第1章 材料的分类与性能 1.1 材料的分类1.2 工程材料的性能11.1 材料的分类金属高分子陶瓷材料有机材料无机材料 复 合材料Way?2工程材料分类3What? 各类材料的特点金属材料 主要为金属键。 热和电的良导体； 具有良好的强度与延展性以及金属光泽 。 陶瓷材料 通常为离子键或共价键。 绝缘体，而且比较耐热。 高分子材料 通常为共价键、分子键和氢键，以共价键为主。 分子结构都非常大； 通常密度较低，在高温下不稳定。 复合材料 性能的复合。玻璃纤维增强高分子玻璃纤维增强高分子 复合材料复合材料4铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性 工程材料的性能使用性能力学性能* 物理性能 化学性能工艺性能1.2 工程材料的性能表征材料在给定外界条件下的行为。什么是材料的性能？5材料在外加载荷（外力或能量）作用下或 载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联 合作用下表现出来的行为。主要是指材料在力的作用下抵抗变形和 开裂的性能。力学性能6机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲,力学性能反应在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。力学性能指标: 弹性、刚度、塑性、韧性、强度、硬度、疲劳强度等。工程材料的机械性能材料在受力时的性质。 （也称力学性能）。7一、静载单向静拉伸应力应变曲线 拉伸机上，低 碳钢缓慢加载单向 静拉伸曲线 拉伸试验机 8曲线分为四阶段：1阶段I（oab段）弹性 变形阶段pa: Pp pb: Pe （不产生永久变形 的最大抗力）poa段：L P 直线阶 段pab段：极微量塑性变形（ 0.001-0.005%)2阶段II（bcd段）屈服 变形 pc: 屈服点 Ps屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志 。拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静 载拉伸曲线 93阶段III（dB段）均匀 塑性变形阶段pB: Pb 材料所能承受的 最大载荷4阶段IV (BK段) 局部 集中塑性变形1. 低钢、正火、退火调质中钢，低、中C合金钢、某些Al 合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。 2. 铸铁、陶瓷：只有第I 阶段 3. 中、高碳钢：没有第II 阶段 颈缩拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向 静载拉伸曲线 101. 低钢、正火、退火调质中钢，低、中C合金钢某些Al合金及某些高 分子材料具有类似上述曲线。 2. 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 3. 中、高碳钢：没有第II阶段 11二、材料的强度(strength) 单位： MPa(MN/mm2) 公式：=P/Fo 物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。抗拉强度、 抗压强度、抗弯强度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。材料所能承受的极限应力. 121屈服强度s (yield strength)和条件屈服强度0.02a: s=Ps/Fo Pss = ( M pa ) F0试样屈服时的载荷( N )试样原始横截面积( mm2)s：代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。13b: 0.2条件屈服强度 中高碳钢等无屈服点。国家标准以产生一定的微量塑性变 形的抗力的极限应力值来表示。脆性材料：b=s ，如灰口铸铁P0.20.2 = ( M pa ) F0试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)试样原始横截面积( mm2)142抗拉强度( tensile strength )b=Pb/Fo材料被拉断前所承受的最大应力值。Pbb = ( M pa ) F0试样断裂前的最大载荷(N)试样原始横截面积( mm2)b：代表材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值。153疲劳强度-1 ( fatigue strength ) n 疲劳现象：承受载荷的大小和方向随时间作周期性变化。在交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）n 影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状 态、残余应力等。1943年美国T-2油轮发生断裂16n 疲劳极限-1 ：材料经无数次应力循环而不发 生疲劳断裂的最高应力值。n条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。 钢材的循环次数一般取 N = 107有色金属的循环次数一般取 N = 108钢材的疲劳强度与抗拉强度之间 的关系:-1 = (0.450.55)b陶瓷、高分子材料疲劳抗力很低；金属材料疲劳强度较高；纤维增强复合材料较好的抗疲劳性能。17三、塑性 (plasticity)材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。延伸率与试样尺寸有关， d5 , d10 (Lo=5do, 10do)。1延伸率（specific elongation） 10% 属塑性材料是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。Lk: 试样拉断后最终标距长度。18u =F/Fo=(Fo-Fk)/Fo x 100%u 越大，塑性愈好u KIC时，裂纹失稳扩展，发 生脆断。 uKIKIC时，裂纹处于临界状态 uKI铸铁（灰口）铸钢（共晶点附近最好）2.锻造性能（塑性、变形抗力）低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铸铁不可锻压3.焊接性能（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）低碳钢中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金钢）铜、铝合金4.切削性能（切削难易程度、加工表面质量）5.热处理工艺性能（热处理难易程度及产生缺陷的倾向）淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等34CH1 作 业1. 什么是机械工程材料?试举几种常见工程材料并简述其应用。 2. 围绕材料与工程的核心关系是什么？ 3. 名词解释：强度、硬度、刚度、弹性模量、塑性、冲击韧性、屈服极限、条件屈服强度、疲劳极限。 4. 什么是屈服现象？它的物理意义是什么？为什么有的材料还要规定条件屈服强度？ 5. 何为断裂韧性？请简述如何根据材料的断裂韧性、零件工作应力以及零件中裂纹的长度来判断零构件发生低应力脆断的可 能性。 6. 疲劳断裂和低应力脆断有何异同？35重点掌握 u各种机械性能指标（强度, 塑性；冲击韧性；硬度HB，HRC，HV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。一般要求 材料的工艺性能及物理化学性能。36