工程材料绪论、材料的性能

工程材料

Engineeringmaterials绪论课程的主题：材料（Materials)一、材料与材料学

1.材料的定义

2.材料的历史

3.材料学的主要研究内容二、材料的分类三、《工程材料》的性质和任务绪论绪论材料：用以制造各种机器、器件、结构等具有某种特性的物质的实体。绪论—材料的定义材料：人类赖以生存和发展的物质基础。绪论—材料的定义材料：人类社会文明程度的标志。

石器时代绪论—材料的历史

陶器时代绪论—材料的历史青铜器时代、铁器时代绪论—材料的历史新材料的使用对人类社会经济和科技的发展起着重要的推动作用：钢铁材料孕育了产业革命；半导体材料促进了现代信息技术的建立和发展；复合材料及新型超合金材料为空间技术的发展奠定了物质基础；光导纤维的出现又为现代数字信息技术及网络技术带来了无限美好的前景。人类社会进步与发展中的每一个重大突破，都是因为有了先进的新材料而得以实现。绪论—材料的历史使用表现性能/性质成分/结构制备/加工MSE的四个组成要素：MSE—MaterialsScienceandEngineering绪论—材料学的主要研究内容工程材料课程的主线：成分（Composition）组织、结构（Structure）性能（Performance）加工（Working）绪论—材料学的主要研究内容第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章功能材料（Functionalmaterials）绪论—材料的分类材料按材料的性能特征和用途分类：结构材料：具有较高力学性能并主要用来制造机械产品结构件的材料。功能材料：具有特殊物理、化学等性能并主要用来制造具有特定功能的元、器件和产品的材料。结构材料（Structuralmaterials）金属材料（MetallicMaterials）材料非金属材料（NonmetallicMaterials）复合材料（CompoundMaterials）按材料的化学组成分类：绪论—材料的分类无机非金属材料（陶瓷材料）有机高分子材料复合材料：由两种或两种以上的不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合而成的材料。

金属材料黑色金属（FerrousMetal）有色金属（NonferrousMetal）—钢铁、锰、铬及其合金—铝、铜、镁、钛等及其合金绪论—材料的分类金属材料的结合键主要是金属键。金属材料是工程领域内应用最广泛的工程材料。无机非金属材料（陶瓷材料）

—陶瓷、玻璃、水泥等陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键。有机高分子材料—塑料、橡胶、涂料、纤维等高分子材料的结合键主要是共价键、氢键和分子键。三大类材料：绪论—课程的性质和任务课程的性质：

《工程材料》课程是机械类和近机类各专业的专业基础课。课程的主要任务：根据零件的工作（服役）条件与性能要求，合理选择材料，确定加工工艺及路线，保证材料性能潜力的充分发挥，获得理想的使用性能，提高产品零件的质量，节省材料，降低成本。即：

服役条件—性能要求—选材—制定工艺路线—获得使用性能

教学参考书：

[1]王焕庭，机械工程材料，大连理工大学出版社，1991年

[2]崔忠圻，金属学与热处理，机械工业出版社，1996年材料的性能材料的性能力学性能（机械性能）物理性能化学性能工艺性能使用性能铸造性能焊接性能可锻性能切削加工性能材料的性能材料的性能第一节力学性能材料的力学性能是材料在受外力作用时表现出的性能。拉伸试样拉伸试验机A′ABCDE

p

e

s

b

E低碳钢的

－

曲线

p—比例极限

e—弹性极限

s—屈服强度

b—抗拉强度

＝E

E—刚度材料的性能O材料的性能材料的性能一、弹性和刚度

1.弹性（Elasticity）材料在外力作用下不产生永久变形的能力。弹性极限（Elasticlimit）

其中，Fe为弹性极限载荷，N；A0为试样原始横截面积，mm2。

2.刚度（Stiffness）材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。根据Hooke’slaw：

＝E

其中，E为弹性模量，MPa，表征刚度。（MPa）（MPa）材料的性能二、强度和硬度

1.强度（Strength）

材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。

屈服强度（YieldStrength）材料抵抗塑性变形的能力。其中，Fs为试样屈服时的载荷，N。条件屈服强度没有明显塑性变形的塑性材料，以产生0.2%永久变形时的应力值作为其屈服强度，称条件屈服强度。

其中，F0.2为试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷，N。（MPa）（MPa）材料的性能

抗拉强度（TensileStrength）：材料在拉伸力作用下抵抗被拉断的能力，为材料断裂前所能承受的最大应力。其中，Fb为试样断裂前的最大载荷，N。其他强度指标：抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度。

2.硬度（Hardness）材料抵抗局部变形的能力，即抵抗其他硬物体压入其表面的能力。

（MPa）结论：通常材料的强度越高，硬度也越高。

材料的性能布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV肖氏硬度HS锉刀法硬度的测量方法：材料的性能

布氏硬度HB（Brinell-hardness）

用一定载荷F，将直径为D的淬火钢球或硬质合金球压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积确定硬度值。F压头被测材料布氏硬度测试示意图

布氏硬度计

材料的性能

洛氏硬度HR（Rockwllhardness）

将锥度为120°的金刚石或钢制标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度确定硬度值。压头被测材料洛氏硬度测试方法

洛氏硬度计

材料的性能

维氏硬度HV（DiamondPenetratorHardness

）

用一种顶角为136°的金钢石角锥压头，在载荷F（kgf）作用下，材料表面压出一个四方锥形压痕，测量压痕对角线长度d（mm），计算压痕面积A（mm2），以F/A的数值表示硬度值。压头被测材料维氏硬度测试方法

维氏硬度计

压痕材料的性能

常用硬度测试方法的应用范围：布氏硬度HB

通常测试较软的材料。如退火、正火、调质钢，铸铁，有色金属等。洛氏硬度HR

通常测试较硬的材料。如淬火钢、调质钢等。布氏硬度和洛氏硬度的简单换算：

1HRC≈10HBS维氏硬度HV

适于测试材料极薄层的硬度。如金属镀层、薄片金属、渗碳或氮化件的表面硬度等。材料的性能三、塑性和韧性

1.塑性（Plasticity）材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力。断面收缩率（PercentageReductioninArea）

其中，A1和A0分别为试样拉断处和试样原始的横截面积，mm2。伸长率（延伸率）（SpecificElongation）

其中，L1和L0分别为试样拉断后和试样原始的标距长度，mm。材料的性能

2.韧性（Toughness）材料断裂时所需能量的度量。冲击韧性（NotchToughness）材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。试样冲断时所消耗的冲击功Ak:

Ak=mg·h1–mg·h2

（J）冲击韧性值ak

是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功，用以表示材料冲击韧性的大小：通常材料的塑性越好，韧性也越好。（J/cm2）材料的性能冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图材料的性能

材料的强度、硬度与塑性、韧性的关系：通常，材料的强度越高，则硬度越大。通常，材料的塑性越好，则韧性越好。通常，材料的强度和硬度越高，则塑性和韧性越低。材料的性能四、疲劳强度

疲劳（Fatigue）材料在交变载荷作用下，在低于其屈服强度的应力下即发生断裂的现象。疲劳强度（FatigueStrength）材料在规定次数的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力，用

-1

表示。疲劳强度又称疲劳极限。规定次数：钢铁材料：107有色金属及其合金：108。钢铁材料的

-1值约为其

b的1/2，非金属材料的

-1

一般远低于金属。材料的疲劳损坏在工程领域中是较普遍的一种失效形式。因此，提高材料及其制品的疲劳寿命非常重要。

材料的性能第二节物理和化学性能一、物理性能

1.密度（Density）材料单位体积的质量。与密度有关的重要指标：比强度抗拉强度与密度的比值，

b/

。飞机、宇宙飞船上使用的结构材料要求有高的比强度。

Ti、Al及其合金具有高的比强度。比弹性模量弹性模量与密度的比值，E/

。材料的性能

2.熔点（MeltingPoint）材料的熔化温度。晶体材料具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。

3.热容（HeatCapacity）材料在没有体积变化时，温度变化1℃时热量的变化。材料从一种状态转变为另一种状态，是因为其内部的原子或分子结构发生了变化，这使材料的热容也发生变化。如材料在熔化或气化时，需要外界输入热量，表现为材料的热容发生了变化。

4.热膨胀性（Expansibility）线膨胀系数

材料每变化1℃时引起的长度相对膨胀量的大小。一般来说，陶瓷的线膨胀系数最小，金属次之，高分子材料最大。材料的性能5.导热性（HeatConductivity）材料传导热量的性能。通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。

6.导电性（ElectricConductivity）材料传导电荷的性能，用电导率或电阻率表示。金属及其合金一般具有良好的导电性，陶瓷材料和高分子材料一般是绝缘体。

7.磁性（Magnetism）材料在磁场中导磁的性能。物质的磁性主要有抗磁性、顺磁性、铁磁性等。

8.介电常数（DielectricConstant）材料在电场中被极化的性能。材料的性能二、化学性能

1.耐腐蚀性（CorrosionResistance）材料抵抗介质侵蚀的能力。陶瓷材料和高分子材料的而腐蚀性通常比金属材料高得多。

2.高温抗氧化性（OxidationResistanceatHighTemperature)

材料在高温下迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜从而阻止进一步氧化的能力。

3.抗老化性能（AgeingResistance）高分子材料抵抗老化的能力。

4.降解性（Degradability）

塑料在自然环境下能否迅速分解的能力。材料的性能第三节工艺性能一、铸造性浇注铸件时，液态材料能充满铸型并获得优质铸件的性能。铸造性的好坏与液态材料的流动性、收缩率、偏析等因素有关