第一章材料的原子結(jié)合方式及性能

1、工程材料工程材料第一章第一章 材料的原子結(jié)合方式及性能材料的原子結(jié)合方式及性能工程材料工程材料1.1 固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合方式及結(jié)合鍵固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合方式及結(jié)合鍵1.2 工程材料的分類工程材料的分類1.3 材料的性能材料的性能章章 節(jié)節(jié)工程材料工程材料1.1 1.1 固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合方式及結(jié)合鍵固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合方式及結(jié)合鍵原子、分子或離子等粒子是構(gòu)成材料的基本單元。原子、分子或離子等粒子是構(gòu)成材料的基本單元。工程材料工程材料外觀外觀光澤光澤硬度硬度導(dǎo)電性導(dǎo)電性用途用途金剛石金剛石無色透明正無色透明正八面晶狀體八面晶狀體加工琢磨后加工琢磨后奪目光澤奪目光澤自然界中最硬自然界中最硬的物質(zhì)的物質(zhì)

2、無無鉆頭、切刀、刻鉆頭、切刀、刻刀、裝飾品等刀、裝飾品等石墨石墨深灰色鱗片深灰色鱗片狀固體狀固體略有金屬光略有金屬光澤澤最軟礦物質(zhì)之最軟礦物質(zhì)之一一良好良好電極、鉛筆芯、電極、鉛筆芯、潤滑劑潤滑劑決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的是材料的內(nèi)在因素決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的是材料的內(nèi)在因素金剛石金剛石石墨石墨工程材料工程材料性能性能內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)部構(gòu)造原子種類和原子種類和數(shù)量數(shù)量原子的排列原子的排列方式和空間方式和空間分布分布成分成分組織組織結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)1.1 1.1 固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合方式及結(jié)合鍵固態(tài)物質(zhì)的原子結(jié)合方式及結(jié)合鍵工程材料工程材料晶體與非晶體晶體與非晶體特點：特點： 1）結(jié)構(gòu)有序）結(jié)構(gòu)有序（排列緊密、高對

3、稱性）；排列緊密、高對稱性）； 2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性； 3）有固定的熔點；）有固定的熔點； 4）在一定的條件下有規(guī)則的幾何外形；）在一定的條件下有規(guī)則的幾何外形；金剛石金剛石晶體晶體固態(tài)下，原子或分子在空間上呈有序排列結(jié)構(gòu)。固態(tài)下，原子或分子在空間上呈有序排列結(jié)構(gòu)。工程材料工程材料特點：特點： 1）結(jié)構(gòu)無序；）結(jié)構(gòu)無序； 2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性； 3）沒有固定的熔點；）沒有固定的熔點； 4）熱導(dǎo)率和熱膨脹性?。唬釋?dǎo)率和熱膨脹性?。?5）組成的變化范圍大；）組成的變化范圍大；玻璃玻璃晶體與非晶體晶體與非晶體非晶體非晶體原子無序排列的

4、結(jié)構(gòu)。原子無序排列的結(jié)構(gòu)。工程材料工程材料 晶體和非晶體間的相互轉(zhuǎn)化晶體和非晶體間的相互轉(zhuǎn)化 在某些條件下在某些條件下可以相互轉(zhuǎn)化可以相互轉(zhuǎn)化。金屬液體在高速冷卻的條件下，可以得到非晶態(tài)金屬（金屬金屬液體在高速冷卻的條件下，可以得到非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）。玻璃）。玻璃經(jīng)過適當(dāng)處理可以形成晶態(tài)玻璃。玻璃經(jīng)過適當(dāng)處理可以形成晶態(tài)玻璃。 晶體和非晶體的兩大性能區(qū)別晶體和非晶體的兩大性能區(qū)別 晶體晶體非晶體非晶體熔點熔點固定熔點固定熔點熔化范圍熔化范圍方向性方向性各向異性各向異性各向同性各向同性晶體與非晶體晶體與非晶體工程材料工程材料硅表面原子排列硅表面原子排列 準(zhǔn)晶體準(zhǔn)晶體晶體與非晶體晶體與非晶體碳

5、表面原子排列碳表面原子排列 晶體晶體 非晶體非晶體 工程材料工程材料原子間的結(jié)合力與結(jié)合能原子間的結(jié)合力與結(jié)合能A工程材料工程材料晶體中結(jié)合鍵的類型晶體中結(jié)合鍵的類型化學(xué)鍵化學(xué)鍵物理鍵物理鍵工程材料工程材料 依靠正離子與構(gòu)成電依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜子氣的自由電子之間的靜電引力而使各原子結(jié)合到電引力而使各原子結(jié)合到一起的方式。一起的方式。金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體金屬鍵金屬鍵工程材料工程材料金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖金屬離子與金屬原子最外層的自由電子結(jié)合形成。金屬離子與金屬原子最外層的自由電子結(jié)合形成。金屬鈉的晶體結(jié)構(gòu)金屬鈉的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體工程材料

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；飽和性飽和性：形成特定數(shù)目的作用力；：形成特定數(shù)目的作用力；金屬晶體特點：金屬晶體特點：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，正導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，正的電阻溫度系數(shù)，熔點較高，有金屬光澤。的電阻溫度系數(shù)，熔點較高，有金屬光澤。絕大部分金屬均以絕大部分金屬均以金屬鍵金屬鍵結(jié)合。結(jié)合。金屬鍵與金屬晶體金屬鍵與金屬晶體金屬鍵金屬鍵無所謂飽和性和方向性無所謂飽和性和方向性。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning工程材料工程材料原子結(jié)合：原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大電子共用，結(jié)合

7、力大；共價晶體：共價晶體：強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、強度高、硬度高（金剛石）、熔點高、 脆性大、導(dǎo)電性差。如陶瓷材料。脆性大、導(dǎo)電性差。如陶瓷材料。共價鍵與原子晶體共價鍵與原子晶體共價鍵共價鍵有飽和性和方向性有飽和性和方向性。 工程材料工程材料原子間共用電子對形成。原子間共用電子對形成。共價鍵示意圖共價鍵示意圖金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)共價鍵與原子晶體共價鍵與原子晶體工程材料工程材料原子結(jié)合：原子結(jié)合：電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大；電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大；離子晶體：離子晶體：硬度高，脆性大，熔點高、熱脹系數(shù)小、導(dǎo)硬度高，脆性大，熔點高、熱脹系數(shù)小、導(dǎo)電性差。電性差。 如如NaCl。離子鍵與離子晶體離子鍵與

8、離子晶體離子鍵離子鍵無飽和性和方向性無飽和性和方向性。 氯化鈉結(jié)構(gòu)氯化鈉結(jié)構(gòu)正負(fù)電荷相互吸引形成。正負(fù)電荷相互吸引形成。工程材料工程材料在離子鍵結(jié)合中，由于離子的外層電子比較牢固在離子鍵結(jié)合中，由于離子的外層電子比較牢固地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因而不吸收可見光，所以典型的離子晶體是而不吸收可見光，所以典型的離子晶體是無色透明無色透明的。的。 NaCl晶體晶體離子鍵與離子晶體離子鍵與離子晶體工程材料工程材料分子鍵分子鍵：分子偶極結(jié)合力分子偶極結(jié)合力（范德瓦爾力）（范德瓦爾力）分子晶體分子晶體：外層電子穩(wěn)定的原子或分子之間通過偶極：

9、外層電子穩(wěn)定的原子或分子之間通過偶極之間的庫倫相互作用結(jié)合在一起的晶體。之間的庫倫相互作用結(jié)合在一起的晶體。特點：彈性模量、強度、硬度、熔點均很低。特點：彈性模量、強度、硬度、熔點均很低。石墨石墨CH4分子晶體分子晶體分子鍵和分子晶體分子鍵和分子晶體He原子原子工程材料工程材料各種結(jié)合鍵比較各種結(jié)合鍵比較結(jié)合鍵結(jié)合鍵類型類型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點特點熱力學(xué)性能熱力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能電學(xué)性電學(xué)性能能結(jié)合能結(jié)合能（KJ/mol）金屬鍵金屬鍵無方無方向性向性熔點范圍，導(dǎo)熱性好，熔點范圍，導(dǎo)熱性好，結(jié)晶溫度范圍寬結(jié)晶溫度范圍寬硬度、強度硬度、強度范圍，塑性范圍，塑性導(dǎo)電性導(dǎo)電性能好能好113-660共價鍵共

10、價鍵有方有方向性向性熔點高、熔點高、熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)小強度高、強度高、硬度大硬度大絕緣體絕緣體150-712離子鍵離子鍵無方無方向性向性熔點高、熔點高、熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)小強度高、硬強度高、硬度大、劈裂度大、劈裂性好性好絕緣體，絕緣體，溶體為溶體為導(dǎo)體導(dǎo)體586-1047分子鍵分子鍵有方有方向性向性熔點低、熔點低、熱膨脹系數(shù)大熱膨脹系數(shù)大強度、強度、硬度低硬度低絕緣體絕緣體2.11%)鋼鋼(C%2.11%)普通灰鑄鐵普通灰鑄鐵白口鑄鐵白口鑄鐵可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵特殊性能鑄鐵特殊性能鑄鐵碳素鋼碳素鋼合金鋼合金鋼輕金屬輕金屬(密度小于密度小于3.5g/cm3，鋁，鋁(Al)、

11、鎂、鎂(Mg)、鈉、鈉(Na)、鈣、鈣(Ga) 重金屬重金屬(密度大于密度大于3.5g/cm3，銅，銅(Cu)、鎳、鎳(Ni)、錫、錫(Sn)、鉛、鉛(Pb)、鋅、鋅(Zn)貴金屬貴金屬(金金(Au)、銀、銀(Ag)、鉑、鉑(Pt)稀有金屬稀有金屬(鎢鎢(W)、鈦、鈦(Ti)、鋰、鋰(Li)、鈹鈹(Be)、鉭、鉭(Ta)稀土金屬稀土金屬(鈧鈧(Sc)、釔、釔(Y)、鑭、鑭(La)放射性金屬放射性金屬(鐳鐳(Ra)、鈾、鈾(U)、釷、釷(Tb)金屬材料金屬材料工程材料工程材料金屬材料金屬材料主主要要特特點點性能好性能好能獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，特能獲得優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，特殊的物理、化學(xué)性能及滿

12、意的工藝性能。殊的物理、化學(xué)性能及滿意的工藝性能。應(yīng)用廣應(yīng)用廣以機械行業(yè)為例，工程材料的應(yīng)以機械行業(yè)為例，工程材料的應(yīng)用中金屬材料占用中金屬材料占90%以上，其中鋼鐵材料又占以上，其中鋼鐵材料又占金屬材料的金屬材料的95%以上。以上。繼續(xù)發(fā)展繼續(xù)發(fā)展已有已有5000年的使用歷史，有較年的使用歷史，有較完整系統(tǒng)的理論及實踐生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)前的方向完整系統(tǒng)的理論及實踐生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)前的方向是高性能化、多功能化、復(fù)合化、智能化。是高性能化、多功能化、復(fù)合化、智能化。工程材料工程材料 高分子材料為有機合成材料，亦稱高分子材料為有機合成材料，亦稱聚合物聚合物。它具有較。它具有較高的高的強度強度，良好的，良好的

13、塑性塑性，較強的，較強的耐腐蝕耐腐蝕性性能，很好的能，很好的絕緣絕緣性性，以及重量，以及重量輕輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。新型結(jié)構(gòu)材料。 工程上通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類：工程上通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為三大類：塑料、合成纖維、橡膠塑料、合成纖維、橡膠。 異戊二烯的高聚物異戊二烯的高聚物碳纖維碳纖維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熱塑性塑料熱塑性塑料熱固性塑料熱固性塑料彈性材料彈性材料縮聚物：尼龍（聚酰胺）、聚酯等縮聚物：尼龍

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、氯化聚醚縮聚物：酚醛樹脂、硅酮樹脂等縮聚物：酚醛樹脂、硅酮樹脂等共聚物：環(huán)氧樹脂、交聯(lián)聚氨酯等共聚物：環(huán)氧樹脂、交聯(lián)聚氨酯等天然橡膠：聚異戊二烯天然橡膠：聚異戊二烯人工合成橡膠：苯乙烯人工合成橡膠：苯乙烯-丁二烯橡膠、異丁橡膠等丁二烯橡膠、異丁橡膠等工程材料工程材料陶瓷陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素(通常為通常為氧氧)的化合物。的化合物。優(yōu)點優(yōu)點 ：陶瓷陶瓷具有具有高熔點高熔點、高硬度高硬度、高耐磨性高耐磨性、耐氧化；耐氧化；缺點缺

15、點：脆性很大脆性很大；壓電陶瓷壓電陶瓷壓敏陶瓷壓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燒成燒成性能性能加工加工用途用途傳統(tǒng)傳統(tǒng)陶瓷陶瓷天然礦物天然礦物注漿、可注漿、可塑成型塑成型1350以以下下外觀效外觀效果為主果為主一般不需要一般不需要加工加工炊具、餐具、炊具、餐具、陳設(shè)品陳設(shè)品特種特種陶瓷陶瓷人工精致人工精致合成原料合成原料壓制、注壓制、注射、扎膜射、扎膜1600左左右右耐磨、耐磨、耐腐蝕耐腐蝕切割、打孔、切割、打孔、研磨、拋光研磨、拋光宇航、能源、宇航、能源、冶金、家電冶金、家電特種陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別特種陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別陶瓷材料陶瓷材料工程材料工程材料由兩種

16、或兩種以上不同材料的組合而成，其性能優(yōu)于由兩種或兩種以上不同材料的組合而成，其性能優(yōu)于其組成材料。其組成材料。 鈦基復(fù)合材料鈦基復(fù)合材料 A350復(fù)合材料機翼蒙皮復(fù)合材料機翼蒙皮復(fù)合材料復(fù)合材料工程材料工程材料層疊復(fù)合材料層疊復(fù)合材料 鎢鈷類硬質(zhì)合金刀鎢鈷類硬質(zhì)合金刀復(fù)合材料復(fù)合材料工程材料工程材料v使用性能：使用性能：材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性材料在使用條件下所表現(xiàn)出來的性能，包括能，包括力學(xué)力學(xué)、物理物理和和化學(xué)化學(xué)性能。性能。v工藝性能：工藝性能：制造工藝過程中，材料適應(yīng)加工的制造工藝過程中，材料適應(yīng)加工的能力以及熱處理性能。能力以及熱處理性能。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變形行為的指標(biāo)是描述材料變形行為的指標(biāo)是應(yīng)力應(yīng)力和和應(yīng)變應(yīng)變。單位面積上的單位面積上的作用力作用力單位長度的單位長度的變形變形力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能力學(xué)性能材料受力后就會產(chǎn)生變形，材料力學(xué)性能是指材料受力后就會產(chǎn)生變形，材料力學(xué)性能是指材料在材料在受力受力時的行為。時的行為。工程材料工程材料力學(xué)性能力學(xué)性能0AFF所加載荷（所加載荷（N）；）；A0試樣的原始截面積（試樣的原始截面積（mm2）；）；MPa應(yīng)力應(yīng)力100100%lll l0試樣的原始標(biāo)距長度；試樣的原始標(biāo)距長度； l1試樣受力變形后的標(biāo)距長度。試樣受力變形后的標(biāo)距長度。應(yīng)變應(yīng)變工程材料工程材料力學(xué)性

18、能力學(xué)性能工程材料工程材料拉伸實驗拉伸實驗在拉伸試驗機上，使試樣承受在拉伸試驗機上，使試樣承受軸向拉力軸向拉力P P并使試樣緩慢拉伸，直至并使試樣緩慢拉伸，直至試樣斷裂。試樣斷裂。力學(xué)性能力學(xué)性能工程材料工程材料圖圖1 1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣圖圖2 2 拉伸試樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象拉伸試樣出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象圖圖3 3 拉伸式樣斷裂拉伸式樣斷裂圖圖4 4 斷口低倍放大像斷口低倍放大像圖圖5 5 斷口高倍放大像斷口高倍放大像力學(xué)性能力學(xué)性能拉伸實驗拉伸實驗工程材料工程材料屈服屈服強度強度b彈性彈性變形變形斷裂斷裂階段階段屈服屈服階段階段 （F）( L)Oaefc強化階段強化階段抗拉抗拉強度強度彈性彈性極限

19、極限bse0.2p比例比例極限極限應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線鑄鑄鐵鐵拉拉伸伸試試驗驗工程材料工程材料e eeO低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線oe：彈性變形階段：彈性變形階段 試樣的應(yīng)力與應(yīng)變試樣的應(yīng)力與應(yīng)變成正比。成正比。 卸去載荷，試樣伸卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復(fù)長量消失，試樣恢復(fù)原狀。原狀。 e：彈性極限彈性極限應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程材料工程材料彈性模量彈性模量E 單位單位GPa(N/mm2)剛度：剛度：指金屬材料受外力作用時，抵抗指金屬材料受外力作用時，抵抗彈性變形彈性變形的能力。的能力。彈性模量彈性模量：在在彈性范圍彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值比

20、值，用，用E表示。表示。EE是材料是固有屬性，大小與材料的化學(xué)成分及溫度有關(guān)。是材料是固有屬性，大小與材料的化學(xué)成分及溫度有關(guān)。E越大，表示在一定的應(yīng)力作用下彈性變形越小，即剛度越大。越大，表示在一定的應(yīng)力作用下彈性變形越小，即剛度越大。應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線剛性指標(biāo)剛性指標(biāo)工程材料工程材料應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線相同材料的零件，截面面積大、長度短的不易發(fā)生彈性變形。相同材料的零件，截面面積大、長度短的不易發(fā)生彈性變形。E=100()FAlll010FllllEA 工程材料工程材料seeOs低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線es：塑性變形階段：塑性變形階段 （屈服階段）（屈服階段）

21、應(yīng)力與應(yīng)變間不再成正比，應(yīng)力與應(yīng)變間不再成正比，出現(xiàn)出現(xiàn)屈服齒屈服齒。 卸去載荷，試樣的變形只卸去載荷，試樣的變形只能部分恢復(fù)，保留一部分能部分恢復(fù)，保留一部分殘殘余變形余變形。 應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 當(dāng)應(yīng)力達到一定值時，當(dāng)應(yīng)力達到一定值時，應(yīng)力雖不增加應(yīng)力雖不增加( (或者在小范或者在小范圍內(nèi)波動圍內(nèi)波動) )，而變形卻急劇，而變形卻急劇增長的現(xiàn)象，稱為增長的現(xiàn)象，稱為屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象。工程材料工程材料seeOs低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線es：塑性變形階段：塑性變形階段 （屈服階段）（屈服階段）s：屈服強度（屈服點）屈服強度（屈服點） 對于無明顯屈服的對于無明顯屈服的塑性

22、材料，規(guī)定以產(chǎn)塑性材料，規(guī)定以產(chǎn)生生0.2%殘余變形的應(yīng)殘余變形的應(yīng)力值為其力值為其屈服極限屈服極限。0.2：名義屈服強度名義屈服強度應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程材料工程材料bsOsb低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線sb：強化階段：強化階段b：抗拉強度抗拉強度表示材料對最大表示材料對最大均勻塑性變形的抗力。均勻塑性變形的抗力。試樣發(fā)生明顯試樣發(fā)生明顯而均勻的塑性變形。而均勻的塑性變形。應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程材料工程材料屈服強度屈服強度s ；抗拉強度；抗拉強度b ；單位：單位：MPa(N/mm2)強度強度：指金屬材料在外力作用時，抵抗：指金屬材料在外力作用時，抵抗塑性變形塑性變形

23、和和斷裂斷裂的能力。的能力。屈服強度屈服強度s：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時的屈服極限屈服極限。表征材料。表征材料抵抗抵抗微量塑性變形微量塑性變形的能力。的能力。抗拉強度抗拉強度b：金屬材料拉斷前所能承受的：金屬材料拉斷前所能承受的最大應(yīng)力最大應(yīng)力。00ssbbFAFA 脆性材料拉伸曲線上沒有水平線段，難確脆性材料拉伸曲線上沒有水平線段，難確定屈服點定屈服點S，規(guī)定試樣產(chǎn)生，規(guī)定試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形殘余塑性變形時的應(yīng)力值時的應(yīng)力值,稱為該材料的稱為該材料的條件屈服強度。條件屈服強度。bs/屈強比屈強比，其值一般，其值一般0.65-0.75。屈強比。屈強比越小越小，工

24、程構(gòu)件的，工程構(gòu)件的可靠性可靠性越高越高。屈強比。屈強比越大，越大，材料強度材料強度利用率越高利用率越高，但可靠性降低。，但可靠性降低。 強度與合金化、熱處理、冷熱加工有關(guān)。強度與合金化、熱處理、冷熱加工有關(guān)。強性指標(biāo)強性指標(biāo)應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程材料工程材料bz：縮頸階段：縮頸階段(斷裂階段斷裂階段)z：條件斷裂強度條件斷裂強度 表示材料對塑性的表示材料對塑性的極限抗力。極限抗力。 試樣開始發(fā)生不均試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形并形成勻塑性變形并形成縮頸縮頸，應(yīng)力下降，最后斷裂。應(yīng)力下降，最后斷裂。低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線bOzbz應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程材料工程材料

25、伸長率伸長率 、斷面收縮率、斷面收縮率 %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的材料稱為的材料稱為塑性材料塑性材料，如鋼材、銅、鋁等；，如鋼材、銅、鋁等；把把5的材料稱為的材料稱為脆性材料脆性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等。，如鑄鐵、混凝土、石料等。應(yīng)用中：應(yīng)用中：10試樣試樣 L0=10d0 5 試樣試樣 L0=5d0 金屬材料因具有一定的塑性才能進行各種金屬材料因具有一定的塑性才能進行各種變形加工變形加工，并且，并且零件在使用中零件在使用中偶然過載偶然過載，將產(chǎn)生一定塑性變形，而不致突然斷，將產(chǎn)生一定塑性變形，而不致突

26、然斷裂，從而提高了零件使用的可靠性。裂，從而提高了零件使用的可靠性。塑性指標(biāo)塑性指標(biāo)應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程材料工程材料oe： 彈性變形階段彈性變形階段es： 屈服階段屈服階段sb：強化階段：強化階段bz：縮頸階段：縮頸階段z： 斷裂斷裂bseeOszb低碳鋼應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線工程材料工程材料46%13%41%1000MPA420MPA220MPA 0.2汽車車身各部位用鋼量及其強度汽車車身各部位用鋼量及其強度（ ）工程材料工程材料硬度硬度：材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力。：材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力。 即即受壓受壓時抵抗局部變形（特別是塑性變

27、形、壓時抵抗局部變形（特別是塑性變形、壓痕或劃痕）的能力。痕或劃痕）的能力。 洛氏硬度洛氏硬度 HR維氏硬度維氏硬度 HV布氏硬度布氏硬度 HB 常用硬度指標(biāo)常用硬度指標(biāo)硬度硬度工程材料工程材料 一定直徑一定直徑D的球體的球體(淬火鋼球或硬質(zhì)合金球淬火鋼球或硬質(zhì)合金球)在一定載荷在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其作用下壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，測量其壓壓痕直徑痕直徑，根據(jù)壓痕面積，確定硬度大小。，根據(jù)壓痕面積，確定硬度大小。布氏硬度布氏硬度HB布氏硬度實驗示意圖布氏硬度實驗示意圖工程材料工程材料布氏硬度試驗原理圖布氏硬度試驗原理圖 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）球直徑）球直徑/試驗力試驗力/試驗力保持時間；試驗力保持時間；“120HBS10/1000/30”表示用直徑表示用直徑10mm鋼球在鋼球在1000kgf（9.8kN）試驗力下）試驗力下保持保持30s測得布氏硬度值為測得布氏硬度值為120。布氏硬度布氏硬度HB注意注意：當(dāng)用淬火鋼球壓頭時，當(dāng)用淬火鋼球壓頭時，450，HBS。當(dāng)用硬質(zhì)合金球時，當(dāng)用硬質(zhì)合金球時，450650，HBW。工程材料工程材料特點特點：一般來說，布氏硬度值：一般來說，布氏硬度值越小越小，材料，材料越軟越軟，其，其壓壓痕直徑越大

29、痕直徑越大；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，其壓痕直徑越小。壓痕直徑越小。優(yōu)點優(yōu)點：具有：具有較高較高的測量的測量精度精度，壓痕面積大，能在較大，壓痕面積大，能在較大范圍內(nèi)反映材料的范圍內(nèi)反映材料的平均硬度平均硬度，測得的硬度值也較準(zhǔn)確，測得的硬度值也較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)重復(fù)性強重復(fù)性強。 應(yīng)用應(yīng)用：布氏硬度使材料表面壓痕大，：布氏硬度使材料表面壓痕大，不宜測成品或薄不宜測成品或薄片的硬度片的硬度，常測鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等坯，常測鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等坯料硬度。料硬度。布氏硬度布氏硬度HB工程材料工程材料將金剛石壓頭將金剛石壓頭(或鋼球壓頭或鋼

30、球壓頭), 在先后施加兩個載荷在先后施加兩個載荷(預(yù)預(yù)載荷載荷F0和總載荷和總載荷F )的作用下壓入金屬表面。的作用下壓入金屬表面?？傒d荷總載荷F 為預(yù)載荷為預(yù)載荷F0和主載荷和主載荷F1之和。之和。卸去主載荷卸去主載荷F1后后, 測量其殘余壓入深度測量其殘余壓入深度h，用用h與與h0之之差差h，來計算硬度值大小。來計算硬度值大小。洛氏硬度洛氏硬度HR洛氏硬度測量原理圖洛氏硬度測量原理圖 工程材料工程材料洛氏硬度壓痕洛氏硬度洛氏硬度HR工程材料工程材料根據(jù)試驗材料硬度的不同，分根據(jù)試驗材料硬度的不同，分3種不同的標(biāo)度來表示：種不同的標(biāo)度來表示：v HRA：采用：采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求

31、得硬度；載荷和鉆石錐壓入器求得硬度； 用于硬度極高的材料用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等如硬質(zhì)合金等)。v HRB：采用：采用100kg載荷和直徑載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球求得硬度；淬硬的鋼球求得硬度； 用于硬度較低的材料用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等如退火鋼、鑄鐵等)。v HRC：采用：采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得硬度；載荷和鉆石錐壓入器求得硬度； 用于硬度很高的材料用于硬度很高的材料(如淬火鋼等如淬火鋼等)。優(yōu)點：操作方便、迅速，壓痕截面小，可測成品件；優(yōu)點：操作方便、迅速，壓痕截面小，可測成品件；缺點：因壓痕小，測試準(zhǔn)確度低，重復(fù)性差。缺點：因壓痕小，測試準(zhǔn)確度低，重

32、復(fù)性差。洛氏硬度洛氏硬度HR工程材料工程材料維氏硬度實驗示意圖維氏硬度實驗示意圖維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕維氏硬度維氏硬度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試驗力試驗力/試驗力保持時間；試驗力保持時間；“640HV30/20”表示在表示在30kgf（294.3N）試驗力下保持）試驗力下保持20s測得維氏硬度測得維氏硬度值為值為640。F維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度維氏硬度HV工程材料工程材料優(yōu)點優(yōu)點：1. 壓痕是壓痕是正方形正方形，輪廓清晰，對角線測量準(zhǔn)確，輪廓清晰，對角線測量準(zhǔn)確，

33、精度精度最高最高的，同時的，同時重復(fù)性也很好重復(fù)性也很好，這一點比布氏硬度計優(yōu)越。，這一點比布氏硬度計優(yōu)越。 2. 測量測量范圍寬廣范圍寬廣，可以測量目前工業(yè)上所用到的幾乎，可以測量目前工業(yè)上所用到的幾乎全部金屬材料。全部金屬材料。 3. 維氏硬度計試驗的試驗力可以小到維氏硬度計試驗的試驗力可以小到10gF，壓痕非常，壓痕非常小，特別適合小，特別適合測試薄小材料測試薄小材料。 缺點缺點：試驗：試驗效率低效率低，要求較高的試驗技術(shù)，對于試樣表面的，要求較高的試驗技術(shù)，對于試樣表面的光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作光潔度要求較高，通常需要制作專門的試樣，操作麻煩費時麻煩費時，通常只在實

34、驗室中使用。通常只在實驗室中使用。 （洛氏硬度計操作方便簡單，非專（洛氏硬度計操作方便簡單，非專業(yè)人員也可使用，一般工廠使用洛氏硬度計）業(yè)人員也可使用，一般工廠使用洛氏硬度計）維氏硬度維氏硬度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肖氏硬度系數(shù)；肖氏硬度系數(shù)； h初始高度，初始高度，mm； h0回彈高度，回彈高度，mm。硬度等級硬度等級：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、長、長 石；石；7、石英；、石英；8、黃石；、黃石；9、藍寶石或剛玉；、藍寶石或剛玉；10、金剛石。、金剛石。優(yōu)點優(yōu)

35、點：試驗沖擊力小，產(chǎn)生壓痕小，對試樣破壞?。唬涸囼灈_擊力小，產(chǎn)生壓痕小，對試樣破壞小；質(zhì)輕，攜帶方便，適于在現(xiàn)場對試件進行測量。質(zhì)輕，攜帶方便，適于在現(xiàn)場對試件進行測量。注意：莫氏硬度值為相對值，比較粗略。其它硬度其它硬度莫氏硬度莫氏硬度：劃痕硬度：劃痕硬度工程材料工程材料 許多機械零件在動載下工作，動載主要兩種形許多機械零件在動載下工作，動載主要兩種形式式:1):1)載荷以較載荷以較高速度施加到零件高速度施加到零件上上, ,形成形成沖擊沖擊，如，如沖頭；沖頭；2)2)載荷大小和方向呈周期性變化，形成載荷大小和方向呈周期性變化，形成交變交變載荷載荷，如齒輪。，如齒輪。沖擊韌性沖擊韌性是指金屬材

36、料在是指金屬材料在沖擊載荷沖擊載荷作用下，作用下，抵抗變形抵抗變形和斷裂和斷裂的能力。用的能力。用沖擊韌度沖擊韌度a ak k或或沖擊吸收功沖擊吸收功Ak表示。表示。沖擊韌性沖擊韌性沖擊韌度沖擊韌度ak用沖擊力下材料破壞時單位面積所吸收的能量來表示。用沖擊力下材料破壞時單位面積所吸收的能量來表示。ak=Ak/S工程材料工程材料沖擊實驗沖擊實驗 Ak=m(H1-H2)*9.8 (J)式中：式中：Ak沖擊吸收功；沖擊吸收功； m 實驗機擺錘質(zhì)量；實驗機擺錘質(zhì)量； H1擺錘原始高度；擺錘原始高度； H2沖斷試樣后擺錘的終止擺動高度；沖斷試樣后擺錘的終止擺動高度； S試樣斷口處的橫截面積。試樣斷口處的

37、橫截面積。沖擊韌性的大小與材料成分、環(huán)境溫度、沖擊韌性的大小與材料成分、環(huán)境溫度、缺口形狀、試樣大小等有關(guān)。缺口形狀、試樣大小等有關(guān)。沖擊韌性沖擊韌性工程材料工程材料）（2cmkkaJSA韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度T(c)-40-20020204060akTT，a ak k急劇急劇韌性韌性脆性脆性金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫金屬材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，材料的低溫沖度越低，材料的低溫沖擊韌性愈好。擊韌性愈好。 ak越大，沖擊韌性越大越大，沖擊韌性越大; ak越小，材料脆性越大；越小，材料脆性越大；沖擊韌性沖擊韌性 沖擊韌度沖擊韌度ak工程材料工程材料TITANIC的沉沒與船體材料的的沉沒與船體材料的質(zhì)量直

38、接有關(guān)質(zhì)量直接有關(guān)Titanic近代船用鋼板沖擊實驗結(jié)果對比沖擊實驗結(jié)果對比建造中的Titanic工程材料工程材料低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷：有些零件在工作應(yīng)力：有些零件在工作應(yīng)力遠遠低于屈服點遠遠低于屈服點時時就會發(fā)生脆性斷裂。就會發(fā)生脆性斷裂。韌性脆斷的評定韌性脆斷的評定：應(yīng)力場強度因子應(yīng)力場強度因子aYKI式中：式中： KI應(yīng)力場強度因子，應(yīng)力場強度因子，MPam1/2 外加應(yīng)力；外加應(yīng)力； Y-裂紋的幾何形狀因子，裂紋的幾何形狀因子，Y=1-2； a-裂紋長度的一半（裂紋長度的一半（mm）；）； 2a 具有張開型裂紋的試樣具有張開型裂紋的試樣K1C為為斷裂韌度斷裂韌度；當(dāng)；當(dāng)K1達到臨界值達

39、到臨界值K1C時，零時，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而斷裂，而K1K1C時，零件安全可靠。時，零件安全可靠。斷裂韌性斷裂韌性工程材料工程材料大型構(gòu)件不可避免存在各種缺陷，在缺陷前端有不大型構(gòu)件不可避免存在各種缺陷，在缺陷前端有不同的應(yīng)力作用，都存在應(yīng)力集中，引起裂紋擴展。同的應(yīng)力作用，都存在應(yīng)力集中，引起裂紋擴展。危險危險張開型張開型最容易引起脆性斷裂最容易引起脆性斷裂斷裂韌性斷裂韌性工程材料工程材料n疲勞：疲勞：零件在交變載荷作用下，即使零件在交變載荷作用下，即使工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或工作時承受的應(yīng)力低于材料的屈服點或規(guī)定殘

40、余伸長應(yīng)力，在較長工作時間后規(guī)定殘余伸長應(yīng)力，在較長工作時間后也會發(fā)生突然失效（斷裂）的現(xiàn)象。也會發(fā)生突然失效（斷裂）的現(xiàn)象。n疲勞極限疲勞極限-1:表示材料在無數(shù)次交變載表示材料在無數(shù)次交變載荷作用而不破壞的最大應(yīng)力。荷作用而不破壞的最大應(yīng)力。循環(huán)次數(shù)（循環(huán)次數(shù)（N）應(yīng)應(yīng)力力 N-1有限壽命有限壽命無限壽命無限壽命鋼材的循環(huán)次數(shù)鋼材的循環(huán)次數(shù) N = 107非鐵金屬的循環(huán)次數(shù)非鐵金屬的循環(huán)次數(shù) N = 108疲勞強度疲勞強度工程材料工程材料疲勞源疲勞源瞬斷區(qū)瞬斷區(qū)擴展區(qū)擴展區(qū)夾雜物放射棱線和疲勞弧線夾雜物放射棱線和疲勞弧線航空渦噴航空渦噴6發(fā)動機葉片疲勞斷口發(fā)動機葉片疲勞斷口（殲擊機）（殲擊

41、機）葉片疲勞條帶葉片疲勞條帶疲勞過程：疲勞過程：u裂紋產(chǎn)生；裂紋產(chǎn)生；u裂紋擴延；裂紋擴延；u瞬時斷裂。瞬時斷裂。疲勞源疲勞源斷裂區(qū)斷裂區(qū)疲勞強度疲勞強度工程材料工程材料提高疲勞極限的措施：提高疲勞極限的措施： 合理設(shè)計構(gòu)件的外形；合理設(shè)計構(gòu)件的外形； 提高構(gòu)件的表面加工質(zhì)量；提高構(gòu)件的表面加工質(zhì)量；1. 提高構(gòu)件表面強度；提高構(gòu)件表面強度；疲勞強度疲勞強度工程材料工程材料磨損磨損：構(gòu)件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸有：構(gòu)件表面相接觸并作相對運動時，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失、微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的過程。造成表面損傷的過程。

42、耐磨性耐磨性：材料對磨損的抵抗能力。：材料對磨損的抵抗能力。主要分類：主要分類：磨粒磨損磨粒磨損；咬合磨損咬合磨損；疲勞磨損疲勞磨損；腐蝕磨損腐蝕磨損耐磨性主要受耐磨性主要受成分成分、硬度硬度、摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)和和彈性模量彈性模量影響；影響；一般材料的硬度越大，則耐磨性越好。一般材料的硬度越大，則耐磨性越好。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、表面強化表面強化、降低摩擦系數(shù)降低摩擦系數(shù)工程材料工程材料密度密度熔點熔點熱容熱容熱膨脹性熱膨脹性導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性磁性磁性導(dǎo)電性導(dǎo)電性介電常數(shù)介電常數(shù)光學(xué)性能光學(xué)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 ：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 ：對固體或者液體傳熱能力的衡量。對固體或者液體傳熱能力的衡量。 金屬中銀導(dǎo)熱性最好金屬中銀導(dǎo)熱性最好, 銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性銅、鋁次之。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差。導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好。比純金屬差。導(dǎo)熱性好的金屬散熱也好。 熔點熔點 ：材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度。 純金屬都有固定的熔點。純金屬都有固定的熔點。 熱容熱容 ：材料在某一過程中，每升高（或降低）單位材料在某一過程中，每升高（或降低）單位溫度時從外界吸收（或放出）的熱量。溫度時從外界吸收（或放出）的熱量。 (符號：符號：C；單位：；單位：J/K

44、)物理性能物理性能工程材料工程材料 熱膨脹熱膨脹性性 ：材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性。材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性。 線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)：每變化每變化1時，引起材料時，引起材料長度的變化和它在長度的變化和它在 0時的長度之比。時的長度之比。 體膨脹體膨脹系數(shù)：系數(shù)：每變化每變化時，材料體積的變化時，材料體積的變化和它和它0時體時體 積積的比值。的比值。注意注意：各個參數(shù)的量綱：各個參數(shù)的量綱lm；Vm3；tVVtllVL00物理性能物理性能工程材料工程材料 熱導(dǎo)系數(shù)熱導(dǎo)系數(shù)：物體上下物體上下表面溫度相差表面溫度相差1時，單位時間內(nèi)時，單位時間內(nèi)通過導(dǎo)體通過導(dǎo)體橫截面的熱量。符號：橫截面的熱量。符號： ，單位：，單位：W/（mK） 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 ：傳導(dǎo)電流的能力，用電導(dǎo)率（傳導(dǎo)電流的能力，用電導(dǎo)率（=1/）來衡量。來衡量。 金屬導(dǎo)電性以銀為