第一章工程材料的分类及性能
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。
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。
第一章工程材料的分类及性能
2.本课程与相关课程的关系：
本课程应安排在金属工艺学实习及 应用力学课程之后进行,即学生应具 有材料的机械性能和金属加工工艺 方面的基本知识。为后续课程和毕 业设计等打好选择材料和使用材料 的基础。
3.课程的基本教学要求 ：
重点阐述工程材料的性能与其组织结构 之间的联系;
说明如何通过工艺手段改变材料的组织 结构,以达到提高材料性能的目的;
2.强度
σ s：屈服强度（开始产生塑性变形的应力） 。 σ b：抗拉强度（材料在拉伸过程中承受的最
大工程应力）。 σ k：断裂强度（材料发生断裂时的应力）。
σ p、 σ e、 σ s、 σ b、 σ k的单位：Mpa （与应力的相同）
Байду номын сангаас
3.塑性
伸长率δ：试样拉断后标距的相对伸长量：
GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算 值（摘录）
5.疲劳强度
材料在无数次的交变载荷的作用下不发 生疲劳断裂的最大应力（钢经受107循环 不发生断裂的最大应力）；
弯曲疲劳强度的表示：σ-1； 疲劳强度σ-1与抗拉强度之比约为
0.45~0.55。
重复循环变化的载荷：
疲劳曲线：
6.韧性
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 称为冲击韧性，简称韧性。
材料抵抗裂纹失稳扩展的性能称为断裂 韧性。
材料的韧性是材料断裂时所需的能量。
（1）冲击韧性：
标准冲击试样：
冲击功与冲击韧性计算公式：
•冲击功：
AkG (H 1H2)
•冲击韧性：
ak
Ak S
韧脆转变温度TK：
三、材料的化学性能
耐腐蚀性； 高温抗氧化性； 抗老化性能； 降解性。
工程材料的分类及性能
工程材料的分类及性能字体: 小中大 | 打印发表于: 2006-11-09 15:38 作者:xlktiancai 来源: 中国机械资讯网材料的分类材料的种类繁多，用途广泛。
工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。
在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类：金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。
特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。
加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。
在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。
随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。
非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有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。
所以在工业中的应用日益广泛。
作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。
古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。
金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。
近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。
9-1.gif我也来说两句查看全部回复最新回复•xlktiancai (2006-11-09 15:39:31)材料的性能一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。
描述材料变形行为的指标是应力σ和应变ε，σ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。
描述材料力学性能的主要指标是强度、延性和韧性。
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
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。
工材习题集
（A）压应力（B）切应力（C）复合应力（D）拉应力
4．孕育剂的细化晶粒的作用是
（成化合物，并以此作为非自发形核的核心，增加晶核数
（C）提高冷却速度，增加过冷度
（D）降低液态金属的实际结晶温度，提高过冷度
5．实际晶体的冷曲线是
（D）一定温度和成分条件下，从液固两相中同时结晶一种晶体的反应
12．共析钢在727℃奥氏体化后，再缓慢加热至温度为1148℃时，珠光体的含碳量将
（A）从0.77％上升到2.11％（B）保持0.77％不变（C）高于0.77％（D）低于0.77％
13．最适合于热加工成形的相区是
（A）单相的A区（B）双相的F+A区（C）双相的L+A区（D）双相的A+Fe3C
4．已知γ－Fe的晶格常数（a=0.364nm）大于α-Fe的晶格常数（a=0.287nm），为什么γ－Fe冷至912℃转变为α-Fe时，体积反而增大？
5．画出面心立方晶体中的（100）、（110）、（111）晶面和[100]、[110]、[111]晶相，并计算以上各晶面和晶向晶面密度和晶向密度。
6．间隙固溶体与间隙化合物的区别？
10高分子材料的聚集态有、、三种。
三、选择题
1．晶体的位错属于：
（A）体缺陷（B）面缺陷（C）点缺陷（D）线缺陷
2．体心立方晶格中，密排面和密排方向分别是：
（A）(110)、<111>（B）(100)、<111>（C）(111)、<110>（D）<110>、(111)
3．面心立方结构中，密排面和密排方向分别是：
二、填空题
1．工程材料材料化过程中关键步骤分别是：金属材料；高分子材料；陶瓷材料。
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
工程材料及机械制造基础习题及答案.
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
作业答案
E=
= L
L
带入弹性模量110000MPa，L=2m， △L=3.2mm，计算得：δ =176MPa
5. 零件设计时，是选取δ0.2（δS）还是选取δb，应以什么情况 为依据？
a，机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是 大多数机械零件设计时选材的主要依据，也是评定金属材料承载能力 的重要力学性能指标； b，抗拉强度测量方便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考 虑，可用作设计依据，但所取的安全系数应该大一点。
2.试述加工硬化对金属材料的强化作用，这些变化有何实际 意义？试举一些有用的例子和有害的例子来说明其利弊。 产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出 现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产 生了残余应力等。 加工硬化给金属件的进一步加工带来困难。如在冷轧 钢板的过程中会愈轧愈硬以致轧不动，因而需在加工过程 中安排中间退火，通过加热消除其加工硬化。又如在切削 加工中使工件表层脆而硬，从而加速刀具磨损、增大切削 力等。但有利的一面是，它可提高金属的强度、硬度和耐 磨性，特别是对于那些不能以热处理方法提高强度的纯金 属和某些合金尤为重要。如冷拉高强度钢丝和冷卷弹簧等， 就是利用冷加工变形来提高其强度和弹性极限。又如坦克 和拖拉机的履带、破碎机的颚板以及铁路的道岔等也是利 用加工硬化来提高其硬度和耐磨性的。
材料 结合键 性能
金属材料
陶瓷材料 高分子材料
金属键
离子键和共价键 共价键、氢键和分子键
良好的导电导热性，延展性
高熔点，高硬度，脆性大 粘接性、绝缘性、膨胀性和稳定性
3.简述金属常见的三种晶体结构的基本特点。
晶格类型
bcc fcc hcp
形状
立方体 立方体 正六面柱体
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。
工程材料课后习题答案
《工程材料及机械制造基础》习题参考答案第一章材料的种类与性能（P7）１、金属材料的使用性能包括哪些？力学性能、物理性能、化学性能等。
２、什么是金属的力学性能？它包括那些主要力学指标？金属材料的力学性能：金属材料在外力作用下所表现出来的与弹性和非弹性反应相关或涉及力与应变关系的性能。
主要包括：弹性、塑性、强度、硬度、冲击韧性等。
３、一根直径10mm的钢棒，在拉伸断裂时直径变为8.5mm，此钢的抗拉强度为450Mpa，问此棒能承受的最大载荷为多少？断面收缩率是多少？F=35325N ψ=27.75%４、简述洛氏硬度的测试原理。
以压头压入金属材料的压痕深度来表征材料的硬度。
5、什么是蠕变和应力松弛？蠕变：金属在长时间恒温、恒应力作用下，发生缓慢塑性变形的现象。
应力松弛：承受弹性变形的零件，在工作过程中总变形量不变，但随时间的延长，工作应力逐渐衰减的现象。
6、金属腐蚀的方式主要有哪几种？金属防腐的方法有哪些？主要有化学腐蚀和电化学腐蚀。
防腐方法：1）改变金属的化学成分；2）通过覆盖法将金属同腐蚀介质隔离；3）改善腐蚀环境；4）阴极保护法。
第二章材料的组织结构（P26）1、简述金属三种典型结构的特点。
体心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。
每个体心立方晶格的原子数为：2个。
塑性较好。
面心立方晶格：晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。
每个面心立方晶格的原子数为：4个。
塑性优于体心立方晶格的金属。
密排六方晶格：晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。
每个密排六方晶胞原子数为：6个，较脆2、金属的实际晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？存在点缺陷、线缺陷和面缺陷。
使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度、硬度提高，但防腐蚀能力下降。
3、合金元素在金属中存在的形式有哪几种？各具备什么特性？存在的形式有固溶体和金属化合物两种。
工程材料第一章--金属材料的力学性能
数值越大，表明材料的断裂韧性越好！
压痕法
试样表面抛光成镜面，在显微硬度仪上，以10Kg负 载在抛光表面用硬度计的锥形金刚石压头产生一压 痕，这样在压痕的四个顶点就产生了预制裂纹。根 据压痕载荷P和压痕裂纹扩展长度C计算出断裂韧性 数值（KIC）。
第一章 金属材料的力学性能
机械零部件在使用过程中一般不允许发生塑性变形，所以 屈服强度是零件设计时的主要依据，也是评定材料强度的 重要指标之一
（三）抗拉强度
表明试样被拉断前所能承载的最大应力
σb＝ Fb / A0
Fb :试样在破断前所承受的最大载荷
➢ 表示塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力，也 表示材料抵抗断裂的强度，即断裂强度。
若F 确定，硬度值只与压痕投影的两对角线的平均长 度d有关，d越大，HV越小。
维氏硬度值一般只写数值。 硬度值+硬度符号+试验力大小（kgf）及试验力保持时 间（10-15s不标注）
提问
640HV30的具体意义？
表示在30kgf的试验载荷作用下，保持10-15s时 测得的维氏硬度值为640。
640HV30/20的具体意义？
布氏硬度值单位为N/mm2，但一般只写数值。 硬度值+硬度符号+球体直径+试验力大小及试验力保持 时间（10-15s不标注）
提问
170HBW10/1000/30的具体意义？
表示用直径10mm的硬质合金球，在9807 N(1000 kgf) 的试验载荷作用下，保持30s时测得的布氏硬度值为170。
530HBW5/750的具体意义？
➢ 抗拉强度是零件设计时的重要依据，也是评定金 属材料的强度重要指标之一。
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。
工程材料习题集参考答案(第一章)
习题集部分参考答案吴超华老师提供1工程材料的分类与性能思考题1.写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义。
答：σe: 弹性极限，试样发生最大弹性变形时对应的应力值。
σs: 屈服强度（屈服点），试样拉伸中载荷达到S点后，发生屈服现象，S点对应的应力值称为屈服强度。
σ0.2: 试验产生0.2%的残余塑性变形时对应的屈服强度σb: 抗拉强度，试样在断裂前所能承受的最大应力。
σ-1: 疲劳强度，材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
δ: 伸长率，试样拉断后的标距伸长量与原始标距之比。
φ: 收缩率，试样拉断处横截面积的收缩量与原始横截面积之比。
α冲击韧性，材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
KV：HRC: 洛氏硬度，在洛氏硬度计上，将顶角为1200的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬硬钢球压头在一定载荷F的作用下压入被测材料的表面，然后根据压痕的深度来测量所得的硬度值。
HV: 维氏硬度，将顶角为1360的正四棱锥金刚石压头以一定的载荷压入试样表面并保持一定的时间后卸除试验力，所使用的载荷与试样表面上形成的压痕的面积之比。
HBS: 布氏硬度，用一直径为D的标准钢球,以一定压力P将球在被测金属表面上经T 秒后，撤去压力，由于塑性变形,在材料表面形成一个凹印，用这个凹印的球形面积去除压力P，由所得值表示材料硬度。
2.低碳钢试验在受到静拉力作用直至拉断时经过怎样的变形过程？答：先是弹性变形阶段（Oe段）；然后是屈服阶段（es段）；再是强化阶段（sb段）；最后是缩颈阶段（bk段）。
如图1所示。
3.3. 通常把工程材料分为哪几类？各举二个例子。
答：工程材料一般分为金属材料、非金属材料和复合材料。
金属材料如汽车发动机的缸体、连杆、活塞和气门等。
非金属材料如各种塑料（公交车上的塑料座椅、汽车驾驶台的塑料面板和各种塑料玩具等）、橡胶（汽车轮胎、密封条等）、陶瓷（花瓶、唐三彩、瓷碗等）。
复合材料如碳纤维、玻璃钢和风力机叶片等。
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（2）洛氏硬度：
常用洛氏硬度的试验条件和应用：
硬度符 号 HRC 压头类型 总压力 硬度值有效 范围 20~67HRC 应用举例
120°金刚 石圆锥 Φ（1/16）‘’ 淬火钢球
1471
淬火钢、调质钢等
HRB
4807
4.课程教学形式：
理论教学； 实验教学； 课堂讨论； 自学； 辅导（习题解答
）。
5.教学内容 ---- 理论教学：
第一章 金属材料的力学性能 第二章 金属的晶体结构 第三章 金属的结晶 第四章 二元相图及应用（铁碳合金相图 ） 第五章 金属材料的变形 第六章 钢的热处理 第七章 工业用钢 第八章 铸铁 第九章 有色金属及其合金 第十章 机械零件材料的选用
（1）布氏硬度：
布氏硬度测试原理公式：
F 2F HB(HBS或 HBW) 0.102 0.102 S D( D D 2 d 2 )
HBS适合测定硬度值低于450的金属材料；
HBW适合测定硬度值低于650的金属材料。
硬度符号HBS或HBW前的数值为硬度值，符号 后依次表示钢球直径、载荷大小及载荷保持时间。 例：
维； 陶瓷材料：工业陶瓷； 复合材料：金属基复合材料、高分 子复合材料、陶瓷基复合材料。
玻璃纤维增强高分子复合材料：
c.材料的性能(力学性能)
零件的过量变形以及性能指标； 零件的断裂及性能指标； 零件在交变载荷下的疲劳断裂及性能指 标； 零件的磨损失效以及防止； 零件在高温下的蠕变变形和断裂失效。
绪论:1.课程的性质和任务：
性质：工程材料是机械类、近机械类各专业学生必修 的专业技术基础课。 任务： 1)使学生获得有关工程材料的基本理论和基本知识； 2)掌握常用工程材料成分－组织－性能－应用之间关系 的一般规律； 3)熟悉常用工程材料的生产工艺过程； 4)根据机械零件的服役条件和失效形式、合理选用工程 材料。
例：640HV30/20；500HV30
GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算 值（摘录）
硬 洛氏 度
维氏 布氏 HV （F/D2=30）
抗拉强度σb（N/mm-2）
碳钢
HRC 45.0 45.5 46.0 46.5 47.0 HRA 73.2 73.4 73.7 73.9 74.2 441 448 454 461 468 HBS 424 430 436 442 449 HBW 428 435 441 448 455 1459 1481 1503 1526 1550
2.强度
σ s：屈服强度（开始产生塑性变形的应力） 。 σ b：抗拉强度（材料在拉伸过程中承受的最 大工程应力）。 σ k：断裂强度（材料发生断裂时的应力）。 σ p、 σ e、 σ s、 σ b、 σ k的单位：Mpa （与应力的相同）
3.塑性
伸长率δ：试样拉断后标距的相对伸长量：
25~100HRB 软钢、退火钢、铜 合金、铝合金，可 锻铸铁等
HRA
120°金刚 石圆锥
558.4
65~85HRA 碳化物、硬质合金、 表面淬火钢
（3）维氏硬度（HV）：
维氏硬度测试原理公式：
F F 2 sin 68 F HV 0.102 0.102 0.1891 2 2 SV d d
2.本课程与相关课程的关系：
本课程应安排在金属工艺学实习及
应用力学课程之后进行,即学生应具 有材料的机械性能和金属加工工艺 方面的基本知识。为后续课程和毕 业设计等打好选择材料和使用材料 的基础。
3.课程的基本教学要求 ：
重点阐述工程材料的性能与其组织结构 之间的联系; 说明如何通过工艺手段改变材料的组织 结构,以达到提高材料性能的目的; 介绍常用工程材料及其应用等基本知识； 为工程结构和机械零件的设计和制造提 供合理选用材料的方法。
材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力 称为冲击韧性，简称韧性。 材料抵抗裂纹失稳扩展的性能称为断裂 韧性。 材料的韧性是材料断裂时所需的能量。
性和刚度 ：
弹性模量E：E=σ/ε（MPa)； 材料抵抗弹性变形的能力，弹性模量只对温 度敏感 。 刚度：等于材料弹性模量与零构件截面积的 乘积 。 σp： 比例极限（应力----应变成正比，服从 虎克定律 ）。 σe： 弹性极限（不产生塑性变形的最大应 力 ）。
铬钢
铬钒 钢
铬镍 钢
铬钼 钢
铬镍 钼钢
铬锰 钢
不锈 钢
1420 1444 1468 1493 1519
1469 1493 1517 1541 1566
1451 1476 1502 1527 1554
1444 1468 1492 1517 1542
1487 1512 1537 1563 1589
1445 1469 1493 1517 1543
L1 L0 100% L0
•断面收缩率ψ：试样拉断处横截面积的相对收缩 量：
S 0 S1 100% S0
碳钢三种典型应力—应变曲线的比较：
4.硬度
硬度是衡量材料软硬程度的指标。 通常材料的强度越高，硬度也越高。 硬度定义：材料抵抗局部塑性变形的能力。 生产常用的硬度测试方法有： （1）布氏硬度； （2）洛氏硬度； （3）维氏硬度；
2学时 2学时 2学时 4学时 4学时 4学时 4学时 2学时 4学时 2学时
第一章:金属材料的力学性能： a . 定义：
(1)材料是人类生产和生活所必备的物质 基础; (2)工程材料主要指用于机械工程、电器 工程、建筑工程、化工工程、航空航天 工程等领域的材料。
b.分类：
金属材料：黑色金属、有色金属； 高分子材料：塑料、橡胶、合成纤
1492 1453 1479 1501 1533
5.疲劳强度
材料在无数次的交变载荷的作用下不发 生疲劳断裂的最大应力（钢经受107循环 不发生断裂的最大应力）； 弯曲疲劳强度的表示：σ-1； 疲劳强度σ-1与抗拉强度之比约为 0.45~0.55。
重复循环变化的载荷：
疲劳曲线：
6.韧性