工程材料的种类和力学性能.ppt

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1、第第1 1章章 工程材料的种类和力工程材料的种类和力学性能学性能工程材料（工程材料（）1.1、材料的种类、材料的种类1.2、材料的性能、材料的性能工程材料的种类和力学性能工程材料的种类和力学性能1.1、材料的种类、材料的种类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

2、、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1.金属材料金属材料 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

3、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。合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非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性质有关，同时也与这些相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

4、分布有关。在合金中的数量、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。2. 高分子材料（高聚物）高分子材

5、料（高聚物） 高聚物是由一种或几种简单高聚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。 橡橡胶胶的的特特点点是是室室温温弹弹性性高高，即即使使在在很很小小的的外外力力作作用用下下，也也能能产产生生很很大大的的

6、形形变变（可可达达1000%），外外力力去去除除后后，能能迅迅速速恢恢复复原原状状。其其弹弹性性模模量量小小，约约105104Pa。常常用用的的橡橡胶胶有有天天然然橡橡胶胶（异异戊戊橡橡胶胶）、丁丁苯苯橡橡胶胶、顺顺丁丁橡橡胶胶（聚聚丁丁二二烯烯）、乙乙丙丙橡橡胶胶和和硅硅橡橡胶等。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，在分之二十。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（较广的温度范围（-50150）内，机械性能变化不大。常用）内，机械性能变化不大。

7、常用的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。的合成纤维有尼龙、涤纶、晴纶和维尼纶等。 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。温度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的度稍高些，受力形变可达百分之几至几百。有些塑料的形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。形变是可逆的，有些塑料的形变是永久的。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塑料两类。前者受热时可以塑化和软化，冷却时则凝固成形，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。聚乙烯、聚氯乙烯和聚碳酸酯等再

8、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和软化，并通过化学都属于此类；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化，酚醛反应，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。塑料和脲醛塑料就属此类。 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

9、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3. 无机非金属材料无机非金属材料 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。

10、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。 传传传传统统统统的的的的无无无无机机机机非非非非金金金金属属属属材材材材料料料料主主要要是是指指由由SiO2及及其其硅硅酸酸盐盐化化合合物物为为主主要要成成分分制制成成的的材材料料，包包括括陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、水水泥泥和和耐耐火火材材料料等等。此此外外，搪搪瓷瓷、

11、磨磨料料、铸铸石石（辉辉绿绿岩岩、玄玄武武岩岩等等）、碳碳素素材材料料、非非金金属属矿矿（石石棉棉、云云母母、大大理理石石等等）也也属属于于传传统统的无机非金属材料。的无机非金属材料。先进（或新型）无机非金属材料先进（或新型）无机非金属材料是用氧化物是用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以、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成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、人工的材料。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。晶体、无机涂层、无机纤维等。陶瓷按其概念和用途不同，陶瓷按其

12、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种陶瓷特种陶瓷。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，陶瓷制品本物理性能的差异，陶瓷制品可分为可分为陶器陶器和和瓷器瓷器。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之一：陶瓷之一：陶瓷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、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、电瓷以及其它工业用陶瓷。建筑陶瓷、化工陶

13、瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。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、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、隔热等场所。功能陶瓷主要包括电磁功能、光学硬质、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。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传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之二：玻璃之二：玻

14、璃玻璃是由熔体过冷所制得的非晶态材料。根据其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、形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，其网络形成剂分为磷酸盐玻璃等，其网络形成剂分为SiO2、B2O3和和P2O5。习惯上玻璃态材料可分为习惯上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、玻璃。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。光学玻璃和玻璃纤维等。 特特

15、种种玻玻璃璃（亦亦称称为为新新型型玻玻璃璃）是是指指采采用用精精制制、高高纯纯或或新新型型原原料料，通通过过新新工工艺艺在在特特殊殊条条件件下下或或严严格格控控制制形形成成过过程程制制成成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。特特种种玻玻璃璃包包括括SiO2含含量量在在85%以以上上或或55%以以下下的的硅硅酸酸盐盐玻玻璃璃、非非硅硅酸酸盐盐氧氧化化物物玻玻璃璃、非非氧氧化化物物玻玻璃璃（以以及及光光学学纤纤维维等。等。根根据据用用途途不不同同，特特种种玻玻璃璃分分为为防防辐辐射射玻玻璃璃、激激光光玻玻璃璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。生物

16、玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之三：水泥之三：水泥水泥是指加入适量水水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，既能在空后可成塑性浆体，既能在空气中硬化又能在水中硬化，气中硬化又能在水中硬化，并能够将砂、石等材料牢固并能够将砂、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬地胶结在一起的细粉状水硬性材料。性材料。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，水泥又可分为硅酸盐水泥、铝酸

17、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。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，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、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、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸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。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、砌筑水指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌筑水泥等

18、。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、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、自应力铝酸盐水泥等。膨胀硫铝酸盐水泥、自应力铝酸盐水泥等。 传统的无机非金属材料传统的无机非金属材料 之四：耐火材料之四：耐火材料耐耐火火材材料料是是指指耐耐火火度度不不低低于于1580的的无无机机非非金金属属材材料料。它它是是为为高高温温技技术术服服务务的的基基础础材材料料。尽尽管管各各国国对对其其定定义义不不同同，但但基基本本含含义义是是相相同同的的，即即耐耐火火材材料料是是用用

19、作作高高温温窑窑炉炉等等热热工工设设备备的的结结构构材材料料，以以及及用用作作工工业业高高温温容容器器和和部部件件的的材材料料，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。 4. 复合材料复合材料 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，主要包括基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。基体相是一种

20、连续相材料，它把改善性能本相和增强相。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；增强相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（功能复合材料起承受应力（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要特色，又）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，获得原组分不具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。备的许多优良性能。 复合材料的种类繁多，下复合材料的种类繁多，下面根据复合材料的三要素来分面根据复合材料的三

21、要素来分类。按类。按基体材料基体材料分类，有金属分类，有金属基复合材料，陶瓷基复合材料，基复合材料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合材料，塑水泥、混凝土基复合材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料基复合材料，橡胶基复合材料等；按料等；按增强剂形状增强剂形状可分为粒可分为粒子、纤维及层状复合材料；依子、纤维及层状复合材料；依据复合材料的据复合材料的性能性能可分为结构可分为结构复合材料和功能复合材料。复合材料和功能复合材料。玻璃纤维增强高分子复玻璃纤维增强高分子复玻璃纤维增强高分子复玻璃纤维增强高分子复合材料合材料合材料合材料航空发动机航空发动机1.2、材料的性能、材料的性能 工程材料的性能包括工

22、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：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 常见的工程载荷：常见的工程载

23、荷：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FFFFF = F （MPa）= F /S外力外力 内力内力应力应力外力作用下材料的变形外力作用下材料的变形外力作用下材料的变形外力作用下材料的变形-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。F2.2.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

24、为塑性变形。塑性变形。 强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。1.2.11.2.1静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能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验拉伸实验测定的。测定的。应力应力

25、=F/S0 (N /m2) ；F 作用力，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。 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 剪应变剪应变 剪模量剪模量 G G且有且有 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

26、恢复的变形。除后，不可恢复的变形。 弹性模量弹性模量E EE =/=tan-曲线中的直线部分有：曲线中的直线部分有：=E E 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

27、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。 比例极限比例极限p p与弹性极限与弹性极限e ep 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性变形，设计时要根据弹性极限选材。性极限选材。 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

28、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。 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

29、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。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对应的条件屈服强度分别记作记作0.050.05、0.10.1、0.20.2等。等。 条件屈服强度条件屈服强度0.2 0.2 （脆性材料（脆性材料屈服极限）屈服极限） 根据根据GB228-87GB228-87要求，对没有明要求，对没有明

30、显屈服现象的材料，规定取非比显屈服现象的材料，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，作为屈服强度指标。时的应力，作为屈服强度指标。称为条件屈服强度，用称为条件屈服强度，用0.20.2 表表示。示。 抗拉强度（抗拉极限）抗拉强度（抗拉极限）b b 指指拉伸过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 。2.2.塑性塑性

31、 伸伸长长率率是是指指试试样样拉拉伸伸断断裂裂时时的的绝绝对对伸伸长长量量与与原原始始长度的百分比，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 2)、收缩率、收缩率 收收缩缩率率是是指指试试样样拉拉断断后后，缩缩颈颈处处（断断口口处处）横横断断面面积积的的最最大大缩缩减减量量与与原原始始横横截截面面积积的的百百分分比比，用用符符号号表示。即：表示。即：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

32、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l0=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。 材

33、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(1)布氏硬度布氏硬度布布氏氏硬硬度度计计 压压头头为为钢钢球球时时，布布氏氏硬硬度度用用符符号号HBS表表示示，适适用用于于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。压压头头为为硬硬

34、质质合合金金球球时时，用用符符号号HBW表表示示，适适用用于于布布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符符号号HBS或或HBW之之前前的的数数字字表表示示硬硬度度值值, 符符号号后后面面的的数数字字按按顺顺序序分分别别表表示示球球体体直直径径、载载荷荷及及载载荷荷保保持时间。持时间。如如 120HBS10/1000/30 表表 示示直直径径为为10mm的的钢钢球球在在1000kgf（9.807kN）载载荷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。布布氏氏硬硬度度压压痕痕布氏硬度试验的优缺点：布氏硬度试验的优缺点： 优点优点: :测定的数据准确、稳定、数

35、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。 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HRHR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压头类型：压头

36、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测多用于测定淬火钢等较硬材料的硬度，压入深度较浅。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，在符号前面写出硬度无单位，须标明硬度标尺符号，

37、在符号前面写出硬度值，如硬度值，如58HRC、76HRA。 试验规范及表示方法试验规范及表示方法: : 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，如调质如调质钢、淬火钢等。钢、淬火钢等。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

38、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

39、。(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计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，压头是锥面夹角为量。试验力较小，压头是锥面夹角为136136的金刚石的金刚石正四棱锥体，见图所示。维氏硬度用符号正四棱锥体，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。

40、 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 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值，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间。后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 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小负负荷荷维维氏氏硬硬度度计计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、

41、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试氮层的硬度，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，维氏硬度也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，而且不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。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

42、验。 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，还必须有足够的韧性。 1.2.2 1.2.2 其他载荷作用下的力学性能其他载荷作用下的力学性能l l冲击韧性冲击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 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-

43、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：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。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

44、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建造中的建造中的Titanic 号号TITANICTITANIC的沉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

45、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，有色金属合金为，有色金属合金为108。tt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。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

46、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1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂 实际上，材料的组织远非是均匀、各向同性的，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、气孔等宏观缺陷，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。当材料受外力作这些缺陷可看成是材料中的裂纹。当材料受外力作用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成用时，这些裂纹的尖端附近便出现应力集中，形成一个裂纹尖端的应力场。一个裂纹尖端的应力场。 断裂韧度断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展，是用来反映材

47、料抵抗裂纹失稳扩展，即即抵抗脆性断裂能力抵抗脆性断裂能力的性能指标。的性能指标。3.断裂韧度断裂韧度 断裂韧度是材料断裂韧度是材料固有的固有的力学性能指标，是力学性能指标，是强度强度和韧性和韧性的综合体现。它与裂纹的大小、形状、外加的综合体现。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要应力等无关，主要取决于取决于材料的成分、内部组织和材料的成分、内部组织和结构。结构。 机器运转时，任何零件在接触状态下的相对运机器运转时，任何零件在接触状态下的相对运动都会产生摩擦，导致零件磨损，最后失效。动都会产生摩擦，导致零件磨损，最后失效。 按磨损的破坏机理，磨损可分为：按磨损的破坏机理，磨损可分为：（1

48、1）粘着磨损（咬合磨损）粘着磨损（咬合磨损）摩擦件件缺乏润滑摩擦件件缺乏润滑油，摩擦表面无氧化膜，且单位法向载荷很大时油，摩擦表面无氧化膜，且单位法向载荷很大时（2 2）磨粒磨损（磨料磨损）磨粒磨损（磨料磨损）由于硬颗粒或硬突由于硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成起物使材料产生迁移而造成（3 3）腐蚀磨损）腐蚀磨损在摩擦过程中，摩擦副之间或摩在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物形成和脱落造成的磨损蚀产物，腐蚀产物形成和脱落造成的磨损4.磨损磨损高温对材料的力学性能有很大影响高温对材料的力学性能有很

49、大影响1.温度对材料力学性能指标影响较大。随着温度升高，强度、温度对材料力学性能指标影响较大。随着温度升高，强度、刚度、硬度要下降，塑性要增加。刚度、硬度要下降，塑性要增加。2.在较高温度下，载荷的持续时间对力学性能也有影响，会在较高温度下，载荷的持续时间对力学性能也有影响，会产生明显的蠕变。产生明显的蠕变。 金属的蠕变金属的蠕变是指在长时间的恒温、恒应力作用下即使是指在长时间的恒温、恒应力作用下即使应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现应力小于该温度下的屈服点也会缓慢地产生塑性变形的现象。象。 因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需要建立因此，对材料在高温下的力学性能的评定还需

50、要建立另外的一些力学性能指标。主要有另外的一些力学性能指标。主要有蠕变极限和持久强度蠕变极限和持久强度。1.2.3材料的高温和低温性能材料的高温和低温性能1.1.高温性能高温性能蠕变极限蠕变极限是指在高温下载荷长期作用时，材料是指在高温下载荷长期作用时，材料对蠕变对蠕变的抵抗的抵抗能力。能力。t t0.3Tm0.3Tm时，蠕变才较为明显时，蠕变才较为明显持久强度持久强度是指在高温下载荷长期作用时材料是指在高温下载荷长期作用时材料对断裂对断裂的抵抗能的抵抗能力。力。应力松弛应力松弛是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工

51、作应力自行逐渐衰减的现象，保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象，如高温紧固件因应力松弛使紧固失效。如高温紧固件因应力松弛使紧固失效。2.2.低温性能低温性能随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚随着温度的下降，多数材料会出现脆性增加的现象，严重时甚至发生脆断。至发生脆断。2020钢在钢在450 450 短时短时b=330MPa但当但当=230MPa持续持续300300小时便会断裂小时便会断裂 如如=1=120MPa持续持续1000010000小时也会断裂小时也会断裂 拉伸试样的原标距为拉伸试样的原标距为50mm，直径为，直径为10mm，拉伸试验后，将已断裂的试样

52、对接起来测量，拉伸试验后，将已断裂的试样对接起来测量，若断后的标距为若断后的标距为71mm，颈缩区最小直径为，颈缩区最小直径为4.9mm，求该材料的伸长率和断面收缩率。，求该材料的伸长率和断面收缩率。=（71-50）/50 100%=42%S0=3.14 (10/2)2=78.5(mm2)S1=3.14 (4.9/2)2=18.85(mm2)=(S0-S1)/S0 100%=24% 某工厂买回一批材料（要求：某工厂买回一批材料（要求：s230MPa；b410MPa；523%；50%）做短试样（）做短试样（0=50；0=10mm） 拉伸试验，结果如下：拉伸试验，结果如下：Fs=19KN，Fb=3

53、4.5KN；l1=63.1mm；d1=6.3mm; 问买回的材料合格吗？问买回的材料合格吗？解：解： 根据试验结果计算如下：根据试验结果计算如下：sFss(191000)/(3.1452 )=242 230MPa b Fb s(34.51000)/(3.1452 )=439.5 410MPa 5 l l 0 100% (63.1-50)/50 100%=26.2% 23% S S 0 100% 60.31% 50%材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。材料的各项指标均合格，因此买回的材料合格。3 3、附图所示的为四种、附图所示的为四种不同材料的应力应不同材料的应力应变曲线（变曲线（1 14

54、 4），试），试比较这四种材料的抗比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度拉强度、屈服强度（或屈服点）、刚度（或屈服点）、刚度和塑性。和塑性。“材料的弹材料的弹性模量性模量E E愈大，则材料愈大，则材料的塑性愈差的塑性愈差”，这种，这种说法是否正确？为什说法是否正确？为什么？么？1.1.拉伸试验时，试样断裂前能承受的最大应力称为材料的（拉伸试验时，试样断裂前能承受的最大应力称为材料的（ ）。）。A.A.屈服点；屈服点；B.B.抗拉强度；抗拉强度；C.C.弹性极限弹性极限2.2.金属抵抗永久变形和断裂的能力，称为（金属抵抗永久变形和断裂的能力，称为（ ）。）。A.A.硬度；硬度；B.B.塑性；塑性；C

55、.C.强度强度3.3.作疲劳试验时，试样承受是载荷为（作疲劳试验时，试样承受是载荷为（ ）。）。A.A.静载荷；静载荷；B.B.冲击载荷；冲击载荷；C.C.循环载荷循环载荷4.4.金属的（金属的（ ）越好，则其锻造性能越好。）越好，则其锻造性能越好。A.A.强度；强度；B.B.塑性；塑性；C.C.硬度硬度5.5.现需测定淬火钢件的硬度，一般经常选用（现需测定淬火钢件的硬度，一般经常选用（ ）来测试。）来测试。A.A.布氏硬度计；布氏硬度计；B.B.洛氏硬度计；洛氏硬度计；C.C.维氏硬度计维氏硬度计1.1.金属材料的性能包括（金属材料的性能包括（ ）性能和（）性能和（ ）性能。）性能。2.2.使用性能包括（使用性能包括（ ）性能、（）性能、（ ）性能和（）性能和（ ）性能。）性能。3.3.裂纹断裂的过程包括（裂纹断裂的过程包括（ ）、（）、（ ）和（）和（ ）。）。4.4.填出下列力学性能指标的符号：屈服点（填出下列力学性能指标的符号：屈服点（ ）、洛氏硬度标尺（）、洛氏硬度标尺（ ）、断后）、断后伸长率（伸长率（ ）、断面收缩率（）、断面收缩率（ ）、冲击韧度（）、冲击韧度（ ）。）。1.1.画出低碳钢力画出低碳钢力伸长曲线，并简述拉伸变形的几个阶段。伸长曲线，并简述拉伸变形的几个阶段。