第1章 工程材料的分类与性能

第一章工程材料的分类与性能一.工程材料的分类材料是指那些能够用于制造结构、器件或其他有用产品的物质。分为天然材料和人造材料。天然材料是所有材料的基础，随着社会的发展，人们开始对天然材料进行各种加工处理，使它们更适合于人类的使用，这就是人造材料。化学性质使用性能金属材料非金属材料新型材料（如复合材料、纳米材料、智能材料等）结构材料（作为承力结构使用的材料）功能材料（使用性能主要是光、电、热、磁、声等）钢铁非铁金属高分子材料陶瓷材料按应用领域分：机械工程材料、信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等。航空、航天材料能源材料电子材料光学材料生物材料建筑材料二.工程材料的性能使用性能：在使用过程中所表现出来的性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现出来的性能。4力学性能物理性能化学性能强度硬刚弹塑度度性性电学性能磁学性能光学性能热学性能声学性能抗氧化性耐腐蚀性催化性能使用性能81、密度单位体积的质量，用符号ρ(g/cm3或kg/m3)表示。金属材料中，Al、Mg、Ti密度较低，Cu、Fe、Pb、Zn等密度较高；非金属材料中，塑料的密度较低，陶瓷的密度较高。2、熔点缓慢加热时，材料由固态转变为液态的温度(℃或K)。金属材料中，Pb、Sn熔点低，Fe、Ni、Cr、Mo等金属熔点高；非金属材料中，陶瓷的熔点高，塑料等材料无熔点，只有软化点。3、导热性材料传导热量的能力。金属材料中，Ag和Cu导热性最好，A1次之；非金属中，金刚石的导热性最好。物理性能84、导电性材料传导电金属具有导电性，Ag最好，其次是Cu、Al。5、热膨胀性材料因温度变化而引起的体积变化现象称为热膨胀性，一般用线膨胀系数表示，即温度每升高1℃(或K)，单位长度的膨胀量。其值越大，材料的尺寸或体积随温度变化的程度越大。6、磁性

材料在磁场中能被磁化或导磁的能力称为导磁性或磁性；金属材料可分为铁磁性材料、抗磁性材料和顺磁性材料。8定义：材料与周围介质接触时抵抗发生化学或电化学反应的能力。1、耐蚀性常温下材料抵抗各种介质侵蚀的能力。2、热稳定性材料在高温下抵抗产生氧化现象的能力。化学性能8定义：材料在承受各种载荷时的行为。载荷类型分为：静载荷、动载荷、变载荷。力学性能1、强度材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。主要有屈服强度、拉伸强度、压缩强度、弯曲强度等。..ld圆截面试件：l＝10d（长试件）

l＝5d（短试件）1）静载时的拉伸强度试验低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢是指含碳量在0.3％以下的碳素结构钢。试验时一般采用标准圆截面试件。拉伸试验一般是在如图1-1（a）所示的万能试验机上进行的。16拉伸试验一般是在万能试验机上进行的。先装夹试件，然后加载。试件受到由零逐渐增加的拉力F的作用，发生伸长变形，直到断裂。一般实验机上附有自动绘图装置，在实验过程中能自动绘出载荷F和相应的伸长变形的关系曲线，称为拉伸图或F—

l曲线。F

l拉伸曲线

工程应力-应变曲线工程应力(Stress)工程应变(Strain)σ=F／A0ε=ΔL／L0a）弹性和刚度弹性：若应力不超过σP，则试样的变形能在卸载后(σ=0)立即消失，即恢复原状，这种不产生永久变形的性能称为弹性。弹性极限：σP为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限。在弹性变形范围内，应力与应变成正比，即E为弹性模量，它是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标。

=E

b）屈服点σS低碳钢应力一应变曲线在C点出现一水平段，即应力不增加而变形继续进行。塑性变形：此时若卸载，试样变形不能完全消失，而保持一部分残余变形，这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。此时所对应的应力就称为屈服点，用σS表示。Ose0.2%无明显屈服阶段的，规定将产生0.2%塑性应变时的应力作为屈服强度。记作σ0.2。

DAs0.2Cc）拉伸强度σb试样在拉断前所能承受的最大应力。反映试样最大的均匀变形的抗力，是设计机械零件和选择金属材料的主要参数之一，也是评价金属材料的主要指标。

σb—抗拉强度，脆性材料唯一拉伸力学性能指标。应力应变不成比例，无屈服、颈缩现象，变形很小且σb很低。

灰口铸铁拉伸时的力学性质金属材料的压缩试件一般制成很短的圆柱，以免被压弯。圆柱高度约为直径的1.5～3倍。

压缩时的弹性模量E和屈服极限ss

，都与拉伸时大致相同。

应力超过屈服阶段以后，试件越压越扁，呈鼓形低碳钢的力学性能一般由拉伸试验确定

a）低碳钢压缩

2）材料在压缩时的力学性能b）铸铁压缩试件在较小变形下突然破坏，破坏断面的法线与轴线大致成45º～55º的倾角。

铸铁的抗压强度极限比其抗拉强度极限高4～

5倍

铸铁广泛用于机床床身，机座等受压零部件

FPO24681012600500400300200100

/MPa拉伸压缩FP

/%伸长率：a)伸长率δ:表示试件拉断后标距范围内平均的塑性变形百分率

δ和Ψ愈大,说明材料的塑性愈好

b)断面收缩率ψ:指试件断口处横截面面积的塑性收缩百分率断面收缩率：δ<5%脆性材料：直接断裂

铸铁、混凝土、玻璃钢、陶瓷δ>5%塑性材料：断裂前有屈服段，可抵抗局部高应变

碳钢、低合金钢、青铜、紫铜、防锈铝低碳钢是典型的塑性材料2、塑性定义：硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。一般认为，硬度表示材料表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。分类：根据载荷、压头和表示方法不同，又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。3、硬度1）布氏硬度a）试验原理用直径为D的淬火钢球或硬质合金球的压头，加一定的试验力F将其压入试样表面，经过规定的保持时间t后卸除试验力，试样表面将残留压痕，然后测量压痕的平均直径d求得压痕的球形面积A。b）布氏表示方法示例c）特点及应用布氏硬度试验压痕面积较大，能反映表面较大范围内被测金属的平均硬度，故测量结果较准确，适合于测量组织粗大且不均匀的金属材料的硬度，如铸铁、铸钢、非铁金属及其合金，各种退火、正火或调质的钢材等；但因压痕较大，不宜用来测成品，特别是有较高精度要求配合面的零件及小件、薄件，也不能用来测太硬的材料。2）洛氏硬度用初试验载荷及总试验载荷F=F0+F1将压头压入被测材料表面，保持一定时间后卸除主载荷F1，测出残余压痕深度增量来表示硬度值，即图中压痕深度bd。在实际测试时，硬度值的大小可直接从硬度计上读出。a）试验原理表常用洛氏硬度试验条件及应用范围最常用的是HRA、HRB、HRC三种，其中HR代表洛氏硬度，A、B、C表示三种标尺，HRC应用最广泛。b）特点及应用洛氏硬度试验操作简便，迅速，测量硬度值范围大，压痕小，几乎不损伤工件表面，可直接测成品和较薄工件。但因试验载荷较大，不宜用来测定极薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度，且因压痕小，当测定组织粗大、不均匀的材料时，测定结果波动较大，故需在不同位置测试三点的硬度值，取其算术平均值。3）维氏硬度b）压头：金刚石制成的四方角锥体，两相对面间夹角为136°压头在试验力P作用下将样品表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d，d=(d1+d2)/2，计算压痕的表面积A。a）试验原理：基本上与布氏硬度的相同c）表示方法d）特点及应用由于维氏硬度试验所加载荷较小，压入深度浅，故可测定较薄工件及氮化层、金属镀层等的硬度；维氏硬度能在同一硬度标尺上测定由极软到极硬金属材料的硬度值(O～1000HV)，且连续性好，准确率高，弥补了布氏硬度因压头变形不能测高硬度材料，洛氏硬度受试验载荷与压头直径比的约束硬度值不能换算的不足。韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。冲击韧度：材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK来表示。4、冲击韧度试验在摆锤式冲击试验机上进行。试验过程：将样品水平放在试验机的支座上，缺口位于冲击相背的方向。然后将具有一定质量G的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定位能GH1。释放摆锤冲断试样，摆锤的剩余能量为GH2，则摆锤冲断试样失去的位能为GH1-GH2，这就是试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，单位为J。即AK=G(H1-H2)冲击试验原理1-摆锤2-试样脆性断裂：有些高强度材料的零件(构件)往往在远低于屈服点的状态下发生脆性断裂；低应力脆断：中、低强度的重型零件(构件)及大型结构件也有类似情况，这就是低应力脆断。裂纹扩展的三种基本形式：

5、断裂韧度裂纹扩展的基本形式疲劳断裂：工作应力低于其屈服点甚至是弹性极限的情况下突然发生断裂。疲劳强度：材料抵抗疲劳断裂的能力称为疲劳强度。循环次数：把材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值作为材料的疲劳强度。规定的循环次数称为循环次数。提高零件疲劳强度的措施：a）改善零件表面粗糙度；b）避免应力集中；c）进行热处理。6、疲劳强度81、铸造性铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件(零件或毛坯)的工艺过程。铸铁的铸造性能好于铸钢，铜、铝合金的铸造性能介于铸钢和铸铁之间。2、锻造性锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。工艺性能83、焊接性材焊接是通过加热或加压，或两者并用，促使两种或两种以上同种或异种材料通过原子或分子之间的结合和扩散连接成一体的工艺