任何機械零件或工具，在使用過程中，往往要受到各種形式外力的作用。如起重機上的鋼索，受到懸吊物拉力的作用；柴油機上的連桿，在傳遞動力時，不僅受到拉力的作用，而且還受到衝擊力的作用；軸類零件要受到彎矩、扭力的作用等等。這就要求金屬材料必須具有一種承受機械荷而不超過許可變形或不破壞的能力。
這種能力就是材料的力學效能。金屬表現來的諸如彈性、強度、硬度、塑性和韌性等特徵就是用來衡量金屬材料材料在外力作用下表現出力學效能的指標。
1.1.1 強度
強度是指金屬材料在靜載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。強度指標一般用單位面積所承受的載荷即力表示，符號為σ，單位為mpa。
工程中常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。屈服強度是指金屬材料在外力作用下，產生屈服現象時的應力，或開始出現塑性變形時的最低應力值，用σs表示。抗拉強度是指金屬材料在拉力的作用下，被拉斷前所能承受的最大應力值，用σb表示。
對於大多數機械零件，工作時不允許產生塑性變形，所以屈服強度是零件強度設計的依據；對於因斷裂而失效的零件，而用抗拉強度作為其強度設計的依據。
1.1.2 塑性
塑性是指金屬材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力。
工程中常用的塑性指標有伸長率和斷面收縮率。伸長率指試樣拉斷後的伸長量與原來長度之比的百分率，用符號δ表示。斷面收縮率指試樣拉斷後，斷面縮小的面積與原來截面積之比，用表示。
伸長率和斷面收縮率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。良好的塑性是金屬材料進行壓力加工的必要條件，也是保證機械零件工作安全，不發生突然脆斷的必要條件。
1.1.3 硬度
硬度是指材料表面抵抗比它更硬的物體壓入的能力。硬度的測試方法很多，生產中常用的硬度測試方法有布氏硬度測試法和洛氏硬度試驗方法兩種。
（一）布氏硬度試驗法
布氏硬度試驗法是用一直徑為d的淬火鋼球或硬質合金球作為壓頭，在載荷p的作用下壓入被測試金屬表面，保持一定時間後解除安裝，測量金屬表面形成的壓痕直徑d，以壓痕的單位面積所承受的平均壓力作為被測金屬的布氏硬度值。
布氏硬度指標有hbs和hbw，前者所用壓頭為淬火鋼球，適用於布氏硬度值低於450的金屬材料，如退火鋼、正火鋼、調質鋼及鑄鐵、有色金屬等；後者壓頭為硬質合金，適用於布氏硬度值為450~650的金屬材料，如淬火鋼等。
布氏硬度測試法，因壓痕較大，故不宜測試成品件或薄片金屬的硬度。
（二）洛氏硬度試驗法
洛氏硬度試驗法是用一錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.558mm（1/16英吋）的淬火鋼球為壓頭，以一不定的載荷壓入被測試金屬材料表面，根據壓痕深度可直接在洛氏硬度計的指示盤上讀出硬度值。常用的洛氏硬度指標有hra、hrb和hrc三種。
採用120金剛石圓錐體為壓頭，施加壓為600n時，用hra表示。其測量範圍為60～85，適於測量合金、表面硬化鋼及較薄零件。
採用1.588mm淬火鋼球為壓頭，施加壓力為1000n時，用hrc表示，其測量硬度值範圍為25～100，適於測量有色金屬、退火和正火鋼及鍛鐵等。
採用120金剛石圓錐體為壓頭，施加壓力為1500n時，用hrc表示，其測量硬度值範圍為20～67，適於測量淬火鋼、調質鋼等。
洛氏硬度測試，操作迅速、簡便，且壓痕小不損傷工件表面，故適於成品檢驗。
硬度是材料的重要力學效能指標。一般材料的硬度越高，其耐磨性越好。材料的強度越高，塑性變形抗力越大，硬度值也越高。
1.1.4 衝擊韌性
金屬材料抵抗衝擊載荷的能力稱為衝擊韌性，用ak表示，單位為j/cm2。
衝擊韌性常用一次擺錘衝擊彎曲試驗測定，即把被測材料做成標準衝擊試樣，用擺錘一次沖斷，測出沖斷試樣所消耗的衝擊ak，然後用試樣缺口處單位截面積f上所消耗的衝擊功ak表示衝擊韌性。
ak值越大，則材料的韌性就越好。ak值低的材料叫做脆性材料，ak值高的材料叫韌性材料。很多零件，如齒輪、連桿等，工作時受到很大的衝擊載荷，因此要用ak值高的材料製造。
鑄鐵的ak值很低，灰口鑄鐵ak值近於零，不能用來製造承受衝擊載荷的零件。
金屬材料**豐富，並具有優良的使用效能和加工效能，是機械工程中應用最普遍的材料，常用以製造機械裝置、工具、模具，並廣泛應用於工程結構中。
金屬材料大致可分為黑色金屬兩大類。黑色金屬通常指鋼和鑄鐵；有色金屬是指黑色以外的金屬及其合金，如銅合金、鋁及鋁合金等。
1.2.1 鋼
鋼分為碳素鋼（簡稱碳鋼）和合金兩大類。
碳鋼是指含碳量小於2.11%並含有少量矽、錳、硫、磷雜質的鐵碳合金。工業用碳鋼的含碳量一般為0.05%～1.35%。
為了提高鋼的力學效能、工藝效能或某些特殊效能（如耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性等），冶煉中有目的地加入一些合金元素（如mn、si、cr、ni、mo、w、v、ti等），這種鋼稱為合金鋼。
（一）碳鋼
1．碳鋼的分類
碳鋼的分類方法有多種，常見的有以下三種。
（1）按鋼的含碳量多少分類分為三類：
低碳鋼，含碳量0.25%；
中碳鋼，含碳量為0.25%～0.60%；
高碳鋼，含碳量0.60%。
（2）按鋼的質量（即按鋼含有害元素s、p的多少）分類分為三類：
普通碳素鋼，鋼中s、p含量分別≤0.055%和0.045%；
優質碳素鋼，鋼中s、p含量均≤0.040%；
高階碳素鋼，鋼中s、p含量分別≤0.030%和0.035%。
（3）按鋼的用途分類分為兩類：
碳素結構鋼，主要用於製造各種工程構件和機械零件；
碳素工具鋼，主要用於製造各種工具、量具和模具等。
2．碳鋼牌號的表示方法
（1）碳素結構鋼碳素結構鋼的牌號由屈服點「屈」字漢語拼音第乙個字母q、屈服點數值、質量等級符號（a、b、c、d）及脫氧方法符號（f、b、z）等四部分按順序組成。其中質量等級按a、b、c、d順序依次增高，f代表沸騰鋼，b代表鎮靜鋼，z代表鎮靜鋼等。如q235-a·f表示屈服強度為235mpa的a級沸騰碳素結構鋼。
（2）優質碳素結構鋼優質碳素結構鋼的牌號用兩位數字表示。這兩位數字代表鋼中的平均含碳量的萬分之幾。例如45鋼，表示平均含碳量為0.
45%的優質碳素結構鋼。08鋼，表示平均含碳量為0.08%的優質碳素結構鋼。
（3）碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號是用碳字漢語拼音字頭t和數字表示。其數字表示鋼的平均含碳量的千分之幾。若為高階優質，則在數字後面加「a」。
例如，t12鋼，表示平均含碳量為1.2%的碳素工具鋼。t8鋼，表示平均含碳量為0.
8%的碳素工具鋼。t12a，表示平均含碳量為1.2%的高階優質碳素工具鋼。
3．碳鋼的用途舉例
q195、q215，用於鉚釘、開口銷等及沖壓零件和焊接構件。
q235、q255，用於螺栓、螺母、拉桿、連桿及建築、橋梁結構件。
q275，用於強度較高轉軸、心軸、齒輪等。
q345，用於船舶、橋梁、車輛、大型鋼結構。
08鋼，含碳量低，塑性好，主要用於製造冷衝壓零件。
10、20鋼，常用於製造沖壓件和焊接件。也常用於製造滲碳件。
35、40、45、50鋼屬中碳鋼，經熱處理後可獲得良好的綜合力學效能，主要用製造齒輪、套筒、軸類零件等。這幾種鋼在機械製造中應用非常廣泛。
t7、t8鋼，用於製造具有較高韌性的工具，如衝頭、鑿子等。
t9、t10、t11鋼，用作要求中等韌性、高硬度的刃具，如鑽頭、絲錐、鋸條等。
t12、t13鋼，用於要求更高硬度、高耐磨性的銼刀、拉絲模具等。
（二）合金鋼
合金鋼的分類方法有多種，常見的有以下兩種。
（1）按用途分類分為三類：
合金結構鋼，用於製造各種效能要求更高的機械零件和工程構件；
合金結構鋼，用於製造各種效能要求更高的刃具、量具和模具；
特殊效能鋼，具有特殊物理和化學效能的鋼，如不鏽鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。
（2）銨合金元素總含量多少分類分為三類：
低合金鋼，合金元素總含量小於5%；
中合金鋼，合金元素總含量為5%～10%；
高合金鋼，合金元素總含量大於10%。
2．合金鋼牌號的表示方法
合金鋼是按鋼材的含碳量以及所含合金元素的種類和數量編號的。
① 鋼號首部是表示含碳量以及所含合金結構鋼與碳素結構鋼相同，以萬分之一的碳作為單位，如首部數字為45，則表示平均含碳量為0.45%；合金工具鋼以千分之一的碳作為單位，如首部數字為5，則表示平均含碳量為0.5%。
② 在表示含碳量的數字後面，用元素的化學符號表示出所含的合金元素。合金元素的含量以百分之幾表示，當平均含量小於1.5%時，只標明元素符號，不標含量。
如25mn2v，表示平均含碳量為0.25%，含錳量約為2%，含釩量小於1.5%的合金結構鋼。
又如9sicr，表示平均含碳量為0.9%，含矽、鉻都少於1.5%的合金工具鋼。
③ 對於含碳量超過1.0%的合金工具鋼，則在牌號中不表示含碳量。如crwmn鋼，表示含碳量大於1.
0%並含有鉻、鎢、錳三種合金元素的合金工具鋼。但也有特例，高速鋼的含碳量小於1.0%，牌號中也不表示含碳量。
如w18cr4v鋼，其含碳量僅為0.7%～0.8%。
④ 特殊效能鋼牌號中也不表示方法基本上與合金工具鋼相同。如2cr13，表示平均含碳量為0.2%，含鉻量約為13%的不鏽鋼。
⑤ 有些特殊用鋼，則用專門的表示方法，如滾動軸承鋼，其牌號以g表示，不標含碳量，鉻的平均含量用千分之幾表示。如gcr15，表示含鉻量為1.5%的滾動軸承鋼。
⑥ 對於高階優質鋼，在鋼號末尾加乙個「a」字，如38crmoaia。
3．合金鋼的用途舉例
09mnnb、16mn、15mnti鋼屬低合金結構鋼，用於製造橋梁、車輛、鍋爐、油罐、建築結構和化工容器等。
14mnvtire、14mnmov、18mnnb、14crmnmovb鋼用於製造大型船舶、重要橋梁、電站裝置及鍋爐、化工、石油等中高壓容器。
20cr、20mnv鋼，適於製造滲碳小齒輪、小軸、活塞銷等。
20crmnti鋼，常用於製造汽車、拖拉機上的齒輪。
18cr2ni4wa、15crmn2simo、20cr2ni4a鋼，常用於製造大型滲碳齒輪和軸類件。
40mnb、40cr、35crmo、40crmnmo鋼，用於製造重要調質件，如主軸、曲軸、連連杆和齒輪等機械零件。
65mn、60si2mn鋼屬彈簧鋼，主要用於製造截面小於25mm的彈簧，如車箱板簧和機車板簧、扭杆簧等。
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