工程材料教材

1、http:/ 工程材料教材工程材料教材 http:/ 1.1、材料的种类、材料的种类 1.2、材料的性能、材料的性能 http:/ 工工 程程 材材 料料 金属材料金属材料 高分子材料高分子材料 无机非金属材料：水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷无机非金属材料：水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷 复合材料：树脂基、金属基、陶瓷基复合材料：树脂基、金属基、陶瓷基 功能材料：力学功能、物理功能、化学功能、生物功能、智能功能、功功能材料：力学功能、物理功能、化学功能、生物功能、智能功能、功 能转换能转换 钢铁材料钢铁材料 非铁金属非铁金属 钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢 铸铁：白口铸铁、灰

2、口铸铁、特殊性能铸铁等铸铁：白口铸铁、灰口铸铁、特殊性能铸铁等 铜及铜合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜铜及铜合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜 铝及铝合金：纯铝、形变铝合金、铸造铝合金铝及铝合金：纯铝、形变铝合金、铸造铝合金 其他：轴承合金、镁合金、钛合金、镍合金等其他：轴承合金、镁合金、钛合金、镍合金等 纤维：天然、合成纤维：天然、合成 橡胶：通用、特种橡胶：通用、特种 塑料：通用、工程、特种、胶黏剂塑料：通用、工程、特种、胶黏剂 黑色金属 有色金属 http:/ 金属材料是由化学元素周期金属材料是由化学元素周期 表中的金属元素组成的材料。可表中的金属元素组成的材料。可 分为由一种金属元素构成的单质分

3、为由一种金属元素构成的单质 （纯金属）；由两种或两种以上（纯金属）；由两种或两种以上 的金属元素或金属与非金属元素的金属元素或金属与非金属元素 构成的合金。合金又可分为固溶构成的合金。合金又可分为固溶 体和金属间化合物。体和金属间化合物。 http:/ 合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合 在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的 性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。性质有关，同时也与这些相在合金中的数量

4、、形状及分布有关。 在在103103种元素中，除种元素中，除He,Ne,ArHe,Ne,Ar等等6 6 种惰性元素和种惰性元素和C C、SiSi、N N等等1616种非金属种非金属 元素外，其余元素外，其余8181种为金属元素种为金属元素。除。除HgHg 之外，单质金属在常温下呈现固体形之外，单质金属在常温下呈现固体形 态，外观不透明，具有特殊的金属光态，外观不透明，具有特殊的金属光 泽及良好的导电性和导热性。在力学泽及良好的导电性和导热性。在力学 性质方面，具有较高的强度、刚度、性质方面，具有较高的强度、刚度、 延展性及耐冲击性。延展性及耐冲击性。 http:/ 高聚物是由一种或几种简单高聚

5、物是由一种或几种简单 低分子化合物经聚合而组成的分低分子化合物经聚合而组成的分 子量很大的化合物。高聚物的种子量很大的化合物。高聚物的种 类繁多，性能各异，其分类的方类繁多，性能各异，其分类的方 法多种多样。按高分子材料法多种多样。按高分子材料来源来源 分为天然高分子材料和合成高分分为天然高分子材料和合成高分 子材料；按材料的子材料；按材料的性能和用途性能和用途可可 将高聚物分为橡胶、纤维、塑料将高聚物分为橡胶、纤维、塑料 和胶粘剂等。和胶粘剂等。 http:/ 橡胶橡胶的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能的特点是室温弹性高，即使在很小的外力作用下，也能 产生很大的形变（可达产生很

6、大的形变（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复），外力去除后，能迅速恢复 原状。其弹性模量小，约原状。其弹性模量小，约105104Pa。常用的橡胶有天然橡胶。常用的橡胶有天然橡胶 （异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡（异戊橡胶）、丁苯橡胶、顺丁橡胶（聚丁二烯）、乙丙橡 胶和硅橡胶等。胶和硅橡胶等。 纤维纤维的弹性模量较大，约的弹性模量较大，约1091010Pa。受力时，形变不超过百。受力时，形变不超过百 分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大，分之二十。纤维大分子沿轴向作规则排列，其长径比较大， 在较广的温度范围（在较广的温度范围（-50150）内，机械性能变化

7、不大。常）内，机械性能变化不大。常 用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。 http:/ 塑料塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa。温度稍高些，。温度稍高些， 受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑 料的形变是永久的。料的形变是永久的。 根据塑料受热时行为的不同，分为根据塑料受热时行为的不同，分为热塑性热塑性和和热固性热固性塑料两类。前者塑料两类。前者 受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。受热时可以塑

8、化和软化，冷却时则凝固成形，再加热又可塑化软化。 聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等都属于此类；后者在受热时可塑化 和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软和软化，并通过化学反应，使之固定成型，但冷却后不能再加热软 化，酚醛塑料和脲醛塑料就属此类。化，酚醛塑料和脲醛塑料就属此类。 http:/ 胶粘剂胶粘剂是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变是指在常温下处于粘流态，当受到外力作用时，会产生永久变 形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未加工成型形，外力撤去后又不能恢复原状的高聚物。有时把聚合后未

9、加工成型 的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化的高聚物称为树脂，以区分加工后的塑料或纤维制品，如电木未固化 前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。前称酚醛树脂，涤纶纤维未纺织前称涤纶树脂。 烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯 http:/ 无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸 盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼 化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备 而成的材料。是除金属材料、高分子材

10、料以外所有材料的而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的 总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材 料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。 一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机 非金属材料两大类。非金属材料两大类。 http:/ 主要是指由主要是指由SiO2及其硅酸盐化及其硅酸盐化 合物为主要成分制成的材料，合物为主要成分制成的材料， 包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火 材料等。

11、此外，搪瓷、磨料、材料等。此外，搪瓷、磨料、 铸石（辉绿岩、玄武岩等）、铸石（辉绿岩、玄武岩等）、 碳素材料、非金属矿（石棉、碳素材料、非金属矿（石棉、 云母、大理石等）也属于传统云母、大理石等）也属于传统 的无机非金属材料。的无机非金属材料。 http:/ 是用氧化是用氧化 物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物 以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制以及各种无机非金属化合物经特殊的先进工艺制 成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人成的材料。主要包括先进陶瓷、非晶态材料、人 工晶体、无机涂层、无机纤维等。工晶体、无机涂层、无机纤维等。 h

12、ttp:/ 陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其概念和用途不同， 可分为两大类，即可分为两大类，即普通陶瓷普通陶瓷和和特特 种陶瓷种陶瓷。 根据陶瓷坯体结构及其基根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制品可本物理性能的差异，陶瓷制品可 分为分为陶器陶器和和瓷器瓷器。 http:/ 普通陶瓷普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混练、成型、 煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以

13、 及其它工业用陶瓷。及其它工业用陶瓷。 特种陶瓷特种陶瓷是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。是用于各种现代工业及尖端科学技术领域的陶瓷制品。包括结构陶瓷和功能陶瓷。 结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等结构陶瓷主要用于耐磨损、高强度、耐高温、耐热冲击、硬质、高刚性、低膨胀、隔热等 场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学功能、生物功能、核功能及其它功能的陶瓷材料。 陶瓷制品陶瓷制品 陶瓷发动机陶瓷发动机 http:/ 玻璃是由熔体过冷所制得的

14、非晶态材料。根据其形玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其形 成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸成网络的组分不同可分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸 盐玻璃等，其网络形成剂分为盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上。习惯上 玻璃态材料可分为玻璃态材料可分为普通玻璃普通玻璃和和特种玻璃特种玻璃两大类。两大类。 普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻普通玻璃是指采用天然原料，能够大规模生产的玻 璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学璃。普通玻璃包括日用玻璃、建筑玻璃、微晶玻璃、光学 玻璃和玻璃纤维等。玻璃和玻璃纤维等。 http:/ 特

15、种玻璃（亦称为新型玻璃）特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高纯或新型原料，是指采用精制、高纯或新型原料， 通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能通过新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的一些具有特殊功能 或特殊用途的玻璃。或特殊用途的玻璃。 特种玻璃包括特种玻璃包括SiO2含量在含量在85%以上或以上或55%以下的硅酸盐玻璃、非以下的硅酸盐玻璃、非 硅酸盐氧化物玻璃、非氧化物玻璃（以及光学纤维等。硅酸盐氧化物玻璃、非氧化物玻璃（以及光学纤维等。 根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、生物玻璃、

16、 多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。 http:/ 水泥是指加入适量水后水泥是指加入适量水后 可成塑性浆体，既能在空气可成塑性浆体，既能在空气 中硬化又能在水中硬化，并中硬化又能在水中硬化，并 能够将砂、石等材料牢固地能够将砂、石等材料牢固地 胶结在一起的细粉状水硬性胶结在一起的细粉状水硬性 材料。材料。 http:/ 水泥的种类很多，按其用途和性能可分为：水泥的种类很多，按其用途和性能可分为： 通用水泥通用水泥、专用水泥专用水泥和和特性水泥特性水泥三大类；按其所三大类；按其所 含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、含的主要水硬性矿物，水泥又可分

17、为硅酸盐水泥、 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及 以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前 水泥品种已达一百多种。水泥品种已达一百多种。 http:/ 通用水泥为通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、大量土木工程所使用的一般用途的水泥，如硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅 酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。酸盐水泥和复合硅酸盐水泥等。 专用水泥专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌

18、筑水泥等。指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等。 特性水泥特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗则是某种性能比较突出的一类水泥，如快硬硅酸盐水泥、抗 硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝 酸盐水泥等。酸盐水泥等。 http:/ 耐火材料是指耐火度不低于耐火材料是指耐火度不低于1580的无机非金属材料。的无机非金属材料。 它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同，它是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工但基本含义

19、是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热工 设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料，设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材料， 并能承受相应的物理化学变化及机械作用。并能承受相应的物理化学变化及机械作用。 大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、 菱镁矿、白云母等）为原料制造的。菱镁矿、白云母等）为原料制造的。 http:/ 复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构 不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括 基本相和增强相。

20、基体相是一种连续相材料，它把改善基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善 性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用； 增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能 复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重 要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获 得原组分不具备的许多优良性能。得原组分不具备的许多优良性能。 http:/ 复合材料的种类繁多，下面根据复复合材料的种类繁多，

21、下面根据复 合材料的三要素来分类。按合材料的三要素来分类。按基体材料基体材料分分 类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材 料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基料，水泥、混凝土基复合材料，塑料基 复合材料，橡胶基复合材料等；按复合材料，橡胶基复合材料等；按增强增强 剂形状剂形状可分为粒子、纤维及层状复合材可分为粒子、纤维及层状复合材 料；依据复合材料的料；依据复合材料的性能性能可分为结构复可分为结构复 合材料和功能复合材料。合材料和功能复合材料。 航空发动机航空发动机 http:/ 工程材料的性能包括工程材料的性能包括使用性能使用性能和和工艺性能工艺性能。 使用性能：

22、使用性能：指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备指在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备 的性能。的性能。 包括包括力学性能力学性能、物理性能、化学性能。、物理性能、化学性能。 工艺性能：工艺性能：指材料的可加工性指材料的可加工性 。 包括可锻性、铸造性能、焊接性、热处理性能包括可锻性、铸造性能、焊接性、热处理性能 及切削加工性能等。及切削加工性能等。 强度、硬度、塑强度、硬度、塑 性、韧性、蠕变性、韧性、蠕变 和疲劳和疲劳 熔点、密度以熔点、密度以 及电、磁、光及电、磁、光 和热和热 耐腐蚀和抗耐腐蚀和抗 老化老化 http:/ 常见的工程载荷：常见的工程载荷： http:/ S F S

23、F 作用在机件上的外力作用在机件上的外力载荷性质载荷性质 静载荷静载荷 动载荷动载荷 F F FF F = F （MPa） = F /S 外力外力 内力内力应力应力 http:/ 两种基本变形两种基本变形 1. 1. 弹性变形弹性变形 材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来 形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。 F 2.2.塑性变形塑性变形: : 材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为 塑性变形。塑性变形。 http:/ 强

24、度强度是指金属材料是指金属材料抵抗塑性变形（永抵抗塑性变形（永 久变形）和断裂久变形）和断裂的能力。抵抗塑性变形和断的能力。抵抗塑性变形和断 裂的能力越大，则强度越高。裂的能力越大，则强度越高。 1.1.强度强度 按外力作用的方式不同，强度可分为抗按外力作用的方式不同，强度可分为抗 拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常 用的强度指标有用的强度指标有屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度。 材料的强度、塑性指标是通过材料的强度、塑性指标是通过拉伸实拉伸实 验验测定的。测定的。 http:/ http:/ 应力应力 =F/S0 (N /m2) ； F 作用力，

25、作用力，(N) S0试样原始截面试样原始截面 积积(m2)。 剪应力剪应力F/SO 材料单位面积上的内力称为应力（材料单位面积上的内力称为应力（PaPa），）， 以以表示。表示。 http:/ 应变应变(%) (%) LL试样标距部分伸长量，试样标距部分伸长量，( (mm)mm)； L L0 0 试样标距部分长度试样标距部分长度( (mm)mm)。=L L/ /L L0 0 %100 O O O l ll l l 剪应变剪应变 剪模量剪模量 G G tan h a 且有且有G %100 O O O l ll l l http:/ 弹性变形弹性变形 弹性变形：当产生弹性变形：当产生 变形的外力撤

26、除后，变形变形的外力撤除后，变形 随即消失。随即消失。 塑性变形：外力撤塑性变形：外力撤 除后，不可恢复的变形。除后，不可恢复的变形。 弹性模量弹性模量E E E =/=tan -曲线中的直线部分有：曲线中的直线部分有：=E E http:/ 金属在弹性变形阶段（比例极限内）。其金属在弹性变形阶段（比例极限内）。其 应力和应变存在线性关系为：应力和应变存在线性关系为： 单向拉伸或压缩单向拉伸或压缩 =E E 剪切或扭转剪切或扭转 =G =G 式中式中和和分别是线应变和切应变，分别是线应变和切应变，E E 和和 G G 分别是材料的正弹性模量和切弹性模量。弹分别是材料的正弹性模量和切弹性模量。弹

27、 性模量表征材料的刚度（抵抗弹变的能力）。性模量表征材料的刚度（抵抗弹变的能力）。 这两个公式就是弹性变形的虎克定律。这两个公式就是弹性变形的虎克定律。值取决值取决 于各种材料的本性。于各种材料的本性。 http:/ 比例极限比例极限p p与弹性极限与弹性极限e e p p在在-曲线上开始偏曲线上开始偏 离直线时的应力。离直线时的应力。 e e由弹性变形过渡到弹由弹性变形过渡到弹- - 塑性变形时的应力。塑性变形时的应力。表征材表征材 料对微塑性变形的抗力料对微塑性变形的抗力 有些零件有些零件, ,比如枪炮管在工作时不允许比如枪炮管在工作时不允许 产生微量的塑性变形，设计时要根据弹产生微量的塑

28、性变形，设计时要根据弹 性极限选材。性极限选材。 http:/ 屈服现象与屈服强度屈服现象与屈服强度 屈服现象：在试验外力不增加或上下波动屈服现象：在试验外力不增加或上下波动 的情况下，试件应变明显增加的现象。不同材的情况下，试件应变明显增加的现象。不同材 料或在不同试验条件下得到的料或在不同试验条件下得到的-曲线类型如曲线类型如 图所示。图所示。 http:/ 屈服强度（屈服极限）屈服强度（屈服极限） a)a)如如屈服时屈服时-有齿状曲折有齿状曲折 线段，则下屈服点对应的应力确线段，则下屈服点对应的应力确 定为屈服强度定为屈服强度s s。 b) b) 若屈服时若屈服时-曲线上有曲线上有 平坦

29、水平线段，则该水平线所对平坦水平线段，则该水平线所对 应的应力为应的应力为s s； 表征材料对明显塑性变形的表征材料对明显塑性变形的 抗力抗力 大多数机械零件都不允许产生明大多数机械零件都不允许产生明 显塑性变形，设计时用屈服强度显塑性变形，设计时用屈服强度 作为依据。作为依据。 http:/ c) c) 若无明显水平线段，则取产生若无明显水平线段，则取产生 规定微量塑性变形所对应的应力规定微量塑性变形所对应的应力 作为条件屈服强度；根据需要，作为条件屈服强度；根据需要， 微量塑性变形可取微量塑性变形可取0.05%0.05%、0.1%0.1%、 0.2%0.2%等等, ,对应的条件屈服强度分别

30、对应的条件屈服强度分别 记作记作0.05 0.05、 、0.1 0.1、 、0.2 0.2等。 等。 http:/ 条件屈服强度条件屈服强度0.2 0.2 （脆性材 （脆性材 料屈服极限）料屈服极限） 根据根据GB228-87GB228-87要求，对没有明要求，对没有明 显屈服现象的材料，规定取非显屈服现象的材料，规定取非 比例伸长与原标距长度之比为比例伸长与原标距长度之比为 0.2%0.2%时的应力，作为屈服强度时的应力，作为屈服强度 指标。称为条件屈服强度，用指标。称为条件屈服强度，用 0.2 0.2 表示。 表示。 http:/ 抗拉强度（抗拉极限）抗拉强度（抗拉极限）b b 指指拉伸过

31、程试件所能承拉伸过程试件所能承 受的最大应力。在拉伸过程受的最大应力。在拉伸过程 中，当载荷继续增加到中，当载荷继续增加到b b点时，点时， 试件横截面出现局部变细的试件横截面出现局部变细的 颈缩现象。这时的应力称为颈缩现象。这时的应力称为 抗拉强度（抗拉极限）抗拉强度（抗拉极限）b b 。 http:/ http:/ 2.2.塑性塑性 伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始伸长率是指试样拉伸断裂时的绝对伸长量与原始 长度的百分比，用符号长度的百分比，用符号表示。即：表示。即： 1)、伸长率、伸长率 %100 0 01 l ll 2)、收缩率、收缩率 收缩率是指试样拉断后，缩颈处（断口处）

32、横断收缩率是指试样拉断后，缩颈处（断口处）横断 面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号 表示。即：表示。即： 01 0 100% SS S 金属材料在外力作用下金属材料在外力作用下 发生塑性变形而不破坏发生塑性变形而不破坏 的能力称为塑性。的能力称为塑性。 2 10% 10% 属塑性材料属塑性材料 http:/ 说明：说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实 变形。变形。 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为为 常数时，塑性值才有可比性。常数时，塑性值才有可比性。 当当l

33、0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 10 表示；表示； 当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 10 塑性指标数值高，材料的塑性加工性能就塑性指标数值高，材料的塑性加工性能就 越好；一定的塑性，可以增加材料抵抗偶越好；一定的塑性，可以增加材料抵抗偶 然过载的能力；零件在保证一定强度的前然过载的能力；零件在保证一定强度的前 提下，塑性指标越高，零件的安全可靠性提下，塑性指标越高，零件的安全可靠性 越大。越大。 http:/ 材料抵抗材料抵抗局部变形局部变形（特别是塑性变形）、（特别是塑性变形）、压压 痕或划痕痕或划痕的能力称为硬度的能力称为硬度 布氏硬度是用

34、布氏硬度是用单位压痕面积的力单位压痕面积的力作为布氏硬度值的作为布氏硬度值的 计量，即试验力除以压痕表面积，符号用计量，即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火（用淬火 钢球压头）或钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示，即：（用硬质合金压头）表示，即： 3.3.硬度硬度 22 2 ()0.102 () F HBS HBW D DDd (1)布氏硬度布氏硬度 http:/ 布氏硬度计布氏硬度计 22 2 ()0.102 () F HBS HBW D DDd http:/ 压头为钢球时，布氏硬度用符号压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于表示，适用于 布氏硬度值在布氏硬度值在450

35、以下的材料。以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布表示，适用于布 氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。 l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示之前的数字表示 硬度值硬度值, 符号后面的数字按顺序分符号后面的数字按顺序分 别表示球体直径别表示球体直径、载荷及载荷保载荷及载荷保 持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷）载荷 作用下保持作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度压痕布氏硬度压痕 http:/ 布氏硬

36、度试验的优缺点：布氏硬度试验的优缺点： 优点优点: :测定的数据准确、稳定、数据重复性测定的数据准确、稳定、数据重复性 强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及 有色金属的硬度。有色金属的硬度。 缺点缺点: :对不同材料需要更换压头和改变载对不同材料需要更换压头和改变载 荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦， 易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试易损坏成品的表面，故不宜在成品上进行试 验。验。 http:/ 洛氏硬度是用洛氏硬度是用压痕深度压痕深度作为洛氏硬度值的计量，作为洛氏硬度值的计量， 符号用符号用HRH

37、R表示，其计算公式为：表示，其计算公式为： (2) 洛洛 氏氏 硬硬 度度 HR=k-e/0.002 http:/ 压头类型：压头类型： 淬火钢球压头淬火钢球压头多用于测定退火件、有色金属等较多用于测定退火件、有色金属等较 软材料的硬度，压入深度较深；软材料的硬度，压入深度较深；金刚石压头金刚石压头多用于多用于 测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。 采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的采用不同的压头与总试验力，组合成几种不同的 洛氏硬度标尺。我国常用的是洛氏硬度标尺。我国常用的是HRA、HRB、HRC三三 种，其中种，其中HRC应用最广。其

38、试验规范见表应用最广。其试验规范见表1-21-2。洛氏。洛氏 硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写 出硬度值，如出硬度值，如58HRC、76HRA。 试验规范及表示方法试验规范及表示方法: : http:/ 钢球压头与钢球压头与 金刚石压头金刚石压头 洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕 lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如如 硬质合金、表淬层和渗碳层硬质合金、表淬层和渗碳层。 lHRB用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, 如如 有色金属和退火有色金属和退火、正火钢等。正火钢等。 lHRC用于测量中等硬度材料，用于测量中等硬度材料， 如调

39、质如调质钢、淬火钢等。钢、淬火钢等。 http:/ 洛氏硬度试验的优缺点：洛氏硬度试验的优缺点： 优点优点: :操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出； 压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度，压痕较小，可在工件表面试验；可测量较薄工件的硬度， 因而广泛用于热处理质量的检验。因而广泛用于热处理质量的检验。 缺点缺点: :精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，精确性较低，硬度值重复性差、分散度大， 通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来 代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼代表材

40、料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼 此之间没有联系，也不能直接进行比较。此之间没有联系，也不能直接进行比较。 不同级别的硬度值间无可比性。必须查表换算。不同级别的硬度值间无可比性。必须查表换算。 http:/ (3) 维维 氏氏 硬硬 度度 维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值 计量。试验力较小，压头是锥面夹角为计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136136的金刚的金刚 石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号HVHV表示。表示。 维氏硬度表示方法：维氏硬度表示方法： 在符号在符号HVHV前方标出前方标出 硬

41、度值，在硬度值，在HVHV后面按试后面按试 验力大小和试验力保持验力大小和试验力保持 时间（时间（101015s15s不标出）不标出） 的顺序用数字表示试验的顺序用数字表示试验 条件。条件。 例如：例如：640HV300640HV300。 http:/ 维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕 http:/ 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度表示，符号前的数字为硬度 值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时 间。间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定

42、方法维氏维氏 硬度试验硬度试验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。显微维氏硬度计显微维氏硬度计 小负荷维氏硬度小负荷维氏硬度 计计 http:/ 维氏硬度试验的优缺点：维氏硬度试验的优缺点： 优点优点: :可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗 氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度 试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬 度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，度也不

43、存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题， 而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。 缺点缺点: :硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度， 因此不太适合成批生产的常规检验。因此不太适合成批生产的常规检验。 http:/ 外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得 多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足 强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。强度、塑性、硬度等性能要求

44、，还必须有足够的韧性。 是指材料抵抗是指材料抵抗冲击载荷冲击载荷作用作用 而不破坏的能力。而不破坏的能力。 1 1 冲击韧度冲击韧度 http:/ 根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功AK=mgh1- mgh2。AK称为冲击吸收功，单位焦耳（称为冲击吸收功，单位焦耳（J），用），用AK除以试样缺口除以试样缺口 处的横截面积所得的商即为该材料的冲击韧度，用符号处的横截面积所得的商即为该材料的冲击韧度，用符号K表示，表示， 即：即： 2 0 (/) k k A J cm S http:/ l材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下 降而下降。降而下降

45、。在某一温度范围在某一温度范围 内冲击韧性值急剧下降的现内冲击韧性值急剧下降的现 象称象称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆转发生韧脆转 变的温度范围称变的温度范围称韧脆转变韧脆转变温温 度。度。材料的使用温度应高于材料的使用温度应高于 韧脆转变温度。韧脆转变温度。 体心立方金属具有韧脆体心立方金属具有韧脆 转变温度，而大多数面转变温度，而大多数面 心立方金属没有。心立方金属没有。 体心立方：体心立方：Cr铬铬 Mo钼钼 W钨钨 V钒钒 面心立方：面心立方：Al铝铝 Cu铜铜 Ni镍镍 Pb铅铅 碳素结构钢：-20 http:/ 建造中的建造中的Titanic 号号 TITANIC TITANIC的沉

46、没的沉没 与船体材料的质量与船体材料的质量 直接有关直接有关 http:/ Titanic Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）号钢板（左图）和近代船用钢板（右图） 的冲击试验结果的冲击试验结果 Titanic近代船用钢板近代船用钢板 http:/ 2 疲劳强度 疲劳破坏疲劳破坏材料在低于材料在低于 s的的重复交变应力重复交变应力作用下发生断作用下发生断 裂的现象。裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称 为疲劳极限。用为疲劳极限。用 -1表示。表示。 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合

47、金为，有色金属合金为108。 t t 金属制件金属制件80%80%以上损坏以上损坏 的机械零件是因疲劳造的机械零件是因疲劳造 成的。成的。 http:/ 疲劳断口疲劳断口 通过通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面 光洁度，进行表面强化光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。 轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片） 疲劳断裂的过程包括：裂纹产生、裂纹扩展和疲劳断裂疲劳断裂的过程包括：裂纹产生、裂纹扩展和疲劳断裂 http:/ 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 http:/ 实际上，材料的组织远非是均匀、各向同性实际上，材料的组织远非是均匀、各向同性 的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺的，组织中有微裂纹，还会有夹杂、气孔等宏观缺 陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹。当材料受外陷，这些缺陷可看成是材料中的裂纹。当材料受外 力作用时，这些裂纹的尖端附