工程材料分类与性能共68页文档

E=σ/ε 应力应变的比值。单位 MPa E愈大，使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。
2020/9/15
▪ 屈服极限σs（屈服强度或屈服点） σs=Ps/Fo 金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。 σ0.02 产生0.02%残余塑性变形的抗力的极限应力值。
用于无屈服点的中高碳钢。 脆性材料：σb=σs 灰口铸铁 ▪ 抗拉强度σb （强度极限）
2020/9/15
▪ 金属材料： 黑色金属—铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等) 有色金属—黑色金属以外的所有金属及其合金
▪ 高分子材料： 塑料—主要指工程塑料 合成纤维—由单体聚合而成再经过机械处理成纤维材
料 橡胶—经硫化处理，弹性优良的聚合物，分通用和特
种橡胶。 胶粘剂—分树脂型、橡胶型和混合型
2020/9/15
迹往往是执著者造成的。许多人惊奇地发现，他们之所以达不到自己孜孜以求的目标，是因为他们的主要目标太小、而且太模糊不清，使自己失去动力。如果你的主要 实现就会遥遥无期。因此，真正能激励你奋发向上的是确立一个既宏伟又具体的远大目标。实现目标的道路绝不是坦途。它总是呈现出一条波浪线，有起也有落，但你 你的时间表，框出你放松、调整、恢复元气的时间。即使你现在感觉不错，也要做好调整计划。这才是明智之举。在自己的事业波峰时，要给自己安排休整点。安排出 是离开自己挚爱的工作也要如此。只有这样，在你重新投入工作时才能更富激情。困难对于脑力运动者来说，不过是一场场艰辛的比赛。真正的运动者总是盼望比赛。 很难在生活中找到动力，如果学会了把握困难带来的机遇，你自然会动力陡生。所以，困难不可怕，可怕的是回避困难。大多数人通过别人对自己的印象和看法来看自 尤其正面反馈。但是，仅凭别人的一面之辞，把自己的个人形象建立在别人身上，就会面临严重束缚自己的。因此，只把这些溢美之词当作自己生活中的点缀。人生的 上找寻自己，应该经常自省。有时候我们不做一件事，是因为我们没有把握做好。我们感到自己“状态不佳”或精力不足时，往往会把必须做的事放在一边，或静等灵 些事你知道需要做却又提不起劲，尽管去做，不要怕犯错。给自己一点自嘲式幽默。抱一种打趣的心情来对待自己做不好的事情，一旦做起来了尽管乐在其中。所以， 要尽量放松。在脑电波开始平和你的中枢神经系统时，你可感受到自己的内在动力在不断增加。你很快会知道自己有何收获。自己能做的事，放松可以产生迎接挑战的 社会，面对工作，一切的未来都需要自己去把握。人一定要靠自己。命运如何眷顾，都不会去怜惜一个不努力的人，更不会去同情一个懒惰的人，一切都需要自己去努 一时的享受也只不过是过眼云烟，成功需要自己去努力。当今社会的快速发展，各行各业的疲软，再加上每年几百万毕业生涌向社会，社会生存压力太大，以至于所有 高自己。看着身边一个个同龄人那么优秀，看着朋友圈的老同学个个事业有成、买房买车，我们心急如梵，害怕被这个社会抛弃。所以努力、焦躁、急迫这些名词缠绕 变自己，太想早一日成为自己梦想中的那个自己。收藏各种技能学习资料，塞满了电脑各大硬盘；报名流行的各种付费社群，忙的人仰马翻；于是科比看四点钟的洛杉 早起打卡行动。其实……其实我们不觉得太心急了吗？这是有一次自己疲于奔命，病倒了，在医院打点滴时想到的。我时常恐慌，害怕自己浪费时间，就连在医院打点 浪费。想快点结束，所以乘着护士不在，自己偷偷的拨快了点滴速度。刚开始自己还能勉强受得了，过了差不多十分钟，真心忍不住了，只好叫护士帮我调到合适的速 就在想，平时做事和打点滴何尝不是一样，都是有一个度，你太急躁了、太想赶超，身体是受不了的。身体是革命的本钱，我们还年轻，还有大把的时间够我们改变， 1000前面的那个若是1都不存在了，后面再多的0又有什么用？我是一个急性子，做事风风火火的，所以对于想改变自己，是比任何人都要心急。这次病倒了，个人感 一通乱忙乎才导致的，病倒换来的努力根本是一钱不值。生病的那几天，我跟自己的大学老师打了一个电话，想让老师帮我解惑一下，自己到底是怎么了。别人也很努 过我了，为啥他们反到身体倍棒而一无所获的自己却病倒了？老师开着电脑，给我分享了两个小故事讲的第一个故事是“保龄球效应”，保龄球投掷对象是10个瓶子， 分是90分，而你如果每次能砸倒10个瓶子，最终得分是240分。故事讲完，老师问我明白啥意思没？我说大概猜到一点，你让我再努力点，对吗？不对！你已经够努 告诉你，你现在就是那个每次砸倒9个瓶子的人。你累倒的原因是因为你同时在几个场馆玩，每一个场馆得分都是90分，而有些人，则是只在一个场馆玩，玩多了，他 轻松十倍，得分却还是远远超过你。老师�

HV
F A
1.8544 0.102 F d2
HV≈HBS
适用于测量表面强化处理的机械 零件和很薄的产品。
机械制造基础课题组
山东水利职业学院
韧性（试验录像）
材料断裂前吸收的变形能量称作韧性。 韧性的重用指标为冲击韧度。
冲击韧度通常采用摆锤冲击试验 机测定。
山东水利职业学院
机械制造基础课题组
山东水利职业学院
山东水利职业学院
F
es p
Fe Fs
b k
Fb
Fp
o
g
Δl u Δl b
f
op段：比例弹性变形阶段；
pe段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段；
sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。
bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断 裂。
Δl 断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断
山东水利职业学院机械教研室
多媒体课件
项目一 材料利职业学院
教学内容
学习要求
能力要求
1.材料的强度、塑形
1.掌握材料硬度的测 量方法及表示方法
2.材料的硬度、韧性、 2.理解工程材料的强度、
疲劳强度
塑形、韧性及疲劳强度
3.材料的物理、化学 性能
3.了解材料的物理化 学性能的应用
HRB
1.588mm钢 球
100
红色
25~100 软钢、退火钢、铜合金等
HRC 金刚石圆锥
150
黑色
20~67
淬火钢、调质钢等
(3)洛氏硬度的特点 操作简单、效率高，数值可直接从指示器上读出。
压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度。 HRC和HRA采用金刚石压头，可测量高硬度薄层和深层材料。

冲击韧性常用冲击实验测定
影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成 份、冶金质量、组织状态、表面质量和内部 缺陷等。
系列冲击实验（低温冲击）： 金属材料的冲击韧性随温度的降低而下降 温度和Аk关系图 评定材料低温变脆的倾向，韧脆转变温度 （范围）
韧脆转变温度
小结： 力学性能五个基本指标 强度σb 、 σs 塑性δ、ψ 韧性Аk
为了便于阐明材 料的成分（工艺 ）、组织结构、 性能、用途之间 的逻辑关系，按 以下方式分类： 金属材料、无机 非金属材料、有 机高分子材料和 复合材料 。（右 图为材料科学与 工程四要素）
按上述分类的材料的概况 金属材料：（metallic materials）
坚硬、反光、有光泽、热与电的良导体、正电阻温度 系数； 黑色金属（ferrous alloys） 有色金属（nonferrous alloys）； 铁碳合金、铝、铜、镁、钛等；
HRB
100
HRA
60
布氏硬度、洛氏硬度优缺点： 布氏硬度由于压痕面积较大，能反映较大范 围内的平均硬度，所以测量结果具有较高的 精度和稳定性。但操作费时，对试样表面有 一定破坏。 洛氏硬度操作简单，可直接读出硬度值，且 压痕小，基本不伤工件。缺点是所测值的离 散性较大，实际中可多测几次取均值。 各种硬度试验因其试验条件的不同而不能直 接换算，需查阅专门的表格进行换算比较。
几个概念的比较 弹性：产生不永久变形的能力 塑性：产生塑性变形而不断裂的能力 刚度：抵抗弹性变形的能力 强度：抵抗塑性变形和断裂的能力
一次摆锤冲击弯曲实验 韧性是材料塑性变形和断裂过程中吸收能量 的能力，是强度和塑性的综合表现。 冲击韧性（韧度）Аk是抵抗冲击载荷的能力。 是综合的力学性能指标，与强度和塑性有关， 揭示材料的变脆倾向，评定材料在复杂受载 条件下的寿命和可能性，反映原材料的冶金 质量和热加工后的产品质量。

用标准试样的冲击吸收功Ak表示
5）疲劳强度
材料在无数次重复“交变应力”作用下，而不引起断裂的最 大应力值
6）耐磨性
材料在一定工作条件下抵抗磨损的能力 用体积磨损量、质量磨损量和长度磨损量来评定
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回 章 首
（2）工程材料的物理、化学及工艺性能 物理性能：指材料在重力、电磁场、热力等物理因素作用
下所表现出来的性能或属性，包括材料的密度、熔点、导 电性、磁性能、导热性、热膨胀性等
1) 金属材料 : 包括黑色金属（钢铁）和有色金属材料 2) 工程陶瓷 : 由金属和非金属元素的化合物所构成的
各种无机非金属材料 3) 有机高分子材料 ：工程中常见的有塑料、橡胶和胶
粘剂 4) 复合材料 ：将上述两种或多种单一材料人工合成到
一起的材料
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2. 工程材料的主要性能
（1）工程材料的力学性能 1）强度 2）塑性 3）硬度 4）冲击韧性 5）疲劳强度 6）耐磨性
化学性能：主要指材料的抗氧化性、耐蚀性和耐酸性等， 反映了材料在常温或高温环境下抵抗各种化学作用的能力。
材料工艺性能：指材料对各种加工工艺的适应性
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§4-2常用金属材料
1 . 碳素钢和合金钢
碳素钢 碳素钢工具钢 合金钢 合金钢工具钢
2 . 铸铁
灰铸铁 球墨灰铸铁 可锻铸铁 合金铸铁
3 . 有色金属材料
KT 200, KT 350,
保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点
应用 发动机曲轴、连杆等
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• 合金铸铁
代号
KT + H + 数字 + 数字
最小抗拉强度 断后延长率
特点
KT 200, KT 350, 保留灰铸铁优点，具有中碳钢优点

使用性能
材料在使用条件 下具有的性能
物理性能 化学性能
材料的性能
铸造性能
工艺性能
材料在加工过程 中下具有的性能
可锻性能 焊接性能 切削加工性能
材料的力学性能
材料的力学性能（Mechanical Property）是材料在 受外力作用时表现出的性能。 材料的力学行为（Mechanical Behavior of Property） 弹性变形、塑性变形、断裂、疲劳、蠕变、磨损等。 材料受力形式：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等。 类型：静载荷、冲击载荷、交变载荷等。
屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，屈强 比太小，则材料强度的有效利用率太低。
材料的力学性能
3.塑性（Plasticity）
材料在外力作用下，产生永久残余变形而不断裂的能力。 断面收缩率（Percentage Reduction in Area）
ψ=
A 0 − A1 ×100% A0
其中， A1和A0分别为试样拉断处和试样原始的横截面积，mm2。
按材料的化学属性分类
黑色金属（Ferrous Metal） — 钢铁、锰、铬及其合金
金属材料 有色金属（Nonferrous Metal）— 轻金属（镁、铝、钛 特点
以金属键结合为主 良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽
等）,重金属（汞、镉、铜 、铅等） ,贵金属（金、银等）, 稀有金属（铯、铍 、钼、钨 、钒钪、钇、镭等）
拉伸试样的颈缩现象 σp—比例极限 拉伸试样（拉伸前） σe—弹性极限 ε（应变） σs—屈服强度 低碳钢的应力—应变（σ －ε ） 曲线 拉伸试样（拉伸后） σb—抗拉强度
拉伸试验机
其他类型材料的应力-应变行为
弹性变形

拉伸机上， 拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向 静载拉伸曲线
1. 低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢、某些 正火、退火调质中Ｃ 合金钢、 合金钢 某些Al 合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。 合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。 2. 铸铁、陶瓷：只有第 阶段 铸铁、陶瓷：只有第I 3. 中、高碳钢：没有第 阶段 高碳钢：没有第II
第1章 材料的分类 与性能
1.1 材料的分类 1.2 工程材料的性能
1.1
Way?
材料
材料的分类
金属
复 合 材料 陶瓷 高分子
无机材料
有机材料
工程材料分类
What? 各类材料的特点
金属材料 ——主要为金属键 金属键。 金属键
热和电的良导体； 具有良好的强度与延展性以及金属光泽。
陶瓷材料 ——通常为离子键 共价键。 离子键或共价键 离子键 共价键
σb=Pb/Fo 材料被拉断前所承受的最大应力值。 材料被拉断前所承受的最大应力值。
Pb 试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷
σb =
F0
( M pa )
试样原始横截面积( mm2)
σb：代表材料抵抗外力而 ： 不致断裂的极限应力值。 不致断裂的极限应力值。
3．疲劳强度σ-1 ( fatigue strength ) 疲劳强度σ 疲劳现象：
的断裂由疲劳造成） （80%的断裂由疲劳造成） 的断裂由疲劳造成
承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。 承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。在交变应 力作用下，往往在远小于强度极限， 力作用下 ，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的 应力下发生断裂。 应力下发生断裂。
影响因素： 影响因素：

Fb ：试样在拉断前所承受的最大载荷，N A0 ：试样原始截面积， mm2
它的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表 征材料在拉伸条件下，所能承受的最大载荷的应力值，它 是设计和选材的主要依据之一。
二、塑性：是指断裂前材料产生塑性变形而不被破坏的 能力。塑性以材料断裂后塑性变形的大小来表示。拉伸时用伸
2.洛氏硬度HR **见图1-4 洛氏硬度的测量。 **HRC应用最广，范围是20～67， 还有HRA、HRB见表1-1 洛氏硬度测定操作迅速简便，压 痕面积小，适用于成品检验，硬度 范围广。 3.维氏硬度HV 正四棱锥体的金刚石压头压入 试样表面，测量压痕对角线长度。 维氏硬度测量准确，硬度测量范 围大，尤其能测较薄试样的硬度。
三、疲劳强度 疲劳强度—机械零件在周期性或非周期性动载荷（称为疲劳 载荷）的作用下工作发生断裂时的应力，用 1 表示。
§1.2.3 材料的高温及低温性能
1.高温性能 材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变 形的现象称为蠕变。 金属材料在高于一定温度下，承受的应力即使小于屈服 点，也会出现蠕变断裂现象。 蠕变的另一种表现形式是应 力松驰。是指承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量 应保持不变，但随时间的延长发生蠕变，从而导致工作应力 自行逐渐衰减的现象。如高温紧固件，若出现应力松驰，将 会使紧固失效。 在高温下，材料的强度是用蠕变强度和持久强度来表示 的。 2.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 重时甚至发生脆断。通过材料的冲击功与温度的变化关系来 确定材料的韧、脆状态转化，当温度降到某一值时，冲击功 Ak值会急剧减小使材料呈脆性状态。 材料由韧性状态变为脆性状态的温度Tk称冷脆转化温度。 材料的Tk低，表明其低温韧性好。

伸长率：
l1 l0 100%
l0
断面收缩率：
F0 F1 100%
F0
拉 伸
试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
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
时，塑性值才有可比性。
当l0=10d0 时，伸长率用 表示； 当l0=5d0 时，伸长率用5 表示。显然5> ③ > 时，无颈缩，为脆性材料表征
< 时，有颈缩，为塑性材料表征
三、硬度
材料抵抗表面局部塑性变形的能 力。
布氏硬度HB
HB 0.102
2P
D(D D2 d 2 )
布 氏 硬 度 计
压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度 值在450以下的材料。
压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度 在650以下的材料。
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
按化学组成分：
1、金属材料 2、高分子材料 3、无机非金属材料 4、复合材料
1、金属材料
黑色金属
有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有 金属
以金属键结合为主 良好的导电性、导热
性、延展性和金属光 泽 用量最大、应用最广 泛
铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已 达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上 。
拉伸试验： 即静拉伸力对试样轴向拉伸,测量力和相应的伸长,一
般拉至断裂以测定其力学性能的试验。 拉伸试验
原始试样
拉伸后试样
拉伸曲线： 拉伸曲线

力学性能
常用的指标有: 弹性、强度、塑性、硬度、 韧性和疲劳强度等。
一、强度 ——金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力
材料的强度用拉伸试验测定。(拉伸加载速率较低， 俗称静拉伸试验)。
力学性能
（a）原始试样
（b）拉伸后试样 圆形拉伸试样
低碳钢的拉伸曲线
静拉伸试验
OE——弹性变形阶段 EK——弹塑变形阶段 K——断裂阶段
K1C即为断裂韧度
常见工程材料的断裂韧度K1C值（MN·m-3/2）
§1.2 材料的使用性能 ——物理性能
一、密度
单位体积物质的质量称为该物质的密度
金属材料
密典度型小代于表5铝×，10比3 k刚g度/m、3 的比金强属度称 为高轻，金广属泛。应用于飞机结构件
陶瓷材料 高分子材料
密
度
降 低
比刚度、比强度低，应用受限
由两种或两种以上不 同性质或不同组织构成的 ，具有比任何单一材料更 优越的综合性能的材料称 为复合材料。
复合材料这个看似陌生的名词，实际上与每个人 都息息相关。 人的躯体是由骨骼与肌肉两种性质完全不同的“材料 ”组成，这可以说就是一种天然的巧夺天工的“复合材 料” 人类很早就会使用粘土和稻草的混合物来造房屋，这 种房子比单纯用粘土要经久耐用得多，这是至今可知的 最古老的人造建筑复合材料。
材料
结构材料
功能材料
主要是利用其强度、硬度、塑 性、韧性等力学性能
主要利用其声、光、电、磁、 热等性能
§1.1 工程材料的分类
按结合键(离子键、共价健、金属键和分子键四种)分 ：这种分类来介绍材料世家的成员，比较科学，脉 络比较清楚。
金属材料
工程材料
功能材料 高分子材料