材料的分类与性能
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－试样拉断处横截面的收缩量（F0-FK）与原始横截面积 F0之比。
ψ = F0 - Fk × 100% F0
ψ =△F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% ψ越大，塑性愈好 ψ <5%, 脆性材料
4、刚度和弹性
1）刚度 材料在受力时，抵抗弹性变形的能力
E=σ/ε 杨氏弹性模量 GPa, MPa 物理本质：反映了材料内部原子种类及其结合力的 大小，组织不敏感的性能指标。
能力。
1）延伸率（specific elongation）
是指试样拉断后的标 距伸长量ΔL与原始标 距L0之比。
δ < 2 ~ 5%
δ ≈ 5 ~ 10%
Lk:试样拉断后最终标距长度
δ > 10%
延伸率与试样尺寸有关， δ5 , δ10 (Lo/do=5, 10)
属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
2）断面收缩率(percentage reduction in area):
• 过载持久值
陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高； 纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。
条件疲劳极限：
经受107次应力循环而不致断裂的最 大应力值。
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
3、塑性 (plasticity): －材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的
材料的性能 ——表征材料在给定外界条件下的行为
工程材料的性能
使用性能 工艺性能
力学性能 物理性能 化学性能
铸造性能 可锻性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性能
（一）力学性能
材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因 素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。
－－主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。
2）弹性
材料不产生塑性变形的情况下，所能承受 的最大应力
比例极限：σp=Pp/Fo 应力――应变保持线性关系的极 限应力值
弹性极限：σe=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力。 工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01
5、硬度( hardness )
抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。 1）布氏硬度HB ( Brinell-hardness )
抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度 、 抗剪强度 、 抗 扭强度等。
公式：σ=P/Fo 单位： MPa(MN/mm2)
1）屈服强度σs (yield strength)和条件屈服强度 σ0.2
a: 屈服强度 σs
（σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依 据之一。）
试样屈服时的载荷( N )
如：灰口铸铁
2）抗拉强度(tensile strength)
材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂 的极限应力值）。
σb =
PB
( M pa ) F0
试样断裂前的最大载荷(N) 试样原始横截面积( mm2)
3）疲劳强度σ-1 ( fatigue strength )
疲劳现象：
（80%的断裂由疲劳造成）
第一篇 工程材料概论
材料与人类文明 材料科学与机械工程 材料分类与性能
1.3 材料的分类与性能
一、材料的分类 二、工程材料的性能
一、材料的分类 金属
材料
复合材料
陶瓷
高分子
无机材料
有机材料
工程材料分类
What? 各类材料的性能特点
• 金属材料——主要为金属键。
–热和电的良导体 –具有良好的强度与延展性以及金属光
承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化——交变应力
作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下
发生断裂。
影响因素：
循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余 应力等。
疲劳极限σ-1 ：
材料经无数次应力循环而不发生疲劳 断裂的最高应力值。
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb
曲线分为四阶段：
1）阶段I（oab）――弹性变形 阶段
oa段：△L∝ P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形 （0.001--0.005%)
a: Pp b: Pe （不产生永久变形的 最大抗力）
2）阶段II（bcd）段――屈服变 形
屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。 c: 屈服点 Ps
3）阶段III（dB）段――均匀 塑性变形阶段
σs =
Ps ( M pa ) F0
试样原始横截面积( mm2)
b: 条件屈服强度 σ0.2
（中高碳钢、无屈服点，国家标准以产生一定的微量塑性变形的抗 力的极限应力值来表示。）
σ0.2 =
试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)
P0.2
( M pa ) F0
试样原始横截面积( mm2)
注：脆性材料设计和选材依据σb
机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力 学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改 变零件几何形状和尺寸的能力。
指标: 弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。
工程材料的机械性能 ――材料在受力时的性质
1、静载单向拉伸应力――应变曲线
拉伸试验机
拉伸机上，低碳 钢缓慢加载单向静 拉伸曲线
B: Pb 材料所能承受的最 大载荷
4）阶段IV(BK) 段――局部集 中塑性变形
颈缩
1. 低Ｃ钢,正火/退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合金 及某些高分子材料具有类似上述曲线。
2. 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 3. 中、高碳钢：没有第II阶段
2、材料的强度(strength)
――材料所能承受的极限应力. 物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
适用范围: ❖ ＜450HBS; ❖ ＜650HBW;
布氏硬度计
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
( Rockwll hardness )
洛氏硬度测试示意图
洛
定义：每0.002mm相当于 洛氏1度
计
氏 硬
度
洛氏硬度常用标尺有：B、 C、AΒιβλιοθήκη Baidu种
泽
• 陶瓷材料——通常为离子键或共价键。
–绝缘体而且比较耐热。
• 高分子材料——通常为共价键、分子
键和氢键，以共价键为主。 –分子结构都非常巨大 –通常密度较低，在高温下不稳定。
• 复合材料——结构性能的复合.
玻璃纤维增强高分子 复合材料
1.3 材料的分类与性能
一、材料的分类 二、工程材料的性能
二、工程材料的性能
ψ = F0 - Fk × 100% F0
ψ =△F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100% ψ越大，塑性愈好 ψ <5%, 脆性材料
4、刚度和弹性
1）刚度 材料在受力时，抵抗弹性变形的能力
E=σ/ε 杨氏弹性模量 GPa, MPa 物理本质：反映了材料内部原子种类及其结合力的 大小，组织不敏感的性能指标。
能力。
1）延伸率（specific elongation）
是指试样拉断后的标 距伸长量ΔL与原始标 距L0之比。
δ < 2 ~ 5%
δ ≈ 5 ~ 10%
Lk:试样拉断后最终标距长度
δ > 10%
延伸率与试样尺寸有关， δ5 , δ10 (Lo/do=5, 10)
属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
2）断面收缩率(percentage reduction in area):
• 过载持久值
陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高； 纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。
条件疲劳极限：
经受107次应力循环而不致断裂的最 大应力值。
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
3、塑性 (plasticity): －材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的
材料的性能 ——表征材料在给定外界条件下的行为
工程材料的性能
使用性能 工艺性能
力学性能 物理性能 化学性能
铸造性能 可锻性能 可焊性能 切削加工性能 热处理性能
（一）力学性能
材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因 素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。
－－主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。
2）弹性
材料不产生塑性变形的情况下，所能承受 的最大应力
比例极限：σp=Pp/Fo 应力――应变保持线性关系的极 限应力值
弹性极限：σe=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力。 工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01
5、硬度( hardness )
抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。 1）布氏硬度HB ( Brinell-hardness )
抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度 、 抗剪强度 、 抗 扭强度等。
公式：σ=P/Fo 单位： MPa(MN/mm2)
1）屈服强度σs (yield strength)和条件屈服强度 σ0.2
a: 屈服强度 σs
（σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依 据之一。）
试样屈服时的载荷( N )
如：灰口铸铁
2）抗拉强度(tensile strength)
材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂 的极限应力值）。
σb =
PB
( M pa ) F0
试样断裂前的最大载荷(N) 试样原始横截面积( mm2)
3）疲劳强度σ-1 ( fatigue strength )
疲劳现象：
（80%的断裂由疲劳造成）
第一篇 工程材料概论
材料与人类文明 材料科学与机械工程 材料分类与性能
1.3 材料的分类与性能
一、材料的分类 二、工程材料的性能
一、材料的分类 金属
材料
复合材料
陶瓷
高分子
无机材料
有机材料
工程材料分类
What? 各类材料的性能特点
• 金属材料——主要为金属键。
–热和电的良导体 –具有良好的强度与延展性以及金属光
承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化——交变应力
作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下
发生断裂。
影响因素：
循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余 应力等。
疲劳极限σ-1 ：
材料经无数次应力循环而不发生疲劳 断裂的最高应力值。
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb
曲线分为四阶段：
1）阶段I（oab）――弹性变形 阶段
oa段：△L∝ P 直线阶段 ab段：极微量塑性变形 （0.001--0.005%)
a: Pp b: Pe （不产生永久变形的 最大抗力）
2）阶段II（bcd）段――屈服变 形
屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。 c: 屈服点 Ps
3）阶段III（dB）段――均匀 塑性变形阶段
σs =
Ps ( M pa ) F0
试样原始横截面积( mm2)
b: 条件屈服强度 σ0.2
（中高碳钢、无屈服点，国家标准以产生一定的微量塑性变形的抗 力的极限应力值来表示。）
σ0.2 =
试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)
P0.2
( M pa ) F0
试样原始横截面积( mm2)
注：脆性材料设计和选材依据σb
机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力 学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改 变零件几何形状和尺寸的能力。
指标: 弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。
工程材料的机械性能 ――材料在受力时的性质
1、静载单向拉伸应力――应变曲线
拉伸试验机
拉伸机上，低碳 钢缓慢加载单向静 拉伸曲线
B: Pb 材料所能承受的最 大载荷
4）阶段IV(BK) 段――局部集 中塑性变形
颈缩
1. 低Ｃ钢,正火/退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合金 及某些高分子材料具有类似上述曲线。
2. 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 3. 中、高碳钢：没有第II阶段
2、材料的强度(strength)
――材料所能承受的极限应力. 物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
适用范围: ❖ ＜450HBS; ❖ ＜650HBW;
布氏硬度计
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
( Rockwll hardness )
洛氏硬度测试示意图
洛
定义：每0.002mm相当于 洛氏1度
计
氏 硬
度
洛氏硬度常用标尺有：B、 C、AΒιβλιοθήκη Baidu种
泽
• 陶瓷材料——通常为离子键或共价键。
–绝缘体而且比较耐热。
• 高分子材料——通常为共价键、分子
键和氢键，以共价键为主。 –分子结构都非常巨大 –通常密度较低，在高温下不稳定。
• 复合材料——结构性能的复合.
玻璃纤维增强高分子 复合材料
1.3 材料的分类与性能
一、材料的分类 二、工程材料的性能
二、工程材料的性能