第1章工程材料
第1章 工程材料的分类与键合方式
周期表中I、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子很容易丢失其价电子而 成为正离子。
被丢失的价电子为全体原子所公有,这些公有化的电子叫 做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电 子气。
正离子和电子气之间产生强烈的 静电吸引力，使全部离子结合起 来。这种结合力就叫做金属键。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
1.3 材料的键合方式
C
• 工程材料通常是固态材料，
60
是由各种原子通过原子、离
子或分子结合的特定组合而成的。
• 原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。
• 根据结合力的强弱，可以把结合键分为强键（离子键、 共价键及金属键）和弱键（分子键）两类。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
绪论
学习要点：
1.1 材料的定义 1.2 材料的分类 1.3 材料的键合方式
绪论
1.1 材料的定义
材料：是指经过某种加工，具有一定结构、 成分和性能，并可应用于一定用途的物质。 一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为 “原料”，把经过工业加工的原料成为“材 料”。
绪论
1.2 材料的分类
1.2.1 金属材料 金属材料是以金属键结合为主的材 料，具有良好的导电性、导热性、延 展性和金属光泽。
绪论
金属由金属键结合，具有度系数，即随温度升高电阻增大。 ③金属不透明并呈现特有的金属光泽。 ④金属具有良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
1.3.2 离子键
当元素周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素 原子相接近时，正电性原子失去外层电子变为正离子，负 电性原子获得电子变为负离子。正负离子通过静电引力互 相吸引，当离子间的引力与斥力相等时就形成稳定的离子 键。
工程材料学知识点
工程材料学知识点第一章材料是有用途的物质。
一般将人们去开掘的对象称为“原料”，将经过加工后的原料称为“材料”工程材料：主要利用其力学性能，制造结构件的一类材料。
主要有：建筑材料、结构材料力学性能：强度、塑性、硬度功能材料：主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.主要有：半导体材料（Si）磁性材料压电材料光电材料金属材料：纯金属和合金金属材料有两大类：钢铁（黑色金属）非铁金属材料（有色金属）非铁金属材料：轻金属（Ni以前）重金属（Ni以后）贵金属（Ag，Au，Pt，Pd）稀有金属（Zr，Nb，Ta）放射性金属（Ra，U）高分子材料：由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物主要组成：C，H，O，N，S，Cl，F，Si三大类：塑料（低分子量）：聚丙稀树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂橡胶（高分子量）：天然橡胶，合成橡胶陶瓷材料：由一种或多种金属或非金属的氧化物，碳化物，氮化物，硅化物及硅酸盐组成的无机非金属材料。
陶瓷：结构陶瓷Al2O3，Si3N4，SiC等功能陶瓷铁电压电材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。
材料可生产性：材料是否易获得或易制备铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的能力锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起能力第二章（详见课本）密排面密排方向fcc{111}<110>bcc{110}<111>体心立方bcc面心立方fcc密堆六方cph点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。
类型：空位：在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
间隙原子：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。
它们可能是同类原子，也可能是异类原子。
异类原子：在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。
土建工程基础第一章工程材料
容重[kg/m3]
导热系数[W/（m·K）]
加气混凝土砌块 烧结实心砖 烧结多孔砖 蒸压灰砂砖 钢筋混凝土
400～700 1600 1200 1400 2300
0.12～0.18 0.81 0.43 0.44～0.64 1.75
1.1.3 工程材料的力学性质
(一) 强度
强度指材料抵抗外力破坏的能力，即材料达到破坏前所能承受的极限应力值。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度几种。
式中： ——体积吸水率，％； ——干操材料体积，cm3； ——水的密度， g/cm3 。
（2）吸湿性
吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。
式中： ——材料的含水率，％； ——材料在干燥状态下的质量，g； ——材料含水状态下的质量，g。
硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。
物理作用：干湿变化、温度变化及冻融变化等
化学作用：酸、碱、盐等
生物作用：细菌、微生物等 材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗周围环境各种介质的侵蚀，能长期保持材料原有性质的能力。
材料的含水率受环境影响，随空气的温度和湿度的变化而变化。当材料中的湿度与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。
3．耐水性
软化系数的范围波动在0～1之间。通常将软化系数大于等于0 .85的材料看作是耐水材料。
材料的耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。材料耐水性用软化系数 表示。
工程材料第一章 工程材料简介
第二节 金属材料及钢的热处理
(4)可锻铸铁 可锻铸铁是预先浇铸成白口铸铁，再经长时 间石墨化退火完成的。 5.有色金属材料 (1)铜及铜合金 根据所含合金元素的不同，可以分为纯铜、 黄铜、青铜和白铜等。 1)纯铜。 2)加工黄铜，铜和锌的合金称为黄铜，随着含锌量增加， 颜色逐渐变为淡黄。 3)加工青铜。 4)加工白铜。
图1-13 杆件受拉时的计算简图
第四节 构件受力变形及强度条件
(2) 拉伸与压缩时的强度条件 要保证构件工作时不被破 坏，必须使工作应力小于材料的极限应力。 2.剪切
第四节 构件受力变形及强度条件
图1-14 剪切作用的特点
表1-1 洛氏硬度试验原理及应用范围
第一节 工程材料的分类及性质
图1-4 冲击强度试验原理 a)试样安装 b)冲击试验机 1、8—支座 2—冲击点 3、7—试样 4—刻度盘
5—指针 6—摆锤
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
图1-5 钢铁材料的疲劳曲线
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
4.复合材料 二、工程材料的性质
工程材料的性质主要有强度、塑性、硬度、冲击强度 和疲劳强度等。 1.强度
图1-1 拉伸试样
第一节 工程材料的分类及性质
2.塑性 (1) 断后伸长率
第一节 工程材料的分类及性质
图1-2 低碳钢的应力应变曲线
第一节 工程材料的分类及性质
5.疲劳强度
第二节 金属材料及钢的热处理
一、常用金属材料 常用的金属材料有钢、铸铁和有色金属等。 1.钢的分类、牌号和应用 2.碳素钢
图1-6 碳元素对力学性能的影响
第二节 金属材料及钢的热处理
工程材料第一章知识点
工程材料第一章一、名词解释晶体晶格晶胞晶面晶向晶体结构各向异性各向同性合金组元二元合金相固溶体金属化合物组织工艺性能使用性能单体二、填空题1、三种常见金属的晶体结构为体心立方晶格、面心立方晶格。
和密排六方晶格。
2、体心立方晶胞中原子个数为 2 ；面心立方晶胞中原子个数为4；密排六方晶体胞中原子个数为 6 。
3、同非金属相比，金属的主要特性是良好的导电性、导热性、塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。
4、晶体与非晶体结构上的最根本的区别是晶体内部的原子是按一定几何形状规则排列的，而非晶体则不是。
5、一般可把材料的结合键分为离子键、共价键、金属键和分子键四种。
6、一般将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等四大类。
7、高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类工程塑料、合成纤维、合成橡胶和胶黏剂。
8、固态物质按其原子（离子或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体；固态金属一般情况下均是晶体。
9、晶体中的缺陷按其几何形式的特点可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
10、点缺陷主要有空位、间隙原子和异类原子等；面缺陷主要有晶界和亚晶界等；线缺陷又称为错位。
11、固态金属中有两类基本相：固溶体和金属化合物。
12、按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体。
13、按溶质原子在溶剂中的分布是否有规律，固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体。
14、金属化合物主要有正常价化合物、电子化合物、间隙化合物等，这类化合物性能的特点是熔点较高、硬度高、脆性大；合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，而和塑性和韧性降低。
15、金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。
16、金属材料的工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、等；力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。
17、大分子链可呈现几种不同几何形状，主要有线型、支化型和体型等三类。
第1章 工程 材料的种类和力学性能
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同 ，可分为两大类，即普通陶瓷 和特种陶瓷。
根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制品 可分为陶器和瓷器。
陶瓷制品
陶瓷发动机
• 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过 粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生 陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。
材料的强度、塑性指标是通过拉伸实验 测定的。
应力 σ=F/S0
σ (N /m2) ；
F —作用力，(N) S0—试样原始截面 积(m2)。
剪应力τ＝F/SO
材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以
σ表示。
应变ε(%) ⊿L—试样标距部分伸长量，(mm)；
L0 —试样标距部分长度(mm)。ε=⊿L/L0
根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、 生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。
传统的无机非金属材料 之三：水泥
水泥是指加入适量水 后可成塑性浆体，既能在 空气中硬化又能在水中硬 化，并能够将砂、石等材 料牢固地胶结在一起的细 粉状水硬性材料。
水泥的种类很多，按其用途和性能可分为： 通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所 含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥 、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以 及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目 前水泥品种已达一百多种。
l lO
ll lO
lO lO
l
100lO% lO
100%
剪应变 γ 剪模量 G
a h
tan
且有 G
• 弹性变形 形①的弹外性力变撤形除：后当，产变生形变随σ 即消失。
工程材料课后答案(部分)
热固性: 聚合物加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，称为热固性。
柔性: 在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性。
解: r原子=34a=34×2.87×10-10≈1.24×10-10(m)
43πr3原子×2a3=43π34a3×2a3≈0.68=68%
(5) 在常温下,已知铜原子的直径d=2.55×10-10m，求铜的晶源自常数。 解: r原子=24a
(4) γ-Fe的一个晶胞内的原子数为（4个) .
(5) 高分子材料大分子链的化学组成以（C、H、O）为主要元素，根据组成元素的不同，可分为三类，即（碳链大分子) 、 (杂链大分子）和（元素链大分子) .
(6) 大分子链的几何形状主要为（线型) 、 (支化型）和（体型) 。热塑性聚合物主要是（线型和支化型）分子链，热固性聚合物主要是（体型）分子链。
答: ab段为右螺型位错。
bc段为刃型位错，半原子面过bc线且垂直于纸面，在纸面外。
cd段为混合位错。
de段为左螺型位错。
ea段为刃型位错，半原子面过ea线且垂直于纸面，在纸面里。 (8) 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
答: 形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
(7) 高分子材料的凝聚状态有（晶态) 、 (部分晶态）和（非晶态）三种。
(8) 线型非晶态高聚物在不同温度下的三种物理状态是（玻璃态) 、 (高弹态）和（粘流态) .
(9) 与金属材料比较，高分子材料的主要力学性能特点是强度（低) 、弹性（高) 、弹性模量（低）等。
第一章 工程材料基础知识
δ < 2 ~ 5%
属脆性材科
δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
属塑性材料
金属强度与塑性新、旧标准对照表
新标准 GB/T228-2002
性能 断面收缩率
σb
• 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）。
符号 Z
断后伸长率
A
A11.3
屈服强度
－
上屈服强度 下屈服强度
规定残余伸长强度
ReH ReL Rr 例如：Rr0.2
抗拉强度
Rm
2、硬度测量
旧标准 GB/T228-1987
性能 断面收缩率
符号 ψ
断后伸长率
δ5
δ10
屈服点
σs
上屈服点 下屈服点
规定残余伸长应力
σsU σsL σr 例如：σr0.2
抗拉强度
维氏硬度测量原理
• 维氏硬度特点：测量范围大，可测量硬度为 10~1000HV 范围的材料；量压痕小。 • 维氏硬度应用：可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。
*上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。 * 各种硬度的换算经验公式：硬度在 200~600HBS 时 ：1HRC 相当于 10HBS ；硬度小于 450HBS 时：1HBS 相当于 1HV * 利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容
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》第一章第二节 材料的结合方式及工程材料键性
要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。
下晶体和非晶体iO2的结构
非晶态
第二节 材料的结合方式 及工程材料键性
一 、结合键
● ●
原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。 一般可把结合键分为
离子键、共价健、金属键和分子键四种。
1. 离子键 正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们 十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定 的离子键。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。
2. 共价键
由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代 表性的共价晶体为金刚石。属于共价晶体的还有 SiC、Si3N4、BN等化合物。
共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬 度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。
3. 金属键
正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使
全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。
二、工程材料的键性
1. 金属材料
工程应用的金属材料，原子间的结
合键基本上为金属键，皆为金属晶 体材料。
2. 陶瓷材料
存在有一定成分的共价键，但离子
键是主要的。
3. 高分子材料
大分子内的原子之间由很强的共价 键结合，而大分子与大分子之间的结 合力为较弱的范特瓦尔斯力。
三、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件
金属键无所谓饱和性和方向性。
金属键的特性
1. 良好的导电性和导热性。 2. 正的电阻温度系数。
绝大多数金属具有超导性，即 在温度接近于绝对零度时电阻 突然下降，趋近于零。
3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
工程材料 第1章-金属材料的力学性能解读
F0 F1 100% 断面收缩率： F0
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
断裂后
第二节 硬度
材料抵抗其他更硬物质压入其表 面的能力，是表面局部变形的能力。 1、布氏硬度HB
HB 0.102 2P
D( D D 2 d 2 )
布 氏 硬 度 计
压头为钢球时，布氏硬度用符号 HBS表示，适用于布 氏硬度值在450以下的材料。 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏 硬度在650以下的材料。
体心立方金属具有韧脆转
变温度，而大多数面心立 方金属没有。
韧脆转变温度。
建造中的Titanic 号
TITANIC
TITANIC的沉没
与船体材料的质量
直接有关
Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板 （右图）的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
第四节 疲劳强度
疲劳：材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂 的现象。
式中，σ—应力，单位MPa ;
F—外力，单位N; S—横截面积，单位mm2。
材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为 变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。
五万吨水压机
第一节 强度和塑性
强度：材料在外力作用下抵
抗变形和破坏的能力。 屈服强度s：材料发生微 量塑性变形时的应力值。 单位是Mpa。
显微维氏硬度计 小 负 荷 维 氏 硬 度 计
第三节 冲击韧性
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Ak(通
过冲击实验
测得)。
韧脆转变温度
材料的冲击韧性随温度 下降而下降。在某一温 度范围内冲击韧性值急 剧下降的现象称韧脆转 变。发生韧脆转变的温
材料科学基础第一章
5）晶体中原子的堆垛方式
39
40
6）晶体结构的多晶型性
多晶型性:有些金属（如Fe， Mn，Ti，Co，Sn，Zr等） 固 态下在 不同温 度或不 同 范 围内具 有不同 的晶体 结 构的性质。 同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变 化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称 为多晶型性转变，也称为同素异构转变。
晶胞－空间点阵中反映晶格特征的最小的几何 单元。
10
通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为 晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状
11
晶胞选取原则：
a 能够充分反映空间点阵的对称性；
b 相等的棱和角的数目最多；
c 具有尽可能多的直角；
d 体积最小。
12
结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分 的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。
44
SiC型：类似于金刚石型 SiO2型：面心立方 点阵，1个硅原子 被4个氧原子所包 围，每个氧原子则 介于两个硅原子之 间，起着连接两个 四面体的作用。单 胞共有24个原子。
45
第三节 原子的不规则排列
原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所 占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现 不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律 产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能 和物理化学变化有重要的影响。
53
2）螺型位错 screw dislocation
模型：滑移面//位错线。（位错线//晶体滑移方 向，位错线┻位错运动方向，晶体滑移方向┻位 错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。 左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向//位错线
工程材料基础知识 课后习题答案
第一章工程材料根底知识参考答案1．金属材料的力学性能指标有哪些？各用什么符号表示？它们的物理意义是什么？答：常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。
强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏〔过量塑性变形或断裂〕的性能。
强度常用材料单位面积所能承受载荷的最大能力〔即应力σ，单位为Mpa〕表示。
塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形〔永久变形〕而不被破坏的能力。
金属塑性常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示：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，是衡量材料软硬程度的指标，是一个综合的物理量。
常用的硬度指标有布氏硬度〔HBS、HBW〕、洛氏硬度〔HRA、HRB、HRC等〕和维氏硬度〔HV〕。
以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。
冲击韧性的常用指标为冲击韧度，用符号αk表示。
疲劳强度是指金属材料在无限屡次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
疲劳强度用σ–1表示，单位为MPa。
2．对某零件有力学性能要求时，一般可在其设计图上提出硬度技术要求而不是强度或塑性要求，这是为什么？答：这是由它们的定义、性质和测量方法决定的。
硬度是一个表征材料性能的综合性指标，表示材料外表局部区域内抵抗变形和破坏的能力，同时硬度的测量操作简单，不破坏零件，而强度和塑性的测量操作复杂且破坏零件，所以实际生产中，在零件设计图或工艺卡上一般提出硬度技术要求而不提强度或塑性值。
3．比拟布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。
答：〔1〕布氏硬度测量原理：采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的外表，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量剩余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位外表积上所受的压力表示硬度值。
实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。
布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属〔有色金属〕、硬度较低的钢〔如退火、正火、调质处理的钢〕〔2〕洛氏硬度测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F 的作用下，将压头压入材料外表，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用剩余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。
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
工程材料 第一章 材料的性能及应用意义
HR = (0.2 - △h) / 0.002 (mm)，
其中 △h = h1 - h0
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度计
一、力学性能
3. 维氏硬度（HV） GB4342 -1984
（1）金刚石正四棱锥压头，精确 操作复杂，适用于科学研究。 （2）压力可选5～120Kg间的特定 值，适用各种硬度值的测量。 （3）压痕小，可测表面硬化层。
冲击吸收功AK
1 2
3
TK
温度T
三种不同冷脆倾向的材料
1—面心立方晶格的金属 2—中、低强度体心立方晶格的金属 3—高强度材料
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
冲击吸收功的测定
一、力学性能
不同材料的冲击抗力:
§1.2 材料的使用性能
冲击能量A
A'
A" N'
K 1
2
N"
冲击破断次数 lgN
1—高强度低韧性材料 2—低强度高韧性材料
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
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。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
1. 冲击韧度 Ak ——材料抵抗冲击载荷的能力
二、物理性能
§1.2 材料的使用性能
（一）密度 （二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等。 （三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性。 （四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。
第一章 工程材料中的原子排列课件
不依靠电子的转移 或共享，靠原子间 的偶极吸引力结合
4
一次键 价电子转移或共用电子云
包括
离子键
价电子的转移 正负离子相互吸引 键合很强 无方向性 熔点高，硬度高 固态不导电 导热差
NaCl、CrO2、Al2O3
共价键
相邻原子 共用电子对 键合强 有方向性 熔点高，硬度高 不导电 导热性有好有差 金刚石、SiO2
金属键
自由电子为 所有阳离子共有 键合较强 无方向性
熔点、硬度有高有低
导电性好 导热性好
Fe、Al、Cu、Hg
5
二次键 原子间的偶极吸引力结合
包括
分子键
分子或分子团的 弱电性相互吸引 键合很弱 无方向性 熔点低、硬度低 不导电 导热性差 塑料、石蜡
氢键
类似分子键 氢原子起关键作用
键合弱 有方向性 熔点、硬度低 不导电 导热性好 水、冰、DNA
1
总目的
有效使用现有材料，发展新型材料
需要
了解决定材料性能的本质（内在）因素
即
了解材料内部的微观结构
首先掌握
本章目的 晶体结构——键合、原子排列方式及相互作用
2
材料的性能
取决于
内部结构包括
显微组织
晶 体
包括
非晶体
完整
不完整
3
原子键合
分为
一次键
即
二次键
即
价电子转移或 共用电子云达 到稳定结构
9
陶瓷材料 ——— 共价键＋离子键
天然蓝宝石 MgSO4晶须
Al2O3晶体
蓝宝石头罩
镁铝尖晶石MgAl2O4
10
2. 两种或多种键合独立存在
气体 ——分子内为共价键，分子间为分子键 高分子材料 ——分子内为共价键，分子间为分子键或氢键
第1章工程材料的基本知识
第1章工程材料的基本知识第1章工程材料的基本知识主要内容：1.1 金属材料1.2 非金属材料的力学性能一、工程材料的种类：工程材料：金属材料、非金属材料和复合材料；1、金属材料：黑色金属、有色金属2、非金属材料：高分子材料、陶瓷材料3、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料1、使用性能：力学性能、物理性能、化学性能；2、工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能；二、工程材料的主要性能：1.1 金属材料金属材料的力学性能也称机械性能，指金属材料在外载荷1.1.1 金属材料的力学性能作用下，其抵抗变形和破坏的能力；注意：材料在不同的外部条件和载荷作用下，会呈现出不同的特性；如：常温状态下和高、低温状态下金属材料的力学性能就不一样；静载荷和动载荷作用下金属材料的力学性能也不一样；常见的金属材料的力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等；1、强度和塑性(1)强度强度是指金属材料在外(静)载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
强度指标一般用单位面积所承受的载荷(即力)表示，符号为σ,单位为MPa。
工程中常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。
屈服强度是指金属材料在外力作用下，产生屈服现象时的应力，或开始出现塑性变形时的最低应力值，用σs表示。
抗拉强度是指金属材料在拉力的作用下，被拉断前所能承受的最大应力值，用σb表示。
对于大多数机械零件(如压力容器),工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据；对于因断裂而失效的零件(如螺栓),而用抗拉强度作为其强度设计的依据。
(2)塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
工程中常用的塑性指标有伸长率和断面收缩率。
伸长率指试样拉断后的伸长量与原来长度之比的百分率，用符号δ表示。
断面收缩率指试样拉断后，断面缩小的面积与原来截面积之比，用表示。
伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好；反之，塑性越差。
良好的塑性是金属材料进行压力加工的必要条件，也是保证机械零件工作安全，不发生突然脆断的必要条件。
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简图
细混凝土 钢筋
2.2.3 -4 钢筋砼和预应力砼
钢筋混凝土构件内应力图
钢筋混凝土构件构造图
钢筋混凝土的优缺点
• 主要优点： • （1）就地取材 • （2）耐久性 • （3）耐火性 • （4）整体性 • （5）刚性 • （6）可塑性 • 主要缺点： • （1）自重大 • （2）抗裂性差 • （3）费工大、耗用木料多
有机材料
植物材料 沥青材料 高分子材料
木材、竹材等 石油沥青、煤沥青及其制品 塑料、涂料、胶粘剂
复合材料
钢筋混凝土、聚合物混凝土、玻璃钢、纸面或纤维石膏板
2.1 早期工程材料 2.1.1砖
2砖 标准砖的规格：240mm*115mm*53mm 粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等； 砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖 实心砖： 尺寸有240mm×115mm×90mm, 240mm×180mm×115mm, 190mm×190mm×90mm 空心砖 特点：墙厚小，施工速度快，墙、柱抗压强度高，重量 轻 我国 使用率比较低 空心砖强度较低，10~20MPa,常用 于非承重墙，孔洞竖直。国外 瑞士砖的产量97%为空心 砖，强度高17~140 MPa，多半用于承重，有水平孔洞。
•
•
预应力混凝土的优缺点
【优点】 1、抗裂性好，刚度大。 2、节省材料，减小自重。 3、提高构件的抗剪能力。 4、提高受压构件的稳定性。 5、提高构件的耐疲劳性能。 【缺点】 1、工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技 术较熟练的专业队伍。 2、需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。
(1) 硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥，分P.I和P.II,即国外通称的波特兰水泥。
(2) 普通硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、6%~15%混合材料，适量石膏磨细制成 的水硬性胶凝材料,称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）,代号：P.O。 (3) 矿渣硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水 硬性胶凝材料, 称为 矿渣硅酸盐水泥，代号：P.S。 (4) 火山灰质硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材料和适量石膏磨细 制成的水硬性胶凝材料。称为火山灰质硅酸盐水泥，代号：P.P。 (5) 粉煤灰硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性 胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号：P.F。
2.2 近代土木工程材料
2.2.2 水泥
• 1. 水泥的定义和分类 • 定义：粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能 在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材 料牢固地胶结在一起。 • 用途：水泥是重要的建筑材料，用水泥制成的砂浆或混凝 土，坚固耐久，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。 • 分类：水泥按用途及性能分 • (1)通用水泥: 一般土木建筑工程通常采用的水泥。即 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰 质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。 • (2)专用水泥:专门用途的水泥。如：G级油井水泥， 道路硅酸盐水泥。 • (3)特性水泥:某种性能比较突出的水泥。如：快硬硅 酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥。
塑料纤维、玻璃丝、碳纤维筋 使用替代产品作预应历筋时，锚固问题需特别考虑。
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋
钢绞线
点焊而成的焊网
塑料纤维
玻璃纤维网格布
碳纤维
2.2 近代土木工程材料
2.2.2 水泥
胶凝材料：指和水成浆后能硬化成坚实整体的矿物质粉状材料。 石灰、烧石膏、水泥等无机粘结剂。 砂浆： 是石膏、石灰或水泥等胶凝材料掺砂或矿渣等无机粘结 剂等细骨料加水拌合而成
(9)快硬硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成早强度高的以3天抗 压强度表示标号的水泥。 (10) 抗硫酸盐硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏磨细制成的抗硫酸盐 腐蚀性能良好的水泥。 (11) 白色硅酸盐水泥：由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成 的白色水泥。 (12) 道路硅酸盐水泥：由道路硅酸盐水泥熟练，0%~10%活性混合材料和适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料,称为道路硅酸盐水泥，（简称道路水泥）。 (13) 砌筑水泥：由活性混合材料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，磨细制成主要 用于砌筑砂浆的低标号水泥。 (14) 油井水泥：由适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料、适量石膏和混合材料等磨细制 成的适用于一定井温条件下油、气井固井工程用的水泥。 (15) 石膏矿渣水泥：以粒化高炉矿渣为主要组分材料，加入适量石膏、硅酸盐水泥 熟料或石灰磨细制成的水泥。
按加工方式分：
第二章 工程材料与制品>>自然石 砖 瓦
花岗岩 （料石）
凝灰岩
料石
毛石
2.1.4 砂石
细骨料：粒径在0.16～5mm之间的骨料为细骨料(砂)。一般采用天然砂， 它是岩石风化后所形成的大小不等、由不同矿物散粒组成的混合物，一 般有河砂、海砂及山砂。 砂子的粗细按细度模数分为4级。 粗砂：细度模数为3．7—3．1，平均粒径为o．5mm以上。
2.2.3 混凝土（砼）
大型砼砌块
小型砼砌块
2.2.3 -4 钢筋砼和预应力砼
1. 钢筋砼 梁板构件受 力简图 钢筋砼
压 拉 中和面
为了更好地利用砼高的抗压强度，在混凝土板的受拉边加设抗拉强度高的钢筋
事实证明，除了钢筋外，竹筋、各种纤维都可以用来加强混凝土。
能否加强除混凝土以外• 三种 先张法、后张法 、电热法 • 先张法就是在绑扎完钢筋之后，对钢绞线进行预应力张拉， 然后进行混凝土浇筑。 后张法是先在钢筋笼里埋设波纹 管或者其他管道，浇筑混凝土，然后把钢绞线穿进波纹管 进行张拉。先张法 是为了提高钢筋混凝土构件的抗裂性 能以及避免钢筋混凝土构件过早出现裂缝，而在混凝土构 件预制过程中对其预先施加应力以提高构件性能的一种方 法。通常在浇灌混凝土之前张拉钢筋的制作方法也称为先 张法，它在工程建设中起着重要作用。 后张法, 指的是先 浇筑水泥混凝土，待达到设计强度的75%以上后再张拉预 应力钢材以形成预应力混凝土构件的施工方法。 其实区 别就是在后张法是先制作构件留孔道，再穿筋张拉。锚固 形成整体，先张法则是预先张拉预应力筋，锚固，再浇铸 混凝土。
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋
光面钢筋
变形钢筋
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋 钢筋的不同加工方式 热轧钢筋：
6~32 12mm以下做成圆盘
冷拉钢筋：
为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对钢 筋进行冷拉使其伸长4~5%，其屈服强度较冷拉前提高。 冷拉后钢筋的强度提高，但塑性、韧性变差，因此， 冷拉钢筋不宜用于受冲击或重复荷载作用的结构。
平瓦
波形瓦
按成分分，有粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃钢瓦、沥青瓦等；
2.1.3石
3. 石 种类 重岩自然石（>18KN/m3）花岗岩、砂岩、石灰石 按密度分： 轻岩自然石（<18KN/m3）贝壳石灰岩 、凝灰岩 细料石： 料 石 粗料石： 毛料石： 毛板石： 毛 石 平板石： 乱毛石： 细加工，凹凸深度≤2mm，截面宽度、高度≥200mm， 且不小于长度的1/3 凹凸深度≤20mm，截面宽度、高度≥200mm， 且不小于长度的1/3 外形大致方正，一般不加工或稍加工 形状成板状而不规则，两面大致平行，最小厚度≥200mm 形状不规则，但有两面大致平行 形状最不规则，但最小厚度≥150mm
2.1.5 灰
• 石膏 胶粘剂 装饰面板 • 石灰 胶粘剂 装饰粉刷 石灰砂浆，三合土
装饰线材
2.1.6 木材
2.2 近代土木工程材料
2.2.4 钢材
1. 钢筋 按化学成份分 热轧碳素钢，热轧普通低合金钢 光面钢筋 施工时端头需作弯钩 按截面形式分 变形钢筋 分类 热轧 按加工方式分 冷拉 冷轧 月牙形 罗纹和人字形 施工时直接使用直筋
第二章 工程材料与制品
简述
任何土木工程建（构）筑物（包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧 道等）都是用材料按一定的要求打造成的,土木工程中所使用的各种材料统称 为土木工程材料。
金属材料
黑色金属（铁、钢）、有色金属（铝、 铜及合金等）
无机材料
非金属材料
天然石材（砂、石及各种岩石加工成的 石材），烧土制品（砖、瓦、陶瓷）， 玻璃胶凝材料（石灰、石膏、水玻璃、 水泥），混凝土、砂浆
水泥制品特点
1) 水泥在新制成的砼中与水起水化作用，释放水合热。 在大体积砼结构中水合热不易散发，当坝外层结硬后，坝内不断 产生的水合热使内部砼膨胀而导致坝外裂缝，所以应采用低热水 泥。矿渣水泥较普通水泥的水合热低。 2) 膨胀水泥结硬后，体积会膨胀。 3) 矾士水泥是一种硬化很快并有高强度的水硬性胶凝材料。 可用于紧急工程、冬季工程、海水建筑和处于矿物质水中的砼。 4) 耐碱性砼，耐酸性砼。 5) 砼可制成砌块
冷拔低碳钢丝是用6.5mm～8mm的碳素结构钢通过拔 丝机进行多次强力拉拔而成。冷拔低碳钢丝由于经过 反复拉拔强化，强度大为提高，但塑性显著降低，脆 性随之增加，已属硬钢类钢筋
冷加 工钢 冷拔钢筋： 筋 冷轧带肋钢筋
12以下）盘条在冷轧机 将普通低碳钢或热轧光圆钢（ 上，冷轧成二面或三面有月牙横肋。