工程材料的分类及性能（一）
材料的分类材料的种类繁多，用途广泛。工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类：
金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。
随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。所以在工业中的应用日益广泛。作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。
金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。
材料的性能
一、力学性能
材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力σ和应变ε，σ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值。 设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描述材料强度的指标至少就有两个以上。
一般来说，描述材料力学性能的指标有以下几项：
1． 弹性和刚度
材料的这种不产生永久残余变形的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为σe。材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）称为弹性模量。E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。零件提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度的升高而逐渐降低。
2．强度在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度。（1）不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。当曲出现水平线段，表示外加载荷虽然没有增加，但试样的变形量仍自动增大，这种现象称为屈服。屈服时的应力值称为屈服强度，记为σS。有的塑性材料没有明显的屈服现象发生，对于这种情况，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2表示。机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据也是评定金属材料承载能力的重要机械性能指标。材料的屈服强度越高，允许的工作应力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以较小。（2）抗拉强度σb 材料发生屈服后，到最高点应力达最大值σb。在这以后，试样产生“缩颈”，迅速伸长，应力明显下降，最后断裂。最大应力值σb称为抗拉强度或强度极限。它也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。σb测量方便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考虑，可用作为设计依据，但所取的安全系数应该大一些。屈服强度与抗拉强度的比值σS/σb称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。
3．塑性材料在外力作用下，产生永久残余变形而不被断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸实验测得的。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。（1） 延伸率δ 试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号δ表示，即式中：L0 试样原始标距长度； L1 试样拉断后的标距长度。（2） 断面收缩率ψ 试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号ψ表示，即式中：F0 试样原始的横截面积； F1 试样拉断处的横截面积。延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指标外，还要求一定塑性指标的道理。材料的δ和ψ值越大，塑性越好。两者相比，用ψ表示塑性更接近材料的真实应变。
4．硬度
硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。硬度测试应用得最广的是压入法，即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小或压痕深度来确定硬度值。从这个意义来说，硬度反映材料表面抵抗其它物体压入的能力。工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
（1）布氏硬度HB
布氏硬度是用一定载荷P，将直径为D 的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积F确定硬度大小。其单位面积所受载荷称为布氏硬度。
由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。当测试压头为淬火钢球时，只能测试硬度小于450HB的材料；当测试压头为硬质合金时，可测试硬度小于650HB的材料。对金属来讲，钢球压头只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。材料的σb与HB之间，有以下近似经验关系：
对于低碳钢：σb≈0.36HB；
对于高碳钢：σb≈0.34HB；
对于灰铸铁：σb≈0.10HB。
（2）洛氏硬度HR
洛氏硬度是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度来确定硬度值。根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种。
HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；
HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；
HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。
洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。
（3）维氏硬度HV
维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小（5～120kgf）。它所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。
5．疲劳强度
以上几项性能指标，都是材料在静载荷作用下的性能指标。而许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的交变载荷，在这种载荷反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力下即发生断裂，这种现象称为“疲劳”。材料在规定次数（一般钢铁材料取107次，有色金属及其合金取108次）的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力称为“疲劳极限”。光滑试样的弯曲疲劳极限用σ－1表示。一般钢铁的σ－1值约为其σb的一半，非金属材料的疲劳极限一般远低于金属。
疲劳断裂的原因一般认为是由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。
通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷，提高零件表面光洁度，对表面进行强化等，可以提高材料的疲劳抗力。
6．韧性
材料的韧性是断裂时所需能量的度量。描述材料韧性的指标通常有两种：
（1）冲击韧性aK
冲击韧性是在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。通常用冲击韧性指标aK来度量。aK是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（MJ），其单位为MJ/m2。aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。
标准冲击试样有两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为U型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为V型）。同一条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的aK值显著大于夏氏试样的aK值，所以两种试样的aK值不能互相比较。夏氏试样必须注明aK（夏）。
实际工作中承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是因小能量多次冲击使损伤积累，导致裂纹产生和扩展的结果。所以需采用小能量多冲击作为衡量这些零件承受冲击抗力的指标。实践证明，在小能量多次冲击下，冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。
（2）断裂韧性K1
在实际生产中，有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在其工作应力远低于σS的情况下，突然发生低应力脆断。通过大量研究认为，这种破坏与制件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。实际使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如气孔、夹杂物、机械缺陷等，它们破坏了材料的连续性，实际上成为材料内部的微裂纹。在服役过程中，裂纹扩展的结果，造成零件在较低应力状态下，即低于材料的屈服强度，而材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下，发生低应力脆断。
材料中存在的微裂纹，在外加应力的作用下，裂纹尖端处存在有较大的应力集中和应力场。断裂力学分析指出，这一应力场的强弱程度可用应力强度因子K1来描述。K1值的大小与裂纹尺寸（2a）和外加应力（σ）有如下关系：
（MN/m3/2）
式中：Y 与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数；
σ 外加应力；
a 裂纹的半长。
由上式可见，随应力的增大，K1也随之增大，当K1增大到一定值时，就可使裂纹前端某一区域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展，发生脆断。这个K1的临界值称为临界应力强度因子或断裂韧性，用K1C表示。它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力。
材料的断裂韧性K1C与裂纹的形状、大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（成分、热处理条件、加工工艺等），是一个反映材料性能的常数。
文章关键词： 工程 材料 分类
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