第1章 材料的种类及性能
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第1章 工程材料的种类及性能
本章内容：
1. 材料学的种类； 2. 工程材料的力学性能。
本章重点、难点：
1. 常见的力学性能指标
§1-1 工程材料的种类
钢铁 钢：碳钢 合金钢 铁：白口、 灰口、麻口 铜、吕、镁、钛、镍 水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷 纤维：天然、合成
金属材料
有色
无机非金属材料
有机高分子材料
六、断裂韧性（fracture toughness）
裂纹→应力集中→低应力脆断
断裂韧度KIC主要用于脆性材料，测量方法 与抗折强度相似。
1. 应力强度因子KI
2. 断裂韧度KIC（常数）
在弯曲试样中部预制一个0.1mm左右宽的小口，模拟材料 内部微裂纹的一半，然后加载测量: KIC=Yσca1/2
疲劳断裂：在大小和方向作周期性变化的交变应力作用下， 往往在远小于强度极限时发生的断裂。 疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最 高应力。 应力σ 钢铁材料
’
σr σr
钢铁材料循环106， 其他金属107。
非铁金属、高 强度钢等
106 107 次数N
疲劳曲线示意图
五、硬度（hardness）
粘流性：不可逆
作业：p. 7,
3、6
题
屈服强度σs： 材料开始明显塑性变形的抗力 ，即产生屈服现象 时的应力。
σ s =Fs /A0
抗拉强度σ b： 金属材料被拉断前所承受的最大应力。 σ b =Fb /A0 弹性极限σ e： 材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。 σ e =Fe /A0
（2）高分子材料抗（张）拉强度
T<Tg ：玻璃态 Tg<T<Tf ：高弹态 σb σy b a e E
Y--是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数
σc--裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力 a--材料内部裂纹长度的一半
KI<=KIC是判断机件是否发 生低应力脆断的判据（对于 脆性材料）。
七、材料的高温性能（工程陶瓷、高温合金）
1. 高温强度
TA
断 裂 应 力
A B C
TB
应 力
TC
O
TA
TB
温度
应变
树脂基
橡胶：通用、特种
塑料：通用、工程、特种
复合材料
金属基 陶瓷基
§1-2 工程材料的性能
力ຫໍສະໝຸດ Baidu性能
材 料 性 能
使用性能
物理性能 化学性能 铸造性
工艺性能
可锻性
可焊性
切削加工性 热处理性
工程材料的力学性能
(mechanical performance)
常见力学性能指标：
强度（抗拉、抗压、弯曲） 硬度 断裂韧度
单相多晶陶瓷性能与温度关系
TA、TB、TC：脆性、半脆性、粘滞状态温度
2. 抗热振性（thermal shock） 材料抵抗温度变化的能力。 按热弹性理论，热应力：σ=ψEα(T1-T0)/(1-ν)； 热振参数：R=σ(1-ν)/Eα 热振破坏判据：ΔT>R
八、高弹性和粘流性（聚合物）
高弹性：可逆
T>Tf ：粘流态
σy ：屈服应力 σb ：抗拉强度 εb:：断裂伸长率 应变软化 应力硬化
c
(T=Tg)
d
(T>Tg)
O εy εd εb
自然拉伸比
聚合物拉伸时典型的应力-应变图
2. 抗弯强度
脆性材料（如陶瓷）
σf=3FL/(2bh2)
二、塑性（plasticity）
塑性：工程材料在外力作用下，产生塑性变形而不破坏的 能力。对应拉伸变形： 1．伸长率d 2．断面收缩率y δ=△L/L0=(L1-L0)/L0 × 100%
脆性材料：αK值低，断裂时无明显变形，断口呈结晶状， 有金属光泽； 韧性材料：αK值高，断裂时有明显塑变，断口呈灰色纤维 状，无光泽。 韧性与温度有关：脆性转变温度TK 韧性
冲击韧度αK
0
脆性 TK 温度T
例：1965年，英国北海油田，因气温突然下降，海上钻 井平台脆性断裂，造成重大事故。
四、疲劳强度（fatigue strength）
y =△A/A0=(A0-A1)/A0 × 100%
d,y 越大，塑性愈好；δ<5%, 脆性材料。 高分子材料：延伸程度可由自由拉伸比描述。
三、冲击韧性（impact toughness）
冲击韧性：在冲击载荷作用下，工程材料表现出来 的力学性能。指标：冲击韧度（α K）
用一次摆锤冲击试验来测定
αK =AK/A0
式中：HS--邵氏反弹硬度。 H--冲头反弹的高度mm。 H0--冲头的原始高度mm。 K--反弹硬度系数。
各种硬度应用特点： 布氏硬度：压痕大，测量结果准确；但不宜测成品及薄壁 件。 洛氏硬度：压痕小，操作简单，可测成品及薄壁件；但对 组织不均匀材料，需测多点，取平均值。 维氏硬度：较为精确，多用来测量表面硬度及小件和薄片 等硬度。
冲击韧度
疲劳强度
磨损
一、强度（strength）
定义：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
Fk
K
1. 抗拉强度
（1）金属材料
抗拉强度
拉伸过程经历四个阶段：
1. 弹性变形（OS） OE段：直线阶段，完全弹性变形 ES段：极微量塑性变形 弹性变形：去除外力后能完全恢 复到原来的形状。 塑性变形：外力消除后仍存在的 永久变形。 2．屈服强度（S点） 3．均匀塑性变形阶段：（SB） 4．颈缩（BK）---局部集中塑性变形 应力:σ =F/A0 （MPa） 应变:ε=△L/L0
适用于未经淬火的钢、铸铁、有色 金属或质地轻软的轴承合金。
2．洛氏硬度(HR) （以压痕深度表示，以0.002mm为一个硬度单位 ）
根 据 压 头 形 式 和 载 荷 不 同 有 三 种 标 度 （ HRA, HRB,HRC），能够测试从软到硬各种硬度的材料，HRC 应用最广，可用于测硬度很高的材料。 当硬度在200~600HB, HRC≈1/10HB 硬度一般不标单位，如 200HB, 55HRC
3．维氏硬度(HV)
（以压痕面积表示）
维氏硬度的测试原理基本上与布氏硬度相同， 其测试方法 如图。维氏硬度用HV表示：
HV=F/Av=1.8544F/d2
式中 P--载荷（N） AV--压痕面积（mm2） D--对角线的平均长度（mm）。
当硬度小于450HB, HB≈HV
4．邵（肖）氏硬度（HS） 用来测量弹性体和热塑性软塑料的穿透硬 度，分为邵氏压痕硬度和邵氏反弹硬度。 邵氏反弹硬度 HS=KH/H0
硬度：材料抵抗外物压入的能力，是综合性能指标，表示 材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或断 裂的能力。硬度越高，耐磨性越高，但切削加工困难。 金属材料：布氏硬度和洛氏硬度； 工程陶瓷：维氏硬度和A种洛氏硬度； 高分子材料：邵氏硬度。
1．布氏硬度(HB)
以 ：压痕表面积表示 或：载荷/压痕表面积表示
本章内容：
1. 材料学的种类； 2. 工程材料的力学性能。
本章重点、难点：
1. 常见的力学性能指标
§1-1 工程材料的种类
钢铁 钢：碳钢 合金钢 铁：白口、 灰口、麻口 铜、吕、镁、钛、镍 水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷 纤维：天然、合成
金属材料
有色
无机非金属材料
有机高分子材料
六、断裂韧性（fracture toughness）
裂纹→应力集中→低应力脆断
断裂韧度KIC主要用于脆性材料，测量方法 与抗折强度相似。
1. 应力强度因子KI
2. 断裂韧度KIC（常数）
在弯曲试样中部预制一个0.1mm左右宽的小口，模拟材料 内部微裂纹的一半，然后加载测量: KIC=Yσca1/2
疲劳断裂：在大小和方向作周期性变化的交变应力作用下， 往往在远小于强度极限时发生的断裂。 疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最 高应力。 应力σ 钢铁材料
’
σr σr
钢铁材料循环106， 其他金属107。
非铁金属、高 强度钢等
106 107 次数N
疲劳曲线示意图
五、硬度（hardness）
粘流性：不可逆
作业：p. 7,
3、6
题
屈服强度σs： 材料开始明显塑性变形的抗力 ，即产生屈服现象 时的应力。
σ s =Fs /A0
抗拉强度σ b： 金属材料被拉断前所承受的最大应力。 σ b =Fb /A0 弹性极限σ e： 材料在外力作用下，保持弹性变形的最大应力。 σ e =Fe /A0
（2）高分子材料抗（张）拉强度
T<Tg ：玻璃态 Tg<T<Tf ：高弹态 σb σy b a e E
Y--是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数
σc--裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力 a--材料内部裂纹长度的一半
KI<=KIC是判断机件是否发 生低应力脆断的判据（对于 脆性材料）。
七、材料的高温性能（工程陶瓷、高温合金）
1. 高温强度
TA
断 裂 应 力
A B C
TB
应 力
TC
O
TA
TB
温度
应变
树脂基
橡胶：通用、特种
塑料：通用、工程、特种
复合材料
金属基 陶瓷基
§1-2 工程材料的性能
力ຫໍສະໝຸດ Baidu性能
材 料 性 能
使用性能
物理性能 化学性能 铸造性
工艺性能
可锻性
可焊性
切削加工性 热处理性
工程材料的力学性能
(mechanical performance)
常见力学性能指标：
强度（抗拉、抗压、弯曲） 硬度 断裂韧度
单相多晶陶瓷性能与温度关系
TA、TB、TC：脆性、半脆性、粘滞状态温度
2. 抗热振性（thermal shock） 材料抵抗温度变化的能力。 按热弹性理论，热应力：σ=ψEα(T1-T0)/(1-ν)； 热振参数：R=σ(1-ν)/Eα 热振破坏判据：ΔT>R
八、高弹性和粘流性（聚合物）
高弹性：可逆
T>Tf ：粘流态
σy ：屈服应力 σb ：抗拉强度 εb:：断裂伸长率 应变软化 应力硬化
c
(T=Tg)
d
(T>Tg)
O εy εd εb
自然拉伸比
聚合物拉伸时典型的应力-应变图
2. 抗弯强度
脆性材料（如陶瓷）
σf=3FL/(2bh2)
二、塑性（plasticity）
塑性：工程材料在外力作用下，产生塑性变形而不破坏的 能力。对应拉伸变形： 1．伸长率d 2．断面收缩率y δ=△L/L0=(L1-L0)/L0 × 100%
脆性材料：αK值低，断裂时无明显变形，断口呈结晶状， 有金属光泽； 韧性材料：αK值高，断裂时有明显塑变，断口呈灰色纤维 状，无光泽。 韧性与温度有关：脆性转变温度TK 韧性
冲击韧度αK
0
脆性 TK 温度T
例：1965年，英国北海油田，因气温突然下降，海上钻 井平台脆性断裂，造成重大事故。
四、疲劳强度（fatigue strength）
y =△A/A0=(A0-A1)/A0 × 100%
d,y 越大，塑性愈好；δ<5%, 脆性材料。 高分子材料：延伸程度可由自由拉伸比描述。
三、冲击韧性（impact toughness）
冲击韧性：在冲击载荷作用下，工程材料表现出来 的力学性能。指标：冲击韧度（α K）
用一次摆锤冲击试验来测定
αK =AK/A0
式中：HS--邵氏反弹硬度。 H--冲头反弹的高度mm。 H0--冲头的原始高度mm。 K--反弹硬度系数。
各种硬度应用特点： 布氏硬度：压痕大，测量结果准确；但不宜测成品及薄壁 件。 洛氏硬度：压痕小，操作简单，可测成品及薄壁件；但对 组织不均匀材料，需测多点，取平均值。 维氏硬度：较为精确，多用来测量表面硬度及小件和薄片 等硬度。
冲击韧度
疲劳强度
磨损
一、强度（strength）
定义：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
Fk
K
1. 抗拉强度
（1）金属材料
抗拉强度
拉伸过程经历四个阶段：
1. 弹性变形（OS） OE段：直线阶段，完全弹性变形 ES段：极微量塑性变形 弹性变形：去除外力后能完全恢 复到原来的形状。 塑性变形：外力消除后仍存在的 永久变形。 2．屈服强度（S点） 3．均匀塑性变形阶段：（SB） 4．颈缩（BK）---局部集中塑性变形 应力:σ =F/A0 （MPa） 应变:ε=△L/L0
适用于未经淬火的钢、铸铁、有色 金属或质地轻软的轴承合金。
2．洛氏硬度(HR) （以压痕深度表示，以0.002mm为一个硬度单位 ）
根 据 压 头 形 式 和 载 荷 不 同 有 三 种 标 度 （ HRA, HRB,HRC），能够测试从软到硬各种硬度的材料，HRC 应用最广，可用于测硬度很高的材料。 当硬度在200~600HB, HRC≈1/10HB 硬度一般不标单位，如 200HB, 55HRC
3．维氏硬度(HV)
（以压痕面积表示）
维氏硬度的测试原理基本上与布氏硬度相同， 其测试方法 如图。维氏硬度用HV表示：
HV=F/Av=1.8544F/d2
式中 P--载荷（N） AV--压痕面积（mm2） D--对角线的平均长度（mm）。
当硬度小于450HB, HB≈HV
4．邵（肖）氏硬度（HS） 用来测量弹性体和热塑性软塑料的穿透硬 度，分为邵氏压痕硬度和邵氏反弹硬度。 邵氏反弹硬度 HS=KH/H0
硬度：材料抵抗外物压入的能力，是综合性能指标，表示 材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或断 裂的能力。硬度越高，耐磨性越高，但切削加工困难。 金属材料：布氏硬度和洛氏硬度； 工程陶瓷：维氏硬度和A种洛氏硬度； 高分子材料：邵氏硬度。
1．布氏硬度(HB)
以 ：压痕表面积表示 或：载荷/压痕表面积表示