工程材料的性能包括哪些（什么是工程材料）

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我们在各行各业的工程中所使用的材料包括：金属和非金属。

金属：是以金属元素组成或以金属元素为主而组成的材料,物质具有金属特性的物质。如：Cu , Fe-C合金等。

金属特性：导电，导热，正的电阻温度系数， 延展性等。

非金属：如塑料，橡胶， 陶瓷。

重点记录材料科学与工程的核心关系

金属分为黑色金属和有色金属：

1.黑色金属： 生铁——灰口铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁 C=2.1---4.0 % 碳钢——低碳钢，中碳钢，高碳钢 C= 0.1---1.2 % 合金钢——合金工具钢，合金结构钢，不锈钢

2.有色金属： 轻金属——Al, Mg 重金属——Cu, Zn, Ni, Pb 贵重金属——Ag, Au, Pt, 稀有金属——Li, Ti, Mo, W, V。

重点讲解工程材料

金属材料的性能：

使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。

工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。

一、金属材料的使用性能：弹性和刚度，强度与塑性，硬度，韧性，疲 劳：

1、弹性和刚度

弹性：指标为弹性极限，即材料承受最大弹性变形时的应力。

刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。

计算公式

实验曲线

低碳钢的应力-应变曲线低碳钢的应力-应变曲线 低碳钢的应力-应变曲线

拉断前和拉断后的长度对比

计算公式

试验曲线

曲线说明

2、强度与塑性

强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。

条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。

抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。

试验曲线

因为符合打不出，只能用图片了！

塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

延伸率计算公式

断面缩率计算公式

我们通常用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。

长度10的试棒

长度5的试棒

计算公式

3、硬度

硬度是指材料抵抗表面局部塑性变形压痕、划痕的能力。

（1）布氏硬度HB

布氏硬度示意图

● 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。

● 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。

布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。

缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件。

●适测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。

（2）洛氏硬度HR

●洛氏硬度用符号HR表示

●根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

洛氏硬度示意图

1）HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。

2）HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。

3）HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。

4）洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。

5）缺点：测量结果分散度大。

（3）维氏硬度HV

维氏硬度用符号HV表示

维氏硬度示意图

4、韧性

（1）、冲击韧性

是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。

指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)

金属材料抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性，用ak表示。

冲击韧性的测定：摆锤冲击试验，如图所示： ak =AK/F(J/cm2 )

断裂韧性示意图

使用不同类型的试样(U形缺口或V形缺)，其冲击吸收功分别为AKU或AKV，冲击韧度则分别为aKU 或aKV。

使用不同类型的试样(U形缺口或V形缺)，其冲击吸收功分别为AKU或AKV，冲击韧度则分别为aKU 或aKV。

脆性临界转变温度脆性临界转变温度脆性临界转变温度 脆性临界转变温度

（2）断裂韧性

应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。

断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。

C为断裂应力，aC为临界裂纹半长

5、疲 劳

材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。

(1)疲劳曲线和疲劳强度材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳强度。用r表示。

材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象

(2) 提高零件抗疲劳的方法可通过合理的选材，细化晶粒、减少材料和零件的缺陷；改善零件的结构设计，避免应力集中，减少零件的表面粗糙度；对零件表面进行强化处理。

纯金属的晶体结构

在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。

晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体

晶体：内部原子按一定的几何规律作周期性重复排列。有固定的熔点，性能上具有各向异性。

晶体结构：晶体规则排列的方式。

晶格：将晶体内的原子抽象成一个几何点，忽略其物质性，通过这些几何点可以画出许多直线、从而形成的空间格子。

晶胞：晶格中最小的几何组成单元。

晶格常数：量化描述晶格尺寸的参数。在立方晶系中，只用a表示。

晶体规则排列的方式

简单立方晶体、晶格、晶胞简单立方晶体、晶格、晶胞

晶格常数：晶胞个边的尺寸 a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。

根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120

棱间的夹角表示

晶胞个边的尺寸 a、b、c

根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系

在元素周期表中，绝大多数金属元素的晶体结构为体心立方(Cr、Mo、V),面心立方(AL、Cu、Ni)、密排六方(Mg、Cd、Zn)。

晶体结构为体心立方(Cr、Mo、V)

面心立方(AL、Cu、Ni)

密排六方(Mg、Cd、Zn)

体立方晶格结构：

体心立方结构 (b.c.c)

配位数：原子周围与其等距离的最近邻的原子数。体心立方晶格中与任一原子处于相等

距离并相距最近的原子数为8。

致密度:每一个晶胞中原子所占的体积与晶胞的体积的比值。

体心立方结构的原子半径

原子个数2 配位数8 致密度0.68

体心立方结构,属于该类晶格的常见金属有α-Fe(<912oC)、δ-Fe (>1400oC)、Cr、W、Mo、V等

原子个数2 配位数8 致密度0.68

面心立方晶格：

面心立方晶格，常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等

晶格常数：a

面心立方结构:(f.c.c)

配位数：12 致密度0.74

面心立方结构

配位数：原子周围与其等距离的最近邻的原子数

配位数示意图

密排六方晶格 hcp

C（石墨）、Mg、Zn 等

晶格常数,底面边长a,底面间距c,侧面间角120,侧面与底面夹角90

晶向指数和晶面指数的标定:

晶向：晶体中各种方向上的原子列。 晶面：晶体中各种方向上的原子面。

指数：符号、名字。

晶向指数的求法：

1、找出晶向上两点坐标 (X1,Y1,Z1)、(X2，Y2，Z2)

2、作(X1-X2):(Y1-Y2):(Z1-Z2)=U:V:W 并化为三个互为质数的正整数。

3、用［UVW］表示。

例：坐标系中有(1,1,0)、(0，1，1)，求其晶向指数。

解：(1-0):(1-1):(0-1)=1:0:-1

晶向指数为［101］

晶向族：原子排列情况相同，但方向不同的所有晶向，用〈uvw〉表示。〈110〉表示: ［101］、［110］、［011］［101］。

晶向指数和晶面指数的标定

立方晶格中几个重要的晶向

晶面指数的求法:

1、找出晶面在三个坐标上的截距。

2、取截距的倒数。

3、将倒数化为三个互为质数的整数 ，用(hkl)表示。

例：某晶面与X轴平行，与Y轴截距为1,与Z轴截距为2，求其晶面指数。

解:截距的倒数为0、1、1/2; 化为三个互为质数的整数,得:

0、2、1。即该晶面指数为(021)。

晶面族:原子排列情况相同，但在空间上不平行的晶面用｛hkl｝表示。

如：(111)、(111)、(111)、(111), 用｛111｝表示。

晶面指数的求法

(100),(110)(111) b.c.c

(100),(110)(111) f.c.c

金属晶体的各向异性:

由于晶体中原子排列是有规则性的，因而晶体中不同的晶向和晶面上原子的疏密程度是不同的，原子间的相互作用也不一样，由此导致晶体的性能在不同的方向上具有不同的值，这就是各向异性。

例：体心立方单晶体Fe其弹性模量在＜１１１＞方向为290000MN/m 2,而在＜１００＞方向为1.35MN/m 2,体心立方单晶体Fe在磁场中，沿＜１００＞方向磁化比沿 ＜１１１＞方向磁化容易。体心立方金属最容易拉断或劈裂的晶面为＜１００＞

体心立方单晶体Fe其弹性模量在＜１１１＞方向为290000MN/m 2,而在＜１００＞方向为1.35MN/m 2

实际金属中的晶体缺陷:

实际使用的金属是多晶体：由许多单晶体组成，每个单晶体内部的晶格位向是一致，而各个单晶体间的晶格位向不同，它们之间的界面称为晶界。对多晶体而言，性能上表现出各向同性。

实际金属中的晶体缺陷

晶体的缺陷:

点缺陷：空位：由于某种原因晶格结点上的原子脱离而去，造成结点上没有原子，即空位。

间隙原子：脱离晶格结点的原子进入到晶格间隙处，这种原子就被称为间隙原子。

点缺陷的存在，使得原子间相互作用力的平衡被破坏，使得周围的原子离开了原来的平衡位置造成局部的弹性变形。

空位、自间隙原子

杂质间隙原子、空位和晶格畸变

空位、自间隙原子,杂质间隙原子、空位和晶格畸变

线缺陷：

晶体中某些区域有一列或若干列原子发生有规律的错排，这被称为位错。

刃性位错：

晶体的一部分沿一定的晶面相对于晶体的另一部分逐步地发生了一个原子距离的移动。多余半原子面与滑移面的交线好位错线。

线缺陷,刃性位错

位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。 由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错:图中为一种最简单的位错“刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。

线缺陷示意图

螺性位错：右前部晶体的原子逐步地向下位移了一个原子距离，并在其左部晶体的边界上形成只有几个原子宽的过渡区，该区内的原子的正常位置发生错动，具有螺旋特征。过渡区两顶端的连线为位错线。

位错的存在使其周围的原子位置发生错动，从而导致晶格畸变

位错密度与材料强度的关系

面缺陷:

晶界：多晶体内晶粒与晶粒的交界。在空间中呈网状，其原子排列的规则性较差，是一种位向的晶格向另一种位向晶格的过渡.

晶界

亚晶界：晶粒是由许多位向相差很小的晶块，即亚晶组成的。亚晶的交界被称为亚晶界，其为位错规则排列结构。

亚晶界

在晶界、亚晶界上，原子的排列偏离平衡位置，晶格畸形较大，位错密度高，对金属的性能影响较大。

下一节讲：金属的结晶

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