工程材料的分类与性能

1、神舟一号飞船 1.1 1.1 工程材料的分类工程材料的分类 1.2 1.2 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 1.3 1.3 工程材料的的其他性能工程材料的的其他性能工程材料工程材料是用于机械工程、建筑工程、航空航天是用于机械工程、建筑工程、航空航天等领域的材料。等领域的材料。按应用领域分：按应用领域分：机械工程材料、建筑材料、生物材料机械工程材料、建筑材料、生物材料、信息材料、航空航天材料等、信息材料、航空航天材料等 按性能特点分：按性能特点分：1、结构材料：、结构材料：以力学性能为主，兼有一定的理化性能以力学性能为主，兼有一定的理化性能2、功能材料：、功能材料：以特殊的物理、化学性能为

2、主以特殊的物理、化学性能为主按化学组成分：按化学组成分： 1、金属材料、金属材料 2、高分子材料、高分子材料 3、无机非金属材料、无机非金属材料 4、复合材料、复合材料l以金属键结合为主以金属键结合为主 l良好的导电性、导热良好的导电性、导热性、延展性和金属光性、延展性和金属光泽泽 l用量最大、应用最广用量最大、应用最广泛泛黑色金属黑色金属有色金属有色金属轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有稀有金属金属 带材带材异形材异形材板材板材管材管材l以共价键和离子键为以共价键和离子键为主主l熔点高、硬度高、耐熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大腐蚀、脆性大 l分为传统陶瓷、特种分为传统

3、陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类陶瓷和金属陶瓷三类 陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机l以分子键和共价键为以分子键和共价键为主主l塑性、耐蚀性、电绝塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密缘性、减振性好，密度小度小 l包括塑料、橡胶及合包括塑料、橡胶及合成纤维等成纤维等 分子键分子键共价键共价键烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯机械零件在使用过程中，要受到诸如机械零件在使用过程中，要受到诸如拉伸、压缩、扭转拉伸、压缩、扭转、剪切、摩擦、冲击、剪切、摩擦、冲击以及温度和化学介质等作用，并且还要以及温度和化学介质等作用，并且还要传递力和能。传递力和能。 因此，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的因此

4、，作为构成机械零件的金属材料，应具备良好的力力学性能、物理性能、和化学性能学性能、物理性能、和化学性能以防止零件早期失效，同时以防止零件早期失效，同时还要有良好的还要有良好的工艺性能工艺性能 。l使用性能：使用性能：材料在使用过程中所材料在使用过程中所表现的性能。包括表现的性能。包括力学性能、物力学性能、物理性能理性能和和化学性能化学性能。l工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中所材料在加工过程中所表现的性能。包括表现的性能。包括铸造、锻压、铸造、锻压、焊接、热处理焊接、热处理和和切削性能等切削性能等。神舟一号飞船力学性能力学性能 材料受载荷材料受载荷( (外力外力) )作用时表现出的性能，如，

5、强度、作用时表现出的性能，如，强度、塑性、硬度、韧性等。塑性、硬度、韧性等。外力（载荷）的形式及类型：静载荷、动载荷、交变载荷外力（载荷）的形式及类型：静载荷、动载荷、交变载荷静载时材料的力学性能静载时材料的力学性能拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）拉伸试验（弹性和刚度、强度、塑性）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）硬度（布氏硬度、洛氏硬度）动载时材料的力学性能动载时材料的力学性能冲击韧性（冲击韧性（ K K）疲劳强度疲劳强度断裂韧性断裂韧性材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形变形。外力去除后能够恢复的变形称为外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形

6、弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形塑性变形。 拉伸试验拉伸试验原始试样拉伸后试样拉伸试验拉伸试验： 即静拉伸力对试样轴向拉伸即静拉伸力对试样轴向拉伸, ,测量力和相应的伸长测量力和相应的伸长, ,一一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。般拉至断裂以测定其力学性能的试验。 拉伸曲线拉伸曲线：拉伸曲线拉伸曲线材料在拉伸的过程中经历四个阶段：材料在拉伸的过程中经历四个阶段：弹性、屈服、强化、颈缩弹性、屈服、强化、颈缩，存在三个特征点：，存在三个特征点：比例极限、屈服点、强度极限比例极限、屈服点、强度极限 弹性：弹性：指标为弹性极限指标为弹性极限 e e，即，即

7、材料承受最大弹性变形时的应力。材料承受最大弹性变形时的应力。 刚度：刚度：材料受力时抵抗弹性变形材料受力时抵抗弹性变形 的能力。的能力。指标为弹性模量指标为弹性模量E E。 ）（MPatgE弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。截面形状来提高零件的刚度。 应力应力 = F/S0应变应变 = (l-l

8、0)/l0 强度：强度：材料在外力作用下抵抗变材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。形和破坏的能力。 屈服点屈服点 s：材料发生屈服时对应材料发生屈服时对应的应力值。的应力值。 规定残余伸长应力规定残余伸长应力 0.2：残余变残余变形量为形量为0.2%时的应力值。时的应力值。用于铸用于铸铁等无明显屈服现象的材料。铁等无明显屈服现象的材料。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受材料断裂前所承受的最大应力值。的最大应力值。0.2 比强度比强度 b b / / 强度与密度之比强度与密度之比 伸长率：伸长率：%100001 lll %100010 FFF 断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩

9、现象拉伸试样的颈缩现象l说明：说明：l 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。l 直径直径d0 相同时，相同时，l0 ， 。只有当。只有当l0/d0 为常数为常数时，塑性值才有可比性。时，塑性值才有可比性。l当当l0=10d0 时，伸长率用时，伸长率用 表示；表示；l当当l0=5d0 时，伸长率用时，伸长率用 5 表示。显然表示。显然 5 l 时，无颈缩，为脆性材料表征时，无颈缩，为脆性材料表征 时，有颈缩，为塑性材料表征时，有颈缩，为塑性材料表征l材料抵抗表面局部塑性变形的能材料抵抗表面局部塑性变形的能力。力。l布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102.

10、 022dDDDPHB 布氏硬度计布氏硬度计l压头为钢球时压头为钢球时，布氏硬度用符号，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度表示，适用于布氏硬度值在值在450以下的材料。以下的材料。l压头为硬质合金球时压头为硬质合金球时，用符号，用符号HBW表示，适用于布氏硬度表示，适用于布氏硬度在在650以下的材料。以下的材料。l符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值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 。径 、 载 荷 及 载 荷 保 持 时 间 。 如如 120HBS10/1000/30 表表 示

11、直径为示直径为10mm的钢球在的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保）载荷作用下保持持30s测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度压痕l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。l缺点：缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。料。l适于测量适于测量退火、正火、调质钢退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与HB之间的经验关系：之间的经验关系： 对于低碳钢对于低碳钢: b(MPa)3.6HB 对于高碳钢：对于高碳钢：

12、 b(MPa)3.4HB 对于铸铁：对于铸铁： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)钢黄铜球墨铸铁l洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002l根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为标尺为A、B、C。 HR HR 测量原理图测量原理图l符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。lHRA用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, 如硬质如硬质合金、表淬层和渗碳层。合金、表淬层和渗碳层。lHRB用于测量低硬度材料用于测量低

13、硬度材料, 如有色如有色金属和退火、正火钢等。金属和退火、正火钢等。lHRC用于测量中等硬度材料，如调用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。l洛氏硬度的优点：洛氏硬度的优点：操作简便，压痕操作简便，压痕小，适用范围广。小，适用范围广。l缺点：缺点：测量结果分散度大。测量结果分散度大。钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕l维氏硬度用符号维氏硬度用符号HV表示表示，符号前的数字为硬度值，后面的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。数字按顺序分别表

14、示载荷值及载荷保持时间。l根据载荷范围不同，规定了三种测定方法根据载荷范围不同，规定了三种测定方法维氏硬度试验维氏硬度试验 、小负荷维氏硬度试验小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验显微维氏硬度试验。l维氏硬度保留了布氏硬度和维氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的优点洛氏硬度的优点。 小负荷维氏硬度计小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计显微维氏硬度计压头载荷 kgf硬度范围HBS钢球3000450HBW硬质合金球3000450650HRA金刚石圆锥602088HRB钢球10020100HRC金刚石圆锥1502070HRD金刚石圆锥1004077布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度HV金刚石棱锥5120130

15、0维氏硬度维氏硬度应用有色合金，退正火调质钢淬火、调质钢碳化物、硬质合金有色合金，退正火钢淬火、调质钢薄钢板、表面硬化工件各种硬度工件26HRC)(112102HVHRB1307300HB2HRA)(100333000HBHB 和 HVHB400时，HBHVHB400时，HBHVHR HR 和和 HBHB、HVHV : :钢材硬度换算钢材硬度换算 b b3.4HB 3.4HB （HB=125175HB=125175） b b3.6HB 3.6HB （HBHB175175）HRC2HRA-104 （HRC=2060）HB10HRC（HRC=2060）HB2HRB钢材强度、硬度换算钢材强度、硬度换

16、算l是指材料抵抗冲击载荷作用是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。而不破坏的能力。l指标为冲击韧指标为冲击韧性值性值a k(通过冲通过冲击实验测得击实验测得)。l材料的冲击韧性随温度下材料的冲击韧性随温度下降而下降。降而下降。在某一温度范在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降围内冲击韧性值急剧下降的现象称的现象称韧脆转变韧脆转变。发生发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变的温度范围称韧韧脆转变脆转变温度温度。材料的使用材料的使用温度应高于韧脆转变温度。温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金温度，而大多数面心立方金属没有。属没有。建造中的建造中

17、的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关Titanic近代船用钢板近代船用钢板l材料在低于材料在低于 s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。的重复交变应力作用下发生断裂的现象。l材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲疲劳极限劳极限。用。用 -1表示。表示。l钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。疲劳曲线疲劳曲线-1Nn21N1N2NnNc钢铁材料：钢铁材料：10107 7次次非铁合金：非铁合金：10108 8次次通过通过改善材料

18、的形状结构改善材料的形状结构，减少表面缺陷减少表面缺陷，提高表面光洁度提高表面光洁度，进行表面强化进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）油轮断裂和北极星导油轮断裂和北极星导弹发动机壳体爆炸与弹发动机壳体爆炸与材料中存在缺陷有关材料中存在缺陷有关 1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式l应力强度因子：应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。aYKI 2/1)( cca CCICaYK 23/mMN断裂韧度：断裂韧度：材料抵抗内部裂纹材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。失稳扩展的能力。 C为断裂应力，为断裂应力，aC为临界裂纹为临界裂纹半长，单位为半长，单位为 物理性能物理性能密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。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一些金属的物理性能及机械性能元素符号AlCuMgNiFeTiPbSn密度，kg/m31032.708.941.748.97.864.5111.347.3