金属的力学性能是指材料在外加载荷作用下表现出来的特性。它取决于材料本身的化学成分和材料的组织结构。当载荷性质、环境温度、介质等外在因素不同时用来衡量材料力学性能的指标也不同。常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
强度是指金属在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。金属材料的强度与塑性指标是通过拉伸试验测得的。 拉伸试验是在拉伸试验机上进行的。试验之前，先将被测金属材料按照GB/T228—2010要求制成标准试样。图1-1（s）为圆柱形拉伸试样，d0为试样原始直径，L0为试样原始标距长度。
试验时，将试样装夹在拉伸试验机上，在试样两端缓慢地施加轴向拉伸载荷，随着载荷不断增加，试样被逐步拉长，直到拉断为止。在拉伸过程中，试验机将自动记录每一瞬间的载荷F 与伸长量ΔL 之间的变化曲线，即拉伸曲线。 图1-2为低碳钢的拉伸曲线。从图中可以看出，低碳钢在拉伸过程中试样伸长量ΔL 与载荷F 之间有如下关系。 op 段：为一条斜线，在此区间试样伸长量ΔL 与载荷F 成正比关系，完全符合虎克定律。去除载荷，试样能完全恢复到原来的尺寸和形状，属于弹性变形阶段。 pe 段：在该区间，拉伸曲线开始偏离直线，伸长量ΔL 与载荷F 之间不符合虎克定律，但去除载荷后，试样仍能恢复到原来的尺寸和形状，因此该阶段仍属于弹性变形阶段。 es 段：该段曲线呈水平或锯齿形，试样表现为在载荷不增加的情况下，伸长量却继续增加，去除载荷后，试样已不能恢复原状，开始出现塑性变形，这种现象称为屈服。
sb 段：当载荷超过屈服点载荷后，试样的伸长量ΔL 随载荷F 的增加继续伸长直到b点，该阶段试样为均匀变形阶段。 bk 段：在试样的局部开始收缩，产生“缩颈”现象，由于试样局部截面逐渐减小，其承受载荷的能力也不断下降，直至到达k 点时试样被拉断。2.强度指标
强度是用应力来表示的。当材料受载荷作用而未被破坏时，其内部会产生一个与载荷相平衡的内力。材料单位面积上的内力称为应力，用R 表示，单位为MPa。
材料强度的高低是以其能承受的应力大小来表示的，根据拉伸试验可得到金属材料的以下强度指标：（1）屈服强度 当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点。金属材料的屈服强度分为上屈服强度和下屈服强度，如图1-3所示。①上屈服强度 试样发生屈服而力首次下降前的最大应力，用ReH表示。②下屈服强度 在屈服期间，不计初始瞬时效应的最小应力，用ReL表示。当金属材料在拉伸试验过程中没有明显屈服现象发生时，可测定规定塑性延伸强度（Rp）或规定残余延伸强度（Rr）。（2）抗拉强度 抗拉强度是指试样拉断前所能承受的最大应力值。用Rm 表示，单位为MPa。 屈服强度、抗拉强度是金属材料的两个重要力学性能指标，也是大多数机械零件选材和设计的依据。零件在工作过程中承受的最大应力值不能超过其屈服强度，否则会引起零件的塑性变形；更不能在超过其抗拉强度的条件下工作，否则会导致零件的断裂破坏。 塑性是材料在外力的作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。金属材料的塑性指标可以用试样拉断时的最大相对变形量来表示，常用的塑性指标有断后伸长率和断面收缩率。
断后伸长率是试样拉断后的标距增长量（Lu-L0）与原始标距（L0）之比的百分数，用符号A 表示。断后伸长率可用下式进行计算：式中 Lu—拉断后试样标距的长度，mm；
材料的伸长率是随原始标距长度的增大而减小的，所以同一材料的短试样要比长试样测得的伸长率大，对局部集中变形特别明显的材料，甚至可大到20%～50%。 拉伸试验采用的拉伸试样为原始标距与横截面积有关系的比例试样。对于比例试样，国际上使用k=5.65的短比例试样，其断后伸长率用A 表示，短试样的原始标距应不小于15mm。当试样横截面积太小，以致采用比例系数k 为5.65不能符合这一最小标距要求时，可以采用k=11.3的长比例试样，其断后伸长率用A11.3表示或采用非比例试样。 断面收缩率是指试样拉断后试样处横截面积的最大缩减量（S0-Su）与原始横截面积（S0）之比的百分数，用符号Z 表示。断面收缩率可用下式进行计算： 材料的塑性指标通常不直接用于工程设计计算，但材料的塑性对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等塑性变形加工，而且零件在使用过程中偶然超载时，由于产生一定的塑性变形而不致突然断裂，从而提高了产品的安全性。所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。 硬度是指材料抵抗局部变形，特别是抵抗塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。硬度试验和拉伸试验都是在静态力下测定材料力学性能的，一般情况下，材料的硬度越高，其强度越高，耐磨性越好。硬度的高低不仅取决于材料的成分和组织结构，而且与测定方法和试验条件有关。硬度试验由于基本上不损伤试样，简便迅速，不需要单独制作试样，而是在工件上直接进行测试，因而在生产中被广泛应用。
硬度测定方法有多种，其中压入法在生产中的应用最为普遍。压入法是在规定试验力的作用下，将压头压入金属表面，然后根据压痕的面积大小或深度测定其硬度值。目前生产中应用较多的是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度试验法。3.1 布氏硬度
布氏硬度试验法是用直径为D 的硬质合金球，在规定试验力F 的作用下压入被测金属表面，保持规定时间后卸除试验力，在被测金属表面上留下一直径为d 的压痕，测量压痕直径d，并由此计算出压痕的球缺面积S，如图1-4所示。
然后再计算出单位压痕面积上所承受的平均压力，以此作为被测金属的布氏硬度值。布氏硬度值可用下式计算：
布氏硬度的标注方法为：硬度值+HBW+压头直径+试验力（对应kgf）+试验力保持时间。一般试验力保持时间为10～15s时不标出。例如：180HBW10/1000/30表示用直径为10mm的压头，在对应1000kgf （9807N）试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为180；500HBW5/750表示用直径为5mm 的压头，在对应750kgf （7355N）试验力作用下保持10～15s测得的布氏硬度值为500。 布氏硬度的特点是试验时金属表面压痕面积大，能客观地反映被测金属的平均硬度，试验结果较准确，数据重复性强，但由于其压痕大，不宜测试成品或薄片零件的硬度。3.2 洛氏硬度
洛氏硬度试验法是将压头（金刚石圆锥或硬质合金球）在规定试验力作用下压入被测金属表面，由压头在金属表面形成的压痕的深度来确定其硬度值。试验时，先加初试验力98.07N，然后再加主试验力，在初试验力+主试验力的压力下保持一段时间之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样的压痕深度来衡量金属硬度的大小。 图1-5为金刚石圆锥压头的洛氏硬度试验原理图。图中，0-0为金刚石压头的初始位置，1-1为在初试验力作用下，压头压入深度为h0 的位置，加初试验力的目的是使压头与试样表面紧密接触，避免由于试样表面不平整而影响试验结果的精确性；2-2为在总试验力（初试验力+主试验力）作用下，压头压入深度为h1 时的位置；3-3为卸除主试验力后由于被测金属弹性变形恢复，使压头略为提高的位置。 测定在初试验力下压痕残余深度h，以此来衡量被测金属的硬度。根据h 值及常数N 和S 用下式计算洛氏硬度（HR）： 式中，N 为常数，压头为金刚石圆锥时，N =100；压头为硬质合金球时，N =130。 为了能用同一硬度测试原理测量从极软到极硬材料的硬度，可采用不同的压头和试验力，组成几种不同的洛氏硬度标尺，其中常用的是A、B、C三种标尺。表1-2为这三种标尺的试验条件和应用范围。 洛氏硬度值的表示方法为：硬度数值+HR+使用的标尺。如60HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为60。在试验时，洛氏硬度值均由硬度计的刻度盘上直接读出。 洛氏硬度试验是目前生产中应用最为广泛的一种硬度测试方法。其特点是：硬度试验压痕小，对试样表面损伤小，常用来直接检验成品或半成品零件的硬度；试验操作迅速、简便，可以从试验机上直接读出硬度值；当采用不同标尺时，可测量出从极软到极硬材料的硬度。其缺点是由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，所测结果不够准确。因此，在进行洛氏硬度测试时应在被测金属的不同位置测出三点以上的硬度值，再计算其平均值。 维氏硬度的测定原理与布氏硬度相同，不同的是维氏硬度采用的是一个对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头。在测试硬度时将一定的试验力F 将压头压入被测金属表面，保持规定时间后卸除试验力，则被测金属表面会压出一个正四棱锥形的压痕，测量试样表面压痕对角线的平均长度d，从而计算出压痕的表面积S，如图1-6所示。 用单位压痕面积上承受的平均压力作为被测金属的维氏硬度值，维氏硬度值（HV）可用下式计算： 维氏硬度的标注方法为：硬度值+HV+试验力（对应kgf）+试验力保持时间。一般试验力保持时间为10～15s时不标出。如：600HV50表示在50kgf（490.3N）试验力作用下，保持10～15s测得的维氏硬度值为600。800HV30/20表示在30kgf （294.2N）试验力作用下，保持20s测得的维氏硬度值为800。 维氏硬度适用范围广，从极软到极硬的材料都可以进行测量，且连续性好，可测量较薄或表面硬度值较大的材料的硬度，尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量。但维氏硬度测试时对试样表面质量要求较高，测试过程比较麻烦，效率较低，没有洛氏硬度方便，因此不适用于生产现场的常规试验，且因施加的试验力小，压入深度较浅，所测数据精确度不高。 冲击韧性是指金属材料抵抗冲击力而不破坏的能力。为了评定金属材料的冲击韧性，需进行一次冲击试验。一次冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的，为了使试验结果能进行相互比较，需要将被测金属按GB/T229—2007规定加工成图1-7所示的夏比U 形缺口试样和夏比V 形缺口试样两种。
冲击试验是将规定几何形状的缺口试样置于试验机两支座之间，缺口背向打击面放置，用摆锤一次打击试样，测定试样的吸收能量。试验时将冲击试样放在试验机两支座1处，使质量为m 的摆锤自高度h1自由落下，冲断试样后摆锤升高到h2 高度（见图1-8所示），摆锤在冲断试样过程中所消耗的能量即为试样在一次冲击力作用下折断时所吸收的能量，称为冲击吸收能量，用符号K 表示，即： 根据两种试样缺口形状不同，冲击吸收能量分别用KU 或KV 表示，单位为焦耳（J）。 冲击吸收能量不需计算，可由冲击试验机的刻度盘上直接读出。 冲击吸收能量愈大，材料的韧性愈好。一般把冲击吸收能量低的金属材料称为脆性材料，冲击吸收能量高的称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口较平整、呈晶状或瓷状，有金属光泽；韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，无光泽。 冲击吸收能量的大小与试验温度有关。有些材料在室温（20℃）左右试验时不显示脆性，而在较低温度下可能发生脆性断裂，从图1-9可以看出，在某一温度处，冲击吸收能量会急剧下降，金属材料由韧性断裂转变为脆性断裂，这一温度区域称为韧脆转变温度。材料的韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。 冲击吸收能量的高低还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷有关，因此，冲击吸收能量一般作为选材的参考，不能直接用于强度计算。 工程上许多机械零件如轴、齿轮、弹簧等都是变动载荷作用下工作的。根据变动载荷的作用方式不同，零件承受的应力可分为交变应力与重复应力两种，如图1-10所示。 承受交变应力或重复应力的零件，在经过一定次数的应力循环后，往往会在工作应力低于其屈服强度的情况下突然发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。 疲劳断裂与在静载荷作用下的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先均无明显的塑性变形的预兆，很难事先觉察，因此具有很大的危险性。据统计在机械零件断裂中有80%以上都是因疲劳造成的。 疲劳断裂一般产生在零件应力集中部位或材料本身强度较低的薄弱部位，如零件上原有的微小裂纹、软点、脱碳、夹杂或刀痕等处容易形成裂纹的核心。在交变应力或重复应力的反复作用下会产生疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，疲劳裂纹不断扩展，使零件的有效承载面逐渐减小，最后当减小到不能承受外加载荷作用时，零件即发生突然断裂。疲劳断裂的宏观断口一般分为裂纹源、裂纹扩展区和瞬断区三个区域，如图1-11所示。 大量试验证明，金属材料所受的最大交变应力σ 越大，则断裂前经受的循环次数N 越少，如图1-12所示。这种交变应力σ 与循环次数N 的关系曲线称为疲劳曲线。从疲劳曲线上可以看出，循环应力值越低，断裂前的循环次数愈多。当循环应力降低到某一值后，循环次数可以达到很大，甚至无限大，而试样仍不发生疲劳断裂，我们把试样不发生断裂的最大循环应力，称为该金属的疲劳极限，用σ-1表示光滑试样对称弯曲疲劳极限。 按GB4337规定，一般钢铁材料取循环次数N为107次时所能承受的最大循环应力为疲劳强度；对于有色金属，循环次数为108次；在腐蚀介质作用下的钢铁材料，循环次数为106次。
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