第二節(jié) 化工用金屬材料的性能

金屬材料的性能一般分為使用性能和工藝性能。所謂使用性能是指機(jī)械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命。所謂工藝性能是指機(jī)械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成型的適應(yīng)能力。由于加工條件不同，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能及切削加工性等。

一、金屬材料的力學(xué)性能

金屬材料在加工和使用過程中都要受到外力的作用，這種外力稱為載荷。當(dāng)載荷在某一極限范圍內(nèi)時(shí)，材料本身一般不發(fā)生明顯的變形或斷裂，說明金屬材料對(duì)外力具有一定的抵抗能力。但是，當(dāng)外力超過某一極限時(shí)，金屬材料就會(huì)發(fā)生變形，甚至斷裂。人們把金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的抵抗能力稱為金屬的“力學(xué)性能”。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有強(qiáng)度、彈性、塑性及疲勞強(qiáng)度等。

1.強(qiáng)度、彈性、塑性及其測(cè)定

強(qiáng)度是材料在靜載荷作用下抵抗破壞的能力。根據(jù)載荷作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。其中以拉伸試驗(yàn)所得的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)用最為廣泛。

彈性是指材料在外力作用下發(fā)生變形，如果外力不超過某個(gè)限度，在外力卸除后材料恢復(fù)原狀的這種性能稱為彈性。外力卸除后即可消失的變形，稱為彈性變形。反映材料彈性的指標(biāo)有比例極限、彈性極限、彈性模量、剪切彈性模量及泊松比等。

金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力稱為“塑性”。常用的塑性指標(biāo)有伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。

抗拉強(qiáng)度、彈性、塑性和剛度是通過靜拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。實(shí)驗(yàn)時(shí)在拉伸機(jī)上對(duì)圓柱試樣兩端緩慢地施加載荷，使試樣受軸向拉力沿軸向伸長(zhǎng)，直至把試樣拉斷為止。這種外部施加的載荷稱為外力；由于外力作用，物體內(nèi)部產(chǎn)生某種抵抗外力的力稱為內(nèi)力。根據(jù)試樣在拉伸過程中承受的載荷和產(chǎn)生變形的大小，可以測(cè)定該材料的強(qiáng)度和塑性。

（1）拉伸曲線。靜拉伸實(shí)驗(yàn)一般是指在常溫、單向靜拉伸載荷作用下，采用圖1-1拉伸試樣在拉伸機(jī)上進(jìn)行。拉伸試驗(yàn)機(jī)上帶有自動(dòng)記錄裝置，可以自動(dòng)記錄作用在試樣上的力和由受力而引起的試樣伸長(zhǎng)，繪出載荷（P）與伸長(zhǎng)量（Δl）的關(guān)系曲線，這種曲線叫做拉伸曲線或拉伸圖。圖1-2是低碳鋼的拉伸曲線，縱坐標(biāo)表示載荷（P），橫坐標(biāo)表示試樣在載荷（P）的作用下的絕對(duì)伸長(zhǎng)量（Δl）。連接各點(diǎn)所得到的曲線即為拉伸曲線。

由圖1-2可知，低碳鋼式樣在拉伸過程中其載荷與伸長(zhǎng)量關(guān)系有以下三個(gè)階段。

①彈性變形階段。在拉伸曲線圖上，oe為彈性變形階段，在此階段，材料受外力作用而變形，若外力卸掉，變形全部消失，即試樣恢復(fù)原來尺寸。當(dāng)載荷不超過P_p時(shí)，拉伸曲線op為一直線，即試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比例增加；當(dāng)載荷超過P_p后，拉伸曲線開始偏離直線，即試樣的伸長(zhǎng)量與載荷已不再成正比關(guān)系，P_e是試樣發(fā)生完全彈性變形的最大載荷。

②塑性變形階段。當(dāng)載荷超過P_p后，試樣將進(jìn)一步伸長(zhǎng)，但此時(shí)若去除載荷，彈性變形消失。而另一部分變形被保留，即試樣不能恢復(fù)到原來的尺寸，這種不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形或永久變形。當(dāng)載荷達(dá)到P_s時(shí)，拉伸曲線出現(xiàn)水平或鋸齒形的線段，這表明在載荷基本不變的情況下，試樣卻繼續(xù)變形，這種現(xiàn)象稱為“屈服”。引起試樣屈服的載荷稱為屈服載荷。

圖1-1 拉伸試樣

圖1-2 低碳鋼的拉伸曲線

③斷裂階段。當(dāng)載荷超過P_s后，試樣的伸長(zhǎng)量與載荷將呈曲線關(guān)系上升，但曲線的斜率比op段的小，即載荷的增加量不大，而試樣的伸長(zhǎng)量卻很大。這表明在載荷超過P_s后，試樣已開始產(chǎn)生大量均勻的塑性變形。當(dāng)載荷繼續(xù)增大越過最大值（P_b）時(shí)，試樣的局部橫截面積縮小，產(chǎn)生所謂“頸縮”現(xiàn)象。由于試樣局部橫截面的逐漸減小，承載能力也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線k點(diǎn)時(shí)，試樣斷裂。P_k為試樣斷裂時(shí)的載荷。

應(yīng)該指出，某些脆性金屬材料（如鑄鐵等）在進(jìn)行靜拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，在尚未產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)已經(jīng)斷裂，故不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“頸縮”變形。

（2）應(yīng)力—應(yīng)變曲線。以材料的拉伸圖為基礎(chǔ)，以應(yīng)力作縱坐標(biāo)，以應(yīng)變作橫坐標(biāo)繪制的曲線，稱為應(yīng)力—應(yīng)變（σ—ε）曲線，如圖1-3所示。

圖1-3 低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

①應(yīng)力。物體由于外力作用而變形時(shí)，在物體內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，即各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，力圖使物體從變形后的位置回復(fù)到變形前的位置，材料內(nèi)部的這個(gè)集中在某一點(diǎn)上的反作用力就稱為應(yīng)力，其大小等于單位面積上所承受的內(nèi)力，該內(nèi)力近似等于外加的載荷，則物體所承受的應(yīng)力等于物體承受的載荷除以物體的原始橫截面積，單位為MPa。

②應(yīng)變。當(dāng)材料在外力作用下產(chǎn)生位移時(shí)，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變就稱為應(yīng)變。例如，當(dāng)單位圓柱體被拉伸的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形（ΔL），那么圓柱體的長(zhǎng)度則變?yōu)椋?i>L+ΔL）。這里，由伸長(zhǎng)量（ΔL）和原長(zhǎng)（L）的比值所表示的伸長(zhǎng)率（或壓縮率）就叫做“應(yīng)變”。分為“軸向應(yīng)變”和“橫向應(yīng)變”，沒有單位，值很小（約1×10^-6）。

③應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，無法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行直接的測(cè)量，但是通過測(cè)量由外力影響產(chǎn)生的應(yīng)變可以計(jì)算出應(yīng)力的大小。應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系通過應(yīng)力—應(yīng)變曲線反應(yīng)出來。

比較低碳鋼的拉伸曲線（圖1-2）和其應(yīng)力—應(yīng)變曲線（圖1-3），可以看出，兩者具有相同的形狀，但其橫、縱坐標(biāo)不同，兩曲線的意義也不同。應(yīng)力—應(yīng)變曲線的縱坐標(biāo)表示應(yīng)力，單位是MPa。橫坐標(biāo)表示相對(duì)伸長(zhǎng)量。在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上可以直接讀出材料的力學(xué)性能指標(biāo)。如屈服強(qiáng)度（σ_s），強(qiáng)度極限（σ_b），伸長(zhǎng)率（σ_k）等，由圖1-3應(yīng)力—應(yīng)變曲線可以反應(yīng)出不同曲線段的強(qiáng)度指標(biāo)。

（3）強(qiáng)度、彈性指標(biāo)及其測(cè)定方法。反應(yīng)強(qiáng)度、彈性的指標(biāo)有比例極限、彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限和斷裂強(qiáng)度。

①比例極限（σ_p）。當(dāng)應(yīng)力比較小時(shí)，在一定的比例極限范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成線性比例關(guān)系，滿足胡克定律，即在應(yīng)力低于比例極限的情況下，固體中的應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）成正比，即σ=Εε，式中E為常數(shù)，稱為彈性模量，因英國的托馬斯·楊首先給出彈性模量的定義，所以彈性模量又稱楊氏模量，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力稱為比例極限，即圖1-3中的σ_p。當(dāng)應(yīng)力超過σ_p時(shí)，曲線開始偏離直線，因此稱σ_p為比例極限，是應(yīng)力與應(yīng)變直線關(guān)系的最大應(yīng)力值，且：

式中：P_p ——比例極限的載荷，N；

A₀ ——試樣的原截面積，mm²。

②彈性極限（σ_e）。在應(yīng)力—應(yīng)變曲線中，應(yīng)力在σ_e時(shí)稱為彈性強(qiáng)度極限，該階段為彈性變形階段。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)增加，超過σ_e以后，試樣在繼續(xù)產(chǎn)生彈性變形的同時(shí)，也伴隨有微量的塑性變形，因此σ_e是材料由彈性變形過渡到塑性變形的應(yīng)力。應(yīng)力超過彈性極限以后，便開始發(fā)生塑性變形。

式中：P_e ——彈性極限的載荷，N。

為了便于比較，根據(jù)材料構(gòu)件服役條件的要求，規(guī)定產(chǎn)生一定殘余變形的應(yīng)力作為“規(guī)定彈性極限”。國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定以殘余伸長(zhǎng)為0.01%的應(yīng)力作為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，用σ_0.01表示。彈性極限并不是材料對(duì)最大彈性變形的抵抗力，因?yàn)閼?yīng)力超過彈性極限之后，材料在發(fā)生塑性變形的同時(shí)，還要繼續(xù)產(chǎn)生彈性變形。所以，彈性極限是表征開始塑性變形的抵抗力。嚴(yán)格來說，是表征微量塑性變形的抵抗力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

材料在剪切彈性變形階段中剪應(yīng)力（τ）與剪應(yīng)變（γ）的比值稱為剪切彈性模量，簡(jiǎn)稱剪切模量。以G表示剪切彈性模量，則G=τ/γ或τ= Gγ。

泊松比是指材料沿載荷方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)（或縮短）變形的同時(shí)，在垂直于載荷的方向會(huì)產(chǎn)生縮短（或伸長(zhǎng)）變形。垂直方向上的應(yīng)變（ε₁）與載荷方向上的應(yīng)變（ε）之比的負(fù)值稱為材料的泊松比，以v表示泊松比，則v=-ε₁/ε。在材料彈性變形階段內(nèi)，v是一個(gè)常數(shù)。理論上，材料的三個(gè)彈性常數(shù)E、G、v中，只有兩個(gè)是獨(dú)立的，因?yàn)樗鼈冎g存在如下關(guān)系：

③屈服極限（σ_s）。屈服極限是材料開始明顯塑性變形的最低應(yīng)力值，在拉伸過程中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)拉伸曲線上出現(xiàn)了平臺(tái)或鋸齒形流變（圖1-2），在應(yīng)力不增加或減小的情況下，試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)而進(jìn)入屈服階段。屈服階段恒定載荷（P_s）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為材料的屈服點(diǎn)。

式中：P_s —— 載荷在不增加或開始下降時(shí)，試樣還繼續(xù)伸長(zhǎng)的恒定載荷或首次下降的最小載

荷，N。

屈服點(diǎn)是具有屈服現(xiàn)象的材料特有的強(qiáng)度指標(biāo)，屈服點(diǎn)（σ_s）的載荷可借助拉伸曲線的縱坐標(biāo)來確定。

除退火或熱軋的低碳鋼和中碳鋼等少數(shù)合金有屈服現(xiàn)象外，大多數(shù)金屬合金都沒有屈服點(diǎn)，因此，規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，以σ_0.2表示，有：

式中：P_0.2 ——產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變的載荷，N。

屈服強(qiáng)度（σ_0.2）和屈服點(diǎn)一樣，表征材料發(fā)生明顯塑性變形的抵抗力。彈性極限和屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）都表征材料開始塑性變形的抵抗力。但是從變形程度來看，彈性極限（σ_s）規(guī)定的殘余變形小（0.005%～0.05%），表示開始產(chǎn)生塑性變形的抵抗力，屈服強(qiáng)度σ_0.2規(guī)定的殘余變形大一點(diǎn)，表征開始產(chǎn)生明顯塑性變形的抵抗力；比例極限（σ_p）規(guī)定的殘余伸長(zhǎng)更小，在0.001%～0.01%之間。這三個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)都是材料的微量塑性變形抗力指標(biāo)。從工程技術(shù)上和標(biāo)準(zhǔn)中的定義來看，它們之間并無原則差別，只是規(guī)定的塑性變形大小不同而已。因此，可以用規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力把比例極限、彈性極限及屈服強(qiáng)度的定義統(tǒng)一起來。對(duì)于結(jié)構(gòu)件，常因過量的塑性變形而失效，一般不允許發(fā)生塑性變形。對(duì)于要求特別嚴(yán)格的構(gòu)件，應(yīng)該根據(jù)材料的彈性權(quán)限或比例極限設(shè)計(jì)，而要求不十分嚴(yán)格的構(gòu)件則，要以材料的屈服強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)，所以屈服強(qiáng)度被公認(rèn)為是評(píng)定材料的重要的力學(xué)性能指標(biāo)。

④強(qiáng)度極限（抗拉強(qiáng)度，σ_b）。強(qiáng)度極限是材料在斷裂前所承受的最大應(yīng)力值，也就是材料的斷裂強(qiáng)度，在工程上也稱為抗拉強(qiáng)度，是評(píng)定材料強(qiáng)度的重要力學(xué)性能指標(biāo)之一。屈服階段以后，材料開始產(chǎn)生明顯的塑性變形，進(jìn)入彈—塑性變形階段，有時(shí)伴有形變強(qiáng)化現(xiàn)象，要繼續(xù)變形，必須不斷增加應(yīng)力。隨著塑性變形的增大，變形抵抗力不斷增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大值（σ_b）以后，材料的形變強(qiáng)化效應(yīng)已經(jīng)不能補(bǔ)償由于橫截面積的減小而引起的承載能力的降低，此時(shí)試樣的某一部位截面開始急劇縮小，因而在工程應(yīng)力—應(yīng)變曲線（圖1-3）上，出現(xiàn)了應(yīng)力隨應(yīng)變的增大而降低的現(xiàn)象，曲線上的最大應(yīng)力（σ_b）為抗拉強(qiáng)度極限，它是由試樣拉斷前最大載荷所決定的條件臨界應(yīng)力，即試樣所能承受的最大載荷除以原始截面積，有：

對(duì)塑性材料來說，在σ_b以前，試樣為均勻變形，試樣各部分的伸長(zhǎng)基本上是一樣的；在σ_b以后，變形將集中于試樣的某一部分，發(fā)生集中變形，試樣上出現(xiàn)頸縮，由于頸縮處截面積急劇減小，試樣能承受的載荷降低，所以按試樣原始截面積A₀計(jì)算出來的條件應(yīng)力也隨之降低。

⑤斷裂強(qiáng)度（σ_k）。斷裂強(qiáng)度是試樣拉斷時(shí)的真實(shí)應(yīng)力，它等于拉斷時(shí)的載荷（P_k）除以斷裂后頸縮處截面積（A_k）。

斷裂強(qiáng)度表征材料斷裂時(shí)的抗力，但是，對(duì)塑性材料來說，它在工程上意義不大，因?yàn)楫a(chǎn)生頸縮后，試樣所能承受的外力減小，所以國家標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定斷裂強(qiáng)度。

脆性材料一般不產(chǎn)生頸縮，拉斷前的最大載荷（P_b）就是斷裂時(shí)的載荷（P_k），并且由于塑性變形小，試樣截面積變化不大，A_k≈A₀，所以抗拉強(qiáng)度（σ_b）就是斷裂強(qiáng)度（σ_k），此時(shí)的抗拉強(qiáng)度（σ_b）就表征材料的斷裂抵抗力。

（4）塑性指標(biāo)及其測(cè)定方法。在試樣拉伸過程中，除能測(cè)定上述強(qiáng)度指標(biāo)外還可測(cè)得塑性指標(biāo)。材料斷裂前發(fā)生永久塑性變形的能力叫做塑性，塑性指標(biāo)常用材料斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形來表示。

①伸長(zhǎng)率σ（或σ_k）。伸長(zhǎng)率是斷裂后試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值。它等于標(biāo)距的絕對(duì)伸長(zhǎng)量Δl_k=l_k-l₀除以試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度（l₀），用百分?jǐn)?shù)表示。

式中：l₀ ——試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度，mm；l_k ——試樣斷裂后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm；Δl_k ——斷裂后試樣的絕對(duì)伸長(zhǎng)量，mm。通常，σ_k用σ來表示。

由拉伸曲線可以看出，在頸縮開始前，試樣發(fā)生的是均勻變形，伸長(zhǎng)量為Δl_b，頸縮開始后，塑性變形集中在頸縮區(qū)，由頸縮區(qū)的不均勻塑性變形而引起的伸長(zhǎng)量為Δl_u；則總的伸長(zhǎng)量Δl_k=Δl_b＋Δl_u。

②斷面收縮率（φ）。斷面收縮率是斷裂后試樣截面的相對(duì)收縮值，它等于截面的絕對(duì)收縮量（ΔA_k= A₀-A_k）除以試樣的原始截面積（A₀），也是用百分?jǐn)?shù)表示的。

式中：A_k ——試樣斷裂后的最小橫截面積。

對(duì)于圓柱形試樣，φ的測(cè)定比較簡(jiǎn)單，將斷裂后的試樣對(duì)接起來，測(cè)出它的直徑（d_k，從相互垂直方向測(cè)2～3次，取平均值）后，即可求出φ值。

2.材料剛度及其測(cè)定

材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛度。材料剛度的大小，通常用彈性模量（E）來評(píng)定。

材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）的關(guān)系符合虎克定律，即σ=Eε。由公式中可以看出，材料的彈性模量越大，材料的剛度越大，則彈性變形越難進(jìn)行。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，要求剛度大的零件，應(yīng)選用具有高彈性模量的材料。而鋼鐵材料的彈性模量較大，所以在機(jī)械工程等領(lǐng)域通常選擇鋼鐵材料。

生產(chǎn)中一般不檢驗(yàn)材料彈性模量的大小，金屬一經(jīng)確定，其彈性模量值就基本上定了。

3.材料硬度及其測(cè)定

材料表面抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，稱為硬度。硬度是表征材料性能的一個(gè)綜合物理量，反映材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力。通常，硬度越高，材料的耐磨性越好，故常將材料的硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標(biāo)之一。

硬度的測(cè)試方法很多，一般分為三類：壓痕法，如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、顯微硬度、超聲波硬度等；劃痕法，如莫氏硬度等；回跳法，如肖氏硬度等。目前機(jī)械制造中金屬材料常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。

（1）布氏硬度。布氏硬度的測(cè)定原理是用一定大小的試驗(yàn)力（P），把直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)金屬的表面（圖1-4），保持規(guī)定的時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用讀數(shù)顯微鏡測(cè)出壓痕平均直徑（d），然后按公式求出布氏硬度（HB）值。

圖1-4 布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

在布氏硬度試驗(yàn)中載荷（P）的單位為N、壓頭直徑（D）與壓痕直徑（d）的單位為mm，所以布氏硬度的單位為N/mm²，但習(xí)慣上只寫明硬度的數(shù)值而不標(biāo)出單位。

布氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)：因壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測(cè)試材料的平均硬度，故試驗(yàn)結(jié)果較精確，特別是對(duì)于組織比較粗大且不均勻的材料（如鑄鐵、軸承合金等），更是其他硬度試驗(yàn)方法所不能代替的。

（2）洛氏硬度。洛氏硬度試驗(yàn)是目前工廠中廣泛應(yīng)用的試驗(yàn)方法。它是用一個(gè)頂角為120°的金剛石圓錐體或一定直徑的鋼球?yàn)閴侯^，在規(guī)定載荷作用下壓入被測(cè)試材料表面，通過測(cè)定壓頭壓入的深度來確定其硬度值。

圖1-5表示金剛石圓錐壓頭的洛氏硬度試驗(yàn)原理。圖中曲線0 — 0為圓錐體壓頭的初始位置；曲線1—1為初載荷作用下的壓頭壓入深度為h₁時(shí)的位置；曲線2—2為總載荷（初載荷+主載荷）作用下壓頭壓入深度為h₂時(shí)的位置；h₃為卸除主載荷后，由于彈性變形恢復(fù)，壓頭提高時(shí)的位置。這時(shí)，壓頭實(shí)際壓入試樣的深度為h₃。故由于主載荷所引起的塑性變形而使壓頭壓入深度為h=h₃-h₁，并以此來衡量被測(cè)試材料的硬度。顯然，h越大時(shí)，被測(cè)試材料的硬度越低；反之，則越高。為了符合習(xí)慣上數(shù)值越大，硬度越高的概念，故采用一個(gè)常數(shù)（K）減去h來表示硬度大小，并規(guī)定每0.002mm的壓痕深度為一個(gè)硬度單位，由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度值，用符號(hào)HR來表示。

圖1-5 洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖

式中：K——常數(shù)，用金剛石圓錐體作壓頭時(shí)K=0.2mm；用鋼球作壓頭時(shí)K=0.26mm。

為了能用同一硬度計(jì)測(cè)定從極軟到極硬材料的硬度，采用了由不同的壓頭和載荷組合成15種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。其中常用HRA、HRB、HRC三種標(biāo)尺，如：62HRC、70HRA等。表1-2為這三種常用標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和應(yīng)用舉例。

表1-2 常用的三種洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范

洛氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是操作迅速簡(jiǎn)便，由于壓痕較小，故可在工件表面或較薄的材料上進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，采用不同標(biāo)尺，可測(cè)出從極軟到極硬材料的硬度。其缺點(diǎn)是因壓痕較小，對(duì)組織比較粗大且不均勻的材料，測(cè)得的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。

（3）維氏硬度。維氏硬度的試驗(yàn)原理基本上與布氏硬度試驗(yàn)法相同。它是用一個(gè)相對(duì)面間夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭，在規(guī)定載荷（P）作用下壓入被測(cè)試材料表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷。然后再測(cè)量壓痕投影的兩對(duì)角線的平均長(zhǎng)度（d），進(jìn)而計(jì)算出壓痕的表面積（F），以壓痕表面積上平均壓力（P/F）作為被測(cè)材料的硬度值，稱為維氏硬度，記作HV，單位為N/mm²，但通常不標(biāo)，如800HV。

維氏硬度試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)：因試驗(yàn)時(shí)所加載荷小，壓入深度淺，故適用于測(cè)試零件表面淬硬層及化學(xué)熱處理的表面層（如滲碳層、滲氮層等）；同時(shí)維氏硬度是一個(gè)連續(xù)一致的標(biāo)尺，試驗(yàn)時(shí)載荷可以任意選擇，而不影響其硬度值的大小，因此可以測(cè)定從極軟到極硬的各種材料的硬度值。

上述硬度試驗(yàn)方法中，布氏硬度試驗(yàn)力與壓頭直徑受制約關(guān)系的約束，并存在鋼球壓頭的變形問題；洛氏硬度各標(biāo)度之間沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系；維氏硬度克服了上述兩種硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)力可以任意選擇，特別適用于表面強(qiáng)化處理（如化學(xué)熱處理）的零件和很薄的試樣，但維氏硬度試驗(yàn)的效率不如洛氏硬度試驗(yàn)高，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。

4.沖擊韌度及其測(cè)試

材料抵抗沖擊載荷的能力稱為沖擊韌度。沖擊韌度用擺錘式一次沖擊試驗(yàn)法來測(cè)定，即把標(biāo)準(zhǔn)試樣一次擊斷。用試樣缺口處單位截面積上的沖擊功來表示沖擊韌度。

沖擊韌度值與試驗(yàn)的溫度有關(guān)，有些材料在室溫時(shí)并不顯示脆性，而在低溫下可能發(fā)生脆斷，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象。一般將沖擊韌度值低的材料稱為脆性材料，沖擊韌度值高的材料稱為韌性材料。

5.疲勞強(qiáng)度

許多機(jī)械零件如軸、齒輪、彈簧等工程結(jié)構(gòu)都是在交變應(yīng)力下工作的，它們工作時(shí)所承受的應(yīng)力通常都低于材料的屈服強(qiáng)度。材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累積損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程稱為材料的疲勞斷裂。

疲勞斷裂與靜載荷作用下的斷裂不同，無論是脆性材料還是韌性構(gòu)料，疲勞斷裂都是突然發(fā)生的，事先沒有明顯的塑性變形，很難事先觀察到，因此具有很大的危險(xiǎn)性。

疲勞斷裂是機(jī)械零件失效的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)械零件失效中約有80%以上屬于疲勞破壞。

由于疲勞斷裂通常是從機(jī)件最薄弱的部位或外部缺陷所造成的應(yīng)力集中處發(fā)生，因此疲勞斷裂對(duì)許多因素很敏感，例如，循環(huán)應(yīng)力特性、環(huán)境介質(zhì)、溫度、機(jī)件表面狀態(tài)、內(nèi)部組織缺陷等，這些因素導(dǎo)致疲勞裂紋的產(chǎn)生或裂紋擴(kuò)展而降低疲勞壽命。

為了提高機(jī)件的疲勞抗力，防止疲勞斷裂事故的發(fā)生，在進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計(jì)和加工時(shí)，應(yīng)選擇合理的結(jié)構(gòu)形狀，防止表面損傷，避免應(yīng)力集中。由于金屬表面是疲勞裂紋易于產(chǎn)生的地方，而實(shí)際零件大部分都承受交變彎曲或交變扭轉(zhuǎn)載荷，表面處應(yīng)力最大。因此，表面強(qiáng)化處理就成為提高疲勞極限的有效途徑。

另外，由于工程實(shí)際的要求，對(duì)疲勞的研究工作已逐漸從正常條件下的疲勞問題擴(kuò)展到特殊條件下的疲勞問題，如腐蝕疲勞、接觸疲勞、高溫疲勞、熱疲勞、微動(dòng)磨損疲勞等。對(duì)這些疲勞及其測(cè)試技術(shù)還在廣泛進(jìn)行研究，并已逐步標(biāo)準(zhǔn)化。

二、材料的物理性能

金屬材料的物理性能有熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熔點(diǎn)、相對(duì)密度等。化工生產(chǎn)中使用異種鋼焊接的設(shè)備，要考慮到它們的熱膨脹性能要接近，否則會(huì)因膨脹量不同而使構(gòu)件變形或損壞。有些加襯里的設(shè)備也應(yīng)注意襯里材料的熱膨脹性能要與基體材料相同或相近，以免受熱后因膨脹量不同而松動(dòng)或破壞。

三、化學(xué)性能

金屬材料的化學(xué)性能主要是耐腐蝕性和抗氧化性。

1.耐腐蝕性

材料抵抗周圍介質(zhì)，如大氣、水、各種電解質(zhì)溶液等對(duì)其腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性，簡(jiǎn)稱耐蝕性。金屬材料的耐蝕性常用腐蝕速度來表示，一般認(rèn)為介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕速度在0.1mm /a以下時(shí)，在這種介質(zhì)中材料是耐腐蝕的。

2.抗氧化性

在高溫下使用的化工設(shè)備的材料會(huì)與氧氣或其他氣體介質(zhì)，（如水蒸氣、CO₂、SO₂等）產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而使材料氧化。因此，在高溫下使用的設(shè)備其材料要具有抗氧化性。

四、加工工藝性能

化工設(shè)備制造過程中，其材料要具有適應(yīng)各種制造方法的性能，即具有工藝性，它標(biāo)志著制成成品的難易程度。主要加工工藝性能有可焊性、可鑄性、可鍛性、熱處理性、切削加工性和冷變形性等。一般塑性好的材料，焊接性能和冷沖壓性能都好。