第一章材料原子結合方式及性能

1、工程材料及機械制造基礎工程材料及機械制造基礎第一章第一章 材料的原子結合材料的原子結合方式及性能方式及性能聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎第第1 1節(jié)節(jié) 固態(tài)物質(zhì)的原子結合鍵固態(tài)物質(zhì)的原子結合鍵第第2 2節(jié)節(jié) 工程材料的分類工程材料的分類第第3 3節(jié)節(jié) 工程材料的性能工程材料的性能聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎第一節(jié) 固態(tài)物質(zhì)的原子結合鍵構成材料的基本單元?原子、分子或離子聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎

2、工程材料及機械制造技術基礎性能性能內(nèi)部構造內(nèi)部構造原子種類和原子種類和數(shù)量數(shù)量原子的排列原子的排列方式和空間方式和空間分布分布成分成分組織組織結結構構聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎一、晶體與非晶體一、晶體與非晶體 （1）晶體晶體 固態(tài)下，原子或分子在空間上呈有序排列結構。固態(tài)下，原子或分子在空間上呈有序排列結構。 幾乎所有金屬、大部分的陶瓷以及一些聚合物。幾乎所有金屬、大部分的陶瓷以及一些聚合物。 特點：特點： 1）結構有序）結構有序（排列緊密、高對稱性）排列緊密、高對稱性） 2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各

3、向異性 3）有固定的熔點）有固定的熔點 4）規(guī)則的幾何外形）規(guī)則的幾何外形長程有序長程有序聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎（2）非晶體非晶體：原子無序排列：原子無序排列 特點：特點： 1）結構無序）結構無序 2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性 3）沒有固定的熔點）沒有固定的熔點 4）熱導率和熱膨脹性?。釋屎蜔崤蛎浶孕?5）塑性變形大）塑性變形大 6）組成的變化范圍大）組成的變化范圍大玻璃體玻璃體短程有序短程有序聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制

4、造技術基礎（3） 晶體和非晶體間的相互轉(zhuǎn)化晶體和非晶體間的相互轉(zhuǎn)化n兩者在某些條件下可以相互轉(zhuǎn)化。兩者在某些條件下可以相互轉(zhuǎn)化。n金屬液體在高速冷卻的條件下，可以得到非晶態(tài)金金屬液體在高速冷卻的條件下，可以得到非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）。屬（金屬玻璃）。n非晶態(tài)的玻璃經(jīng)高溫長時間加熱又可形成晶體玻璃。非晶態(tài)的玻璃經(jīng)高溫長時間加熱又可形成晶體玻璃。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎硅表面原子排列硅表面原子排列 碳表面原子排列碳表面原子排列 非晶非晶 準晶準晶 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造

5、技術基礎工程材料及機械制造技術基礎二、原子間的結合力與結合能原子的結合能愈大，鍵的結合力愈強。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎三、原子間結合鍵的類型三、原子間結合鍵的類型結合鍵結合鍵離子鍵離子鍵共價鍵共價鍵金屬鍵金屬鍵分子鍵分子鍵聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning金屬鍵金屬鍵：依靠正離子與構成：依靠正離子與構成電子氣的自由電子之間的靜電子氣的自由電子之間的靜電引

6、力而使諸原子結合到一電引力而使諸原子結合到一起的方式。起的方式。金屬晶體：金屬晶體：導電性、導熱性、導電性、導熱性、延展性好，熔點較高。如金延展性好，熔點較高。如金屬。屬。 金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖鉬的結構鉬的結構金屬離子與金屬原子最外層的自由電子結合形成金屬離子與金屬原子最外層的自由電子結合形成聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎特點：特點：n 在金屬晶體中，價電子彌在金屬晶體中，價電子彌漫

7、在整個體積內(nèi)，所有的金漫在整個體積內(nèi)，所有的金屬離子皆處于相同的環(huán)境之屬離子皆處于相同的環(huán)境之中，全部離子中，全部離子(或原子或原子)均可均可被看成是具有一定體積的圓被看成是具有一定體積的圓球，所以金屬鍵球，所以金屬鍵無所謂飽和無所謂飽和性和方向性性和方向性。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎當兩個相同的原子或性質(zhì)相差不大的原子相互接近時，它們的原子間不會有當兩個相同的原子或性質(zhì)相差不大的原子相互接近時，它們的原子間不會有電子轉(zhuǎn)移。

8、此時相鄰原子各提供一個電子形成共用電子對，以達到穩(wěn)定的電電子轉(zhuǎn)移。此時相鄰原子各提供一個電子形成共用電子對，以達到穩(wěn)定的電子結構子結構共價鍵示意圖共價鍵示意圖金剛石結構金剛石結構共價鍵與原子晶體共價鍵與原子晶體聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎共價鍵與原子晶體共價鍵與原子晶體原子結合：原子結合：電子共用，結合力大，電子共用，結合力大，有方向性和飽和性有方向性和飽和性；原子晶體：原子晶體：強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、 脆性大、導電性差。如陶瓷材料。脆性大、導電性差。如陶瓷材料。 2003

9、 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎當正電性金屬原子與負電性非金屬原子形成化合物時，通過外層電子的當正電性金屬原子與負電性非金屬原子形成化合物時，通過外層電子的重新分布和正、負離子間的靜電作用而相互結合，從而形成離子晶體重新分布和正、負離子間的靜電作用而相互結合，從而形成離子晶體離子鍵示意圖離子鍵示意圖氯化鈉結構氯化鈉結構 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子

10、晶體聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎 離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體原子結合：原子結合：電子轉(zhuǎn)移，結合力大，電子轉(zhuǎn)移，結合力大，無方向性和飽和性無方向性和飽和性；離子晶體：離子晶體：硬度高，脆性大，熔點高、導電性差。硬度高，脆性大，熔點高、導電性差。 如如NaCl。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎特點：特點：n 在離子鍵結合中，由于離子的外層電子比較牢固在

11、離子鍵結合中，由于離子的外層電子比較牢固地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見光，所以典型的離子晶體是因而不吸收可見光，所以典型的離子晶體是無色無色透明透明的。的。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎分子鍵與分子晶體分子鍵與分子晶體n范德瓦爾力：外層電子穩(wěn)定的原子或分子之間存在范德瓦爾力：外層電子穩(wěn)定的原子或分子之間存在的一種微弱結合力的一種微弱結合力n分子鍵：分子與分子通過偶極之間的吸引力結合在分子鍵：分子與分子通過偶極之間的吸引力結合在一起的方式一起的方式n

12、材料特點：彈性模量、強度、硬度、熔點均很低。材料特點：彈性模量、強度、硬度、熔點均很低。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎結合鍵種結合鍵種類類結構特結構特點點熱力學性能熱力學性能力學性能力學性能電學性能電學性能結合能結合能/（kJ/mol）金屬鍵金屬鍵無方向無方向性性熔點有高有低，熔點有高有低，導熱性好，結導熱性好，結晶溫度范圍寬晶溫度范圍寬硬度、強度有硬度、強度有高有低，有塑高有低，有塑性性導電性良好導電性良好113660共價鍵共價鍵方向性方向性明顯明顯熔點高，熱膨熔點高，熱膨脹系數(shù)小脹系數(shù)小強度高，硬度強度高，硬度大大絕

13、緣體，熔體為非導絕緣體，熔體為非導體體150712離子鍵離子鍵無方向無方向性，或性，或方向性方向性不明顯不明顯熔點高，熱膨熔點高，熱膨脹系數(shù)小脹系數(shù)小強度高，硬度強度高，硬度大，劈裂性良大，劈裂性良好好絕緣體，熔體為導體絕緣體，熔體為導體5861047范德瓦爾范德瓦爾鍵鍵（分子鍵）（分子鍵）有方向有方向性性熔點低，熱膨熔點低，熱膨脹系數(shù)大脹系數(shù)大強度、硬度低強度、硬度低絕緣體，不導電絕緣體，不導電42表表1-1不同結合鍵能的比較不同結合鍵能的比較由表可知，離子鍵結合能最高，共價鍵其次，金屬鍵第三，范德瓦爾鍵最弱。因此，具有不同結合鍵的材料的特性也有明顯的差異。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學

14、機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎第二節(jié) 工程材料的分類2、按結晶狀態(tài)分：、按結晶狀態(tài)分：單晶體材料單晶體材料多晶體材料多晶體材料非晶體材料非晶體材料1、按用途分：、按用途分：建筑材料建筑材料電工材料電工材料結構材料結構材料3、按物理性能分：、按物理性能分：半導體材料、磁性材料、激光材料、熱電材料、半導體材料、磁性材料、激光材料、熱電材料、壓電材料、壓敏材料、聲電材料、光電材料等等壓電材料、壓敏材料、聲電材料、光電材料等等聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎本課程主要研究：用于機械結構和機械

15、零件的本課程主要研究：用于機械結構和機械零件的 機械工程材料機械工程材料 。機械工程材料機械工程材料金屬材料金屬材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料復合材料復合材料黑色金屬黑色金屬有色金屬有色金屬鑄鐵鑄鐵碳鋼碳鋼合金鋼合金鋼鋁合金鋁合金銅合金銅合金其它有色金屬其它有色金屬塑料塑料橡膠橡膠合成纖維合成纖維傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷特種陶瓷金屬基復合材料金屬基復合材料高分子基復合材料高分子基復合材料陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎一、金屬材料一、金屬材料 n金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以

16、金屬為基的合金。最簡單的金屬材料是純金屬。工程應用的金屬材料，原子間的結合鍵基本上為金屬鍵，皆為金屬晶體材料。n工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分：（1）黑色金屬）黑色金屬 鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)； （2）有色金屬）有色金屬 黑色金屬以外的所有金屬及其合金。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎二、高分子材料二、高分子材料 n高分子材料為有機合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強度強度，良好的塑性塑性，較強的耐腐

17、蝕耐腐蝕性性能，很好的絕緣性絕緣性，以及重量輕輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結構材料。n工程上通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類：塑塑料、合成纖維、橡膠。料、合成纖維、橡膠。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎n特點特點n高分子材料它具有良好的塑性、較強的耐蝕性、很好的電高分子材料它具有良好的塑性、較強

18、的耐蝕性、很好的電絕緣性、重量輕、減振性好及密度小等優(yōu)良性能絕緣性、重量輕、減振性好及密度小等優(yōu)良性能n和無機非金屬材料一樣，高分子材料按其分子鏈排列有序和無機非金屬材料一樣，高分子材料按其分子鏈排列有序與否，可分為結晶聚合物和無定形聚合物兩類與否，可分為結晶聚合物和無定形聚合物兩類n結晶聚合物的強度較高，結晶度取決于分子鏈排列的有序結晶聚合物的強度較高，結晶度取決于分子鏈排列的有序程度程度聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎三、陶瓷材料三、陶瓷材料 n陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素(通常為氧)的化合物n陶瓷具有高熔

19、點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點 n缺點是脆性脆性很大。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎四、復合材料四、復合材料 n由兩種或兩種以上不同材料的組合而成，其性能優(yōu)于其組成材料 鈦基復合材料鈦基復合材料 橡塑復合材料橡塑復合材料 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎第三節(jié)第三節(jié) 工程材料的性能工程材料的性能v使用性能：使用性能：材料在使用條件下所表現(xiàn)出來

20、的性能，包括力學、物理和化學性能。v工藝性能：工藝性能：制造工藝過程中，材料適應加工的能力。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎 一、力學性能一、力學性能 材料受力后就會產(chǎn)生變形，材料力學性能是指材材料受力后就會產(chǎn)生變形，材料力學性能是指材料在受力時的行為。料在受力時的行為。&描述材料變形行為的指標是描述材料變形行為的指標是應力應力 和和應變應變 。 單位面積上的單位面積上的作用力作用力 單位長度的單位長度的變形變形聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎

21、0AF l0試樣的原始標距長度；試樣的原始標距長度； l試樣受力變形后的標距長度。試樣受力變形后的標距長度。%10000lllF所加載荷（所加載荷（N）；）；A0試樣的原始截面積（試樣的原始截面積（mm2）；）；MPa聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎斷裂斷裂韌性韌性疲勞疲勞沖擊沖擊韌性韌性硬度硬度強度強度塑性塑性力學力學性能性能材料的力學性能包括哪些？聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎1、拉伸實驗（ GB6397-1986 ）在拉伸試驗機上，使試樣承受軸

22、向拉力P并使試樣緩慢拉伸，直至試樣斷裂。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎圖圖1 1 標準拉伸試樣標準拉伸試樣圖圖2 2 拉伸試樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象拉伸試樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象圖圖3 3 拉伸式樣斷裂拉伸式樣斷裂圖圖4 4 斷口低倍放大像（斷口低倍放大像（SEMSEM）圖圖5 5 斷口高倍放大像（斷口高倍放大像（SEMSEM）聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎屈服屈服強度強度力力伸長曲線伸長曲線b屈服屈服彈彈性性變變形形斷裂斷裂塑塑性性變變形形 （F）LOaefc縮頸縮

23、頸抗拉抗拉強度強度彈性彈性極限極限bse延伸率：延伸率：斷面收縮率：斷面收縮率：OOLLLAuOOSSSZuA A2-5% 2-5% 屬脆性材科屬脆性材科A5-10% A5-10% 屬韌性材料屬韌性材料A10% A10% 屬塑性材料屬塑性材料0.2聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎1）剛性指標 ：彈性模量E 單位：GPa 剛度是指金屬材料受外力作用時，抵抗彈性變形的能力在彈性范圍內(nèi)，應力與應變的比值稱為彈性模量，用符號E表示Ea. E越大，表示在一定的應力作用下彈性變形越小，即剛度越大。b. E的大小主要決定于材料的原子結合

24、力，即E是材料是固有屬性。c. 相同材料的零件，截面尺寸大的不易發(fā)生彈性變形。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎eeO低碳鋼應力低碳鋼應力-應變曲線應變曲線oe：彈性變形階段：彈性變形階段n 試樣的應力與應變成試樣的應力與應變成正比。正比。n 卸去載荷，試樣伸卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復長量消失，試樣恢復原狀。原狀。 e：彈性極限彈性極限聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎2）強度指標 ：屈服強度s 抗拉強度b單位：MPa(N/mm2)強度是指金屬材料

25、在外力作用時，抵抗塑性變形和斷裂的能力屈服強度s：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限。表征材料抵抗微量塑性變形的能力?？估瓘姸萣：金屬材料拉斷前所能承受的最大應力。00FPFPbbss 脆性材料拉伸曲線上沒有水平線段，難確定屈服點S，規(guī)定試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時的應力值,稱為該材料的條件屈服強度bs/屈強比，其值一般0.65-0.75。屈強比越小，工程構件的可靠性越高。屈強比越大，材料強度利用率越高，但可靠性降低。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎bsOsb低碳鋼應力低碳鋼應力-應變曲線應變曲線sb：強化階段：強化階段b

26、：抗拉強度抗拉強度 表示材料對最大均表示材料對最大均勻塑性變形的抗力。勻塑性變形的抗力。 試樣發(fā)生明顯而均試樣發(fā)生明顯而均勻的塑性變形。勻的塑性變形。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎bOZb低碳鋼應力低碳鋼應力-應變曲線應變曲線bz：縮頸階段：縮頸階段 試樣開始發(fā)生不均勻塑性試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形并形成變形并形成縮頸縮頸，應力下，應力下降，最后斷裂。降，最后斷裂。z聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院

27、工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎1000MPA46%13%41%420MPA220MPA 汽車車身各部位用鋼量及用鋼強度（ ）0.2聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎3）塑性指標 ：伸長率 、斷面收縮率 %100001LLL%100010FFF應用中：10試樣 L0=10d0 5 試樣 L0=5d0金屬材料因具有一定的塑性才能進行各種變形加工，并且零件在使用中偶然過載，將產(chǎn)生一定塑性變形，而不致突然斷裂，從而提高了零件使用的可靠性。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術

28、基礎工程材料及機械制造技術基礎seeOs低碳鋼應力低碳鋼應力-應變曲線應變曲線es：塑性變形階段：塑性變形階段 （屈服階段）（屈服階段） 應力與應變間不再成正比，應力與應變間不再成正比，出現(xiàn)出現(xiàn)屈服齒屈服齒。 卸去載荷，試樣的變形只卸去載荷，試樣的變形只能部分恢復，保留一部分能部分恢復，保留一部分殘殘余變形。余變形。 載荷不增加時，試樣的載荷不增加時，試樣的變形量仍變形量仍自動增大自動增大。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎seeOs低碳鋼應力低碳鋼應力-應變曲線應變曲線es：塑性變形階段：塑性變形階段 （屈服階段）（屈服階

29、段）s：屈服強度（屈服點）屈服強度（屈服點） 對于無明顯屈服的對于無明顯屈服的塑性材料，規(guī)定以產(chǎn)塑性材料，規(guī)定以產(chǎn)生生0.2%殘余變形的殘余變形的應力值為其屈服極限。應力值為其屈服極限。0.2：名義屈服強度名義屈服強度聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎bseeOszboe：彈性變形階段彈性變形階段es：塑性變形階段塑性變形階段 （屈服階段）（屈服階段）sb：強化階段強化階段bz：縮頸階段縮頸階段z：斷裂斷裂低碳鋼應力低碳鋼應力-應變曲線應變曲線聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程

30、材料及機械制造技術基礎2.硬度硬度:材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力， 即受壓時抵抗局部變形（特別是塑性變形、壓痕或劃痕）的能力。 洛氏硬度 HR維氏硬度 HV布氏硬度 HB 常用硬度指標常用硬度指標聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎（1 1） 布氏硬度（布氏硬度（HB) HB) 一定直徑一定直徑D D的球體的球體( (淬火淬火鋼球或硬質(zhì)合金球鋼球或硬質(zhì)合金球) )在一在一定載荷作用下壓入試樣表定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除面，保持一定時間后卸除載荷，測量其載荷，測量其壓痕直徑壓痕直徑，根據(jù)壓痕面積，確定硬度根據(jù)

31、壓痕面積，確定硬度大小。大小。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎（1 1） 布氏硬度（布氏硬度（HB) HB) v 布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受布氏硬度值用球面壓痕單位表面積上所承受 的平均壓力來表示。的平均壓力來表示。v 當用淬火鋼球壓頭時當用淬火鋼球壓頭時，450，HBS。 當用硬質(zhì)合金球時，當用硬質(zhì)合金球時，450600，HBW。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎布氏硬度實驗示意圖布氏硬度實驗示意圖聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽

32、車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎布氏硬度試驗原理圖布氏硬度試驗原理圖 222()0.102()FHBS HBWD DDd注意注意： FN； D、dmm。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎n特點：一般來說，布氏硬度值越小，材料越軟，其壓痕直徑越大；反之，布氏硬度值越大，材料越硬，其壓痕直徑越小。n優(yōu)點：具有較高的測量精度，壓痕面積大，能在較大范圍內(nèi)反映材料的平均硬度，測得的硬度值也較準確，數(shù)據(jù)重復性強。n缺點：布氏硬度使材料表面壓痕大，不宜測成品或薄片的硬度，常測鑄鐵、有色金屬、低合金結構鋼等坯料

33、硬度。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎（2 2） 洛氏硬度洛氏硬度HRHRn將金剛石壓頭將金剛石壓頭( (或鋼球壓頭或鋼球壓頭), ), 在先后施加兩個載荷在先后施加兩個載荷( (預預載荷載荷F F0 0和總載荷和總載荷F F ) )的作用下壓入金屬表面。的作用下壓入金屬表面。n總載荷總載荷F F 為預載荷為預載荷F F0 0和主載荷和主載荷F F1 1之和。之和。n卸去主載荷卸去主載荷F F1 1后后, , 測量其殘余壓入深度測量其殘余壓入深度h h，用用h h與與h h0 0之之差差h h，來計算硬度值大小。來計算硬

34、度值大小。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎洛氏硬度測量原理圖洛氏硬度測量原理圖 n測試過程n硬度和壓痕深度的關系？n材料硬，壓坑深度淺，則硬度值高；材料軟，壓坑深度深，則硬度值低。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎洛氏硬度壓痕聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎根據(jù)試驗材料硬度的不同，分3種不同的標度來表示：nHRA：采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得硬度 用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金

35、等)。nHRB：采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球求得硬度 用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。nHRC：采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得硬度 用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎（3） 維氏硬度維氏硬度HV維氏硬度試驗原理2285441682dF.sindFSFoHV=F試驗力，單位為N（kgf）。d壓痕對角線長度的平均值（mm）。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎維氏硬度實驗示意圖維氏硬度實驗示意圖（

36、3） 維氏硬度維氏硬度HV維氏硬度計維氏硬度壓痕聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎優(yōu)點：優(yōu)點：n壓痕是壓痕是正方形正方形，輪廓清晰，對角線測量準確，輪廓清晰，對角線測量準確，精度最高精度最高的，同時的，同時重復重復性也很好性也很好，這一點比布氏硬度計優(yōu)越。，這一點比布氏硬度計優(yōu)越。n 測量測量范圍寬廣范圍寬廣，可以測量目前工業(yè)上所用到的，可以測量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料幾乎全部金屬材料。n維氏硬度計試驗的試驗力可以小到維氏硬度計試驗的試驗力可以小到10gF，壓痕非常小，特別適合，壓痕非常小，特別適合測測試薄小材料試

37、薄小材料。 缺點：缺點：n試驗試驗效率低效率低，要求較高的，要求較高的試驗技術試驗技術，對于試樣表面的，對于試樣表面的光潔度光潔度要求較高，要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時麻煩費時，通常只在實驗室中使用。，通常只在實驗室中使用。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎（4）其他硬度（自學）a肖氏硬度 又名回跳硬度。b莫氏硬度 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎動載主要兩種形式:n載荷以較高速度施加到零件上,形成沖擊，如沖

38、頭；n載荷大小和方向呈周期性變化，形成交變載荷，如齒輪。3、沖擊韌性 ： 沖擊韌性ak沖擊韌性是指金屬材料在沖擊載荷作用下，抵抗斷裂的能力聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎沖擊實驗（GB 229-84） k=G(H1-H2)*9.8/S (J/m)式中：k沖擊韌度值； G 實驗機擺錘質(zhì)量； H1擺錘原始高度； H2沖斷試樣后擺錘的終止擺動高度； S試樣斷口處的橫截面積。沖擊韌性的大小與材料成分、環(huán)境溫度、缺口形狀、試樣大小等有關。）（2cmkkaJSA k越大，沖擊韌性越大聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院

39、工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎T(c)-40-20020204060ak韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度TT，a ak k急劇急劇韌性韌性脆性脆性n金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖擊韌性愈好。低，材料的低溫沖擊韌性愈好。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎TITANIC的沉沒與船體材料的質(zhì)量直接有關Titanic近代船用鋼板沖擊實驗結果對比沖擊實驗結果對比建造中的Titanic聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎4

40、、斷裂韌性n低應力脆斷：有些零件在工作應力遠遠低于屈服點時就會發(fā)生脆性斷裂。n裂紋原因n韌性脆斷的評定當當K K1 1達到臨界值（斷裂韌度）達到臨界值（斷裂韌度）K K1C1C時時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應力脆性斷裂，而擴展而出現(xiàn)低應力脆性斷裂，而K K1 1K K1C1C時時，零件安全可靠。，零件安全可靠。KI=aYY為與裂紋形狀、加載方式及試樣尺寸有關的量；為外加拉應力，單位為MPa；a為裂紋長度的一半，單位為m。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎裂紋擴展可分為張開型裂紋擴展可分為張開型

41、(型型)、滑開型、滑開型(型型)和撕開型和撕開型(型型)聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎5、疲勞強度n零件在循環(huán)應力的作用，即使工作時承受應力低于材料的屈服點或規(guī)定殘余伸長應力，在經(jīng)受一定的交變應力后也會發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。n疲勞極限-1:表示金屬材料在無數(shù)次交變載荷作用而不破壞的最大應力。循環(huán)次數(shù)（N）應力 (Mpa)N-1有限壽命有限壽命無限壽命無限壽命鋼材的循環(huán)次數(shù)鋼材的循環(huán)次數(shù) N = 10N = 107 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)有色金屬的循環(huán)次數(shù) N = 10N = 108 8聊城大學機械與汽車工程學院聊

42、城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎夾雜物放射棱線和疲勞弧線夾雜物放射棱線和疲勞弧線疲勞源疲勞源瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)擴展區(qū)擴展區(qū)高周疲勞斷口高周疲勞斷口 航空渦噴航空渦噴6 6發(fā)動機葉片疲勞斷口發(fā)動機葉片疲勞斷口 （殲擊機）（殲擊機）葉片疲勞條帶葉片疲勞條帶聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎 汽輪機機組第10級動葉片斷裂失效A裂源區(qū)裂源區(qū)B疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞裂紋擴展區(qū)C瞬時斷裂區(qū)瞬時斷裂區(qū)D剪切純區(qū)剪切純區(qū)聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及

43、機械制造技術基礎二、物理性能（補充）二、物理性能（補充） 密度密度熔點熔點熱容熱容熱膨脹性熱膨脹性導熱性導熱性磁性磁性導電性導電性介電常數(shù)介電常數(shù) 物物理理性性能能聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎1. . 密度密度 ：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。 輕金屬：鋁、鎂、鈦及它們的合金輕金屬：鋁、鎂、鈦及它們的合金 重金屬：鐵、鉛、鎢等重金屬：鐵、鉛、鎢等2. . 熔點熔點 ：材料的熔化溫度。材料的熔化溫度。 純金屬都有固定的熔點。純金屬都有固定的熔點。3. . 熱容熱容 ：在沒有體積變化時，溫度變化在沒有體積變化時，

44、溫度變化1 1時材料時材料熱量的變化。熱量的變化。聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎 4. 熱膨脹性熱膨脹性 ：材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性。：材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性。 線膨脹系數(shù)：線膨脹系數(shù)：每變化每變化時，引起材料長度上時，引起材料長度上相對膨脹相對膨脹量量的大小。的大小。 體膨脹系數(shù)：體膨脹系數(shù)：每變化每變化時，材料體積的變化和攝氏零時，材料體積的變化和攝氏零度時體積的比值。度時體積的比值。03LVLllt注意注意：各個參數(shù)的量綱。：各個參數(shù)的量綱。 lm聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工

45、程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎5. 導熱性導熱性 ：導熱性通常用熱導率來衡量。導熱性通常用熱導率來衡量。n金屬的導熱性以銀為最好金屬的導熱性以銀為最好, 銅、鋁次之。合金的導銅、鋁次之。合金的導熱性比純金屬差。熱性比純金屬差。n在熱加工和熱處理時，必須考慮金屬材料的導熱在熱加工和熱處理時，必須考慮金屬材料的導熱性。性。n導熱性好的金屬散熱也好。導熱性好的金屬散熱也好。6. 導電性導電性 ：傳導電流的能力，用電阻率來衡量。傳導電流的能力，用電阻率來衡量。n金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導電性比純金屬差。電性比純金屬差。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎7. 磁性：磁性：材料在磁場中的性能。材料在磁場中的性能。 磁性材料按照磁化后去磁的難易程度，可分為軟磁性材料按照磁化后去磁的難易程度，可分為軟磁性材料和硬磁性材料。磁性材料和硬磁性材料。 8. 介電常數(shù)：表示介電常數(shù)：表示絕緣材料電性能的物理量。絕緣材料電性能的物理量。 聊城大學機械與汽車工程學院聊城大學機械與汽車工程學院工程材料及機械制造技術基礎工程材料及機械制造技術基礎三、化學性能三、化學性能 耐腐蝕性耐腐蝕性高溫抗氧化性高溫抗氧化