绪论
1、为什么要学习机械工程材料？工程材料是现代技术中四大支柱之一。
目前，机械工业生产中应用最广的金属材料，在各种机器设备所用材料中，约占 90%以上。
金属材料来源丰富，具有优良的使用性能与工艺性能。高分子材料和陶瓷材料具有一些特性，如
耐蚀、电绝缘性、隔音，减振，耐高温(陶瓷材料)、质轻，原料来源丰富、价廉以及成型加工容
易等优点，
人类为了生存和生产，总是不断地探索、寻找制造生产工具的材料，每一新材料的发现和应
用，都会促使生产力向前发展，并给人类生活带来巨大的变革，把人类社会和物质文明推向一个
新的阶段。工程材料是现代技术中四大支柱之一。
2、本课的学习方法
本课程具有较强的理论性和应用性，学习中应注重于分析、理解与运用，并注意前后知识的
综合应用，为了提高分析问题，解决问题的独立工作能力，在系统的理论学习外，还要注意密切
联系生产实际，重视实验环节，认真完成作业；学习本课程之前，学生应具有必要的生产实践的
感性认识和专业基础知识。
3、学完本课的应达到的基本要求。
①熟悉常用机械工程材料的成分、加工工艺、组织结构与性能间关系及其变化规律。
①初步掌握常用机械工程材料的性能和应用，并初步具备选用常用材料能力。
①初步具有正确选定一般机械零件的热处理方法及确定其工序位置能力。
第一章 工程材料的主要性能
金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量，包括使用性能和工艺性能。
§1-1 材料的使用性能
使用性能是指材料在使用过程中所表现出来的特性。包括材料的物理性能、化学性能和力学
性能。
一、 材料的力学性能
金属材料的力学性能是指材料在载荷作用下所表现出来的特性（即金属材料在载荷作用下所
显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能）。它取决于材料本身的化学成分和
材料的微观组织结构。
常用的力学性能指标有强度、刚度、塑性、硬度、韧度等。
1、强度、刚度与塑性
金属材料的强度、刚度与塑性可通过静拉伸试验（工程力学已讲过）测得，如图 1-1a）所示。
图 1-1 力—伸长曲线和拉伸式样 1-2 应力—应变曲线
力-伸长曲线（也叫拉伸曲线）为了消除试样尺寸影响，引入应力-应变曲线，如图 1-2 所示。
应力-应变曲线的形状与力-伸长曲线相似，只是坐标和数值不同，从中，可以看出金属材料
的一些力学性能。
（1）强度 是指材料在载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力。强度的大小通常用应力表示，
符号为σ，单位为 MPa（兆帕）。工程上常用的强度指标有：屈服点和抗拉强度等。
① 屈服点σs（σ）
由曲线 1-2 可知：σe 是试样保持弹性变形的最大应力；当应力＞σe 时，产生塑性变形；当应
力达σs 时，试样变形出现屈服。此时的应力称为材料的屈服点（σs）：
（MPa）
式中 Fs—试样屈服时所承受的载荷（N）
S0—试样原始横截面积（mm2）
有些材料用规定残余伸长应力σr 来表示它的屈服点，如图 1-3 所
示。表示此应力的符号，如：σ 表示规定残余伸长率为 %时的应
力值（经常写成σ）：
（MPa）
式中 —残余伸长率达 %时的载荷（N）；
S0—试样原始横截面积（mm2）。
① 抗拉强度σb
o
s
s S
F
0
20
20 S
F .r
.r
图 1-3 规定残余伸长应力示意图
试样拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb 表示：
(MPa)
式中 Fb—试样在拉伸过程中所承受的最大载荷（N）
So—试样原始横截面积（mm2）
在实际生产中，σs 是工程中塑性材料零件设计及计算的重要依据，σ 则是不产生明显屈服
现象零件的设计计算依据。有时可直接采用抗拉强度σb 加安全系数。
在工程上，把σs/σb 称为屈强比。屈强比一般取值在 ～。
（2）刚度
材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，它表示材料产生弹性变形的难易程度。刚度的大
小，通常用弹性模量 E（单向拉伸或压缩时）及 G（剪切或扭转时）来评价。
（3）塑性
塑性是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。常用的性能指标：
① 断后伸长率
断后伸长率是指试样拉断后标距长度的伸长量与原标距长度的百分比。用符号δ表示：
式中 L0—试样原标距长度（mm）
L1—试样拉断后对接的标距长度（mm）
伸长率的数值和试样标距长度有关。δ10 表示长试样的断后伸长率（通常写成δ），δ5 表示短
试样的断后伸长率。同种材料的δ5>δ10，所以相同符号的伸长率才能进行比较。
① 断面收缩率
断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号
ψ表示：
式中 So—试样原始横截面积（mm2）；
S1—试样拉断后缩颈处最小横截面积（mm2）。
断面收缩率不受试样尺寸的影响，比较确切地反映了材料的塑性。一般δ或ψ值越大，材料
塑性越好。
o
b
b S
F
%100
0
21
L
LL
%100
0
10
S
SS
2．冲击韧度
上述都是静态力学性能指标。在实际生产中，许多零件是在冲击载荷作用下工作的，如冲床
的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。对这类零件，不仅要满足在静载荷作用下的性能要求，还应
具有足够的韧性，可防止发生突然的脆性断裂。
图 1-7 夏比冲击试验原理图 图 1-8 钢的脆性转变温度
1-支座；2-试样；3-指针；4-摆锤；
韧性是指材料在塑性变形 和断裂过程中吸收能量的能力。
材料突然脆性断裂除取决于材料的本身因素以外，还和外界条件，特别是加载速率、应力状
态及温度、介质的影响有很大的关系。
金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。冲击试验法（夏比冲击试验），
如图 1-7 所示。
摆锤一次冲断试样所消耗的能量用符号 Ak 表示：
Ak=mgh1－mgh2=mg（h1－h2）
Ak—冲击吸收功，单位为（J），由试验机刻度盘上直接读出。
材料的冲击韧度：
（J/cm2）
式中 So—试样缺口横截面积
对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功 Ak 越大，材料的韧性越好。但由于测出的冲击吸收
功 Ak 的组成比较复杂，所以有时测得的 Ak 值及计算出的冲击韧度 ak 不能真正反映材料的韧脆性
0S
A
aK
K
质。
冲击吸收功与温度有关，如图 1-8 示。
冲击吸收功还与试样形状、尺寸、表面粗糙度、内部组织和缺陷等有关。所以冲击吸收功一
般只能作为选材的参考，而不能直接用于强度计算。
3．疲劳强度
（1）疲劳断裂
某些机械零件，在工作应力低于其屈服强度甚至是弹性极限的情况下发生断裂称为疲劳断裂。
疲劳断裂不管是脆性材料还是韧性材料，都是突发性的，
事先均无明显的塑性变形，具有很大的危险性。
（2）疲劳强度
旋转弯曲疲劳曲线如图 1-9 所示。由曲线可以看出，
应力值σ越低，断裂前的循环次数越多；我们把试样承受无
数次应力循环或达到规定的循环次数才断裂的最大应力，
作为材料的疲劳强度。通常规定钢铁材料的循环基数为
107；非铁金属的循环基数为 108；腐蚀介质作用下的循环
基数为 106。 图 1-9 疲劳曲线示意图
