第一章材料的原子结合方式及性能

1、工程材料工程材料第一章第一章 材料的原子结合方式及性能材料的原子结合方式及性能工程材料工程材料1.1 固态物质的原子结合方式及结合键固态物质的原子结合方式及结合键1.2 工程材料的分类工程材料的分类1.3 材料的性能材料的性能章章 节节工程材料工程材料1.1 1.1 固态物质的原子结合方式及结合键固态物质的原子结合方式及结合键原子、分子或离子等粒子是构成材料的基本单元。原子、分子或离子等粒子是构成材料的基本单元。工程材料工程材料外观外观光泽光泽硬度硬度导电性导电性用途用途金刚石金刚石无色透明正无色透明正八面晶状体八面晶状体加工琢磨后加工琢磨后夺目光泽夺目光泽自然界中最硬自然界中最硬的物质的物质

2、无无钻头、切刀、刻钻头、切刀、刻刀、装饰品等刀、装饰品等石墨石墨深灰色鳞片深灰色鳞片状固体状固体略有金属光略有金属光泽泽最软矿物质之最软矿物质之一一良好良好电极、铅笔芯、电极、铅笔芯、润滑剂润滑剂决定材料性质最为本质的是材料的内在因素决定材料性质最为本质的是材料的内在因素金刚石金刚石石墨石墨工程材料工程材料性能性能内部构造内部构造原子种类和原子种类和数量数量原子的排列原子的排列方式和空间方式和空间分布分布成分成分组织组织结结构构1.1 1.1 固态物质的原子结合方式及结合键固态物质的原子结合方式及结合键工程材料工程材料晶体与非晶体晶体与非晶体特点：特点： 1）结构有序）结构有序（排列紧密、高对

3、称性）；排列紧密、高对称性）； 2）物理性质表现为各向异性；）物理性质表现为各向异性； 3）有固定的熔点；）有固定的熔点； 4）在一定的条件下有规则的几何外形；）在一定的条件下有规则的几何外形；金刚石金刚石晶体晶体固态下，原子或分子在空间上呈有序排列结构。固态下，原子或分子在空间上呈有序排列结构。工程材料工程材料特点：特点： 1）结构无序；）结构无序； 2）物理性质表现为各向同性；）物理性质表现为各向同性； 3）没有固定的熔点；）没有固定的熔点； 4）热导率和热膨胀性小；）热导率和热膨胀性小； 5）组成的变化范围大；）组成的变化范围大；玻璃玻璃晶体与非晶体晶体与非晶体非晶体非晶体原子无序排列的

4、结构。原子无序排列的结构。工程材料工程材料 晶体和非晶体间的相互转化晶体和非晶体间的相互转化 在某些条件下在某些条件下可以相互转化可以相互转化。金属液体在高速冷却的条件下，可以得到非晶态金属（金属金属液体在高速冷却的条件下，可以得到非晶态金属（金属玻璃）。玻璃）。玻璃经过适当处理可以形成晶态玻璃。玻璃经过适当处理可以形成晶态玻璃。 晶体和非晶体的两大性能区别晶体和非晶体的两大性能区别 晶体晶体非晶体非晶体熔点熔点固定熔点固定熔点熔化范围熔化范围方向性方向性各向异性各向异性各向同性各向同性晶体与非晶体晶体与非晶体工程材料工程材料硅表面原子排列硅表面原子排列 准晶体准晶体晶体与非晶体晶体与非晶体碳

5、表面原子排列碳表面原子排列 晶体晶体 非晶体非晶体 工程材料工程材料原子间的结合力与结合能原子间的结合力与结合能A工程材料工程材料晶体中结合键的类型晶体中结合键的类型化学键化学键物理键物理键工程材料工程材料 依靠正离子与构成电依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静子气的自由电子之间的静电引力而使各原子结合到电引力而使各原子结合到一起的方式。一起的方式。金属键与金属晶体金属键与金属晶体金属键金属键工程材料工程材料金属键示意图金属键示意图金属离子与金属原子最外层的自由电子结合形成。金属离子与金属原子最外层的自由电子结合形成。金属钠的晶体结构金属钠的晶体结构金属键与金属晶体金属键与金属晶体工程材料

6、工程材料方向性方向性：按照一定的方向形成作用力；：按照一定的方向形成作用力；饱和性饱和性：形成特定数目的作用力；：形成特定数目的作用力；金属晶体特点：金属晶体特点：导电性、导热性、延展性好，正导电性、导热性、延展性好，正的电阻温度系数，熔点较高，有金属光泽。的电阻温度系数，熔点较高，有金属光泽。绝大部分金属均以绝大部分金属均以金属键金属键结合。结合。金属键与金属晶体金属键与金属晶体金属键金属键无所谓饱和性和方向性无所谓饱和性和方向性。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning工程材料工程材料原子结合：原子结合：电子共用，结合力大电子共用，结合

7、力大；共价晶体：共价晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、 脆性大、导电性差。如陶瓷材料。脆性大、导电性差。如陶瓷材料。共价键与原子晶体共价键与原子晶体共价键共价键有饱和性和方向性有饱和性和方向性。 工程材料工程材料原子间共用电子对形成。原子间共用电子对形成。共价键示意图共价键示意图金刚石结构金刚石结构共价键与原子晶体共价键与原子晶体工程材料工程材料原子结合：原子结合：电子转移，结合力大；电子转移，结合力大；离子晶体：离子晶体：硬度高，脆性大，熔点高、热胀系数小、导硬度高，脆性大，熔点高、热胀系数小、导电性差。电性差。 如如NaCl。离子键与离子晶体离子键与

8、离子晶体离子键离子键无饱和性和方向性无饱和性和方向性。 氯化钠结构氯化钠结构正负电荷相互吸引形成。正负电荷相互吸引形成。工程材料工程材料在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固在离子键结合中，由于离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是而不吸收可见光，所以典型的离子晶体是无色透明无色透明的。的。 NaCl晶体晶体离子键与离子晶体离子键与离子晶体工程材料工程材料分子键分子键：分子偶极结合力分子偶极结合力（范德瓦尔力）（范德瓦尔力）分子晶体分子晶体：外层电子稳定的原子或分子之间通过偶极：

9、外层电子稳定的原子或分子之间通过偶极之间的库伦相互作用结合在一起的晶体。之间的库伦相互作用结合在一起的晶体。特点：弹性模量、强度、硬度、熔点均很低。特点：弹性模量、强度、硬度、熔点均很低。石墨石墨CH4分子晶体分子晶体分子键和分子晶体分子键和分子晶体He原子原子工程材料工程材料各种结合键比较各种结合键比较结合键结合键类型类型结构结构特点特点热力学性能热力学性能力学性能力学性能电学性电学性能能结合能结合能（KJ/mol）金属键金属键无方无方向性向性熔点范围，导热性好，熔点范围，导热性好，结晶温度范围宽结晶温度范围宽硬度、强度硬度、强度范围，塑性范围，塑性导电性导电性能好能好113-660共价键共

10、价键有方有方向性向性熔点高、熔点高、热膨胀系数小热膨胀系数小强度高、强度高、硬度大硬度大绝缘体绝缘体150-712离子键离子键无方无方向性向性熔点高、熔点高、热膨胀系数小热膨胀系数小强度高、硬强度高、硬度大、劈裂度大、劈裂性好性好绝缘体，绝缘体，溶体为溶体为导体导体586-1047分子键分子键有方有方向性向性熔点低、熔点低、热膨胀系数大热膨胀系数大强度、强度、硬度低硬度低绝缘体绝缘体2.11%)钢钢(C%2.11%)普通灰铸铁普通灰铸铁白口铸铁白口铸铁可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁特殊性能铸铁特殊性能铸铁碳素钢碳素钢合金钢合金钢轻金属轻金属(密度小于密度小于3.5g/cm3，铝，铝(Al)、

11、镁、镁(Mg)、钠、钠(Na)、钙、钙(Ga) 重金属重金属(密度大于密度大于3.5g/cm3，铜，铜(Cu)、镍、镍(Ni)、锡、锡(Sn)、铅、铅(Pb)、锌、锌(Zn)贵金属贵金属(金金(Au)、银、银(Ag)、铂、铂(Pt)稀有金属稀有金属(钨钨(W)、钛、钛(Ti)、锂、锂(Li)、铍铍(Be)、钽、钽(Ta)稀土金属稀土金属(钪钪(Sc)、钇、钇(Y)、镧、镧(La)放射性金属放射性金属(镭镭(Ra)、铀、铀(U)、钍、钍(Tb)金属材料金属材料工程材料工程材料金属材料金属材料主主要要特特点点性能好性能好能获得优良的综合力学性能，特能获得优良的综合力学性能，特殊的物理、化学性能及满

12、意的工艺性能。殊的物理、化学性能及满意的工艺性能。应用广应用广以机械行业为例，工程材料的应以机械行业为例，工程材料的应用中金属材料占用中金属材料占90%以上，其中钢铁材料又占以上，其中钢铁材料又占金属材料的金属材料的95%以上。以上。继续发展继续发展已有已有5000年的使用历史，有较年的使用历史，有较完整系统的理论及实践生产经验，当前的方向完整系统的理论及实践生产经验，当前的方向是高性能化、多功能化、复合化、智能化。是高性能化、多功能化、复合化、智能化。工程材料工程材料 高分子材料为有机合成材料，亦称高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物聚合物。它具有较。它具有较高的高的强度强度，良好的，良好的

13、塑性塑性，较强的，较强的耐腐蚀耐腐蚀性性能，很好的能，很好的绝缘绝缘性性，以及重量，以及重量轻轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。新型结构材料。 工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为三大类：塑料、合成纤维、橡胶塑料、合成纤维、橡胶。 异戊二烯的高聚物异戊二烯的高聚物碳纤维碳纤维塑料塑料高分子材料高分子材料工程材料工程材料高分子材料高分子材料工程材料工程材料高分子材料高分子材料高高分分子子材材料料热塑性塑料热塑性塑料热固性塑料热固性塑料弹性材料弹性材料缩聚物：尼龙（聚酰胺）、聚酯等缩聚物：尼龙

14、（聚酰胺）、聚酯等加聚物：聚丙烯、聚乙烯等加聚物：聚丙烯、聚乙烯等共聚物：醋酸聚氯乙烯、氯化聚醚共聚物：醋酸聚氯乙烯、氯化聚醚缩聚物：酚醛树脂、硅酮树脂等缩聚物：酚醛树脂、硅酮树脂等共聚物：环氧树脂、交联聚氨酯等共聚物：环氧树脂、交联聚氨酯等天然橡胶：聚异戊二烯天然橡胶：聚异戊二烯人工合成橡胶：苯乙烯人工合成橡胶：苯乙烯-丁二烯橡胶、异丁橡胶等丁二烯橡胶、异丁橡胶等工程材料工程材料陶瓷陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为通常为氧氧)的化合物。的化合物。优点优点 ：陶瓷陶瓷具有具有高熔点高熔点、高硬度高硬度、高耐磨性高耐磨性、耐氧化；耐氧化；缺点缺

15、点：脆性很大脆性很大；压电陶瓷压电陶瓷压敏陶瓷压敏陶瓷陶瓷材料陶瓷材料工程材料工程材料原料原料成型成型烧成烧成性能性能加工加工用途用途传统传统陶瓷陶瓷天然矿物天然矿物注浆、可注浆、可塑成型塑成型1350以以下下外观效外观效果为主果为主一般不需要一般不需要加工加工炊具、餐具、炊具、餐具、陈设品陈设品特种特种陶瓷陶瓷人工精致人工精致合成原料合成原料压制、注压制、注射、扎膜射、扎膜1600左左右右耐磨、耐磨、耐腐蚀耐腐蚀切割、打孔、切割、打孔、研磨、抛光研磨、抛光宇航、能源、宇航、能源、冶金、家电冶金、家电特种陶瓷与传统陶瓷的主要区别特种陶瓷与传统陶瓷的主要区别陶瓷材料陶瓷材料工程材料工程材料由两种

16、或两种以上不同材料的组合而成，其性能优于由两种或两种以上不同材料的组合而成，其性能优于其组成材料。其组成材料。 钛基复合材料钛基复合材料 A350复合材料机翼蒙皮复合材料机翼蒙皮复合材料复合材料工程材料工程材料层叠复合材料层叠复合材料 钨钴类硬质合金刀钨钴类硬质合金刀复合材料复合材料工程材料工程材料v使用性能：使用性能：材料在使用条件下所表现出来的性材料在使用条件下所表现出来的性能，包括能，包括力学力学、物理物理和和化学化学性能。性能。v工艺性能：工艺性能：制造工艺过程中，材料适应加工的制造工艺过程中，材料适应加工的能力以及热处理性能。能力以及热处理性能。1.3 1.3 工程材料的性能工程材料

17、的性能工程材料工程材料描述材料变形行为的指标是描述材料变形行为的指标是应力应力和和应变应变。单位面积上的单位面积上的作用力作用力单位长度的单位长度的变形变形力学性能力学性能力学性能力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在材料在受力受力时的行为。时的行为。工程材料工程材料力学性能力学性能0AFF所加载荷（所加载荷（N）；）；A0试样的原始截面积（试样的原始截面积（mm2）；）；MPa应力应力100100%lll l0试样的原始标距长度；试样的原始标距长度； l1试样受力变形后的标距长度。试样受力变形后的标距长度。应变应变工程材料工程材料力学性

18、能力学性能工程材料工程材料拉伸实验拉伸实验在拉伸试验机上，使试样承受在拉伸试验机上，使试样承受轴向拉力轴向拉力P P并使试样缓慢拉伸，直至并使试样缓慢拉伸，直至试样断裂。试样断裂。力学性能力学性能工程材料工程材料图图1 1 标准拉伸试样标准拉伸试样图图2 2 拉伸试样出现颈缩现象拉伸试样出现颈缩现象图图3 3 拉伸式样断裂拉伸式样断裂图图4 4 断口低倍放大像断口低倍放大像图图5 5 断口高倍放大像断口高倍放大像力学性能力学性能拉伸实验拉伸实验工程材料工程材料屈服屈服强度强度b弹性弹性变形变形断裂断裂阶段阶段屈服屈服阶段阶段 （F）( L)Oaefc强化阶段强化阶段抗拉抗拉强度强度弹性弹性极限

19、极限bse0.2p比例比例极限极限应力应力应变曲线应变曲线铸铸铁铁拉拉伸伸试试验验工程材料工程材料e eeO低碳钢应力低碳钢应力- -应变曲线应变曲线oe：弹性变形阶段：弹性变形阶段 试样的应力与应变试样的应力与应变成正比。成正比。 卸去载荷，试样伸卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复长量消失，试样恢复原状。原状。 e：弹性极限弹性极限应力应力应变曲线应变曲线工程材料工程材料弹性模量弹性模量E 单位单位GPa(N/mm2)刚度：刚度：指金属材料受外力作用时，抵抗指金属材料受外力作用时，抵抗弹性变形弹性变形的能力。的能力。弹性模量弹性模量：在在弹性范围弹性范围内，应力与应变的内，应力与应变的比值比

20、值，用，用E表示。表示。EE是材料是固有属性，大小与材料的化学成分及温度有关。是材料是固有属性，大小与材料的化学成分及温度有关。E越大，表示在一定的应力作用下弹性变形越小，即刚度越大。越大，表示在一定的应力作用下弹性变形越小，即刚度越大。应力应力应变曲线应变曲线刚性指标刚性指标工程材料工程材料应力应力应变曲线应变曲线相同材料的零件，截面面积大、长度短的不易发生弹性变形。相同材料的零件，截面面积大、长度短的不易发生弹性变形。E=100()FAlll010FllllEA 工程材料工程材料seeOs低碳钢应力低碳钢应力- -应变曲线应变曲线es：塑性变形阶段：塑性变形阶段 （屈服阶段）（屈服阶段）

21、应力与应变间不再成正比，应力与应变间不再成正比，出现出现屈服齿屈服齿。 卸去载荷，试样的变形只卸去载荷，试样的变形只能部分恢复，保留一部分能部分恢复，保留一部分残残余变形余变形。 应力应力应变曲线应变曲线 当应力达到一定值时，当应力达到一定值时，应力虽不增加应力虽不增加( (或者在小范或者在小范围内波动围内波动) )，而变形却急剧，而变形却急剧增长的现象，称为增长的现象，称为屈服现象屈服现象。工程材料工程材料seeOs低碳钢应力低碳钢应力- -应变曲线应变曲线es：塑性变形阶段：塑性变形阶段 （屈服阶段）（屈服阶段）s：屈服强度（屈服点）屈服强度（屈服点） 对于无明显屈服的对于无明显屈服的塑性

22、材料，规定以产塑性材料，规定以产生生0.2%残余变形的应残余变形的应力值为其力值为其屈服极限屈服极限。0.2：名义屈服强度名义屈服强度应力应力应变曲线应变曲线工程材料工程材料bsOsb低碳钢应力低碳钢应力- -应变曲线应变曲线sb：强化阶段：强化阶段b：抗拉强度抗拉强度表示材料对最大表示材料对最大均匀塑性变形的抗力。均匀塑性变形的抗力。试样发生明显试样发生明显而均匀的塑性变形。而均匀的塑性变形。应力应力应变曲线应变曲线工程材料工程材料屈服强度屈服强度s ；抗拉强度；抗拉强度b ；单位：单位：MPa(N/mm2)强度强度：指金属材料在外力作用时，抵抗：指金属材料在外力作用时，抵抗塑性变形塑性变形

23、和和断裂断裂的能力。的能力。屈服强度屈服强度s：金属材料发生屈服现象时的：金属材料发生屈服现象时的屈服极限屈服极限。表征材料。表征材料抵抗抵抗微量塑性变形微量塑性变形的能力。的能力。抗拉强度抗拉强度b：金属材料拉断前所能承受的：金属材料拉断前所能承受的最大应力最大应力。00ssbbFAFA 脆性材料拉伸曲线上没有水平线段，难确脆性材料拉伸曲线上没有水平线段，难确定屈服点定屈服点S，规定试样产生，规定试样产生0.2%残余塑性变形残余塑性变形时的应力值时的应力值,称为该材料的称为该材料的条件屈服强度。条件屈服强度。bs/屈强比屈强比，其值一般，其值一般0.65-0.75。屈强比。屈强比越小越小，工

24、程构件的，工程构件的可靠性可靠性越高越高。屈强比。屈强比越大，越大，材料强度材料强度利用率越高利用率越高，但可靠性降低。，但可靠性降低。 强度与合金化、热处理、冷热加工有关。强度与合金化、热处理、冷热加工有关。强性指标强性指标应力应力应变曲线应变曲线工程材料工程材料bz：缩颈阶段：缩颈阶段(断裂阶段断裂阶段)z：条件断裂强度条件断裂强度 表示材料对塑性的表示材料对塑性的极限抗力。极限抗力。 试样开始发生不均试样开始发生不均匀塑性变形并形成匀塑性变形并形成缩颈缩颈，应力下降，最后断裂。应力下降，最后断裂。低碳钢应力低碳钢应力- -应变曲线应变曲线bOzbz应力应力应变曲线应变曲线工程材料工程材料

25、伸长率伸长率 、断面收缩率、断面收缩率 %100001LLL010100%AAA 或或 越大越大，表示材料的，表示材料的塑性越好塑性越好。一般把一般把5的材料称为的材料称为塑性材料塑性材料，如钢材、铜、铝等；，如钢材、铜、铝等；把把5的材料称为的材料称为脆性材料脆性材料，如铸铁、混凝土、石料等。，如铸铁、混凝土、石料等。应用中：应用中：10试样试样 L0=10d0 5 试样试样 L0=5d0 金属材料因具有一定的塑性才能进行各种金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工变形加工，并且，并且零件在使用中零件在使用中偶然过载偶然过载，将产生一定塑性变形，而不致突然断，将产生一定塑性变形，而不致突

26、然断裂，从而提高了零件使用的可靠性。裂，从而提高了零件使用的可靠性。塑性指标塑性指标应力应力应变曲线应变曲线工程材料工程材料oe： 弹性变形阶段弹性变形阶段es： 屈服阶段屈服阶段sb：强化阶段：强化阶段bz：缩颈阶段：缩颈阶段z： 断裂断裂bseeOszb低碳钢应力低碳钢应力- -应变曲线应变曲线应力应力应变曲线应变曲线工程材料工程材料46%13%41%1000MPA420MPA220MPA 0.2汽车车身各部位用钢量及其强度汽车车身各部位用钢量及其强度（ ）工程材料工程材料硬度硬度：材料抵抗另一硬物压入其内的能力。：材料抵抗另一硬物压入其内的能力。 即即受压受压时抵抗局部变形（特别是塑性变

27、形、压时抵抗局部变形（特别是塑性变形、压痕或划痕）的能力。痕或划痕）的能力。 洛氏硬度洛氏硬度 HR维氏硬度维氏硬度 HV布氏硬度布氏硬度 HB 常用硬度指标常用硬度指标硬度硬度工程材料工程材料 一定直径一定直径D的球体的球体(淬火钢球或硬质合金球淬火钢球或硬质合金球)在一定载荷在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压压痕直径痕直径，根据压痕面积，确定硬度大小。，根据压痕面积，确定硬度大小。布氏硬度布氏硬度HB布氏硬度实验示意图布氏硬度实验示意图工程材料工程材料布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 222()0.102()

28、FHBS HBWD DDdFN,kgf；D、dmm。表示方法：硬度值表示方法：硬度值HBS（HBW）球直径）球直径/试验力试验力/试验力保持时间；试验力保持时间；“120HBS10/1000/30”表示用直径表示用直径10mm钢球在钢球在1000kgf（9.8kN）试验力下）试验力下保持保持30s测得布氏硬度值为测得布氏硬度值为120。布氏硬度布氏硬度HB注意注意：当用淬火钢球压头时，当用淬火钢球压头时，450，HBS。当用硬质合金球时，当用硬质合金球时，450650，HBW。工程材料工程材料特点特点：一般来说，布氏硬度值：一般来说，布氏硬度值越小越小，材料，材料越软越软，其，其压压痕直径越大

29、痕直径越大；反之，布氏硬度值越大，材料越硬，其；反之，布氏硬度值越大，材料越硬，其压痕直径越小。压痕直径越小。优点优点：具有：具有较高较高的测量的测量精度精度，压痕面积大，能在较大，压痕面积大，能在较大范围内反映材料的范围内反映材料的平均硬度平均硬度，测得的硬度值也较准确，测得的硬度值也较准确，数据数据重复性强重复性强。 应用应用：布氏硬度使材料表面压痕大，：布氏硬度使材料表面压痕大，不宜测成品或薄不宜测成品或薄片的硬度片的硬度，常测铸铁、有色金属、低合金结构钢等坯，常测铸铁、有色金属、低合金结构钢等坯料硬度。料硬度。布氏硬度布氏硬度HB工程材料工程材料将金刚石压头将金刚石压头(或钢球压头或钢

30、球压头), 在先后施加两个载荷在先后施加两个载荷(预预载荷载荷F0和总载荷和总载荷F )的作用下压入金属表面。的作用下压入金属表面。总载荷总载荷F 为预载荷为预载荷F0和主载荷和主载荷F1之和。之和。卸去主载荷卸去主载荷F1后后, 测量其残余压入深度测量其残余压入深度h，用用h与与h0之之差差h，来计算硬度值大小。来计算硬度值大小。洛氏硬度洛氏硬度HR洛氏硬度测量原理图洛氏硬度测量原理图 工程材料工程材料洛氏硬度压痕洛氏硬度洛氏硬度HR工程材料工程材料根据试验材料硬度的不同，分根据试验材料硬度的不同，分3种不同的标度来表示：种不同的标度来表示：v HRA：采用：采用60kg载荷和钻石锥压入器求

31、得硬度；载荷和钻石锥压入器求得硬度； 用于硬度极高的材料用于硬度极高的材料(如硬质合金等如硬质合金等)。v HRB：采用：采用100kg载荷和直径载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得硬度；淬硬的钢球求得硬度； 用于硬度较低的材料用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等如退火钢、铸铁等)。v HRC：采用：采用150kg载荷和钻石锥压入器求得硬度；载荷和钻石锥压入器求得硬度； 用于硬度很高的材料用于硬度很高的材料(如淬火钢等如淬火钢等)。优点：操作方便、迅速，压痕截面小，可测成品件；优点：操作方便、迅速，压痕截面小，可测成品件；缺点：因压痕小，测试准确度低，重复性差。缺点：因压痕小，测试准确度低，重

32、复性差。洛氏硬度洛氏硬度HR工程材料工程材料维氏硬度实验示意图维氏硬度实验示意图维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度压痕维氏硬度压痕维氏硬度维氏硬度HV工程材料工程材料28544.1DFHV 注意注意： FN,kgf； Dmm。表示方法：硬度值表示方法：硬度值HV试验力试验力/试验力保持时间；试验力保持时间；“640HV30/20”表示在表示在30kgf（294.3N）试验力下保持）试验力下保持20s测得维氏硬度测得维氏硬度值为值为640。F维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度维氏硬度HV工程材料工程材料优点优点：1. 压痕是压痕是正方形正方形，轮廓清晰，对角线测量准确，轮廓清晰，对角线测量准确，

33、精度精度最高最高的，同时的，同时重复性也很好重复性也很好，这一点比布氏硬度计优越。，这一点比布氏硬度计优越。 2. 测量测量范围宽广范围宽广，可以测量目前工业上所用到的几乎，可以测量目前工业上所用到的几乎全部金属材料。全部金属材料。 3. 维氏硬度计试验的试验力可以小到维氏硬度计试验的试验力可以小到10gF，压痕非常，压痕非常小，特别适合小，特别适合测试薄小材料测试薄小材料。 缺点缺点：试验：试验效率低效率低，要求较高的试验技术，对于试样表面的，要求较高的试验技术，对于试样表面的光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作光洁度要求较高，通常需要制作专门的试样，操作麻烦费时麻烦费时，通常只在实

34、验室中使用。通常只在实验室中使用。 （洛氏硬度计操作方便简单，非专（洛氏硬度计操作方便简单，非专业人员也可使用，一般工厂使用洛氏硬度计）业人员也可使用，一般工厂使用洛氏硬度计）维氏硬度维氏硬度HV工程材料工程材料肖氏硬度肖氏硬度：回跳硬度：回跳硬度0hhRHS 注意注意：R肖氏硬度系数；肖氏硬度系数； h初始高度，初始高度，mm； h0回弹高度，回弹高度，mm。硬度等级硬度等级：1、滑石；、滑石；2、石膏；、石膏；3、方解石；、方解石；4、氟石；、氟石；5、磷灰石；、磷灰石；6、长、长 石；石；7、石英；、石英；8、黄石；、黄石；9、蓝宝石或刚玉；、蓝宝石或刚玉；10、金刚石。、金刚石。优点优

35、点：试验冲击力小，产生压痕小，对试样破坏小；：试验冲击力小，产生压痕小，对试样破坏小；质轻，携带方便，适于在现场对试件进行测量。质轻，携带方便，适于在现场对试件进行测量。注意：莫氏硬度值为相对值，比较粗略。其它硬度其它硬度莫氏硬度莫氏硬度：划痕硬度：划痕硬度工程材料工程材料 许多机械零件在动载下工作，动载主要两种形许多机械零件在动载下工作，动载主要两种形式式:1):1)载荷以较载荷以较高速度施加到零件高速度施加到零件上上, ,形成形成冲击冲击，如，如冲头；冲头；2)2)载荷大小和方向呈周期性变化，形成载荷大小和方向呈周期性变化，形成交变交变载荷载荷，如齿轮。，如齿轮。冲击韧性冲击韧性是指金属材

36、料在是指金属材料在冲击载荷冲击载荷作用下，作用下，抵抗变形抵抗变形和断裂和断裂的能力。用的能力。用冲击韧度冲击韧度a ak k或或冲击吸收功冲击吸收功Ak表示。表示。冲击韧性冲击韧性冲击韧度冲击韧度ak用冲击力下材料破坏时单位面积所吸收的能量来表示。用冲击力下材料破坏时单位面积所吸收的能量来表示。ak=Ak/S工程材料工程材料冲击实验冲击实验 Ak=m(H1-H2)*9.8 (J)式中：式中：Ak冲击吸收功；冲击吸收功； m 实验机摆锤质量；实验机摆锤质量； H1摆锤原始高度；摆锤原始高度； H2冲断试样后摆锤的终止摆动高度；冲断试样后摆锤的终止摆动高度； S试样断口处的横截面积。试样断口处的

37、横截面积。冲击韧性的大小与材料成分、环境温度、冲击韧性的大小与材料成分、环境温度、缺口形状、试样大小等有关。缺口形状、试样大小等有关。冲击韧性冲击韧性工程材料工程材料）（2cmkkaJSA韧脆转变温度韧脆转变温度T(c)-40-20020204060akTT，a ak k急剧急剧韧性韧性脆性脆性金属材料的韧脆转变温金属材料的韧脆转变温度越低，材料的低温冲度越低，材料的低温冲击韧性愈好。击韧性愈好。 ak越大，冲击韧性越大越大，冲击韧性越大; ak越小，材料脆性越大；越小，材料脆性越大；冲击韧性冲击韧性 冲击韧度冲击韧度ak工程材料工程材料TITANIC的沉没与船体材料的的沉没与船体材料的质量直

38、接有关质量直接有关Titanic近代船用钢板冲击实验结果对比冲击实验结果对比建造中的Titanic工程材料工程材料低应力脆断低应力脆断：有些零件在工作应力：有些零件在工作应力远远低于屈服点远远低于屈服点时时就会发生脆性断裂。就会发生脆性断裂。韧性脆断的评定韧性脆断的评定：应力场强度因子应力场强度因子aYKI式中：式中： KI应力场强度因子，应力场强度因子，MPam1/2 外加应力；外加应力； Y-裂纹的几何形状因子，裂纹的几何形状因子，Y=1-2； a-裂纹长度的一半（裂纹长度的一半（mm）；）； 2a 具有张开型裂纹的试样具有张开型裂纹的试样K1C为为断裂韧度断裂韧度；当；当K1达到临界值达

39、到临界值K1C时，零时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而断裂，而K1K1C时，零件安全可靠。时，零件安全可靠。断裂韧性断裂韧性工程材料工程材料大型构件不可避免存在各种缺陷，在缺陷前端有不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，引起裂纹扩展。同的应力作用，都存在应力集中，引起裂纹扩展。危险危险张开型张开型最容易引起脆性断裂最容易引起脆性断裂断裂韧性断裂韧性工程材料工程材料n疲劳：疲劳：零件在交变载荷作用下，即使零件在交变载荷作用下，即使工作时承受的应力低于材料的屈服点或工作时承受的应力低于材料的屈服点或规定残

40、余伸长应力，在较长工作时间后规定残余伸长应力，在较长工作时间后也会发生突然失效（断裂）的现象。也会发生突然失效（断裂）的现象。n疲劳极限疲劳极限-1:表示材料在无数次交变载表示材料在无数次交变载荷作用而不破坏的最大应力。荷作用而不破坏的最大应力。循环次数（循环次数（N）应应力力 N-1有限寿命有限寿命无限寿命无限寿命钢材的循环次数钢材的循环次数 N = 107非铁金属的循环次数非铁金属的循环次数 N = 108疲劳强度疲劳强度工程材料工程材料疲劳源疲劳源瞬断区瞬断区扩展区扩展区夹杂物放射棱线和疲劳弧线夹杂物放射棱线和疲劳弧线航空涡喷航空涡喷6发动机叶片疲劳断口发动机叶片疲劳断口（歼击机）（歼击

41、机）叶片疲劳条带叶片疲劳条带疲劳过程：疲劳过程：u裂纹产生；裂纹产生；u裂纹扩延；裂纹扩延；u瞬时断裂。瞬时断裂。疲劳源疲劳源断裂区断裂区疲劳强度疲劳强度工程材料工程材料提高疲劳极限的措施：提高疲劳极限的措施： 合理设计构件的外形；合理设计构件的外形； 提高构件的表面加工质量；提高构件的表面加工质量；1. 提高构件表面强度；提高构件表面强度；疲劳强度疲劳强度工程材料工程材料磨损磨损：构件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有：构件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失、造成表面损伤的过程。造成表面损伤的过程。

42、耐磨性耐磨性：材料对磨损的抵抗能力。：材料对磨损的抵抗能力。主要分类：主要分类：磨粒磨损磨粒磨损；咬合磨损咬合磨损；疲劳磨损疲劳磨损；腐蚀磨损腐蚀磨损耐磨性主要受耐磨性主要受成分成分、硬度硬度、摩擦系数摩擦系数和和弹性模量弹性模量影响；影响；一般材料的硬度越大，则耐磨性越好。一般材料的硬度越大，则耐磨性越好。耐磨性耐磨性提高耐磨性措施：提高耐磨性措施：提高材料硬度提高材料硬度、表面强化表面强化、降低摩擦系数降低摩擦系数工程材料工程材料密度密度熔点熔点热容热容热膨胀性热膨胀性导热性导热性磁性磁性导电性导电性介电常数介电常数光学性能光学性能 物物理理性性能能物理性能物理性能工程材料工程材料 密度密

43、度 ：单位体积物质的质量。单位体积物质的质量。 导热性导热性 ：对固体或者液体传热能力的衡量。对固体或者液体传热能力的衡量。 金属中银导热性最好金属中银导热性最好, 铜、铝次之。合金的导热性铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。导热性好的金属散热也好。比纯金属差。导热性好的金属散热也好。 熔点熔点 ：材料由固态转变为液态的温度。材料由固态转变为液态的温度。 纯金属都有固定的熔点。纯金属都有固定的熔点。 热容热容 ：材料在某一过程中，每升高（或降低）单位材料在某一过程中，每升高（或降低）单位温度时从外界吸收（或放出）的热量。温度时从外界吸收（或放出）的热量。 (符号：符号：C；单位：；单位：J/K

44、)物理性能物理性能工程材料工程材料 热膨胀热膨胀性性 ：材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性。 线膨胀系数线膨胀系数：每变化每变化1时，引起材料时，引起材料长度的变化和它在长度的变化和它在 0时的长度之比。时的长度之比。 体膨胀体膨胀系数：系数：每变化每变化时，材料体积的变化时，材料体积的变化和它和它0时体时体 积积的比值。的比值。注意注意：各个参数的量纲：各个参数的量纲lm；Vm3；tVVtllVL00物理性能物理性能工程材料工程材料 热导系数热导系数：物体上下物体上下表面温度相差表面温度相差1时，单位时间内时，单位时间内通过导体通过导体横截面的热量。符号：横截面的热量。符号： ，单位：，单位：W/（mK） 导电性导电性 ：传导电流的能力，用电导率（传导电流的能力，用电导率（=1/）来衡量。来衡量。 金属导电性以银为