金屬材料的效能一般可分為兩類：即使用效能和工藝效能。使用效能是指金屬材料使用過程應具備的效能，其中包括機械效能（如強度、硬度、塑性、韌性、疲勞強度），物理效能（如密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性）和化學效能（如抗腐蝕性、抗氧化性）。
工藝效能是指金屬材料從冶煉到成品的生產過程中，適應各種加工工藝應具備的效能（如鑄造、壓力加工、焊接、切削加工、熱處理）。
實踐證明，大部分的機械零件在使用過程中，用於傳遞動力和運動的，因此在設計、製造和選材時，以機械效能為主要依據。機械效能是指金屬在外力作用下所表現出來的特性。常用機械效能指標主要有以下幾種。
材料受到外力的作用時，會引起其尺寸與形狀的改變，這種外力叫載荷(或稱負荷)，而這種尺寸與形狀的改變則叫變形。載荷與變形的關係可由拉伸試驗測定。拉伸試驗就是把製成規定形狀和尺寸的試樣裝在拉伸試驗機上，對試樣(以低碳鋼為例)緩慢施加拉力(即靜載荷)，使之不斷產生變形，直到拉斷試樣為止(試驗方法詳見gb 228—87《金屬拉伸試驗》)。
再根據拉伸試驗過程中的載荷大小和對應的變形量關係，便可畫出材料的拉伸曲線來。圖1—1為低碳鋼的拉伸曲線。圖中的縱軸表示載荷，橫軸表示變形量，可以從圖上確定出材料的一些常規機械效能指標。
（一）強度
材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力稱為強度。強度特性的指標主要是屈服強度和抗拉強度。材料受到外力作用會發生變形，同時在材料內部產生乙個抵抗變形的力(又稱內力)，其大小和外力相等，方向相反。
材料單位面積上的抵抗力稱為應力。強度的大小，就是用應力來度量的。
1．屈服強度(屈服極限，屈服點)
由圖1—1可知，當載荷增加到fs時，如果不再繼續增加載荷，則試樣仍能繼續伸長，這種現象叫屈服。將開始發生屈服現象時的應力，也即開始出現塑性變形時的應力，叫做屈服強度，以符號σs屈服強度代表材料抵抗微量塑性變形的能力。它是設計零件時選用材料的重要依據。
例如，為了保證氣缸蓋和氣缸體之間的密封性，缸蓋螺栓是不允許發生塑性變形的。所以，設計缸蓋螺栓時就以屈服強度作為計算依據。
2．抗拉強度(強度極限)
材料在受拉力過程中，在發生斷裂以前所能承受的最大應力值叫抗拉強度，以符號σb表示。σb可由（1-1）式計算：
σb＝(mpa1-1）
其中 fb—試樣發生屈服現象時的載荷（ｎ）
sσ—試樣的原始截面面積（m2）
抗拉強度是設計和選材的主要依據之一。表1-1列出了一些金屬材料的抗拉強度值。
表l－1幾種金屬材料的抗拉強度值
工程上所用的材料，不僅希望具有較高的強度，還希望具有一定的屈強比(強度與屈服度的比值)屈強比愈小，結構零件的可靠性愈高，萬一超載，也能由於塑性變形而使材料的強度提高，不致立刻斷裂。但如果屈強比太小，則材料強度的有效利用率太低，因此一般希望屈強比大些。不同的材料有不同的屈強比，例如碳素鋼一般為0.
6左右，低合金鋼一般為0.65～0.75，合金結構鋼一般為0.
85。（二）塑性
金屬材料在外力作用下發生顯著變形而不破壞的能力叫塑性。常用的塑性指標是伸長率和斷面收縮率。
1．伸長率
試樣在拉伸斷裂後的總伸長量與原來長度比值的百分率，稱為伸長率。
2．斷面收縮率
試樣受拉伸斷裂後，試樣截面的縮減量與原始截面面積比值的百分率，稱為斷面收縮率。
伸長率與斷面收縮率也是材料的重要效能指標。它們的數值越大，材料的塑性越好。表1—2列出了一些金屬材料的伸長率值。
表1-2幾種金屬材料的伸長率值
材料塑性的好壞，對零件的加工和使用都具有十分重要的意義。例如，低碳鋼的塑性較好，可進行壓力加工；普通鑄鐵的塑性很差，不能進行壓力加工，但能進行鑄造。同時，由於材料具有一定的塑性，能保證不致因稍有超載而突然破斷，這就增加了材料使用的安全可靠性。
因此，對於材料的塑性指標是有一定要求的。
硬度是衡量材料軟硬的乙個指標。硬度的物理意義隨著試驗方法的不同而不同。在應用最廣泛的壓入法硬度試驗中，硬度是指金屬抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力。
由於測定硬度的試驗裝置比較簡單，操作方便、迅速，又屬無損檢驗，所以，無論在生產上和科研中應用十分廣泛。
壓入法是用一定的靜載荷(壓力)把一定尺寸的壓頭壓入材料表面，然後通過測定壓痕的面積或深度來確定其硬度。當壓頭和壓力一定時，壓痕面積愈大或壓痕愈深，則硬度愈低。按照壓頭和壓力的不同，常用的硬度試驗指標有布氏硬度和洛氏硬度兩種。
（一）布氏硬度
將乙個一定直徑d的硬鋼球，在一定載荷p使用下壓入所試驗的金屬材料表面，並保持數秒鐘以保證達到穩定狀態．，然後將載荷卸除。用帶有標尺的低倍顯微鏡測得表面的壓痕直徑d，再從硬度換算表上換算成布氏硬度值。材料越硬，壓痕的直徑就越小，布氏硬度值越大；反之，材料越軟，壓痕的直徑就越大，布氏硬度值越小。
(詳見gb 231—84《金屬布氏硬度試驗方法》)。 布氏硬度值是試驗力除以壓痕球形表面積所得的商。
布氏硬度試驗的優點是測定的資料準確、穩定、資料重複性強，常用於測定灰口鑄鐵、結構鋼、有色金屬及非金屬材料等的硬度。其缺點是壓痕較大易損壞成品的表面，也不能檢驗薄片材料。
應盡量避免將布氏硬度換算成其他硬度或抗拉強度。當必須進行換算時，應按有關規定換算。
（二）洛氏硬度
洛氏硬度試驗，是用頂角為120°的金剛石圓錐壓頭或直徑為1.588 mm的淬火鋼球壓頭，在先後施加兩個載荷(初載荷f0和總載荷f)的作用下壓入金屬表面來進行的。總載荷f為初載荷f0和主載荷f1之和，即f=f0＋f1 。
洛氏硬度值是施加總載荷並卸除主載荷後，在初載荷下，從洛氏硬度計的刻度盤上直接讀出的(無單位)。若壓痕深度殘餘增量愈大，則刻度盤的硬度示值愈小，即材料愈軟。反之，刻度盤的硬度示值愈大，即材料愈硬。
洛氏硬度試驗方法的優點是操作迅速、簡便，壓痕小，不損傷試樣表面，硬度值的測量範圍也較大，故應用範圍很廣，可用於測定鋼鐵、有色金屬、硬質合金以及工程塑性等材料的硬度。其缺點是由於洛氏硬度試驗的壓痕較小，其準確性不如布氏硬度高，所測硬度值的重複性差，也易受試樣微小區域不均勻的影響。
以很快的速度作用於零件上的載荷稱為衝擊載荷。許多機器零件在工作時會遇到衝擊載荷。如火車在開車、剎車或改變速度時，車輛間的掛鉤、連桿以及曲軸等都將受到衝擊。
另外，還有一些機械本身就是利用衝擊載荷工作的，如鍛錘、沖床、鑿岩機、鉚釘槍等，其中一些零件必然要受到衝擊。對於承受衝擊載荷的零件的機械效能就不能只以強度和硬度指標來衡量了。這是因為一些強度較高的金屬，在衝擊載荷的作用下也往往會發生脆斷。
因此，對於這種承受衝擊載荷的零件，還要求具有一定的衝擊韌性。
材料抵抗衝擊載荷而不被破壞的能力稱為衝擊韌性。用金屬夏比(u型缺口)衝擊試驗方法(詳見gb 229—84)，其衝擊韌性值以αku表示。衝擊韌性值的測定是在專門的衝擊試驗機上進行的。
應當指出，經實踐證明，這種在一次沖斷條件下確定的衝擊韌性，對於判別材料抵抗大能量衝擊能力方面，是有一定作用的。實際上，生產中的許多機件一般總在多次(>103)衝擊之後才會斷裂，而不是一次或少數幾次衝擊就斷裂的，所承受的衝擊能量也遠小於一次衝擊斷裂的能量，所以把這種衝擊叫做小能量多次衝擊，簡稱多次衝擊。對於材料承受多次衝擊的闡題，衝擊能量低時，材料的多次衝擊抗力主要取決於材料的強度；衝擊能量高時，材料的多次衝擊抗力主要決定於材料的塑性。
例如，目前廣泛採用球墨鑄鐵製造柴油機的曲軸，其衝擊韌性值雖僅為15j／cm2，但運轉較好。因此，衝擊韌性值一般只作設計和選材的參考。
四、疲勞
許多機械零件，如各種軸、齒輪、彈簧等，經常受到大小不同和方向變化的交變載荷作用。這種交變載荷常常會使材料在小於其強度極限，甚至小於其彈性極限的情況下，經多次迴圈後並無顯著的外觀變形卻會發生斷裂。這種現象叫做材料的疲勞。
疲勞斷裂與靜載荷下斷裂不同，無論在靜載荷下顯示示脆性或塑性的材料，在疲勞斷裂時，事先都不產生明顯的塑性變形。斷裂往往是突然發生的，因此具有很大的危險性，常常造成嚴重事故。
機器零件在使用過程中，不允許產生疲勞破壞，因此在交變載荷作用下工作的零件，應能在無數次交變載荷(鋼常以107周次為基數)作用下不致斷裂。材料在長期經受交變載荷下，不致引起斷裂的最大應力，稱為疲勞強度。光滑試樣的對稱彎曲疲勞強度用σ-1表示，其值是在專門的疲勞試驗機上測定的。
金屬的疲勞強度同很多因素有關。人們可通過改善零件結構形狀，避免應力集中，改善表面粗糙度和進行表面熱處理等措施來提高材料的疲勞強度。
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