工程材料2分类及力学性能

1、材料的分类材料的分类按化学组成：按化学组成： 金属材料、无机材料、有机（高分子）材料金属材料、无机材料、有机（高分子）材料按状态：按状态： 气态、液态、固态（单晶、多晶、非晶、复合）气态、液态、固态（单晶、多晶、非晶、复合）按所起的作用：按所起的作用： 结构材料结构材料（使用其机械性能，如机械制造、工程建（使用其机械性能，如机械制造、工程建筑、交通运输、能源利用等）和筑、交通运输、能源利用等）和功能材料功能材料（使用其物理（使用其物理化学特性，如电子、红外、激光、能源、通讯等）化学特性，如电子、红外、激光、能源、通讯等）按使用领域：按使用领域： 电子材料、耐火材料、耐蚀材料、耐磨材料、医用电子

2、材料、耐火材料、耐蚀材料、耐磨材料、医用材料、建筑材料等材料、建筑材料等为了便于阐明材为了便于阐明材料的料的成分（工艺成分（工艺）、组织结构、）、组织结构、性能、用途性能、用途之间之间的逻辑关系，按的逻辑关系，按以下方式分类：以下方式分类：金属材料、无机金属材料、无机非金属材料、有非金属材料、有机高分子材料和机高分子材料和复合材料复合材料 。（右。（右图为材料科学与图为材料科学与工程四要素）工程四要素）按上述分类的材料的概况按上述分类的材料的概况金属材料：（金属材料：（metallic materials） 坚硬、反光、有光泽、热与电的良导体、正电阻温度坚硬、反光、有光泽、热与电的良导体、正电

3、阻温度系数；系数； 黑色金属（黑色金属（ferrous alloys） 有色金属（有色金属（nonferrous alloys）；）； 铁碳合金铁碳合金、铝、铜、镁、钛等；、铝、铜、镁、钛等； 新型（特殊）金属材料：特殊的结构和功能，如非晶新型（特殊）金属材料：特殊的结构和功能，如非晶态、准晶、微晶、纳米等，用于隐身、态、准晶、微晶、纳米等，用于隐身、储氢、储氢、超导、形状超导、形状记忆、耐磨、减振等。记忆、耐磨、减振等。无机非金属材料无机非金属材料：（：（inorganic nonmetallic materials） 碳、硅、锗，硅酸盐为主要成分的碳、硅、锗，硅酸盐为主要成分的玻璃、水泥、

4、陶瓷玻璃、水泥、陶瓷等，特点是硬度高、强度高、耐腐蚀、电热的绝缘性好；等，特点是硬度高、强度高、耐腐蚀、电热的绝缘性好； 陶瓷材料：陶瓷材料：硬度高，性能稳定，但脆性大，可制造用硬度高，性能稳定，但脆性大，可制造用具、工具等；具、工具等； 陶瓷又可分为：传统陶瓷（陶瓷又可分为：传统陶瓷（traditional ceramics）和）和先进陶瓷（先进陶瓷（advanced ceramics）有机高分子材料有机高分子材料：（：（polymer materials） 聚合物材料；聚合物材料； 塑料、橡胶、纤维等；塑料、橡胶、纤维等； 性能特点是质量轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于加工成性能特点是质量轻、耐

5、腐蚀、绝缘性好、易于加工成型等，但强度、耐磨性、使用寿命等有一定局限。型等，但强度、耐磨性、使用寿命等有一定局限。复合材料：（复合材料：（composite materials） 两种或两种以上材料组合，性能互补或提高；两种或两种以上材料组合，性能互补或提高； 基体和增强体；基体和增强体； 钢筋混凝土；泥浆麦秸秆；钢筋混凝土；泥浆麦秸秆； 树脂基、金属基，玻璃纤维增强、碳纤维增强等，具树脂基、金属基，玻璃纤维增强、碳纤维增强等，具有特殊性能，可设计性能等特点。有特殊性能，可设计性能等特点。 无机非金属材料无机非金属材料水泥水泥玻璃玻璃陶瓷陶瓷陶瓷材料陶瓷材料-先进陶瓷应用先进陶瓷应用有机高分子

6、材料有机高分子材料合成塑料合成塑料合成纤维合成纤维合成橡胶合成橡胶高分子尼龙粉末高分子尼龙粉末有机玻璃有机玻璃聚丙烯聚丙烯高分子人造血管高分子人造血管聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚乙烯聚乙烯PVC管材管材塑料泡沫塑料泡沫 力学性能的概念和内容力学性能的概念和内容 外加载荷外加载荷与与环境环境共同作用共同作用 通过通过实验实验测得测得 主要内容：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨主要内容：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、缺口敏感性等性、缺口敏感性等 拉伸试验拉伸试验 试样：标准光滑圆柱试样试样：标准光滑圆柱试样 特点：温度、应力状态、加载速度不变特点：温度、应力状态、加载速度不变 加上材料时全称：加上材料时全

7、称： 低碳钢标准光滑圆柱试样的单向静拉伸试验低碳钢标准光滑圆柱试样的单向静拉伸试验 静拉伸实验静拉伸实验 三个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、三个阶段：弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、断裂断裂 四种变形形式：弹性变形、屈服、均匀塑变、四种变形形式：弹性变形、屈服、均匀塑变、局部塑变局部塑变 标定力学性能指标：标定力学性能指标：强度强度b 、 s 塑性塑性、 几个概念的比较几个概念的比较 弹性：弹性：产生不永久变形的能力产生不永久变形的能力 塑性：塑性：产生塑性变形而不断裂的能力产生塑性变形而不断裂的能力 刚度：刚度：抵抗弹性变形的能力抵抗弹性变形的能力 强度：强度：抵抗塑性变形和断裂的能力抵

8、抗塑性变形和断裂的能力 一次摆锤冲击弯曲实验一次摆锤冲击弯曲实验 韧性是材料韧性是材料塑性变形和断裂塑性变形和断裂过程中吸收能量过程中吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现。的能力，是强度和塑性的综合表现。 冲击韧性（韧度）冲击韧性（韧度）k是是抵抗冲击载荷抵抗冲击载荷的能力。的能力。是综合的力学性能指标，与强度和塑性有关，是综合的力学性能指标，与强度和塑性有关，揭示材料的变脆倾向，评定材料在揭示材料的变脆倾向，评定材料在复杂受载复杂受载条件条件下的寿命和可能性，反映原材料的冶金下的寿命和可能性，反映原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。质量和热加工后的产品质量。冲击韧性常用冲击实验测定冲击韧

9、性常用冲击实验测定 影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成份、冶金质量、组织状态、表面质量和内部份、冶金质量、组织状态、表面质量和内部缺陷等。缺陷等。 系列冲击实验（低温冲击）：系列冲击实验（低温冲击）： 金属材料的冲击韧性随温度的降低而下降金属材料的冲击韧性随温度的降低而下降 温度和温度和k关系图关系图 评定材料低温变脆的倾向，评定材料低温变脆的倾向，韧脆转变温度韧脆转变温度（范围）（范围）韧脆转变温度韧脆转变温度 小结：小结： 力学性能五个力学性能五个基本指标基本指标 强度强度b 、 s 塑性塑性、 韧性韧性k 硬度硬度 材料的硬度通常是指材料材料的硬

10、度通常是指材料表面表面抵抗更硬物抵抗更硬物体体压入或刻划压入或刻划的能力，即抵抗局部塑性变的能力，即抵抗局部塑性变形的能力。形的能力。 常见的硬度指标有常见的硬度指标有布氏硬度（布氏硬度（HB）、洛氏）、洛氏硬度（硬度（HR）、）、维氏硬度（维氏硬度（HV） 等。等。 布氏硬度（布氏硬度（HB） 布氏硬度值的表示方法为：硬度值布氏硬度值的表示方法为：硬度值+硬度符硬度符号号+球体直径球体直径/+载荷载荷/+载荷保持时间（载荷保持时间（1015秒不标注）。秒不标注）。 例如，例如，180HBS10/1000/30，表示直径，表示直径10mm的钢球在的钢球在1000kgf作用下，保持作用下，保持3

11、0秒秒测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为180。洛氏硬度洛氏硬度(HR)符号符号压头类型压头类型总载荷（总载荷（kgf）适用范围适用范围HRC120金刚石圆金刚石圆锥锥150一般淬火钢等一般淬火钢等硬度较大材料硬度较大材料HRB1.588mm钢球钢球100退火钢和有色金属等退火钢和有色金属等软材料软材料HRA120金刚石圆金刚石圆锥锥60硬而薄的硬质合金硬而薄的硬质合金或表面淬火钢或表面淬火钢 布氏硬度、洛氏硬度优缺点：布氏硬度、洛氏硬度优缺点： 布氏硬度由于压痕面积较大，能反映较大布氏硬度由于压痕面积较大，能反映较大范围内的平均硬度，所以测量结果具有较范围内的平均硬度，所以测量结果具有较高

12、的精度和稳定性。但操作费时，对试样高的精度和稳定性。但操作费时，对试样表面有一定破坏。表面有一定破坏。 洛氏硬度操作简单，可直接读出硬度值，洛氏硬度操作简单，可直接读出硬度值，且压痕小，基本不伤工件。缺点是所测值且压痕小，基本不伤工件。缺点是所测值的离散性较大，实际中可多测几次取均值。的离散性较大，实际中可多测几次取均值。 各种硬度试验因其试验条件的不同而不能各种硬度试验因其试验条件的不同而不能直接换算，需查阅专门的表格进行换算比直接换算，需查阅专门的表格进行换算比较较。 金属材料的强度、塑性、硬度、韧性四者中金属材料的强度、塑性、硬度、韧性四者中真正独立的是真正独立的是强度和塑性强度和塑性，硬度与强度有极，硬度与强度有极为密切的关系，韧性是受强度和塑性的综合为密切的关系，韧性是受强度和塑性的综合影响；影响； 因此，在鉴别金属材料的力学性能时，常常因此，在鉴别金属材料的力学性能时，常常是以强度和塑性为主要指标；是以强度和塑性为主要指标； 同时，这两个（两组）指标也是一对同时，这两个（两组）指标也是一对矛盾矛盾，常常不可兼得。常常不可兼得。 图中为五种材料拉伸试验时测的得应力图中为五种材料拉伸试验时测的得应力应变应变( (单位长度上的伸长量单位长度上的伸长量) )曲线：曲线：4545钢钢 ， 铝青铜，铝青铜， 3535钢，硬铝，纯铜。试问：钢，硬铝，纯铜。试问：