第1章 材料的种类与性能

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③蠕变极限σn 金属材料在高温长期工作时，在一定应力下，会随着时 间的延长缓慢地不断发生塑性变化的现象，称为“蠕变” 现象。 例如，高温高压蒸汽管道虽然其承受的应力远小于工作 温度下材料的屈服点，但在长期的使用中则会产生缓慢 而连续的变形使管径日趋增大，最后可能导致破裂。 材料在高温条件下抵抗这种缓慢塑性变形的能力，用 蠕变极限σn表示。
当载荷F，压头球体直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕 直径d有关。d越小，布氏硬度值越大，硬度越高。
在实际测量中，布氏硬度值可以通过测量压痕平均直径 d查表得到。
应用：淬火钢球用以测定硬度<450的金属材料，其硬 度值以HBS表示。布氏硬度在450~650之间的材料，压 头用硬质合金球，其硬度值用HBW表示。
σb σs σe σp σp－ 比例极限 σe －弹性极限 σs －屈服极限 σb －强度极限
ε
载荷-伸长量示意图 应力-应变示意图
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(1) 拉伸曲线
材料性质不同，拉伸曲线形状也不尽相同。以上图为例：
①OPE—弹性变形阶段：试样的伸长量与载荷成正比增 加，卸载可完全复原。Fe是弹性变形的最大拉力。 ②ES—屈服阶段：当载荷＞Fe时，弹性变形+塑性变形， 若卸载，试样部分恢复；当载荷=Fe时，图形上出现平台， 即载荷不增加而试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的 能力，此现象即称为屈服。Fs称为屈服载荷。
第1章 材料的种类与性能
主要内容： 工程材料按组成分类的种类及其应用范围；材
料的性能（使用性能和工艺性能）的概念；力
学性能是最重要的使用性能指标及其相应的实 验方法。 重点和难点： 力学性能指标及其相应的实验方法。
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1.1 材料的种类
一、材料的概念 材料是指人类用于制造物品、器件、构件、机器或 其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物 质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学 品、食物和药物，一般都不算是材料。 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪 70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三 大支柱。20世纪80年代以高技术群为代表的新技 术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为 新技术革命的重要标志。
③SB—均匀塑性变形阶段：载荷＞Fs时，试样明显塑性 变形，伸长量随载荷增加而增大。Fb是最大载荷。
④BK—缩颈阶段：载荷达到最大值Fb后，试样局部开始 急剧缩小，出现“缩颈”现象，由于截面积减小，试样 变形所需的载荷也随之降低，至K点发生断裂。
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拉伸试样
万能材料试验机
拉伸试样的颈缩
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低碳钢拉伸时的应力－应变曲线
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k
②断面收缩率Ψ：(percentage reduction in area) 拉伸试样拉断后试样截面积的收缩率。 A0－原截面面积。 Ak－断口处断面面积。 断面收缩率不受试样尽寸的影响，可更可靠的反映材料 的塑性大小。 塑性的意义：δ和ψ的数值越大，表明材料的塑性越好。 塑性良好的金属可进行各种塑性加工。 δ < 2~5% 属脆性材料 δ ≈ 5~10% 属韧性材料 δ > 10% 属塑性材料 总结：δ和Ψ越大，塑性越好，越易变形还不会断裂。
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1.2 材料的性能
一、材料的性能 1、工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。
(1) 使用性能：是保证零件的正常工作应具备的性能， 主要包括材料的力学性能、物理性能、化学性能等。
工程材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围和寿命。 对绝大多数工程材料来说，其力学性能是最重要的使用 性能。 (2) 工艺性能：是材料在被加工过程中适应各种冷热加 工的性能，包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处 理性能、切削加工性能等。在设计零件和选择工艺方法 时，要考虑材料的工艺性能。

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布氏硬度特点：
优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平 均硬度。缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的 成品件和薄形件。

布氏硬度的书写方式：
硬度符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面 的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。
120HBS10/1000/30，表示直径为10mm的钢球，在 1000kgf载荷作用下保持30s，测得的布氏硬度值为120。 布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量， 可用于测量未经淬火的钢、铸铁、有色金属、硬度较低 的钢（如退火、正火、调质处理的钢）。
E

弹性模量表征材料产生弹性变形的难易程度，其在工程 上称为材料的刚度。主要取决于材料内部原子间作用力。
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(3) 强度指标 金属材料的强度是用应力来衡量的，单位截面积上的内 力称为应力，用σ表示。常用的强度指标有屈服强度和抗 拉强度。 ①屈服点σs：(yield strength)
材料产生屈服时的最小应力，单位为Mpa。
s
Fs－材料发生屈服现象时的力。
F A
s
0
A0－材料的原始横截面面积。 对于无明显屈服现象的金属材料（如铸铁、高碳钢等） 测定σs很困难，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作 为条件屈服点，用σ0.2表示： σ0.2=F0.2/A0
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屈服强度的测定
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②抗拉强度σb (tensile strength) 表示材料抵抗外力而不致断裂的最大应力，单位为Mpa
Rr例如Rr0.2
Rm
屈服强度
抗拉强度 断后伸长率 断面收缩率
σ0.2
σb
A
A11.3 Z
δ5
δ10 ψ
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3、硬度(hardness) 定义：金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕 的能力。

衡量：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。
硬度测量的应用：硬度测量具有简便、快捷；不破坏 试样(非破坏性试验)；硬度能综合反映材料的强度等其 他力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高， 耐磨性越好。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标 注于图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。 测量方法：可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方 法。生产中常用压入法(有布氏硬度法、洛氏硬度法、维 氏硬度法等)。
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A0 Ak 100 % A0
金属材料强度与塑性的新、旧标准名词和符号对照表
新标准（GB/T228-2002） 性能名称 符号 旧标准（GB/T228-1987） 性能名称 符号
屈服强度
上屈服强度 下屈服强度
－
ReH ReL
屈服强度
－ －
σs
－ －
规定残余延伸强度
抗拉强度 断后伸长率 断面收缩率

Fb－最大的载荷。
b

F A
b
0
A0－材料的原始截面面积。 应用：汽缸的密封、钢绳吊重物、机车的牵引等。 强度意义： 一般机械零件或工具使用时，不允许发生塑性变形， 故屈服点σs是机械设计强度计算的主要依据。

抗拉强度代表材料抵抗拉断的能力，若应力大于抗拉 强度，则会发生断裂而造成事故。


σs/σb屈强比：越小,可靠性越高；越大,可靠性越低。
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2、力学性能——选材的主要依据 是指在力的作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或 涉及应力—应变关系的性能，通俗地讲是指材料抵抗外 力引起的变形和破坏的能力。 以试验温度区分，可分为高温力学性能、常温力学性能 和低温力学性能。 材料在加工或使用过程中所受的外力称为载荷。根据载 荷作用性质不同，可分为静载荷、冲击载荷、疲劳载荷 三种。
①静载荷：大小不变或变化很慢的载荷。
②冲击载荷：突然增加或消失的载荷。 ③疲劳载荷：周期性的动载荷。
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二、静载时材料的力学性能指标
静载是指对试样缓慢加载，最常用的静载试验有拉伸、 压缩、硬度、弯曲、扭转等，利用这些不同的试验，可 测得材料的各种力学性能指标。
常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度、 疲劳强度等。
应力：材料在任一时刻所受的力除以横截面积之商。 用σ(sigma)表示，即：σ = F/A。

变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化。 弹性变形：去除外力后，物体能完全恢复原状的变化。
塑性变形：当外力取消后，物体的变形不能完全恢复， 而产生的永久变形。
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1、强度(strength) 材料的强度是指材料抵抗外加载荷而不致失效破坏的能 力。按照载荷作用方式的不同，强度可分为抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度和抗剪强度。工程上常用的金属材 料的强度指标有屈服强度(σs)和抗拉强度(σb) 。 σ

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Байду номын сангаас
①布氏硬度：HB(Brinell-hardness)(HBS、HBW)
试验：GB84。一定直径的淬火钢球(HBS)或硬质合金球 (HBW)，规定的载荷及时间后。
F F 2F HBS ( HBW ) 0.102 0.102 0.102 S Dh D( D D 2 d 2 )
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材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由 于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。常 见的工程材料按组成分类如下：
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二、工程材料简介
1、金属材料 指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材 料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金 属材料等。由于金属材料具有良好的力学性能、物理性 能、化学性能及工艺性能，能采用比较简便和经济的工 艺方法制成零件，因此金属材料是目前应用最广泛的材 料之一。 2、高分子材料 高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料， 包括塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合 材料等。因其原料丰富、成本低、加工方便等优点，发 展极其迅速，目前已在工业上得到广泛应用。
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3、无机非金属材料
以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、 硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组 成的材料，主要有陶瓷材料、水泥、玻璃和耐火材料等。 它具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化 性以及高硬度和良好的耐压性，且原料丰富，应用日趋 广泛。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料 并列的三大材料之一。 4、复合材料 由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的 方法，在宏观上组成具有新性能的材料。即由基体材料 (金属、树脂、陶瓷)和增强相(颗粒、纤维、晶须)复合 而成。其既有组成材料的特性，又有组成后的新特性。