第1章 材料的种类与金属材料的性能 1．1 材料的种类 1．1．1 什么是材料 1．1．2 材料是如何分类的 1．2 金属材料的性能 第1章 材料的种类与金属材料的性能 1．1 材料的种类 1．1．1 什么是材料 1．1．2 材料是如何分类的 1．2 金属材料的性能 1．2．1 物理性能 1．2．2 化学性能 1．2．3 力学性能 1．2．4 工艺性能 目录

什么是材料？

手锤 锉刀 “神舟”四号飞船成功返回 国产涡喷-7涡轮喷气发动机 材料是人类生产和生活所必须的物质基础。

材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。 石器时代 青铜器时代 铁器时代 石器 铁器 象形尊(西周)

1.1 材料的种类 1.材料的分类方法 Way? 复合材料

1.1 材料的种类 2.材料的结合键 （1）金属键 （2）分子键

（3）共价键 （4）离子键 共价键

金属材料制品

传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。 陶瓷制品 陶瓷发动机

高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。 烯丙酰氯-苯乙烯

综上所述，根据结合键可将材料分为四类: 金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。高分子材料以分子键和共价键结合，耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。陶瓷材料以离子键、共价键结合，熔点高，硬度高，耐热，耐磨，脆性大，难以加工。复合材料可由多种结合键组成，强韧性好，比强度、比刚度高，抗疲劳性好。

1.2 金属材料的性能 1.2.1 物理性能 1.密度和熔点:(1)密度;(2)熔点 2.热学性能:(1)导热性;(2)比热容;(3)热膨胀系数 3.电学性能:(1)导电性;(2)介电常数与介电强度;(3)铁电性能;(4)超导电性 4.磁学性能:(1)磁导率;(2)矫顽力

1.2.3 力学性能 1.强度 (1)拉伸试样:拉伸试样的形状有圆形和矩形两类。在国家标准(GB/T 228—2002)《金属材料室温拉伸试验方法》中，对试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定。图1-5所示为圆形拉伸试样。 图1-5 圆形截面的拉伸试样

(2)力-伸长曲线:拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线叫做力伸长曲线。 图1-6是低碳钢的力伸长曲线，纵坐标表示 力 F，单位是N;横坐标表示伸长量Δl，单位是mm。由力伸长曲线可以看出，随着拉伸力的不断增加，试样经历了以下几个变形阶段: 图1-6 低碳钢的力-伸长曲线

在拉伸试验中具有屈服现象的金属材料称为塑性材料，而工程上使用的金属材料，大多数没有明显的屈服现象，这类金属材料称为脆性材料。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生缩颈。图1-7为铸铁的力伸长曲线。 图1-7 铸铁的力-伸长曲线

(3)强度指标:屈服点和抗拉强度。 ①屈服点:试样在拉伸过程中力不增加(保持恒定)仍能继续伸长(变形)时的应力称为屈服点，其计算公式为 σs=Fs/S0 （1-3） 式中 σs——屈服点，MPa; Fs——试样屈服时的载荷，N; S0——试样原始横截面面积，mm2。 对于无明显屈服现象的金属材料，按GB/T 228—2002规定可用规定残余伸长应力σ0.2表示。σ0.2表示试样卸除拉伸力后，其标距长度部分的残余伸长率达到0.2%时的应力，也称屈服强度。计算公式为 σ0.2=F0.2/S0 （1-4） 式中 σ0.2——规定残余伸长应力，MPa; F0.2——残余伸长率达到0.2%时的载荷，N;

(3)强度指标:屈服点和抗拉强度。 ②抗拉强度:试样拉断前承受的最大标称拉应力称为抗拉强度。其计算公式为 σb=Fb/S0 （1-5） 式中 σb——抗拉强度，MPa; Fb——试样承受的最大载荷，N; S0——试样原始横截面面积，mm2。 抗拉强度表示材料在拉伸载荷作用下的最大均匀变形的抗力。零件在工作中所承受的 应力，不允许超过抗拉强度，否则会产生断裂。抗拉强度σb和屈服点σs一样，也是机械零件设计和选材的主要依据。在工程上把σs/σb称为屈强比。屈强比高，则材料强度的有效利 用率高，但过高也不好，一般以0.75左右为宜。

2.塑性 断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。它们也是由拉伸试验测得的。 试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比称为断后伸长率，其计算公式为 δ=(l1- l0)/l0×100% （1-6） 式中 δ——试样断后伸长率，%; l0——试样原始标距长度，mm; l1——试样拉断后的标距长度，mm。 试样拉断后，缩颈处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比称为断面收 缩率，其计算公式为 ψ=(S0-S1)/S0×100% （1-7） 式中 ψ——断面收缩率，%; S0——试样原始横截面面积，mm2; S1——试样拉断后缩颈处的最小横截面面积，mm2。

适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。 3.硬度 抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。 布氏硬度计 (1)布氏硬度HB ( Brinell-hardness ) 适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。 ＜450HBS; 适用范围: ＜650HBW;

10HRC≈HBS (2)洛氏硬度 ( Rockwll hardness ) 定义：每0.002mm相当于洛氏1度。 h1-h0 洛氏硬度测试示意图 洛氏硬度计 (2)洛氏硬度 ( Rockwll hardness ) 定义：每0.002mm相当于洛氏1度。 洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种 ①HRB 轻金属，未淬火钢 ②HRC 较硬，淬硬钢制品 ③HRA 硬、薄试件 10HRC≈HBS

(3)维氏硬度 适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ; 维氏硬度的压力一般可选5，10，20，30，50，100，120kg等，小于10kg的压力可以测定显微组织硬度。 适用范围: 测量薄板类 ; HV≈HBS ;

冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功，其计算公式为 4.韧性 金属在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。 冲击试验: AK=GH1-GH2 =G(H1-H2) (1-10) 式中 AK——冲击吸收功， J ; GH1——摆锤初始势能; GH2——摆锤剩余势能; G——摆锤重量， N ; H1——摆锤初始高度， m ; H2——冲断试样后，摆锤回升高 度，m。 冲击韧度是指冲击试样缺口处单位横截面面积上的冲击吸收功，其计算公式为 ɑK= AK/ S0 (1-11) 式中 ɑK——冲击韧度， J/cm2; AK——冲击吸收功， J ; S0——试样缺口处横截面面积,cm2。 图1-10 冲击试验示意图

5.疲劳强度 疲劳现象： （80%的断裂由疲劳造成） 影响因素： 承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，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） 1943年美国T-2油轮发生断裂 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。

Titanic沉没原因 Titanic ——含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。 Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果

1.2.4 工艺性能 1.铸造性能 (1)流动性 (2)收缩性 (3)偏析 2.压力加工性能 3.焊接性能 4.切削加工性能 5.热处理性能

思考题 1-1 材料是如何分类的? 1-2 材料的使用性能与工艺性能有何区别? 1-3 举例说明高熔点的金属和低熔点的金属各有什 么用途? 1-1 材料是如何分类的? 1-2 材料的使用性能与工艺性能有何区别? 1-3 举例说明高熔点的金属和低熔点的金属各有什 么用途? 1-4 简述金属材料的化学性能。 目录