第1章材料的性能
南昌大学 材料性能学重点 第一章 材料热学性能
第一章材料热学性能内容概要：本章讲述材料的热容、热膨胀、热传导、热稳定性等方面的内容，并简述其物理本质。
主要内容和学时安排如下：第一节材料的热容重点掌握经典热容理论和量子热容理论的内容；理解温度、相变等对热容的影响；了解热容的几种测量方法，对热分析法的原理和应用要重点理解。
第二节材料的热膨胀重点掌握线膨胀系数、体膨胀系数、热膨胀的物理本质；了解热膨胀的测量方法；理解热膨胀分析方法在材料中的应用。
第三节材料的热传导掌握热传导定律；热传导的物理本质；理解热传导的影响因素。
（共6个学时）第一节 材料的热容一、热容的定义：不同的物体升高相同的热量时其温度会不同，温度升高1K 所需要的能量定义为热容： ∆T ∆=Q C 定容热容：如果在加热过程中，体积不变，则所提供的热量全部用于粒子动能（温度）的增加，用Cv 表示 ()V V Q C ∆=∆T定压热容：如果在加热过程中保持压力不变，则物体的体积自由膨胀，这时所提供的热量一部分用于升高体系的温度，一部分用于体系对外做功，用Cp 表示()()V V V Q U P V U C T ∆∆+∆∆===∆T ∆∆T ()()()()()P P P P P P Q U P V U V H C P T T T∆∆+∆∆∆∆===+=∆T ∆∆T ∆∆ T c m H =c 为0-TK 时平均比热容，即质量为1Kg 的物质在没有化学反应条件下，温度升高1K 时所需的热量，单位为J/（Kg.K ）定压热容>定容热容，一般实验测得的是恒压热容CpTQ m C P ∆∆=1 即在T T T -+∆温度范围内的平均热容： 当0T ∆→时，P C 即可认为是TK 时的热容dTdQ m C P 1= 摩尔恒压热容：1mol 物质在没有化学反应和相改变条件下，升高1K 所需的能量，用C pm 表示 摩尔恒容热容：KT V v C C m Vm Pm 2∂=- M C C P Pm =（M 为摩尔质量）二、热容理论实验发现：在不发生相变条件下，多数物质的热容Cv 在高温下，逐于一恒定值；低温区3V C T ∝；0T →时，0V C =。
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。
材料力学性能-第1章
（1）防止失效
失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀 （2）减少经济损失 美国：1982年为1190亿（占GDP4%） 研究认为：采用新技术，可减少1/3损失 2、评价材料和相关制备工艺 3、合理使用材料
兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
二、研究内容和研究方法
1、研究内容：结合材料的实际服役条件，研究 材料在外力作用下力学性能变化的情况。 2、研究方法 （1）简单到复杂——研究典型工况、典型试样 A、光滑试样：基本力学性能的测定，失效机理 与判据的研究；
（五）、材料力学性能表征
1、材料软硬程度的表征。
2、材料脆性的表征。
3、材料抵抗外力能力表征。 4、材料变形能力的表征。 5、含缺陷材料抗断裂能力的表征。 6、材料抵抗多次受力能力的表征。
7、新材料及特种材料性能的表征。
8、特殊条件下材料性能的表征。 兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
（六）、意义
（1）分类： 静载荷： 如机器重量对基础的作用。 如齿轮传动。
动载荷：
交变载荷（随时间做周期变化）； 冲击载荷（物体的运动在瞬时突
变所引起的载荷）；如锻打。
兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
（2）零件在静载荷下变形的基本形式
变形：构件在工作时在外力作用下其几何 形状和尺寸将发生改变的现象。 ①.拉伸和压缩：
兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
材料的基本性能
1 、 使用性能：物理性能（光、电、磁……） 力学性能 （强度、塑性、硬度……）
2、 加工性能 （可制造性）
热加工：铸、锻、焊、热处理……
冷加工：车、铣、磨……
特种加工：电火花、激光、离子…… 兰州理工大学材料科学与工程学院 徐建林
机械工程材料 第2版 第1章 金属机械性能
变形能力
塑性指标： A(断后伸长率)=Δl/l0 × 100% Z(断面收缩率)=Δ S / S 0 × 100%
§3、硬度
一、硬度定义 二、布氏硬度
表面局部变形抗力
试验机
F
直径D钢球,在一定压力F下压入试样, 压痕面积S,压痕直径d。
HBW = F =
S痕
2F
2
查表 由d → HBW塑变→局部塑变、断裂 应力<Re 应力=Re 应力> Re 应力> Rm
三、强度定义
变形、断裂抗力
强度指标： E＝应力／延伸率（刚度、弹性模量）、
应力
铸铁
铝合金
Re(屈服强度)、 Rm(抗拉强度)
Rp 0.2 (屈服强度).
o
延伸率
§2、塑性
应力–延伸率曲线
一、塑性定义
§4、韧性 （冲击韧性）
一、冲击试验
试验机
h1
冲击试样
h2
冲击试验原理
质量为m（kg)锤从h1 (m)高度自由落下，
试样被冲断后升至h2 (m)高度。
二、冲击韧性 KU=mgh1-mgh2
aK = mg (h1-h2)/s（J/cm2 ）
KU、aK表示冲击过程中试样吸收的能量
用于变形
三、冲击韧性定义
布氏硬度试验原理
布氏硬度动画
三、洛氏硬度
试验机
预载h0 主载h1 卸载h2 压入深度h＝h1－h2
HRC =（K-h）/0.002
（120度金刚石圆锥K = 0.2 ）
表示方法：60 HRC
洛氏硬度动画
布氏硬度与洛氏硬度特点比较 HBW： 软材、准确、厚材。 HRC：硬材、快速、薄材。
第一章 材料的热学性能
1.2.2 晶态固体热容的量子理论回顾
普朗克提出振子能量的量子化理论。质点的能量 都是以 hv 为最小单位.
式中,
＝普朗克常数，
＝普朗克常数， = 园频率。
根据麦克斯威—波尔兹曼分配定律可推导出， 在温度为T时，一个振子的平均能量为:
将上式中多项式展开各取前几项，化简得：
在高温时，
所以
即每个振子单向振动的总能量与经典理论一致。 由于1mol固体中有N个原子，每个原子的热振动自 由度是3，所以1mol固体的振动可看做3N个振子的 合成运动，则1mol固体的平均能量为：
1.1 概述
热学性能的主要应用：
（1）微波谐振腔、精密天平、标准尺、标准电容等 使用的材料要求的热膨胀系数低； （2）电真空封装材料要求具有一定的热膨胀系； （3）热敏元件要求尽可能有高的热膨胀系数； （4）工业炉衬、建筑材料、以及航天飞行器重返大 气层的隔热材料要求具有优良的隔热性能； （5）晶体管散热器等要求优良的导热性能„„
微分热分析：测定试样温度随时间的变化率。
1.2.6 热分析应用实例 1、建立合金的相图 2、热弹性马氏体相变 的研究 3、有序－无序转变的 研究 4、钢中临界点分析
本节重点掌握内容：
1、热容的德拜模型及其局限性 2、热容随温度的变化规律 3、热分析方法在相变、有序-无序转变的应用
1.3 材料的热膨胀
4、热分析测定法
热分析法分为普通热分析、示差热分析和微分热分析
普通热分析：利用加热或冷却过程中热效应所产生的 温度变化和时间关系的一种分析技术。
示差热分析：利用示差热电偶（由两对热电偶互相串 联、极性反接而成，取得热电偶两热端的温差电势） 测定待测试样和标准温差而得到的。（示差热分析仪 DTA和示差扫描量热计DSC）
1章 金属材料的力学性能 寒假(1)
第一章金属材料的力学性能姓名：一、填空题(共10小题，每小题3分，共30分)l.是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，常用的硬度实验法有硬度实验法、硬度实验法和硬度实验法。
2.金属材料在作用下，抵抗和的能力称为强度。
3.金属材料的性能分为和。
4.塑性指标是和，其值越大表示材料的塑性越。
5.变形一般可分为和两种，不能随载荷的去除而消失的变形称为6.200HBS表示硬度,硬度值是，压头是。
7.测定原材料常用试验,测定淬火钢常用试验。
8.金属材料抵抗载荷作用而的能力，称为冲击载荷。
9.布氏硬度值测量压痕，洛氏硬度值测量压痕，维氏硬度值测量压痕。
10.金属材料在循环应力作用下能经受无限多次循环而不断裂的最大应力称为金属材料的。
二、判断题(共10小题，每小题2分，共20分)1.洛氏硬度值无单位。
（）2.做布氏硬度测试时，当试验条件相同时,其压痕直径越小，材料的硬度越低。
（）3.在实际应用中,维氏硬度值是测定压痕对角线长度的算术平方值后再查表得到的。
（）4.各种不同的标尺的洛氏硬度值可进行直接比较,因此应用方便。
（）5.维氏硬度值具有连续性,故可测定很软到很硬的各种金属材料的硬度,其准确性高。
（）6.金属的塑性越好，变压抗力越小，金属的锻造性能越好。
（）7.金属材料的力学性能差异是由其内部组织所决定的。
（）8.金属在强大的冲击作用下，会产生疲劳现象。
（）9.拉伸试验可以测定金属材料的强度、塑性等多项指标。
（）10.布氏硬度测量法宜用于测量成品及较薄零件。
（）三、单项选择题（共10小题，每题2分，共20分）1.金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为（）。
A.塑性B.硬度C.强度D.韧性2.做疲劳试验时.试样承受的载荷为（）。
A.静载荷B.冲击载荷C.循环载荷D.过载荷3.下列属于力学性能指标的是（）。
A.热膨胀性B.化学稳定性C.疲劳强度D.可锻性4.拉伸试验时,试样拉断前能承受的最大标称应力称为材料的（）。
结构设计原理-第一章-材料的力学性能-习题及答案
结构设计原理-第一章-材料的力学性能-习题及答案结构设计原理-第一章-材料的力学性能-习题及答案第一章材料的力学性能一、填空题1、钢筋混凝土及预应力混凝土中所用的钢筋可分为两类：有明显屈服点的钢筋和无明显屈服点的钢筋，通常分别称它们为____________和。
2、对无明显屈服点的钢筋，通常取相当于残余应变为时的应力作为假定的屈服点，即。
3、碳素钢可分为、和。
随着含碳量的增加，钢筋的强度、塑性。
在低碳钢中加入少量锰、硅、钛、铬等合金元素，变成为。
4、钢筋混凝土结构对钢筋性能的要求主要是、、、。
5、钢筋和混凝土是不同的材料，两者能够共同工作是因为、、6、光面钢筋的粘结力由、、三个部分组成。
7、钢筋在混凝土中应有足够的锚固长度，钢筋的强度越、直径越、混凝土强度越，则钢筋的锚固长度就越长。
8、混凝土的极限压应变包括和两部分。
部分越大，表明变形能力越，越好。
9、混凝土的延性随强度等级的提高而。
同一强度等级的混凝土，随着加荷速度的减小，延性有所，最大压应力值随加荷速度的减小而。
10、钢筋混凝土轴心受压构件，混凝土收缩，则混凝土的应力，钢筋的应力。
11、混凝土轴心受拉构件，混凝土徐变，则混凝土的应力，钢筋的应力。
12、混凝土轴心受拉构件，混凝土收缩，则混凝土的应力，钢筋的应力。
二、判断题1、混凝土强度等级是由一组立方体试块抗压后的平均强度确定的。
2、采用边长为100mm的非标准立方体试块做抗压试验时，其换算系数是0.95。
3、混凝土双向受压时强度比其单向受压时强度降低。
4、线性徐变是指徐变与荷载持续时间之间为线性关系。
5、对无明显屈服点的钢筋，设计时其强度标准值取值依据是条件屈服强度。
6、强度与应力的概念完全一样。
7、含碳量越高的钢筋，屈服台阶越短、伸长率越小、塑性性能越差。
8、钢筋应力应变曲线下降段的应力是此阶段拉力除以实际颈缩的断面积。
9、有明显流幅钢筋的屈服强度是以屈服下限为依据的。
10、钢筋极限应变值与屈服点所对应的应变值之差反映了钢筋的延性。
2021年-机械工程材料习题集
第一章材料的性能一、是非题(1)一切材料的硬度越高，其强度也越高。
()(2)静载荷是指大小不可变的载荷，反之则一定不是静载荷。
()(3)所有的金属材料均有明显的屈服现象。
()(4)HRC 测量方便，能直接从刻度盘上读数。
()(5)生产中常用于测量退火钢、铸铁及有色金属的硬度方法为布氏硬度法。
( )(6)材料的强度高，其塑性不一定差。
()(7)材料抵抗小能量多次冲击的能力主要取决于材料的强度。
()(8)只要零件的工作应力低于材料的屈服强度，材料不会发生塑性变形，更不会断裂。
( )(9)蠕变强度是材料的高温性能指标。
( )(10)断裂韧性是反应材料抵抗裂纹失稳扩展的性能指标。
()二、选择题(1) 机械零件在正常工作情况下多数处于()。
A ．弹性变形状态B ．塑性变形状态C．刚性状态D．弹塑性状态(2) 下列四种硬度的表示方法中，最恰当的是()。
A ． 600~650 HBSB ． 12~15 HRCC．：170~230 HBS D ． 80~90 HRC(3) 工程上希望材料的屈服比高些，目的在于()。
A ．方便设计B．便于施工C．提高使用中的安全系数 D ．提高材料的有效利用率(4)ak 值小的金属材料表现为 ()。
A ．塑性差B ．强度差C．疲劳强度差D．韧性差(5) 下面 ()不是洛氏硬度法的优点。
A ．测量迅速简便B ．压痕小c．适应于成品零件的检测D．硬度范围的上限比布氏、维氏硬度高(6) 国家标准规定，对于钢铁材料进行疲劳强度试验时，取应力循环次数为()所对应的应力作为疲劳强度。
A．106B．10 7C．108D．109(7) 涂层刀具表面硬度宜采用 ()法进行测量。
A ．布氏硬度 (HBS)B．布氏硬度 (HBW)C．维氏硬度D．洛氏硬度三、填空题(1) 材料常用的塑性指标有和，其中用___来表示塑性更接近材料的真实变形。
(2)在外力作用下，材料抵抗(3)工程上的屈服比指的是(4)表征材料抵抗冲击性能的指标是(5) 测量HBS 值时所采用的压头是和和的能力称为强度。
第一章 材料的力学性能
第一章材料的力学性能一、名词解释1、力学性能：材料抵抗各种外加载荷的能力，称为材料的力学性能。
2、弹性极限：试样产生弹性变形所承受的最大外力，与试样原始横截面积的比值，称为弹性极限，用符号σe表示。
3、弹性变形：材料受到外加载荷作用产生变形，当载荷去除，变形消失，试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。
4、刚度：材料在弹性变形范围内，应力与应变的比值，称为刚度，用符号E表示。
5、塑性：材料在外加载荷作用下，产生永久变形而不破坏的性能，称为塑性。
6、塑性变形：材料受到外力作用产生变形，当外力去除，一部分变形消失，一部分变形没有消失，这部分没有消失的变形称为塑性变形。
7、强度：材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力，称为强度。
8、抗拉强度：材料在断裂前所承受的最大外加拉力与试样原始横截面积的比值，称为抗拉强度，用符号σb表示。
9、屈服：材料受到外加载荷作用产生变形，当外力不增加而试样继续发生变形的现象，称为屈服。
10、屈服强度：表示材料在外力作用下开始产生塑性变形的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力，用符号σs表示。
11、σ0.2：表示条件屈服强度，规定试样残留变形量为0.2％时所承受的应力值。
用于测定没有明显屈服现象的材料的屈服强度。
12、硬度：金属表面抵抗其它更硬物体压入的能力，即材料抵抗局部塑性变形的能力，称为硬度。
13、冲击韧度：材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力，称为冲击韧度，用符号αk表示。
14、疲劳：在交变载荷作用下，材料所受的应力值虽然远远低于其屈服强度，但在较长时间的作用下，材料会产生裂纹或突然的断裂，这种现象称为疲劳。
15、疲劳强度：材料经无数次应力循环而不发生断裂，这一应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用符号σ-1表示。
16、蠕变：材料在高温长时间应力作用下，即使所加应力值小于该温度下的屈服极限，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂，这种现象称为蠕变。
17、磨损：由两种材料因摩擦而引起的表面材料的损伤现象称为磨损。
第一章 材料的基本性质
9、水附于憎水性材料表面上时，其润湿角为
（
）。
A.0°；B. ＞90°；C. ≤90°；D. ＜90
10、以下四种材料中属于憎水性材料的是
（
）。
A.天然石材；B.钢材；
C.石油沥青；D.混凝土
11、建筑材料可分为脆性材料和韧性材料， 其中脆性材料具有的特征是（ ）。 A.破坏前有明显塑性变形； B.抗压强度比抗拉强度大得多； C.抗冲击破坏时吸收入的能量大； D.破坏前不产生任何变形。
6、材料的耐水性用软化系数表示，其值越大， 则耐水性( )
A．越好
B．越差 C．不变 D．不一定
7、( )是衡量绝热材料性能优劣的主要指 标。
A．导热系数 B．渗透系数
C．软化系数 D．比热
8、对于同一材料，各种密度参数的大小排列 为（ ）。
A.密度＞堆积密度＞表观密度； B.密度＞表观密度＞堆积密度； C.堆积密度＞密度＞表观密度； D.表观密度＞堆积密度＞密度
2．为什么新建房屋的墙体保暖性能差，尤其 是在冬季？
3、孔隙率越大，材料的抗冻性是否越差？ 4、决定材料耐腐性的内在因素是什么？
计算题
1、有一个1.5L的容器，平装满碎石后，碎石 重2.55kg，为测其表观密度，将所有碎石 倒入一个7.78L的容器中，向容器加满水后 称重为9.36kg(水与石子之和），试求碎石 的表观密度。若在碎石的空隙中填以砂子， 问可填多少升的砂子？
2、烧结普通砖的孔隙率为37%，干燥质量为 2487g，浸水饱和后质量为2984g。试求该 砖的表观密度、密度、吸水率、开口孔隙 率及闭口孔隙率。
3、某材料在自然条件下，体积为1m3，孔隙 率为25%，重量为1800kg，其密度是多少？
4、有一石材干试样，质量为256g，把它浸入水中， 吸水饱和后排出水的体积为115cm3，将其取出后 擦干表面，再次放入水中排开水的体积为118cm3， 试样体积无膨胀。求此石材的表观密度、体积密 度、质量吸水率和体积吸水率。
【材料物理性能与力学性能】第1-2章
内耗：材料在变形过程中被吸收的功。
弹性滞后环：应力-应变曲线中，加载线和卸载线不重合而形成一 个封闭回路，称为弹性滞后环。 弹性滞后环说明加载时材料吸收的变形功大于卸载时材料释放的 变形功，有一部分加载变形功被材料吸收，即为内耗，其大小等 于弹性滞后环的面积。(内耗大小主要取决于应变和应力之间的位 相差)
2）晶体结构
单晶体：各向异性
多晶体：伪各向同性
最大值与最小值差值可达4倍
非晶：各向同性
3）化学成分----引起原子间距和键合方式的变化
4）微观组织----影响较小
晶粒大小对E值无影响；
第二相的影响取决于体积比例和分布状态；
冷加工的影响在5%以内
5）温度----温度升高，E降低
特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。
三、影响金属材料屈服强度的因素
1、晶体结构
（派纳力）
位错宽度w大，位错易于移动， bcc金属相反
p n小，屈服强度小，如fcc金属.
2、晶界和亚结构 晶界越多，晶粒越小，位错中应力集中程度不够，需要更大
的外加切应力才能够使位错运动，因此屈服强度越大。——
细晶强化
3、溶质元素——固溶强化 此外，
上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力值。 su
屈服平台（屈服齿）：屈服伸长对应的水平线段或曲折线段。
材料产生屈服的原因：与材料内部的位错运动有关。
位错运动速率与切应力的关系： v ( )m 0
'
其中，m 为位错运动速率应力敏感指数。
'
b v
：塑性应变速率
6）加载条件和负荷持续时间 加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料 影响很小。
机械工程材料_专升本习题集答案(1)
第1章材料的性能一、选择题3.在测量薄片工件的硬度时，常用的硬度测试方法的表示符号是（ B）A.HB B.HRC C.HV D.HS4.金属材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力叫（A ） A.强度 B.硬度 C.塑性 D.弹性二、填空1.金属材料的强度是指在载荷作用下其抵抗（塑性变形）或（破坏）的能力。
2.金属塑性的指标主要有（断后伸长率）和（断面收缩率）两种。
3.低碳钢拉伸试验的过程可以分为弹性变形、（塑性变形）和（断裂）三个阶段。
4.常用测定硬度的方法有（布氏硬度测试法）、（洛氏硬度测试法）和维氏硬度测试法。
5.疲劳强度是表示材料经（无数次交变应力循环）作用而（不发生断裂时）的最大应力值。
三、是非题1.用布氏硬度测量硬度时，压头为钢球，用符号HBS表示。
是四、改正题1. 疲劳强度是表示在冲击载荷作用下而不致引起断裂的最大应力。
将冲击载荷改成交变载荷2. 渗碳件经淬火处理后用HB硬度计测量表层硬度。
将HB改成HR3. 受冲击载荷作用的工件，考虑机械性能的指标主要是疲劳强度。
将疲劳强度改成冲击韧性5. 冲击韧性是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏的能力。
将载荷改成冲击载荷五、简答题1.说明下列机械性能指标符合所表示的意思：σs、σ0.2、HRC、σ-1、σb、δ5、HBS。
σs: 屈服强度σ0.2：条件屈服强度HRC：洛氏硬度（压头为金刚石圆锥）σ-1: 疲劳极限σb: 抗拉强度σ5：l0=5d0时的伸长率（l0=5.65s01/2）HBS:布氏硬度（压头为钢球）第2章材料的结构一、选择题1. 每个体心立方晶胞中包含有（B）个原子 A.1 B.2 C.3 D.42. 每个面心立方晶胞中包含有（D）个原子 A.1 B.2 C.3 D.43. 属于面心立方晶格的金属有（C） A.α-Fe,铜B.α-Fe,钒 C.γ-Fe,铜 D.γ-Fe,钒4. 属于体心立方晶格的金属有（B） A.α-Fe,铝B.α-Fe,铬 C.γ-Fe,铝 D.γ-Fe,铬6. 在立方晶系中,指数相同的晶面和晶向(B)A.相互平行B.相互垂直C.相互重叠D.毫无关联二、是非题1. 金属或合金中,凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为相。
中职金工实训第一章金属材料的力学性能
中职⾦⼯实训第⼀章⾦属材料的⼒学性能教案⼆【教学组织】1．提问5分钟2．讲解75分钟3．⼩结5分钟4．布置作业5分钟【教学内容】第⼀章⾦属材料的⼒学性能⾦属材料的性能包括使⽤性能和⼯艺性能。
●使⽤性能是指⾦属材料为保证机械零件或⼯具正常⼯作应具备的性能，即在使⽤过程中所表现出的特性。
使⽤性能包括⼒学性能（或机械性能）、物理性能和化学性能等。
●⼯艺性能是指⾦属材料在制造机械零件或⼯具的过程中，适应各种冷、热加⼯的性能，也就是⾦属材料采⽤某种成形加⼯⽅法制成成品的难易程度。
⼯艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能及切削加⼯性能等。
第⼀节⾦属材料的强度与塑性⼀、⼒学性能的概念●⾦属材料的⼒学性能是指⾦属材料在⼒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，⼜称机械性能，主要包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。
●物体受外⼒作⽤后导致物体内部之间相互作⽤的⼒称为内⼒。
●单位⾯积上的内⼒称为应⼒σ(N/mm2或Mpa）。
●应变?是指由外⼒所引起的物体原始尺⼨或形状的相对变化(%)。
⼆、拉伸试验过程分析●拉伸试验是指⽤静（缓慢）拉伸⼒对试样进⾏轴向拉伸，通过测量拉伸⼒和伸长量，测定试样强度、塑性等⼒学性能的试验。
圆柱形拉伸试样分为短圆柱形试样和长圆柱形试样两种。
长圆柱形拉伸试样L0=10d0；短圆柱形拉伸试样L0=5d0。
●在进⾏拉伸试验时，拉伸⼒F和试样伸长量△L之间的关系曲线，称为⼒-伸长曲线。
a）拉伸前 b）拉断后图1-1 圆柱形拉伸试样图1-2 退⽕低碳钢的⼒—伸长曲线完整的拉伸试验和⼒⼀伸长曲线包括弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、颈缩与断裂四个阶段。
三、强度●强度是⾦属材料抵抗永久变形和断裂的能⼒。
⾦属材料的强度指标主要有屈服强度（或规定残余伸长强度）、抗拉强度等。
1.屈服强度和规定残余伸长应⼒●屈服强度是指拉伸试样在拉伸试验过程中拉⼒（或载荷）不增加(保持恒定)仍然能继续伸长(变形)时的应⼒。
1-《材料物理性能》-第一章-概论
30
1.2 材料物理性能的本构关系及学习意义
◼ 物理学—凝聚态物理学—材料物理—材料(物理)性能：
材料性能的本质：
外界因素(作用物理量)作用于某一物体，如：应力、温度、电 场、磁场、辐照、化学介质等，引起原子、分子或离子及电子的微 观运动，在宏观上表现为感应物理量，感应物理量与作用物理量呈 一定的关系，其中与材料本质有关的一种常数——材料的性能。
7
知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照人为加工程度区分：
✓天然材料：自然界原来就有未经 加工或基本不加工可直接使用
• 如棉花、沙子、石材、蚕丝、 煤矿、石油、铁矿、羊毛
✓合成材料：人为把不同物质经化 学方法或聚合作用加工而成
• 如塑料、合成纤维和合成橡胶
材料
天
合
然
成
材
材
料
料
知识体系
◼ 材料的分类：
➢按照物理化学属性区分：
课程简介
材料的物理性能
力学
电学 (介电)
热学
光学
功能转换
磁学
声学 核物理 。。。
15
课程简介
◼ 主要内容：
A. 材料物理性能(热学、电学、介电、光学、磁学等)的基本概 念、宏观规律及参数；
B. 材料物理性能和材料的组成、制备工艺、材料结构之间的关 系；
C. 材料物理性能的微观机理。
◼ 学习目标：
➢研究方法: 观测，实验，理论, 计算。
◼ 分类：
➢古典力学、电动力学、统计力学； ➢量子力学：研究微观粒子运动及相互作用的规律。
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工程材料学
力学性能——疲劳
• 零件在低于屈服应力的交变应力的反复作用下，而发生的断 裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂是损伤的积累过程，包括疲 劳裂纹的产生、扩展、瞬间断裂三各阶段。应力大小和循环 次数有关。
高周疲劳对称应力作用趋于水平线的 最大应力为σ-1 ,作为永久可用的疲 劳强度极限。实际大多以107次未断裂 的应力来测定。 低周疲劳又称条件疲劳极限，参照零 件工作周期可能作用的次数下能承受 的应力极限值。
一个零件相对另一零件有摩擦运动而造成接触面的尺寸变化、 质量损失现象成为磨损。 磨损的后果可能因零件尺寸变化，轻则降低传动质量，影响部 件的使用性能；重则因尺寸变小造成零件断裂。 磨损主要有磨粒磨损(切削)、粘着磨损(分子作用力)；此外接 触疲劳有人作为磨损，也有人算另一类损伤形式。 测定方法让两试样组成摩擦对，在设定条件(力、润滑剂)进行 一定时间的摩擦运动后，测定试样的尺寸减小值/质量的损失值 /摩擦表面外观形貌，来比较不同材料的耐磨性。
铸铁: N = 107 非铁金属: N = 108 汽车发动机曲轴:N = 12*107 汽轮机叶片：N = 25*1010 工程材料学
疲劳断口
轴的疲劳断口
疲劳辉纹（扫描电镜照片）
通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度， 进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。
工程材料学
力学性能——耐磨性能
工程材料学
工艺性能
材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。 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。 1. 材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。 2. 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，获得零件的方法。 流动性：充满型腔能力 收缩率：缩孔数量的多少和分布特征 偏析倾向：材料成分的均匀性
工程材料学 13
力学性能——刚度和强度指标
强度：是指材料抵抗变形或断裂的能力 比例极限σp :是材料应力和应变成正比的最大应力 弹性极限σe :是不产生塑性变形的最大应力 屈服强度σs :是材料开始产生塑性变形的应力 抗拉强度σb :是材料产生最大均匀塑性变形的应力 断裂强度σk :是材料发生断裂的应力 条件屈服强度σ0.2：残余变形量为0.2%时的应力值
导热率：物体内温度梯度为1℃/M时，在单位时间、单位
面积内传递的热量 W/(M.K)
热膨胀系数：温度上升1℃时，单位长度的伸长量
mm/(℃.mm)或℃-1
工程材料学
物理性能
熔点：物质由固态转变为液态的温度，反映固态下原 子间
结合力。
电阻率ρ：单位长度和单位截面积导体的电阻。单位是Ω·M，
其倒数称为电导率 S/M。
工程材料学 10
力学性能——拉伸试验
AC：屈服阶段（出现塑性变形）
B：屈服极限σs
BC 段应力不增加变形不断增 加称为屈服，在材料屈服后 若卸载出现不能恢复的变形 成为塑性变形。
工程材料学 11
力学性能——拉伸试验
CD:强化阶段
D：强度极限σb
DE：颈缩阶段（局 部收缩阶段） E：断裂点
符号HBS (压头为淬火钢球)或HBW (压头为硬质合金钢球)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。如120HBS10/1000/30表示直径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. 适用范围 <4 50 HBS; < 650 HBW
工程材料学 神舟一号飞船
材料的力学性能
• 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质等) 时，在外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征
材料的主要力学性能有：
弹性 强度 塑性 硬度
冲击韧性 疲劳特性 耐磨性
工程材料学
力学性能——拉伸试验
• 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 • 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 • 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 • 通常把作用在材料上的外力或能量称为载荷或负荷。
工程材料学
1.2.2力学性能——洛氏硬度
洛氏硬度用于测量的硬度范围为20-67，而且压痕很小，几乎不损伤工件 表面，故可用于测定淬火钢、调质钢等成品件的硬度。
工程材料学
力学性能——维氏硬度
维氏硬度(HV)：用对面夹角136度四棱锥 金刚石压头，在力P作用下压入材料，保 持规定时间后，用测量压痕对角线长度， 用压痕单位面积上承受的力作为材料硬度 的度量。
工程材料学
力学性能——耐磨性能
马丁代尔耐磨性试验机
水泥胶沙耐磨性试验机
工程材料学
物理性能
材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热、电、光、 磁等)以及环境变化时他们的变化程度。
密度与比容 导热性λ
主要物理性能参数
电阻与电导 电阻温度系数
热膨胀系数α 熔点
导磁率
工程材料学
物理性能
3 密度与比容： 单位体积物质的质量 Kg/M 单位质量的物质所占的体积 M3/Kg
力学性能——硬度试验
• 硬度是衡量材料软硬程度的指标,是反映材料抵抗局部塑 性变形的能力。
常见测量硬度的指标：
布氏硬度测量仪 维氏硬度测量仪
洛氏硬度测量仪
工程材料学
力学性能——布氏硬度试验
用直径D钢球在力P的 作用下压在试样上一 定时间,压痕直径为d。 适用于较软的塑性材 料。
工程材料学
力学性能——布氏硬度试验
工程材料学 24
力学性能——莫氏硬度
莫氏硬度:表示矿物硬度的一种标准。 应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，用测得的 划痕的深度分十级来表示硬度。
矿物学或宝石学上都是用莫氏硬度。野外作业时应用方便。
工程材料学 25
力学性能应用
工程材料学 26
力学性能-韧性
韧性：材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的 能力，是材料强度和塑性的综合表现。
工程材料学
力学性能——拉伸试验
拉颈伸 材料表现为弹性变
形、均匀塑性变形、 颈缩、断裂。
工程材料学
力学性能——拉伸试验
低碳钢拉伸曲线的4个阶段
OA ：弹性阶段（卸载可逆）
A’：比例极限σP A ：弹性极限σe
（两者很接近）
在OA’段为直线，即应力与应变成正比，变 化规律服从虎克定律。并且在外力卸载后试 样恢复到原始长度。可以达到的最大应力成 为弹性极限(比例极限)。 OA段去掉外力，变形立刻恢复，这种不 发生永久变形的能力称为弹性。
• 冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。
aK=AK/S, (J/cm2)
工程材料学
力学性能——断裂韧性
断裂韧性是材料中存在缺陷时，材料抵抗脆性断裂的能力。
1943年美国T-2油轮发生断裂 20世纪50年代北极星导弹爆炸事故
工程材料学
力学性能——断裂韧 •
大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端有不同的 应力作用，都存在应力集中，其中裂纹受张开应力作用 为最危险。以下为几种裂纹扩展的方式：
可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料，从很 软的材料（几个维氏硬度单位）到很硬的材料（3000个 维氏硬度单位）都可测量。 工程材料学 23
力学性能——肖氏硬度
肖氏硬度(HS)：将顶端为金刚石的冲头从固定高度h1自由下落到试样 表面，测量其回跳高度h2，其计算式为：
h2 HS = K h1
一种动态力试验，一种轻便的手提式仪器，便于 现场测试，其结构简单，便于操作，测试效率高。
工程材料学
工艺性能
3. 锻造性（塑性加工型）：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。 塑性变形能力：材料不破坏的前提下的最大变形量。 塑性变形抗力：发生塑性变形所需要的最小外力。 4. 焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起。 连接能力：焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷：焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变 形程度。
工程材料学 19
力学性能——布氏硬度试验
根据金属材料的种类、试样硬度范围和厚度的不同，选择试验压头 （钢头）的直径D、试验力F及保持时间。
工程材料学 20
力学性能——洛氏硬度
洛氏硬度(HR)是以 一定的压力将压头 压入试样表面，以 残留在表面的压痕 深度来表示材料的 硬度 a：预加载荷 b：加主载荷 c：卸主载荷
第一章 材料的性能
Outline
1 2
材料的定义 材料的使用性能 材料的工艺性能 材料的性能总结
3 4
材料的定义
• 原材料：一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称 为“原料”。 • 材料：把经过工业加工的原料成为“材料”。
原材料——木材
材料——金属片
工程材料学
材料的性能
• 使用性能：材料在使用过 程中所表现的性能。包括 力学性能、物理性能和化 学性能。 工艺性能：材料在加工过 程中表现出来的应能。包 括铸造、锻压、焊接、热 处理和切削性能等。
工程材料学 43
工艺性能
5. 切削加工性：材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种 类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。 切削抗力 加工表面质量 排屑难易程度 切削刀具的使用寿命 6. 热处理性能：可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能 改变的程度。
随着科技进步的发展，对材料工艺性能的评价标准也在不断发展和变化。 工程材料学
工程材料学
力学性能——冲击韧性 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
工程材料学
力学性能——冲击韧性
常用一次弯曲冲击韧性试验Ak值来表示材料的冲击韧性。 • 试样冲断时所消耗的冲击功A k为: