱為斷面收縮率，以符號ψ表示。
硬度是金屬材料表面抵抗彈性變形、塑性變形或抵抗破裂的一種抗力，是衡量材料軟硬的效能指標。
硬度不是乙個單純的、確定的物理量，而是乙個由材料彈性、塑性、韌性等一系列不同效能組成的綜合性能指標。所以硬度不僅取決於材料本身，還取決於試驗方法和條件。
（一）布氏硬度
（二）洛氏硬度
（三）維氏硬度
金屬在斷裂前吸收變形能量的能力，稱為韌性。衡量材料韌性的指標分為衝擊韌性和斷裂韌性。
（一）衝擊韌性
衝擊韌性是評定金屬材料受衝擊載荷作用時抵抗變形和斷裂的抗力指標，以衝擊韌度或衝擊吸收功來度量。
（二）斷裂韌性
斷裂韌性是材料阻止或抵抗裂紋擴充套件的能力，確切地說是阻止裂紋產生臨界擴充套件的能力，常用k1c或kc表示。k1c是表示平面應變狀態下的斷裂韌度，kc表示平面應力狀態下的斷裂韌度。
鋼的分類方法很多，可以按化學成分、冶煉方法、品質、用途及金相組織等進行分類。
（一）按化學成份分類
按化學成分可分為碳素鋼（簡稱碳鋼）、合金鋼兩大類。碳素鋼是指碳質量分數低於2.06%的鐵碳合金，根據碳質量分數的不同，碳鋼又可分為工業鈍鐵（wc≤0.
02%）低碳鋼（wc≤0.25%）、中碳鋼（wc0.25%一0.
60%）和高碳鋼（wc＞0.6%）。合金鋼是在碳鋼的基礎上，為了改善鋼的效能專門加入某些合金元素煉製而成的鋼。
按照合金元素總量的不同，合金鋼可分為低合金鋼（合金元素總量〔5%〕、中合金鋼（合金元素總量為5％～10%）和高合金鋼（合金元素總量≥10%）。
（二）按冶煉方法分類
根據煉鋼爐類別分類，可分為平爐鋼、轉爐鋼（又分氧氣吹煉和空氣吹煉轉爐鋼）和電爐鋼（又分為電弧爐鋼、電渣爐鋼、感應爐鋼和電子束爐鋼等）3大類。
根據冶煉時脫氧程度的不同，可分為沸騰鋼、鎮靜鋼及半鎮靜鋼。沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，鋼在熔煉後期，鋼液僅用弱脫氧劑（錳鐵）脫氧，所以鋼液中有相當數量的氧化鐵feo）。在澆注和凝固時，由於碳與氧化鐵反應，鋼液不斷析出一氧化碳，產生沸騰現象，故稱為沸騰鋼，以符號,「f」表示。
沸騰鋼耐蝕性和力學效能差，不宜用於重要結構使用。
鎮靜鋼為完全脫氧鋼，澆注和凝固時鋼液鎮靜不沸騰，故稱為鎮靜鋼。這種鋼冷凝後有集中縮孔，所以成材率低，成本高。但氣體含量低，偏析少，時效傾向低，質量較高，因此得到廣泛應用。
鎮靜鋼以符號,「z」表示，但一般省略。
半鎮靜鋼為半脫氧鋼，脫氧程度介於上述兩者之間，用符號「b』』表示。
（三）按品質分類
根據鋼中有害雜質硫、磷的含量，可分為普通碳素鋼、優質碳素鋼和高階優質碳素鋼。
（1）普通碳素鋼ωp≤0.045%，ωs≤0.05%；
（2）優質碳素鋼ωp、ωs均0.035%，其他非有意加入而是從原材料帶入的殘餘雜質如cr、ni、cu等的含量也有一定的限制；
（3）高階優質碳素鋼ωp≤0.035%、ωs≤0.03%，混入的其他雜質含量限制得更加嚴格。
普通碳素鋼一般採用轉爐和大型平爐冶煉，產量大、成本低；優質碳素鋼一般用電爐或平爐冶煉，雜質少；高階優質碳素鋼主要是電爐鋼或採用精煉的方法，質量最好、成本也高，它主要用來製造工具和要求很高的機器零件及焊接材料用鋼。
（四）按金相組織分類
鋼按金相組織可分為鐵素體一珠光體型鋼、貝氏體型鋼、馬氏體型調質高強度鋼、鐵素體型鋼和奧氏體型鋼等。
（五）按用途分類
鋼按用途可分為結構鋼、工具鋼和特殊用途鋼3大類。
結構鋼還分為建築及工程機械用鋼、機械製造用鋼、超高強度鋼、軸承鋼和彈簧鋼等。
建築及工程機械用鋼還包括碳素結構鋼、低合金高強鋼、鋼筋用鋼等；機械製造用鋼包括調質鋼、表面硬化鋼、易切鋼、冷加工成形用鋼等。
工具鋼分為碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼，包括量具、刃具、模具鋼等。
特殊用途鋼分為不鏽耐酸鋼、耐熱鋼、電工用鋼、耐磨鋼、低溫用鋼、各種專業用鋼等。專業用鋼主要有鍋爐鋼、壓力容器用鋼、船舶、橋梁、鋼軌用鋼等。
我國的鋼材牌號表示方法，是採用國際化學元素符號、漢語拼音字母和阿拉伯數字並用的原則，即鋼號中化學元素用國際化學符號表示；鋼材名稱、用途、冶煉和澆注方法等一般以漢語拼音的縮寫字母來表示；鋼中主要化學元素含量（百分率）採用阿拉伯數字表示。
（一）碳素結構鋼的牌號、效能及用途
1．普通碳素結構鋼
根據gb/t700--1988《碳素結構鋼》標準，鋼的牌號由代表屈服點的字母、數值、質量等級符號、脫氧方法符號等4個部分按順序組成。主要鋼種：q195、q215a、q215b、q235a、q235b、q235c、q235d、q255d、q255b、q275。
其中：q一表示鋼的屈服點，為「屈」字拼音字母；
235――數字表示鋼的屈服點數值，單位為mpa;
a、b、c、d一分別為質量的4個等級，其中a級質量最低，d級質量最高；f表示沸騰鋼；b表示半鎮靜鋼；z表示鎮靜鋼；tz表示特殊鎮靜鋼。
2．優質碳素結構鋼
優質碳素結構鋼主要用於製造重要的機器零件、結構，其鋼號用兩位數字表示。兩位數字表示該鋼種平均碳質量分數的萬分率，如20、45鋼，分別表示鋼中平均碳質量分數為0.20%、0.
45%的優質碳素結構鋼。常用的鋼號有：10、15、20、30、35、40、45等。
高階優質碳素結構鋼在鋼號後附加「高」或「a」字。含錳量較高（ωmn為0.70%～1.
00%）的優質碳素鋼，應將錳元素標出，如15mn、60mn等。
10、20鋼具有良好的衝擊韌度，良好的焊接效能，常用於各種結構件；35、40、45、55鋼屬於調質鋼，調質處理後可獲得良好的綜合力學效能，多用於製造機器零件等。
3．碳素工具鋼
碳素工具鋼用鋼的平均碳質量分數的千分率數字表示。為了與合金工具鋼相區別，在數字前冠以「t』』字，讀成「碳」。如碳質量分數為0.
70%的碳素工具鋼，其鋼號寫成t7，讀成「碳7＂。常用的鋼號有t7、t8、t9、t10、t12等。高階優質碳素工具鋼含磷、硫較低，表示為tl0a、t12a等。
碳素工具鋼一般要經熱處理後使用。
4．其他專業用鋼
在一般碳素結構鋼基礎上為滿足某些專業用途的特殊需要，發展了一些專業用鋼，如鍋爐鋼、容器鋼、焊接氣瓶用鋼、船用鋼、橋梁用鋼、鐵道用鋼等。鍋爐用鋼板在鋼號後加「g」字；壓力容器用鋼板加「r」字；焊接氣瓶用鋼板加「hp」字母；多層壓力容器用鋼板加「rc」，字母，如20g、20r、20hp、15mnhp、16mnrc、15mnvrc等。
（二）合金鋼的牌號、效能及用途
1．低合金高強度結構鋼的編號
根據gb/t 1591-1994《低合金高強度結構鋼》標準，低合金高強度結構鋼的牌號由代表屈服點的漢語拼音字母（q）、屈服點數值、質量等級符號(a、b、c、d、e)3個部分組成．並按順序排列。如：q390a
其中：q一一一鋼屈服點「屈」字拼音首位字母；
390－一－屈服點數值，單位mpa:
a、b、c、d、e—分別為質量等級符號：
低合金高強度結構鋼共有q295a（b）、q345a（b、c、d、e）、q390a（b、c、d、e）、q420（a、b、c、d、e）和q460c(d、e)5個牌號。一般以熱軋、控軋、正火及正火加回火狀態交貨。q420、q460的c、d、e級鋼也可按淬火加回火狀態交貨。
gb/t1591-1994與gb1591-1988標準中對應的鋼牌號如表3-1所示。
表3-1新舊低合金結構鋼標準牌號對照
2.合金鋼的編號
我國合金鋼是按鋼材的含碳量及所含合金元素的種類及其數量進行編號的，因此可以從鋼號上直接看出鋼材的大致化學成分及質量等級。其編號原則是：
（1）合金結構鋼
1)首部數字表示平均碳質量分數（萬分率），如20mn2、20表示平均碳質量分數ωc=0.20%。
2)在表示含碳量的數字後面，用元素的化學符號或漢字表示所含有的主要合金元素，並用符號後面的數字表示該合金元素平均質量分數（％）。凡合金元素含量上限不超過1.5%時，編號中只寫元素符號，不標明含量。
如果平均含量超過1.5%，在該元素後注出近似百分率，如含量為1.8%時．則用「2」表示。
如09mn2表示平均碳質量分數0.09%，平均錳質量分數約2%的合金結構鋼。
（2）合金工具鋼編號原則與合金結構鋼大致相同，但含碳量的表示方法不同；當碳質量分數不超過1.0%時，以千分率的數字表示．如9sicr，9表示平均碳質量分數為0.9%；含碳量超過1.
0%時，為避免與結構鋼相混淆，在鋼號中不表示出含碳量。如crwmn，表示碳質量分數超過1.0%，並含有cr、w、mn3種合金元素的合金工具鋼。
金屬材料的力學效能
教學主要內容 1 金屬材料的常用效能指標。教學目的和要求 1 掌握材料的主要力學效能指標及含義。教學重點與難點 1 材料的常用效能。學時分配 1學時 定義 材料在使用和加工過程中表現出來的各種不同特性稱為材料的效能。分類 機械工程材料的常用效能 使用效能 力學 物理 化學 和工藝效能 加工 鑄造 焊...
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第一節金屬材料的力學效能
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