工程材料緒論、材料的性能

工程材料

Engineeringmaterials緒論課程的主題：材料（Materials)一、材料與材料學(xué)

1.材料的定義

2.材料的歷史

3.材料學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容二、材料的分類三、《工程材料》的性質(zhì)和任務(wù)緒論緒論材料：用以制造各種機(jī)器、器件、結(jié)構(gòu)等具有某種特性的物質(zhì)的實(shí)體。緒論—材料的定義材料：人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。緒論—材料的定義材料：人類社會(huì)文明程度的標(biāo)志。

石器時(shí)代緒論—材料的歷史

陶器時(shí)代緒論—材料的歷史青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代緒論—材料的歷史新材料的使用對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用：鋼鐵材料孕育了產(chǎn)業(yè)革命；半導(dǎo)體材料促進(jìn)了現(xiàn)代信息技術(shù)的建立和發(fā)展；復(fù)合材料及新型超合金材料為空間技術(shù)的發(fā)展奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)又為現(xiàn)代數(shù)字信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來了無限美好的前景。人類社會(huì)進(jìn)步與發(fā)展中的每一個(gè)重大突破，都是因?yàn)橛辛讼冗M(jìn)的新材料而得以實(shí)現(xiàn)。緒論—材料的歷史使用表現(xiàn)性能/性質(zhì)成分/結(jié)構(gòu)制備/加工MSE的四個(gè)組成要素：MSE—MaterialsScienceandEngineering緒論—材料學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容工程材料課程的主線：成分（Composition）組織、結(jié)構(gòu)（Structure）性能（Performance）加工（Working）緒論—材料學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章功能材料（Functionalmaterials）緒論—材料的分類材料按材料的性能特征和用途分類：結(jié)構(gòu)材料：具有較高力學(xué)性能并主要用來制造機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件的材料。功能材料：具有特殊物理、化學(xué)等性能并主要用來制造具有特定功能的元、器件和產(chǎn)品的材料。結(jié)構(gòu)材料（Structuralmaterials）金屬材料（MetallicMaterials）材料非金屬材料（NonmetallicMaterials）復(fù)合材料（CompoundMaterials）按材料的化學(xué)組成分類：緒論—材料的分類無機(jī)非金屬材料（陶瓷材料）有機(jī)高分子材料復(fù)合材料：由兩種或兩種以上的不同性質(zhì)或不同組織結(jié)構(gòu)的材料以微觀或宏觀的形式組合而成的材料。

金屬材料黑色金屬（FerrousMetal）有色金屬（NonferrousMetal）—鋼鐵、錳、鉻及其合金—鋁、銅、鎂、鈦等及其合金緒論—材料的分類金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。金屬材料是工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的工程材料。無機(jī)非金屬材料（陶瓷材料）

—陶瓷、玻璃、水泥等陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價(jià)鍵。有機(jī)高分子材料—塑料、橡膠、涂料、纖維等高分子材料的結(jié)合鍵主要是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。三大類材料：緒論—課程的性質(zhì)和任務(wù)課程的性質(zhì)：

《工程材料》課程是機(jī)械類和近機(jī)類各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。課程的主要任務(wù)：根據(jù)零件的工作（服役）條件與性能要求，合理選擇材料，確定加工工藝及路線，保證材料性能潛力的充分發(fā)揮，獲得理想的使用性能，提高產(chǎn)品零件的質(zhì)量，節(jié)省材料，降低成本。即：

服役條件—性能要求—選材—制定工藝路線—獲得使用性能

教學(xué)參考書：

[1]王煥庭，機(jī)械工程材料，大連理工大學(xué)出版社，1991年

[2]崔忠圻，金屬學(xué)與熱處理，機(jī)械工業(yè)出版社，1996年材料的性能材料的性能力學(xué)性能（機(jī)械性能）物理性能化學(xué)性能工藝性能使用性能鑄造性能焊接性能可鍛性能切削加工性能材料的性能材料的性能第一節(jié)力學(xué)性能材料的力學(xué)性能是材料在受外力作用時(shí)表現(xiàn)出的性能。拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)A′ABCDE

p

e

s

b

E低碳鋼的

－

曲線

p—比例極限

e—彈性極限

s—屈服強(qiáng)度

b—抗拉強(qiáng)度

＝E

E—?jiǎng)偠炔牧系男阅躉材料的性能材料的性能一、彈性和剛度

1.彈性（Elasticity）材料在外力作用下不產(chǎn)生永久變形的能力。彈性極限（Elasticlimit）

其中，F(xiàn)e為彈性極限載荷，N；A0為試樣原始橫截面積，mm2。

2.剛度（Stiffness）材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力。根據(jù)Hooke’slaw：

＝E

其中，E為彈性模量，MPa，表征剛度。（MPa）（MPa）材料的性能二、強(qiáng)度和硬度

1.強(qiáng)度（Strength）

材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強(qiáng)度（YieldStrength）材料抵抗塑性變形的能力。其中，F(xiàn)s為試樣屈服時(shí)的載荷，N。條件屈服強(qiáng)度沒有明顯塑性變形的塑性材料，以產(chǎn)生0.2%永久變形時(shí)的應(yīng)力值作為其屈服強(qiáng)度，稱條件屈服強(qiáng)度。

其中，F(xiàn)0.2為試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷，N。（MPa）（MPa）材料的性能

抗拉強(qiáng)度（TensileStrength）：材料在拉伸力作用下抵抗被拉斷的能力，為材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。其中，F(xiàn)b為試樣斷裂前的最大載荷，N。其他強(qiáng)度指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度。

2.硬度（Hardness）材料抵抗局部變形的能力，即抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。

（MPa）結(jié)論：通常材料的強(qiáng)度越高，硬度也越高。

材料的性能布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV肖氏硬度HS銼刀法硬度的測(cè)量方法：材料的性能

布氏硬度HB（Brinell-hardness）

用一定載荷F，將直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測(cè)材料的表面，保持一定時(shí)間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積確定硬度值。F壓頭被測(cè)材料布氏硬度測(cè)試示意圖

布氏硬度計(jì)

材料的性能

洛氏硬度HR（Rockwllhardness）

將錐度為120°的金剛石或鋼制標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測(cè)材料表面，根據(jù)壓痕深度確定硬度值。壓頭被測(cè)材料洛氏硬度測(cè)試方法

洛氏硬度計(jì)

材料的性能

維氏硬度HV（DiamondPenetratorHardness

）

用一種頂角為136°的金鋼石角錐壓頭，在載荷F（kgf）作用下，材料表面壓出一個(gè)四方錐形壓痕，測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d（mm），計(jì)算壓痕面積A（mm2），以F/A的數(shù)值表示硬度值。壓頭被測(cè)材料維氏硬度測(cè)試方法

維氏硬度計(jì)

壓痕材料的性能

常用硬度測(cè)試方法的應(yīng)用范圍：布氏硬度HB

通常測(cè)試較軟的材料。如退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵，有色金屬等。洛氏硬度HR

通常測(cè)試較硬的材料。如淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等。布氏硬度和洛氏硬度的簡(jiǎn)單換算：

1HRC≈10HBS維氏硬度HV

適于測(cè)試材料極薄層的硬度。如金屬鍍層、薄片金屬、滲碳或氮化件的表面硬度等。材料的性能三、塑性和韌性

1.塑性（Plasticity）材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不斷裂的能力。斷面收縮率（PercentageReductioninArea）

其中，A1和A0分別為試樣拉斷處和試樣原始的橫截面積，mm2。伸長(zhǎng)率（延伸率）（SpecificElongation）

其中，L1和L0分別為試樣拉斷后和試樣原始的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。材料的性能

2.韌性（Toughness）材料斷裂時(shí)所需能量的度量。沖擊韌性（NotchToughness）材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功Ak:

Ak=mg·h1–mg·h2

（J）沖擊韌性值ak

是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，用以表示材料沖擊韌性的大?。和ǔ２牧系乃苄栽胶?，韌性也越好。（J/cm2）材料的性能沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖材料的性能

材料的強(qiáng)度、硬度與塑性、韌性的關(guān)系：通常，材料的強(qiáng)度越高，則硬度越大。通常，材料的塑性越好，則韌性越好。通常，材料的強(qiáng)度和硬度越高，則塑性和韌性越低。材料的性能四、疲勞強(qiáng)度

疲勞（Fatigue）材料在交變載荷作用下，在低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下即發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞強(qiáng)度（FatigueStrength）材料在規(guī)定次數(shù)的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力，用

-1

表示。疲勞強(qiáng)度又稱疲勞極限。規(guī)定次數(shù)：鋼鐵材料：107有色金屬及其合金：108。鋼鐵材料的

-1值約為其

b的1/2，非金屬材料的

-1

一般遠(yuǎn)低于金屬。材料的疲勞損壞在工程領(lǐng)域中是較普遍的一種失效形式。因此，提高材料及其制品的疲勞壽命非常重要。

材料的性能第二節(jié)物理和化學(xué)性能一、物理性能

1.密度（Density）材料單位體積的質(zhì)量。與密度有關(guān)的重要指標(biāo)：比強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度與密度的比值，

b/

。飛機(jī)、宇宙飛船上使用的結(jié)構(gòu)材料要求有高的比強(qiáng)度。

Ti、Al及其合金具有高的比強(qiáng)度。比彈性模量彈性模量與密度的比值，E/

。材料的性能

2.熔點(diǎn)（MeltingPoint）材料的熔化溫度。晶體材料具有固定的熔點(diǎn)，而非晶體則沒有固定的熔點(diǎn)。

3.熱容（HeatCapacity）材料在沒有體積變化時(shí)，溫度變化1℃時(shí)熱量的變化。材料從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，是因?yàn)槠鋬?nèi)部的原子或分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這使材料的熱容也發(fā)生變化。如材料在熔化或氣化時(shí)，需要外界輸入熱量，表現(xiàn)為材料的熱容發(fā)生了變化。

4.熱膨脹性（Expansibility）線膨脹系數(shù)

材料每變化1℃時(shí)引起的長(zhǎng)度相對(duì)膨脹量的大小。一般來說，陶瓷的線膨脹系數(shù)最小，金屬次之，高分子材料最大。材料的性能5.導(dǎo)熱性（HeatConductivity）材料傳導(dǎo)熱量的性能。通常，金屬及合金的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)高于非金屬材料。

6.導(dǎo)電性（ElectricConductivity）材料傳導(dǎo)電荷的性能，用電導(dǎo)率或電阻率表示。金屬及其合金一般具有良好的導(dǎo)電性，陶瓷材料和高分子材料一般是絕緣體。

7.磁性（Magnetism）材料在磁場(chǎng)中導(dǎo)磁的性能。物質(zhì)的磁性主要有抗磁性、順磁性、鐵磁性等。

8.介電常數(shù)（DielectricConstant）材料在電場(chǎng)中被極化的性能。材料的性能二、化學(xué)性能

1.耐腐蝕性（CorrosionResistance）材料抵抗介質(zhì)侵蝕的能力。陶瓷材料和高分子材料的而腐蝕性通常比金屬材料高得多。

2.高溫抗氧化性（OxidationResistanceatHighTemperature)

材料在高溫下迅速氧化后，能在表面形成一層連續(xù)而致密并與母體結(jié)合牢靠的膜從而阻止進(jìn)一步氧化的能力。

3.抗老化性能（AgeingResistance）高分子材料抵抗老化的能力。

4.降解性（Degradability）

塑料在自然環(huán)境下能否迅速分解的能力。材料的性能第三節(jié)工藝性能一、鑄造性澆注鑄件時(shí)，液態(tài)材料能充滿鑄型并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的性能。鑄造性的好壞與液態(tài)材料的流動(dòng)性、收縮率、偏析等因素有關(guān)