作者：顾鹏展
出版社：电子工业出版社
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金属材料与工艺试读：
前言
随着现代科技的发展，金属材料不断推陈出新，机械加工方法和手段也越来越多，对机械加工技术人员特别是焊接技术人员要求也越来越高。为了适应中等职业院校对机械类专业教学的要求，全面提高教学质量，培养具有专业知识和实践能力的新一代焊接技术人员，使他们对金属材料及加工工艺有比较全面的了解，熟悉相关知识，提高分析和操作加工能力；同时为了满足广大机械加工行业在职人员的培训需求，特编写此书。
本书在内容选材上，更加符合当前技能人才培养的需要，更好地反映新知识、新技术、新设备、新材料。同时结合教学改革要求，在教材中融入先进的教学理念和教学方法，注意将抽象的理论知识形象化、生动化，注重加强实践性教学环节，以及构建“做中学”、“学中做”的学习过程，充分体现中职教学特色。在编写中，以够用为度，适用为主，应用为本，使学生毕业后既能胜任岗位要求，又能适应焊接技术行业的变化和发展需求。
本书选材少而精，重点突出，主次分明，通俗易懂，采用新的国家标准，理论联系实际，便于教学，利于自学，符合中职教育教学特点。
本书适用于92学时的教学，学时分配建议如下：
本书由南阳技师学院顾鹏展担任主编（绪论、第1～4章），尹文新担任副主编（第5章），参加编写的还有杜金鑫（第6、7章）、马作正（第8章）、赵俊德（第9～12章）。本书在编写过程中得到了有关单位的大力支持和帮助，编者参考了许多专家学者的著作和文献，在此，一并表示衷心感谢。
本书既可作为中等职业院校焊接技术类相关专业的课程教学用书，也可作为相关行业从业人员的培训和参考用书，尤其可供焊接行业从业人员使用。编 者绪论
在人类使用的众多材料中，金属材料由于特有的多种优异性能，被广泛地应用于生活和生产当中，是现代工业和科学技术领域不可缺少的重要材料。
作为一名机械行业的技术工人，从手中的工具到加工的零件，每天都要与各种各样的金属材料打交道，为了能够正确地认识和使用金属材料，合理选用金属材料，适当确定热处理工艺，确定不同金属材料的加工方法，充分发挥材料的潜力，提高产品零件的质量，节省金属材料，就必须熟悉金属材料的牌号，了解它们的性能和变化规律。因此，我们需要比较深入地学习和了解金属材料的相关知识，金属材料与热处理正是这样的一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。
金属材料在现代工农业生产中占有极其重要的地位。不仅在机械制造、交通运输、国防科技等各个部门需要使用大量的金属材料，而且在人们日常生活的用品中也离不开金属材料。金属材料的品种繁多，工程上常用的金属材料有钢铁、有色金属及其合金、粉末冶金材料等。各种材料的性能主要是指使用性能和加工工艺性能。金属材料在使用条件下所表现的性能称为使用性能，它包括材料的物理、化学和机械性能。金属材料在冷、热加工的过程中所表现的性能称为加工工艺性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。
金属材料作为应用最为广泛的工程材料，利用各种手段对金属材料进行加工从而得到所需产品的过程，称为机械制造。机械制造包括从金属材料毛坯的制造到制成零件后装配到产品上的全过程。机械制造在制造业中占有非常重要的地位。
按照被加工金属材料在加工时状态不同，机械制造通常分为热加工和冷加工两大类。每一类加工可按从事工作的特点分为不同的职业工种，机械制造的主要职业工种有（热加工类）铸工、锻工、焊工，（冷加工）钳工、车工、镗工、铣工、磨工、金属特种加工。
无论哪一门工种，在实际工作中都需要掌握相关金属材料及热处理知识，因此本课程将金属材料及其加工工艺合在一起，使学习更加连贯和实用。
本课程的主要内容包括金属材料的基本知识、金属的性能、金属学的基础知识和热处理的基本知识、铸造、锻造、车削、钳加工、铣削、刨削、镗削和磨削。
所谓金属，是指由单一元素构成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质，如金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。而合金是指由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性的材料。金属材料是金属及其合金的总称，即指金属元素或以金属元素为主构成的，并具有金属特性的物质。
金属材料的基本知识主要介绍金属的晶体结构及变形的相关知识，金属的性能主要介绍金属的力学性能和工艺性能，金属学基础知识讲述铁碳合金的组织及铁碳合金相图，金属材料讲述碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金等金属材料的常用牌号、成分、组织、性能及用途。热处理基本知识讲述热处理的原理（钢在加热、保温、冷却时的组织转变）和热处理的工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理），以及常用材料的典型热处理工艺。金属加工工艺主要讲述常用的金属毛坯形成方法及常用金属加工工艺。
第一单元 金属材料与热处理第1章 金属的结构与结晶
生活中，我们身边有很多金属，虽然它们都属于同一类物质，但其性能差异却很大。比如铁丝和钢丝，一个柔软而另—个坚硬。金属性能的差异是由其内部结构决定的。因此，掌握金属的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料具有非常重要的意义。1.1 金属的晶体结构1.1.1 晶体与非晶体
物质是由原子和分子构成的，其存在状态可分为气态、液态和固态。固态物质根据其结构特点不同可分为晶体和非晶体。
所谓晶体是指其原子（确切说是离子）呈规律分布的物体。晶体和非晶体的对比可见表1-1，通过定义和性质可以容易地区分晶体与非晶体。自然界的绝大多数物质在固态下为晶体，只有少数为非晶体。由于晶体内部原子排列的规律性，有时甚至可以见到某些物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐及黄铁矿等，但金属晶体一般则看不到这种规则的外形。所有金属都是晶体。表1-1 晶体和非晶体的对比1.1.2 金属的晶格类型
金属的晶格类型是指金属中原子排列的规律。如果把金属原子看作一个直径一定的小球，则某金属中原子的排列情况如图1-1所示。为了更淸楚地表示晶体中原子排列的规律，可将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格，如图1-2所示。
晶胞是可以反映金属原子排列规律的最小单元，所以一般都是取出晶胞来研究的。图1-1 晶体中原子的排列情况图1-2 晶格和晶胞示意图
虽然固体金属都是晶体，但是各种金属的晶体结构并不是完全相同的。某种金属的晶格是该金属所固有的，金属不同，晶格也就不同。
金属的晶格结构在已知的80多种金属元素中，除少数金属具有复杂的晶体结构外，绝大多数（占85%）金属属于以下三种简单晶格：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。有14种金属属于体心立方晶格，15种金属属于面心立方晶格，17种金属属于密排六方晶格，常见的三种金属晶格类型见表1-2。表1-2 常见的三种金属晶格类型
除以上三种晶格外，少数金属还具有其他类型的晶格，但一般很少遇到。
即使相同原子构成的晶体，只要原子排列的晶格形式不同，则它们之间的性能就会存在很大的差别，如金刚石与石墨就是典型的例子。1.1.3 单晶体与多晶体
金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒，晶粒间交界的地方称为晶界，这种实际上由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体，如图1-3所示。
只由一个晶粒组成的晶体称为单晶体，如图1-4所示，单晶体的晶格排列方位完全一致。单晶体必须人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。单晶体在不同的方向上具有不同性能的现象称为各向异性。图1-3 多晶体图1-4 单晶体
普通金属材料都是多晶体，虽然每个晶粒各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性。1.1.4 晶体的缺陷
实际上由于各种原因，金属原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，我们把这种晶体中原子紊乱排列的现象称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属材料的许多性能都有很大的影响，特别是在金属的塑性变形及热处理过程中起着重要作用。
常见的几种晶体缺陷及影响见表1-3。表1-3 常见的几种晶体缺陷及影响续表1.2 纯金属的结晶
工业上使用的金属材料通常要经过液态和固态的加工过程。例如制造机器零件的钢材，要经过冶炼、注锭、轧制、锻造、机加工和热处理等工艺过程，如图1-5所示。生产上将金属的凝固称为结晶。
结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体（晶体）状态的过程，在结晶过程中会放出一定的热量，称为结晶潜热。1.2.1 纯金属的结晶过程
金属的结晶必须在低于其理论结晶温度（熔点T）下才能进行，0理论结晶温度和实际结晶温度（T）之间存在的这个温度差称为“过1冷度”（ΔT=T-T），如图1-6所示。金属结晶时，过冷度的大小与冷01却速度有关，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度ΔT也就越大。图1-5 炼钢图1-6 结晶时的冷却曲线及过冷度示意图
纯金属的结晶是在恒温下进行的。结晶结束，不再有潜热放出来补充散发的热量，温度又重新下降，直至室温。
图1-7所示为金属结晶过程示意图。金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成，并且这两个过程是同时进行的。实验证明，这个晶核产生与长大的过程是一切物质（包括非金属物质）进行结晶的普遍规律。例如下雪时，刚开始落下的是小雪粒（小晶体），随着空气中水蒸气不断地向小雪粒上凝聚，慢慢地雪粒就变成了飘舞的雪花（枝状晶）。在晶核开始成长的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也大多是比较规则的。但随着晶核的成长，晶体棱角的形成，棱角处的散热条件优于其他部位，因而得到优先成长，如树枝一样先长出枝干，再长出分枝，最后再把晶间填满。这种成长方式叫“枝晶成长”。图1-7 金属结晶过程示意图
由于树枝状晶体在金属结晶时是不透明的，所以很难看到。但在一些情况下，由于结晶时没有得到足够的原子填充，所以其形态被保存下来，比如在一些纯金属的表面、铸锭或铸件的缩孔中，通常可以观察到这种结构。1.2.2 晶粒大小对金属材料的影响
在显微镜下观察纯铁晶粒的大小、形态和分布，如图1-8所示。
从图1-8中可以看出，纯铁是由许多形状不规则的晶粒组成的。金属材料的晶粒越细，其晶界总面积越大，强度也就越高；同时由于晶粒越细，在相同体积内的晶粒数目就越多。在同样的变形条件下，变形可分散在更多的晶粒中进行，使变形量的分配更均匀，因此金属不易因变形过大而断裂，使其塑性提高。
有色金属的晶粒一般都比钢铁中的晶粒大一些，有时甚至不用显微镜就能直接看见，如镀锌钢板表面的锌晶粒，其尺寸通常可达数毫米至十几毫米，用肉眼便可观察到其晶粒及晶粒表面枝状晶组成的花纹。
晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。形核率越高，长大速度越慢，则结晶后的晶粒越细小，因而在生产中一般通过提高形核率并控制晶粒长大速度的方法来细化晶粒。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常釆取以下几种方法。图1-8 晶粒的大小、形态和分布
1.增加过冷度
金属结晶时的冷却速度愈大，其过冷度便愈大，随着过冷度的增加，晶核的形成率和成长率都增大，并在一定的过冷度时各自达到一最大值。一般工业条件下，金属结晶过程中过冷度越大，晶粒越细。薄壁铸件的晶粒较细；厚大的铸件往往是粗晶，铸件外层的晶粒较细，心部则是粗晶。
2.变质处理
任何金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可与金属一起熔化，有的则不能，而是呈未熔的固体质点悬浮于金属液体中。这些未熔的杂质，当其晶体结构在某种程度上与金属相近时，常可显著地加速晶核的形成，使金属的晶粒细化。因为当液体中有这种未熔杂质存在时，金属可以沿着这些现成的固体质点表面产生晶核，减小它暴露于液体中的表面积，使表面能降低，其作用甚至会大于加速冷却增大过冷度的影响。
生产中最常用的细化晶粒的方法是变质处理。即在浇注前向液态金属中加入一些细小的变质剂，以提高形核率或降低长大速度。例如在钢中加入钛、硼、铝等，在铸铁中加入硅铁、钙铁等，均能起到细化晶粒的作用。
3.振动处理
金属在结晶时，对液态金属采取机械振动、超声波振动和电磁振动等措施，使生长中的晶枝破碎而细化，而且破碎的枝晶又可作为结晶核心，从而达到提高形核率、阻碍晶粒长大的双重目的，以细化晶粒。
此外，对于固态下晶粒粗大的金属材料，可通过热处理的方法来细化晶粒，相关内容将在热处理的有关章节中加以介绍。1.2.3 同素异构转变
大多数金属的晶格类型是固定不变的，但是铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生变化。在固态下，金属随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为金属的同素异构转变。图1-9所示为纯铁的冷却曲线。图1-9 纯铁的冷却曲线
由图可见，液态纯铁在1538℃时开始结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，转变为面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe，如再继续冷却到室温，晶格类型将不再发生变化。
金属的同素异构转变也是一种结晶过程，又称重结晶。现已发现，约有30多种金属，特别是过渡族金属都具有同素异构转变。特别有意义的是，以这些金属为基的合金（固溶体）往往也具有类似的转变，如钢中的铁素体和奥氏体之间的转变等。
研究和掌握金属及合金的同素异构转变，对于掌握和应用金属材料是十分重要的，它是进行金属热处理的内在依据。因为，仅具有同素异构转变的金属才能通过热处理方法来使它发生相变，从而获得技术上所需要的组织，最后使金属零件具备设计所需要的性能。第2章 金属材料的性能
在机械工业中，应用最广泛的材料是金属。根据产品不同的使用目的和工作条件，对金属材料在性能上提出了不同的要求。为了在机械制造中能够合理地选择金属材料，正确地拟定各种加工工艺过程，充分发挥金属材料的作用，达到既节约金属材料又保证产品质量的目的，以及研制和发展新金属材料，就必须掌握金属材料的性能。
金属的性能是多方面的，根据工程技术上对金属材料性能要求的不同，可将金属的性能分为使用性能和工艺性能两大类。
金属材料在使用条件下所表现的性能称为使用性能。金属材料对不同加工工艺方法的适应能力称为工艺性能。
金属材料的使用性能包括力学性能（如强度、硬度、塑性、韧性等）、物理性能（如密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性及磁性等）、化学性能（如抗氧化性、抗腐蚀性等）以及其他使用性能（如耐磨性、消振性、抗辐射性等）。
金属材料的工艺性能包括铸造性能、锻压性能、切削加工性能、焊接性能和热处理性能等。
工程技术上不但要求金属材料具有良好的使用性能，而且还要求具有良好的工艺性能。因为有时候工艺性能会成为决定某种金属材料工业价值的关键因素，所以对金属材料的这两大类性能都必须予以充分的重视和研究。2.1 金属材料的物理性能
金属物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、导磁性及电阻温度系数等。它们可以作为使用性能，而且有些还同时成为工艺性能。这是金属性能中重要的部分。2.1.1 密度
金属的密度就是单位体积的金属质量，即金属质量与其体积的比值。每一种金属都有固定的密度数值，用符号ρ来表示。密度的测定方法：为测出某金属的体积和质量，用密度公式计算出即可。
密度的计算公式为：
式中，m——金属的质量（kg）；3
V——金属的体积（m）；3
ρ——金属的密度（kg/m）。
金属的密度是机械工业中常用的一项重要性能数据。在选材时，必须考虑密度的因素。制造飞机、汽车、车辆及桥梁等构件的材料，在满足材料强度的条件下，要求自重尽量轻，这时应选择密度小的金属材料；在金属零件的加工过程中也常常要用到密度，例如需要用密度来算出铸造一个零件需要用多少质量的铸造合金，日常生活中用密度公式计算大型零件的质量；在科研工作中，用测定密度的方法来鉴别金属和确定某些金属铸件的致密程度等。33
一般习惯性将密度小于5×10kg/m的金属称为轻金属，密度大于335×10kg/m的金属称为重金属。常用金属的密度值见表2-1。表2-1 常用金属密度值2.1.2 熔点
金属或合金在加热过程中由固体熔化为液体的温度称为熔点，常用摄氏温度（℃）来表示。对于每一种金属来说其熔点都是固定不变的，常用金属的熔点见表2-2。表2-2 常用金属的熔点
金属的熔点可以用热分析法精确测定。在常用金属材料中钨的熔点最高，即最难熔解。锡、铅等金属熔点较低，称为低熔点金属。金属材料的选材和制造与熔点密切相关。在金属和合金的铸造与焊接时温度都必须要高于它的熔点，热处理的温度则必须低于其熔点。熔点低的合金可用来制造钎料、熔丝（铅、锡、铋、镉的合金）、铅字（铅与锑的合金）等，在制造机械零件、结构件及耐热零件时，须根据使用条件的要求，选择熔点合适的金属或合金。2.1.3 热膨胀性
固态金属或合金在温度变化时体积和长度会发生相应变化，一般来说受热时体积增大，冷却时体积缩小，金属的这种随着温度而热胀冷缩的特性称为热膨胀性。金属热膨胀性的大小用线膨胀系数（符号为α）和体膨胀系数（符号为α）来表示，它们的近似关系为：lv
线膨胀系数可以用各种型号的膨胀仪来测定。根据下列公式可求得α值：l
式中，L——试样膨胀前原始长度（mm）；0
L——试样膨胀后长度（mm）；t
t——升高的温度（℃）；-1
α——线膨胀系数（K）。l
表2-3所列是常用金属和合金的线膨胀系数值。表2-3 常用金属和合金的线膨胀系数注：线膨胀系数为273～373K下测得。
在实际工作中，对于热膨胀的影响应引起高度重视。例如活塞在缸套间（既不能漏气又不能卡住）运动以及转动，轴与轴瓦之间都要用膨胀系数值来控制其间隙尺寸；在铸造机械零件时，为了确保零件尺寸，减少和避免缩孔及疏松等铸造缺陷，必须考虑材料的热膨胀影响；在零件热处理及铸件冷却时局部体积收缩可能会引起开裂；精密量具受温度变化会引起读数误差等。2.1.4 导热性
金属在加热或冷却时能够传导热能的性质称为导热性。金属导热性的大小用金属的热导率来表示，符号为，单位是W/（m·K）。
热导率λ的数值可以用热导仪测定，其方法大致分为动态法和静态法两大类，一般以静态法为准。
从表2-4可以知道所有金属中银的导热性最好，铜其次，纯金属的导热性比合金要好。在导热过程中，热导率标志温度变化的速度，因此掌握热导率概念对热处理极为重要。例如，当制定金属或合金热处理规范时，加热速度的确定，要考虑到λ值。合金钢的导热性比碳素钢差，加热速度要相应慢些；在淬火冷却时，工件的温度是心部高而表面低，导热性差的钢种内外温差比较大，淬火时容易产生变形甚至开裂，因此合金钢淬火时往往用油冷。可见，钢件热导率对热处理是十分重要的。一般来说，导热性好的金属散热性也好，因此在制作散热器、热交换器与活塞等零件时，要注意挑选热导率大的金属或合金。表2-4 常用金属热导率①指在373K时的λ值。2.2 金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指金属具有的承受机械载荷（外力或能量）而不超过许可变形或不破坏的能力。
金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等性能。2.2.1 强度和塑性
静拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一，其方法简单可靠。试验时，在试样两端缓慢施加载荷，使试样的工作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长，直至试样拉断为止。测定试样对外加载荷的抗力，可以求出材料的强度指标，测定试样断后伸长率、断面收缩率等塑性指标。图2-1为拉伸试验机。图2-1 拉伸试验机
1.拉伸曲线图
拉伸试验的试样截面有圆形、矩形及管形等，试样加工应符合GB/T228—2002标准规定。图2-2所示为钢的拉伸试样。
一般试验机都带有自动记录装置，可把作用在试样上的力和所引起的伸长自动记录下来，绘出力-伸长曲线，这种曲线叫作拉伸图（拉伸曲线）。图2-3是低碳钢的力-伸长曲线，纵坐标表示力F，单位为N，横坐标表示绝对伸长ΔL，单位为mm。退火低碳钢的F-ΔL关系曲线，可分为如下几个阶段。图2-2 钢的标准拉伸试样示意图图2-3 低碳钢的力-伸长曲线（1）弹性变形阶段
试样变形完全是弹性的，卸力后试样即恢复原状。力比较小时，试样伸长随力成正比地增加，保持比例关系。超过比例伸长力后，F-ΔL呈非比例关系，直至最大弹性伸长力F。e（2）屈服阶段
当力超过F再卸力时，试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部e分残余变形。卸力后的残余变形叫作塑性变形。当力增加到一定值时，力指示器（测力度盘）的指针停止转动或开始往回转，拉伸图上出现了平台或锯齿状，这种压力不增加或减小的情况下，试样还继续伸长的现象叫作屈服。平台阶段的力为屈服力F，当出现锯齿状时有上屈s服力F和下屈服力F之分。屈服后，材料开始出现明显的塑性变形，eHeL试样表面出现滑移带。（3）强化阶段
在屈服阶段以后，欲使材料继续变形，必须不断施力。随着塑性变形的增大，材料变形抗力不成比例地逐渐增加。这种现象叫作形变强化或加工硬化。力-伸长曲线图上的最大力F，即为材料在拉伸时m的最大力。（4）缩颈阶段
当力达到最大值F后，试样的某一部位横截面开始急剧缩小，m出现“缩颈”。试样抗力下降，施加的力也随之下降，而变形继续增加。这时变形主要局限于缩颈附近，直到断裂。
2.强度
金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度的大小用应力表示。（1）屈服强度
金属材料在拉伸试验时产生的屈服现象是开始产生宏观塑性变形的一种标志。屈服强度是当金属材料呈现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。对于有明显屈服现象的材料，其屈服强度分为上屈服强度R与下屈服强度R，在金属材料中，一般用eHeL下屈服强度代表屈服强度。
式中，R——试样的下屈服强度（MPa）；eL
F——试样屈服时的最小载荷（N）；eL2
S——试样原始横截面面积（mm）。0
除低碳钢和中碳钢及少数合金钢有屈服现象外，大多数金属材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料，规定产生0.2%残余伸长时的应力作为条件屈服强度R，可以替代R，称为条件（名义）p0.2eL屈服强度。（2）抗拉强度
材料在拉断前能承受的最大的应力，即试样拉伸过程中最大力所对应的应力称为抗拉强度，以R表示。m
式中，R——抗拉强度（MPa）；m
F——试样在屈服阶段后所能抵抗的最大载荷（N）；m2
S——试样原始横截面面积（mm）。0
3.塑性
材料受力后在断裂前金属发生塑性变形的能力叫作塑性。（1）断后伸长率
断后伸长率是试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比，以A表示。
式中，L——试样拉断后的标距（mm）；u
L——试样原始标距（mm）。0（2）断面收缩率
断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。以Z表示。2
式中，S——试样拉断后缩颈处的横截面面积（mm）；u2
S——试样原始横截面面积（mm）。0
金属材料的断后伸长率和断面收缩率越高，其塑性越好。塑性好的材料，易于变形加工，而且在受力过大时，首先发生塑性变形而不致突然断裂，因此比较安全。2.2.2 硬度
硬度是指金属材料抵抗局部塑性变形的能力。它是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。硬度越高，材料的耐磨性越好。机械加工中所用的刀具、量具、模具以及大多数机械零件都应具备足够的硬度，以保证使用性能和寿命，否则容易因磨损而失效。因此，硬度是金属材料一项重要的力学性能。
金属硬度试验与拉伸试验一样也是一种应用广泛的力学性能试验方法。硬度试验方法基本上可分为压入法和刻划法两大类。在压入法中，根据加载速率不同又可分为静载压入法和动载压入法。通常，硬度是在硬度试验机上用静载试验法测得的，如图2-4所示。常用的硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验法、维氏硬度实验法。图2-4 硬度试验机
1.布氏硬度（1）布氏硬度的定义
使用一定直径的硬质合金球体，以规定实验力压入试样表面，并保持规定时间后卸除实验力，然后测量表面压痕直径来计算硬度，如图2-5所示。图2-5 布氏硬度的概念
布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，所以布氏硬度是有单位的，其单位为MPa，但一般均不标出，用符号HBW表示，即
式中，F——实验力（N）；2
S——球面压痕表面积（mm）；
D——压头直径（mm）；
d——压痕平均直径（mm）。
在实际应用中，布氏硬度值一般不需要计算，而是用专用的刻度放大镜量出压痕直径，再从压痕与硬度对照表中查出相应的布氏硬度值。（2）布氏硬度的表示方法
布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验保持时间表示。当保持时间为10～15s时可不标。
例如170HBW10/1000/30表示用直径为10mm的压头，9807N（1000kg）实验力作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170；又如600HBW1/30/20表示用直径为1mm的压头，在294.2N（30kg）实验力作用下，保持20s时测得的布氏硬度值为600。
进行布氏硬度实验时，应根据被测材料种类、厚度及硬度值范围选择实验力、压头直径和实验保持时间。（3）应用范围及优缺点
布氏硬度主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。
布氏硬度实验法，压痕直径较大，能较准确地反映材料的平均性能。由于强度和硬度间有一定的近似比例关系，因而在生产中较为常用。但由于测压痕直径费时费力，操作时间长，而且不适于测高硬度材料，压痕较大，所以只适宜对毛坯和半成品进行测试，而不宜对成品及薄壁零件进行测试。
2.洛氏硬度（1）洛氏硬度的定义
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]