第一篇　工程材料的性能和基本特征

第1章　工程領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊��?/span>

1.1　工程零構(gòu)件所受各種負(fù)荷概述

工程構(gòu)件與機(jī)械零件（以下簡稱零件或構(gòu)件）在工作條件下可能受到力學(xué)負(fù)

荷、熱負(fù)荷或環(huán)境介質(zhì)的作用，有時(shí)只受到一種負(fù)荷作用，更多的時(shí)候?qū)⑹艿絻煞N

或兩種以上負(fù)荷的同時(shí)作用。在力學(xué)負(fù)荷作用條件下，零件將產(chǎn)生變形，甚至出現(xiàn)

斷裂等；在熱負(fù)荷作用下，將產(chǎn)生熱脹冷縮，導(dǎo)致尺寸和體積的改變，并產(chǎn)生熱應(yīng)

力，同時(shí)隨溫度的升高零件的承載能力下降，隨溫度降低零件脆化等；環(huán)境介質(zhì)的

作用主要表現(xiàn)為環(huán)境對零件表面造成的化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕及摩擦磨損等。

1.1.1　力學(xué)負(fù)荷

按負(fù)荷（載荷）隨時(shí)間變化的情況，可把負(fù)荷分成靜負(fù)荷和動(dòng)負(fù)荷。若負(fù)荷緩

慢地由零增加到某一定值以后保持不變或變動(dòng)很不顯著，即為靜負(fù)荷，如機(jī)器的重

量對基礎(chǔ)的作用。若負(fù)荷隨時(shí)間而顯著變化，則為動(dòng)負(fù)荷，如鋼材鍛造時(shí)錘頭對毛

坯的作用。

1.靜負(fù)荷

作用在機(jī)械零件上的靜負(fù)荷分為4種基本形式，即拉伸或壓縮、剪切、扭轉(zhuǎn)和

彎曲。

　圖1-1　受力桿件

1）拉伸或壓縮負(fù)荷

圖1-1（a）表示一簡易吊車，在負(fù)荷P作

用下，AC桿受到拉伸負(fù)荷作用（圖1-1（b）），

而BC桿受到壓縮負(fù)荷作用（圖1-1（c））。拉

伸負(fù)荷或壓縮負(fù)荷是由大小相等、方向相反、

作用線與桿件軸線重合的一對力引起的。這類

負(fù)荷使桿件的長度發(fā)生伸長或縮短。起吊重物

的鋼索、桁架的桿件、液壓油缸的活塞桿等，

在工作時(shí)都受到拉伸負(fù)荷或壓縮負(fù)荷的作用，

產(chǎn)生拉伸或壓縮變形。

2）剪切負(fù)荷

圖1-2（a）表示一鉚釘連接組件，在P力

作用下，鉚釘受到剪切負(fù)荷作用。剪切負(fù)荷是由大小相等、方向相反、作用線垂直

于桿軸且距離很近的一對力引起的。剪切負(fù)荷使受剪桿件的兩部分沿外力作用方向

發(fā)生相對的錯(cuò)動(dòng)（圖1-2（b）），產(chǎn)生剪切變形，甚至受力過大時(shí)發(fā)生切斷。機(jī)械

中常用的連接件（如鍵、銷釘、螺栓等）都受剪切負(fù)荷作用。

圖1-2　鉚釘連接

3）扭轉(zhuǎn)負(fù)荷

圖1-3（a）所示汽車轉(zhuǎn)向軸在工作時(shí)承受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷作用。扭轉(zhuǎn)負(fù)荷是由大小相

等、方向相反、作用面垂直于桿軸的一對力偶引起的（圖1-3（b））。扭轉(zhuǎn)負(fù)荷使

桿件的任意兩個(gè)橫截面發(fā)生繞軸線的相對轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。汽車的傳動(dòng)軸、電

動(dòng)機(jī)和水輪機(jī)的主軸等都受扭轉(zhuǎn)負(fù)荷作用。

4）彎曲負(fù)荷

圖1-4（a）所示為火車輪軸發(fā)生彎曲變形。彎曲負(fù)荷是由垂直于桿件軸線的橫

向力，或由作用于包含桿軸的縱向平面內(nèi)的一對大小相等、方向相反的力偶引起的

（圖1-4（b））。彎曲負(fù)荷使桿件軸線由直線變?yōu)榍�線，產(chǎn)生彎曲變形。在工程中，

桿件受彎曲負(fù)荷作用是最常遇到的情況之一，橋式吊車的大梁、各種心軸以及車刀

等都受彎曲負(fù)荷作用。

圖1-3　方向盤圖

圖1-4　火車輪軸

很多零件同時(shí)承受幾種負(fù)荷作用，例如，車床主軸工作時(shí)承受彎曲、扭轉(zhuǎn)與壓

縮三種負(fù)荷作用，鉆床工作時(shí)其立柱同時(shí)承受拉伸與彎曲兩種負(fù)荷作用，在這些情

況下，產(chǎn)生組合變形。

2.動(dòng)負(fù)荷

按負(fù)荷隨時(shí)間變化的方式，動(dòng)負(fù)荷可分為變動(dòng)負(fù)荷與沖擊負(fù)荷。

1）變動(dòng)負(fù)荷

變動(dòng)負(fù)荷是大小或大小和方向隨時(shí)間按一定的規(guī)律作周期性變化的負(fù)荷，或呈

無規(guī)則隨機(jī)變化的負(fù)荷，前者稱為周期變動(dòng)負(fù)荷（又稱循環(huán)負(fù)荷），后者稱為隨機(jī)

變動(dòng)負(fù)荷。周期變動(dòng)負(fù)荷又分交變負(fù)荷和重復(fù)負(fù)荷。交變負(fù)荷是指負(fù)荷大小和方向

均隨時(shí)間作周期性變化的負(fù)荷（圖1-5（a），應(yīng)力作正、負(fù)向循環(huán)變化），火車的車

軸和曲軸軸頸上的一點(diǎn)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受的負(fù)荷就是交變負(fù)荷。重復(fù)負(fù)荷是指負(fù)荷

大小作周期性變化，但方向不變的變動(dòng)負(fù)荷（圖1-5（b）），齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)作用于每

一個(gè)齒根受拉側(cè)的負(fù)荷就是重復(fù)負(fù)荷。汽車、拖拉機(jī)等在不平坦的路面上行駛，它

的許多機(jī)件常受偶然沖擊，所承受的負(fù)荷就是隨機(jī)變動(dòng)負(fù)荷（圖1-5（c））。零件在

變動(dòng)負(fù)荷作用時(shí)的主要破壞形式是疲勞斷裂（詳見1.2節(jié)），據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，在

各類機(jī)件的斷裂失效中疲勞斷裂占80%以上。

圖1-5　變動(dòng)負(fù)荷示意圖

2）沖擊負(fù)荷

沖擊負(fù)荷則是物體的運(yùn)動(dòng)在瞬時(shí)內(nèi)發(fā)生突然變化所引起的負(fù)荷，如急剎車時(shí)飛

輪的輪軸、鍛造時(shí)汽錘的錘桿等都受到?jīng)_擊負(fù)荷的作用。零件在沖擊負(fù)荷作用下的

失效形式通常為過量彈性變形、過量塑性變形，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生斷裂。

1.1.2　熱負(fù)荷

有些零件是在高溫或低溫條件下服役的。高溫使工程材料的力學(xué)性能下降，并

可能發(fā)生氧化。另外溫度反復(fù)變化還會引起熱疲勞，溫度急劇變化時(shí)會產(chǎn)生熱沖

擊。低溫下材料會變脆。

首先，高溫下材料的強(qiáng)度隨溫度升高而降低，如常溫下拉伸強(qiáng)度為420MPa的

20鋼，在450℃時(shí)拉伸強(qiáng)度降為330MPa。

其次，高溫下材料強(qiáng)度隨加載時(shí)間的延長而降低（在低溫下，材料的強(qiáng)度基本

不受加載時(shí)間的影響）。例如，20鋼在450℃的短時(shí)抗拉強(qiáng)度為330MPa，若試樣

僅承受230MPa的應(yīng)力，在該溫度下持續(xù)工作300h就會發(fā)生斷裂；如果將應(yīng)力降

至120MPa，持續(xù)10000h才會發(fā)生斷裂。在給定溫度和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，使試樣發(fā)

生斷裂的應(yīng)力稱為持久強(qiáng)度。同時(shí)，材料在長時(shí)間的高溫作用下，即使應(yīng)力小于其

屈服強(qiáng)度，也會慢慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為高溫蠕變。一般來說，只有當(dāng)

溫度超過0.3Tm（Tm為材料的熔點(diǎn)，以K為單位）時(shí)，才出現(xiàn)較明顯的蠕變。

在高溫下服役的零構(gòu)件，如蒸汽鍋爐、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及

火箭、原子能裝置等，要求用高溫強(qiáng)度好、熱穩(wěn)定性高的材料來制造。

第三，許多零件在不斷變化的溫度下工作，零件各部分受熱（或冷卻）存在著

先后順序與不均勻性，引起膨脹（或收縮）的非同時(shí)與不一致，從而在零件內(nèi)部產(chǎn)

生的應(yīng)力叫做熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的存在降低了零件的實(shí)際承載能力，會使零件產(chǎn)生熱

變形，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生開裂。

第四，急劇加熱或冷卻會使零件產(chǎn)生劇烈的溫度變化，該零件會產(chǎn)生沖擊熱應(yīng)

力，這種現(xiàn)象叫做熱振或熱沖擊。熱沖擊對脆性材料（比如陶瓷）尤其有害，通常

會導(dǎo)致零件的突然破壞，如將Al2O3陶瓷管直接放入1200℃的鹽浴中會立即發(fā)生

爆裂。材料抗熱沖擊破壞的能力對于承受溫度急劇變化的零件非常重要，如火箭噴

嘴瞬時(shí)要承受高達(dá)3000~4000K的高溫，除了要求材料熔點(diǎn)高以外，對其抗熱沖

擊破壞性能的要求也非常高。

第五，溫度交替變化會引起熱應(yīng)力的交替變化，當(dāng)交變熱應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較多

時(shí)，會在零件的表面產(chǎn)生龜裂而導(dǎo)致破壞，這種現(xiàn)象稱為熱疲勞。熱疲勞裂紋一般

發(fā)生在金屬零件的表面。鍋爐的過熱器、汽包，汽輪機(jī)的汽缸、隔板，都有出現(xiàn)熱

疲勞的可能性。

最后，低溫下材料的性能也會發(fā)生變化。多數(shù)工程材料在室溫或室溫以上表現(xiàn)

為韌性狀態(tài)，但在低溫下會由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種現(xiàn)象稱為低溫脆性

（詳見1.2節(jié)中沖擊韌性）。壓力容器、橋梁和船舶結(jié)構(gòu)以及在低溫下服役的機(jī)件，

就需考慮材料的低溫脆化問題。

1.1.3　環(huán)境介質(zhì)的作用

環(huán)境介質(zhì)對零件的作用主要有腐蝕（金屬材料最典型）、摩擦磨損以及老化作

用（塑料等最顯著）。

1.腐蝕作用

根據(jù)腐蝕的過程和腐蝕機(jī)理，可將腐蝕分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕

三大類。由于金屬材料的化學(xué)性質(zhì)相對活潑，最容易受到環(huán)境介質(zhì)的腐蝕作用。

化學(xué)腐蝕是指材料與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)過程中不產(chǎn)生電流的

腐蝕過程，如零件在高溫氣體中或在不導(dǎo)電的液體（如汽油、苯類等）中的腐蝕。

電化學(xué)腐蝕最常見，是指金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程

中有電流產(chǎn)生的腐蝕過程，如鋼鐵在大氣中生銹、地下輸油管道在土壤里的腐蝕穿

孔等。

物理腐蝕是指單純的物理溶解而產(chǎn)生的腐蝕，如零件在熔鹽中、液態(tài)金屬中的

腐蝕。

2.摩擦磨損作用

任何在接觸狀態(tài)下發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的零件之間（如軸與軸承、活塞環(huán)與汽缸套、

齒輪與齒輪等）都會發(fā)生摩擦。零件在摩擦過程中其表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損

的現(xiàn)象叫做磨損。最常見磨損類型的有黏著磨損、磨粒磨損、表面疲勞磨損和腐蝕

磨損四種。

黏著磨損為摩擦副接觸面局部發(fā)生材料的黏著、擴(kuò)散而引起的磨損，如鋁活塞

和汽缸體之間的磨損。磨粒磨損是指硬凸物在接觸表面的微切削引起的磨損，如滑

動(dòng)軸承的磨損。表面疲勞磨損是指表層或亞表層在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生的麻點(diǎn)

剝落，如滾動(dòng)軸承、車輪和鐵軌的磨損。腐蝕磨損是指零件在摩擦過程中同時(shí)受周

圍介質(zhì)腐蝕作用造成的表面材料損失和遷移現(xiàn)象，比如，由于潤滑油中含有腐蝕性

化學(xué)成分和灰塵等磨料時(shí)，對機(jī)床導(dǎo)軌、滑動(dòng)軸承的磨損。

3.老化作用

塑料等高分子材料在加工、儲存和使用過程中，由于受各種環(huán)境因素的作用導(dǎo)

致性能逐漸變壞，以致喪失使用價(jià)值的現(xiàn)象叫做老化。例如，農(nóng)用薄膜經(jīng)日曬雨

淋，發(fā)生變色、變脆和透明度下降；玻璃鋼制品長期暴露在大氣中，其表面逐漸露

出玻璃纖維（起毛）、變色、失去光澤，并且強(qiáng)度下降；汽車輪胎和自行車輪胎儲

存或使用中發(fā)生龜裂等。

1.2　工程設(shè)計(jì)制造所需要的材料力學(xué)性能

1.2.1　整機(jī)性能、零部件性能與材料性能

機(jī)器是零件（或部件）間有確定的相對運(yùn)動(dòng)、用來轉(zhuǎn)換或利用機(jī)械能的機(jī)械。

機(jī)器一般由零件、部件（若干零件的組合，具備一定功能）組成一個(gè)整體。因此，

一部機(jī)器的整機(jī)性能除與機(jī)器構(gòu)造、加工與制造等因素有關(guān)外，主要取決于零部件

的結(jié)構(gòu)與性能，尤其是關(guān)鍵件的性能，如機(jī)床的主軸、導(dǎo)軌、傳動(dòng)齒輪及柴油機(jī)的

曲軸、連桿、精密偶件等。

金屬切削機(jī)床（車床、銑床等）要能對金屬坯料或工件進(jìn)行有效而高質(zhì)量的加

工，其主軸組件、支承件（床身等）、導(dǎo)軌及傳動(dòng)裝置等必須處于良好的工作狀態(tài)。

主軸的剛度、強(qiáng)度或韌性不足，導(dǎo)軌的磨損，傳動(dòng)齒輪因種種原因造成破損或失效

而影響功率與扭矩的傳遞以及傳動(dòng)精度的下降等，都會嚴(yán)重地妨礙機(jī)床的正常工

作，以至無法進(jìn)行切削加工。

柴油機(jī)是以柴油為燃料的往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，靠燃油在汽缸內(nèi)的高溫高壓空氣

中霧化、壓縮、自動(dòng)燃燒所釋放的能量推動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)

換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功。柴油機(jī)的性能主要由噴油系統(tǒng)（噴油泵）、連桿、曲軸以及活

塞與汽缸的性能所決定。例如，噴油泵的噴油狀況（即霧化程度，由三副精密偶件

控制）決定了柴油機(jī)的燃燒質(zhì)量與燃油消耗，汽缸缸套的磨損又決定了柴油機(jī)的大

修期，而連桿與曲軸的力學(xué)性能則是柴油機(jī)安全可靠工作的基本保證。

因此，可以認(rèn)為：在合理而優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)上，機(jī)器的性能主要由其

重要零部件的強(qiáng)度及其他相關(guān)性能來決定。

機(jī)械零件的強(qiáng)度一般表現(xiàn)為短時(shí)承載能力和長期使用壽命。它是由許多因素確

定的，其中結(jié)構(gòu)因素、加工工藝因素和材料因素起主要作用。此外，使用因素對壽

命也起很大作用。結(jié)構(gòu)因素指零件在整機(jī)中的作用、零件的形狀和尺寸，以及與其

他連接件的配合關(guān)系等。加工工藝因素指全部加工工藝過程對零件強(qiáng)度所產(chǎn)生的影

響。材料因素指材料的成分、組織與性能，這三個(gè)因素各自有獨(dú)立的作用，又相互

影響，在解決與零件強(qiáng)度有關(guān)的問題時(shí)必須綜合加以考慮。在結(jié)構(gòu)因素和加工工藝

因素正確合理的條件下，大多數(shù)零件的體積、重量、性能和壽命主要由材料因素

（即材料的強(qiáng)度及其他力學(xué)性能）所決定。

在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，主要是根據(jù)零件所承受的負(fù)荷和失效的方式正確選擇材料

的性能指標(biāo)（主要是強(qiáng)度等力學(xué)性能）來進(jìn)行定量計(jì)算，以確定產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和零件

的尺寸。

材料性能可分為使用性能和工藝性能兩大類。材料的使用性能包括力學(xué)性能、

物理性能和化學(xué)性能等。

1.2.2　工程材料的基本力學(xué)性能

材料的力學(xué)性能（也稱機(jī)械性能）是指材料在不同環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)）

下，承受外加負(fù)荷作用時(shí)所表現(xiàn)的行為。這種行為通常表現(xiàn)為材料的變形和斷裂。

因此，材料的力學(xué)性能可以理解為材料抵抗外加負(fù)荷所引起的變形和斷裂的能力。

當(dāng)外加負(fù)荷的性質(zhì)、環(huán)境溫度與介質(zhì)等外在因素不同時(shí)，對材料要求的力學(xué)性能指

標(biāo)也不相同。室溫下常用的力學(xué)性能有強(qiáng)度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌

性、斷裂韌性和疲勞極限等。

1.拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1-6為低碳鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變（σ-ε）圖（GB/T228-2002）。

圖1-6　低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變圖

應(yīng)力σ＝P/F0；應(yīng)變ε＝Δl/l0；P-外力；F0-試樣原始橫截面積；l0-試件標(biāo)距長；Δl-試件的總伸長

（l1-l0）；l1-斷裂后標(biāo)距長；δE-延伸率（總塑性應(yīng)變）；εE-E點(diǎn)時(shí)的總應(yīng)變（含彈性應(yīng)變及塑性應(yīng)變）