本文介绍了金属材料化学性能、物理性能和力学性能这三类常用的性能指标及含义。
一、概述
金属材料常用性能有：化学性能、物理性能和力学性能等。这些常用性能决定了金属材料的使用范围和使用环境。
工程技术人员在机械零部件设计中以这些性能指标为依据进行金属材料的选择和应用。
二、化学性能
金属材料的化学性能是指其在化学环境下的反应性和稳定性。这包括金属材料与酸、碱、氧气、水等物质的反应性，以及其抗腐蚀性能等。化学性能的好坏直接影响材料在特定环境下的使用寿命和性能稳定性。
化学性能的常见腐蚀类指标：
1.均匀腐蚀
- 定义：在金属材料的整个暴露表面或大面积上均匀地发生化学或电化学反应，金属宏观地变薄的现象， 称为均匀腐蚀，又叫一般腐蚀或连续腐蚀。
- 特点：这种腐蚀是均匀地分布在整个金属内外表面上，使表面不断减少，最终使受力零件破坏，这是钢材最常见的腐蚀形式，危害性较小，对金属的力学性能影响不大。
2.晶间腐蚀
- 定义：沿金属品粒边界发生腐蚀的现象称为晶间腐蚀。
- 特点：这种腐蚀是在金属内部沿品粒边缘进行的，属金属材料中危险性最大的一种腐蚀。发生晶间腐蚀后，金属的外形尺寸几乎不变，大多数仍能保持金属光泽，但是金属的强度和延性下降，冷弯后表面出现裂缝，严重者失去金属声。做断面金相检查时，可发现晶界或其邻近区将发生局部腐蚀，甚至晶粒脱落。腐蚀沿晶界扩展，较为均匀。
3.选择性腐蚀
- 定义：合金中某元素或某组织在腐蚀过程中选择性地受到腐蚀的现象，称为选择性腐蚀。
- 特点：有色金属合金，铸铁及不锈钢均可能发生选择性腐蚀。
4.应力腐蚀开裂
- 定义：金属在持久拉应力(包括外加载荷、热应力及冷、热加工、焊接后残余应力等)和特定的腐蚀介质联合作用下出现的脆性开裂现象，称为应力腐蚀开裂。
- 特点：金属发生应力腐蚀开裂时，出现腐蚀裂纹甚至断裂，裂缝的起点往往是点腐蚀的小孔，腐蚀小坑的底部。裂缝扩展有沿晶界、穿晶粒和混合型三种。主裂缝通常垂直于应力方向，多半有分枝。裂缝端部尖锐，裂缝内壁及金属外表面的腐蚀程度通常很轻微，而裂缝端部的扩张速度则很快，断口具有脆性裂缝的特征，危害性很大。
5.腐蚀疲劳
- 定义：金属受到腐蚀介质和交变应力或脉动应力的联合作用而引起的破损现象，称为腐蚀疲劳。
- 特点：产生腐蚀坑和大量裂缝，以致使金属的疲劳极限不复存在。腐蚀疲劳一般具有多个裂源，裂缝多半穿晶粒，一般不分枝，裂缝端部较纯，断口的大部为腐蚀产物所覆盖，小部呈脆性破坏。消除这种腐蚀的主要手段是及时对金属进行消除应力处理。
6.点腐蚀
- 定义：金属的大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微，而局部地出现腐蚀小孔，并向深处发展的腐蚀现象称为点腐蚀。
- 特点：这种腐蚀是集中在金属表面不大的区域内，并迅速地向深处发展，最后穿透金属，是 一种危害性较大的腐蚀破坏，它常在静止的介质中发生，且通常是沿重力方向发展。
7.磨损腐蚀
- 定义：腐蚀性流体与金属表面发生相对运行，尤其是在出现涡流及流体急剧改变方向时、流体既对金属表面已经生成的腐蚀产物产生机械的冲刷破坏作用，又与裸金属发生化学或电化学反应，加速金属的腐蚀，称为磨损腐蚀。
- 特点：发生磨损腐蚀时，金属以腐蚀产物的形式从金属表面脱离而不是像纯粹的机械磨损那样以固体金属粉末的形式脱落，金属表面常出现带有方向性的凹槽、沟道、波纹、圆孔等腐蚀外形。
8.缝隙腐蚀
- 定义：在电解液中，金属与金属或金属与非金属表面之间构成狭窄的缝隙，缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而产生局部腐蚀，这种腐蚀被称为缝隙腐蚀。
- 特点：这种腐蚀常发生在垫圈、铆接、螺钉连接的接缝处，搭接的焊接接头、阀座、堆积的金属片间等处。 几乎所有的金属和合金，以及金属与非金属之间的连接都会发生缝隙腐蚀。 几乎所有的腐蚀介质（包括淡水）都能引走缝隙腐蚀，而含有氯离子的溶液最易引起缝隙腐蚀。 温度越高，发生缝隙腐蚀的危险性越大。
9.氢脆
- 定义：由于腐蚀过程中产生的氢与金属作用，导致金属材料强度降低而产生的一种脆性破坏，称为氢脆。
- 特点：它是氢与应力共同作用的结果。腐蚀产生的氢通常以原子状态存在，在金属中沿晶界向最大的二向应力集中区集中，一旦有机会就可能形成分子，在金属内产生巨大内应力，导致材料发生脆性破坏。氢脆断裂可能是沿晶的，也可能是穿晶的。氢脆裂纹的分叉现象要比应力腐蚀小得多，裂纹旁伴随有脱碳现象。
三、物理性能
金属材料的物理性能是指其与物理环境相互作用时的特性。这包括导电性、导热性、磁性、密度、热膨胀系数等指标。物理性能的好坏会影响金属材料在电子、热传导、磁性等方面的应用。
物理性能的常见指标：
1.弹性模量 E(MPa)
- 定义：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值称为弹性模量，表征材料抵抗弹性变形的能力。
- 说明：其数值的大小反映材料弹性变形的难易程度，相当于使材料产生单位弹性变形所需要的应力。工程应用中要求弹性变形较小的部件，必须选用弹性模量值高的材料。弹性模量可通过拉伸试验测定。
- 计算公式：
2.切变模量 G(MPa)
- 定义：材料在弹性变形范围内，切应力与切应变的比值称为切变模量。
- 说明：它是材料常数，表征材料抵抗切应变的能力，有时也称为剪切模量或刚性模量。在各 向同性材料中，它与弹性模量E和泊松比之间有如下关系：G=E/[2(1+y)]，实验室常采用扭转 试验测定材料的切变模量。
- 计算公式：
3.泊松比 v
- 定义：材料在均匀分布的轴向应力作用下，在弹性变形的比例极限范围内，横向应变与纵向应变比值的绝对值称为泊松比，又称横向变形系数。
- 说明：对于各向同性材料，在弹性变形的比例极限范围内，此值为一常数，超出此范围，此值随平均应力及使用的应力范围而变，不再称为泊松比。对于各向异性材料，存在多个泊松比。常用碳钢材料的泊松比值在 0.24～0.28。泊松比与弹性模量E、切变模量G之间有如下关系 u=E/2G-1。
- 计算公式：
4.密度 p(t/m³)
- 定义：表示金属单位体积的质量。
- 说明：不同金属材料的密度是不同的，材料的密度值直接关系到由它所制成的部件的重量和紧凑程度。
- 计算公式：
5.熔点 T熔(°C)
- 定义：物质的晶态与液态平衡共存的温度称为熔点。
- 说明：晶体的熔点与所受到的压强有关。在一定的压强下，晶体的熔点与凝固点相同。熔点是制定材料热加工工艺规范的重要依据之一。对于非晶体材料如玻璃，没有熔点，只有软化温度范围。
- 计算公式：
6.比热容 c [J/(kg ·K)]
- 定义：单位质量的物体每升高1℃所吸收的热量，或每降低1℃所放出的热量成为该物质的比热容。
- 说明：它是制定材料热加工工艺规范的重要工艺参数。
- 计算公式：
7.热导率 λ [W/(m ·K)]
- 定义：在单位时间内，当沿着热流方向的单位长度上温差为1℃时， 单位面积容许导过的热量，称为该材料的热导率。
- 说明：表征金属材料热传导速度的物理量。热导率数值大的材料，其导热性好；反之，则差。 它是衡量材料导热性好坏的一个重要性能指标。
- 计算公式：
8.线膨胀系数 a (1/K或1/℃)
- 定义：金属温度每升高1℃时所增加的长度与原来长度的比值成为线膨胀系数。
- 说明：在不同温度区段，材料的线膨胀率是不同的，通常给定的数值系指某特定温区的平均线膨胀系数。它是衡量材料热膨胀性大小的性能指标。线膨胀系数值高的材料，受热后膨胀性大；反之，则小。
- 计算公式：
9.电阻率p (Ω ·m)
- 定义：长度为1m截面积为1m²的导体所具有的电阻值为电阻率，是表示材料通过电流时阻力大小的指标。
- 说明：电阻率高的材料电阻大，导电性能差；反之，导电性能好。
- 计算公式：
10.电导率 γ (S/m)
- 定义：导体维持单位电位梯度(即电位差)时，流过单位面积的电流称为电导率，它是反映导体中电场和电流密度关系的物理量，是衡量导体导电性能好坏的指标，与电阻率互为倒数。
- 说明：在金属中以银的导电性最好，其导电率规定为100%。其他金属材料与银相比，所得百分数就是该材料的电导率。
- 计算公式：
四、力学性能
金属材料的力学性能是指其在外力作用下的行为和性能。这包括强度、韧性、硬度、延展性、抗拉强度等指标。力学性能的好坏决定了金属材料的承载能力、抗变形能力和抗破坏能力。
力学性能的常见指标：
1.抗拉强度 Rm(MPa)
- 定义：表征金属材料抵抗拉伸断裂的最大应力称为抗拉强度，也称强度极限。
- 说明：可用拉伸试验测定。对于塑性材料，它表征的是材料最大均匀变形的抗力，并不表征材料的真实断裂抗力；对于没有或只有很小塑性变形的脆性材料才反映材料的真实断裂抗力。
2.抗压强度 Rmc(MPa)
- 定义：表征金属材料抵抗压缩载荷而不失效的最大应力称为抗压强度，也称压缩强度。
- 说明：可用压缩试验测定。对于脆性或低塑性材料，在压力作用下发生破裂，此时压缩强度有明确的值；而对于塑性材料，压缩时不会发行脆断，此时的压缩强度可用产生一定压缩变形时所需的压应力来定义。
3.抗弯强度 σbb(MPa)
- 定义：表征金属材料抵抗弯矩作用而不失效的能力称为抗弯强度，也称弯曲强度。
- 说明：可用弯曲试验测定。对于脆性材料，弯曲时发生断裂，可测定出抗弯强度；对于塑性材料， 弯曲时试样不发生断裂，故弯曲试验只是用于比较各种材料在一定弯曲条件下的塑性 变形能力或用于鉴别零件的表面质量。
4.抗扭强度 τb(MPa)
- 定义：表征金属材料抵抗扭矩作用而不失效的能力称为抗扭强度，也称扭转强度。
- 说明：可用扭转试验测定。
5.剪切强度 τ(MPa)
- 定义：表征金属材料抵抗剪切载荷而不失效的能力称为剪切强度。
- 说明：对于脆性材料，可用剪切试验直接测定，对于塑性材料，因其剪切时发生较大的塑性变形，因此采用扭转试验测定。
6.屈服点 / 条件屈服强度 Rp0.2(MPa)
- 定义：表征金属材料抵抗塑性变形的能力，金属材料受拉伸载荷作用时，当载荷不再增加而变形继续增加的现象叫屈服，发生屈服时的应力称为屈服点。
- 说明：材料发生屈服应力首次下降前的最大应力为上屈服点；当不计初始瞬时效应时，屈服阶段的最小应力为下屈服点。对于存在明显屈服点的材料，其屈服强度等于屈服点所对应的应力；对于没有明显屈服点的材料，则规定塑性变形量为0.2%时的应力为条件屈服强度。
7.疲劳强度 / 条件疲劳强度 σN(MPa)
- 定义：疲劳寿命N是材料在特定环境下，应力循环导致其失效的次数。疲劳强度S是在指定疲劳寿命下，试样发生失效时的应力水平S值。条件疲劳强度σw是在规定应力比下试样具有N次循环的应力幅值，σN是在N次循环的疲劳强度。
- 说明：应力水平S是在试验控制条件下的应力强度，例如：应力幅值、最大应力和应力范围。条件疲劳强度σN是一个特定应力比的应力幅值，在此种情况下，试样具有N次循环的寿命。应力比是最小应力与最大应力的代数比值。
8.疲劳极限 σD(MPa)
- 定义：疲劳极限σD是一个应力幅的值，在这个值下，试样在给定概率时被希望可以进行无限次的应力循环。
- 说明：国家标准指出，某些材料没有疲劳极限；其他的材料在一定的环境下会显示出疲劳强度。
9.扭转疲劳极限 τD (MPa)
- 定义：扭转疲劳极限是指定循环基数下的中值扭转疲劳强度。
- 说明：循环基数一般取10⁷或更高。
10.蠕变极限 σv(MPa)
- 定义：金属材料抵抗蠕变变形的能力。分为物理蠕变极限和条件蠕变极限。物理蠕变极限是指在一定的温度下金属材料不发生蠕变的能力。条件蠕变极限是使金属材料在给定温度下产生规定的蠕变速度或者在规定时间内产生规定的总塑性变形量的应力。
- 说明：物理蠕变极限的高低取决于变形测试设备所能发现的最小变形的能力。工程中常用的是条件蠕变极限。
11. 断后伸长率 A (%)
- 定义：试样拉断后标距部分的实际伸长量与原标距的百分比称为断后伸长率，用A表示。
- 说明：表征金属材料塑性变形能力的指标，可通过拉伸试验测定。对于试样标距长度是直径10倍的圆形试样以及L=11.3 √S（S为试样横截面积）的矩形截面试样的断后伸长率记为A11.3; 对于L=5do 的圆柱试样以及L=5.65 √S 的矩形截面试样的断后伸长率记为A，A值越高，材料的塑性就越好。
12.断面收缩率 Z (%)
- 定义：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大减缩量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，用Z 表示。
- 说明：表征金属材料塑性变形能力的指标，可通过拉伸试验测定。 Z 值越高，材料的塑性越好。
13.持久塑性 δ(%)
- 定义：用蠕变断裂后的试样的延伸率A和断面收缩率Z来表征。
- 说明：它反映了材料在温度应力长期作用下的塑性性能，是衡量材料蠕变脆性的一个重要指标。
14.韧性
- 定义：表征金属材料在断裂前塑性变形和裂纹扩展时吸收能量的能力，是金属材料强度和塑性的综合性能指标。
- 说明：表征材料韧性的主要参量有冲击吸收功，冲击韧性、脆性转变温度和无塑性转变温度，以及断裂韧性等。
15.冲击吸收功 KV 、KU(J)
- 定义：采用规定形状和尺寸的V形或U形缺口试样，在冲击试验力的作用下，一次折断时耗费于产生两个新的自由表面和一部分体积塑性变形所需的能量为冲击吸收功。
- 说明：其值越高，表明材料的韧性越好，抗冲击破坏的能力越强。
16.硬度
- 定义：表征金属材料相对的软硬程度的力学性能指标。
- 说明：常用压入法、动力法和划痕法三种方法测定。压入硬度表征金属材料抵抗塑性变形的能力；动力硬度表征材料形变功的大小；划痕硬度表征材料抵抗磨削的能力。 一般金属材料的硬度越高，强度也越高， 耐磨性越高，而塑性和韧性越差
17.布氏硬度 HB（HBS / HBW）
- 定义：按压人法测定布氏硬度，采用淬硬的钢球或硬质合金球压入金属表面。压痕面积除以加在钢球上的载荷所得之商，即为金属的布氏硬度值HB。
- 说明：由瑞典人J.A.Brinell首先提出。布氏硬度当压头为钢球时（适用于HB<450）,用 HBS 表示，当压头为硬质合金球时（适用于HB<650）,用 HBW 表示。
18.洛氏硬度 HR（HRA / HRB / HRC）
- 定义：按压入法测定洛氏硬度。以锥角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的钢球为压头，先以初载荷Fo压入试件表面，再施加主载荷F₁, 保持一定时间后卸去主载荷，在初载荷下测量残余压入深度，并按压痕的深度计算硬度值。
- 说明：由美国人S.P.Rockwell提出。洛氏硬度按不同类型压头和载荷的配合，可获得多种硬度标度，其中常用的有HRA、HRB和HRC。
19.维氏硬度 HV
- 定义：按压入法测定维氏硬度。以相对夹角为136°的金刚石正四棱锥为压头，在载荷F作用下压入试件表面，再按压痕平均对角线长度计算出压痕表面积。压痕面积除以载荷所得之商，即为维氏硬度值。
- 说明：由英国Vickers公司提出。
Tips1：强度σb、硬度指标的简易换算（仅供参考）
1、布氏硬度HB与抗拉强度σb的近似换算：
1）轧制反锻钢件：σb=3.4~3.6HB
2）铸钢件：σb=3~4HB
3）铬钼硅钢：σb=3.5HB
4）铬钼钢：σb=3.3HB
5）硬铝合金：σb=3.7HB
6）黄铜（合金）：σb=5.3HB
7）纯铜（紫铜）：σb=4.8HB
8）灰口铸铁：σb=1.63HB-65.3
2、HRC 与σb（MPa） 的换算：
σb=801.24+50.8HRC
3、HRC 与 HV 的换算：
HV=(233HRC+14500)÷(100-HRC)
Tips2：由于某些原因，在一些资料中仍保留旧标准(GB/T228—1987)的名称和符号，为查对之用，新标准和旧标准有关室温位伸试验的性能名称、符号对照参见下表。
注：本表的资料参见GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》、GB/T 10623—2008《金属材料力学性能试验术语》、 GB/T 22315—2008 《金属材料 弹性模量和泊松比试验方法》、 GB/T 24182- 2009《金属力学性能试验出版标准中的符号及定义》；有关布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度参见 GB/T 231.1- 209、GB/T 230.1-2009、CB/T 4340.1-2009等。
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