常见八种金属材料及其加工工艺 1、铸铁——流动性 下水道盖子作为我们日常生活环境中不起眼的一部分，很少会有人留意它们。铸铁之所以会有如此大量而广泛的用途，主要是因为其出色的流动性，以及它易于浇注成各种复杂形态的特点。铸铁实际上是由多种元素组合的混合物的名称，它们包括碳、硅和铁。其中碳的含量越高，在浇注过程中其流动特性就越好。碳在这里以石墨和碳化铁两种形式出现。 铸铁中石墨的存在使得下水道盖子具有了优良的耐磨性能。铁锈一般只出现在最表层，所以通常都会被磨光。虽然如此，在浇注过程中也还是有专门防止生锈的措施，即在铸件表面加覆一层沥青涂层，沥青渗入铸铁表面的细孔中，从而起到防锈作用。金属加工微信，内容不错，值得关注。生产砂模浇注材料的传统工艺如今被很多设计师运用到了其他更新更有趣的领域。 材料特性：优秀的流动性、低成本、良好的耐磨性、低凝固收缩率、很脆、高压缩强度、良好的机械加工性。 典型用途：铸铁已经具有几百年的应用历史，涉及建筑、桥梁、工程部件、家居、以及厨房用具等领域。 2、不锈钢——不生锈的革命 不锈钢是在钢里融入铬、镍以及其他一些金属元素而制成的合金。其不生锈的特性就是来源于合金中铬的成分，铬在合金的表面形成了一层坚牢的、具有自我修复能力的氧化铬薄膜，这层薄膜是我们肉眼所看不见的。我们通常所提及的不锈钢和镍的比例一般是18：10。 20世纪初，不锈钢开始作为元才来噢被引入到产品设计领域中，设计师们围绕着它的坚韧和抗腐蚀特性开发出许多新产品，涉及到了很多以前从未涉足过的领域。这一系列设计尝试都是非常具有革命性的：比如，消毒后可再次使用的设备首次出现在医学产业中。 不锈钢分为四大主要类型：奥氏体、铁素体、铁素体-奥氏体(复合式)、马氏体。家居用品中使用的不锈钢基本上都是奥氏体。 材料特性：卫生保健、防腐蚀、可进行精细表面处理、刚性高、可通过各种加工工艺成型、较难进行冷加工。 典型用途：奥氏体不锈钢主要应用于家居用品、工业管道以及建筑结构中;马氏体不锈钢主要用于制作刀具和涡轮刀片;铁素体不锈钢具有防腐蚀性，主要应用在耐久使用的洗衣机以及锅炉零部件中;复合式不锈钢具有更强的防腐蚀性能，所以经常应用于侵蚀性环境。
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一 25cm长的圆杆，直径 2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成 2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图 1.27 所示一均一材料试样上的 A 点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的 Al 2O（3 E=380GPa）和 5%的玻璃相（ E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的 关系。并注出： t=0,t= ∞以及 t= τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一 Al 2O3晶体圆柱（图1.28 ），直径 3mm，受轴向拉力 F ，如临界抗剪强度τ c=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时 计算在滑移面上的法向应力。
第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为 1.75J/m 2；Si-O 的平衡原子间距为 1.6 ×10-8 cm；弹性模量值从60 到 75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ =1.56J/m 2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。
4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图 2.41所示。如果 E=380GPa，μ =0.24 ，求 KⅠc值，设极限载荷达50 ㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的 中心穿透缺陷，长 8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为 1400MPa，计算塑性区尺 寸 r 0及其与裂缝半长 c 的比值。讨论用此试件来求 KⅠc值的可能性。 6、一陶瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；②0.049mm；③ 2μ m，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 2 1.62 MPa〃m。讨论诸结果。 7、画出作用力与预期寿命之间的关系曲线。材料系ZTA陶瓷零件，温度在 2 ，慢裂纹扩展指数-40 ，Y 取π 。设保 900℃， KⅠc为 10MPa〃m N=40，常数 A=10 证实验应力取作用力的两倍。 8、按照本章图 2.28 所示透明氧化铝陶瓷的强度与气孔率的关系图，求出经验公式。 9、弯曲强度数据为： 782，784，866，884，884，890，915，922，922，927，942， 944，1012 以及 1023MPa。求两参数韦伯模量数和求三参数韦伯模量数。 第三章 1、计算室温（ 298K）及高温（ 1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和安杜龙—伯蒂规律计算的结果比较。 2、请证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变。
金属材料性能 金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料） 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，它包括力学性能、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。在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。 种类 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 （1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 （2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。 （3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。 金属材料特质 1.塑性 塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。 金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。 2.硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一
金属材料力学性能最常用的几项指标 硬度是评定金属材料力学性能最常用的指标之一。 对于金属材料的硬度，至今在国内外还没有一个包括所有试验方法的统一而明确的定义。就已经标准化的、被国内外普通采用的金属硬度试验方法而言，金属材料硬度的定义是:材料抵抗另一较硬材料压入的能力。硬度检测是评价金属力学性能最迅速、最经济、最简单的一种试验方法。硬度检测的主要目的就是测定材料的适用性，或材料为使用目的所进行的特殊硬化或软化处理的效果。对于被检测材料而言，硬度是代表着在一定压头和试验力作用下所反映出的弹性、塑性、强度、韧性及磨损抗力等多种物理量的综合性能。由于通过硬度试验可以反映金属材料在不同的化学成分、组织结构和热处理工艺条件下性能的差异，因此硬度试验广泛应用于金属性能的检验、监督热处理工艺质量和新材料的研制。金属硬度检测主要有两类试验方法。一类是静态试验方法，这类方法试验力的施加是缓慢而无冲击的。硬度的测定主要决定于压痕的深度、压痕投影面积或压痕凹印面积的大小。静态试验方法包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏、巴氏等。其中布、洛、维三种测试方法是最长用的，它们是金属硬度检测的主要测试方法。而洛氏硬度试验又是应用最多的，它被广泛用于产品的检测，据统计，目前应用中的硬度计70%是洛氏硬度计。另一类试验方法是动态试验法，这类方法试验力的施加是动态的和冲击性的。这里包括肖氏和里氏硬度试验法。动态试验法主要用于大型的及不可移动工件的硬度检测。 1.布氏硬度计原理 对直径为D的硬质合金压头施加规定的试验力，使压头压入试样表面，经规定的保持时间后，除去试验力，测量试样表面的压痕直径d，布氏硬度用试验
45—优质碳素结构钢{最常用中碳调质钢} 主要特性最常用中碳调质钢，综合力学性能良好，淬透性低，水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理，大型件宜采用正火处理。 应用举例 主要用于制造强度高的运动件，如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。（焊接件注意焊前预热，焊后消除应力退火）。 Q235A(A3钢){最常用中碳素结构钢} 主要特性具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷却性能，以及一定的强度，好的冷弯性能。 应用举例广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构。 40Cr{合金结构钢} 主要特性经调质处理后，具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性，淬透性良好，油冷时可得到较高的疲劳强度，水冷时复杂形状的零件易产生裂纹，冷弯塑性中等，回火或调质后切削加工性好，但焊接性不好，易产生裂纹，焊接前应预热100～150℃，一般在调质状态下室使用，还可以进行碳氮共参和高频表面淬火处理。
应用举例调质处理后用于制造中速，中载的零件，如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等。调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件，如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等。经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件，如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等。经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等，碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件，如轴、齿轮 等。 HT150{灰铸铁} 应用举例 齿轮箱体，机床床身，箱体，液压缸，泵体，阀体，飞轮，气缸盖，带轮，轴承盖等。 35{各种标准件、紧固件的常用材料} 主要特性强度适当，塑性较好，冷塑性高，焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低，正火或调 质后使用。 应用举例适于制造小截面零件，可承受较大载荷的零件:如曲轴、杠杆、连杆、钩环等，各种标准件、紧固 件。
常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 ．生铁： 生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性 能均有一定的影响。 碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在 于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化 铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生 铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低， 它的存在能增加生铁的铸造性能。 硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件 的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会 使生铁变硬变脆。 锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可 提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。 磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了 生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬 脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达 1.2%。硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁 化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高 的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%（车轮生铁除外）。 2．钢： 2．1元素在钢中的作用 2．1．1 常存杂质元素对钢材性能的影响 钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是 由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定 影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格 的规定。 1）硫 硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中，FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。 部分常用钢的牌号、性能和用途 1 《信息来源：无缝钢管》
常用材料性质参数 材料的性质与制造工艺、化学成份、内部缺陷、使用温度、受载历史、服役时间、试件尺寸等因素有关。本附录给出的材料性能参数只是典型范围值。用于实际工程分析或工程设计时,请咨询材料制造商或供应商。 除非特别说明,本附录给出的弹性模量、屈服强度均指拉伸时的值。 表 1 材料的弹性模量、泊松比、密度和热膨胀系数 材料名称弹性模量E GPa 泊松比V 密度 kg/m3 热膨胀系数a 1G6/C 铝合金-79 黄铜 青铜 铸铁 混凝土（压 普通增强轻质17-31 2300 2400 1100-1800
7-14 铜及其合金玻璃 镁合金镍合金( 蒙乃尔铜镍 塑料 尼龙聚乙烯 2.1-3.4 0.7-1.4 0.4 0.4 880-1100 960-1400 70-140 140-290 岩石(压 花岗岩、大理石、石英石石灰石、沙石40-100 20-70 0.2-0.3 0.2-0.3 2600-2900 2000-2900 5-9 橡胶130-200 沙、土壤、砂砾钢
高强钢不锈钢结构钢190-210 0.27-0.30 7850 10-18 14 17 12 钛合金钨木材（弯曲 杉木橡木松木11-13 11-12 11-14 480-560 640-720 560-640 1 表 2 材料的力学性能 材料名称/牌号屈服强度s CT MPa 抗拉强度b CT
MPa 伸长率 5 % 备注 铝合金LY12 35-500 274 100-550 412 1-45 19 硬铝 黄铜青铜 铸铁( 拉伸HT150 HT250 120-290 69-480 150 250 0-1 铸铁( 压缩混凝土(压缩铜及其合金 玻璃
金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。（注：金 属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料） 1.意义 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后 出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。 2.种类 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 （1）黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 （2）有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬 度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。 （3）特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及 金属基复合材料等。 3.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 包括力学性能、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。在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和 非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷 的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力学性能（过去也称为 机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载 荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求 的力学性能也将不同。常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、 多次冲击抗力和疲劳极限等。 金属材料特质
材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。
电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。
《材料结构与性能》课程论文 刚玉-尖晶石浇注料微结构参数控制及其强度、热震稳定性和抗渣性能研究 学生姓名：周文英 学生学号：201502703043 撰写日期：2015年11月
摘要 本文通过使用环境对耐火材料的要求，耐火材料与结构参数的分析，耐火材 料结构控制措施进展分析等方面总结了耐火材料的使用现状，并提出了下一步耐 火材料的改进措施。分别是：在基质中加入一定量的硅微粉，改变液相的粘度， 提高抗渣性；控制铝镁浇注料基质的粒径分布，使大颗粒含量一定保证其高温强度；使用球形轻骨料代替原来的致密骨料，提高气孔率，降低体积密度，提高能 源利用率，降低能耗。 关键词：铝镁浇注料；高温强度；抗渣性；热震稳定性 Abstract Requirements of the apply for fire resistance, analysis of refractory materials and structure parameters, current application and the promotion about the refractory are introduced in this paper. It included that: add some sillicon power into matrix in order to improve the viscosity of the liquid for abtaining better slag resistance; control the distribution of the particle in the matrix to ensure the high temperature strength; use spherical light aggregate instead of the original density aggregate to improve porosity and the rate of energy. Keywords:Alumina-Magnesia castable; high temperature strength; slag resistance; themal shock resistance.
1、简述构成复合材料的元素及其作用 复合材料由两种以上组分以及他们之间的界面组成。即构成复合材料的元素包括基体相、增强相、界面相。 基体相作用：具有支撑和保护增强相的作用。在复合材料受外加载荷时，基体相一剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用，提高塑性变 形能力。 增强和作用：能够强化基体和的材料称为增强体，增强体在复合材料中是分散相, 在复合材料承受外加载荷时增强相主要起到承载载荷的作用。 界面相作用：界面相是使基体相和增强相彼此相连的过渡层。界面相具有一定厚度，在化学成分和力学性质上与基体相和增强相有明显区别。在复 合材料受外加载荷时能够起到传递载荷的作用。 2、简述复合材料的基本特点 (1)复合材料的性能具有可设计性 材料性能的可设计性是指通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。显然，复合材料中包含了诸多影响最终性能、可调节的因素，赋予了复合材料的性能可设计性以极大的自由度。 ⑵ 材料与构件制造的一致性 制造复合材料与制造构件往往是同步的，即复合材料与复合材料构架同时成型，在采用某种方法把增强体掺入基体成型复合材料的同时?，通常也就形成了复合材料的构件。 (3)叠加效应 叠加效应指的是依靠增强体与基体性能的登加，使复合材料获得一?种新的、独特而又优于个单元组分的性能，以实现预期的性能指标。 (4)复合材料的不足 复合材料的增强体和基体可供选择地范围有限；制备工艺复杂，性能存在波动、离散性；复合材料制品成本较高。
3、说明增强体在结构复合材料中的作用能够强化基体的材料称为增强体。增强体在复合材料中是分散相。复合材料中的增强体，按几何形状可分为颗 粒状、纤维状、薄片状和由纤维编制的三维立体结构。喑属性可分为有机增强体 和无机增强体。复合材料中最主要的增强体是纤维状的。对于结构复合材料，纤 维的主要作用是承载，纤维承受载荷的比例远大于基体；对于多功能复合材料， 纤维的主要作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀和抗震等其中一种或多种， 同时为材料提供基本的结构性能；对于结构陶瓷复合材料，纤维的主要作用是增 加韧性。 4、说明纤维增强复合材料为何有最小纤维含量和最大纤维含量 在复合材料中，纤维体积含量是一个很重要的参数。纤维强度高，基体韧性好，若加入少量纤维，不仅起不到强化作用反而弱化，因为纤维在基体内相当于裂纹。所以存在最小纤维含量，即临界纤维含量。若纤维含量小于临界纤维量，则在受外载荷作用时，纤维首先断裂，同时基体会承受载荷，产生较大变形，是否断裂取决于基体强度。纤维量增加，强度下降。当纤维量大于临界纤维量时，纤维主要承受载荷。纤维量增加强度增加。总之，含量过低，不能充分发挥复合材料中增强材料的作用；含量过高，由于纤维和基体间不能形成一定厚度的界面过渡层, 无法承担基体对纤维的力传递，也不利于复合材料抗拉强度的提高。 5、如何设才计复合材料 材料设计是指根据对?材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数，来改变复合材料的性能，特别是是器有各向异性，从而适应在不同位置、不同方位和不同环境条件下的使用要求。复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度，从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。复合材料制品的设计与研制步骤可以归纳如下： 1）通过论证明确对于材料的使用性能要求，确定设计目标 2）选择材料体系（增强体、基体） 3）确定组分比例、几何形态及增强体的配置 4）确定制备工艺方法及工艺参数
《金属材料基础知识》 第一部分金属材料及热处理基本知识 一，材料性能：通常所指的金属材料性能包括两个方面： 1，使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能够正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）。使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和寿命。 2，工艺性能即材料被制造成为零件、设备、结构件的过程中适应的各种冷、热加工的性能，如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方面的性能。 工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。 二，材料力学基本知识 金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至于断裂。材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。 承压类特种设备材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等。这些指标可以通过力学性能试验测定。 1，强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。材料强度指标可以通过拉伸试验测出。抗拉强度σb和屈服强度σs是评价材料强度性能的两个主要指标。一般金属材料构件都是在弹性状态下工作的。是不允许发生塑性变形，所以机械设计中一般采用屈服强度σs作为强度指标，并加安全系数。2，塑性材料在载荷作用下断裂前发生不可逆永久变形的能力。评定材料塑性的指标通常用伸长率和断面收缩率。 伸长率δ=[（L1—L0）/L0]100% L0---试件原来的长度L1---试件拉断后的长度 断面收缩率φ=[（A1—A0）/A0]100% A0----试件原来的截面积A1---试件拉断后颈缩处的截面积 断面收缩率不受试件标距长度的影响，因此能够更可靠的反映材料的塑性。 对必须承受 强烈变形的材料，塑性优良的材料冷压成型的性能好。 3，硬度金属的硬度是材料抵抗局部塑性变形或表面损伤的能力。硬度与强度有一定的关系，一般情况下，硬度较高的材料其强度也较高，所以可以通过测试硬度来估算材料强度。另外，硬度较高的材料耐磨性也较好。 工程中常用的硬度测试方法有以下四种 （1）布氏硬度HB （2）洛氏硬度HRc（3）维氏硬度HV （4）里氏硬度HL 4，冲击韧性指材料在外加冲击载荷作用下断裂时消耗的能量大小的特性。 材料的冲击韧性通常是在摆锤式冲击试验机是测定的，摆锤冲断试样所作的功称为冲击吸收功。以Ak表示，Sn为断口处的截面积，则冲击韧性ak=Ak/Sn。 在承压类特种设备材料的冲击试验中应用较多。 三金属学与热处理的基本知识 1，金属的晶体结构--物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部原子呈现规则排列的物质称为晶体，凡内部原子呈现不规则排列的物质称为非晶体，所有固态金属都是晶体。 晶体内部原子的排列方式称为晶体结构。常见的晶体结构有：
它们都是含碳量比较低的优质碳素结构钢。它们不同的主要是两方面，一是含碳量不同；而是机械性能不同。 从化学成分上来看，是含碳量不同，10#钢平均含碳量为万分之10，20#钢平均含碳量为万分之20。 由于含碳量的不同就导致了它们的机械性能的不同。碳素结构钢随着含碳量的增加，强度硬度都相应提高，塑性纫性相应降低。10#、20#属于低碳钢，强度硬度不高，塑性纫性都很好。它们之间比较来说，10#钢的强度和硬度比20#钢要低；10#钢的塑性和纫性比20#钢要好，也是说要软些。 我国钢号表示方法的分类说明 1．碳素结构钢 ①由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235表示屈服点（σs）为235 MPa的碳素结构钢。 ②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。 ③专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。 2．优质碳素结构钢 ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。 ②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。 ③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。 3．碳素工具钢 ①钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。 ②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。 ③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。 ④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。 4．易切削钢 ①钢号冠以“Y”，以区别于优质碳素结构钢。 ②字母“Y”后的数字表示碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.3%的易切削钢，其钢号为“Y30”。 ③锰含量较高者，亦在钢号后标出“Mn”，例如“Y40Mn”。 5．合金结构钢 ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如40Cr。 ②钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4……等。例如18Cr2Ni4WA。 ③钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。 ④高级优质钢应在钢号最后加“A”，以区别于一般优质钢。 ⑤专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，
1、离子键及其形成的离子晶体陶瓷材料的特征。 答：当一个原子放出最外层的一个或几个电子成为正离子，而另一个原子接受这些电子而成为负离子，结果正负离子由于库仑力的作用而相互靠近。靠近到一定程度时两闭合壳层的电子云因发生重叠而产生斥力。这种斥力与吸引力达到平衡的时候就形成了离子键。此时原子的电中性得到维持，每一个原子都达到稳定的满壳层的电子结构，其总能量达到最低，系统处于最稳定状态。因此，离子键是由正负离子间的库仑引力构成。由离子键构成的晶体称为离子晶体。离子晶体一般由电离能较小的金属原子和电子亲和力较大的非金属原子构成。离子晶体的结构与特性由离子尺寸、离子间堆积方式、配位数及离子的极化等因素有关。 离子键、离子晶体及由具有离子键结构的陶瓷的特性有： A、离子晶体具有较高的配位数，在离子尺寸因素合适的条件下可形成最密排的结构； B、离子键没有方向性 C、离子键结合强度随电荷的增加而增大，且熔点升高，离子键型陶瓷高强度、高硬度、高熔点； D、离子晶体中很难产生自由运动的电子，低温下的电导率低，绝缘性能优良； E、在熔融状态或液态，阳离子、阴离子在电场的作用下可以运动，故高温下具有良好的离子导电性。 F、吸收红外波、透过可见波长的光，即可制得透明陶瓷。 2、共价键及其形成的陶瓷材料具有的特征。 答：当两个或多个原子共享其公有电子，各自达到稳定的、满壳层的状态时就形成共价键。由于共价电子的共享，原子形成共价键的数目就受到了电子结构的限制，因此共价键具有饱和性。由于共价键的方向性，使共价晶体不密堆排列。这对陶瓷的性能有很大影响，特别是密度和热膨胀性，典型的共价键陶瓷的热膨胀系数相当低，由于个别原子的热膨胀量被结构中的自由空间消化掉了。 共价键及共价晶体具有以下特点： A、共价键具有高的方向性和饱和性； B、共价键为非密排结构； C、典型的共价键晶体具有高强度、高硬度、高熔点的特性。 D、具有较低的热膨胀系数； E、共价键由具有相似电负性的原子所形成。 3、层状结构材料的各向异性。 答：层状结构中范德华力起着重要的作用，陶瓷的层状结构间有较强的若键存在使得层与层之间连接在一起。蒙脱石和石墨的结构层内键合类型不同于层间键合类型，因此材料显示出较高的各向异性。所有的这些层状结构的层与层之间很容易滑移，粘土矿物中的这种层状结构使它在有水的情况下容易发生塑性变形。 4、影响陶瓷材料密度的因素。 答：密度是指单位体积的质量，陶瓷材料的密度有四种表示方式，分别是：结晶学密度、理论密度、体积密度、相对密度。前三种在制作过程中没有形成气孔，在结构内的原子间只有间隙。陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸，元素的质量和结构堆积的紧密程度。相对原子质量大的元素构成的陶瓷材料显示出较高的密度，如碳化钨、氧化铪等。金属键合和离子键合陶瓷中的原子形成紧密堆积，会使其密度比共价键键合陶瓷（较开放的结构）的密度更奥一些，如锆石英。 5、硬度所反映的材料的能力；静载荷压入法测定硬度的原理。
《工程材料力学性能》课后答案 机械工业出版社 2008第2版 第一章 单向静拉伸力学性能 1、 试述退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸力-伸长曲线图上的区别？为什么？ 2、 决定金属屈服强度的因素有哪些？【P12】 答：内在因素：金属本性及晶格类型、晶粒大小和亚结构、溶质元素、第二相。 外在因素：温度、应变速率和应力状态。 3、 试述韧性断裂与脆性断裂的区别。为什么脆性断裂最危险？【P21】 答：韧性断裂是金属材料断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，这种断裂有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断地消耗能量；而脆性断裂是突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。 4、 剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？【P23】 答：剪切断裂是在切应力作用下沿滑移面分离而造成的滑移面分离，一般是韧性断裂，而解理断裂是在正应力作用以极快的速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，解理断裂通常是脆性断裂。 5、 何谓拉伸断口三要素？影响宏观拉伸断口性态的因素有哪些？ 答：宏观断口呈杯锥形，由纤维区、放射区和剪切唇三个区域组成，即所谓的断口特征三要素。上述断口三区域的形态、大小和相对位置，因试样形状、尺寸和金属材料的性能以及试验温度、加载速率和受力状态不同而变化。 6、 论述格雷菲斯裂纹理论分析问题的思路，推导格雷菲斯方程，并指出该理论的局限性。 【P32】 答： 212?? ? ??=a E s c πγσ，只适用于脆性固体,也就是只适用于那些裂纹尖端塑性变形可以忽略的情况。 第二章 金属在其他静载荷下的力学性能 一、解释下列名词： （1）应力状态软性系数—— 材料或工件所承受的最大切应力τmax 和最大正应力σmax 比值，即： () 32131max max 5.02σσσσσστα+--== 【新书P39 旧书P46】 （2）缺口效应—— 绝大多数机件的横截面都不是均匀而无变化的光滑体，往往存在截面的急剧变化，如键槽、油孔、轴肩、螺纹、退刀槽及焊缝等，这种截面变化的部分可视为“缺口”，由于缺口的存在，在载荷作用下缺口截面上的应力状态将发生变化，产生所谓的缺口效应。【P44 P53】 （3）缺口敏感度——缺口试样的抗拉强度σbn 的与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb 的比值，称为缺口敏感度，即： 【P47 P55 】 （4）布氏硬度——用钢球或硬质合金球作为压头，采用单位面积所承受的试验力计算而得的硬度。【P49 P58】 （5）洛氏硬度——采用金刚石圆锥体或小淬火钢球作压头，以测量压痕深度所表示的硬度【P51 P60】。 （6）维氏硬度——以两相对面夹角为136。的金刚石四棱锥作压头，采用单位面积所承
金属材料性能 为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。 材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。 材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。 （一）、机械性能 机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。 1 、强度：材料在外力（载荷）作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。 2 、屈服点（бs ）：称屈服强度，指材料在拉抻过程中，材料所受应力达到某一临界值时，载荷不再增加变形却继续增加或产生 0.2%L 。时应力值，单位用牛顿 / 毫米 2 （ N/mm2 ）表示。 3 、抗拉强度（бb ）也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿 / 毫米 2 （ N/mm2 ）表示。 4 、延伸率（δ）：材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。 5 、断面收缩率（Ψ）材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。 6 、硬度：指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力，常用硬度按其范围测定分布氏硬度（ HBS 、 HBW ）和洛氏硬度（ HKA 、 HKB 、 HRC ） 7 、冲击韧性（ Ak ）：材料抵抗冲击载荷的能力，单位为焦耳 / 厘米 2 （ J/cm2 ） . （二）、工艺性能 指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。 8 、铸造性能：指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能，主要包括流性能、充满铸模能力；收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力；偏析指化学成分不均性。 9 、焊接性能：指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法，把两个或两个以上金属材料焊接到一起，接口处能满足使用目的的特性。 10 、顶气段性能：指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。 11 、冷弯性能：指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α（外角）或弯心直径 d 对材料厚度 a 的比值表示， a 愈大或 d/a 愈小，则材料的冷弯性愈好。 12 、冲压性能：金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。 13 、锻造性能：金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。（三）、化学性能 指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。 14 、耐腐蚀性：指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 15 、抗氧化性：指金属材料在高温下，抵抗产生氧化皮能力。 >> 返回
1.材料的结构层次有哪些，分别在什么尺度，用什么仪器进行分析？ 现在,人们通过大量的科学研究和工程实践,已经充分认识到物质结构的尺度和层次是有决定性意义的。 在不同的尺度下,主要的,或者说起决定性的问题现象和机理都有很大的差异,因此需要我们用不同的思路和方法去研究解决这些问题。更值得注意的是空间尺度与时间尺度还紧密相关,不同空间尺度下事件发生及进行的时间尺度也很不相同。一般地讲,空间尺度越大的,则描述事件的时间尺度也应越长。不同的学科关注不同尺度的时空中发生的事件。现代科学则按人眼能否直接观察到,且是否涉及分子、原子、电子等的内部结构或机制,而将世界粗略地划分为宏观(Macro-scopic)世界和微观(Microscopic)世界。之后,又有人将可以用光学显微镜观察到的尺度范围单独分出,特别地称作/显微结构(世界)。随着近年来材料科学的迅速发展,材料科学家中有人将微观世界作了更细致地划分。而研究基本粒子的物理学家可能还会把尺度向更小的方向收缩,并给出另外的命名。对于宏观世界,根据尺度的不同,或许还可以细分为/宇宙尺度/太阳系尺度/地球尺度和/工程及人体尺度等。人类的研究尺度已小至基本粒子,大至全宇宙。但到目前为止,关于/世界的认识还在不断深化,因而对其划分也就还处于变动之中。即使是按以上的层次划分,其各界之间的边界也比较模糊,有许多现象会在几个尺度层次中发生。 在材料科学与工程领域中,对于材料结构层次的划分尚不统一,可以列举出许多种划分方法,例如:有的材料设计科学家按研究对象的空间尺度划分为三个 层次: (1)工程设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。 (2)连续模型尺度:典型尺度在1Lm量级,这时材料被看作连续介质,不考虑其中单个原子、分子的行为。 (3)微观设计层次:空间尺度在1nm量级,是原子、分子层次的设计。 国外有的计算材料学家,按空间和时间尺度划分四个层次〔1〕,即 (1)宏观 这是人类日常活动的主要范围,即人通过自身的体力,或借助于器械、机械等所能通达的时空。人的衣食住行,生产、生活无不在此尺度范围内进行。其空间尺度大致在0.1mm(目力能辨力最小尺寸)至数万公里人力跋涉之最远距离),时间尺度则大致在0.01秒(短跑时人所能分辨的速度最小差异)至100年(人的寿命差不多都在百年以内)。现今风行的人体工程学就是以人体尺度1m上下为主要参照的。 (2)介观 介观的由来是说它介于/宏观与/微观之间。其尺度主要在毫米量级。用普通光学显微镜就可以观察。在材料学中其代表物是晶粒,也就是说需要注意微结构了,如织构,成分偏析,晶界效应,孔中的吸附、逾渗、催化等问题都已开始显现。现在,介观尺度范围的研究成果在材料工程领域,如耐火材料工业、冶金工业等行业中有许多直接而成功的应用。 (3)微观 其尺度主要在微米量级,也就是前面所说/显微结构(世界)0。多年以来借助于光学显微镜、电子显微镜、X)衍射分析、电子探针等技术对于晶态、非晶态材料在这一尺度范围的行为表现有较多的研究,许多方法已成为材料学的常规手段。在材料学中,这一尺度的代表物有晶须、雏晶、分相时产生的液滴等。 (4)纳观 其尺度范围在纳米至微米量级,即10-6~10-9m,大致相当于几十个至几百个原子集合体的尺寸。在这一尺度范围已经显现出量子性,已经不再能将研究对象作为/连续体0,不能再简单地