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机械工程材料 河北工业大学 武建军 教授hbgdwjj@ 1 绪论 材料性能 材料结构的三个层次 材料科学的意义 1-1 材料的含义 材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质。 材料分为天然材料与人工合成材料。 不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物,一般都不算是材料。 1-2 材料是社会的物质基础 材料的发展史也是人类文明史 1 石器时代 公元前10万年 2 青铜时代 公元前3000年 3 铁器时代 公元前1000年 4 水泥时代 公元0年 5 钢时代 1800年 6 硅时代？ 1950年 7 新材料时代？ 1990年 好的设计也需要合适的材料 现代社会使用的材料种类繁多，无法简单地用某一种甚至某一类材料来象征社会的发展水平、技术水平 但材料是一切东西的物质基础仍然没有改变，而且今后也永远不会改变。 因为有千姿百态、数不清的材料，世界才会如此丰富多彩。 材料的重要性 材料是人类赖以生存和发展的物质基础。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。 20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。 80年代以高技术群为代表的新技术革命,又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。 1-3 材料的性能 材料性能是用于表征材料在给定外界条件下行为的一种参量。 例如用表征材料在外力作用下拉伸行为的屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能 又例如用表征材料在外磁场作用下行为的矫顽力:剩余磁感、贮藏的磁能等磁学性能 研究表明，材料性能是由其结构决定的 （1）材料选择的三个标准 可用性：使用性能满足要求；工程材料主要要求强度、塑性等力学性能（机械性能） 工艺性：加工工艺性优良；如铸造工艺性、热处理工艺性、切削加工工艺性、焊接性、锻造工艺性等 经济性：成本低，包括材料成本和加工成本低。 （2）拉伸试验 受力时，试样变化三个阶段。 弹性变形 塑性变形 断裂。 陶瓷、铸铁等脆性材料只有1、3两个阶段。 （3）强度 表示材料抵抗变形和断裂的能力 抗拉强度（强度极限）?b:材料拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。 屈服强度σs σs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。 条件屈服强度σ0.2:中高碳钢等无屈服点，国家标准规定以产生一定的微量塑性变形（残余伸长0.2%)的抗力的极限应力值来表示。 脆性材料的可以认为强度极限=屈服强度 （3）塑性 延伸率 断面收缩率 d ,y 越大，塑性愈好 d5%, 脆性材料 （4）疲劳试验与疲劳强度 在循环或脉动应力作用下，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，称为疲劳。 疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。 条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。 （5）刚度与弹性 刚度? 材料抵抗弹性变形的能力，常用E杨氏弹性模量。反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力学性能指标。 弹性：材料弹性变形的能力。良好的弹性材料应该是刚度低、弹性变形大。 比例极限：应变保持线性关系的极限应力值 弹性极限：不产永久变形的最大抗力。 工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01 （5）硬度 材料抵抗其它硬物压入其表面的能力称为硬度,工程上常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 布氏硬度HB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。 洛氏硬度常用标尺有B、C、A三种 ①HRB 球形压头，用于轻金属，未淬火钢 ②HRC 锥形压头，用于较硬，淬硬钢制品 ③HRA 锥形压头，用于硬、薄试件 一般情况下,材料的硬度越高,其耐磨性就越好。 对于同一类型材料，硬度与强度相关。 （6）韧性 韧性：材料断裂前吸收变形能量的能力----韧度 冲击韧性：冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。 断裂韧性：用KIC表示，表明材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。 韧性是强度与塑性的综合体现。 韧性与温度有关—脆性转变温度TK 1-4 材料结构 组元：组成材料的基本物质,如原子、分子和离子等 材料的结构是指组元种类及其排列和运动方式 根据不同尺度，材料的结构可以分为三个主要层次：原子结构、原子的排列（相结构）和显微组织（相的形态） 材料的性能是由材料的结构决定的 （1）原子结构 原子结构：电子围绕着原子核的排列情况 影响原子的键合,使材料表现出金属、陶瓷和高分子的性能 对材料的电学、磁学、热学、光学乃至耐腐蚀性能都有重大影响 结合键 组成物质的粒子，如