分類及力學性能

工程材料的分類及力學性能材料的分類按化學組成：金屬材料、無機材料、有機（高分子）材料按狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)（單晶、多晶、非晶、復合）按所起的作用：結(jié)構(gòu)材料（使用其機械性能，如機械制造、工程建筑、交通運輸、能源利用等）和功能材料（使用其物理化學特性，如電子、紅外、激光、能源、通訊等）按使用領(lǐng)域：電子材料、耐火材料、耐蝕材料、耐磨材料、醫(yī)用材料、建筑材料等

為了便于闡明材料的成分-（工藝）-組織結(jié)構(gòu)-性能-用途之間的邏輯關(guān)系，按以下方式分類：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料

按上述分類的材料的概況金屬材料：（metallicmaterials）堅硬、反光、有光澤、熱與電的良導體、正電阻溫度系數(shù)；黑色金屬（ferrousalloys）和有色金屬（nonferrousalloys）；鐵碳合金、鋁、銅、鎂、鈦等；

新型（特殊）金屬材料：特殊的結(jié)構(gòu)和功能，如非晶態(tài)、準晶、微晶、納米等，用于隱身、儲氫、超導、形狀記憶、耐磨、減振等。無機非金屬材料：（inorganicnonmetallicmaterials）碳、硅、鍺，硅酸鹽為主要成分的玻璃、水泥、陶瓷等，特點是硬度高、強度高、耐腐蝕、電熱的絕緣性好；陶瓷材料：硬度高，性能穩(wěn)定，但脆性大，可制造用具、工具等；陶瓷又可分為：傳統(tǒng)陶瓷（traditionalceramics）和先進陶瓷（advancedceramics）有機高分子材料：（polymermaterials）

聚合物材料；塑料、橡膠、纖維等；性能特點是質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性好、易于加工成型等，但強度、耐磨性、使用壽命等有一定局限。復合材料：（compositematerials）兩種或兩種以上材料組合，性能互補或提高；基體和增強體；

鋼筋混凝土；泥漿麥秸稈；樹脂基、金屬基，玻璃纖維增強、碳纖維增強等，具有特殊性能，可設計性能等特點。

無機非金屬材料水泥玻璃陶瓷先進陶瓷應用陶瓷刀耐磨損、耐腐蝕，不易殘留異味

高速軸承氮化矽陶瓷轉(zhuǎn)子有機高分子材料合成塑料合成纖維合成橡膠一些常見的高分子材料高分子尼龍粉末有機玻璃聚丙烯高分子人造血管聚四氟乙烯聚乙烯PVC管材塑料泡沫復合材料—高技術(shù)領(lǐng)域1.金屬材料的機械性能金屬材料性能–使用性能、加工工藝性能物理性能、化學性能、機械性能冷熱加工中表現(xiàn)出來的性能：鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能。力學性能：受外力作用時表現(xiàn)出來的性能力學性能的概念和內(nèi)容外加載荷與環(huán)境共同作用通過實驗測的主要內(nèi)容：強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性、缺口敏感性等靜載荷下的機械性能緩慢加載，常用拉伸試驗和硬度試驗彈性和塑性彈性：塑性：強度和硬度（二者有一定關(guān)系）強度硬度布氏硬度HB；洛氏硬度HRAHRBHRC;維氏硬度HRC:120degree金剛石壓頭、150kG載荷靜拉伸實驗試樣：標準的光滑圓柱試樣特點：溫度、應力狀態(tài)、加載速度不變?nèi)齻€階段：彈性變形階段、彈塑性變形階段、斷裂四種變形形式：彈性變形、屈服、均勻塑變、局部塑變標定力學性能指標：強度σb、σs塑性δ、ψ幾個概念的比較彈性：產(chǎn)生不永久變形的能力塑性：產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力剛度：抵抗彈性變形的能力強度：抵抗塑性變形和斷裂的能力彈性模量/楊氏模量對一根細桿施加一個拉力F，這個拉力除以桿的截面積S，稱為“線應力”，桿的伸長量dL除以原長L，稱為“線應變”。線應力除以線應變就等于楊氏模量E=(F/S)/(dL/L)ShearModulusorModulusofRigidityShearModulusorModulusofRigidity延伸率和斷面收縮率延伸率（δ）是描述材料塑性性能的指標——延伸率δ和截面收縮率ψ。延伸率即試樣拉伸斷裂后標距段的總變形ΔL與原標距長度L之比的百分數(shù)：δ=ΔL/L×100%。工程上常將δ≥5%的材料稱為塑性材料，如常溫靜載的低碳鋼、鋁、銅等；而把δ≤5%的材料稱為脆性材料，如常溫靜載下的鑄鐵、玻璃、陶瓷等。延伸率和斷面收縮率斷面收縮率是材料的塑性指標之一。材料受拉力斷裂時斷面縮小，斷面縮小的面積與原面積之比值叫斷面收縮率，老標準JB/T6396-1992中用ψ表示，新標準JB/T6396-2006中用Z表示，單位為%。斷面收縮率計算如下：式中A0——試件原始截面積；A1——試件拉斷后頸縮處的截面積。硬度材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物體壓入或刻劃的能力，即抵抗局部塑性變形的能力。常見的硬度指標有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）等。

布氏硬度（HB）布氏硬度值的表示方法為：硬度值+硬度符號+球體直徑/+載荷/+載荷保持時間（10～15秒不標注）。例如，180HBS10/1000/30，表示直徑10mm的鋼球在1000kgf作用下，保持30秒測得的布氏硬度值為180。洛氏硬度(HR)符號壓頭類型總載荷（kgf）適用范圍HRC120°金剛石圓錐150一般淬火鋼等硬度較大材料HRBΦ1.588mm鋼球100退火鋼和有色金屬等軟材料HRA120°金剛石圓錐60硬而薄的硬質(zhì)合金或表面淬火鋼布氏硬度、洛氏硬度各有優(yōu)缺點：布氏硬度由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)的平均硬度，所以測量結(jié)果具有較高的精度和穩(wěn)定性。但操作費時，對試樣表面有一定破壞。洛氏硬度操作簡單，可直接讀出硬度值，且壓痕小，不傷工件。缺點是所測值的離散性較大，實際中可多測幾次取均值。各種硬度試驗因其試驗條件的不同而不能直接換算，需查閱專門的表格進行換算比較。維氏硬度（HV）是用一定的載荷將錐面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭壓入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，試樣表面就留下壓痕，測量壓痕對角線的長度，計算壓痕表面積，載荷F除以壓痕面積S所得值即為維氏硬度。維氏硬度用符號HV表示，計算公式如下：維氏硬度也可按對角線的d值從表中查出，d值為兩對角線的算術(shù)平均值。維氏硬度的結(jié)果表示方法為：硬度值+HV+試驗載荷／+載荷保持時間（10~15秒不標注）。例如，640HV30／20表示在試驗力30kgf作用下保持載荷20秒測定的維氏硬度值為640。金屬材料的強度、塑性、硬度、韌性四者中真正獨立的是強度和塑性，硬度與強度有極為密切的關(guān)系，韌性是受強度和塑性的綜合影響；因此，在鑒別金屬材料的力學性能時，常常是以強度和塑性為主要指標；同時，這兩個指標也是一對矛盾，常常不可兼得。動載荷下的機械性能動載荷：沖擊載荷、交變載荷沖擊韌性：抵抗沖擊載荷的能力擺錘沖擊試驗測定，用斷口單位面積上的沖擊功來表示?？箚未螞_擊能力，不太符合通常工況下的小載荷多次沖擊（與強度有關(guān)）。疲勞強度（80%機件失效可歸因于疲勞）疲勞強度：承受無數(shù)次交變載荷而不斷裂的最大應力。鋼e7；有色金屬、高強度鋼e8。一次擺錘沖擊彎曲實驗韌性是材料塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。沖擊韌性（韌度）Аk是抵抗沖擊載荷的能力。是綜合的力學性能指標，與強度和塑性有關(guān)，揭示材料的變脆傾向，評定材料在復雜受載條件下的壽命和可能性，反映原材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量。沖擊韌性常用沖擊實驗測定沖擊韌性常用沖擊實驗測定影響沖擊韌性值大小的因素有材料的化學成份、冶金質(zhì)量、組織狀態(tài)、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷等。系列沖擊實驗（低溫沖擊）：金屬材料的沖擊韌性隨溫度的降低而下降評定材料低溫變脆的傾向，韌脆轉(zhuǎn)變溫度（范圍）溫度和Аk關(guān)系圖韌脆轉(zhuǎn)變溫度疲勞曲線示意圖–疲勞強度力學性能五個基本指標：

強度σb、σs塑性δ、ψ韌性Аk高溫下的機械性能彈性模量、強度、硬度降低；塑性升高。蠕變：高溫、長時間載荷，即使應力小于該溫度下的屈服強度，也會逐漸產(chǎn)生明顯塑性變形直至斷裂。金屬及合金的其他性能物理性能：比重、熔點、導熱性、導電性化學性能：抵抗化學侵蝕，耐酸性、耐堿性、抗氧化性。工藝性能：物理、化學和機械性能的綜合表現(xiàn)。鑄造性、可鍛性、可焊性、熱處理工藝性、切削加工性。圖中為五種材料拉伸試驗時測的得應力—應變(單位長度上的伸長量)曲線：①45鋼，②鋁青銅，③35鋼，④硬鋁，⑤純銅。試問：

(1)當應力σ＝300MPa時各材料處于什么狀態(tài)？

(2)用35鋼制成的軸在使用過程中發(fā)現(xiàn)有較大的彈性彎曲變形，如改用45鋼制作該軸，問能否減少彈性變形？若彎曲變形中已有塑性變形，問是否可以避免塑性變形?請在一小時內(nèi)做完下列試題，并參照后附的答案和評分標準自己打分評測，檢驗對本章知識的掌握程度：1．

區(qū)分下列各組材料常用性能指標的物理意義（1）

σs和σb；（2）δ