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1、第第2章工程材料性章工程材料性能及应用基础能及应用基础2022/12/31第1页，本讲稿共111页第一节 工程材料的力学性能 力力 学学 性性 能能（或或 机机 械械 性性 能能，Mechanical Mechanical PerformancePerformance）是是指指材材料料受受到到外外加加载载荷荷作作用用时时，所反映出来的固有性能。所反映出来的固有性能。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第2页，本讲稿共111页一、强度一、强度 强强度度(Strength)(Strength)是是指指材材料料抵抵抗抗由由外外力力载载荷荷所所引引起起的的应应变变或或断断裂裂的的能能力力
2、，外外力力载载荷荷方方式式不不同同，描描述述强强度度的的指标也不同。指标也不同。（一）抗拉强度（一）抗拉强度 塑塑性性较较好好的的金金属属或或高高分分子子材材料料常常用用抗抗拉拉强强度度衡衡量量其其抵抵抗抗破破坏坏的的能能力力，它它是是通通过过标标准准试试样样在在拉拉伸伸试试验验机机上上通通过过拉拉伸伸试试验验测测出出来来的的。图图2-12-1为为低低碳碳钢钢拉拉伸伸试试样样的的形状和尺寸示意图。形状和尺寸示意图。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第3页，本讲稿共111页1 1、金属材料抗拉强度、金属材料抗拉强度 图图2-2a2-2a为低碳钢的拉伸曲线。为低碳钢的拉伸曲线。图图
3、2-2b2-2b为不同金属材料的应力应变拉伸曲线图。为不同金属材料的应力应变拉伸曲线图。抗抗拉拉强强度度是是表表示示材材料料在在拉拉伸伸过过程程中中单单位位面面积积所所能能承承受受的的最最大大拉拉伸伸力力，用用b（单单位位MPaMPa）表表示示，计计算算方方法法为为：b b=P=Pb b/A/A0 0 (2-1)(2-1)式中：式中：P Pb b试样拉伸时的最大拉力（试样拉伸时的最大拉力（N N）A A0 0试样的原始载面积（试样的原始载面积（m m2 2）屈屈服服强强度度是是工工程程材材料料在在外外力力作作用用下下开开始始产产生生屈屈服服时时单单位面积所能承受的最大拉伸力。用位面积所能承受的
4、最大拉伸力。用ss表示，计算方法为：表示，计算方法为：s s=Ps/A=Ps/A0 0 (2-2)(2-2)式中：式中：Ps Ps 试样产生屈服现象时的对应载荷（试样产生屈服现象时的对应载荷（N N）。）。2 2、高分子材料抗张（拉）强度、高分子材料抗张（拉）强度图图2-32-3为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第4页，本讲稿共111页（二）抗折（弯）强度（二）抗折（弯）强度 图图2-4(a)2-4(a)，2-4(b)2-4(b)分分别别为为三三点点、四四点点弯弯曲曲加加载载示示意意图图 其中三
5、点弯曲抗折强度计算公式为：其中三点弯曲抗折强度计算公式为：式式中中，P P为为断断裂裂载载荷荷（N N），L L为为下下支支点点间间跨跨距距（mmmm），b b为为试试样样的的宽宽度度（mmmm），h h为为试试样样的的厚厚度度（mmmm）。强强度度单单位位为为MPaMPa。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第5页，本讲稿共111页 二、塑性二、塑性 工工程程材材料料的的塑塑性性(plasticity)(plasticity)是是指指工工程程材材料料在在外外力力作作用用下下产产生生塑塑性性变变形形而而不不被被破破坏坏的的能能力力。对对应应拉拉伸伸变变形形，通通常常用用两两种种方
6、方式式来来表表示示，即即伸伸长率（长率（）和断面收缩率）和断面收缩率()()。=(L=(L1 1-L-L0 0)/L0100%)/L0100%（2-52-5）=(A =(A0 0-A-A1 1)/A0100%)/A0100%（2-62-6）式中式中L L0 0-试样标距的原始长度；试样标距的原始长度；L L1 1-试样拉断瞬间标距的实际长度；试样拉断瞬间标距的实际长度；A A0 0-试样原始截面积；试样原始截面积；A A1 1-试样断囗处的截面积。试样断囗处的截面积。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第6页，本讲稿共111页三、冲击韧度三、冲击韧度 冲冲击击韧韧度度是是指指被被
7、冲冲击击试试件件在在一一次次冲冲击击试试验验时时被被冲冲断断所所吸吸收收的的能能量量A Ak k除除以以原原试试件件的的最最小小横横截截面面积积A A0 0所所得得的的值值（见见式式2-72-7）。用用符符号号a ak k(单单位位为为J/m)J/m)表表示示。工工程程上上常常用用摆摆锤锤冲冲击击试试验验机机来来测测定定冲冲击击韧度，韧度，图图2-52-5为试验示意图为试验示意图 a ak k=A=AK K/A/A0 0 (2-7)(2-7)式中式中 A AK K-摆锤对冲击试样做的功（摆锤对冲击试样做的功（J J）；）；A A0 0-试样缺口处截面积（试样缺口处截面积（cmcm2 2）。）。
8、第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第7页，本讲稿共111页四、疲劳强度四、疲劳强度 图图2-62-6列出了几种变动载荷示意图。列出了几种变动载荷示意图。疲疲劳劳强强度度(fatigue(fatigue strength)strength)是是工工程程材材料料承承受受规规定定循循环环次次数数（常常取取106 106-107-107）而而不不失失效效的的最最大大应应力力，用用 表表示示。下下标标表表示示应应力力循循环环对对称称系系数数，由由下下式确定：式确定：=minmin/maxmax (2-8)(2-8)式中式中minmin-循环应力中数值最小的应力；循环应力中数值最小的应力；
9、maxmax-循环应力中数值最大的应力。循环应力中数值最大的应力。试试样样承承受受不不同同的的应应力力幅幅a aa a=(=(maxmax-minmin )/2)/2与与循循环环断断裂裂周周次次N N之之间间的的关关系系曲曲线线，称称疲疲劳劳曲曲线线，如图如图2-72-7所示。所示。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第8页，本讲稿共111页 五、硬度五、硬度 硬硬度度(Hardness)(Hardness)是是指指更更硬硬的的外外来来物物体体作作用用于于固固体体材材料料上上时时，固固体体材材料料抵抵抗抗塑塑性性变变形形、压压入入或或压痕的能力。压痕的能力。第一节第一节 工程材料
10、的力学性能工程材料的力学性能第9页，本讲稿共111页1.1.布氏硬度（布氏硬度（HBHB）布布氏氏硬硬度度测测试试原原理理：它它是是用用载载荷荷为为P P的的力力把把直直径径为为D D的的钢钢球球（或或是是硬硬质质合合金金球球）压压入入材材料料表表面面（如如图图2-82-8），并并保保持持一一定定的的时时间间，然然后后卸卸载载，测测出出钢钢球球（或或硬硬质质合合金金球球）在在材材料料表表面面上上所所压压出出凹凹痕痕的的直直径径d d，由由此此计计算算出出压压痕痕球球面面面面积积A AR R，求求出出单单位位面面积积所所受受的的力力，即即为为材材料料的的硬硬度度值值。计计算算公公式式为：为：式中
11、式中P-P-载荷（载荷（N N）D-D-钢球直径（钢球直径（mmmm）d-d-压痕直径压痕直径(mm)(mm)第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第10页，本讲稿共111页2.2.洛氏硬度（洛氏硬度（HRHR）洛洛氏氏硬硬度度测测试试原原理理：用用一一个个锥锥顶顶角角为为120120的的金金刚刚石石圆圆锥锥或或一一定定直直径径的的钢钢球球压压头头，在在规规定定载载荷荷作作用用下下压压入入被被测测材材料料表表面面，由由压压头头在在材材料料表表面面所所形形成成的的压压痕深度来确定其硬度值，如图痕深度来确定其硬度值，如图2-92-9所示。所示。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的
12、力学性能第11页，本讲稿共111页3.3.维氏硬度（维氏硬度（HVHV）维维氏氏硬硬度度的的测测试试原原理理基基本本上上与与布布氏氏硬硬度度相相同同，其测试方法如其测试方法如图图2 21010。维氏硬度用。维氏硬度用H HV V表示：表示：H HV V=P/A=P/AV V=1.8544P/d=1.8544P/d2 2 （2-102-10）式中式中P P-载荷（载荷（N N）A AV V-压痕面积（压痕面积（mmmm2 2）D-D-对角线的平均长度（对角线的平均长度（mmmm）。）。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第12页，本讲稿共111页4.4.邵氏硬度邵氏硬度 邵邵氏氏硬
13、硬度度又又称称肖肖氏氏硬硬度度,是是用用来来测测量量弹弹性性体体和和热热塑塑性性软软塑塑料料的的穿穿透透硬硬度度的的，邵邵氏氏硬硬度度分分为为邵邵氏氏压压痕痕硬硬度度与与邵邵氏反弹硬度两种。氏反弹硬度两种。反弹式硬度值由下式计算：反弹式硬度值由下式计算：HS=KH/HHS=KH/H0 0 式中：式中：HSHS-邵氏反弹硬度。邵氏反弹硬度。H H-冲头反弹的高度冲头反弹的高度mmmm。H H0 0-冲头的原始高度冲头的原始高度mmmm。K K-反弹硬度系数。反弹硬度系数。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第13页，本讲稿共111页六、断裂韧性六、断裂韧性 断断裂裂韧韧性性K KI
14、C IC 是是材材料料抵抵抗抗裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展能能力力的的度度量量，是是材材料料抵抵抗抗低低应应力力脆脆性性断断裂裂的的能能力力。K KICIC主主要要用用于于脆脆性性材材料料，断断裂裂韧韧性性的的测测量量方方法法与与抗抗折折强强度度测测量量方方法法相相类类似似（见见图图2-112-11）。不不同同之之处处是是在在弯弯曲曲试试样样中中部部预预制制一一个个0.1mm0.1mm左左右右宽宽的的小小口口，以以模模拟拟材材料料内内部部微微裂裂纹纹的的一一半半，然然后后加加载载后后测测量量其其断断裂裂韧韧性性K KICIC。K KICIC计算公式计算公式:Y Y-是是一一个个和和裂裂纹纹形形状状
15、及及加加载载方方式式有有关关的的无无量量纲纲系系数数 c c-裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展的的应应力力，即即断断裂裂应应力力，计计算算与与测量方法见式测量方法见式(2-4)(2-4)a a-材料内部裂纹长度的一半材料内部裂纹长度的一半第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第14页，本讲稿共111页七、材料的高温性能七、材料的高温性能1.1.高温强度高温强度 高高温温强强度度是是指指材材料料在在高高温温下下，抵抵抗抗外外力力载载荷荷所所引引起起的的应应变变或或断断裂裂的的能能力力。典典型型单单相相多多晶晶陶陶瓷瓷材材料料的的强强度度和和变变形形随随温温度度的的变变化化见见图图2-122-
16、12。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第15页，本讲稿共111页1.1.抗热震性抗热震性 材材料料的的抗抗热热震震性性(Thermal(Thermal Shock)Shock)是是指指材材料料抵抵抗抗温温度度变变化化能能力力的的大大小小，分分为为热热冲冲击击作作用用下下的的瞬瞬时时断断裂裂和和热热冲冲击击循循环环作作用用下下的的开开裂裂、剥剥落落，终终至至整整体体损损坏坏的的热热震震损损伤伤两两大大类类。水水急急冷冷条条件件下下平平板板件件表表面面及及中中心心处处产生的热应力产生的热应力s s为为 式中式中 -为热膨胀系数；为热膨胀系数；-为泊松比（取为泊松比（取=0.2=0
17、.2）；）；T T1 1-为从高温炉取出温度；为从高温炉取出温度；T T0 0为抛入介质温度；其余同前。为抛入介质温度；其余同前。第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第16页，本讲稿共111页 当当温温度度梯梯度度不不同同，在在一一定定冷冷却却条条件件下下产产生生的的热热应应力力为：为：其中，其中，为与为与BiotBiot模数模数B B有关的热应力衰减系数。有关的热应力衰减系数。为为判判断断材材料料抗抗热热冲冲击击的的能能力力，对对急急剧剧受受热热受受冷冷的的材材料料，通通常常把把达达到到断断裂裂强强度度f f所所对对应应的的临临界界温温差差参参数数TTc c叫叫热热震震参参数数
18、R R，工工程程中中常常利利用用R R衡衡量量材材料料抗抗热热震震的的能能力力，由由（2-122-12）知知，水水冷时的热震参数冷时的热震参数R R为：为：热震破坏的判据为实际温差热震破坏的判据为实际温差TT大于热震参数大于热震参数R:R:T R T R 第一节第一节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第17页，本讲稿共111页八、高弹性和粘流性八、高弹性和粘流性 在在外外力力作作用用下下，高高聚聚物物会会发发生生大大的的变变形形，当当外外力力去除后，其变形逐渐回复的性质称高弹性。去除后，其变形逐渐回复的性质称高弹性。粘流性是指高聚物粘性流动的性质。粘流性是指高聚物粘性流动的性质。第一节第一
19、节 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第18页，本讲稿共111页第二节 材料学基础一、金属学基础一、金属学基础(一一)金属的晶体结构金属的晶体结构1.1.晶体点阵和晶胞晶体点阵和晶胞 将将晶晶体体中中的的质质点点假假设设为为固固定定不不动动的的刚刚性性球球体体，而而晶晶体体就就是是由由这这些些刚刚性性球球体体堆堆垛垛而而成成的的，如如图图2-13(a)2-13(a)。若若用用许许多多平平行行的的直直线线将将这这些些原原子子刚刚球球连连接接起起来来，就就构构成成三三维维的的空空间间构构架架，如如图图2-13(b)2-13(b)。这这种种用用来来描描述述晶晶体体中中质质点点（原原子子、离离子子或
20、或分分子子）排排列列规规则则的的空空间间构构架架模模型型称称为为晶晶体体点点阵阵。为为了了描描述述晶晶胞胞内内的的几几何何特特征征和和质质点点空空间间位位置置，通通常常可可用用三三个个棱棱边边长长a a、b b、c c和和三三个个棱棱边边之之间间夹夹角角、来来进进行行，如如图图2-13(c)2-13(c)。其其中中a a、b b、c c又叫点阵常数。又叫点阵常数。第二节第二节 材料学基础材料学基础第19页，本讲稿共111页 2.2.金属的单晶体结构金属的单晶体结构 （1 1）体体心心立立方方晶晶体体结结构构 该该晶晶体体结结构构的的原原子子排排布布规规律律如图如图2-142-14所示。所示。（
21、2 2）面面心心立立方方晶晶体体结结构构 该该晶晶体体结结构构的的原原子子排排布布规规律律如如图图2-152-15所示所示 。（3 3）密密排排六六方方晶晶体体结结构构 该该晶晶体体结结构构的的原原子子排排布布规律如规律如图图2-162-16所示所示 。第二节第二节 材料学基础材料学基础第20页，本讲稿共111页 3 3晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数*晶晶向向是是晶晶格格中中各各种种原原子子列列的的位位向向，晶晶向向指指数数即即是是用用来来描描述述晶晶向向的的一一种种符符号号。图图2-172-17中中示示出出了了立立方方晶晶体体结结构构中中的的几几种晶向指数。种晶向指数。晶向指数可以按以
22、下步骤进行确定：晶向指数可以按以下步骤进行确定：1 1）从从晶晶胞胞的的同同一一点点（原原点点）引引出出三三个个棱棱边边作作为为坐坐标标轴轴X X、Y Y、Z Z，以棱边长度（即点阵常数）作为坐标轴的单位长度。，以棱边长度（即点阵常数）作为坐标轴的单位长度。2 2）自坐标原点引出一有向直线平行于所求的晶向）自坐标原点引出一有向直线平行于所求的晶向 3 3）在所引出的有向直线上任取一点，求出该点的坐标。）在所引出的有向直线上任取一点，求出该点的坐标。4 4）将将三三个个坐坐标标值值按按比比例例化化为为最最小小整整数数，依依次次写写在在“”括括号内，即为所求的晶向指数。号内，即为所求的晶向指数。第
23、二节第二节 材料学基础材料学基础第21页，本讲稿共111页 晶晶面面是是晶晶格格中中不不同同方方位位上上的的原原子子面面，用用来来描描述述晶面位置的符号即为晶面指数。晶面位置的符号即为晶面指数。图图2-182-18给出几种晶面指数类型。给出几种晶面指数类型。晶面指数按以下步骤进行确定：晶面指数按以下步骤进行确定：1 1）将将晶晶胞胞中中某某一一顶顶点点引引出出的的三三条条棱棱边边作作为为坐坐标标轴轴 X X、Y Y、Z Z，坐坐标标原原点点应应选选在在待待定定晶晶面面之之外外，以以免免出出现零截面。现零截面。2 2）以以晶晶胞胞的的棱棱边边长长为为度度量量单单位位，求求出出待待定定晶晶面面在在
24、各轴上的截距。各轴上的截距。3 3）取取各各截截距距的的倒倒数数，并并化化为为最最小小简简单单整整数数，放放在在圆圆括括号号“（）（）”内，即为求得的晶面指数。内，即为求得的晶面指数。第二节第二节 材料学基础材料学基础第22页，本讲稿共111页4.4.多晶结构多晶结构 大大块块金金属属材材料料通通常常是是由由许许多多小小晶晶体体组组成成的的，如如图图2-192-19。5.5.晶体缺陷晶体缺陷 (1)(1)点缺陷点缺陷 常常见见的的点点缺缺陷陷有有三三种种，即即空空位位、间间隙隙原原子子和和置置换换原原子，如子，如图图2-202-20所示。所示。(2)(2)线缺陷线缺陷 刃刃型型位位错错是是一一
25、种种比比较较典典型型的的线线缺缺陷陷，其其结结构构特特点如图点如图2-212-21所示。所示。(3)(3)面缺陷面缺陷 第二节第二节 材料学基础材料学基础第23页，本讲稿共111页（二）金属的结晶过程（二）金属的结晶过程 金金属属的的结结晶晶过过程程，可可用用冷冷却却曲曲线线描描述述，图图2-2-22a)22a)为为纯纯金金属属的的冷冷却却曲曲线线，它它表表明明了了熔熔融融金金属属经经缓缓慢慢冷冷却却所所表表现现出出的的温温度度随随时时间间的的变变化化规规律律。理理论论结结晶晶温温度度与与实实际际结结晶晶温温度度之之差差称称为为过过冷冷度度，用用TT表示。表示。TT=Tm Tm-T1T1 （2
26、-162-16）合合金金（或或非非纯纯金金属属）的的结结晶晶不不同同于于纯纯金金属属，图图2-2-22b)22b)为为Cu-NiCu-Ni合金的冷却曲线。合金的冷却曲线。研研究究还还表表明明，金金属属的的结结晶晶过过程程实实质质上上是是晶晶核核的的形形成成与与长长大大过过程程。图图2-232-23描描述述了了液液态态金金属属的的结结晶晶全全过过程。程。第二节第二节 材料学基础材料学基础第24页，本讲稿共111页（三）金属的同素异构转变（三）金属的同素异构转变 同同一一金金属属元元素素在在固固态态下下由由于于温温度度的的改改变变而而发发生生晶晶体体结结构构类类型型变变化化的的现现象象称称为为金金
27、属属的的同同素素异异构构(Allotropy)(Allotropy)转转变变。图图2-242-24铁铁的的同同素素异异构构转转变变冷却曲线。冷却曲线。第二节第二节 材料学基础材料学基础第25页，本讲稿共111页（四）合金的相（四）合金的相(Phase)(Phase)与相结构与相结构 合合金金是是指指由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素或或金金属属元元素素与与非非金金属属元元素素组组成成的的材材料料，组组成成合合金金的元素叫做组元。的元素叫做组元。第二节第二节 材料学基础材料学基础第26页，本讲稿共111页1.1.固溶体固溶体 当当合合金金组组元元之之间间以以不不同同比比例例相相
28、互互混混合合后后，若若所所形形成成的的固固相相晶晶体体结结构构与与组组成成合合金金的的某某一一组组元元相相同同，这种相称为固溶体。这种相称为固溶体。固固溶溶体体的的固固溶溶方方式式按按溶溶质质原原子子在在溶溶剂剂晶晶格格中中所所处处的的位位置置，又又可可分分为为间间隙隙固固溶溶体体和和置置换换固固溶溶体体，如如图图2-252-25所示。所示。2.2.金属化合物金属化合物 金金属属化化合合物物是是合合金金组组元元间间发发生生相相互互作作用用而而形形成成的的一一种种新新相相，它它的的晶晶体体结结构构类类型型和和性性能能不不同于任一组元，但具有金属性质。同于任一组元，但具有金属性质。第二节第二节 材
29、料学基础材料学基础第27页，本讲稿共111页（五）二元合金相图（五）二元合金相图(Phase Diagram)(Phase Diagram)1 1相图的建立方法与步骤相图的建立方法与步骤 以铜镍（以铜镍（Cu-NiCu-Ni）合金为例）合金为例,说明相图建立的基本步骤：说明相图建立的基本步骤：(1(1）配制一系列成分不同的合金。）配制一系列成分不同的合金。(2)(2)作作出出各各种种不不同同成成分分合合金金的的冷冷却却曲曲线线，并并找找出出冷冷却却曲曲线线上上相相变变点点（转转折点）的温度，如折点）的温度，如图图2-26(a)2-26(a)所示。所示。(3(3）以以温温度度为为纵纵座座标标、成
30、成分分为为横横座座标标建建立立一一个个直直角角座座标标系系，将将相相变变点分别标在这个座标系上，如图点分别标在这个座标系上，如图2-26(b)2-26(b)。(4(4）把把具具有有相相同同意意义义的的各各相相变变点点连连成成曲曲线线，即即将将所所有有上上相相变变点点相相连连，所所有有下下相相变变点点相相连连，则则构构成成了了图图2-262-26（b b）所所示示的的Cu-NiCu-Ni二二元元合金相图。合金相图。2 2匀晶相图匀晶相图 Cu-NiCu-Ni合金相图既是匀晶相图，合金相图既是匀晶相图，如如图图2 22727所示。所示。3 3共晶相图共晶相图 图图2-282-28为为PbPbSnS
31、n二元共晶相图。二元共晶相图。第二节第二节 材料学基础材料学基础第28页，本讲稿共111页（六）铁碳合金相图（六）铁碳合金相图 1 1铁碳合金的基本相铁碳合金的基本相 （1 1）铁铁素素体体 碳碳原原子子溶溶于于-Fe-Fe中中形形成成间间隙隙固固溶溶体体，原原子子排排列列仍仍为为体体心心立立方方点点阵阵，该该结结构构即即为为铁铁素素体体，用用F F或或表示。表示。（2 2）奥奥氏氏体体 碳碳原原子子若若溶溶于于-Fe-Fe中中，形形成成间间隙隙固固溶溶体体，仍保持面心立方晶体结构，该结构称为奥氏体，用仍保持面心立方晶体结构，该结构称为奥氏体，用A A或或表示。表示。（3 3）渗渗碳碳体体 是
32、是铁铁和和碳碳的的化化合合物物，含含碳碳量量为为6.69 6.69 wtwt，晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。2 2铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 图图2-29 2-29 为为简简化化的的铁铁碳碳合合金金相相图图。相相图图中中各各主主要要特特征征点点均均具具有有重重要要含含义义，连连接接各各特特征征点点将将组组成成特特征征线线，特特征征线线则则将将相相图图分分成成特征区，上述点、线、面及其含义说明列于特征区，上述点、线、面及其含义说明列于表表2-12-1。第二节第二节 材料学基础材料学基础第29页，本讲稿共111页3 3铁碳合金结晶过程分析铁碳合金结晶过程
33、分析 (1)(1)共共析析钢钢 成成分分对对应应共共析析点点S S的的铁铁碳碳合合金金为为共共析析钢钢（见见图图2-292-29）。图图2-302-30为为组组织织转转变变示示意意图图，图图2-312-31是是共共析析钢钢的显微组织。的显微组织。(2)(2)亚亚共共析析钢钢 通通常常将将含含碳碳量量在在共共析析成成分分（w w。=0.77=0.77）以以下下的的钢钢叫叫做做亚亚共共析析钢钢。亚亚共共析析钢钢的的结结晶晶过过程程的组织转变参见的组织转变参见图图2-322-32。(3)(3)过过共共析析钢钢 与与亚亚共共析析钢钢不不同同，通通常常将将含含碳碳量量超超过过共共析析成成分分0.77%0
34、.77%，但但小小于于2.112.11的的铁铁碳碳合合金金叫叫过过共共析析钢钢。二二次次渗渗碳碳体体通通常常呈呈网网络络状状分分布布在在珠珠光光体体周周围围，如如图图2-2-3333所示。所示。图图2-342-34为过共析钢的结晶过程组织转变示意图。为过共析钢的结晶过程组织转变示意图。(4)(4)白白口口铸铸铁铁 含含碳碳量量为为4.3 4.3 wt wt%的的铁铁碳碳合合金金叫叫共共晶晶白白口口铸铸铁铁，该该合合金金的的组组织织由由莱莱氏氏体体组组成成，它它是是共共晶晶产产物。物。图图2-352-35是亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图。是亚共晶白口铸铁的结晶过程示意图。图图2-362-36是亚
35、共晶白口铸铁的显微组织。是亚共晶白口铸铁的显微组织。第二节第二节 材料学基础材料学基础第30页，本讲稿共111页二、陶瓷（二、陶瓷（CeramicCeramic）材料学简介）材料学简介 （一）典型陶瓷的晶体结构（一）典型陶瓷的晶体结构 陶陶瓷瓷晶晶体体主主要要以以离离子子键键、共共价价键键为为主主，也也可可以以是是两两种种结结合合类类型的综合或是介于某两种类型之间的过渡型的综合或是介于某两种类型之间的过渡 1.1.氧化铝陶瓷的晶体结构及性能氧化铝陶瓷的晶体结构及性能 AlAl2 2O O3 3主主要要有有-Al-Al2 2O O3 3 ,-,-AlAl2 2O O3 3 ,-,-AlAl2 2
36、O O3 3三三种种同同素素异异构构晶晶体体，最最常常用用的的是是-AlAl2 2O O3 3 。-AlAl2 2O O3 3属属离离子子型型晶晶体体，其其晶晶体体结结构构见见图图2-372-37，力力学学性性能能见见表表2-22-2，该该结结构构最最紧紧密密，活活性性低低，高温稳定。高温稳定。2.2.氧化锆陶瓷的晶体结构氧化锆陶瓷的晶体结构 氧氧化化锆锆在在不不同同温温度度下下存存在在三三种种稳稳定定的的同同素素异异晶晶体体：从从高高温温到到室室温温分分别别为为液液相相(L)(L)单单斜斜相相(m-ZrO(m-ZrO2 2)正正方方相相(t-ZrO(t-ZrO2 2)立立方相方相(c-ZrO
37、(c-ZrO2 2)1010，见图，见图2-382-38。商业四方氧化锆陶瓷的典型力学和物理性能示于商业四方氧化锆陶瓷的典型力学和物理性能示于表表2-32-3。第二节第二节 材料学基础材料学基础第31页，本讲稿共111页（二）陶瓷显微组织及相结构（二）陶瓷显微组织及相结构 1.1.晶相晶相 2.2.晶界晶界 杂质在晶界上的存在方式见图杂质在晶界上的存在方式见图2-392-39。3.3.玻璃相玻璃相 4.4.气孔气孔（三）影响组织结构的因素（三）影响组织结构的因素 影影响响陶陶瓷瓷微微观观组组织织结结构构的的因因素素很很多多，归归纳纳起起来来主主要要有以下几种有以下几种 ：1.1.原料粉体原料粉
38、体 2.2.添加元素添加元素 3.3.烧结制度烧结制度 4.4.陶瓷材料的强韧化方法陶瓷材料的强韧化方法第二节第二节 材料学基础材料学基础第32页，本讲稿共111页三、高分子三、高分子(High Molecule)(High Molecule)材料学简介材料学简介 高高分分子子材材料料包包括括塑塑料料、橡橡胶胶、合合成成纤纤维维、油油漆漆和和胶胶粘粘剂剂等五种。通常分子量大于等五种。通常分子量大于1000010000的物质称为高分子化合物。的物质称为高分子化合物。第二节第二节 材料学基础材料学基础第33页，本讲稿共111页第三节 工程材料的分类、编号及用途一、金属材料一、金属材料（一）钢铁（一
39、）钢铁 1.1.普通碳素结构钢普通碳素结构钢 牌牌号号 普普通通碳碳素素结结构构钢钢的的牌牌号号由由QXXX-Y.ZQXXX-Y.Z四四部部分分组组成成，“Q Q”代代表表屈屈服服点点屈屈服服强强度度的的拼拼音音首首字字母母、XXXXXX代代表表屈屈服服应应力力数数值值、Y Y代代表表质质量量等等级级符符号号,Z Z代代表表脱脱氧氧方方法法。这这类类钢钢的的牌牌号号、化化学学成成分分及用途举例见及用途举例见表表2-42-4。2.2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 牌牌号号 优优质质碳碳素素结结构构钢钢的的牌牌号号由由两两个个数数字字XXXX组组成成,表表示示含含碳碳量量万万分之几。分之几。这类钢
40、的牌号及用途举例见表这类钢的牌号及用途举例见表2 25 5。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第34页，本讲稿共111页 3.3.碳素工具钢碳素工具钢 牌牌号号 碳碳素素工工具具钢钢的的牌牌号号由由T T XXXX两两部部分分组组成成,既既钢钢号号前前冠冠以以“碳碳”或或“T T”，表表示示碳碳素素工工具具钢钢，其其后后跟跟一一组组数数字字，表表示示含含碳碳量量的的千千分分之之几几。常常见见碳碳素素工工具具钢钢的的牌牌号号、化化学学成分及用途如成分及用途如表表2-62-6。4.4.合金结构钢合金结构钢 牌牌号号 合合金金结结构构钢钢的的牌牌号号编编排排原原则则是
41、是采采用用“数数字字+化化学学元元素素+数数字字”的的方方法法。表表2-72-7、2-82-8、2-92-9分分别别为为调调质质钢钢、渗碳钢、弹簧钢的牌号及用途。渗碳钢、弹簧钢的牌号及用途。5.5.工具钢工具钢 牌牌号号 合合金金工工具具钢钢的的牌牌号号编编排排原原则则与与合合金金结结构构钢钢基基本本相相似似，但但是是规规定定如如果果工工具具钢钢中中的的平平均均含含碳碳量量1.00%1.00%时时不不予予标标出出，含含碳碳量量1.00%1.00%时时，平平均均含含碳碳量量以以千千分分之之几几表表示示。表表2-102-10为低合金工具钢的牌号、化学成分及用途。为低合金工具钢的牌号、化学成分及用途
42、。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第35页，本讲稿共111页 6.6.灰口铸铁灰口铸铁 牌牌号号 灰灰口口铸铸铁铁牌牌号号由由“灰灰铁铁”二二字字汉汉语语拼拼音音“HTHT”和和后后续续三三个个数数字字组组成成，数数字字表表示示最最低低抗抗拉拉强强度度。表表2-112-11为为灰灰口口铸铸铁铁的牌号、化学成分及用途。的牌号、化学成分及用途。7.7.可锻铸铁可锻铸铁 牌牌号号 可可锻锻铸铸铁铁用用“KTKT“符符号号表表示示，其其后后的的两两项项数数字字分分别别表表示示最最低低抗抗拉拉强强度度和和伸伸长长率率。表表2-122-12是是可可锻锻铸铸铁铁的的牌牌号号
43、和和应应用举例。用举例。8.8.球墨铸铁球墨铸铁 牌牌号号 球球墨墨铸铸铁铁用用“QTQT”符符号号表表示示，牌牌号号中中的的数数字字与与可可锻锻铸铸铁牌号的数字意义相同。表铁牌号的数字意义相同。表2-132-13为球墨铸铁的牌号和应用举例。为球墨铸铁的牌号和应用举例。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第36页，本讲稿共111页（二）有色金属（二）有色金属 1 1纯铝纯铝 牌牌号号：纯纯铝铝的的牌牌号号用用 “L L”和和其其后后面面的的编编号号表表示示,“L L”是是“铝铝”字汉字拼音字首。字汉字拼音字首。2 2铝合金铝合金 （1 1）防锈铝合金）防锈铝合金
44、牌牌号号：防防锈锈铝铝合合金金的的牌牌号号用用“LFLF”表表示示，如如表表2-142-14所示为防锈铝合金的牌号及化学成分。所示为防锈铝合金的牌号及化学成分。（2 2）硬铝合金）硬铝合金 牌牌号号：硬硬铝铝合合金金的的牌牌号号用用“LYLY”表表示示，如如表表2-152-15所所示示。硬硬铝铝合合金金主主要要用用于于制制作作各各种种铆铆钉钉。超超硬硬铝铝合合金金用用符号符号“LCLC”表示，如表示，如表表2-162-16所示。所示。（3 3）锻铝合金）锻铝合金 牌牌号号：锻锻铝铝合合金金的的牌牌号号用用“LDLD”表表示示，表表2-172-17为为锻锻铝合金的牌号与化学成分。铝合金的牌号与化
45、学成分。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第37页，本讲稿共111页 3 3工业纯铜工业纯铜 牌牌号号 工工业业纯纯铜铜按按所所含含杂杂质质的的多多少少分分为为四四级级，编编号号方方法法以以“T T”（铜铜的的汉汉语语拼拼音音字字头头）为为首首，其其后后再再附附以以级级别别数数字字，数数字字越越小小，则则纯纯度度越越高高。表表2-182-18为为纯纯铜铜的的牌牌号号、化学成分和用途。化学成分和用途。4 4铜合金铜合金 （1 1）黄铜）黄铜 牌牌号号 黄黄铜铜是是以以锌锌为为主主要要合合金金元元素素的的铜铜合合金金，其其编编号号方方法法是是以以汉汉语语拼拼音音“H
46、 H”表表示示，后后面面的的两两位位数数字字表表示示合合金金中中含含铜铜量量的的百百分分数数。表表2-192-19是是黄黄铜铜的的牌牌号号、化化学学成成分及用途。分及用途。（2 2）青铜）青铜 牌牌号号 青青铜铜是是指指除除以以锌锌、镍镍为为主主要要合合金金元元素素以以外外的的铜铜合合金金，其编号用代号其编号用代号Q+Q+主要元素符号主要元素符号+主加元素的含量。主加元素的含量。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第38页，本讲稿共111页二、高分子材料二、高分子材料 （一）塑料（一）塑料 塑塑料料是是以以合合成成树树脂脂为为主主要要成成分分的的有有机机高高分分子
47、子材材料料。表表2-202-20、2-212-21、2-222-22列列出出了了在在机机械械制制造造工工业业中中各各种种不不同同用用途途的的零零件件所选用的塑料。所选用的塑料。（二）橡胶（二）橡胶 橡橡胶胶是是具具有有卷卷曲曲长长链链分分子子结结构构的的有有机机高高分分子子材材料料。表表2-232-23为为几几种主要橡胶产品的用途。种主要橡胶产品的用途。（三）有机纤维（三）有机纤维 有有机机纤纤维维可可分分为为天天然然纤纤维维和和化化学学纤纤维维。表表2-242-24为为几几种种主要合成纤维的用途。主要合成纤维的用途。（四）胶粘剂（四）胶粘剂 胶胶粘粘剂剂亦亦称称为为粘粘合合剂剂，是是一一类类
48、能能将将同同种种或或不不同同种种材材料料胶合在一起，并在交接面有足够强度的物质。胶合在一起，并在交接面有足够强度的物质。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第39页，本讲稿共111页三、无机非金属材料三、无机非金属材料 传传统统的的无无机机非非金金属属材材料料主主要要指指陶陶瓷瓷、玻玻璃璃、水水泥泥和和耐耐火火材材料料四四类类 。表表2-252-25、2-262-26、2-272-27示示出出了了部部分分陶陶瓷及其复合材料的性能瓷及其复合材料的性能。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第40页，本讲稿共111页四、复合材料四、复合材料
49、(Composites)(Composites)复复合合材材料料一一般般是是指指由由两两种种或或两两种种以以上上不不同同物物质质所所组组成成的的新新材材料料，至至少少一一种种物物质质是是增增强强相相，一一种种物物质质是是基基体体相相。复复合合材材料料的的分分类有以下四种：类有以下四种：1.1.以以基基体体类类型型分分类类：金金属属基基复复合合材材料料；树树脂脂基基复复合合材材料料；无无机机非非金金属属基基复合材料。复合材料。2.2.以以增增强强体体类类型型分分类类：碳碳纤纤维维复复合合材材料料；玻玻璃璃纤纤维维复复合合材材料料；有有机机纤纤维维复复合合材材料料；复复合合纤纤维维（SiCSiC、
50、B B）复复合合材材料料；混混杂杂纤纤维维复复合合材材料料；纳纳米米颗粒增强复合材料；金属陶瓷复合材料。颗粒增强复合材料；金属陶瓷复合材料。3.3.以以增增强强物物外外形形分分类类：连连续续纤纤维维增增强强复复合合材材料料；纤纤维维织织物物或或片片状状材材料料增强复合材料；短纤维增强复合材料；粒状填料复合材料。增强复合材料；短纤维增强复合材料；粒状填料复合材料。4.4.同同质质物物复复合合材材料料：碳碳纤纤维维增增强强复复合合材材料料；不不同同密密度度聚聚合合物物复复合合的的复复合材料。合材料。第三节第三节 工程材料的分类、编号及用途工程材料的分类、编号及用途第41页，本讲稿共111页本章学习