第1章工程材料的主要性能
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工程材料的性能
布氏硬度操作
(3)表示方法 表示方法 例如： 例如： 120HBS10/1000/30 （4）特点： ）特点： (5)适用范围：铸铁、 适用范围：铸铁、 适用范围 铸钢、 铸钢、非铁金属材 料及热 处理后钢材 毛坯或半成品. 毛坯或半成品
2.洛氏硬度(HR) 2.洛氏硬度(HR) 洛氏硬度 (1)测试原理 测试原理： (1)测试原理： (2)表示方法 表示方法： (2)表示方法： 硬度标尺：HRA、 硬度标尺：HRA、 HRB、 HRB、HRC C标尺最常用 特点： （3）特点： (4)适用范围 适用范围： (4)适用范围： 在批量的成品或半 成品质量检验中广泛 使用. 使用.
KⅠ≥KⅠc时 裂纹就会扩展而导致低应力脆断， 当 KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断，此 式称为K判据。 式称为K判据。
K 2 ac = 1C ） （ Yσ
Y a
1.3 材料在动载荷作用下的力 学性能
动载荷是指突加的、冲击性的， 动载荷是指突加的、冲击性的，大小和方向随 时间而变化的载荷。 时间而变化的载荷。 材料在动载荷作用下的力学 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。 性能，包括冲击韧度和疲劳强度。
屈服点σ 和屈服强度σ (3) 屈服点σs和屈服强度σ0.2 抗拉强度σ (4) 抗拉强度σb
(5) 塑性 断后伸长率δ 1）断后伸长率δ 100% ［（L δ＝［（L1-L0）/L0］×100% 注意： 注意： δ和δ5的区别
2）断面收缩率ψ 断面收缩率ψ ψ＝［(S0－S1)/S0］×100% 100%
1.布氏硬度（HB） 1.布氏硬度（HB） 布氏硬度 (1)测试原理 用一直径为D 测试原理： (1)测试原理：用一直径为D的 钢球或硬质合金球， 钢球或硬质合金球，以相应的试验 力压入试样表面，保持一定时间后， 力压入试样表面，保持一定时间后， 卸除试验力， 卸除试验力，在试样表面得到一直 径为d的压痕， 径为d的压痕，用试验力除以压痕 表面积所得的值即为布氏硬度值， 表面积所得的值即为布氏硬度值， HB表示 表示。 用HB表示。 计算公式： 计算公式：
第一章工程材料的分类及性能
材料。
2.本课程与相关课程的关系：
本课程应安排在金属工艺学实习及 应用力学课程之后进行,即学生应具 有材料的机械性能和金属加工工艺 方面的基本知识。为后续课程和毕 业设计等打好选择材料和使用材料 的基础。
3.课程的基本教学要求 ：
重点阐述工程材料的性能与其组织结构 之间的联系;
说明如何通过工艺手段改变材料的组织 结构,以达到提高材料性能的目的;
2.强度
σ s：屈服强度（开始产生塑性变形的应力） 。 σ b：抗拉强度（材料在拉伸过程中承受的最
大工程应力）。 σ k：断裂强度（材料发生断裂时的应力）。
σ p、 σ e、 σ s、 σ b、 σ k的单位：Mpa （与应力的相同）
Байду номын сангаас
3.塑性
伸长率δ：试样拉断后标距的相对伸长量：
GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算 值（摘录）
5.疲劳强度
材料在无数次的交变载荷的作用下不发 生疲劳断裂的最大应力（钢经受107循环 不发生断裂的最大应力）；
弯曲疲劳强度的表示：σ-1； 疲劳强度σ-1与抗拉强度之比约为
0.45~0.55。
重复循环变化的载荷：
疲劳曲线：
6.韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 称为冲击韧性，简称韧性。
材料抵抗裂纹失稳扩展的性能称为断裂 韧性。
材料的韧性是材料断裂时所需的能量。
（1）冲击韧性：
标准冲击试样：
冲击功与冲击韧性计算公式：
•冲击功：
AkG (H 1H2)
•冲击韧性：
ak
Ak S
韧脆转变温度TK：
三、材料的化学性能
耐腐蚀性； 高温抗氧化性； 抗老化性能； 降解性。
2.本课程与相关课程的关系：
本课程应安排在金属工艺学实习及 应用力学课程之后进行,即学生应具 有材料的机械性能和金属加工工艺 方面的基本知识。为后续课程和毕 业设计等打好选择材料和使用材料 的基础。
3.课程的基本教学要求 ：
重点阐述工程材料的性能与其组织结构 之间的联系;
说明如何通过工艺手段改变材料的组织 结构,以达到提高材料性能的目的;
2.强度
σ s：屈服强度（开始产生塑性变形的应力） 。 σ b：抗拉强度（材料在拉伸过程中承受的最
大工程应力）。 σ k：断裂强度（材料发生断裂时的应力）。
σ p、 σ e、 σ s、 σ b、 σ k的单位：Mpa （与应力的相同）
Байду номын сангаас
3.塑性
伸长率δ：试样拉断后标距的相对伸长量：
GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算 值（摘录）
5.疲劳强度
材料在无数次的交变载荷的作用下不发 生疲劳断裂的最大应力（钢经受107循环 不发生断裂的最大应力）；
弯曲疲劳强度的表示：σ-1； 疲劳强度σ-1与抗拉强度之比约为
0.45~0.55。
重复循环变化的载荷：
疲劳曲线：
6.韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 称为冲击韧性，简称韧性。
材料抵抗裂纹失稳扩展的性能称为断裂 韧性。
材料的韧性是材料断裂时所需的能量。
（1）冲击韧性：
标准冲击试样：
冲击功与冲击韧性计算公式：
•冲击功：
AkG (H 1H2)
•冲击韧性：
ak
Ak S
韧脆转变温度TK：
三、材料的化学性能
耐腐蚀性； 高温抗氧化性； 抗老化性能； 降解性。
工程材料的分类与性能
400～ 1455 500 23 35～ 0.59 40 60～ 70 80
Fe 7.86
250～ 1539 330 16 25～ 0.84 55 70～ 85 65
Ti 4.51
250～ 1660 300 3 50～ 0.17 70 76～ 88 100
Pb 11.34
18 327 7 45 — 90 4
钢材硬度换算
HRC≈2HRA-104 （HRC=20~60） HB≈10HRC （HRC=20~60）
HB≈2HRB
钢材强度、硬度换算 σb≈3.4HB （HB=125~175） σb≈3.6HB （HB＞175）
四、冲击韧度
是指材料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。
指标为冲击韧
性值a k(通过冲
金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，如调 质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕
小，适用范围广。
缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度用符号HV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。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、
aC
第三节 工程材料的其他性能
物理性能 —— 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。
一些金属的物理性能及机械性能
元素符号 Al Al 2.70 80～ 660 110 60 32～ 2.09 40 70～ 90 20 Cu Mg Ni Fe Ti Pb Sn
元素符号 密度，kg/m3×103
说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数
Fe 7.86
250～ 1539 330 16 25～ 0.84 55 70～ 85 65
Ti 4.51
250～ 1660 300 3 50～ 0.17 70 76～ 88 100
Pb 11.34
18 327 7 45 — 90 4
钢材硬度换算
HRC≈2HRA-104 （HRC=20~60） HB≈10HRC （HRC=20~60）
HB≈2HRB
钢材强度、硬度换算 σb≈3.4HB （HB=125~175） σb≈3.6HB （HB＞175）
四、冲击韧度
是指材料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。
指标为冲击韧
性值a k(通过冲
金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，如调 质钢、淬火钢等。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕
小，适用范围广。
缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
维氏硬度用符号HV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。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、
aC
第三节 工程材料的其他性能
物理性能 —— 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。
一些金属的物理性能及机械性能
元素符号 Al Al 2.70 80～ 660 110 60 32～ 2.09 40 70～ 90 20 Cu Mg Ni Fe Ti Pb Sn
元素符号 密度，kg/m3×103
说明： ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。 ② 直径d0 相同时，l0，。只有当l0/d0 为常数
工程材料第一章 工程材料简介
图1-9 可锻铸铁的显微组织结构
第二节 金属材料及钢的热处理
(4)可锻铸铁 可锻铸铁是预先浇铸成白口铸铁，再经长时 间石墨化退火完成的。 5.有色金属材料 (1)铜及铜合金 根据所含合金元素的不同，可以分为纯铜、 黄铜、青铜和白铜等。 1)纯铜。 2)加工黄铜，铜和锌的合金称为黄铜，随着含锌量增加， 颜色逐渐变为淡黄。 3)加工青铜。 4)加工白铜。
图1-13 杆件受拉时的计算简图
第四节 构件受力变形及强度条件
(2) 拉伸与压缩时的强度条件 要保证构件工作时不被破 坏，必须使工作应力小于材料的极限应力。 2.剪切
第四节 构件受力变形及强度条件
图1-14 剪切作用的特点
表1-1 洛氏硬度试验原理及应用范围
第一节 工程材料的分类及性质
图1-4 冲击强度试验原理 a)试样安装 b)冲击试验机 1、8—支座 2—冲击点 3、7—试样 4—刻度盘
5—指针 6—摆锤
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
图1-5 钢铁材料的疲劳曲线
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
4.复合材料 二、工程材料的性质
工程材料的性质主要有强度、塑性、硬度、冲击强度 和疲劳强度等。 1.强度
图1-1 拉伸试样
第一节 工程材料的分类及性质
2.塑性 (1) 断后伸长率
第一节 工程材料的分类及性质
图1-2 低碳钢的应力应变曲线
第一节 工程材料的分类及性质
5.疲劳强度
第二节 金属材料及钢的热处理
一、常用金属材料 常用的金属材料有钢、铸铁和有色金属等。 1.钢的分类、牌号和应用 2.碳素钢
图1-6 碳元素对力学性能的影响
第二节 金属材料及钢的热处理
第二节 金属材料及钢的热处理
(4)可锻铸铁 可锻铸铁是预先浇铸成白口铸铁，再经长时 间石墨化退火完成的。 5.有色金属材料 (1)铜及铜合金 根据所含合金元素的不同，可以分为纯铜、 黄铜、青铜和白铜等。 1)纯铜。 2)加工黄铜，铜和锌的合金称为黄铜，随着含锌量增加， 颜色逐渐变为淡黄。 3)加工青铜。 4)加工白铜。
图1-13 杆件受拉时的计算简图
第四节 构件受力变形及强度条件
(2) 拉伸与压缩时的强度条件 要保证构件工作时不被破 坏，必须使工作应力小于材料的极限应力。 2.剪切
第四节 构件受力变形及强度条件
图1-14 剪切作用的特点
表1-1 洛氏硬度试验原理及应用范围
第一节 工程材料的分类及性质
图1-4 冲击强度试验原理 a)试样安装 b)冲击试验机 1、8—支座 2—冲击点 3、7—试样 4—刻度盘
5—指针 6—摆锤
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
图1-5 钢铁材料的疲劳曲线
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
4.复合材料 二、工程材料的性质
工程材料的性质主要有强度、塑性、硬度、冲击强度 和疲劳强度等。 1.强度
图1-1 拉伸试样
第一节 工程材料的分类及性质
2.塑性 (1) 断后伸长率
第一节 工程材料的分类及性质
图1-2 低碳钢的应力应变曲线
第一节 工程材料的分类及性质
5.疲劳强度
第二节 金属材料及钢的热处理
一、常用金属材料 常用的金属材料有钢、铸铁和有色金属等。 1.钢的分类、牌号和应用 2.碳素钢
图1-6 碳元素对力学性能的影响
第二节 金属材料及钢的热处理
第1章 工程 材料的种类和力学性能
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同 ，可分为两大类，即普通陶瓷 和特种陶瓷。
根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制品 可分为陶器和瓷器。
陶瓷制品
陶瓷发动机
• 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。
材料的强度、塑性指标是通过拉伸实验 测定的。
应力 σ=F/S0
σ (N /m2) ；
F —作用力，(N) S0—试样原始截面 积(m2)。
剪应力τ＝F/SO
材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以
σ表示。
应变ε(%) ⊿L—试样标距部分伸长量，(mm)；
L0 —试样标距部分长度(mm)。ε=⊿L/L0
根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、 生物玻璃、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 之三：水泥
水泥是指加入适量水 后可成塑性浆体，既能在 空气中硬化又能在水中硬 化，并能够将砂、石等材 料牢固地胶结在一起的细 粉状水硬性材料。
水泥的种类很多，按其用途和性能可分为： 通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所 含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥 、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 前水泥品种已达一百多种。
l lO
ll lO
lO lO
l
100lO% lO
100%
剪应变 γ 剪模量 G
a h
tan
且有 G
• 弹性变形 形①的弹外性力变撤形除：后当，产变生形变随σ 即消失。
第一章工程材料的力学性能
表示方式：600HBW1/30/20 350HBW5/750
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
建筑材料 第一章 建筑材料的基本性质
解： 孔隙率
P V0 V 100% V0
1
0
100%
ρ0=m/V0=2420/(24×11.5×5.3)=1.65g/cm3
ρ=m/V=50/19.2=2.60g/cm3
P
1
1.65 2.6
100%
36.5%
§1.2 材料的力学性质
一、材料的强度
材料在外力作用下抵抗破坏的能力称为材料 的强度，以材料受外力破坏时单位面积上所承受 的外力表示。材料在建筑物上所承受的外力主要 有拉力、压力、剪力和弯力，材料抵抗这些外力 破坏的能力，分别称为抗拉、抗压、抗剪和抗弯 强度。
§1.3 材料与水有关的性质
建筑物中的材料在使用过程中经常会直接或 间接与水接触，如水坝、桥墩、屋顶等，为防 止建筑物受到水的侵蚀而影响使用性能，有必 要研究材料与水接触后的有关性质。
§1.3 材料与水有关的性质
（一）材料的亲水性与憎水性 材料容易被水润湿的性质称为亲水性。具有
这种性质的材料称为亲水性材料，如砖、石、 木材、混凝土等。
§1.2 材料的力学性质
课堂练习： 3、已知甲材料在绝对密实状态下的体积为40cm3，
在自然状态下体积为160 cm3；乙材料的密实度为 80％，求甲、乙两材料的孔隙率，并判断哪种材料 较宜做保温材料？
解：（1）甲材料的孔隙率
P甲＝（V0-V）/V0×100％＝（160－40）/160×100％ ＝75％
§1.1 材料的基本物理性质
（一）密度 钢材、玻璃等少数密实材料可根据外形尺
寸求得体积。
大多数有孔隙的材料，在测 定材料的密度时，应把材料磨成 细粉，干燥后用李氏瓶测定其体 积（排液法）。材料磨的越细， 测得的密度数值就越精确。砖、 石等材料的密度即用此法测得。
工程材料及其性能指标
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1.2 材料的力学性能
• (2)试验条件及应用根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用 的表示方式有HRA , HRB , HRC三种，见表1 -2，其中以HRC应用最 广，如洛氏硬度表示为62 HRC表示用金刚石圆锥压头，总载荷为1 471 N测得的洛氏硬度值
• (2)优缺点洛氏硬度测定设备简单，操作迅速方便，可用来测定各种 金属材料的硬度。测定仅产生很小的压痕，并不损坏零件，因而适合 于成品检验，但测一点无代表性，不准确，需多点测量，然后取平均 值
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1.2 材料的力学性能
• 2.内力与内应力 • 材料受外力作用时，为保持自身形状尺寸不变，在材料内部作用着
与外力相对抗的力，称为内力。内力的大小与外力相等，方向则与外 力相反，和外力保持平衡。单位面积上的内力称为应力。 • 3.载荷下的变形 • (1)弹性变形材料在载荷作用下发生变形，而当载荷卸除后，变形也 完全消失。这种随载荷的卸除而消失的变形称为弹性变形。 • (2)塑性变形当作用在材料上的载荷超过某一限度，此时若卸除载荷， 大部分变形随之消失(弹性变形部分)，但还留下了不能消失的部分变 形，称为塑性变形，也称永久变形。 • 4.常用的力学性能指标 • 金属材料的力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗变 形和断裂的能力。常用的力学性能指标有:强度、塑性、硬度、韧性 及疲劳强度等，另外还有粘弹性指标，它们是衡量材料性能和决定材 料应用范围的重要指标。
• 式中 бb—抗拉强度，MPa ;
•
Fb—试样在断裂前所受的最大外力，N;
• S0—试样原始截面积，mm2
• бs/бb的值称为屈强比。屈强比越小，工程构件的可靠性越高，也就
是万一超载也不致于马上断裂。但屈强比小，材料强度有效利用率也
1.2 材料的力学性能
• (2)试验条件及应用根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用 的表示方式有HRA , HRB , HRC三种，见表1 -2，其中以HRC应用最 广，如洛氏硬度表示为62 HRC表示用金刚石圆锥压头，总载荷为1 471 N测得的洛氏硬度值
• (2)优缺点洛氏硬度测定设备简单，操作迅速方便，可用来测定各种 金属材料的硬度。测定仅产生很小的压痕，并不损坏零件，因而适合 于成品检验，但测一点无代表性，不准确，需多点测量，然后取平均 值
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1.2 材料的力学性能
• 2.内力与内应力 • 材料受外力作用时，为保持自身形状尺寸不变，在材料内部作用着
与外力相对抗的力，称为内力。内力的大小与外力相等，方向则与外 力相反，和外力保持平衡。单位面积上的内力称为应力。 • 3.载荷下的变形 • (1)弹性变形材料在载荷作用下发生变形，而当载荷卸除后，变形也 完全消失。这种随载荷的卸除而消失的变形称为弹性变形。 • (2)塑性变形当作用在材料上的载荷超过某一限度，此时若卸除载荷， 大部分变形随之消失(弹性变形部分)，但还留下了不能消失的部分变 形，称为塑性变形，也称永久变形。 • 4.常用的力学性能指标 • 金属材料的力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗变 形和断裂的能力。常用的力学性能指标有:强度、塑性、硬度、韧性 及疲劳强度等，另外还有粘弹性指标，它们是衡量材料性能和决定材 料应用范围的重要指标。
• 式中 бb—抗拉强度，MPa ;
•
Fb—试样在断裂前所受的最大外力，N;
• S0—试样原始截面积，mm2
• бs/бb的值称为屈强比。屈强比越小，工程构件的可靠性越高，也就
是万一超载也不致于马上断裂。但屈强比小，材料强度有效利用率也
建筑材料第一章材料的基本性质
m干
V
ρ-Density m-Mass in the dryness V -Volume in the absolute dense
表观密度 ——Apparent Density
Definition
It refers to mass per unit volume
0
m V0
when
m
materials
0'
m V0'
V
m V孔 V空
ρ0´- Bulk density m- Mass v0´-Bulk volume
2 材料的物理性质——物理状态参数
块状材料 散粒材料
m干
V
密度
Density
' m
V VB
表观密度
0
m V0
V
m VB VK
表观密度
Apparent Density
0'
材料的孔隙
来源
分类 对材料性能的影响——孔隙率
孔的特征
微孔 细孔 大孔
孤立孔 连通孔
开口孔 闭口孔
2 材料的物理性质——物理状态参数
表观密度
随着孔隙率降低，表观密度增大，吸水率降低，
强度提高。
吸水率
孔隙率
耐久性
Water absorption
ρ0 Porosity
强度
Durability
Strength 图 孔隙对材料性能的影响
2 材料的物理性质——物理状态参数
块状材料体积组成示意
VK
VB
V
VP
V’
2 材料的物理性质——物理状态参数
散粒材料体积组成示意
VK
工程材料的分类性能及应用范围
工程材料的分类性能及应用范围第一章一、工程材料的分类、性能及应用范畴；工程材料可分为金属材料（黑色金属及有色金属）、非金属材料（高分子材料及无机非金属材料）和复合材料等。
（一）金属材料1 ．黑色金属（ 1 ）生铁、铁合金。
生铁分炼钢生铁和铸造生铁。
铁与任何一种金属或非金属的合金都叫做铁合金。
（ 2 ）铸铁。
具有优良的铸造性能和良好的耐磨性、消震性及低的缺口敏锐性。
还具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
铸铁包括：灰口铸铁、孕育铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、合金铸铁。
（3 ）钢。
①钢的分类如下： A ．按化学成分分类，可将钢分为碳素钢和合金钢。
B ．按冶炼质量分类，可将钢分为一般钢、优质钢和高级优质钢。
C ．按用途分类，可将钢分为结构钢、工具钢、专门性能钢等。
D ．按冶炼方法分类，可将钢分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。
E ．按脱氧程度分类，可将钢分为冷静金刚、半冷静钢和沸腾钢。
F ．按金相组织分类，在退火状态下，可将钢分为亚共析钢、共析钢、过共析钢；在正火状态下，可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、奥氏体钢。
G ．按供应时的保证条件分类，可将钢分为甲类钢、乙类钢和特类钢。
②钢的牌号表示方法。
依照牌号能够看出钢的类别、含碳量、合金元素及其含量、冶炼质量以及应该具备的性能和用途。
例如甲类钢牌号用“A”字加上阿拉伯数字0 、1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 表示。
又如20 号钢号，表示平均含碳量为0.20% 的钢。
再如9Cr18 表示平均含碳量为0.9% 、含Cr 量为18% 的不锈钢。
③国外钢的牌号的要紧特点方（略）。
④几种常用钢的要紧特点及用途。
A ．一般碳素钢分甲类钢和乙类钢两种。
甲类钢多用于建筑工业使用的钢筋，机械制造中使用的一般螺钉、螺母、垫圈、轴套等，也能轧成板材、型材（如工字钢、槽钢、角钢等）；乙类钢的用途与相同数字的甲类钢相同。
B ．一般低合金钢是在一般碳素钢的基础上。
加入了少量的合金元素，不仅具有耐腐蚀性、耐磨损等优良性能，还具有更高的强度和良好的力学性能。
工程材料的力学性能
解： δ５=[（71-50）/50]x100%=42% S0=3.14x(10/2)2=78.5(mm2) S1=3.14x(4.9/2)2=18.85(mm2) Ψ=[(S0-S1)/S0]x100%=24%
练习题二
某工厂买回一批材料（要求： бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%； ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ 0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm； d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？
时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球 在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
2．洛氏硬度：
延伸率 延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10 (L0=5d,10d)
思考:同一材料δ5 ＞ δ10？
断面收缩率
> 时，无颈缩，为脆性材料表征；
拉
< 时，有颈缩，为塑性材料表征。
伸 试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
练习题一
拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试 验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出 的力学特征。
指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧
性 、断裂韧度和疲劳强度等。
练习题二
某工厂买回一批材料（要求： бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%； ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ 0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm； d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？
时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球 在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
2．洛氏硬度：
延伸率 延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10 (L0=5d,10d)
思考:同一材料δ5 ＞ δ10？
断面收缩率
> 时，无颈缩，为脆性材料表征；
拉
< 时，有颈缩，为塑性材料表征。
伸 试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
练习题一
拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试 验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出 的力学特征。
指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧
性 、断裂韧度和疲劳强度等。
工程材料复习思考题(全)
工程材料复习思考题（全）《机械工程材料》复习思考题陈永泰第一章材料的性能1材料的力学性能主要存有哪些？强度，塑性，硬度，韧性及疲劳强度。
2详述低碳钢的形变－快速反应曲线（分成几个阶段，各特征点则表示什么含义）。
弹性变形阶段，屈服阶段，塑性变形阶段，颈变小阶段。
（画图）第二章材料的结构1体心立方晶格的墨排面和YCl方向各存有那些？面心立方晶格呢？{110}，<111>；{111}，<110>2与理想的晶体相比较，实际晶体在结构上有何特征？①多晶体结构；②具备晶体缺陷。
3为何晶粒越细，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好？金属的晶粒越细，晶界的总面积越大，势能制约越多，必须协同的具备相同李昭道的晶粒越多，金属塑性变形的抗力越高，从而引致金属强度和硬度越高。
金属晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，同时参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，推迟了裂纹的形成和扩展，使得在断裂前发生较大的塑性变形，在强度和硬度同时增加的情况下，金属在断裂前消耗的功增大，因而其韧性也较好，因此，金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越好。
4名词解释：二者固溶体金属化合物固溶加强云气加强二者：金属或合金中，凡成分相同，结构相同，并与其它成分存有界面分离的光滑组成部分。
固溶体：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构相同的固相称作固溶体。
金属化合物：合金中，其晶体结构与共同组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称作金属化合物。
固溶强化：随溶质质量增加，固溶体的强度，硬度增加，塑性，韧性下降，这种现象称为固溶强化。
云气加强：即为结晶加强。
若合金中的第二相以细小云气的微粒均匀分布在基体上，则可以明显提升合金的强度，称作云气加强。
5固态合金中的相分为几类？它们是如何定义的？（提示：晶格类型）1固溶体：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称为固溶体。
金属化合物：合金中，其晶体结构与组成元素之一的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。
第1章 土木工程材料的基本性质
D.强度高 ）。
2、为了达到保温隔热的目的，在选择墙体材料时，要求（ A. 导热系数小，热容量小 C. 导热系数大，热容量小 B. 导热系数小，热容量大 D. 导热系数大，热容量大
3、测定材料强度时，若加荷速度过（ 件下测得结果偏（ A.快，低 ）。 B. 快，高
）时，或试件尺寸偏小时，测得值比标准条
3 3 3 3 3 3
3
C. 慢，低 ） 。
D. 慢，高
4、某一材料的下列指标中为固定值的是（ A．密度 B．表观密度
C．堆积密度
D．导热系数
5、现有甲、乙两种材料，密度和表观密度相同，而甲的质量吸水率大于乙，则甲材料 （ ） 。 A．比较密实 B．抗冻性较差 C．耐水性较好 D．导热性较低
6、某材料 100g，含水 5g，放入水中又吸水 8g 后达到饱和状态，则该材料的吸水率可 用（ ）计算。 A．8/100 B．8/95 C．13/100 ）。 C．软化系数 ）时变小。 D．抗冻等级 D．13/95
第 1 章 土木工程材料的基本性质
一、学习指导 1、内容提要 本章介绍土木工程材料的各种基本性质及材料组成、结构、构造对材料性质的影响。主要包括： 1）材料的基本物理性质：包括材料与密度有关的性质（密度、表观密度、体积密度、堆积密度、 孔隙率与孔隙特征、空隙率等）；材料与水有关的性质（亲水性与憎水性、 吸水性与吸湿性、耐水性、抗渗性、抗冻性等）；材料的热性质（导热性与热容量）；材料的耐 燃性等。 2）材料的基本力学性质：包括强度与比强度、弹性与塑性、脆性与韧性、硬度与耐磨性等。 3）材料的耐久性：材料耐久性的概念及影响材料耐久性的因素。 4）材料组成、结构与构造及其与材料性质的关系。 2、学习要求 1）了解材料的基本组成、结构和构造，材料的结构和构造与材料的基本性质的关系。 2）掌握材料的基本物理性质的概念、表示方法及与工程的关系。 3）掌握材料的基本力学性质的概念、表示方法及与工程的关系。 4）掌握材料耐久性的概念及影响材料耐久性的基本因素。 通过材料基本性质的学习， 要求了解材料科学的一些基本概念， 掌握材料的各种性质的基本 概念、表示方法、影响因素以及它们之间的相互关系和在工程实践中的意义。 3、重点、难点提示 1）重点提示：理解材料密度、表观密度、体积密度、堆积密度、孔隙率、吸水性及耐水性 的含义与表示方法。理解材料的孔隙率及孔隙特征对其体积密度、强度、吸水性、吸湿性、 抗渗性、抗冻性、导热性及吸音性等性质的影响。 2）难点提示：理解并掌握材料各物理量间的计算过程；理解材料的孔隙率及孔隙特征对其 基本性质的影响。 二、习题 （一）判断题 1、玻璃体材料就是玻璃，并具有良好的化学稳定性。 2、多孔材料吸水后，其保温隔热效果变差。 3、材料的吸水率就是材料内含有的水的质量与材料干燥时质量之比。 4、材料的孔隙率越大，其抗渗性就越差。 5、耐久性好的材料，其强度必定高。 （ ） （ （ （ （ ） ） ） ）
第一章工程材料的分类与性能指标
塑料 合成纤维 橡胶 胶粘剂
高分子材料制品
陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的 化合物。
陶瓷材料属于无机非金属材料
由于大部分无机非金属材料含有 硅和其它元素的化合物，所以又 叫做硅酸盐材料。 它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻 璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和 陶瓷等三类。
对工程师来说，陶瓷包括种类繁 多的物质，例如玻璃、砖、石头、 混凝土、磨料、搪瓷、介电绝缘 材料、非金属磁性材料、高温耐 火材料和许多其它材料。
这就解释了为什么当橡胶暴露在阳光和空气 中时会逐渐地硬化；为什么铝不能用在超音速飞 机中；为什么金属在周期性载荷的作用下会产生 疲劳；为什么普通钢的钻头不能象高速钢钻头那 样飞快地切削；为什么磁体在射频场中会失去它 的磁性；又为什么半导体在核辐射下会损坏。这 类例子是数不清的。
在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而 且要考虑那些将使材料内部结构发生变化，从而 也导致材料性能发生变化的使用条件。
因此，金属材料特别是钢铁材料仍然是机械制造业 使用最广泛的材料。
随着科学技术的进步，非金属材料也得到了迅速的 发展。
非金属材料具有一些金属所不具备的许多性能和特 点。
如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生 产率高、成本低等。
所以非金属材料在工业中的应用日益广泛。 比如高分子材料常常取代金属材料用作化工管道、
因此，要减少零件的弹性变形，提高其 刚度，只能通过合理设计零件的截面形状、 尺寸，并提高其结构刚度来解决。
刚度：
绝大多数机器零件在工作时基本上都是 处于弹性变形阶段，即均会发生一定量的弹 性变形。但若弹性变形量过大，则工件也不 能正常工作，由此引出了材料对弹性变形的 抵抗能力——刚度（或刚性）指标
补充篇 工程材料的分类与性能
高分子材料制品
陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的 化合物。
陶瓷材料属于无机非金属材料
由于大部分无机非金属材料含有 硅和其它元素的化合物，所以又 叫做硅酸盐材料。 它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻 璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和 陶瓷等三类。
对工程师来说，陶瓷包括种类繁 多的物质，例如玻璃、砖、石头、 混凝土、磨料、搪瓷、介电绝缘 材料、非金属磁性材料、高温耐 火材料和许多其它材料。
这就解释了为什么当橡胶暴露在阳光和空气 中时会逐渐地硬化；为什么铝不能用在超音速飞 机中；为什么金属在周期性载荷的作用下会产生 疲劳；为什么普通钢的钻头不能象高速钢钻头那 样飞快地切削；为什么磁体在射频场中会失去它 的磁性；又为什么半导体在核辐射下会损坏。这 类例子是数不清的。
在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而 且要考虑那些将使材料内部结构发生变化，从而 也导致材料性能发生变化的使用条件。
因此，金属材料特别是钢铁材料仍然是机械制造业 使用最广泛的材料。
随着科学技术的进步，非金属材料也得到了迅速的 发展。
非金属材料具有一些金属所不具备的许多性能和特 点。
如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生 产率高、成本低等。
所以非金属材料在工业中的应用日益广泛。 比如高分子材料常常取代金属材料用作化工管道、
因此，要减少零件的弹性变形，提高其 刚度，只能通过合理设计零件的截面形状、 尺寸，并提高其结构刚度来解决。
刚度：
绝大多数机器零件在工作时基本上都是 处于弹性变形阶段，即均会发生一定量的弹 性变形。但若弹性变形量过大，则工件也不 能正常工作，由此引出了材料对弹性变形的 抵抗能力——刚度（或刚性）指标
补充篇 工程材料的分类与性能
工程材料 第一章 材料的性能及应用意义
HR = (0.2 - △h) / 0.002 (mm)，
其中 △h = h1 - h0
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度计
一、力学性能
3. 维氏硬度（HV） GB4342 -1984
（1）金刚石正四棱锥压头，精确 操作复杂，适用于科学研究。 （2）压力可选5～120Kg间的特定 值，适用各种硬度值的测量。 （3）压痕小，可测表面硬化层。
冲击吸收功AK
1 2
3
TK
温度T
三种不同冷脆倾向的材料
1—面心立方晶格的金属 2—中、低强度体心立方晶格的金属 3—高强度材料
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
冲击吸收功的测定
一、力学性能
不同材料的冲击抗力:
§1.2 材料的使用性能
冲击能量A
A'
A" N'
K 1
2
N"
冲击破断次数 lgN
1—高强度低韧性材料 2—低强度高韧性材料
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（六）韧性——材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能 力，它是材料强度和塑性的综合表现。
韧性不足可用脆性来表达。 韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
1. 冲击韧度 Ak ——材料抵抗冲击载荷的能力
二、物理性能
§1.2 材料的使用性能
（一）密度 （二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等。 （三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性。 （四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。
第1章工程材料的基本知识
第1章工程材料的基本知识第1章工程材料的基本知识主要内容：1.1 金属材料1.2 非金属材料的力学性能一、工程材料的种类：工程材料：金属材料、非金属材料和复合材料；1、金属材料：黑色金属、有色金属2、非金属材料：高分子材料、陶瓷材料3、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料1、使用性能：力学性能、物理性能、化学性能；2、工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能；二、工程材料的主要性能：1.1 金属材料金属材料的力学性能也称机械性能，指金属材料在外载荷1.1.1 金属材料的力学性能作用下，其抵抗变形和破坏的能力；注意：材料在不同的外部条件和载荷作用下，会呈现出不同的特性；如：常温状态下和高、低温状态下金属材料的力学性能就不一样；静载荷和动载荷作用下金属材料的力学性能也不一样；常见的金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等；1、强度和塑性(1)强度强度是指金属材料在外(静)载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
强度指标一般用单位面积所承受的载荷(即力)表示，符号为σ,单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。
抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。
对于大多数机械零件(如压力容器),工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件(如螺栓),而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
(2)塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。
断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用表示。
伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。
良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
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第1章工程材料的主要性能
3、焊接性能 材料用一般焊接方法焊成优良接头的难
易程度。
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焊接示范
焊接容 器
第1章工程材料的主要性能
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/25
第1章工程材料的主要性能
•（3）抗拉强度σs •拉伸试验时试样拉断过程中最大 试验力所对应的应力。
•σb= Fm/S0 (MPa)
•当 外 加 应 力 大 于 材 料 的 抗 拉 强 度时，材料发生断裂现象
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第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
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第1章工程材料的主要性能
3.塑性(plasticity)
• 动载时材料的力学性能 • 冲击韧性（αKU） • 疲劳强度
• 高温力学性能（蠕变、其它力学性能）
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第1章工程材料的主要性能
• 静载时材料的力学性能
•
金属的拉伸试验试样和试验方法，新标准为GB/T 228-
2002《金属材料室温拉伸试验方法》，旧标准为GB 6397-86
《金属拉伸试验试样》和GB 228-87《金属拉伸试验方法》。
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•标准拉伸试样和实验方法
第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
•材料在外力的作用下将 发生形状和尺寸变化， 称为变形。 •外力去处后能够恢复的 变形称为弹性变形。 •外力去处后不能恢复的 变形称为塑性变形。
•金属变形的三个阶段： •ⅰ）弹性变形 •ⅱ）弹－塑性变形 •ⅲ）断裂
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第1章工程材料的主要性能
•应力—应变曲线
•塑
性
•F •屈
变 形
服 •s
•弹
•e
性
变
形 •O
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•Fs •Fb
•断 裂
•b
•k
•缩 颈
•L
第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
• 1、强度 • 材料抵抗塑性变形和断
裂 • 的能力 • 2、强度的指标
• (1)弹性极限σe
材料在外力作用下产生塑性变 形而不断裂的能力。 （1）伸长率（specific
elongation）
（2）断面收缩(percentage reduction in area)
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第1章工程材料的主要性能
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
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•
•塑性的技术意义： •（1）塑性良好是金属 进行压力加工的必要条 件； •（2）塑性良好是材料 安全使用的标志
• 材料由弹性变形过渡 到
• 塑性变形的应力
• σe = Fe/S0 (MPa)
• 当外加的应力超过弹 性
• 极限以后，材料便开 始
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第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
•（2）屈服强度σs •把在外力不增加（出现平台） 仍能继续伸长时的应力称为屈 服点或屈服强度。
•σs = Fc/S0 (MPa)
•
ak=（Ak/FN）kgf·m/cm2= （Ak/FN）J/cm2
• 金属在常温下的冲击试验较为简便易行，其冲击韧性对材 料的冶金质量﹑宏观缺陷﹑显微组织等十分敏感。它表示材料抵 抗冲击载荷而不被破坏的能力
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第1章工程材料的主要性能
5、冲击韧性(toughness )
•冲击试验机
•试样冲断时所消耗的冲击功Ak为: •αK＝Ak/FN •Ak=(GH1-GH2) •单位：J 或 kg．m
第1章工程材料的主要性 能
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2020/11/25
第1章工程材料的主要性能
•1.金属材料的性能
金属材料的性能——用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。 两个方面： （1）使用性能——包括力学、物理、化学等方面的性能。
金属的力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的力学行 为，宏观上一般表现为金属的变形和断裂。
• 根据金属材料软硬程度不一，可选 用不同的压头和载荷配合使用，测得的 硬度值分别用不同的符号来表示。
•式中K为常数，用金刚石圆锥压头时，K=
0.2mm；用淬火钢球压头时，K= 0.26 mm。 •洛氏硬度试验原理示意图
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第1章工程材料主要性能
• 静载时材料的力学性能
• 采用不同的压头和总载荷组合作试验时，得到几种不同的 洛氏硬度标度。其中最常用的是HRA﹑HRB和HRC三种
• 试验规范：
• 压头材料： 136°金刚石四棱锥 • 标准压力：<100kgf
• 适用材料：软硬金属、 陶瓷材料
• 用HV表示
•维氏硬度广泛用来测定金属薄镀层或化学热处理后表面层的硬 度，以及较小工件的硬度试验。
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第1章工程材料的主要性能
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第1章工程材料的主要性能
• 动载时材料的力学性能
常用力学性能指标包括强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺 口敏感性等。 （2）工艺性能——反应金属材料在被制成各种零件、构件和工具 的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、压 力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。
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第1章工程材料的主要性能
金属材料的力学性能
• 静载时材料的力学性能 • 静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性） • 硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）
淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢
•洛氏硬度试验法
•优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面或较薄的
•
金属上进行试验。
•缺点：压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得
•
的硬度值重复性差，分散度大，另不同的标度测定
•
的硬度值不能直接进行比较。
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第1章工程材料的主要性能
维氏硬度（HV）
• 适用材料：未淬火钢、铸铁、有色金属
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第1章工程材料的主要性能
• 静载时材料的力学性能
•布氏硬度（HBW）
• 布氏硬度测量，适用于未经淬火钢、铸铁、有色金属及质 地较软的轴承合金等材料。由于布氏硬度试验是所有硬度试验 中压痕最大的一种试验方法，试验力最大达3000kgf,压痕不受 试样显微组织偏析、晶粒粗大及成分不均匀的影响，能综合反 映出材料的硬度性能，能最准确地反映出铸铁、铸钢、锻材等 粗大晶粒材料的真实硬度。是一种高精度的硬度试验方法，克 服了一般便携硬度计（如里氏硬度计）换算比对，误差很大的 缺点。在冶金、锻造、铸造、未经淬火钢及有色金属等工业领 域内广泛使用。
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第1章工程材料的主要性能
1.3.工艺性能 1、铸造性能 材料用铸造方法制成优良
性能铸件的难易程度。
汽缸体铸 件
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•铸 造 成形端盖铸件
第1章工程材料的主要性能
•2、塑性成形性能
• 材料用压力加工方法加工或成型的难易程度。
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锻造
冲
压
锻件
•锻压成 形
冲压件
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第1章工程材料的主要性能
•4.硬度 ( hardness )
材料抵抗局部塑性变形 的能力
硬度影响材料的切削加工 性能、零件的耐磨性和使 用性能
测试方法：压入法 主要采用两种硬度指标量： 布氏硬度和洛氏硬度。
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•布氏硬度计
第1章工程材料的主要性能
布氏硬度（HB）
• 试验规范： • 压头材料：淬火钢球或硬质 合金球 • 压头直径：10、5、2.5、1mm • 标准压力：一定压力(3000kgf)
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第1章工程材料的主要性能
• 静载时材料的力学性能
•洛氏硬度
•洛氏硬度试验法是目前生产检验中应用最广泛的硬度试验方法。 •洛氏硬度试验原理与布氏硬度不同，它是用一个顶角为120˚的金刚 石圆锥体或直径为1.588 mm的淬火钢球为压头，用初始载荷F1和主 载荷F2两次将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除主 载荷F2，测量压痕深度，并经过计算得出硬度值。
•1 •2
•n
•-1
•钢铁材料：107 次
•非铁合金：108 次
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•N1•N2•Nn
•Nc
•N
•疲劳曲线
第1章工程材料的主要性能
•1.2. 物理、化学性能
• 物理性能
•导电性 •导热性 •耐热性 •磁性 •热膨胀性 •相对密度 •熔点
•…
•化学性能
•耐蚀性 •耐候性 •高温抗氧化性
•…
6.疲劳强度 材料在交变载荷应力反复作用下不致断裂的能力.
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•疲劳试验原理示意图
第1章工程材料的主要性能
• 动载时材料的力学性能
•钢铁材料：循环次数达到107次时的最大应力作为疲劳强度；
•有色金属及其合金：循环次数达到108时的最大应力作为疲劳
强度。
•
•σ-1= 0.45～0.55 σb
•冲击试样和冲击试验示意图
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第1章工程材料的主要性能
•Titanic 号钢板（左图） 和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
•Titanic
•近代船用钢 板
•冲击韧性是衡量零件在使用安全性，以及检测材料脆性断裂 倾向的主要指标；塑性良好的材料其韧性也好
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第1章工程材料的主要性能
标尺符号 HRA HRB HRC
•常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围
所用压头
总载荷 测量范围 （kgf） （HR）
3、焊接性能 材料用一般焊接方法焊成优良接头的难
易程度。
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焊接示范
焊接容 器
第1章工程材料的主要性能
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
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2020/11/25
第1章工程材料的主要性能
•（3）抗拉强度σs •拉伸试验时试样拉断过程中最大 试验力所对应的应力。
•σb= Fm/S0 (MPa)
•当 外 加 应 力 大 于 材 料 的 抗 拉 强 度时，材料发生断裂现象
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第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
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第1章工程材料的主要性能
3.塑性(plasticity)
• 动载时材料的力学性能 • 冲击韧性（αKU） • 疲劳强度
• 高温力学性能（蠕变、其它力学性能）
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第1章工程材料的主要性能
• 静载时材料的力学性能
•
金属的拉伸试验试样和试验方法，新标准为GB/T 228-
2002《金属材料室温拉伸试验方法》，旧标准为GB 6397-86
《金属拉伸试验试样》和GB 228-87《金属拉伸试验方法》。
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•标准拉伸试样和实验方法
第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
•材料在外力的作用下将 发生形状和尺寸变化， 称为变形。 •外力去处后能够恢复的 变形称为弹性变形。 •外力去处后不能恢复的 变形称为塑性变形。
•金属变形的三个阶段： •ⅰ）弹性变形 •ⅱ）弹－塑性变形 •ⅲ）断裂
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第1章工程材料的主要性能
•应力—应变曲线
•塑
性
•F •屈
变 形
服 •s
•弹
•e
性
变
形 •O
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•Fs •Fb
•断 裂
•b
•k
•缩 颈
•L
第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
• 1、强度 • 材料抵抗塑性变形和断
裂 • 的能力 • 2、强度的指标
• (1)弹性极限σe
材料在外力作用下产生塑性变 形而不断裂的能力。 （1）伸长率（specific
elongation）
（2）断面收缩(percentage reduction in area)
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第1章工程材料的主要性能
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
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•
•塑性的技术意义： •（1）塑性良好是金属 进行压力加工的必要条 件； •（2）塑性良好是材料 安全使用的标志
• 材料由弹性变形过渡 到
• 塑性变形的应力
• σe = Fe/S0 (MPa)
• 当外加的应力超过弹 性
• 极限以后，材料便开 始
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第1章工程材料的主要性能
强 度(strength)
•（2）屈服强度σs •把在外力不增加（出现平台） 仍能继续伸长时的应力称为屈 服点或屈服强度。
•σs = Fc/S0 (MPa)
•
ak=（Ak/FN）kgf·m/cm2= （Ak/FN）J/cm2
• 金属在常温下的冲击试验较为简便易行，其冲击韧性对材 料的冶金质量﹑宏观缺陷﹑显微组织等十分敏感。它表示材料抵 抗冲击载荷而不被破坏的能力
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第1章工程材料的主要性能
5、冲击韧性(toughness )
•冲击试验机
•试样冲断时所消耗的冲击功Ak为: •αK＝Ak/FN •Ak=(GH1-GH2) •单位：J 或 kg．m
第1章工程材料的主要性 能
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2020/11/25
第1章工程材料的主要性能
•1.金属材料的性能
金属材料的性能——用来表征材料在给定外界条件下的行为参量。 两个方面： （1）使用性能——包括力学、物理、化学等方面的性能。
金属的力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的力学行 为，宏观上一般表现为金属的变形和断裂。
• 根据金属材料软硬程度不一，可选 用不同的压头和载荷配合使用，测得的 硬度值分别用不同的符号来表示。
•式中K为常数，用金刚石圆锥压头时，K=
0.2mm；用淬火钢球压头时，K= 0.26 mm。 •洛氏硬度试验原理示意图
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第1章工程材料主要性能
• 静载时材料的力学性能
• 采用不同的压头和总载荷组合作试验时，得到几种不同的 洛氏硬度标度。其中最常用的是HRA﹑HRB和HRC三种
• 试验规范：
• 压头材料： 136°金刚石四棱锥 • 标准压力：<100kgf
• 适用材料：软硬金属、 陶瓷材料
• 用HV表示
•维氏硬度广泛用来测定金属薄镀层或化学热处理后表面层的硬 度，以及较小工件的硬度试验。
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第1章工程材料的主要性能
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第1章工程材料的主要性能
• 动载时材料的力学性能
常用力学性能指标包括强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺 口敏感性等。 （2）工艺性能——反应金属材料在被制成各种零件、构件和工具 的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、压 力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。
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第1章工程材料的主要性能
金属材料的力学性能
• 静载时材料的力学性能 • 静拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性） • 硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）
淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢
•洛氏硬度试验法
•优点：操作迅速简便，压痕较小，可在工件表面或较薄的
•
金属上进行试验。
•缺点：压痕较小，对组织比较粗大且不均匀的材料，测得
•
的硬度值重复性差，分散度大，另不同的标度测定
•
的硬度值不能直接进行比较。
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第1章工程材料的主要性能
维氏硬度（HV）
• 适用材料：未淬火钢、铸铁、有色金属
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第1章工程材料的主要性能
• 静载时材料的力学性能
•布氏硬度（HBW）
• 布氏硬度测量，适用于未经淬火钢、铸铁、有色金属及质 地较软的轴承合金等材料。由于布氏硬度试验是所有硬度试验 中压痕最大的一种试验方法，试验力最大达3000kgf,压痕不受 试样显微组织偏析、晶粒粗大及成分不均匀的影响，能综合反 映出材料的硬度性能，能最准确地反映出铸铁、铸钢、锻材等 粗大晶粒材料的真实硬度。是一种高精度的硬度试验方法，克 服了一般便携硬度计（如里氏硬度计）换算比对，误差很大的 缺点。在冶金、锻造、铸造、未经淬火钢及有色金属等工业领 域内广泛使用。
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第1章工程材料的主要性能
1.3.工艺性能 1、铸造性能 材料用铸造方法制成优良
性能铸件的难易程度。
汽缸体铸 件
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•铸 造 成形端盖铸件
第1章工程材料的主要性能
•2、塑性成形性能
• 材料用压力加工方法加工或成型的难易程度。
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锻造
冲
压
锻件
•锻压成 形
冲压件
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第1章工程材料的主要性能
•4.硬度 ( hardness )
材料抵抗局部塑性变形 的能力
硬度影响材料的切削加工 性能、零件的耐磨性和使 用性能
测试方法：压入法 主要采用两种硬度指标量： 布氏硬度和洛氏硬度。
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•布氏硬度计
第1章工程材料的主要性能
布氏硬度（HB）
• 试验规范： • 压头材料：淬火钢球或硬质 合金球 • 压头直径：10、5、2.5、1mm • 标准压力：一定压力(3000kgf)
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第1章工程材料的主要性能
• 静载时材料的力学性能
•洛氏硬度
•洛氏硬度试验法是目前生产检验中应用最广泛的硬度试验方法。 •洛氏硬度试验原理与布氏硬度不同，它是用一个顶角为120˚的金刚 石圆锥体或直径为1.588 mm的淬火钢球为压头，用初始载荷F1和主 载荷F2两次将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸除主 载荷F2，测量压痕深度，并经过计算得出硬度值。
•1 •2
•n
•-1
•钢铁材料：107 次
•非铁合金：108 次
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•N1•N2•Nn
•Nc
•N
•疲劳曲线
第1章工程材料的主要性能
•1.2. 物理、化学性能
• 物理性能
•导电性 •导热性 •耐热性 •磁性 •热膨胀性 •相对密度 •熔点
•…
•化学性能
•耐蚀性 •耐候性 •高温抗氧化性
•…
6.疲劳强度 材料在交变载荷应力反复作用下不致断裂的能力.
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•疲劳试验原理示意图
第1章工程材料的主要性能
• 动载时材料的力学性能
•钢铁材料：循环次数达到107次时的最大应力作为疲劳强度；
•有色金属及其合金：循环次数达到108时的最大应力作为疲劳
强度。
•
•σ-1= 0.45～0.55 σb
•冲击试样和冲击试验示意图
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第1章工程材料的主要性能
•Titanic 号钢板（左图） 和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果
•Titanic
•近代船用钢 板
•冲击韧性是衡量零件在使用安全性，以及检测材料脆性断裂 倾向的主要指标；塑性良好的材料其韧性也好
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第1章工程材料的主要性能
标尺符号 HRA HRB HRC
•常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围
所用压头
总载荷 测量范围 （kgf） （HR）