分类及力学性能

1、材料的分类材料的分类按化学组成：按化学组成： 金属材料、无机材料、有机（高分子）材料金属材料、无机材料、有机（高分子）材料按状态：按状态： 气态、液态、固态（单晶、多晶、非晶、复合）气态、液态、固态（单晶、多晶、非晶、复合）按所起的作用：按所起的作用： 结构材料（使用其机械性能，如机械制造、工程建结构材料（使用其机械性能，如机械制造、工程建筑、交通运输、能源利用等）和功能材料（使用其物理筑、交通运输、能源利用等）和功能材料（使用其物理化学特性，如电子、红外、激光、能源、通讯等）化学特性，如电子、红外、激光、能源、通讯等）按使用领域：按使用领域： 电子材料、耐火材料、耐蚀材料、耐磨材料、医用电子

2、材料、耐火材料、耐蚀材料、耐磨材料、医用材料、建筑材料等材料、建筑材料等 为了便于阐明材料的为了便于阐明材料的成分成分-（工艺）（工艺）-组织结构组织结构-性能性能-用途用途之间的逻辑关系，按之间的逻辑关系，按以下方式分类：以下方式分类： 金属材料、无机非金属材料、有机高金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料分子材料和复合材料 按上述分类的材料的概况按上述分类的材料的概况金属材料：（金属材料：（metallic materials） 坚硬、反光、有光泽、热与电的良导体、正电阻温度坚硬、反光、有光泽、热与电的良导体、正电阻温度系数；系数； 黑色金属（黑色金属（ferrous allo

3、ys）和有色金属（）和有色金属（nonferrous alloys）；）； 铁碳合金、铝、铜、镁、钛等；铁碳合金、铝、铜、镁、钛等； 新型（特殊）金属材料：特殊的结构和功能，如非晶新型（特殊）金属材料：特殊的结构和功能，如非晶态、准晶、微晶、纳米等，用于隐身、储氢、超导、形状态、准晶、微晶、纳米等，用于隐身、储氢、超导、形状记忆、耐磨、减振等。记忆、耐磨、减振等。无机非金属材料无机非金属材料：（：（inorganic nonmetallic materials） 碳、硅、锗，硅酸盐为主要成分的玻璃、水泥、陶瓷碳、硅、锗，硅酸盐为主要成分的玻璃、水泥、陶瓷等，特点是硬度高、强度高、耐腐蚀、电热的

4、绝缘性好；等，特点是硬度高、强度高、耐腐蚀、电热的绝缘性好； 陶瓷材料：硬度高，性能稳定，但脆性大，可制造用陶瓷材料：硬度高，性能稳定，但脆性大，可制造用具、工具等；具、工具等； 陶瓷又可分为：传统陶瓷（陶瓷又可分为：传统陶瓷（traditional ceramics）和）和先进陶瓷（先进陶瓷（advanced ceramics）有机高分子材料有机高分子材料：（：（polymer materials） 聚合物材料；聚合物材料； 塑料、橡胶、纤维等；塑料、橡胶、纤维等； 性能特点是质量轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于加工成性能特点是质量轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于加工成型等，但强度、耐磨性、使用寿命等有

5、一定局限。型等，但强度、耐磨性、使用寿命等有一定局限。复合材料：（复合材料：（composite materials） 两种或两种以上材料组合，性能互补或提高；两种或两种以上材料组合，性能互补或提高； 基体和增强体；基体和增强体； 钢筋混凝土；泥浆麦秸秆；钢筋混凝土；泥浆麦秸秆； 树脂基、金属基，玻璃纤维增强、碳纤维增强等，具树脂基、金属基，玻璃纤维增强、碳纤维增强等，具有特殊性能，可设计性能等特点。有特殊性能，可设计性能等特点。 无机非金属材料无机非金属材料水泥水泥玻璃玻璃陶瓷陶瓷先进陶瓷应用先进陶瓷应用陶瓷刀耐磨損、耐腐蝕，不易殘留異味 高速軸承氮化矽陶瓷轉子有机高分子材料有机高分子材料合

6、成塑料合成塑料合成纤维合成纤维合成橡胶合成橡胶高分子尼龙粉末高分子尼龙粉末有机玻璃有机玻璃聚丙烯聚丙烯高分子人造血管高分子人造血管聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚乙烯聚乙烯PVC管材管材塑料泡沫塑料泡沫1. 金属材料的机械性能 金属材料性能 使用性能、加工工艺性能物理性能、化学性能、机械性能冷热加工中表现出来的性能：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。力学性能：受外力作用时表现出来的性能 力学性能的概念和内容力学性能的概念和内容 外加载荷外加载荷与与环境环境共同作用共同作用 通过通过实验实验测的测的 主要内容：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨主要内容：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、

7、缺口敏感性等性、缺口敏感性等静载荷下的机械性能 缓慢加载，常用拉伸试验和硬度试验 弹性和塑性弹性：塑性： 强度和硬度 （二者有一定关系）强度硬度布氏硬度HB；洛氏硬度HRA HRB HRC; 维氏硬度HRC: 120 degree 金刚石压头、150kG载荷 静拉伸实验静拉伸实验 试样：标准的光滑圆柱试样试样：标准的光滑圆柱试样 特点：温度、应力状态、加载速度不变特点：温度、应力状态、加载速度不变 三个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、三个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、断裂断裂 四种变形形式：弹性变形、屈服、均匀塑变、四种变形形式：弹性变形、屈服、均匀塑变、局部塑变局部塑变 标定力学性

8、能指标：强度标定力学性能指标：强度b 、 s 塑性塑性、 几个概念的比较几个概念的比较 弹性：产生不永久变形的能力弹性：产生不永久变形的能力 塑性：产生塑性变形而不断裂的能力塑性：产生塑性变形而不断裂的能力 刚度：抵抗弹性变形的能力刚度：抵抗弹性变形的能力 强度：抵抗塑性变形和断裂的能力强度：抵抗塑性变形和断裂的能力弹性模量/杨氏模量 对一根细杆施加一个拉力F，这个拉力除以杆的截面积S，称为“线应力”，杆的伸长量dL除以原长L，称为“线应变”。线应力除以线应变就等于杨氏模量E=( F/S)/(dL/L)Shear Modulus or Modulus of RigidityShear Modu

9、lus or Modulus of Rigidity延伸率和断面收缩率 延伸率（）是描述材料塑性性能的指标延伸率和截面收缩率。延伸率即试样拉伸断裂后标距段的总变形L与原标距长度L之比的百分数：=L/L100%。 工程上常将5%的材料称为塑性材料，如常温静载的低碳钢、铝、铜等；而把5%的材料称为脆性材料，如常温静载下的铸铁、玻璃、陶瓷等。延伸率和断面收缩率 断面收缩率是材料的塑性指标之一。材料受拉力断裂时断面缩小，断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率， 老标准JB/T 6396-1992 中用表示，新标准JB/T 6396-2006 中用Z表示，单位为%。 断面收缩率计算如下：式中 A0试件

10、原始截面积；A1试件拉断后颈缩处的截面积。 硬度硬度 材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物体压入或刻划的能力，即抵抗局部塑性变体压入或刻划的能力，即抵抗局部塑性变形的能力。形的能力。 常见的硬度指标有布氏硬度（常见的硬度指标有布氏硬度（HB）、洛氏）、洛氏硬度（硬度（HR）、维氏硬度（）、维氏硬度（HV） 等。等。 布氏硬度（布氏硬度（HB） 布氏硬度值的表示方法为：硬度值布氏硬度值的表示方法为：硬度值+硬度符硬度符号号+球体直径球体直径/+载荷载荷/+载荷保持时间（载荷保持时间（1015秒不标注）。秒不标注）。 例如，例如，180HBS10/1000/30

11、，表示直径，表示直径10mm的钢球在的钢球在1000kgf作用下，保持作用下，保持30秒秒测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为180。洛氏硬度洛氏硬度(HR)符号符号压头类型压头类型总载荷总载荷（kgf）适用范围适用范围HRC120金刚石金刚石圆锥圆锥150一般淬火钢等一般淬火钢等硬度较大材料硬度较大材料HRB1.588mm钢钢球球100退火钢和有色金属等退火钢和有色金属等软材料软材料HRA120金刚石金刚石圆锥圆锥60硬而薄的硬质合金硬而薄的硬质合金或表面淬火钢或表面淬火钢 布氏硬度、洛氏硬度各有优缺点：布氏硬度、洛氏硬度各有优缺点： 布氏硬度由于压痕面积较大，能反映较大布氏硬度由于压痕面积

12、较大，能反映较大范围内的平均硬度，所以测量结果具有较范围内的平均硬度，所以测量结果具有较高的精度和稳定性。但操作费时，对试样高的精度和稳定性。但操作费时，对试样表面有一定破坏。表面有一定破坏。 洛氏硬度操作简单，可直接读出硬度值，洛氏硬度操作简单，可直接读出硬度值，且压痕小，不伤工件。缺点是所测值的离且压痕小，不伤工件。缺点是所测值的离散性较大，实际中可多测几次取均值。散性较大，实际中可多测几次取均值。 各种硬度试验因其试验条件的不同而不能各种硬度试验因其试验条件的不同而不能直接换算，需查阅专门的表格进行换算比直接换算，需查阅专门的表格进行换算比较较。 维氏硬度（维氏硬度（HV） 是用一定的载

13、荷将锥面夹角为是用一定的载荷将锥面夹角为136的正四的正四棱锥金刚石压头压入试样表面，保持一定时棱锥金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线的长度，计算压痕表面积，载荷压痕对角线的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。所得值即为维氏硬度。 维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示，计算公式如下：表示，计算公式如下：)(kgf/mmdF1.8544SFHV22维氏硬度也可按对角线的d值从表中查出，d值为两对角线的算术平均值。维氏硬度的结果表示方法为：硬度值+HV+试验载荷+载荷保持时间

14、（1015秒不标注）。例如，640HV3020表示在试验力30kgf作用下保持载荷20秒测定的维氏硬度值为640。 金属材料的强度、塑性、硬度、韧性四者中金属材料的强度、塑性、硬度、韧性四者中真正独立的是真正独立的是强度和塑性强度和塑性，硬度与强度有极，硬度与强度有极为密切的关系，韧性是受强度和塑性的综合为密切的关系，韧性是受强度和塑性的综合影响；影响； 因此，在鉴别金属材料的力学性能时，常常因此，在鉴别金属材料的力学性能时，常常是以强度和塑性为主要指标；是以强度和塑性为主要指标； 同时，这两个指标也是一对矛盾，常常不可同时，这两个指标也是一对矛盾，常常不可兼得。兼得。动载荷下的机械性能 动载

15、荷：冲击载荷、交变载荷 冲击韧性：抵抗冲击载荷的能力摆锤冲击试验测定，用断口单位面积上的冲击功来表示。抗单次冲击能力，不太符合通常工况下的小载荷多次冲击（与强度有关）。 疲劳强度（80%机件失效可归因于疲劳）疲劳强度：承受无数次交变载荷而不断裂的最大应力。钢 e7；有色金属、高强度钢 e8。 一次摆锤冲击弯曲实验一次摆锤冲击弯曲实验 韧性是材料塑性变形和断裂过程中吸收能量韧性是材料塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现。的能力，是强度和塑性的综合表现。 冲击韧性（韧度）冲击韧性（韧度）k是抵抗冲击载荷的能力。是抵抗冲击载荷的能力。是综合的力学性能指标，与强度和塑性有关，是综

16、合的力学性能指标，与强度和塑性有关，揭示材料的变脆倾向，评定材料在复杂受载揭示材料的变脆倾向，评定材料在复杂受载条件下的寿命和可能性，反映原材料的冶金条件下的寿命和可能性，反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。质量和热加工后的产品质量。冲击韧性常用冲击实验测定冲击韧性常用冲击实验测定冲击韧性常用冲击实验测定冲击韧性常用冲击实验测定 影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成份、冶金质量、组织状态、表面质量和内部份、冶金质量、组织状态、表面质量和内部缺陷等。缺陷等。 系列冲击实验（低温冲击）：系列冲击实验（低温冲击）： 金属材料的冲击韧性随温度的降低而下降金

17、属材料的冲击韧性随温度的降低而下降 评定材料低温变脆的倾向，韧脆转变温度评定材料低温变脆的倾向，韧脆转变温度（范围）（范围） 温度和温度和k关系图关系图韧脆转变温度韧脆转变温度疲劳曲线示意图 疲劳强度 力学性能五个力学性能五个基本指标基本指标： 强度强度b 、 s 塑性塑性、 韧性韧性k高温下的机械性能 弹性模量、强度、硬度降低；塑性升高。 蠕变：高温、长时间载荷，即使应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显塑性变形直至断裂。金属及合金的其他性能 物理性能：比重、熔点、导热性、导电性 化学性能：抵抗化学侵蚀，耐酸性、耐碱性、抗氧化性。 工艺性能：物理、化学和机械性能的综合表现。铸造性、可锻

18、性、可焊性、热处理工艺性、切削加工性。 图中为五种材料拉伸试验时测的得应力图中为五种材料拉伸试验时测的得应力应变应变( (单位长度上的伸长量单位长度上的伸长量) )曲线：曲线：4545钢钢 ， 铝青铜，铝青铜， 3535钢，硬铝，纯铜。试问：钢，硬铝，纯铜。试问： (1)(1)当应力当应力300 MPa300 MPa时各材料处于什么状态？时各材料处于什么状态？ (2)(2)用用3535钢制成的轴在使用过程中发现有较大的弹钢制成的轴在使用过程中发现有较大的弹性弯曲变形，如改用性弯曲变形，如改用4545钢钢 制作该轴，问能否减少制作该轴，问能否减少弹性变形？若弯曲变形中已有塑性变形，问是否可弹性变形？若弯