第一章 材料性能及应用意义
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、工程材料分类、性能及应用范围；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合金都叫做铁合金。
（2 ）铸铁。
具有优良铸造性能和良好耐磨性、消震性及低缺口敏感性。
还具有良好耐热性和耐腐蚀性。
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，可将钢分为普通钢、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、特殊性能钢等。
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，可将钢分为镇静金刚、半镇静钢和沸腾钢。
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 ．按供应时保证条件分类，可将钢分为甲类钢、乙类钢和特类钢。
②钢牌号表示方法。
根据牌号可以看出钢类别、含碳量、合金元素及其含量、冶炼质量以及应该具备性能和用途。
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% 钢。
再如9Cr18 表示平均含碳量为0.9% 、含Cr 量为18% 不锈钢。
③国外钢牌号主要特点方（略）。
④几种常用钢主要特点及用途。
A ．普通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钢筋，机械制造中使用普通螺钉、螺母、垫圈、轴套等，也能轧成板材、型材（如工字钢、槽钢、角钢等）；乙类钢用途与相同数字甲类钢相同。
B ．普通低合金钢是在普通碳素钢基础上。
加入了少量合金元素，不仅具有耐腐蚀性、耐磨损等优良性能，还具有更高强度和良好力学性能。
材料力学性能
非理想弹性
一、滞弹性（ 滞弹性（弹性后效） 弹性后效） 材料在快速加载或卸 载后， 载后，随 时间的延长而产生附加弹 性应变的性能。 性应变的性能。其应力－ 其应力－ 应变曲线与时间的关系如 应变曲线与时间的关系如 图5所示。 所示。
特点： 在弹性应力范围内， 在弹性应力范围内，与所加应力对 应一个初始应变， 应一个初始应变，在保持应 力 时，产生附加应变。（ 产生附加应变。（常见于金 。（常见于金 属和高分子材料中， 属和高分子材料中，原因： 原因：化学 成分， 成分，温度， 温度，切应力大小， 切应力大小，组织 均匀性等， 均匀性等，会影响测力弹簧， 会影响测力弹簧，薄 膜传感器的精度。） 膜传感器的精度。）
图7 伪弹性示意图
应用： 应用：形状记忆合金。 形状记忆合金。
包申格效应
四、包申格效应 包申格（ 包申格（Bauschinger）效应是指 效应是指， 是指，金属材料经预先加载 金属材料经预先加载 产生少量塑性变形（ 产生少量塑性变形（残余变形小于4％），然后再反 ％），然后再反 向加载时， 向加载时，弹性极限或屈服极限降低的现象， 弹性极限或屈服极限降低的现象，特别是 弹性极限几乎下降到0。 现象： 现象： a 材料单向拉伸时的起始屈服应力为 材料单向拉伸时的起始屈服应力为A，同样， 同样，压缩时的 起始屈服应力B大致与A相同。 相同。 b 材料先拉伸至 卸载，然后再反向压缩则反向屈服 然后再反向压缩则反向屈服 材料先拉伸至C点，卸载， 点降低到E 点。
内耗
五、内耗 在非理想弹性的情况下， 在非理想弹性的情况下，由于应力和应变不同步， 由于应力和应变不同步，使加 载线和卸载线不重合而形成一封闭回线， 载线和卸载线不重合而形成一封闭回线，这个回线称 为弹性滞后环。 为弹性滞后环。 这一现象说明加载时材料吸收的变形功（ 这一现象说明加载时材料吸收的变形功（能）大于卸载 时材料释放的变形功， 时材料释放的变形功，有一部分变形功被材料吸收， 有一部分变形功被材料吸收， 储存在材料内部， 储存在材料内部，称为内耗 称为内耗（ 又叫消振性），用回线 内耗（又叫消振性）， ），用回线 的面积大小度量。（ 的面积大小度量。（如图 。（如图9） 工程应用： 工程应用： 音叉在真空中做弹性振动， 音叉在真空中做弹性振动，但是由于内耗的作用， 但是由于内耗的作用， 振幅逐渐衰减， 振幅逐渐衰减，最后停止。 最后停止。
材料性能及应用意义
二、 物 理 性 能
固体材料中，由原子、离子、电子及它们之 间的相互作用所反映出现的物理性能，不仅对工 程材料的选用有着重要的意义，而且也会对材料 的加工工艺产生一定的影响。这里简单介绍工程 上常用物理性能的一般概念。
物 理 性 能
（一）密 度
3
单位体积的物质质量称为密度（单位g/cm 或 3 t/m ）。一般而言，金属材料具有较高的密度（如 3 钢铁密度为7.8t/m ），陶瓷材料次之，高分子材料 3 最低。金属材料中，密度在4.5t/m 之下的称为轻金 3 属，其中铝（2.7t/m ）为典型代表。
三、 焊 接 性 能
焊接是材料的连接成形方法之一，广泛地用 于连接金属材料。材料的焊接性能是指被焊材料 在一定的焊接条件下获得优质焊接接头的难易程 度，它包括两个主要方面：其一是焊接接头产生 缺陷的倾向性（如各种焊接裂纹、气孔等），其 二是焊接接头的使用可靠性（如强度、韧性等）。
四、 切削加工性能
第三节
材料的工艺性能
一、 铸 造 性 能
将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状相适 应的铸型空腔中，冷却后获得铸件的方法称为铸 造。铸造性能通常包括流动性、收缩、疏松、成 分偏析、吸气性、铸造应力及冷热裂纹倾向等。
二、 锻 造 性 能
锻造性能又称塑性加工性能，它是指利用材 料的可塑性，借助外力的作用产生变形从而获得 所需形状、尺寸和一定组织性能的零件，通常用 材料的塑性（塑性变形能力）和强度（塑性变形 抗力）及形变强化能力来综合衡量。金属材料一 般具有良好的塑性，故可通过各种塑性加工方法 制成所需形状、尺寸的零件，这是金属材料应用 最广泛的重要原因。
第二节
材料的使用性能
ห้องสมุดไป่ตู้
一、 力 学 性 能
材料物理性能
材料物理性能
测试弹性模数的必要性
材料物理性能
几种材料在常温下的弹性模数
材料物理性能
比弹性模数
定义：指材料的弹性模数与其单位体积质 量的比值。
陶瓷的比弹性模数一般都比金属材料的大。 在金属材料中，大多数金属的比弹性模数 相差不大。
材料物理性能
材料物理性能
2.3 影响弹性模数的因素
材料的弹性模数是构成材料的离子或分子 之间键合强度的主要标志。
材料物理性能
④ 微观结构
金属材料，在合金成分不变的情况下，显 微组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小 对弹性模数无影响。
冷加工可以降低金属及合金的弹性模数 （5%以下），只有形成强的织构才有明显 的影响，并出现弹性各项异性。 作为金属材料刚度代表的弹性模数，是一 个组织不敏感的力学性能指标。
材料物理性能
材料物理性能
真应力—真应变曲线
工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据. 在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义.
材料物理性能
第二节 弹性变形及其性能指标
2.1 弹性变形的本质
材料产生弹性变形的本质，概括来说，都是构成 材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆 位置的反映。
材料物理性能
第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线
1.1 力—伸长曲线
材料物理性能
应力： P
FN
FN A
----胡克定律
Fl FN l l EA EA
其中：E----弹性模量，单位为Pa;
EA----杆的抗拉（压）刚度。 可得胡克定律 的另一种形式
l 规定线应变 l
小学科学《常见材料》教案
小学科学《常见材料》优秀教案第一章：认识材料教学目标：1. 让学生了解和认识材料的分类和性质。
2. 培养学生对常见材料的观察和分析能力。
教学重点：1. 材料的分类和性质。
2. 观察和分析常见材料的能力。
教学难点：1. 材料的分类和性质的理解。
2. 观察和分析能力的培养。
教学准备：1. 各种常见材料样品。
2. 材料分类和性质的资料。
教学过程：1. 引入新课：引导学生观察周围的物品，了解它们是由什么材料制成的。
2. 讲解材料的分类和性质：介绍材料的分类和性质，如有机材料、无机材料、金属材料、塑料材料等。
3. 学生观察和分析常见材料：让学生观察各种常见材料样品，分析它们的性质和用途。
第二章：材料的性质和用途教学目标：1. 让学生了解和认识材料的性质和用途。
2. 培养学生对常见材料的观察和分析能力。
教学重点：1. 材料的性质和用途。
2. 观察和分析常见材料的能力。
教学难点：1. 材料的性质和用途的理解。
2. 观察和分析能力的培养。
教学准备：1. 各种常见材料样品。
2. 材料性质和用途的资料。
教学过程：1. 引入新课：引导学生回顾上一节课所学的材料的分类，了解不同材料的性质和用途。
2. 讲解材料的性质和用途：介绍不同材料的性质和用途，如木头的性质和用途，金属的性质和用途等。
3. 学生观察和分析常见材料：让学生观察各种常见材料样品，分析它们的性质和用途。
第三章：材料的分类和性质教学目标：1. 让学生了解和认识材料的分类和性质。
2. 培养学生对常见材料的观察和分析能力。
1. 材料的分类和性质。
2. 观察和分析常见材料的能力。
教学难点：1. 材料的分类和性质的理解。
2. 观察和分析能力的培养。
教学准备：1. 各种常见材料样品。
2. 材料分类和性质的资料。
教学过程：1. 引入新课：引导学生观察周围的物品，了解它们是由什么材料制成的。
2. 讲解材料的分类和性质：介绍材料的分类和性质，如有机材料、无机材料、金属材料、塑料材料等。
《材料力学性能01》PPT课件
塑性材料在拉伸时的力学性能： 对于没有明显屈服
阶段的塑性材料，用 名义屈服极限Rr0.2来 表示。
s
Rr 0.2
o 0.2%
3.塑性:k、k
0
两个塑性指标:
伸长率:
Al1
l0 l0
10% 0
断面收缩率:
ZA0A110% 0 A0
A5%为塑性材料 A5%为脆性材料
塑性材料和脆性材料力学性能比较:
(3)了解正确评价与改善材料力学性能的 方法与途径。
三、先修课程
(1)材料力学： 应力应变状态、弹性变形与本构关系、 强度理论等。 (2)材料科学基础： 晶体学、晶体缺陷、位错理论、变形与 再结晶等。
四、教学内容及要求
材料 力学 性能
力学行
为与物 理本质
基本力学行为(简单加载)：弹性变形、塑性变形、断裂 与环境相关的力学行为：疲劳、蠕变、磨损、应力腐蚀等
塑性材料
延伸率 δ > 5%
断裂前有很大塑性变形
抗压能力与抗拉能力相近 可承受冲击载荷，适合于 锻压和冷加工
脆性材料
延伸率 δ < 5%
断裂前变形很小 抗压能力远大于抗拉能力 适合于做基础构件或外壳
注意： 新、旧标准断后伸长率符号表示的差异
为避免混乱，建议加注旧标准符号：
感谢下 载
晶体取向：部分晶体取向发生演化。
试样II上标记圆环区域变形前后的晶体取向成像图 (a)变形前 ；(b)变形后
矩形框内晶粒晶体取向演化 (a),(c)变形前；(b),(d)变形后
双相多晶钛合金微观塑性变形机制之二
滑移系的开动
• 试样I(2.4%)：滑移开动不均，滑移穿过,协调变形
试样I(2.4%)上滑移系的开动及滑移线的形貌和分布
工程材料 第一章 材料的性能及应用意义
5. 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和 控制冷热加工质量。
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
硬度测试方法：
1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度 GB4342-1984
2）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒， 使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材 料逐步磨耗。
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
粘着磨损示意图
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粘着磨损磨痕
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
磨粒磨损示意图
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§1.2 材料的使用性能
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
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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。
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§1.3 材料的工艺性能
金属材料零件的一般加工过程
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§1.3 材料的工艺性能
1. 铸造性能：包括流动性、收缩、疏松、成分偏析、铸造应力、冷热裂纹倾向。 2. 锻造性能：通常用材料的塑性和强度及形变强化能力来综合衡量。 3. 焊接性能：包括焊接接头产生缺陷的倾向性和焊接接头的使用可靠性。 4. 切削加工性能：一般用材料的切削的难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿 命等方面来衡量。 5. 热处理性能：包括淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化与脱碳倾向及热处理变 形与开裂倾向。
第一章 材料的热学性能
1.2.2 晶态固体热容的量子理论回顾
普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量 都是以 hv 为最小单位.
式中,
＝普朗克常数，
＝普朗克常数， = 园频率。
根据麦克斯威—波尔兹曼分配定律可推导出， 在温度为T时，一个振子的平均能量为:
将上式中多项式展开各取前几项，化简得：
在高温时，
所以
即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。 由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自 由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的 合成运动，则1mol固体的平均能量为：
1.1 概述
热学性能的主要应用：
（1）微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等 使用的材料要求的热膨胀系数低； （2）电真空封装材料要求具有一定的热膨胀系； （3）热敏元件要求尽可能有高的热膨胀系数； （4）工业炉衬、建筑材料、以及航天飞行器重返大 气层的隔热材料要求具有优良的隔热性能； （5）晶体管散热器等要求优良的导热性能„„
微分热分析：测定试样温度随时间的变化率。
1.2.6 热分析应用实例 1、建立合金的相图 2、热弹性马氏体相变 的研究 3、有序－无序转变的 研究 4、钢中临界点分析
本节重点掌握内容：
1、热容的德拜模型及其局限性 2、热容随温度的变化规律 3、热分析方法在相变、有序-无序转变的应用
1.3 材料的热膨胀
4、热分析测定法
热分析法分为普通热分析、示差热分析和微分热分析
普通热分析：利用加热或冷却过程中热效应所产生的 温度变化和时间关系的一种分析技术。
示差热分析：利用示差热电偶（由两对热电偶互相串 联、极性反接而成，取得热电偶两热端的温差电势） 测定待测试样和标准温差而得到的。（示差热分析仪 DTA和示差扫描量热计DSC）
【课程大纲2】《材料性能测试》
《材料性能测试》课程大纲一、课程概述课程名称（中文）：材料性能测试（英文）：Testing Properties of Material课程编号：14351074课程学分：1.5课程总学时：24课程性质：专业选修课二、课程内容简介（300字以内）《材料性能测试》是为材料科学与工程方向学生开设的一门专业选修课。
本课程结合前期所学专业课程，系统讲授相关标准及标准化、质量检验抽样及方法、人造板及饰面人造板检验要求及方法、集成材性能检验及方法、木质地板检验及方法以及有害有毒物质检测及方法等。
三、教学目标与要求通过本课程的学习，学生应掌握材料性能测试的方法及相关要求标准，在走向专业岗位后，能够承担相关部分的工作。
四、教学内容与学时安排第一章绪论（2学时）1. 教学目的与要求：了解：材料性能测试的意义与作用。
掌握：材料性能测试分类与程序。
2. 教学重点与难点：重点：材料性能测试作用、分类以及测试程序。
第一节材料性能测试的意义与作用（0.5学时）第二节材料性能测试的分类（0.5学时）一、材料结构分二、材料性能分三、材料品种分四、材料破损状况分第三节材料性能测试一般程序（0.5学时）第四节材料性能测试技术的发展（0.5学时）第二章材料性能测试基础知识（4学时）1. 教学目的与要求：了解：材料性能测试相关基础知识。
2. 教学重点与难点：重点：标准及标准化的定义，质量检验抽样的方法。
难点：验收抽样方案。
第一节技术标准（2学时）一、标准的基本概念（一）标准的定义（二）标准的本质特征（三）标准的分类二、标准化的基本概念和基本原理（一）标准化的基本概念（二）标准化的应用三、我国标准代号及编号（一）《标准化法》实施前使用的保准代号和编号（二）《标准化法》实施后使用的标准代号和编号四、ISO9000系列质量管理体系（0.5学时）（一）ISO9000族标准概述（二）ISO9000质量管理体系基础和术语（三）ISO9000族的基本指导思想（四）ISO9000质量管理体系内容和要求（五）ISO9000系列认证第二节抽样技术（2学时）一、基本概念（一）验收抽样的作用（二）验收抽样检验常用名词术语二、验收抽样方案（一）验收抽样方案的分类（二）验收抽样方案的统计分析（三）抽样检验国家标准三、检验数据的分析和处理（一）误差（二）误差表示方法（三）有效数字（四）原始数据处理与分析判断（五）分析结果报告的数据处理（六）提高分析结果准确度的方法第三章人造板及饰面人造板的检验（8学时）1. 教学目的与要求：了解：人造板及饰面人造板检验内容、质量要求及相关术语。
材料工程基础知识点总结
材料工程基础知识点总结
第一章、材料的性能及应用
1、常用的力学性能，如：σS，σb，σe，σP 等所表示的含义，弹性模量E及其主要影响因素、塑性指标的意义。
不同材料所适用的硬度（HB、HR、HV）测量方法。
第二章、原子结构和结合键
1、结合键的类型(主要为金属键、离子键、共价键)及其主要特点，它们对材料性能的主要影响
第三章、晶体结构
1、晶面与晶向的标注和识别
2、BCC、FCC、HCP三种常见金属晶体结构中所含的原子数、它们的致密度。
3、相、固溶体、中间相、固溶强化的概念、固溶体的分类、中间相的分类以及固溶体和中间相的主要区别。
第四章、晶体缺陷
1、晶体缺陷的分类、位错的含义和分类及特点。
位错（及点缺陷）密度的变化对材料性能（主要是力学性能）的影响。
2、晶界原子排列?的特点及其分类，晶界的特性；相界的分类、润湿
第五章、固体材料中原子的扩散
1、Fick第一定律的含义、非稳态扩散的误差函数解的应用计算
2、扩散的机制及影响扩散的主要因素以及在工业上的应用（如：工业渗碳为何在奥氏体状态下进行）
第六章、相平衡与相图原理
1、Gibbs相律含义，二元匀晶、共晶相图分析，杠杆定律的应用计算；相图与合金使用性（强度、硬度）和工艺性（铸造）的关系
2、铁碳相图（简化版）及其标注上面主要的成分点和温度及相；不同含碳量的合金从高温到室温下组织的变化，利用杠杆定律计算组织或相组成物的含量（主要针对C%<2.11%的合金，即钢）第七章、材料的凝固
1、液态合金结构的特点，过冷度及其与冷却速率的关系?。
材料性能总结
材料力学性能第一章材料单向静拉伸的力学性能1、名词解释弹性比功：为应力-应变曲线下弹性范围所吸收的变形功的能力,又称弹性比能，应变比能。
即弹性比功=σe2/2E =σeεe/2 其中σe为材料的弹性极限，它表示材料发生弹性变形的极限抗力包申格效应：指原先经过变形，然后反向加载时弹性极限（σP）或屈服强度（σS）降低的现象。
滞弹性：应变落后于应力的现象，这种现象叫滞弹性粘弹性：具有慢性的粘性流变，表现为滞后环，应力松弛和蠕变。
上述现象均与温度，时间，密切相关。
内耗：材料在弹性范围加载和卸载时，有一部分加载变形功被材料所吸收，这部分功叫做材料的内耗.塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
脆性断裂：材料断裂前基本上补产生明显的宏观塑性变形。
断口一般与正应力垂直，宏观上比较齐平光亮，常呈放射状或结晶状。
韧性断裂：材料断裂前及断裂过程冲产生明显宏观塑性变形的断裂过程。
断口往往呈暗灰色、纤维状。
解理断裂：在正应力的作用下，由于原子间结合键的破坏引起的沿特定晶面发生的脆性穿晶断裂。
剪切断裂：材料在切应力作用下沿滑移面滑移分离而造成的断裂。
河流花样：实际上是许多解理台阶，不是在单一的晶面上。
流向与裂纹的扩展方向一致。
韧窝：材料发生微孔聚集型断裂时，其断口上表现出的特征花样。
2、设条件应力为σ，真实应力为S，试证明S>σ。
证明：设瞬时截面积为A，相应的拉伸力为F，于是S=F/A。
同样，当拉伸力F有一增量dF时，试样在瞬时长度L的基础上变为L+dL，于是应变的微分增量应为de=dL/L，试样自L0伸长至L后，总的应变量为e=lnL/ L式中e为真应变。
于是e=ln（1+ε）假设材料的拉伸变形是等体积变化过程，于是真应力和条件应力之间有如下关系：S=σ（1+ε）由此说明真应力S大于条件应力σ3、材料的弹性模数主要取决于什么因素？高分子材料的弹性模数受什么因素影响最严重？答：材料弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大，可以说它是一个对组织不敏感的性能指标（对金属材料），而对高分子和陶瓷E对结构和组织敏感。
金属材料的性能
这种情况要根据零件的工作条件及使用寿命确定 一个疲劳极限的循环周次，并以此所对应的应力σN
作为疲劳极限，亦称条件疲劳极限。
一般规定：铸铁取N=107，非铁金属取N=108
金属的疲劳曲线
金属材料的性能
二、塑性
金属材料的性能
三、硬度
金属材料的性能
概念：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或 划痕的能力，是衡量金属软硬的判据。
对于无明显屈服现象的金属材料可用规定残余伸长应力表示，
条件屈服强度
金属材料的性能
工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显
的屈服现象，无法确定其屈服点σs ，为此人为的专门规定，把当试样 产生的残余塑性变形量为标距长度的0.2%时所对应的应力值(σ0.2)定 为该材料的屈服强度（条件屈服强度）
度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等。
根据工作温度分为：低温强度、常温强度、高温强度；
根据力的性质分为：静力强度、疲劳强度；
(三)强度指标
（1）弹性极限σe
定义：表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设 计依据。
计算公式： σe=Fe/Ao Fe—— 材料产生弹性变形所承受的最大拉伸力，N； Ao——试样原始横截面积， m㎡ ；
劳和冲击等，通过这些实验可以测出相应的机械性能指标，最常见的是拉伸 实验、硬度实验和冲击实验。
金属材料的性能
• 载荷的概念及分类：
定义：金属材料在加工及使用过程中所受的外力称变或变化过程缓慢的载荷 。 • ②冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。 • ③交变载荷 ：是指大小、方向或大小和方向随时间发生周期性变
材料力学性能(第一章)
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 弹性变形及其物理本质
外力引起原子间距的变化，即位移，在宏观上即弹性变形。 外力引起原子间距的变化，即位移，在宏观上即弹性变形。 弹性性能与特征是原子间结合力的宏观表现， 弹性性能与特征是原子间结合力的宏观表现，本质上决定于晶体的电子结 构，而不依赖于其显微组织。 而不依赖于其显微组织。 引 力
单向受力时， 单向受力时，
εx =
1 σx E
εy = 由此可见 ， 即使在单轴加 载条件下， 载条件下 ， 材料不仅有受拉方 向上的伸长变形， 还有垂直于 向上的伸长变形 ， 还有 垂直于 受拉方向的横向收缩变形。 受拉方向的横向收缩变形。
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能 弹性模量
第一章 金属在单向静拉伸载荷下的力学性能
对于不连续屈服的材料，如低碳钢， 对于不连续屈服的材料，如低碳钢，则存在上屈服点和 下屈服点，一般以下屈服点作为材料的屈服强度。 下屈服点，一般以下屈服点作为材料的屈服强度。
σ ys =
py A0
－－材料的极限承受能力 抗拉强度 －－材料的极限承受能力
σ b = Pb / A0
材料的概念
材料的定义: 材料的定义
肖纪美先生的观点：材料是人类社会能接受的， 肖纪美先生的观点：材料是人类社会能接受的， 经济地制造有用器件的物质。 经济地制造有用器件的物质。
材料的性能
1、 使用性能：物理性能（光、电、磁……） 、 使用性能：物理性能（ ） 力学性能 （强度、塑性、硬度……） 强度、塑性、硬度 ） 2、 加工性能 （可制造性） 、 可制造性） 热加工：铸、锻、焊、热处理…… 热加工： 热处理 冷加工： 冷加工：车、铣、磨…… 特种加工：电火花、激光、离子 特种加工：电火花、激光、离子……
第一章工程材料的分类与性能指标
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
机械工程材料性能讲解
第一章 金属材料的力学性能
（二）变形（金属材料受载荷作用发生几何形状和尺寸
的变化。）
弹性变形：载荷去除后，可完全恢复的变形。 塑性变形：载荷去除后，不可恢复的永久变形。
金属材料的弹性变形可用于控制机构运动、缓冲 与吸振、储存能量等。金属材料塑性变形可用于 成型产品的加工，70%的金属材料是通过塑性变形 加工成型的。
第一章 金属材料的力学性能
（一）载荷（金属材料在加工和使用过程中所受的外力）
静载荷：指大小不变或变动很慢的载荷。 如地面所受讲台的压力，千斤顶工作所受的载荷。
冲击载荷：指突然增加的载荷。 如铁匠用铁锤锻打工件、高速行驶的汽车相撞的
载荷。 交变载荷：指周期性或非周期性的动载荷。 如电扇主轴、弹簧工作时所受的载荷。
第一章 金属材料的力学性能
1.强度
定义：是指材料在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力。 抵抗能力越大，则强度越高。衡量强度大小的指标主要有 屈服强度和抗拉强度。 抗拉强度Rm：材料断裂前所承受的最大应力值。
计算公式如下： Rm = Fb / SO
Fb──试样承的最大载荷（N）； S0──试样原始横截面积（mm2）； Rm ──抗拉强度（MPa）。
HRB用于测量低硬度材料, 如有 色金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，如 调质钢、淬火钢等。
第一章 金属材料的力学性能
力学性能：金属材料在外力作用时表现来的性能。 力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
在机械设备及工具的设计、制造中选用金属材料时， 大多以力学性能为主要依据，因此熟悉和掌握金属材料的 力学性能是非常重要的。力学性能不仅是本章学习的重点， 同时也是整个教材的学习重点，希望同学们要努力学习掌 握好这些内容。先来学习准备知识。
材料力学性能
材料力学性能材料力学性能是指材料在受力作用下所表现出来的性能，包括强度、刚度、韧性等指标。
材料力学性能的好坏直接影响到材料在工程应用中的可靠性和安全性。
本文将介绍材料力学性能的相关概念和测试方法，并分析其对材料应用的影响。
一、强度强度是指材料抵抗外力破坏的能力。
常见的强度指标包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。
抗拉强度是指材料在拉伸力作用下，抗拉破坏的能力。
抗压强度是指材料在受压力作用下，抗压破坏的能力。
抗弯强度是指材料在受弯力作用下，抗弯曲破坏的能力。
强度的测试方法主要包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验等。
材料的强度往往与其成分、结构和加工工艺有关。
例如，金属材料中添加合适的合金元素，可以提高其强度；陶瓷材料中控制晶粒尺寸和界面结合情况，可以提高其抗压强度；纤维增强复合材料中，纤维的分布和取向对抗弯强度有重要影响。
在工程设计中，需要根据具体应用情况选择合适的材料强度指标，并保证其符合设计要求，以确保结构的稳定性和安全性。
二、刚度刚度是指材料抵抗形变的能力，也可以理解为材料对外力作用下的变形程度。
常见的刚度指标包括弹性模量、切变模量等。
弹性模量是指材料在弹性变形范围内，单位应力下的应变，反映了材料的抗弹性变形能力。
刚度的测试方法主要包括拉伸试验、扭转试验等。
材料的刚度与其物理性质和结构密切相关。
高弹性模量的材料具有较高的刚度，其在受力下变形较小；而低弹性模量的材料具有较低的刚度，其在受力下变形较大。
在工程设计中，需要根据结构的刚度要求选择合适的材料，以确保结构的稳定性和正常运行。
三、韧性韧性是指材料抵抗断裂的能力，反映了材料在受力下的变形能力和吸能能力。
常见的韧性指标包括断裂韧性、冲击韧性等。
断裂韧性是指材料在断裂前所能吸收的能量。
冲击韧性是指材料在受冲击载荷下，能够抵抗破坏的能力。
韧性的测试方法主要包括冲击试验、拉伸试验等。
材料的韧性与其断裂机制和微观结构有关。
例如，金属材料中的晶界和位错可以有效地阻止裂纹扩展，提高韧性；聚合物材料中的交联结构和链段运动可以吸收能量，提高韧性。
超高性能混凝土在桥梁工程中的应用研究
超高性能混凝土在桥梁工程中的应用研究引言桥梁工程是现代交通建设的重要组成部分之一，其结构的稳定性与承载能力直接影响着交通的安全与畅通。
近年来，随着交通负荷的增加以及对桥梁工程的更高要求，超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete, UHPC）作为一种新型的建材在桥梁工程中逐渐得到应用。
本文将结合超高性能混凝土的特性和优势，阐述其在桥梁工程中的应用研究。
第一章超高性能混凝土的特性与性能超高性能混凝土是一种通过优化材料组合及粒度配合比，采用特殊的工艺制备而成的高强高性能材料。
其主要特性包括高强度、高耐久性、高抗渗性和高变形能力等。
具体而言，超高性能混凝土的抗压强度通常可达到100MPa以上，抗拉强度约为10MPa，其抗渗性能超过传统混凝土的数倍，能够有效提升桥梁结构的使用寿命和耐久性。
第二章超高性能混凝土在桥梁设计中的应用2.1 桥梁主体结构超高性能混凝土在桥梁主体结构设计中的应用非常广泛。
由于其独特的物理和力学特性，超高性能混凝土可以显著减少结构的自重，提高抗震性，降低构造高度。
同时，其高强度和高抗渗性能使得桥梁结构能够承受更大的荷载和外界环境的影响，保证了桥梁的稳定性和安全性。
2.2 桥梁连接部件超高性能混凝土在桥梁连接部件的设计中也具有重要的应用价值。
例如，在桥梁伸缩缝的设计中，采用超高性能混凝土材料能够有效提高连接部件的密封性和耐久性，降低雨水和污染物对桥梁结构的侵蚀。
此外，超高性能混凝土还可以用于桥梁板梁的连接节点，提升其受力性能和耐久性，减小维修和更换的频率。
第三章超高性能混凝土在桥梁施工中的应用3.1 模板支撑系统超高性能混凝土在桥梁施工中的应用主要体现在模板支撑系统方面。
传统的模板支撑系统往往需要大量的建筑钢材和支撑结构，而采用超高性能混凝土作为浇筑材料可以实现更加灵活、快速和安全的施工方式。
其高流动性和自流平性能使得超高性能混凝土能够在支撑结构中形成均匀的浇筑，提高施工效率和结构质量。
电网输电线路材料的性能研究
电网输电线路材料的性能研究第一章：引言电网输电线路是将发电厂产生的电能传送到用户手中的重要工具。
而电网输电线路材料的性能对整个输电系统的安全可靠运行起着至关重要的作用。
本文旨在对电网输电线路材料的性能进行详细研究，为电网建设提供技术支持和参考。
第二章：导体材料的性能研究导体是电网输电线路中的核心材料，其性能直接影响着输电线路的承载能力、电阻损耗和电流传导效率等。
该章节将对导体材料的品质要求、导电性能、强度和耐蚀性等性能进行深入研究，并介绍常用的铜、铝等导体材料的特点和应用情况。
第三章：绝缘材料的性能研究绝缘材料在电网输电线路中起着关键的作用，它可以有效地隔离导体和地面、金属构架之间的电流，并保证了输电线路的安全运行。
本章将对绝缘材料在绝缘能力、耐电压、耐热性等方面的性能进行深入研究，重点探讨聚乙烯、橡胶、瓷等绝缘材料的特性及其应用领域。
第四章：金属构架材料的性能研究金属构架是电网输电线路的主要支撑结构，其性能对于输电线路的稳定性和安全可靠性具有重要意义。
该章节将对金属构架材料在强度、刚度、耐候性等方面的性能进行详细研究，并介绍常见的钢材、铁塔、铝合金等金属构架材料的特点和应用情况。
第五章：附属设备材料的性能研究电网输电线路的附属设备材料包括绝缘子、导线夹具、地线和接地装置等，它们的性能对于输电线路的可靠性和安全性起着关键作用。
本章将对附属设备材料的绝缘性能、耐腐蚀性、耐疲劳性等性能进行深入研究，并介绍常见的陶瓷绝缘子、复合绝缘子、钢管杆等材料的特点和应用情况。
第六章：新型材料在电网输电线路中的应用随着科技的不断发展，新型材料在电网输电线路中的应用也得到了广泛关注和研究。
本章将对诸如导电聚合物复合导体、纳米材料、高温超导材料等新型材料在电网输电线路中的性能和应用前景进行探讨，并展望其在未来的发展方向。
第七章：结论本文通过对电网输电线路材料性能的研究，对导体材料、绝缘材料、金属构架材料和附属设备材料等进行了细致的分析。
材料的使用性能
③ 优点：操作迅速简 便，压痕小，不损伤工 件表面，应用广。
3. 其他硬度
（1）维氏硬度： 薄工件或薄表面硬化层 显微硬度：材料微区硬度（单个晶粒、夹杂物
、某种组成相）的测试； HV
（2）莫氏硬度： 是一种刻划硬度，用于陶瓷和矿物 的硬度测试，该硬度的标尺是选定 10种不同的矿物 ，从软到硬将莫氏硬度分为 10级，如金刚石对应于 莫氏硬度的 10级；HM
3. 介电性：能把带电导体分开并能长期经受电 场作用的绝缘材料称为介电材料。表征介电 性的参数有：介电常数、介电强度、介质损 耗等。
四. 磁学性能
材料在电磁场作用下表现出来的行为称为磁性。有以下之分：
?铁磁材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等 ?顺磁材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等 ?抗磁材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等
（2）裂纹扩展：裂纹形成后在交变应力作用下继续扩展长大， 出现裂纹扩展区；
（3）最后断裂：随着疲劳裂纹不断扩展，零件的有效承载面 积逐渐减小，应力或裂纹应力场强度因子不断增加，达到临界 值是发生断裂。
3. 疲劳抗力指标
疲劳极限：当应力低于一定值 时试样可以经受无限周期循环 而不破坏，此应力值称为材料 的疲劳极限（亦称疲劳强度） 。
一．强度：
广义的强度是指材料在外力作用下对永久 变形与断裂的抵抗能力，若将断裂看成变形的 极限，则强度简称为变形的抵抗能力。强度可 依据国家标准的规定进行拉伸试验得到。
（1）分类：根据载荷的不同可分为抗拉强度 σb 、抗压强度 σbc、抗弯强度σbb 、抗剪强度τ b 、 抗扭强度τ t
一．强度： （2） 拉伸试验测σ b
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机械工程材料 第一章 材料性能
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(六)韧性
韧性 ： 评定材料韧性的力学性能指标 ： 1、冲击韧度 (1)概念 (2)应用意义 (3)局限性——多冲抗力 （T1-4) 2、断裂韧度(KⅠC) 临界断裂判据 ：KⅠ=Yσα1/2≤ KⅠC
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第一节 材料性能依据
材料科学与工程是依据“工艺→结构→性能
”
这条思路去控制或改变材料的性能，即工艺 影响结构、结构决定性能。 工艺”主要是指材料的制备和加工工艺 。 改变结构时，应注意它的可变性以及因这种 改变对于性能改变的敏感性。 结构不敏感性能 结构敏感性能
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三、化学性能
(一)化学腐蚀 化学腐蚀 氧化膜 (二)电化学腐蚀 电化学腐蚀 电化学腐蚀的条件 (三)提高零件耐蚀性的主要措施 提高耐化学腐蚀性(主要指抗氧化性)的措施 提高耐电化学腐蚀的措施
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2．影响因素
金属材料而言，其弹性模量E(刚度)主要取决于基体金 属的性质，当基体金属确定时，难于通过合金化、热处理、 冷热加工等方法使之改变，即E是结构不敏感性参数。 陶瓷材料、高分子材料、复合材料的弹性模量对其成分 和组织结构是敏感的，可以通过不同的方法使其改变。
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(四)塑性
1、概念
塑性是指材料在外力作用下产生塑性变 形而不破坏的能力，即材料断裂前的塑性变 形的能力 。 材料的塑性，常用试样拉断后的伸长程 度(伸长率δ)和断面的收缩程度(断面收缩率ψ) 来表示。
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第三节
材料的工艺性能
材料的工艺目的——在于最经济地满足产品的要求，包括材 料内部的成分、组织、结构和材料外部形状、尺寸、表面质 量等。 工艺性能——是指材料对各种加工工艺的适应能力，即加工 工艺性能，它表示了材料加工的难易程度。 工艺性能 的影响： 一方面材料的工艺性能影响了零件的性能和外观，还影响到 零件的生产率和成本；另一方面，材料的工艺性能不仅取决 于材料本身(即成分、组织、结构)，而且还受各种加工工艺 条件的影响(如加工方式、设备、工具、温度等)。
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2、疲劳基本过程
疲劳断口的三个典型区域（图1-5
疲劳过程
）
： (1)裂纹萌生 (2)裂纹扩展 (3)最后断裂
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3．疲劳抗力指标
疲劳类型不同则其疲劳抗力指标也不一样 应力疲劳或高周疲劳（主要疲劳） 应变疲劳或低周疲劳 用以评定材料疲劳性能的疲劳抗力指标很多，主要 有疲劳极限(或疲劳强度)σ-1。 最常用的疲劳试验是旋转弯曲疲劳试验。 部分工程材料的疲劳极限表（B1-4）
(2)磨粒磨损
改善其耐磨性的具体措施有：
①提高材料的硬度，可通过合理选用高硬度
材料如高碳钢、耐磨铸铁、陶瓷等，采用表 面强化处理来实现。 ②设计时合理采用减小接触压力的措施，工 作时改进润滑油过滤装置以及时清除磨屑。
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二、物理性能
固体材料中，由原子、离子、电子及它们之间的相互作用所 反映出现的物理性能，不仅对工程材料的选用有着重要的意 义，而且也会对材料的加工工艺产生一定的影响。
(一)强度 (二)刚度 (三)弹性 (四)塑性 (五) 硬度 (六)韧性 (七)疲劳性能 (八)耐磨性
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(一)强度
强度的定义： 静拉伸试验(T1-1): 强度指标： 1、比例极限(σp) 2、弹性极限(σe) 3、屈服点和屈服强度(σs、σ0.2) 4、抗拉强度(σb) 从强度指标派生出来的指标： ①比强度 ②屈强比。
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第三节
一、铸造性能 二、锻造性能 三、焊接性能
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(一)强度
材料强度指标是其组织结构敏感性参数，合
金化、热处理及各种冷热加工可在很大程度 上改变它的大小。
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(二) 刚度
1．概念
材料对弹性变形的抵抗能力——刚度(或刚性)。 在应力—应变曲线上的弹性变形阶段，应力与应变的比 值即为材料刚度。常用的有正弹性模量E。
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三、化学性能
腐蚀：
是指材料表面与周围介质发生化学反应、电 化学反应或物理溶解而引起的表面损伤现象， 并分别称为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐 蚀三大类。 其中物理腐蚀(如钢铁在液态锌中的溶解)因在 工程上较少见，不很重要，故这里主要介绍 化学腐蚀和电化学腐蚀的概念与防腐措施。
(一)密度 (二)热学性能
1、熔点 2、热容 3、热膨胀 4、热传导
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二、物理性能
(三)电学性能
1、电阻率 2、电阻温度系数 3、介电性
(四)磁学性能
1、磁导率 2、饱和磁化强度和磁矫顽力
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(1)粘着磨损
提高其耐磨性的具体措施有：
①减小表面摩擦因数或提高材料表面硬度，
采用各种表面处理 ②减小接触压力 ③合理选配摩擦副材料 ④减小表面粗糙度值以增大实际接触面积， 从而降低接触压应力 ⑤改善润滑状况。
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(四)塑性
辅助说明：
材料的塑性与其强度指标一样，也是结构敏
感性参数，可通过各种方法使之改变。 金属材料之所以在过去、现在乃至将来都有 广泛的应用，其主要原因之一并不是它的强 度，而恰恰在于其良好的塑性
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第二节 材料的使用性能
材料的使用性能:
力学性能、物理性能和化学性能 由于工程结构与机器零件以传递力和能、实 现规定的机械运动为主要功能，因此力学性 能是最主要的。
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第二节 材料的使用性能
(六)韧性
1)根据零件的实际名义工作应力σ和其内可能的裂纹 尺寸α，确定材料应有的断裂韧度Kic，为正确选材 提供依据。 2)根据零件所使用的材料断裂韧度尺Kic及已探伤出 的零件内存在的裂纹尺寸α，确定零件的临界断裂 应力σc，为零件最大承载能力设计提供依据。 3)根据已知材料的断裂韧度置Kic，和零件的实际工 作应力σ，估算断裂时的临界裂纹长度α，为零件的 裂纹探伤提供依据。
一、力学性能
二、物理性能 三、化学性能
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一、力学性能
力ห้องสมุดไป่ตู้性能
材料在载荷(外力)作用下所表现出的行为。 常用的力学性能 强度、塑性、刚度、弹性、硬度、韧性、疲 劳性能和耐磨性等。
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一、力学性能
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(三) 弹性
材料的弹性 用来描述在外力作用下材料发生弹性行为的综 合性能指标，前已述及的比例极限外σp、弹性极限 σe和弹性模量E等在一定的程度上均可用来说明材 料的弹性性能。 最直接的弹性性能指标(图1-2) ： 1、最大弹性变形量(εe) 2、弹性比功 3、滞弹性(弹性滞后)
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(四)塑性
2、塑性指标的应用意义 材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算，但 设计师往往要对所用材料提出一定的塑性要求，这 是因为： (1)材料的塑性有保证通过此部位的局部塑性变形来 削减应力峰，缓和应力集中的作用，从而防止零件 出现未能预测的早期破坏； (2)发生塑性变形和因此而引起的形变强化可保证零件 的安全以避免断裂，即具有抵抗过载的能力；
第一章 材料的性能及应用意义
主讲老师：黄彩娥 教授
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第一章 材料的性能及应用意义
材料满足产品使用需要的特性:
使用性能——材料满足产品使用需要的特性，
包括力学性能、物理性能和化学性能； 工艺性能——材料对其所涉及的加工工艺的 适应能力，包括铸造性能、塑性加工性能、 切削加工性能、焊接性能和热处理性能等。
(五) 硬度
硬度
定义： 硬度试验的优点： 硬度的种类
1、布氏硬度(HBW) 2、洛氏硬度(HRA HRB HRC) 3、其它硬度 ①维氏硬度HV ②显微硬度HV ③莫氏硬度
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(五) 硬度
由于各种硬度的试验条件不同，故相互
间无理论换算关系。但在一定条件下存 在着某种粗略的经验换算关系。