第二章工程材料性能及應用基礎本章將重點介紹:

材料的力學性能、材料學的部分基礎知識、材料的分類編號及用途.以便為選材和制定后續制造工藝奠定基礎。第二章工程材料性能及應用基礎第一節工程材料的力學性能

力學性能（或機械性能，MechanicalPerformance）:

是指材料受到外加載荷作用時，所反映出來的固有性能

力學性能指標：強度、塑性、硬度、沖擊韌度、斷裂韌性、疲勞強度等

測試方法：

各種材料試驗機。第一節工程材料的力學性能一、強度(Strength)

是指材料抵抗由外力載荷所引起的應變或斷裂的能力.外力載荷方式不同，描述強度的指標也不同。

塑性較好的金屬或高分子材料常用抗拉強度衡量其抵抗破壞的能力;脆性陶瓷材料常用抗折（彎）強度或抗壓強度.第一節工程材料的力學性能（一）抗拉強度它是通過標準試樣在拉伸試驗機上通過拉伸試驗測出來的。圖2-1為低碳鋼拉伸試樣的形狀和尺寸示意圖。

P△LPePsPbPkPbPs1、金屬材料抗拉強度

圖2-2a為低碳鋼的拉伸曲線。

圖2-2b為不同金屬材料的應力－應變拉伸曲線圖。

抗拉強度:是表示材料在拉伸過程中單位面積所能承受的最大拉伸力，用σb（單位MPa）表示，計算方法為：

σb=Pb/A0

(2-1)

屈服強度:是工程材料在外力作用下開始產生屈服時單位面積所能承受的最大拉伸力。用σs表示，計算方法為：

σs=Ps/A0(2-2)

名義屈服強度σ0.2第一節工程材料的力學性能2、高分子材料抗拉（張）強度

圖2-3為高分子聚合物在不同溫度范圍時的拉伸曲線。

（二）抗折（彎）強度

圖2-4(a)，2-4(b)分別為三點、四點彎曲加載示意圖

其中三點彎曲抗折強度計算公式為：

第一節工程材料的力學性能二、塑性

(plasticity)

工程材料的塑性:

是指工程材料在外力作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。圖2-1

對應拉伸變形，通常用兩種方式來表示，即:伸長率（δ）δ=(L1-L0)/L0×100%（2-5）斷面收縮率(Ψ):

Ψ=(A0-A1)/A0×100%（2-6）第一節工程材料的力學性能三、沖擊韌度

沖擊韌度:是指被沖擊試件在一次沖擊試驗時被沖斷所吸收的能量Ak除以原試件的最小橫截面積A0所得的值（見式2-7）,是材料抵抗沖擊載荷的能力。用符號ak(單位為J/m)表示。工程上常用擺錘沖擊試驗機來測定沖擊韌度，圖2-5為試驗示意圖

ak=AK/A0(2-7)

第一節工程材料的力學性能h1h0ww四、疲勞強度

(fatiguestrength)

疲勞強度:

是工程材料承受規定循環次數（常取106-107

）而不失效的最大應力。用σγ

表示。下標γ表示應力循環對稱系數，由下式確定：

γ=σmin/σmax(2-8)圖2-6列出了幾種變動載荷示意圖。疲勞曲線如圖2-7所示。

第一節工程材料的力學性能圖2-7疲勞曲線σγ五、硬度(Hardness)是指更硬的外來物體作用于固體材料上時，固體材料抵抗塑性變形、壓入或壓痕的能力。第一節工程材料的力學性能P1.布氏硬度（HB）

布氏硬度測試原理：它是用載荷為P的力把直徑為D的淬火鋼球（或是硬質合金球）壓入材料表面（如圖2-8），并保持一定的時間，然后卸載，測出球在材料表面上所壓出凹痕的直徑d，由此計算出壓痕球面面積AR，求出單位面積所受的力，即為材料的硬度值。計算公式為：

第一節工程材料的力學性能硬度計:2.洛氏硬度（HR）

洛氏硬度測試原理：用一個錐頂角為120°的金剛石圓錐或一定直徑的鋼球壓頭，在規定載荷作用下壓入被測材料表面，由壓頭在材料表面所形成的壓痕深度來確定其硬度值，如圖2-9所示。HRAHRBHRC第一節工程材料的力學性能3.維氏硬度（HV）

維氏硬度的測試原理基本上與布氏硬度相同，其測試方法如圖2－10。維氏硬度用HV表示：

HV=P/AV

=1.8544P/d2

（2-10）第一節工程材料的力學性能4.邵氏硬度

邵氏硬度又稱肖氏硬度,是用來測量彈性體和熱塑性軟塑料的穿透硬度的，邵氏硬度分為邵氏壓痕硬度與邵氏反彈硬度兩種。反彈式硬度值由下式計算：HS=KH/H0

第一節工程材料的力學性能六、斷裂韌性KIC

是材料抵抗裂紋失穩擴展能力的度量，是材料抵抗低應力脆性斷裂的能力。KIC主要用于脆性材料，斷裂韌性的測量方法與抗折強度測量方法相類似（見圖2-11）。不同之處是在彎曲試樣中部預制一個0.1mm左右寬的小口，以模擬材料內部微裂紋的一半，然后加載后測量其斷裂韌性KIC。KIC計算公式:

第一節工程材料的力學性能七、材料的高溫性能1.高溫強度:是指材料在高溫下，抵抗外力載荷所引起的應變或斷裂的能力。典型單相多晶陶瓷材料的強度和變形隨溫度的變化見圖2-12。第一節工程材料的力學性能2.抗熱震性(ThermalShock)

是指材料抵抗溫度變化能力的大小。分為熱沖擊作用下的瞬時斷裂和熱沖擊循環作用下的開裂、剝落，終至整體損壞的熱震損傷兩大類。

(1)

水急冷條件下平板件表面及中心處產生的熱應力σs為:

第一節工程材料的力學性能

(2)

當溫度梯度不同，在一定冷卻條件下產生的熱應力為：(3)熱震參數R:為判斷材料抗熱沖擊的能力，對急劇受熱受冷的材料，通常把達到斷裂強度σf所對應的臨界溫差參數△Tc叫熱震參數R，工程中常利用R衡量材料抗熱震的能力，由（2-12）知，水冷時的熱震參數R為：

(4)熱震破壞的判據:為實際溫差△T大于熱震參數R:

△T>R

第一節工程材料的力學性能八、高彈性和粘流性

在外力作用下，高聚物會發生大的變形，當外力去除后，其變形逐漸回復的性質稱高彈性。粘流性是指高聚物粘性流動的性質。第一節工程材料的力學性能第二節材料學基礎一、金屬學基礎(一)金屬的結構（晶體、非晶體）

（注：性能、成分、工藝與結構密切相關）第二節材料學基礎1.晶體,晶體點陣和晶胞晶體結構研究方法：將晶體中的質點假設為固定不動的剛性球體，而晶體就是由這些剛性球體堆垛而成的，如圖2-13(a)。若用許多平行的直線將這些原子剛球連接起來，就構成三維的空間構架，如圖2-13(b)。晶體點陣:

這種用來描述晶體中質點（原子、離子或分子）排列規則的空間構架模型稱為晶體點陣。晶胞:

而描述晶體點陣規律的最小單元叫晶胞。點陣常數如圖2-13(c)。晶格常數

2.金屬的單晶體結構

（1）體心立方晶體結構(bcc)該晶體結構的原子排布規律如圖2-14所示。α-Fe,Cr,V,Nb,Mo,W（2）面心立方晶體結構(fcc)該晶體結構的原子排布規律如圖2-15所示。γ-Fe,Cu,Ni,Al,Ag.（3）密排六方晶體結構(hcp)該晶體結構的原子排布規律如圖2-16所示(六方柱體)。Zn,Mg,Be,α-Co第二節材料學基礎

3．晶向指數和晶面指數*

晶向：是晶格中各種原子列的位向，

晶向指數：即是用來描述晶向的一種符號。圖2-17中示出了立方晶體結構中的幾種晶向指數。

晶向指數可以按以下步驟進行確定：

1）從晶胞的同一點（原點）引出三個棱邊作為坐標軸X、Y、Z，以棱邊長度（即點陣常數）作為坐標軸的單位長度。

2）自坐標原點引出一有向直線平行于所求的晶向

3）在所引出的有向直線上任取一點，求出該點的坐標。

4）將三個坐標值按比例化為最小整數，依次寫在“〔〕”括號內，即為所求的晶向指數。第二節材料學基礎

晶面：是晶格中不同方位上的原子面，

晶面指數：用來描述晶面位置的符號即為。

圖2-18給出幾種晶面指數類型。

晶面指數按以下步驟進行確定：

1）將晶胞中某一頂點引出的三條棱邊作為坐標軸X、Y、Z，坐標原點應選在待定晶面之外，以免出現零截面。

2）以晶胞的棱邊長為度量單位，求出待定晶面在各軸上的截距。

3）取各截距的倒數，并化為最小簡單整數，放在圓括號“（）”內，即為求得的晶面指數。第二節材料學基礎4.多晶結構大塊金屬材料通常是由許多小晶體組成的，如圖2-19。5.晶體缺陷

(1)點缺陷常見的點缺陷有三種，即空位、間隙原子和置換原子，如圖2-20所示。

(2)線缺陷刃型位錯是一種比較典型的線缺陷，其結構特點如圖2-21所示。

(3)面缺陷第二節材料學基礎（二）金屬的結晶過程與冷卻曲線

結晶：金屬由液態向固體晶態轉變的過程

金屬的結晶過程，可用冷卻曲線描述，冷卻曲線：它描述熔融金屬經緩慢冷卻所表現出的溫度隨時間的變化規律。純金屬的冷卻曲線：圖2-22a)

過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度，用ΔT表示。

ΔT=Tm-T1

（2-16）

合金冷卻曲線：合金（或非純金屬）的結晶不同于純金屬，圖2-22b)為Cu-Ni合金的冷卻曲線。研究還表明，金屬的結晶過程實質上是晶核的形成與長大過程。圖2-23描述了液態金屬的結晶全過程。第二節材料學基礎（三）金屬的同素異構轉變同一金屬元素在固態下由于溫度的改變而發生晶體結構類型變化的現象稱為金屬的同素異構(Allotropy)轉變。

圖2-24鐵的同素異構轉變冷卻曲線。第二節材料學基礎（四）合金的相(Phase)與相結構(合金的內部組成體系)

合金：是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的材料。

組元：組成合金的元素叫做組元。合金的相：合金中結構相同、成分與性能均一，并以界面相互隔開的組成部分叫相。

第二節材料學基礎

2.合金的相結構1）.固溶體當合金組元之間以不同比例相互混合后，若所形成的固相晶體結構與組成合金的某一組元相同，這種相稱為固溶體。固溶體的固溶方式按溶質原子在溶劑晶格中所處的位置，又可分為間隙固溶體和置換固溶體，如圖2-25所示。鐵素體F：奧氏體A:

2）.金屬化合物

金屬化合物是合金組元間發生相互作用而形成的一種新相，它的晶體結構類型和性能不同于任一組元，但具有金屬性質。第二節材料學基礎合金的組織：合金中不同相的組合。(1).機械混合物(合金組織)

珠光體P=F+Fe3C

萊氏體Ld=A+Fe3C

Ld’=P+Fe3C（五）二元合金相圖(PhaseDiagram)1．相圖的建立方法與步驟

以銅鎳（Cu-Ni）合金為例,說明相圖建立的基本步驟：

(1）配制一系列成分不同的合金。

(2)作出各種不同成分合金的冷卻曲線，并找出冷卻曲線上相變點（轉折點）的溫度，如圖2-26(a)所示。

(3）以溫度為縱座標、成分為橫座標建立一個直角座標系，將相變點分別標在這個座標系上，如圖2-26(b)。

(4）把具有相同意義的各相變點連成曲線，即將所有上相變點相連，所有下相變點相連，則構成了圖2-26（b）所示的Cu-Ni二元合金相圖。2．勻晶相圖

Cu-Ni合金相圖既是勻晶相圖，如圖2－27所示。3．共晶相圖

圖2-28為Pb－Sn二元共晶相圖。

第二節材料學基礎（六）鐵碳合金相圖

1．鐵碳合金的基本相

固溶體:

（1）鐵素體碳原子溶于α-Fe中形成間隙固溶體，原子排列仍為體心立方點陣，該結構即為鐵素體，用F或α表示。最大溶碳量為:0.0218%（2）奧氏體碳原子若溶于γ-Fe中，形成間隙固溶體，仍保持面心立方晶體結構，該結構稱為奧氏體，用A或γ表示。最大溶碳量為:2.11%

金屬化合物:

（3）滲碳體Fe3C是鐵和碳的化合物，含碳量為6.69wt％，晶體結構復雜，呈復雜斜方晶體結構。

2.鐵碳合金的組織（機械混合物）:

(4)珠光體P=F+Fe3C(5)萊氏體L=A+Fe3C

分析:室溫下鐵碳合金基本相只有兩個,一是鐵素體,二是滲碳體第二節材料學基礎2．鐵碳合金相圖分析

圖2-29為簡化的鐵碳合金相圖。相圖中各主要特征點均具有重要含義，連接各特征點將組成特征線，特征線則將相圖分成特征區，上述點、線、面及其含義說明列于表2-1。

3．鐵碳合金結晶過程分析

(1)共析鋼成分對應共析點S的鐵碳合金為共析鋼（見圖2-29）。圖2-30為組織轉變示意圖，圖2-31是共析鋼的顯微組織。

(2)亞共析鋼通常將含碳量在共析成分（w。=0.77％）以下的鋼叫做亞共析鋼。亞共析鋼的結晶過程的組織轉變參見圖2-32。

(3)過共析鋼與亞共析鋼不同，通常將含碳量超過共析成分0.77%，但小于2.11％的鐵碳合金叫過共析鋼。二次滲碳體通常呈網絡狀分布在珠光體周圍，如圖2-33所示。圖2-34為過共析鋼的結晶過程組織轉變示意圖。

第二節材料學基礎(4)白口鑄鐵

含碳量為4.3wt%的鐵碳合金叫共晶白口鑄鐵，該合金的組織由萊氏體組成，它是共晶產物。

圖2-35是亞共晶白口鑄鐵的結晶過程示意圖。

圖2-36是亞共晶白口鑄鐵的顯微組織。

二、陶瓷（Ceramic）材料學簡介（一）典型陶瓷的晶體結構陶瓷晶體主要以離子鍵、共價鍵為主，也可以是兩種結合類型的綜合或是介于某兩種類型之間的過渡

1.氧化鋁陶瓷的晶體結構及性能

Al2O3主要有α-Al2O3,β-Al2O3,γ-Al2O3三種同素異構晶體，最常用的是α-Al2O3

。α-Al2O3屬離子型晶體，其晶體結構見圖2-37，力學性能見表2-2，

該結構最緊密，活性低，高溫穩定。

第二節材料學基礎2.氧化鋯陶瓷的晶體結構氧化鋯在不同溫度下存在三種穩定的同素異晶體：從室溫到高溫分別為單斜相(m-ZrO2)→正方相(t-ZrO2)→立方相(c-ZrO2)→液相(L)，見圖2-38。商業四方氧化鋯陶瓷的典型力學和物理性能示于表2-3。

3.硅酸鹽結構(相應材料：玻璃,水泥磚，瓦等)

(硅酸鹽礦物：長石，高嶺土，滑石，鎂橄欖石)硅酸鹽結構的基本結構為SiO4四面體玻璃（二）陶瓷顯微組織及相結構

1.晶相

2.晶界雜質在晶界上的存在方式見圖2-39。

3.玻璃相

4.氣孔(氣相）（三）影響組織結構的因素影響陶瓷微觀組織結構的因素很多，歸納起來主要有以下幾種：

1.原料粉體

2.添加元素

3.燒結制度

4.陶瓷材料的強韌化方法第二節材料學基礎三、高分子(HighMolecule)材料學簡介

高分子材料包括塑料、橡膠、合成纖維、油漆和膠粘劑等五種。通常分子量大于10000的物質稱為高分子化合物。

第二節材料學基礎第三節工程材料的分類、編號及用途一、金屬材料（一）鋼鐵

1.普通碳素結構鋼牌號普通碳素結構鋼的牌號由QXXX-Y.Z四部分組成，“Q”代表屈服點屈服強度的拼音首字母、XXX代表屈服應力數值、Y代表質量等級符號,Z代表脫氧方法。這類鋼的牌號、化學成分及用途舉例見表2-4。

2.優質碳素結構鋼牌號優質碳素結構鋼的牌號由兩個數字XX組成,表示含碳量萬分之幾。這類鋼的牌號及用途舉例見表2－5。第三節工程材料的分類、編號及用途

3.碳素工具鋼牌號碳素工具鋼的牌號由TXX兩部分組成,既鋼號前冠以“碳”或“T”，表示碳素工具鋼，其后跟一組數字，表示含碳量的千分之幾。常見碳素工具鋼的牌號、化學成分及用途如表2-6。

4.合金結構鋼牌號合金結構鋼的牌號編排原則是采用“數字+化學元素+數字”的方法。表2-7、2-8、2-9分別為調質鋼、滲碳鋼、彈簧鋼的牌號及用途。

5.合金工具鋼牌號合金工具鋼的牌號編排原則與合金結構鋼基本相似，但是規定如果工具鋼中的平均含碳量>1.00%時不予標出，含碳量<1.00%時，平均含碳量以千分之幾表示。表2-10為低合金工具鋼的牌號、化學成分及用途。第三節工程材料的分類、編號及用途

6.灰口鑄鐵牌號灰口鑄鐵牌號由“灰鐵”二字漢語拼音“HT”和后續三個數字組成，數字表示最低抗拉強度。表2-11為灰口鑄鐵的牌號、化學成分及用途。

7.可鍛鑄鐵牌號可鍛鑄鐵用“KT“符號表示，其后的兩項數字分別表示最低抗拉強度和伸長率。表2-12是可鍛鑄鐵的牌號和應用舉例。

8.球墨鑄鐵牌號球墨鑄鐵用“QT”符號表示，牌號中的數字與可鍛鑄鐵牌號的數字意義相同。表2-13為球墨鑄鐵的牌號和應用舉例。

第三節工程材料的分類、編號及用途（二）有色金屬

1．純鋁牌號：純鋁的牌號用“L”和其后面的編號表示,“L”是“鋁”字漢字拼音字首。

2．鋁合金（1）防銹鋁合金牌號：防銹鋁合金的牌號用“LF”表示，如表2-14所示為防銹鋁合金的牌號及化學成分。（2）硬鋁合金牌號：硬鋁合金的牌號用“LY”表示，如表2-15所示。硬鋁合金主要用于制作各種鉚釘。超硬鋁合金用符號“LC”表示，如表2-16所示。（3）鍛鋁合金牌號：鍛鋁合金的牌號用“LD”表示，表2-17為鍛鋁合金的牌號與化學成分。

第三節工程材料的分類、編號及用途

3．工業純銅牌號工業純銅按所含雜質的多少分為四級，編號方法以“T”（銅的漢語拼音字頭）為首，其后再附以級別數字，數字越小，則純度越高。表2-18為純銅的牌號、化學成分和用途。

4．銅合金（1）黃銅牌號黃銅是以鋅為主要合金元素的銅合金，其編號方法是以漢語拼音“H”表示，后面的兩位數字表示合金中含銅量的百分數。表2-19是黃銅的牌號、化學成分及用途。（2）青銅牌號青銅是指除以鋅、鎳為主要合金元素以外的銅合金，其編號用代號Q+主要元素符號+主加元素的含量。

第三節工程材料的分類、編號及用途二、高分子材料（一）塑料塑料是以合成樹脂為主要成分的有機高分子材料。表2-20、2-21、2-22列出了在機械制造工業中各種不同用途的零件所選用的塑料。（二）橡膠橡膠是具有卷曲長鏈分子結構的有機高分子材料。表2-23為幾種主要橡膠產品的用途。

（三）有機纖維有機纖維可分為天然纖維和化學纖維。表2-24為幾種主要合成纖維的用途。

（四）膠粘劑膠粘劑亦稱為粘合劑，是一類能將同種或不同種材料膠合在一起，并在交接面有足夠強度的物質。

第三節工程材料的分類、編號及用途三、無機非金屬材料

傳統的無機非金屬材料主要指陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四類。表2-25、2-26、2-2