金屬材料的效能分為使用效能和工藝效能。
●使用效能是指金屬材料為保證機械零件或工具正常工作應具備的效能，即在使用過程中所表現出的特性。金屬材料的使用效能包括力學效能、物理效能和化學效能等；
●工藝效能是指金屬材料在製造機械零件和工具的過程中，適應各種冷加工和熱加工的效能。工藝效能也是金屬材料採用某種加工方法製成成品的難易程度，它包括鑄造效能、鍛造效能、焊接效能、熱處理效能及切削加工效能等。
一、金屬材料的力學效能
●金屬材料的力學效能是指金屬材料在力作用下所顯示的與彈性和非彈性反應相關或涉及應力──應變關係的效能，如強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。
●物體受外力作用後導致物體內部之間相互作用的力，稱為內力。
●單位面積上的內力，稱為應力σ(n/mm2)。
●應變是指由外力所引起的物體原始尺寸或形狀的相對變化(%)。
金屬材料的力學效能主要有：強度、剛度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。
（一）強度與塑性
●金屬材料在力的作用下，抵抗永久變形和斷裂的能力稱為強度。
●塑性是指金屬材料在斷裂前發生不可逆永久變形的能力。金屬材料的強度和塑性指標可以通過拉伸試驗測得。
1．拉伸試驗
●拉伸試驗是指用靜拉伸力對試樣進行軸向拉伸，測量拉伸力和相應的伸長，並測其力學效能的試驗。
（1）拉伸試樣。拉伸試樣通常採用圓柱形拉伸試樣，分為短試樣和長試樣兩種。
長試樣l0=10d0；短試樣l0=5d0。
a）拉斷前b）拉斷後
圖1-5 圓形拉伸試樣
（2）試驗方法。
2．力伸長曲線
●在進行拉伸試驗時，拉伸力f和試樣伸長量△l之間的關係曲線，稱為力伸長曲線。
試樣從開始拉伸到斷裂要經過彈性變形階段、屈服階段、變形強化階段、縮頸與斷裂四個階段。
圖1-7 退火低碳鋼力伸長曲線
3．強度指標
金屬材料的強度指標主要有:屈服點σs、規定殘餘伸長應力σ0.2、抗拉強度σb等。
（1）屈服點和規定殘餘延伸應力。
●屈服點是指試樣在拉伸試驗過程中力不增加(保持恆定)仍然能繼續伸長(變形)時的應力。屈服點用符號σs表示。單位為n/mm2或mpa。
●規定殘餘延伸應力是指試樣卸除拉伸力後，其標距部分的殘餘伸長與原始標距的百分比達到規定值時的應力，用應力符號σ並加角標「r和規定殘餘伸長率」表示，如σr0.2表示規定殘餘伸長率為0.2%時的應力定為沒有明顯產生屈服現象金屬材料的屈服點。
（2）抗拉強度。
●抗拉強度是指試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。用符號σb表示，單位為n/mm2或mpa。
4．塑性指標
（1）斷後伸長率。
●試樣拉斷後的標距伸長量與原始標距的百分比稱為斷後伸長率，用符號δ表示。
使用長試樣測定的斷後伸長率用符號δ10表示，通常寫成δ；使用短試樣測定的斷後伸長率用符號δ5表示。
（2）斷面收縮率。
●斷面收縮率是指試樣拉斷後縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。
（二）硬度
●硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種效能指標，也是指金屬材料抵抗區域性變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。
硬度測定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。在壓入法中根據載荷、壓頭和表示方法的不同，常用的硬度測試方法有布氏硬度(hbw)、洛氏硬度(hra、hrb、hrc等)和維氏硬度(hv)。
1．布氏硬度
布氏硬度的試驗原理是用一定直徑的硬質合金球，以相應的試驗力壓入試樣表面，經規定的保持時間後，卸除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑d，然後根據壓痕直徑d計算其硬度值的方法。
布氏硬度值是用球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力表示的，用符號hbw表示，上限為650hbw。
圖1-8 布氏硬度試驗原理圖
布氏硬度的標註方法是：測定的硬度值應標註在硬度符號「hbw」的前面。除了保持時間為1015s的試驗條件外，在其他條件下測得的硬度值，均應在硬度符號「hbw」的後面用相應的數字註明壓頭直徑、試驗力大小和試驗力保持時間。
例如，150hbw 10/1000/30。
2．洛氏硬度
洛氏硬度試驗原理是以錐角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.5875mm的球（淬火鋼球或硬質合金球），壓入試樣表面，試驗時先加初試驗力，然後加主試驗力，壓入試樣表面之後，去除主試驗力，在保留初試驗力時，根據試樣殘餘壓痕深度增量來衡量試樣的硬度大小。
測定的硬度數值寫在符號「hr」的前面，符號「hr」後面寫使用的標尺，如50hrc表示用「c」標尺測定的洛氏硬度值為50。
3．維氏硬度
維氏硬度的測定原理與布氏硬度基本相似，是以麵夾角為136°的正四稜錐體金剛石為壓頭，試驗時，在規定的試驗力f（49.03n~980.7n）作用下，壓入試樣表面，經規定保持時間後，卸除試驗力，則試樣表面上壓出乙個正四稜錐形的壓痕，測量壓痕兩對角線d的平均長度，可計算出其硬度值。
維氏硬度用符號「hv」表示。
維氏硬度數值寫在符號「hv」的前面，試驗條件寫在符號「hv」的後面。例如，640hv30表示用30kgf(294.2n)的試驗力，保持10～15s測定的維氏硬度值是640；640hv30/20表示用30kgf(294.
2n)的試驗力，保持20s測定的維氏硬度值是640。
（三）韌性
1．一次衝擊試驗
●韌性是金屬材料在斷裂前吸收變形能量的能力。
金屬材料的韌性大小通常採用吸收能量k（單位是焦爾）指標來衡量。
（1）夏比擺錘衝擊試樣。
夏比擺錘衝擊試樣有v型缺口試樣和u型缺口試樣兩種，如圖1-11所示。帶v型缺口的試樣，稱為夏比v型缺口試樣；帶u型缺口的試樣，稱為夏比u型缺口試樣。
a)夏比u型缺口試樣b)夏比v型缺口試樣
圖1-11 夏比擺錘衝擊試樣
（2）夏比擺錘衝擊試驗方法。
夏比擺錘衝擊試驗方法是在擺錘式衝擊試驗機上進行的。計算公式是：
v型缺口試樣：kv2或kv8=akv1-akv2(j)
u型缺口試樣：ku2或ku8=aku1-aku2(j)
kv2或ku2表示用刀刃半徑是2mm的擺錘測定的吸收能量；kv8或ku8表示用刀刃半徑是8mm的擺錘測定的吸收能量。
吸收能量大，表示金屬材料抵抗衝擊試驗力而不破壞的能力愈強。
圖1-12 夏比衝擊試驗原理
吸收能量k對組織缺陷非常敏感，它可靈敏地反映出金屬材料的質量、巨集觀缺口和顯微組織的差異，能有效地檢驗金屬材料在冶煉、成形加工、熱處理工藝等方面的質量。
（3）吸收能量與溫度的關係。
金屬材料的吸收能量與溫度之間的關係曲線一般包括高吸收能量區、過渡區和低吸收能量區三部分。
●當溫度降至某一數值時，吸收能量急劇下降，金屬材料由韌性斷裂變為脆性斷裂，這種現象稱為冷脆轉變。
●金屬材料在一系列不同溫度的衝擊試驗中，吸收能量急劇變化或斷口韌性急劇轉變的溫度區域，稱為韌脆轉變溫度。
韌脆轉變溫度是衡量金屬材料冷脆傾向的指標。金屬材料的韌脆轉變溫度愈低，說明金屬材料的低溫抗衝擊性愈好。
2．多次衝擊試驗
金屬材料在多次衝擊下的破壞過程是由裂紋產生、裂紋擴張和瞬時斷裂三個階段組成。其破壞是每次衝擊損傷積累發展的結果，不同於一次衝擊的破壞過程。
多次衝擊彎曲試驗在一定程度上可以模擬零件的實際服役過程，為零件設計和選材提供了理論依據，也為估計零件的使用壽命提供了依據。
在小能量多次衝擊條件下，金屬材料的多次衝擊抗力大小，主要取決於金屬材料強度的高低；在大能量多次衝擊條件下，金屬材料的多次衝擊抗力大小，主要取決於金屬材料塑性的高低。
（四）疲勞
1．疲勞現象
●迴圈應力和應變是指應力或應變的大小、方向，都隨時間發生週期性變化的一類應力和應變。
●零件工作時在承受低於製作金屬材料的屈服點或規定殘餘伸長應力的迴圈應力作用下，經過一定時間的工作後會發生突然斷裂，這種現象稱為金屬的疲勞。
疲勞斷裂首先是在零件的應力集中區域性區域產生，先形成微小的裂紋核心，即微裂源。隨後在迴圈應力作用下，微小裂紋繼續擴充套件長大。由於微小裂紋不斷擴充套件，使零件的有效工作面逐漸減小，因此，零件所受應力不斷增加，當應力超過金屬材料的斷裂強度時，則突然發生疲勞斷裂，形成最後斷裂區。
金屬疲勞斷裂的斷口由微裂源、擴充套件區和瞬斷區組成。
圖1-16 疲勞斷口示意圖
2．疲勞強度
●金屬在迴圈應力作用下能經受無限多次迴圈，而不斷裂的最大應力值稱為金屬的疲勞強度。即迴圈次數值n無窮大時所對應的最大應力值，稱為疲勞強度。
在工程實踐中，一般是求疲勞極限，即對應於指定的迴圈基數下的中值疲勞強度。對於鋼鐵材料其迴圈基數為107，對於非鐵金屬其迴圈基數為108。對於對稱迴圈應力，其疲勞強度用符號σ-1表示。
●金屬材料在承受一定迴圈應力σ條件下，其斷裂時相應的迴圈次數n可以用曲線來描述，這種曲線稱為σ-n曲線。
二、金屬材料的物理效能、化學效能和工藝效能
1．金屬材料的物理效能
●金屬材料的物理效能是指金屬在重力、電磁場、熱力（溫度）等物理因素作用下，其所表現出的效能或固有的屬性。它包括密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性和磁性等。
（1）密度。
●金屬的密度是指單位體積金屬的質量。
●一般將密度小於5×103kg/m3的金屬稱為輕金屬，密度大於5×103kg/m3的金屬稱為重金屬。
（2）熔點。
●金屬和合金從固態向液態轉變時的溫度稱為熔點。
●熔點高的金屬稱為難熔金屬(如鎢、鉬、釩等)，可以用來製造耐高溫零件。
●熔點低的金屬稱為易熔金屬(如錫、鉛等)，可以用來製造保險絲和防火安全閥等零件。
（3）導熱性。
●金屬傳導熱量的能力稱為導熱性。
金屬導熱能力的大小常用熱導率(亦稱導熱係數)λ表示。金屬材料的熱導率越大，說明其導熱性越好。一般來說，純金屬的導熱能力比合金好。
（4）導電性。
●金屬能夠傳導電流的效能，稱為導電性。
金屬導電性的好壞，常用電阻率ρ表示，單位是ω·m。金屬的電阻率越小，其導電性越好。
（5）熱膨脹性。
●金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。
一般來說，金屬受熱時膨脹而且體積增大，冷卻時收縮而且體積縮小。金屬熱膨脹性的大小用線脹係數αl和體脹係數αv來表示。
金屬材料的效能
金屬材料的效能分為使用效能和工藝效能。使用效能是指金屬材料在使用過程中反映出來的特性，它決定金屬材料的應用範圍 安全可靠性和使用壽命。使用效能又分為機械效能 物理效能和化學效能。工藝效能是指金屬材料在製造加工過程中反映出來的各種特性，是決定它是否易於加工或如何進行加工的重要因素。在選用金屬材料和製造...
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