工程材料 第一章 材料的性能及应用意义
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2020/10/16
● 在低中强度范围，冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因 其韧性已足够）。
● 在高强度范围时（如σb＞1300MPa），改善韧性有利于提高
多冲抗力。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2. 断裂韧度 KIC——材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 传统设计思想： [σ] ＝[σ0.2] / n，n为安全系数，依此思想反而导致经常的 低应力脆断（σ ≤σs），此时[σ]偏低而尺寸、重量偏高。 n↑→ [σ]↓→ 加大尺寸→ 依此思想反而导致经常的低应力脆断 。
1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度 GB4342-1984
硬度测试三要素： 1.载荷大小 2.压头尺寸
3.加载及保压时间
2020/10/16
一、力学性能
1. 布氏硬度（HB） GB231-1984
§1.2 材料的使用性能 HB = F/S
布氏硬度计
2.陶瓷材料、 高分子材料、 复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的， 可以通过不同的方法使其改变。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（三）弹性——在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。
滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不 立即恢复。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（二）刚度——材料对弹性变形的抵抗能力。
如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，刚度则保 证了材料不发生过量弹性变形。
实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量，即E
E = σ/ε
注意：
1.对于金属材料而言，其弹性模量E主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时, 难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即 E 是结构不敏感性参数。
1. 伸长率，以δ表示
δ l1 l0 10% 0 l0
2. 断面收缩率，以ψ表示 A0 A1 10% 0
A0
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（五）硬度—材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。
硬度试验的优点：
1. 硬度试验设备简单，操作迅速方便。
2. 一般不破坏成品零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材 料和各种尺寸的零件。
1. 原子结构 2. 结合键 3. 原子排列方式 4. 组织
注意：（1）结构不敏感性能：E、Tm等。
（2）结构敏感性能：强度、塑性、韧性等。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（a）拉伸 （b）压缩 （c）弯曲
（d）剪切 （e）扭转
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
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
交点K以左：在较高冲击能量A’下，多冲抗力取决于韧性。 交点K以右：在较低冲击能量A”下，多冲抗力取决于强度。
（即小能量多冲)
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
● 小能量多冲时以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合处 于最佳状态时，多冲抗力最高。
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。
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
HBS — 淬火钢球 （<450HB) HBW— 硬质合金球（<650HB)
1）误差小，重复性好。 2）压痕面积大，不适合成品检验。 3）与强度σb之间存在近似的换算：
σb 0.36HB
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
螺栓韧性断裂与脆性断裂的比较
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（七）疲劳性能——材料在交变应力作用下，在远小于强度极限， 甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。
疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。
碳钢σ-1≈0.43σb 合金钢σ-1≈0.35σb+12MPa
塑性加工性能（热、冷加工）
切削加工性能（冷加工）
它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。
2020/10/16
§1.1 材料性能依据
材料的性能是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。
材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结
构确定后就表现出一定的性能。此时的“结构”包含四个层次 ：
（一）强度 ----- 材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。
1. 比例极限 σp 2. 弹性极限 σe 3. 屈服强度 σs 4. 抗拉强度 σb
低碳钢拉伸flash演示1 低碳钢拉伸flash演示2
拉伸实验视频
屈强比（ σs /σb ），其值一般在0.65~0.75之间。屈强比愈 小，工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂；屈强 比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。
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
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
冲击吸收功的测定
2020/10/16
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'
1. 磨损的主要类型
1）粘着磨损：是指摩擦副接触面局部发生金属粘着，而这些粘着的强 度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强 度较低的地方，有金属磨屑从表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损。
2）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒， 使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材 料逐步磨耗。
2020/10/16
§1.3 材料的工艺性能
金属材料零件的一般加工过程
2020/10/16
§1.3 材料的工艺性能
1. 铸造性能：包括流动性、收缩、疏松、成分偏析、铸造应力、冷热裂纹倾向。 2. 锻造性能：通常用材料的塑性和强度及形变强化能力来综合衡量。 3. 焊接性能：包括焊接接头产生缺陷的倾向性和焊接接头的使用可靠性。 4. 切削加工性能：一般用材料的切削的难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿 命等方面来衡量。 5. 热处理性能：包括淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化与脱碳倾向及热处理变 形与开裂倾向。
2020/10/16
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。
2020/10/16
三、化学性能
（一）化学腐蚀
§1.2 材料的使用性能 （二）电化学腐蚀
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2. 断裂韧度 KIC——材料抵抗裂纹失稳扩展的能力
先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观裂纹，可能是冶金 缺陷，也可能是加工裂纹（如热处理、焊接等）或是使用中发生裂纹（如疲 劳、应力腐蚀）。
KI < KIC KI = Yσa1/2
3. 硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算强度而免做复 杂的拉伸实验。
4. 硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参考。
5. 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和 控制冷热加工质量。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
硬度测试方法：
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
粘着磨损示意图
2020/10/16
粘着磨损磨痕
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
磨粒磨损示意图
2020/10/16
磨粒磨损磨痕
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2. 提高材料耐磨性的途径 1）粘着磨损 ①减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度； ②减小接触压力； ③合理选配摩擦材料； ④减小表面粗糙度值以增大实际接触面积； ⑤改善润滑状况。 2）磨粒磨损 ①提高材料硬度 ； ② 设计时合理采用减小接触压力的措施，工作时改进润滑油 过滤装置以 及时清除磨损。
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。
2020/10/16
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
2020/10/16
疲劳曲线示意图
a— 一般钢铁材料 b — 有色金属、高强度钢等
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
Hale Waihona Puke Baidu
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（八）耐磨性
2020/10/16
布氏硬度计
一、力学性能
2. 洛氏硬度（HR） GB230 -1991
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度计
HR = (0.2 - △h) / 0.002 (mm)，
其中 △h = h1 - h0
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
第一章 材料的性能及应用意义
引言 §1.1 材料性能依据 §1.2 材料的使用性能 §1.3 材料的工艺性能
2020/10/16
引言 材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。
1. 所谓有用 — 使用性能
2. 所谓制造—工艺性能 （原材料变成产品）
力学性能 物理性能
化学性能
铸造性能（热加工） 焊接性能（热加工） 热处理性能（热加工）
对于易受振动且要求消振的零件，如机床床身和汽轮机叶片，要求材料 具有良好的消振性。机床床身可用灰铸铁制造，汽轮机叶片则采用Cr13型钢 制造。
对于仪表上的传感元件和音响上的音叉、簧片等，则不希望有滞弹性出 现，选材时应予注意。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（四）塑性——在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏的能力， 即材料断裂前的塑性变形能力。
KIC：金属材料的最高， 复合材料次之， 高分子材料、陶瓷材料最低。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
总之，AK（αK）和KIC
首先取决于内因——材料的成分、组织结构， 其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度的种类及应用：
（1）HRA（金刚石圆锥）— 高硬度表面、硬质合金 （2）HRB（淬火钢球） — 未淬火钢、灰铸铁、有色金属 （3）HRC（金刚石圆锥）— 淬硬钢、调质钢
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
洛氏硬度计
一、力学性能
● 在低中强度范围，冲击韧度的提高对多冲抗力影响不大（因 其韧性已足够）。
● 在高强度范围时（如σb＞1300MPa），改善韧性有利于提高
多冲抗力。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2. 断裂韧度 KIC——材料抵抗裂纹失稳扩展的能力 传统设计思想： [σ] ＝[σ0.2] / n，n为安全系数，依此思想反而导致经常的 低应力脆断（σ ≤σs），此时[σ]偏低而尺寸、重量偏高。 n↑→ [σ]↓→ 加大尺寸→ 依此思想反而导致经常的低应力脆断 。
1. 布氏硬度 GB231-1984 2. 洛氏硬度 GB230-1991 3. 维氏硬度 GB4342-1984
硬度测试三要素： 1.载荷大小 2.压头尺寸
3.加载及保压时间
2020/10/16
一、力学性能
1. 布氏硬度（HB） GB231-1984
§1.2 材料的使用性能 HB = F/S
布氏硬度计
2.陶瓷材料、 高分子材料、 复合材料的弹性模量对其成分和组织结构是敏感的， 可以通过不同的方法使其改变。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（三）弹性——在外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标。
滞弹性（弹性滞后）：加载时应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不 立即恢复。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（二）刚度——材料对弹性变形的抵抗能力。
如果说强度保证了材料不发生过量塑性变形甚至断裂的话，刚度则保 证了材料不发生过量弹性变形。
实际工件的刚度首先取决于其材料的弹性模量，即E
E = σ/ε
注意：
1.对于金属材料而言，其弹性模量E主要取决于基体金属的性质。当基体金属确定时, 难以通过合金化、热处理、冷加工等方法使之改变，即 E 是结构不敏感性参数。
1. 伸长率，以δ表示
δ l1 l0 10% 0 l0
2. 断面收缩率，以ψ表示 A0 A1 10% 0
A0
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（五）硬度—材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能力。
硬度试验的优点：
1. 硬度试验设备简单，操作迅速方便。
2. 一般不破坏成品零件，无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材 料和各种尺寸的零件。
1. 原子结构 2. 结合键 3. 原子排列方式 4. 组织
注意：（1）结构不敏感性能：E、Tm等。
（2）结构敏感性能：强度、塑性、韧性等。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（a）拉伸 （b）压缩 （c）弯曲
（d）剪切 （e）扭转
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
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
交点K以左：在较高冲击能量A’下，多冲抗力取决于韧性。 交点K以右：在较低冲击能量A”下，多冲抗力取决于强度。
（即小能量多冲)
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
● 小能量多冲时以强度为主，塑性、韧性为辅，强韧性配合处 于最佳状态时，多冲抗力最高。
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。
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
HBS — 淬火钢球 （<450HB) HBW— 硬质合金球（<650HB)
1）误差小，重复性好。 2）压痕面积大，不适合成品检验。 3）与强度σb之间存在近似的换算：
σb 0.36HB
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
螺栓韧性断裂与脆性断裂的比较
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（七）疲劳性能——材料在交变应力作用下，在远小于强度极限， 甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。
疲劳极限：材料能承受的无数次循环而不断裂的最大应力值。
碳钢σ-1≈0.43σb 合金钢σ-1≈0.35σb+12MPa
塑性加工性能（热、冷加工）
切削加工性能（冷加工）
它们之间有联系、有区别，有统一、有矛盾，应合理应用。
2020/10/16
§1.1 材料性能依据
材料的性能是用于表征材料在给定的外界条件下所表现出来的行为。
材料的化学成分和内部结构是其内部依据，材料成分和结
构确定后就表现出一定的性能。此时的“结构”包含四个层次 ：
（一）强度 ----- 材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。
1. 比例极限 σp 2. 弹性极限 σe 3. 屈服强度 σs 4. 抗拉强度 σb
低碳钢拉伸flash演示1 低碳钢拉伸flash演示2
拉伸实验视频
屈强比（ σs /σb ），其值一般在0.65~0.75之间。屈强比愈 小，工程构件的可靠性越高，万一超载也不会马上断裂；屈强 比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。
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
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
冲击吸收功的测定
2020/10/16
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'
1. 磨损的主要类型
1）粘着磨损：是指摩擦副接触面局部发生金属粘着，而这些粘着的强 度往往大于金属本身强度，在随后的相对运动时发生的破坏将出现在强 度较低的地方，有金属磨屑从表面被拉下来或零件表面被擦伤的磨损。
2）磨粒磨损：是指滑动摩擦时，在零件表面摩擦区内存在硬质磨粒， 使磨面发生局部塑性变形、磨料嵌入和被磨料切割等过程，以致磨面材 料逐步磨耗。
2020/10/16
§1.3 材料的工艺性能
金属材料零件的一般加工过程
2020/10/16
§1.3 材料的工艺性能
1. 铸造性能：包括流动性、收缩、疏松、成分偏析、铸造应力、冷热裂纹倾向。 2. 锻造性能：通常用材料的塑性和强度及形变强化能力来综合衡量。 3. 焊接性能：包括焊接接头产生缺陷的倾向性和焊接接头的使用可靠性。 4. 切削加工性能：一般用材料的切削的难易程度、切削后表面粗糙度和刀具寿 命等方面来衡量。 5. 热处理性能：包括淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化与脱碳倾向及热处理变 形与开裂倾向。
2020/10/16
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。
2020/10/16
三、化学性能
（一）化学腐蚀
§1.2 材料的使用性能 （二）电化学腐蚀
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2. 断裂韧度 KIC——材料抵抗裂纹失稳扩展的能力
先进的设计思想：材料中存在着既存或后生的微小的宏观裂纹，可能是冶金 缺陷，也可能是加工裂纹（如热处理、焊接等）或是使用中发生裂纹（如疲 劳、应力腐蚀）。
KI < KIC KI = Yσa1/2
3. 硬度与强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，可按硬度估算强度而免做复 杂的拉伸实验。
4. 硬度与工艺性能之间有联系，可作为评定材料工艺性能的参考。
5. 硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，可用来检验原材料和 控制冷热加工质量。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
硬度测试方法：
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
粘着磨损示意图
2020/10/16
粘着磨损磨痕
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
磨粒磨损示意图
2020/10/16
磨粒磨损磨痕
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2. 提高材料耐磨性的途径 1）粘着磨损 ①减小表面摩擦系数或提高材料表面硬度； ②减小接触压力； ③合理选配摩擦材料； ④减小表面粗糙度值以增大实际接触面积； ⑤改善润滑状况。 2）磨粒磨损 ①提高材料硬度 ； ② 设计时合理采用减小接触压力的措施，工作时改进润滑油 过滤装置以 及时清除磨损。
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。
2020/10/16
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
2020/10/16
疲劳曲线示意图
a— 一般钢铁材料 b — 有色金属、高强度钢等
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
Hale Waihona Puke Baidu
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（八）耐磨性
2020/10/16
布氏硬度计
一、力学性能
2. 洛氏硬度（HR） GB230 -1991
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度计
HR = (0.2 - △h) / 0.002 (mm)，
其中 △h = h1 - h0
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
2020/10/16
一、力学性能
第一章 材料的性能及应用意义
引言 §1.1 材料性能依据 §1.2 材料的使用性能 §1.3 材料的工艺性能
2020/10/16
引言 材料是人类社会经济地制造有用器件的物质。
1. 所谓有用 — 使用性能
2. 所谓制造—工艺性能 （原材料变成产品）
力学性能 物理性能
化学性能
铸造性能（热加工） 焊接性能（热加工） 热处理性能（热加工）
对于易受振动且要求消振的零件，如机床床身和汽轮机叶片，要求材料 具有良好的消振性。机床床身可用灰铸铁制造，汽轮机叶片则采用Cr13型钢 制造。
对于仪表上的传感元件和音响上的音叉、簧片等，则不希望有滞弹性出 现，选材时应予注意。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（四）塑性——在外力作用下材料产生塑性变形而不破坏的能力， 即材料断裂前的塑性变形能力。
KIC：金属材料的最高， 复合材料次之， 高分子材料、陶瓷材料最低。
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
总之，AK（αK）和KIC
首先取决于内因——材料的成分、组织结构， 其次是受零件外部因素的影响，如工作温度、环境介质。
2020/10/16
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度的种类及应用：
（1）HRA（金刚石圆锥）— 高硬度表面、硬质合金 （2）HRB（淬火钢球） — 未淬火钢、灰铸铁、有色金属 （3）HRC（金刚石圆锥）— 淬硬钢、调质钢
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一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
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洛氏硬度计
一、力学性能