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1、第1章 工程材料的种类及性能,材料学的种类； 工程材料的力学性能。,本章内容：,本章重点、难点：,常见的力学性能指标,1-1 工程材料的种类,金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,复合材料,钢铁 有色,钢：碳钢 合金钢 铁：白口、 灰口、麻口,铜、吕、镁、钛、镍,水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷,纤维：天然、合成 橡胶：通用、特种 塑料：通用、工程、特种,树脂基 金属基 陶瓷基,1-2 工程材料的性能,材料性能,铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性,使用性能 工艺性能,力学性能 物理性能 化学性能,工程材料的力学性能,(mechanical performance),常见力学性能指标：,
2、强度（抗拉、抗压、弯曲） 硬度 断裂韧度 冲击韧度 疲劳强度 磨损,一、强度（strength）,定义：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。,（1）金属材料 抗拉强度,1. 抗拉强度,拉伸过程经历四个阶段：,1. 弹性变形（OS） OE段：直线阶段，完全弹性变形 ES段：极微量塑性变形,2屈服强度（S点）,弹性变形：去除外力后能完全恢 复到原来的形状。 塑性变形：外力消除后仍存在的 永久变形。,4颈缩（BK）-局部集中塑性变形,3均匀塑性变形阶段：（SB）,应力:=F/A0 （MPa） 应变:=L/L0,金属材料被拉断前所承受的最大应力。,材料开始明显塑性变形的抗力 ，即产生屈服现象时的应
3、力。,s=Fs/A0,b=Fb/A0,屈服强度s：,抗拉强度b：,弹性极限e：,材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。,e=Fe/A0,（2）高分子材料抗（张）拉强度,聚合物拉伸时典型的应力-应变图,TTg ：玻璃态,TgTTf ：高弹态,TTf ：粘流态,y ：屈服应力 b ：抗拉强度 b:：断裂伸长率,应变软化 应力硬化 自然拉伸比,2. 抗弯强度,脆性材料（如陶瓷）,f=3FL/(2bh2),二、塑性（plasticity）,塑性：工程材料在外力作用下，产生塑性变形而不破坏的能力。对应拉伸变形：,1伸长率d,2断面收缩率y,y =A/A0=(A0-A1)/A0 100%,y 越大，塑
4、性愈好；5%, 脆性材料。,高分子材料：延伸程度可由自由拉伸比描述。,=L/L0=(L1-L0)/L0 100%,三、冲击韧性（impact toughness）,K =AK/A0,冲击韧性：在冲击载荷作用下，工程材料表现出来的力学性能。指标：冲击韧度（K）,用一次摆锤冲击试验来测定,脆性材料：K值低，断裂时无明显变形，断口呈结晶状，有金属光泽； 韧性材料：K值高，断裂时有明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。,例：1965年，英国北海油田，因气温突然下降，海上钻井平台脆性断裂，造成重大事故。,韧性与温度有关：脆性转变温度TK,四、疲劳强度（fatigue strength）,疲劳断裂：在大小和
5、方向作周期性变化的交变应力作用下，往往在远小于强度极限时发生的断裂。,疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力。,钢铁材料循环106， 其他金属107。,五、硬度（hardness）,硬度：材料抵抗外物压入的能力，是综合性能指标，表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能力。硬度越高，耐磨性越高，但切削加工困难。,金属材料：布氏硬度和洛氏硬度； 工程陶瓷：维氏硬度和A种洛氏硬度； 高分子材料：邵氏硬度。,1布氏硬度(HB),适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。,以 ：压痕表面积表示 或：载荷/压痕表面积表示,2洛氏硬度(HR),根据压头形式
6、和载荷不同有三种标度（HRA, HRB,HRC），能够测试从软到硬各种硬度的材料，HRC应用最广，可用于测硬度很高的材料。,当硬度在200600HB, HRC1/10HB,硬度一般不标单位，如200HB, 55HRC,（以压痕深度表示，以0.002mm为一个硬度单位 ）,HV=F/Av=1.8544F/d2,当硬度小于450HB, HBHV,3维氏硬度(HV),（以压痕面积表示）,式中 P-载荷（N） AV-压痕面积（mm2） D-对角线的平均长度（mm）。,维氏硬度的测试原理基本上与布氏硬度相同， 其测试方法如图。维氏硬度用HV表示：,4邵（肖）氏硬度（HS）,邵氏反弹硬度 HS=KH/H0
7、,用来测量弹性体和热塑性软塑料的穿透硬度，分为邵氏压痕硬度和邵氏反弹硬度。,式中：HS-邵氏反弹硬度。 H-冲头反弹的高度mm。 H0-冲头的原始高度mm。 K-反弹硬度系数。,各种硬度应用特点： 布氏硬度：压痕大，测量结果准确；但不宜测成品及薄壁件。 洛氏硬度：压痕小，操作简单，可测成品及薄壁件；但对组织不均匀材料，需测多点，取平均值。 维氏硬度：较为精确，多用来测量表面硬度及小件和薄片等硬度。,六、断裂韧性（fracture toughness）,裂纹应力集中低应力脆断,断裂韧度KIC主要用于脆性材料，测量方法与抗折强度相似。,1. 应力强度因子KI 2. 断裂韧度KIC（常数） 在弯曲试
8、样中部预制一个0.1mm左右宽的小口，模拟材料内部微裂纹的一半，然后加载测量: KIC=Yca1/2,Y-是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数 c-裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力 a-材料内部裂纹长度的一半,KI=KIC是判断机件是否发生低应力脆断的判据（对于脆性材料）。,七、材料的高温性能（工程陶瓷、高温合金）,1. 高温强度,单相多晶陶瓷性能与温度关系,TA、TB、TC：脆性、半脆性、粘滞状态温度,2. 抗热振性（thermal shock）,按热弹性理论，热应力：=E(T1-T0)/(1-)； 热振参数：R=(1-)/E 热振破坏判据：TR,材料抵抗温度变化的能力。,八、高弹性和粘流性（聚合物）,高弹性：可逆 粘流性：不可逆,作业：p. 7, 3、6 题,
