任务2 工程材料的基本理论

1.载荷工程上把作用于材料（物体）上的外力称为载荷。根据载
荷的性质，分为：静载荷 动载荷 冲击载荷 交变载荷 2.材料的力学行为材料在载荷作用下或在载荷与环境因素（温
度、介质、加载速率）联合作用下所表现出的行为。宏观上一般
表现为材料的变形（几何形状和尺寸的变化）与断裂。 弹性变形 变形 力学行为 塑性变形 2013年5月10日星期五 断裂
2.洛氏硬度HR
洛氏硬度是以压痕深度来表示材料的硬度值，以 0.002㎜作为一个洛氏硬度单位。
洛氏硬度分为三个标尺，即A标（HRA）、B标 （HRB）和C标（HRC），其测量范围和应用范围各不 相同。一般生产中以HRC应用最多。
HRC是采用锥顶角为120°的金刚石圆锥作压头， 主要用于测试淬硬钢等硬度较高的材料。生产上由于洛氏 硬度压痕较小，因此可以用于较薄件和成品件的硬度测试。 2013年5月10日星期五
利地进行轧制、锻压等成型加工；并能避免服役时产生突然断裂。 断面收缩率不受尺寸的影响，能确切反映材料的塑性。 所以机械零件除了要求较高的强度，还必须具有一定的塑性。 一般情况，伸长率达5％或断面收缩率达10％的材料，即可满 足大多数零件的使用要求 2013年5月10日星期五
1.断后伸长率（延伸率）δ δ=(l1-l0)/l0×100% 塑性直接影响到零件的成型及使用。塑性好的材料，不仅能顺 2.断面收缩率ψ ψ=(A0-A1)/A0×100%
1.2 强度指标
材料在载荷作用下抵抗 破坏的能力称为强度。
由拉伸试验测得的强度指 标有：
1.弹性模量E在弹性变形范围内，材料在载荷作用下抵抗弹性变
形的能力。其应力与应变之间保持线性关系，即服从虎克(Hooke) 定律。在弹性范围 F l E
2.刚度工程上，构件（材料）抵抗弹性变形的能力即称为刚度。
6.屈强比σs/σb用以表征构件服役时的安全可靠性，其
比值越大，则构件越安全可靠。
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1.3 硬度指标
材料在载荷作用下抵抗局部塑性变形和破坏的能力称为硬度。 而陶瓷、矿物等材料的硬度则主要反映材料抵抗破坏的能力。
一般金属材料的硬度反映材料抵抗局部塑性形变的能力；
最常用的硬度试验是静压硬度试验。它是在压应力作 用下将一个硬的物体（压头）压入被测材料的表面，根据 压痕的大小或深度来表征材料硬度的高低，如布氏硬度、 洛氏硬度、表面洛氏硬度、维氏硬度等。
材料因温度降低导致冲击韧性急剧下降并引起脆性破坏的现象 称为冷脆。 工程上总是希望能确定材料的冷脆转化温度，在此温度以上只 2013年5月10日星期五 要名义应力还处于弹性范围，材料就不会发生脆性破坏。
课题4 材料的组织与结构
本课题重点
（1）三种结合键
（2）三种典型的晶体结构及其基本特性
（3）晶体缺陷及其对性能的影响
即对缺口不敏感。
很敏感。
当q→0时， Kf→1，即σ-1N → σ-1，表示缺口不降低疲劳极限， 当q→1时， Kt= Kf，表示缺口严重降低疲劳极限，即对缺口
显然，工程中总是希望材料的q值越小越好
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课题3 工程材料的力学性能之塑性与韧性
3.1 塑性指标
材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。 评定材料塑性的指标是断后伸长率δ和断面收缩率ψ。
任务2
2013年5月10日星期五
工程材料的基本理论
课题1 工程材料的力学性能之强度与硬度
有一些材料，常常用来制作一些结构件，如：桥梁、汽车 车轴和飞机机翼等。对于这类结构材料，人们会问：这种材料 能承受多大载荷；在承载时会产生多大的变形。这就涉及材料 的强度问题。人们还发现，象汽车弹簧这样受到反复载荷的零 件，会在长期使用后失效或断裂。这是材料的疲劳现象。 近年来分析了1912年发生的泰坦尼克号冰海沉船事件后 证实，是钢材的脆性断裂导致她的迅速沉没。 因此，选材时我们十分关注材料的各种力学性能，如：强 度、塑性、冲击韧性和疲劳强度等。 2013年5月10日星期五
主要发生的是弹性变形。 一般的机械零件如传动轴、汽车 弹簧、齿轮等都属于此种类型。
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4.S-N曲线与疲劳极限
应力水平（S）用R和Sa描述。 寿命（N）为至断裂的循环次数。 试验时，选择一组标准试件，施 加不同的Sa，即可得S-N曲线。如图。
当R=-1 ，Sa=Smax的对称 循环条件下得到的S-N曲 线为基本S-N曲线
材料的性能
选用材料时，我们首先必须考虑材料的有关性 能，使之与构件的使用要求相匹配。材料的性能分 为使用性能和工艺性能。
力学性能 1.使用性能 ——服役时要求的性能 物理性能 化学性能
铸造性能 锻压性能 2.工艺性能 ——加工时要求的性能 焊接性能 切削性能 2013年5月10日星期五
1.1 应明白的概念
S R= -1 S R=0 S R=1
0
N
0
Smin=0
脉冲循环
N
0
Smax=Smin
静载
N
Smax=-Smin
对称循环
主要控制参量：Sa，重要影响参量：R
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3.疲劳寿命的估算
应用于零件受很低的应力幅或
应变幅，而发生疲劳破坏的应力循环 周次很高（大于105），即要求零件 应力-寿命法即S-N 法 有无限寿命或寿命很长，因而零件
离子键
共价键
金属键
分子键
不同结合键的比较 材料的键合类型不同，则其性能不同。结合键的特性见下表。
键合方式 结构特点 离子键 无方向性或方向性不 明显，配位数大 共价键 方向性明显，配位数 小，密度小 强度高，硬度大 熔点高，膨胀系数小， 熔体中有的含有分子 绝缘体，熔体为非导体 折射率大 金属键 无方向性，配位数 大，密度大 有各种强度、塑性 有各种熔点，导热 性好，液态的温度 范围宽 导电体(自由电子) 不透明，有金属光 泽
劳极限SN（疲劳强度）。
0 . 25
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S 1

0 .5
b
6.疲劳缺口敏感性
机械零件常常带有台阶、圆角、键槽等，不可避免地存在应力 集中，从而降低零件的疲劳寿命。为此，必须考虑缺口对材料疲劳 强度的影响，这种影响通常用疲劳缺口敏感性（q）来表示。
q K K
f
1 1
σ= F’ /S
4.工程应变表征材料受力时内部各质点的相对位移。
对于各向同性材料，有三种基本的应变类型，即： 拉伸应变ε 压缩应变Δ 剪切应变τ 5.材料的力学性能材料在外加载荷作用下或载荷与环
境因素联合作用下抵抗变形和断裂的能力。 工程上，机器零件（机件）的承载条件一般用各种力 学参数（如应力、断裂韧度等）表示，所以把表征材料 力学参数的临界值或规定值称为材料的力学性能指标或 判据。 材料力学性能指标具体数值的高低表示材料抵抗变形 和断裂能力的大小，是评定材料质量的主要依据。 2013年5月10日星期五
几种材料的S-N曲线
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5.条件疲劳极限SN
某些材料如尼龙、铝、铜以 及其它面心立方结构的材料，不 存在明显的疲劳极限，它们的S-
S
SN
N曲线持续向下倾斜，因此将对 应于循环次数N为107时的应力 幅值定义为这种材料的条件疲
10
3
10
4
10
5
10
6
N
10
7
Nf
疲劳极限与其它力学 性能（强度）的关系
S
疲劳极限Sf
当循环次数N 趋于无穷大时所对 应的应力的极限值即称疲劳极限Sf。
“无穷大”被定义为： 钢材，107次循环
10 3 10 4 10 5 10 6 10 7
Nf
焊接件，2×106次循环 特别地，对称循环条件下的疲劳 2013年5月10日星期五 有色金属，108次循环。 极限Sf(R=-1)，简记为S-1. 满足S＜Sf的设计，即为无限寿命设计
1.特征 材料的力的幅值远低于
——断口清楚显示裂纹萌生、裂纹扩展、最后断裂
只有交变应力作用 三个组成部分。应力集中处，常常是疲劳破坏的起
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源。
下，疲劳才会发生
工程上，各种机件、结构发生的疲劳断裂破坏，占全
部力学破坏的50%～90%，是最常见的失效形式。
根据压头形状、材料及载荷大小的不同，布氏硬度、洛氏硬度、 维氏硬度和显微硬度各适用于不同材料的硬度测试。见下表。
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课题2 工程材料的力学性能之疲劳强度
机件在交变应力作用下产生宏观裂纹或断裂的现象称为疲劳 断裂(疲劳)。 ——“潜藏”的破坏形式。断裂时无明显的宏观塑 性变形，即断裂前没有明显的预兆，而是突然地破坏。
3.工程应力材料发生形变时，其内部粒子的相对位臵也
会发生变化，从而产生附加内力抵抗载荷的作用，试图恢 复到变形前的状态。 当达到平衡时，附加内力与外加载荷大小相等，方向 相反。 材料单位面积上所受的附加内力称为应力
F
F = F’
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F
F’

F ' S F S
F
（MPa）
（4）合金的结构及性能 本课题难点
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晶向指数和晶面指数
材料的结构是指组成材料的粒子（分子、原子或离子）的空 间组合、分布与排列情况。
在外界条件确定的情况下，材料的性能取决于材料内部的构
造（结构）。这种构造（结构）便是组成材料的原子种类和 所占分量（成分）以及它们的排列方式和空间分布。了解材
t
Kt——理论应力集中系数
K
t
Kf——有效应力集中系数
, K 查
f


max m
，K
t