大學工程材料課件緒論+第一章材料的性能

工程材料

Engineeringmaterials材料科學與工程學院工程材料-重慶市級精品課程本課程教材：

劉天模，徐幸梓編，《工程材料》，北京：機械工業(yè)出版社，2001年重要提示一、關于課程

1、本課程是機械設計制造及其自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課；

2、本課程的先修課程是物理化學、材料力學；

3、本課程共40學時：理論教學34學時，實驗12學時（6次，折合6學時）。二、關于紀律

1、曠課3次及以上，取消考試資格；

2、缺實驗1次及以上，課程成績以0分計。三、關于成績評定

1、課程成績以百分計，由平時成績和考試成績組成；

2、平時成績40分（實驗報告15分，課堂成績25分<如出勤、作業(yè)、討論等>），占15%，理論考試60分。緒論課程的主題：材料（Materials)一、材料與材料學

1.材料的定義

2.材料的歷史

3.材料學的主要研究內容二、材料的分類三、《工程材料》的性質和任務緒論緒論材料：用以制造各種機器、器件、結構等具有某種特性的物質的實體。緒論—材料的定義材料：人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎。緒論—材料的定義材料：人類社會文明程度的標志。

石器時代緒論—材料的歷史

陶器時代緒論—材料的歷史青銅器時代、鐵器時代緒論—材料的歷史新材料的使用對人類社會經濟和科技的發(fā)展起著重要的推動作用：鋼鐵材料孕育了產業(yè)革命；半導體材料促進了現(xiàn)代信息技術的建立和發(fā)展；復合材料及新型超合金材料為空間技術的發(fā)展奠定了物質基礎；光導纖維的出現(xiàn)又為現(xiàn)代數(shù)字信息技術及網絡技術帶來了無限美好的前景。人類社會進步與發(fā)展中的每一個重大突破，都是因為有了先進的新材料而得以實現(xiàn)。緒論—材料的歷史使用表現(xiàn)性能/性質成分/結構制備/加工MSE的四個組成要素：MSE—MaterialsScienceandEngineering緒論—材料學的主要研究內容工程材料課程的主線：成分（Composition）組織、結構（Structure）性能（Performance）加工（Working）緒論—材料學的主要研究內容第一章第二章第三章第四章第五章第六章第七章第八章功能材料（Functionalmaterials）緒論—材料的分類材料按材料的性能特征和用途分類：結構材料：具有較高力學性能并主要用來制造機械產品結構件的材料。功能材料：具有特殊物理、化學等性能并主要用來制造具有特定功能的元、器件和產品的材料。結構材料（Structuralmaterials）金屬材料（MetallicMaterials）材料非金屬材料（NonmetallicMaterials）復合材料（CompoundMaterials）按材料的化學組成分類：緒論—材料的分類無機非金屬材料（陶瓷材料）有機高分子材料復合材料：由兩種或兩種以上的不同性質或不同組織結構的材料以微觀或宏觀的形式組合而成的材料。

金屬材料黑色金屬（FerrousMetal）有色金屬（NonferrousMetal）—鋼鐵、錳、鉻及其合金—鋁、銅、鎂、鈦等及其合金緒論—材料的分類金屬材料的結合鍵主要是金屬鍵。金屬材料是工程領域內應用最廣泛的工程材料。無機非金屬材料（陶瓷材料）

—陶瓷、玻璃、水泥等陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結合鍵主要是離子鍵和共價鍵。有機高分子材料—塑料、橡膠、涂料、纖維等高分子材料的結合鍵主要是共價鍵、氫鍵和分子鍵。三大類材料：緒論—課程的性質和任務課程的性質：

《工程材料》課程是機械類和近機類各專業(yè)的專業(yè)基礎課。課程的主要任務：根據(jù)零件的工作（服役）條件與性能要求，合理選擇材料，確定加工工藝及路線，保證材料性能潛力的充分發(fā)揮，獲得理想的使用性能，提高產品零件的質量，節(jié)省材料，降低成本。即：

服役條件—性能要求—選材—制定工藝路線—獲得使用性能

教學參考書：

[1]王煥庭，機械工程材料，大連理工大學出版社，1991年

[2]崔忠圻，金屬學與熱處理，機械工業(yè)出版社，1996年第一章材料的性能材料的性能力學性能（機械性能）物理性能化學性能工藝性能使用性能鑄造性能焊接性能可鍛性能切削加工性能第一章材料的性能第一章材料的性能第一節(jié)力學性能材料的力學性能是材料在受外力作用時表現(xiàn)出的性能。拉伸試樣拉伸試驗機A′ABCDEpesbE低碳鋼的

－

曲線p—比例極限e—彈性極限s—屈服強度b—抗拉強度

＝E

E—剛度第一章材料的性能O第一章材料的性能第一章材料的性能一、彈性和剛度

1.彈性（Elasticity）材料在外力作用下不產生永久變形的能力。彈性極限（Elasticlimit）

其中，F(xiàn)e為彈性極限載荷，N；A0為試樣原始橫截面積，mm2。

2.剛度（Stiffness）材料在外力作用下抵抗彈性變形的能力。根據(jù)Hooke’slaw：

＝E

其中，E為彈性模量，MPa，表征剛度。（MPa）（MPa）第一章材料的性能二、強度和硬度

1.強度（Strength）

材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強度（YieldStrength）材料抵抗塑性變形的能力。其中，F(xiàn)s為試樣屈服時的載荷，N。條件屈服強度沒有明顯塑性變形的塑性材料，以產生0.2%永久變形時的應力值作為其屈服強度，稱條件屈服強度。

其中，F(xiàn)0.2為試樣產生0.2%殘余塑性變形時的載荷，N。（MPa）（MPa）第一章材料的性能

抗拉強度（TensileStrength）：材料在拉伸力作用下抵抗被拉斷的能力，為材料斷裂前所能承受的最大應力。其中，F(xiàn)b為試樣斷裂前的最大載荷，N。其他強度指標：抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度。

2.硬度（Hardness）材料抵抗局部變形的能力，即抵抗其他硬物體壓入其表面的能力。

（MPa）結論：通常材料的強度越高，硬度也越高。

第一章材料的性能布氏硬度HB洛氏硬度HR維氏硬度HV肖氏硬度HS銼刀法硬度的測量方法：第一章材料的性能

布氏硬度HB（Brinell-hardness）

用一定載荷F，將直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積確定硬度值。F壓頭被測材料布氏硬度測試示意圖

布氏硬度計

第一章材料的性能

洛氏硬度HR（Rockwllhardness）

將錐度為120°的金剛石或鋼制標準壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料表面，根據(jù)壓痕深度確定硬度值。壓頭被測材料洛氏硬度測試方法

洛氏硬度計

第一章材料的性能

維氏硬度HV（DiamondPenetratorHardness

）

用一種頂角為136°的金鋼石角錐壓頭，在載荷F（kgf）作用下，材料表面壓出一個四方錐形壓痕，測量壓痕對角線長度d（mm），計算壓痕面積A（mm2），以F/A的數(shù)值表示硬度值。壓頭被測材料維氏硬度測試方法

維氏硬度計

壓痕第一章材料的性能

常用硬度測試方法的應用范圍：布氏硬度HB

通常測試較軟的材料。如退火、正火、調質鋼，鑄鐵，有色金屬等。洛氏硬度HR

通常測試較硬的材料。如淬火鋼、調質鋼等。布氏硬度和洛氏硬度的簡單換算：

1HRC≈10HBS維氏硬度HV

適于測試材料極薄層的硬度。如金屬鍍層、薄片金屬、滲碳或氮化件的表面硬度等。第一章材料的性能三、塑性和韌性

1.塑性（Plasticity）材料在外力作用下，產生永久殘余變形而不斷裂的能力。斷面收縮率（PercentageReductioninArea）

其中，A1和A0分別為試樣拉斷處和試樣原始的橫截面積，mm2。伸長率（延伸率）（SpecificElongation）

其中，L1和L0分別為試樣拉斷后和試樣原始的標距長度，mm。第一章材料的性能

2.韌性（Toughness）材料斷裂時所需能量的度量。沖擊韌性（NotchToughness）材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。試樣沖斷時所消耗的沖擊功Ak:

Ak=mg·h1–mg·h2

（J）沖擊韌性值ak

是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功，用以表示材料沖擊韌性的大?。和ǔ２牧系乃苄栽胶?，韌性也越好。（J/cm2）第一章材料的性能沖擊試驗機沖擊試樣和沖擊試驗示意圖第一章材料的性能

材料的強度、硬度與塑性、韌性的關系：通常，材料的強度越高，則硬度越大。通常，材料的塑性越好，則韌性越好。通常，材料的強度和硬度越高，則塑性和韌性越低。第一章材料的性能四、疲勞強度

疲勞（Fatigue）材料在交變載荷作用下，在低于其屈服強度的應力下即發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞強度（FatigueStrength）材料在規(guī)定次數(shù)的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應力，用-1

表示。疲勞強度又稱疲勞極限。規(guī)定次數(shù)：鋼鐵材料：107有色金屬及其合金：108。鋼鐵材料的-1值約為其b的1/2，非金屬材料的-1

一般遠低于金屬。材料的疲勞損壞在工程領域中是較普遍的一種失效形式。因此，提高材料及其制品的疲勞壽命非常重要。

第一章材料的性能第二節(jié)物理和化學性能一、物理性能

1.密度（Density）材料單位體積的質量。與密度有關的重要指標：比強度抗拉強度與密度的比值，b/。飛機、宇宙飛船上使用的結構材料要求有高的比強度。

Ti、Al及其合金具有高的比強度。比彈性模量彈性模量與密度的比值，E/。第一章材料的性能

2.熔點（MeltingPoint）材料的熔化溫度。晶體材料具有固定的熔點，而非晶體則沒有固定的熔點。

3.熱容（HeatCapacity）材料在沒有體積變化時，溫度變化1℃時熱量的變化。材料從一種狀態(tài)轉變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，是因為其內部的原子或分子結構發(fā)生了變化，這使材料的熱容也發(fā)生變化。如材料在熔化或氣化時，需要外界輸入熱量，表現(xiàn)為材料的熱容發(fā)生了變化。

4.熱膨脹性（Expansibility）線膨脹系數(shù)

材料每變化1℃時引起的長度相對膨脹量的大小。一般來說，陶瓷的線膨脹系數(shù)最小，金屬次之，高分子材料最大。第一章材料的性能5.導熱性（HeatConductivity）材料傳導熱量的性能。通常，金屬及合金的導熱性遠高于非金屬材料。

6.導電性（ElectricConductivity）材料傳導電荷的性能，用電導率或電阻率表示。金屬及其合金一般具有良好的導電性，陶瓷材料和高分子材料一般是絕緣體。

7.磁性（Magnetism）材料在磁場中導磁的性能。物質的磁性主要有抗磁性、順磁性、鐵磁性等。

8.介電常數(shù)（DielectricConstant）材料在電場中被極化的性能。第一章材料的性能二、化學性能

1.耐腐蝕性（CorrosionResistance）材料抵抗介質侵蝕的能力。陶瓷材料和高分