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1、工程材料与成形技术基础工程材料与成形技术基础机机 械械 工工 程程 系系孙孙 德德 勤勤高速列车高速列车 歼十战斗机歼十战斗机 第一节第一节 工程材料概述工程材料概述问题问题1l何谓工程材料？何谓工程材料？l如何辨别材料？如何辨别材料？工程的概念：工程的概念：在现代社会中，“工程”一词有广义和狭义之分。就狭义而言，工程定义为“以某组设想的目标为依据，应用有关的科学知识和技术手段，通过一群人的有组织活动将某个（或某些）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品过程”。就广义而言，工程则定义为由一群人为达到某种目的，在一个较长时间周期内进行协作活动的过程。我国材料业的发展历程 l在
2、人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。 l早在新石器时代早在新石器时代( (公元前公元前60006000年公元前年公元前50005000年年) )，中，中华民族的先人们用粘土华民族的先人们用粘土( (主要成分为主要成分为SiO2SiO2，Al2O3)Al2O3)烧烧制成陶器。马家窑制成陶器。马家窑( (甘肃甘肃) )文化时期的陶器以砂质和泥文化时期的陶器以砂质和泥质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞
3、蹈纹等，质红陶为主，表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等，制品有炊具、食具、盛储器皿等制品有炊具、食具、盛储器皿等 。陶瓷陶瓷l我国在东汉时期发明了瓷器，我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷成为最早生产瓷器的国家。瓷器于器于9 9世纪传到非洲东部和阿世纪传到非洲东部和阿拉伯国家，拉伯国家，1313世纪传到日本，世纪传到日本，十五世纪传到欧洲。瓷器成为十五世纪传到欧洲。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。直到今天，产生了极大的影响。直到今天，中国瓷器仍畅销全球，名誉四中国瓷器仍畅销全球，名誉四海。海。 瓷器瓷器l 我国青铜的冶炼在夏朝我国青铜
4、的冶炼在夏朝( (公元前公元前21402140年始年始) )以前就开始了，以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达戊鼎重达8750 N, 8750 N, 外型尺寸为外型尺寸为1.33 m1.33 m0.78 m0.78 m1.10 m, 1.10 m, 是迄是迄今世界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战国青今世界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。铜编钟是我国古代
5、文化艺术高度发达的见证。 青铜器青铜器l春秋战国时期春秋战国时期周礼周礼考工记考工记中记载了钟鼎、中记载了钟鼎、斧斤等六类青铜器中的锡含量，称为斧斤等六类青铜器中的锡含量，称为“六齐六齐( (剂剂) )”。 书中写道：书中写道：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐”
6、。这是世界上最。这是世界上最古老的关于青铜合金成分的文字记载。这表明我古老的关于青铜合金成分的文字记载。这表明我们的祖先已经认识到了青铜的性能与成分之间的们的祖先已经认识到了青铜的性能与成分之间的密切关系。密切关系。 l我国从青秋战国时期我国从青秋战国时期( (公元前公元前770770年公元前年公元前221221年年) )已开始大量使已开始大量使用铁器。到了西汉时期用铁器。到了西汉时期, , 炼铁技术炼铁技术又有了很大的提高，采用煤作为又有了很大的提高，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早炼铁的燃料，这要比欧洲早17001700多年。多年。l我国古代创造了三种炼钢方法。我国古代创造了三种炼钢方法
7、。第一种是从矿石中直接炼出自然第一种是从矿石中直接炼出自然钢。第二种是西汉时期的经过钢。第二种是西汉时期的经过“百次百次”冶炼锻打的百炼钢；第三冶炼锻打的百炼钢；第三种是南北朝时期生产的灌钢。先种是南北朝时期生产的灌钢。先炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国炼铁后炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早要比其它国家早16001600多年。多年。 铁人铁人l钢的热处理技术也达到了相当高的水平。西汉钢的热处理技术也达到了相当高的水平。西汉史记史记天官天官书书中有中有“水与火合为淬水与火合为淬”一说，一说， 正确地说出了钢铁加热、正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。水冷的淬火热处理工艺要点。汉书汉书
8、王褒传王褒传中记载有中记载有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”的制剑技术。明代科学家宋的制剑技术。明代科学家宋应星在应星在天工开物天工开物一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。作了详细的论述。 黄河大铁牛黄河大铁牛(唐开元唐开元12年铸年铸) 新材料新工艺重大成果 l在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源与信在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。猛。 l 从从2020世纪世纪6060年代到年代到7070年代，高分子材料每
9、年以年代，高分子材料每年以1414的的速度增长，而金属材料的年增长率仅为速度增长，而金属材料的年增长率仅为4 4。到。到7070年代年代中期，全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等；中期，全世界的高分子材料和钢的体积产量已经相等；除了用作结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发除了用作结构材料代替钢铁外，目前正在研究和开发具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。具有良好导电性能和耐高温的高分子材料。涤纶安全带涤纶安全带 尼龙齿轮尼龙齿轮 l陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它除了具有陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它除了具有许多特殊性能作为重要的功能材料许多特殊性能作为重要的功能材料( (例如可作
10、光例如可作光导纤维、激光晶体等导纤维、激光晶体等) )以外，其脆性和抗热震性以外，其脆性和抗热震性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造了。了。 耐磨陶瓷耐磨陶瓷 绝缘陶瓷绝缘陶瓷 l 随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出越来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求。复合材料的研
11、究和应用引起了能满足使用要求。复合材料的研究和应用引起了人们的重视。人们的重视。 玻璃钢赛车壳体玻璃钢赛车壳体 l如玻璃纤维树脂复合材料如玻璃纤维树脂复合材料( (即玻璃钢即玻璃钢) )、碳纤维树脂、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等、发动机叶轮等；在交通运输工业中制造汽车车身、动机叶轮等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船艇等，在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、轻型船艇等，在石油化工工业中制造耐酸、耐碱、耐油的容器、管道等。耐油的容器、管道等。 玻璃钢储
12、液罐玻璃钢储液罐 l近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。信息材料等各种功能材料有很大的发展。 光缆光缆磁悬浮列车（时速磁悬浮列车（时速430公里）公里） l我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果 ： 1. 1.研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢贝氏体钢；贝氏体钢； 2. 2.研制出零电阻温度为研制出零电阻温度为128.7 K128.7 K的的Ti-Ca-Ti-Ca-BaBa-Cu-O-Cu-O超导体超导体( (铊系铊系超
13、导体超导体) )； 3. 3.镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。 镁铝合金叶轮镁铝合金叶轮镁铝合金手机壳镁铝合金手机壳 4 4. .材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。发展。 5 5. .激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸激光表面淬火、激光熔涂技术已在汽车发动机缸套、凸轮轴、石油抽油管、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到轮轴、石油抽油管、纺织用锭杆等零件的表面强化上得到应用。应用。 6. 6.化学气相沉积化学气相沉积(CVD)(CVD)可制造出高硬度、高耐磨性的金黄可制造出高
14、硬度、高耐磨性的金黄色色TiNTiN薄膜薄膜, , 用于耐磨零件和装饰件的表面处理。用于耐磨零件和装饰件的表面处理。分层实体快速成形减速分层实体快速成形减速机箱体原型机箱体原型l我国汽车工业发展迅猛，汽车材料需求迅速增加。我国汽车工业发展迅猛，汽车材料需求迅速增加。 新型汽车新型汽车电动汽车电动汽车l航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。的发展。人造卫星人造卫星运载火箭运载火箭 飞船飞船 “神舟神舟”五号飞行成功五号飞行成功 超超7隐形战斗机隐形战斗机 歼歼7E战斗机战斗机 总之，材料科学和材料工程发展很快。我们需要掌握材料科学的基本理论和
15、基本知识，研究和发明新的材料和新的工艺，合理地使用各种工程材料 。l材料与产品质量材料与产品质量 是产品质量的重要保证 l材料与机械设计材料与机械设计 正确选择材料及其加工工艺l材料与机械制造材料与机械制造 改形和改性工艺 问题问题2：l1.这门课我们要学习什么？这门课我们要学习什么？l2.这门课在专业学习中的必要性或者重要这门课在专业学习中的必要性或者重要性？性？l3.如何学习这门课？如何学习这门课？课程的性质和任务工程材料与成形技术基础是机械类、近机械类各专业学生必修的一门技术基础课。本课程的任务是: l）工程材料的性能：以力学性能为主，还要考虑物理性能、化学性能及工艺性能；2）金属学基本
16、理论：使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识；常用工程材料成分组织性能应用之间关系的一般规律3）热处理方面：掌握钢的热处理基本原理和工艺，掌握热处理各种工艺方法的目的，以便正确选用热处理工艺方法，合理安排工艺路线。 课程的性质和任务4）常用工程材料：掌握常用的工业用钢、铸铁、非铁金属及其合金的成分、组织、性能和用途；了解工程塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等常用非金属材料的分类、性能和用途，以便合理选用工程材料。 5）热加工基础：掌握铸造、锻压和焊接的特点及应用范围，掌握金属的铸造性能、锻造性能和焊接性能；能初步分析各种热加工零件的结构工艺性，具有初步选择零件毛坯的能力。6）零件材料与毛坯的选择
17、：熟悉常用工程材料的生产工艺过程，正确选择零件的材料、毛坯，并初步安排热处理在工艺过程中的位置。合理选用工程材料的初步能力。学习方法 本课程内容主要是建立在实验观察和工业实践基础之上,以实质性和规律性的描述为主,涉及面较宽。*着重理解课程内容着重理解课程内容,尽量避免死记硬背。尽量避免死记硬背。 *配配合合实实验验及及多多媒媒体体信信息息,帮帮助助和和加加深深理理解解课课程程内内容。容。 *利用网络交流信息利用网络交流信息,如查阅资料、习题等。如查阅资料、习题等。 问题问题3 3：如何应用工程材料如何应用工程材料材材料料毛毛坯坯零零件件铸造铸造锻压锻压焊接焊接粉末冶金粉末冶金切削加工切削加工型
18、材型材热处理热处理机械零件的成形过程机械零件的成形过程第二节、材料的性能第二节、材料的性能金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。l铸造性能 l可锻性能l可焊性能l切削加工性能l热处理性工艺
19、性 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能工艺性能工艺性能2.1材料的力学性能材料的力学性能材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限和断裂韧度。劳极限和断裂韧度。（一）强度的概念（一）强度的概念（二）强度的测定（二）强度的测定拉伸实验拉伸实验（三）强度指标（三）强度指标一、一、 强强 度度（一）强度的概念（一）强度的概念 1.定义定义 指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂 的能力。的能力。 载荷的类型通常分为：静载荷、动载荷和
20、载荷的类型通常分为：静载荷、动载荷和变载荷。变载荷。弹性变形：卸去载荷后，试样能恢复到原弹性变形：卸去载荷后，试样能恢复到原状的变形。状的变形。塑性变形：卸去载荷后，试样不能恢复到塑性变形：卸去载荷后，试样不能恢复到原状的变形。原状的变形。 2.应用应用强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性强度是机械零件（或工程构件）在设计、加工、使用过程中的主要性能指标，特别是选材和设计的主要依据。能指标，特别是选材和设计的主要依据。（二）强度的测定（二）强度的测定拉伸实验拉伸实验1.拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86）和拉伸试验机）和拉伸试验机2.力力伸长曲线（以低碳钢试样为例）
21、伸长曲线（以低碳钢试样为例）3.脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线1.拉伸试样（拉伸试样（GB6397-86）长试样：长试样：L0=10d0短试样：短试样：L0=5d0拉伸试验机拉伸试验机2.力力伸长曲线伸长曲线弹性变形阶段弹性变形阶段屈服阶段屈服阶段颈缩现象颈缩现象拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。强化阶段强化阶段 拉拉伸伸试试样样的的颈颈缩缩现现象象LF0 03.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的
22、拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线脆性材料的拉伸曲线（三）强度指标（三）强度指标 2.屈服点屈服点 在拉伸试验过程中，载荷在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号时的应力，用符号s s表示。表示。 1.弹性极限弹性极限 材料产生完全变形时所材料产生完全变形时所承受的最大应力值，承受的最大应力值，用符号用符号e e表示。表示。FsA0s=计算公式计算公式脆性材料（如高碳钢或经过热脆性材料（如高碳钢或经过热处理后的钢）的屈服点（规定处理后的钢）的屈服点（规定残余伸长应力）：残余伸长应力）： 试样卸除载荷后，其标距试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标
23、部分的残余伸长率达到试样标距长度的距长度的0.2%0.2%时的应力，用符时的应力，用符号号0.20.2表示。表示。F0.2A00.2=应用应用：s和和0.2常作为零件选材和设计的依据。常作为零件选材和设计的依据。3.抗拉强度抗拉强度 材料在断裂前所能承受的材料在断裂前所能承受的最大应力，用符号最大应力，用符号b b表示。表示。b=FbA0计算公式计算公式 应用：脆性材料制作机械应用：脆性材料制作机械零件和工程构件时的选材和设零件和工程构件时的选材和设计的依据。计的依据。（二）衡量指标（二）衡量指标二、二、 塑塑 性性金属材料断裂前发生永久变形的能力。金属材料断裂前发生永久变形的能力。塑性的测定
24、塑性的测定拉伸实验拉伸实验断面收缩率：断面收缩率：断后伸长率：断后伸长率： 试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比。始横截面积的百分比。（一）（一）定义定义断后断后伸长率（伸长率（ ）l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距试样的原始标距,mm。断面收缩率（断面收缩率（ ）S0-S1S0=100%S0试样原始横截面积试样原始横截面积,mm2；S1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积,mm2。三、三、 硬硬 度度
25、（一）（一）定义定义材料抵抗表面局部塑性变材料抵抗表面局部塑性变形的能力。形的能力。（二）（二）分类分类按照压力法，有布氏硬度、按照压力法，有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度等。微硬度等。(1)原理原理布氏硬度布氏硬度= F A凹凹=2FDD-（D-d ）布氏硬度布氏硬度（2）应用）应用 测量比较软的材料。测量范围测量比较软的材料。测量范围 HBS450 HBS450、HBW650HBW650的金属的金属材料。材料。l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HBSHBS表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度度值在值在450450以下的材料。以下的材料。l
26、压压头头为为硬硬质质合合金金时时，用用符符号号HBWHBW表表示示，适适用用于于布布氏氏硬硬度度在在650650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。 （3）优缺点）优缺点l布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。布氏硬度的优点：测量误差
27、小，数据稳定。l缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。l适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢, ,铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b b与与HBHB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: : b(MPa)3.6HB 对于高碳钢对于高碳钢: : b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b(MPa)1HB或或0.6(HB-40)（1）原理原理 2.洛氏硬度洛氏硬度加初载荷加初载荷加主载荷加主载荷卸除主载荷卸除主载荷读硬度值读硬度值l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符
28、号HRHR表示，表示，HR=HR=k k-(-(h h1 1- -h h0 0)/0.002)/0.002l根根据据压压头头类类型型和和主主载载荷荷不不同同，分分为为九九个个标标尺尺，常常用用的的标标尺尺为为A A、B B、C C。 h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度测试示意图洛洛氏氏硬硬度度计计（2）应用范围应用范围20671500N120金刚石金刚石圆锥体圆锥体HRC251001000N1.588mm钢球钢球HRB7085600N120金刚石金刚石圆锥体圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品效率高
29、，可直接测量成品件及高硬度件及高硬度的材料。的材料。（3）优缺点）优缺点缺点：压痕小，测量不准缺点：压痕小，测量不准确，需多次测量。确，需多次测量。3.维氏硬度维氏硬度维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度计维氏硬度计l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，后面的数表示，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。字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。l根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测定方法根据施加的载荷范围不同，规定了三种维氏硬度的测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验 、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
30、维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、软到极硬的材料的硬度，又能互相比较。既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。 四四、冲击韧度冲击韧度金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。（三）冲击试验（三）冲击试验原理及方法原理及方法（一）定义（一）定义（二）冲击试样（二）冲击试样 计算公式计算公式 A Ak k= =GHGH1 1 - GH- GH2
31、 2 =G=G（H H1 1 - H- H2 2） 试验原理：试样被试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量冲断过程中吸收的能量即冲击吸收功（即冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试样前后等于摆锤冲击试样前后的势能差。的势能差。试验过程如图所示。试验过程如图所示。冲击韧度（冲击韧度（a k）：）：冲击吸收功除以试样缺口处截面积冲击吸收功除以试样缺口处截面积。建造中的Titanic 号Titanic号钢板号钢板（左图）（左图）和近代船用钢板和近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果五、五、疲劳疲劳l材料在低于材料在低于 s的的重复交变应力作用下发生断裂的现象。重复交变应力作用下发生断裂的
32、现象。l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。用劳极限。用 -1表示。表示。l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。疲劳应力示意图疲劳应力示意图疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图疲劳断口疲劳断口通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。洁度，进行表面强化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）六、六、断裂韧性断裂韧性北极星导弹北
33、极星导弹1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式l应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。指标。断裂韧性：材料抵抗内部裂断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。纹失稳扩展的能力。 C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂纹为临界裂纹半长，单位为半长，单位为2.2材料的其他性能材料的其他性能一、物理性能物理性能1.密度和熔点密度和熔点密度密度：单位体积内材料的质量。：单位体积内材料的质量。熔点：材料的熔化温度。金属都有固定的熔点，非金熔点：材料的熔化温度。金属都有固定的熔点，非金属材料如高分子材料没有
34、固定的熔点。属材料如高分子材料没有固定的熔点。2.电学性能电学性能导电性导电性RLS电阻率：电阻率：电导率：电导率：1/超导体：超导体：0导体：导体：=10-8-10-5半导体：半导体：=10-5-107绝缘体：绝缘体：=107-10223.热学性能热学性能材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相材料的热学性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。关。热膨胀热膨胀原子（或分子）受热后平均振幅增加原子（或分子）受热后平均振幅增加（1）体积膨胀系数）体积膨胀系数（2）线膨胀系数线膨胀系数结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高
35、，则膨胀系数越小。需的能量越高，则膨胀系数越小。热传导热传导自由电子的运动和晶格振动。自由电子的运动和晶格振动。导热系数导热系数：单位温度梯度下，单位时间内通过单单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量：位垂直面积的热量：热容热容材料在温度升高材料在温度升高10C时所吸收的热量叫做热容。时所吸收的热量叫做热容。一克物质的热容也叫比热。一克物质的热容也叫比热。4.磁性磁性（1）物质接磁性分类：）物质接磁性分类：抗磁性物质抗磁性物质顺磁性物质顺磁性物质铁磁性物质铁磁性物质（2）磁化率）磁化率磁化强度磁化强度MXHX：磁化率（或磁化系数）磁化率（或磁化系数）（3）导磁率）导磁率BH（：介质导磁率）介质导磁率）（4）磁弹回线和矫顽力）磁弹回线和矫顽力二、材料的化学性能二、材料的化学性能（1）金属腐蚀的基本过程金属腐蚀的基本过程化学腐蚀、电化学腐蚀化学腐蚀、电化学腐蚀（2）防止金属腐蚀的途径）防止金属腐蚀的途径1）提高耐腐蚀性）提高耐腐蚀性2）覆盖法）覆盖法3）改善环境）改善环境4）阴极保护法）阴极保护法.耐蚀性耐蚀性.抗氧化性抗氧化性三、工艺性能三、工艺性能1、铸造性能、铸造性能2、锻造性能、锻造性能3、焊接性能、焊接性能4、切削加工性能、切削加工性能5、热处理性能、热处理性能
