第一章 工程材料的主要性能
工程材料第二版习题解答
第一章材料的结构与性能一、材料的性能（一）名词解释弹性变形：去掉外力后，变形立即恢复的变形为弹性变形。
塑性变形：当外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不变形的能力称为冲击韧性。
疲劳强度：当应力低于一定值时，式样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。
σ为抗拉强度，材料发生应变后，应力应变曲线中应力达到的最大值。
bσ为屈服强度，材料发生塑性变形时的应力值。
sδ为塑性变形的伸长率，是材料塑性变形的指标之一。
HB：布氏硬度HRC：洛氏硬度，压头为120°金刚石圆锥体。
（二）填空题1 屈服强度、抗拉强度、疲劳强度2 伸长率和断面收缩率，断面收缩率3 摆锤式一次冲击试验和小能量多次冲击试验， U型缺口试样和V型缺口试样4 洛氏硬度，布氏硬度，维氏硬度。
5 铸造、锻造、切削加工、焊接、热处理性能。
（三）选择题1 b2 c3 b4 d f a （四）是非题 1 对 2 对 3错 4错（五）综合题 1 最大载荷为2805.021038.5πσ⨯=F b断面收缩率%10010810010⨯-=-=A A A ϕ 2 此题缺条件，应给出弹性模量为20500MP,并且在弹性变形范围内。
利用虎克定律 320℃时的电阻率为13.0130℃时的电阻率为18.01二、材料的结合方式 （一）名词解释结合键：组成物质的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力称为结合键，主要有共价键、离子键、金属键、分子键。
晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
非晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。
近程有序：在很小的范围内(一般为几个原子间距)存在着有序性。
（二）填空题1 四，共价键、离子键、金属键、分子键。
2 共价键和分子键，共价键，分子键。
3 强。
4 强。
（三）选择题1 a2 b3 a（四）是非题1 错2 错3 对4 错（五）综合题1晶体的主要特点：○1结构有序；○2物理性质表现为各向异性；○3有固定的熔点；○4在一定条件下有规则的几何外形。
工程材料的分类与性能
Fe 7.86
250～ 1539 330 16 25～ 0.84 55 70～ 85 65
Ti 4.51
250～ 1660 300 3 50～ 0.17 70 76～ 88 100
Pb 11.34
18 327 7 45 — 90 4
钢材硬度换算
HRC≈2HRA-104 （HRC=20~60） HB≈10HRC （HRC=20~60）
HB≈2HRB
钢材强度、硬度换算 σb≈3.4HB （HB=125~175） σb≈3.6HB （HB＞175）
四、冲击韧度
是指材料抵抗冲击载荷作用 而不破坏的能力。
指标为冲击韧
性值a k(通过冲
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。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕
小，适用范围广。
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
维氏硬度计
维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数 字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验 、
aC
第三节 工程材料的其他性能
物理性能 —— 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。
一些金属的物理性能及机械性能
元素符号 Al Al 2.70 80～ 660 110 60 32～ 2.09 40 70～ 90 20 Cu Mg Ni Fe Ti Pb Sn
元素符号 密度，kg/m3×103
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
工程材料力学性能概念
• (2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量Δ
L 与原始标距L 0之比。
伸长率和断面收缩率只是材料塑性的标志，一般不作为设计零件的直接依据。 (伸长率、断面收缩率)
工程材料及热加工
练习题一
第一章 工程材料力学性能
• 拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试验 后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
12 Μ μ mu mju 缪
23 Ψ ψ psi psai 普西
24 Ω ω omega o`miga 欧米伽
工程材料及热加工
第一章 工程材料力学性能
• 1.1 金属材料力学性能的主要指标
1. 强度、刚度、塑性
• 拉伸试验
1.拉伸试样
GB6397-86规定《金属拉伸试样》有：
圆形、矩形、异型及全截面．
材料的冲击值一般不作为设计零件的直接依据，只是作为材料的韧性指标。
（冲击试验）
工程材料及热加工
五. 断裂韧性
第一章 工程材料力学性能
• 断裂韧性是指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹扩展的能力。金属材 料从冶炼到各种加工过程，都有可能在材料内部产生微裂纹，这种裂 纹的存在降低了材料的工作应力，但不是存在微裂纹的零件一概不能 使用。当零件承受载荷而在其内部产生应力集中时，裂纹尖端处呈现 应力集中，其大小与裂纹长度和裂纹尖端曲率半径有关，在裂纹尖端 附近的微小区域内，存在一个很复杂的应力场，其大小用应力强度因
洛氏硬度实验原理示意图
工程材料及热加工
第一章 工程材料力学性能
(2)洛氏硬度表示方法——如40～45HRC
常见洛氏硬度的试验条件及应用范围
工程材料学-1材料的力学性能
比强度 30～37 23～36 90～111
3. 塑性指标：
塑性变形： 不可恢复的永久变形。塑性是表征材料断
裂前具有塑性变形的能力。
断后伸长率δ（δ5、δ10）：
断后试样标距伸长量与原始标距之比的百分率，
即： LKL010% 0
L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科
δ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
材料的静载力学性能指标：
主要有强度、塑性、硬度等。
1.2.1 拉伸试验
1.2.1 拉伸试验
GB/T228-2002
标准拉伸试样
1.2.1 拉伸试验
拉伸曲线
应力-应变曲线
应力σ＝F / S0
应变ε＝Δl / l0
1.2.1 拉伸试验
试样在拉伸时的伸长和断裂过程 a）试样 b）伸长 c）产生缩颈 d）断裂
1.2.1 拉伸试验
2．屈服阶段（曲线cd段）
其实，试样在超过弹性极限的外力作用下，即 在bc段．就已开始产生塑性变形。不过，此时 所产生的塑性变形量甚微，不易觉察罢了。而 当达到屈服阶段时，则塑性变形突然增加。因 此，可以把这种拉力不增加而变形仍能继续增 加的现象，表观上看作是金属从弹性变形阶段 到塑性变形阶段的—个明显标志。
适用范围:
➢ 测量薄板类 ➢ HV≈HBS
维氏硬度的特点
HV值不随载荷变化，即不同载荷下的HV可 相互比较；
测量精度高，测量范围广； 特别适用于测定工件表面硬化层、金属镀 层及薄片金属的硬度。
4. 显微硬度
测试原理：
与维氏硬度完 全相同，只是所用 载荷要小得多。常 用于测定材料中某 个相的硬度。
培训目的
工程材料学-1材料的力学性能
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。
2020/12/11
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。
2020/12/11
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
粘着磨损示意图
2020/12/11
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
2020/12/11
§1.2 材料的使用性能
2020/12/11
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/12/11
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。
2020/12/11
2020/12/11
§1.3 材料的工艺性能
金属材料零件的一般加工过程
2020/12/11
§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。
材料的性能-工程材料
材料的性能-工程材料引言材料是工程设计和制造中至关重要的因素之一。
不同材料的性能直接影响到工程的可靠性、耐用性、平安性等方面。
本文将介绍工程材料的性能特点，包括力学性能、热性能、化学性能以及其它一些重要性能参数。
力学性能力学性能是材料工程中最根本、最重要的性能之一。
它包括强度、韧性、硬度、弹性模量等指标。
强度是指材料抵抗外部力量破坏的能力，常由抗拉强度或抗压强度来表示。
韧性是指材料在受到外部应力作用下发生塑性变形的能力，常由断裂韧性或冲击韧性来衡量。
硬度是指材料抵抗刮削或压痕的能力，可用洛氏硬度或维氏硬度进行测量。
弹性模量那么表示了材料在受力后会恢复原状的能力。
热性能热性能是材料在受热或受冷时的表现，包括导热性、热膨胀系数、比热容等。
导热性是材料传导热量的能力，由热传导率来度量。
热膨胀系数那么表示材料在温度变化时的体积膨胀或收缩程度。
比热容是指单位质量材料在温度升高1℃时所吸收或释放的热量。
化学性能化学性能是指材料与环境中化学物质发生反响的性能，包括耐腐蚀性、氧化性、复原性等。
耐腐蚀性是材料抵抗化学腐蚀侵蚀的能力，常用酸碱腐蚀试验来评估。
氧化性表示材料与氧气接触时的性能，如金属氧化后形成氧化膜。
复原性是指材料复原他物的能力，用于一些特定工艺中。
其它重要性能参数除了上述的根本性能指标外，还有一些其它重要的性能参数需要考虑。
例如，电导率是指材料导电的能力，常用于电子器件中。
磁性是指材料对磁场的反响能力，用于电磁设备的制造。
透光性是指材料对光线透过的能力，一些光学器件中十分重要。
总结工程材料的性能对工程设计和制造至关重要。
不同材料的性能特点决定了它们的适用范围和工程应用的可行性。
力学性能、热性能、化学性能以及其它一些重要性能参数都需要考虑进去。
通过综合评估材料的性能，可以选择最适宜的材料来满足工程需求。
以上是关于工程材料性能的简要介绍，希望对读者有所帮助。
注意：以上文档为人工智能助手生成，仅供参考。
根据实际需求，建议根据完整性、准确性以及个性化需求进行修改和完善。
工程材料力学性能各章节复习知识点
⼯程材料⼒学性能各章节复习知识点⼯程材料⼒学性能各个章节主要复习知识点第⼀章弹性⽐功：⼜称弹性⽐能，应变⽐能，表⽰⾦属材料吸收弹性变形功的能⼒。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：⾦属材料经预先加载产⽣少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应⼒（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应⼒降低的现象。
塑性：指⾦属材料断裂前发⽣塑性变形的能⼒。
脆性：材料在外⼒作⽤下（如拉伸，冲击等）仅产⽣很⼩的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是⾦属材料断裂前洗⼿塑性变形功和断裂功的能⼒，也指材料抵抗裂纹扩展的能⼒。
应⼒、应变；真应⼒，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断⼝形貌特征？①韧性断裂：断裂⾯⼀般平⾏于最⼤切应⼒并与主应⼒成45度⾓。
⽤⾁眼或放⼤镜观察时，断⼝呈纤维状，灰暗⾊。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，⽽灰暗⾊则是纤维断⼝便⾯对光反射能⼒很弱所致。
其断⼝宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：断裂⾯⼀般与正应⼒垂直，断⼝平齐⽽光亮，常呈放射状或结晶状。
板状矩形拉伸试样断⼝呈⼈字形花样。
⼈字形花样的放射⽅向也与裂纹扩展⽅向平⾏，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产⽣前会有明显的塑性变形，过程⽐较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产⽣，突然发⽣，难以发现征兆拉伸断⼝三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺⼝试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪⼏种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效⽅式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越⼤，形变强化增强效果越⼤退⽕态⾦属增强效果⽐冷加⼯态是好，且随⾦属强度等级降低⽽增加。
在某些合⾦中，增强效果随合⾦元素含量的增加⽽下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提⾼。
第一章工程材料的力学性能
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW 补充说明： （1）硬度超过HB650的材料，不能做布氏硬度试验，这是因为
所采用的压头，会产生过大的弹性变形，甚至永久变形，影 响实验结果的准确性，这时应改用洛氏和维氏硬度试验。 （2）每个试样至少试验3次。试验时应保证两相邻压痕中心的 距离不小于压痕平均直径的4倍，对于较软的金属则不得小于 6倍。压痕中心距试样边缘的距离不得小于压痕直径的2.5倍， 对于软金属则不得小于3倍
可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度 HBW、 洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （一）试验原理
布氏硬度试验规范
3 8
第二节 材料的硬度 一、布氏硬度HBW （二）应用范围
布氏硬度主要用于组织不均匀的锻钢和铸铁的硬度 测试，锻钢和灰铸铁的布氏硬度与拉伸试验有着较好的对 应关系。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小 直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。布氏硬度计多用 于原材料和半成品的检测，由于压痕较大，一般不用于成 品检测。
最大力伸长率（Agt)：最大 力时原始标距的伸长与原 始标距之比的百分率。
最大力非比例伸长率（Ag)
二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义
断后收缩率（Z）：断裂后试样横截面积的最大缩减量与原始横截面 各之比的百分率。
第二节 材料的硬度
材料抵抗其他硬物压入其表面的能力称为硬度，它 是衡 量材料软硬程序的力学性能指标。
洛氏硬度计
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR （一）实验原理
第二节 材料的硬度 二、洛氏硬度HR (二)应用范围（共15个标尺） 示例：60HRBW
工程材料的力学性能
练习题二
某工厂买回一批材料（要求： бs≥230MPa；бb≥410MPa；δ5≥23%； ψ≥50%）．做短试样（ｌ0=5ｄ0；ｄ 0=10mm）拉伸试验，结果如下： Fs=19KN，Fb=34.5KN；l1=63.1mm； d1=6.3mm;问买回的材料合格吗？
时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球 在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏 硬度值为120。
布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头 还硬的材料。
适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
2．洛氏硬度：
延伸率 延伸率与试样尺寸有关；δ5、δ10 (L0=5d,10d)
思考:同一材料δ5 ＞ δ10？
断面收缩率
> 时，无颈缩，为脆性材料表征；
拉
< 时，有颈缩，为塑性材料表征。
伸 试
样
的
颈
缩
现
象
断裂后
练习题一
拉力试样的原标距长度为50mm，直径为10mm，经拉力试 验后，将已断裂的试样对接起来测量，若最后的标距长度为 71mm，颈缩区的最小直径为4.9mm，试求该材料的伸长率 和断面收缩率的值？
介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、 弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出 的力学特征。
指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧
性 、断裂韧度和疲劳强度等。
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、工程材料的分类、性能及应用范畴；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的合金都叫做铁合金。
〔 2 〕铸铁。
具有优良的铸造性能和良好的耐磨性、消震性及低的缺口敏锐性。
还具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
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钢的分类如下：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，可将钢分为一般钢、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、专门性能钢等。
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，可将钢分为冷静金刚、半冷静钢和沸腾钢。
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 ．按供应时的保证条件分类，可将钢分为甲类钢、乙类钢和特类钢。
②钢的牌号表示方法。
依照牌号能够看出钢的类别、含碳量、合金元素及其含量、冶炼质量以及应该具备的性能和用途。
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% 的钢。
再如9Cr18 表示平均含碳量为0.9% 、含Cr 量为18% 的不锈钢。
③国外钢的牌号的要紧特点方〔略〕。
④几种常用钢的要紧特点及用途。
A ．一般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的钢筋，机械制造中使用的一般螺钉、螺母、垫圈、轴套等，也能轧成板材、型材〔如工字钢、槽钢、角钢等〕；乙类钢的用途与相同数字的甲类钢相同。
B ．一般低合金钢是在一般碳素钢的基础上。
加入了少量的合金元素，不仅具有耐腐蚀性、耐磨损等优良性能，还具有更高的强度和良好的力学性能。
工程材料的力学性能
第一章工程材料的力学性能本章要点：力学性能是指材料在外力作用时表现出来的性能。
力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。
硬度值可以间接地反映材料的强度、塑性和韧性以及材料在化学成分、金相组织和热处理工艺上的差异，因而硬度试验在工程上应用十分广泛。
生产中常用的硬度试验是布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
熟悉和掌握工程材料力学性能的重要性：在机械设备及工具的设计、制造中选用工程材料时，大多以力学性能为主要依据。
一、载荷的概念：材料在加工及使用过程中所受的外力。
载荷分类：1.根据作用性质不同分静载荷：静载荷是指大小不变或变动很慢的载荷；冲击载荷：冲击载荷是指突然增加的载荷；疲劳载荷：疲劳载荷是指所经受的周期性或非周期性的动载荷也称循环载荷。
2.根据载荷作用方式不同分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等，如图1-1所示。
二、变形的概念：材料受不同载荷作用而发生的几何形状和尺寸的变化。
变形的分类：弹性变形塑性变形内力为材料受外力作用后，为保持其不变形，在材料内部作用着与外力相对抗的力。
应力为单位截面积上的内力。
材料受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力（按下式计算：F 式中SF——外力N；S——横截面积m2；σ——应力Pa，应力单位是Pa，1Pa＝1N／m2。
当面积用mm2时，则应力可用MPa为单位。
1MPa1N／mm2＝106Pa §1.1 静载荷条件下材料的力学性能一、强度材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度大小通常用应力来表示。
根据载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度σb、抗压强度σbc、抗弯强度σbb、抗剪强度τb和抗扭强度τt等五种。
一般情况下多以抗拉强度作为判别材料强度高低的指标。
抗拉强度是通过拉伸试验测定的。
拉伸试验的方法是用静拉力对标准试样进行轴向拉伸，同时连续测量力和相应的伸长，直至断裂。
根据测得的数据，即可求出有关的力学性能。
下面把试验作一简单介绍：1拉伸试样拉伸试样的形状一般有圆形和矩形两类。
工程材料的性能
工程材料的性能
材料的性能：用来表征材料在给定外界 条件下的行为参量，包括使用性能和工艺 性能。 使用性能：材料在使用过程中所表现的 性能。包括力学性能、物理性能和化学性 能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的 性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和 切削性能等。
第一节 材料的力学性能
=P
A y e p
E
1
b s k
ys e p
o
k' =L/L L
弹性极限e：弹性，pe段为非线性。 e与p数值相近。
强度(strength): 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服极限或屈服强度(yield strength) ys： 材料是否出现塑性变形的重要强度指标。 极限强度(ultimate strength) b： 反映材料是否破坏的重要强度指标。
(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )
10HRC≈HBS
洛氏硬度测试示意图 洛 氏 硬 度 计
h1-h0
(3)维氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )
适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ;
(4)肖氏硬度 HS (drop hardness )
拉伸试验机
四.低碳钢拉伸应力—应变曲线
常用拉伸试样(圆截面): 标距长度： L =10d 或5d 施加拉伸载荷P，记录P—L曲线; 或(=P/A)—(=L/L)曲线。 低碳钢拉伸应力—应变曲线:
= P A
弹性 屈服 强化 颈缩
P
d
l
P
四个阶段：
弹性阶段：卸载后变形可恢复。
k
颈缩
b
e p
金属材料成形基础
dk
lk
3．刚度（E）
材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力称为刚度。
在弹性阶段： F l
Hale Waihona Puke 所以：E — 材料抵抗弹性变形的能力越大。
4．硬度
是材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。
E
E
F
D D
d
(1)布氏硬度（HB）：
压入载荷（N） HB 压痕的表面积（ m m）
l
抗拉强度 — 是脆性材料选材的依据。
2. 塑性
材料在外力作用下，产生永久变形而不引起破坏的能力。
lk l0 100% 伸长率： l0
常用 δ 和 ψ 作为衡量塑性的指标。 F
d0 l0
L
F
s0 sk 断面收缩率: 100% s0
良好的塑性是金属材料进行 塑性加工的必要条件。
同素异晶转变—在固态下，随着温度的变化，金属的晶体 结构从一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。
温度℃
Fe、Sn、Ti、Mn
Fe
1538 ℃
Fe
L
1538 ℃ 912 ℃
Fe
Fe
1394 ℃
Fe
体心 1394 ℃
0.2/S0
（MPa）
屈服强度 — 是塑性材料选材和评定的依据。
（2）抗拉强度（σb ）
F s 0.2 F S0 抗拉强度是材料在拉断前 F0.2 b s 承受最大载荷时的应力。 σb =Fb/S0 （MPa） 它表征了材料在拉伸条件下 所能承受的最大应力。
b
e
k 100%
0.2%
l
l0
第一篇 工程材料的性质
第一章 材料的主要性能
清华大学工程材料第五版第一章
晶向指数一般标记为[uvw]，
表示一组原子排列相同的平行晶向。
清华大学工程材料第五版第一章
若两个晶向的全部指数数值相同而符号 相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但 方向相反。
如[110]与 。 若只研究原子排列情况, 则晶向[110]与 可用同一个指数[110]表示。
清华大学工程材料第五版第一章
清华大学工程材料第五版第一章
面心立方晶胞的特征：
（1）晶格常数
a=b=c, α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个) 4
（3）原子半径
（4）致密度 0.74 (74%)
清华大学工程材料第五版第一章
（5）空隙半径
●四面体空隙半径: r四=0.225r原子 ●八面体空隙半径: r八=0.414r原子
（6）配位数 12
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 由于原子排列紧密程度不一样， 当金属从面心立方晶格向体心立方晶格 转变时, 体积会发生变化。
钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。 不同晶体结构中原子排列的方式不同, 使它们的形变能力不同。
清华大学工程材料第五版第一章
二、晶体中的晶面和晶向 通过晶体中原子中心的平面叫做晶面； 通过原子中心的直线为原子列，代表的方 向叫做晶向。 晶面用晶面指数表达。 晶向用晶向指数表达。
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不同 的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
清华大学工程材料第五版第一章
在立方晶系中, 一个晶面指数与一 个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶 面与该晶向互相垂直。
教学课题工程材料的主要性能
1.布氏硬度
实验过程
一定直径的球体(钢球或硬质合 金球)在一定载荷作用下压入试样表 面，保持一定时间后卸除载荷，测量 其压痕直径, 计算硬度值。布氏硬度 值用球面压痕单位表面积上所承受的 平均压力来表示。用符号HBS(当用钢 球压头时)或HBW(当用硬质合金球时) 来表示。
值。
预加载荷的目的是使压头与试样表 面接触良好, 以保证测量结果准确。
硬度值的大小直接由硬度计表盘上读出。
2.洛氏硬度
布氏硬度表示方法
标注：如40-45HRC
常见洛氏硬度标尺的实验条件及应用
硬度 符号
压头
总载荷 表盘上刻 常用硬度值
（kgf） 度颜色
范围
使用范围
HRA 金钢石圆锥
60
黑色
20~85
通过本章的学习，掌 握材料常用的力学性能 指标及力学性能指标在 选材中的应用
1.常用的力学性 能指标
2.力学性能指标 在选材中的意义
思考：
材料的性能有哪些？ 材料的性能是由什么决定的？ 如何衡量这些性能？ 钢丝、铁丝、铜丝和铝丝四者的性能有那些区别？ 不同服役条件下应具备哪些性能？
材料的性能有哪些？
布氏硬度应用
布氏硬度测定主要适用于各种未经淬火的钢、退火、正火状态的钢； 结构钢调质件；铸铁、有色金属、质地轻软的轴承合金等原材料。
2.洛氏硬度
实将金验刚过石程压头(或钢球压头), 在
先后施加两个载荷(预载荷F0和主载 荷F1)的作用下压入金属表面。总载 荷F为预载荷F0和主载荷F1之和。卸 去主载荷F1后, 测量其残余压入深度 h, 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度
三、夏比冲击实验
第一章工程材料的分类与性能指标
如果材料的屈服强度很低而断裂韧度很高，即
使材料中存在裂纹，则在外载荷作用下，材料先发
ห้องสมุดไป่ตู้
生塑性变形，使进一步的破坏为韧性断裂，例如：
中、小截面的中、低强度材料就属于这种情况。这
时断裂韧度就不适合作为材料断裂抗力的主要指标。
当模具的截面尺寸很大或模具材料的强度很高
时，发生裂纹失稳扩展快速断裂的倾向性增加。截 面尺寸大，可能包含的裂纹缺陷就多，而且易造成 硬性的平面应变状态，材料的韧性不能发挥作用， 裂纹前端的应力场强度大，材料的强度高，其塑性 和韧性往往较低，较小的裂纹尺寸即可导致快速断 裂。因此，在这种情况下，为防止低应力脆性断裂， 应该对材料的断裂韧度值提出一定的要求。
（3）疲劳抗力指标 疲劳曲线和疲劳极限：
疲劳曲线
疲劳曲线是疲劳应力与 疲劳寿命（-N）的关系 曲线，也称维勒曲线。
疲劳曲线与疲劳极限 （－1）的测定参阅 国家标准GB4337-84。 （旋转弯曲疲劳实验， 正弦波对称循环条件 下）
对于σb ≤1300MPa的中低强度钢和铸铁材料-N曲线出现水平部分。
疲劳断裂的特点：
· 失效抗力低，应力水平低于材料的抗拉强度， 甚至低于屈服强度。
不论是脆性材料还是韧性材料，均表现为突然 脆性断裂，断口处无明显的宏观塑性变形。
对材料表面及内部缺陷高度敏感。（零件表面 应力集中部位、加工和使用过程中造成的表面损伤、 材料本身的冶金缺陷等均易成为疲劳源。尤其是表 面存在较大拉应力时，疲劳裂纹多萌生于表面应力 集中处。）
无裂纹材料的断裂抗力
一般中、小截面尺寸的中、低强度材料，可
以认为是均匀连续的，没有宏观裂纹存在（即使有
微小裂纹，对断裂过程也不产生重要影响）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第四节 疲劳强度
三、产生疲劳破坏的原因
一般认为是由于材料的质量、零件表 面缺陷或结构设计不当等因素，在零件或 试样的局部区域形成应力集中，而导致微 裂纹(疲劳裂纹核心)的产生。 疲劳裂纹产生后，随应力循环次数的 增加而逐渐扩展，零件的有效截面积逐渐 减小，致使零件不能承受所加载荷而突然 破坏。
第四节 疲劳强度
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
三、强度指标
1.屈服点
计算公式
F
Fs σ s= A0
F0.2
脆性材料的屈服点
σ =
0.2
F
0.2
0
0.2%L0
ΔL
A0
应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能 2.抗拉强度
计算公式
Fb σ b= A0
应用：脆性材料制 作机械零件和工程构件 时的选材和设计的依据
第二节 硬 度
（一）布氏硬度
布氏硬度试验 是指用一定直径的 球体（钢球或硬质 合金球）以相应的 试验力压入式样表 面，经规定保持时 间后卸除试验力， 用测量的表面压痕 直径计算硬度的一 种压痕硬度试验。
图1-4 布氏硬度测试原理
第二节 硬 度
1. 原理
布氏硬度=
=
P
A凹
2F
πD[D-（D ² -d ² ）½]
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
二、强度的测定——拉伸实验 • 1. 拉伸试样（GB6397-86） • 2. 力—伸长曲线（以低碳钢试样为例） • 3. 脆性材料的拉伸曲线
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
1. 拉伸试样（GB6397-86）
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
第三节 冲击韧性
视频：摆锤式一次冲击试验
第四节 疲劳强度
危险！
第四节 疲劳强度
一、疲劳断裂 机械中的许多零件，如轴、齿轮、螺栓、连 杆、弹簧等，是在方向或大小反复变化的变载荷 作用下工作的，它们工作时所承受的应力即使远 小于材料的强度极限或屈服极限，但经过较长时 间的工作，亦会发生断裂。 材料或零件在交变应力的重复作用下，在远 小于屈服极限的应力下，而发生断裂的现象称为 疲劳断裂(或疲劳破坏)。 疲劳断裂具有很大的危险性，常常造成严重 的事故。据统计；损坏的机器零部件中，约有80 ％都是由于金属疲劳而造成的。
Ψ更能反映材料塑性的好坏，ψ和δ越大，材料塑性就 越好！
同一材料δ5 ＞ δ10 δ < 2 - 5% δ ≈ 5 -10% δ > 10% 属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
任何零件都需要一定塑性，防止过载断裂；塑性变 形可以缓解应力集中、削减应力峰值。
第二节 硬 度
（一）布氏硬度 1. 原理 2. 应用 3. 优缺点 4. 实验（录像） （二）洛氏硬度 1. 原理 2. 应用 3. 优缺点 4. 实验（录像）
第一章 金属的力学性能
第一章
金属的力学性能
第一节
单向静拉伸载荷下材料的力学性能
第二节 第三节
硬度
冲击韧性 疲劳极限
第四节
使用性能：
力学性能
物理性能
化学性能 材料 的 性能
金属材料在不同环境下， 承受各种外加载荷时所 表现出的力学特征。
强 疲 铸造性能 度 压力加工性能 劳 工艺性能： 焊接性能 切削加工性能 热处理性能
第二节 硬 度
2. 应用 测量比较软的材 料。测量范围 HBS<450、HBW<650的 金属材料。
3. 优缺点
压痕大，测量准确 ，但不能测量成品件。
第二节 硬 度
布氏硬度试验录像
第二节 硬 度
（二）洛氏硬度
1. 原理
加初载荷 加主载荷 卸除主载荷 读硬度值
图1-5 洛式硬度测试原理
第二节 硬 度
第四节 疲劳强度
二、疲劳强度
金属材料经受无数次重复交变应力作用不致引起断裂的最大应力叫 做疲劳强度或疲劳极限，用σ-1（σD）表示，通常用表示材料在对称循环 交变应力作用下的弯曲疲劳极限。即材料承受的应力低于疲劳强度时，则 可能经受无限次应力循环而不断裂。 因实际上不可能进行无数次试验，故各种金属应有一定的应力循环基 数(以N表示)，钢材的循环次数一般取 N = 107；有色金属的循环次数一 般取 N = 108；钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系。 σ-1 = (0.45～0.55)σb
（4）特点：
有连续一致的标尺，负荷可任选，可直接比较； 负荷小，压痕小，压痕轮廓清晰，测量准确； 操作麻烦。
第三节 冲击韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
(a)试样安装 (b)冲击试验机 图1.5 冲击韧度试验原理 1、7—支座 2、3—试样 4—刻度盘 5—指针 6—摆锤
第三节 冲击韧性
第二节 硬 度
（2）表示方法： 在符号前（有些资料写在后面）直接写出 硬度值如：56HRC、80HRA、60HRB。 （3）应用： 钢的热处理质量检查，主要用于测硬度高 的材料。
表1-1 常用洛氏硬度的级别及其应用范围
洛氏硬度 HRA HRB HRC 压头 120℃金刚石圆锥 体 φ1.588mm淬火钢 球 120°金刚石圆锥 体 总载荷 588.4 980.7 1471.1 测量范围 60～85 25～100 20～67 适用材料 硬质合金材料、表面淬火 钢等 软钢、退火钢、铜合金等 淬火钢、调质钢等
第二节 硬 度
（4）特点： ①操作迅速方便； ②应用较广：硬度值测量范围较大，能测 材料的表面硬度、薄壁件； ③工件表面损伤小：压痕小； ④组织粗大且不均匀的材料，测试结果不 准确：压痕小，数值重复性差，措施：至少测 3个点，求平均值。 （5）当材料HBS＞220时有： HBS≈10HRCLeabharlann 第二节 硬 度第二节 硬 度
表示方法：
在符号HBS或HBW之前写出硬度值，符号后 面的数字按顺序分别写出压头直径、载荷及载 荷保持时间及载荷保持时间（10-15s不标注）。 如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的 淬火钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保 持30s测得的布氏硬度值为120。
。
拉伸试验录像
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
四、塑性
（一） 定义 金属材料断裂前发生永久变形的能力。
（二）衡量指标
伸长率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比。
试样拉断后，颈缩处的横截面积的缩减量与 断面收缩率：
原始横截面积的百分比。
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能 伸长率（ δ ）
压痕深度h越大，则硬度值越小，为了符 合习惯上的数值越大、硬度越高的思维，采用 一个常数C（K)减去压痕深度h后的数值表示洛 氏硬度。GB规定：压头每压入0.002mm的深度 为一个硬度单位，所以： HR=C-h/0.002 无单位 （ 金刚石作压头：C=100；直径1.588的淬火钢 球作压头：C=130。） 为了适应不同材料的硬度测试，采用不同 的压头与载荷组合成几种不同的洛氏硬度标尺， 每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号后注明， 如HRA、HRB、HRC 等
（2）表示方法：
在HV之前写出硬度值，后面依次用相应数字注明 试验力和保持时间。例如： 600HV30/20—表示采用294.2N（30kg）的试验力， 保持时间20S时得到的硬度值为600。
（3）应用：
适用于软硬金属，尤其适用于极薄（0.3-0.5mm） 零件和渗碳、渗氮工件的硬度测定。
第二节 硬 度
3、维氏硬度 HV
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
第二节 硬 度
（1）测量原理：
用锥面夹角为136° 的金刚石正四棱锥体为压头， 按选定的试验载荷P（常用5~10kgf）将压头压入，并 保持一定时间，卸载后测量压痕对角线长度d，计算压 痕单位面积F承受的压力大小。 HV = P / F = 1.8544 P / d2 （kgf/mm2) （GB4340-1984）
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能 2.力——伸长曲线
拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。
弹性变形阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩现象
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能 3. 脆性材料的拉伸曲线 （与低碳钢试样相对比）
F
0
ΔL
脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。
δ=
l1-l0 l0
×100%
l1——试样拉断后的标距,mm; l0——试样的原始标距,mm。
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
断面收缩率（ Ψ ）
Ψ=
S0-S1 S0
×100%
S0——试样原始横截面积,mm2； S1——颈缩处的横截面积,mm2 。
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
结论：
试样冲断时所消耗的冲击功A k为:
A
冲击韧性值a 消耗的冲击功。
k
k
= m g H – m g h (J)
就是试样缺口处单位截面积上所
AK ak= (J/cm² ) F
第三节 冲击韧性
韧脆转变（温度）： 材料的冲击韧度一般随温度的下降而降低，当降 低到某温度范围时，材料的冲击韧度明显降低，呈现 脆性，这种现象叫韧脆转变，此温度范围叫韧脆转变 温度。普通碳钢-30℃ --20℃ 。
塑
性
刚
度
硬
度
韧
性
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
一
强度的概念
二
三
强度的测定——拉伸实验
强度指标
四
塑性
第一节 单向静拉伸载荷下材料的力学性能
一、强度的概念 1. 定义
指金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的