第1章 零部件对材料性能的要求

一、内容提要

1．零部件所受的各种负荷

工程构件与机械零件（以下简称构件或零件）在工作条件下可能受到：

（1）力学负荷。零件受到的各种外力加载，在力学负荷作用条件下，零件将产生变形（如弹性变形、塑性变形等），甚至出现断裂；

（2）热负荷。温度变化，在热负荷作用下，零件将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；

（3）环境介质的作用。零件服役条件状况，环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀、电化学腐蚀、摩擦磨损和老化等。

零件在工作条件下受到的负荷有时只受到一种负荷作用，但更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。

2．工程设计与加工工艺所需要的材料性能

机器是零件（或部件）间有确定的相对运动、用来转换或利用机械能的机械。机器一般是由零件、部件（为若干零件的组合，具备一定功能）组成一个整体，因此一部机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，还取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的材料性能。零件的性能由许多因素确定，其中材料因素（材料的成分、组织与性能）、加工工艺因素（各加工工艺过程中对零件性能的所产生的影响）和结构因素（零件的形状、尺寸、与连接件的关系等）起主要作用，此外，使用因素也起较大作用。在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、质量、性能和寿命主要由材料因素所决定。

材料的性能是指材料的使用性能和工艺性能。材料的使用性能——材料在使用过程中所具有的功用，包括力学性能和理化性能。材料的力学性能——抗各种外力的能力，常用的材料力学性能指标及说明见表1-1-1。

材料的理化性能是指材料的物理性能——表征材料固有的物理特征，如密度、熔点、热膨胀性、导电性等等；材料的化学性能——表征材料抗介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗腐蚀性、抗氧化性等。

材料的工艺性能——指制造加工过程中材料适应制造加工的能力，反映材料制造加工的难易程度，如铸造性、可锻性、可焊性、热处理工艺性等。

材料的性能指标是设计、制造零件和工具的重要依据。

3．工程材料的类别及主要特征

1）工程材料的类别

现代工程材料种类繁多，有许多不同的分类方法。工程中使用的材料常按化学组成分为四大类，如图1.1.1所示。

2）主要特征

上述四种不同的工程材料的主要特征如下：

（1）金属材料的特征：金属材料因具有金属键（个别含有一定量的共价键）而使其具有特殊的综合性能，工程应用的金属材料大多在具有较高强度的同时，还具有高度的耐热性、良好的导热导电性、特有的金属光泽、优良的工艺性能和通过热处理及表面处理可大幅度改变其原有性能的特性等，故工程应用十分广泛。

（2）有机高分子材料的特征：有机高分子是由许多小分子单体经聚合反应（以共价键结合为主）而形成。高分子材料（也称高聚物）大分子主链内原子间的强共价键及大分子链间的弱分子键的结合特征，使其具有一系列不同的特点如密度小，强度低（但比强度高，甚至高于钢铁），低的弹性模量，较高的弹性，优良的电（绝缘）性能，优良的减磨、耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀性能（甚至胜过一般的不锈钢），优良的透光性和隔热、隔音性，可加工性好（可用各种方法成形及加工）等，因此它在工业中得到广泛应用。但绝对强度、刚度水平低，不耐热（小于300℃），可燃，易老化，使其应用又受到一定限制。

（3）陶瓷材料的特征：陶瓷材料由一种或多种金属和非金属元素形成的具有强离子键或共价键的化合物，主要为由氧化物、碳化物、氮化物以及硅酸盐等物质组成的材料，由传统硅酸盐材料演变而来。该种工程材料熔点高、硬度高、化学稳定性高以及极高的弹性模量，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小等优点，在现代工业中已得到愈来愈广泛的应用。但抗压不抗拉，脆性大及不易加工成形使其应用受到一定限制。

（4）复合材料的特征：由两种或两种以上物理性质和化学性质不同的物质经人工组成的兼有各组成物性能的一种多相固体材料，具有组成它的单一材料所不具备的性能，而各组成物间仍保持一定的界面。复合材料能充分发挥其组成材料的各自长处，又在一定程度上克服了它们的弱点，其成分、性能可较大范围地人为调整设计，并且材料的合成与产品的成形大多同时进行，一次完成，如常见的钢筋混凝土、沥青路面、汽车轮胎、玻璃钢制品、硬质合金刀片、甚至混纺的布料等。按基体的不同分树脂基、金属基、陶瓷基三类，具有广阔的应用前景。

二、本章重点

（1）熟悉工程材料性能的三个方面（力学、理化、工艺）；对表征材料的各种力学性能指标要认识并能解释其物理意义，其中重点是σb、σs（σ0.2）、σe、σ-1、δ、αk、HB、HRC；熟悉布氏硬度和洛氏硬度各自的优缺点、相互关系和应用场合。

（2）熟悉各类工程材料的主要特征。