第一篇 工程材料的性能和基本特征
第1章 工程领域对材料性能的要求
1.1 工程零构件所受各种负荷概述
工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负
荷、热负荷或环境介质的作用，有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种
或两种以上负荷的同时作用。在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现
断裂等；在热负荷作用下，将产生热胀冷缩，导致尺寸和体积的改变，并产生热应
力，同时随温度的升高零件的承载能力下降，随温度降低零件脆化等；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、电化学腐蚀及摩擦磨损等。
1.1.1 力学负荷
按负荷（载荷）随时间变化的情况，可把负荷分成静负荷和动负荷。若负荷缓
慢地由零增加到某一定值以后保持不变或变动很不显著，即为静负荷，如机器的重
量对基础的作用。若负荷随时间而显著变化，则为动负荷，如钢材锻造时锤头对毛
坯的作用。
1.静负荷
作用在机械零件上的静负荷分为4种基本形式，即拉伸或压缩、剪切、扭转和
弯曲。
图1-1 受力杆件
1）拉伸或压缩负荷
图1-1（a）表示一简易吊车，在负荷P作
用下，AC杆受到拉伸负荷作用（图1-1（b）），
而BC杆受到压缩负荷作用（图1-1（c））。拉
伸负荷或压缩负荷是由大小相等、方向相反、
作用线与杆件轴线重合的一对力引起的。这类
负荷使杆件的长度发生伸长或缩短。起吊重物
的钢索、桁架的杆件、液压油缸的活塞杆等，
在工作时都受到拉伸负荷或压缩负荷的作用，
产生拉伸或压缩变形。
2）剪切负荷
图1-2（a）表示一铆钉连接组件，在P力
作用下，铆钉受到剪切负荷作用。剪切负荷是由大小相等、方向相反、作用线垂直
于杆轴且距离很近的一对力引起的。剪切负荷使受剪杆件的两部分沿外力作用方向
发生相对的错动（图1-2（b）），产生剪切变形，甚至受力过大时发生切断。机械
中常用的连接件（如键、销钉、螺栓等）都受剪切负荷作用。
图1-2 铆钉连接
3）扭转负荷
图1-3（a）所示汽车转向轴在工作时承受扭转负荷作用。扭转负荷是由大小相
等、方向相反、作用面垂直于杆轴的一对力偶引起的（图1-3（b））。扭转负荷使
杆件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动，产生扭转变形。汽车的传动轴、电
动机和水轮机的主轴等都受扭转负荷作用。
4）弯曲负荷
图1-4（a）所示为火车轮轴发生弯曲变形。弯曲负荷是由垂直于杆件轴线的横
向力，或由作用于包含杆轴的纵向平面内的一对大小相等、方向相反的力偶引起的
（图1-4（b））。弯曲负荷使杆件轴线由直线变为曲线，产生弯曲变形。在工程中，
杆件受弯曲负荷作用是最常遇到的情况之一，桥式吊车的大梁、各种心轴以及车刀
等都受弯曲负荷作用。
图1-3 方向盘图
图1-4 火车轮轴
很多零件同时承受几种负荷作用，例如，车床主轴工作时承受弯曲、扭转与压
缩三种负荷作用，钻床工作时其立柱同时承受拉伸与弯曲两种负荷作用，在这些情
况下，产生组合变形。
2.动负荷
按负荷随时间变化的方式，动负荷可分为变动负荷与冲击负荷。
1）变动负荷
变动负荷是大小或大小和方向随时间按一定的规律作周期性变化的负荷，或呈
无规则随机变化的负荷，前者称为周期变动负荷（又称循环负荷），后者称为随机
变动负荷。周期变动负荷又分交变负荷和重复负荷。交变负荷是指负荷大小和方向
均随时间作周期性变化的负荷（图1-5（a），应力作正、负向循环变化），火车的车
轴和曲轴轴颈上的一点在运转过程中所受的负荷就是交变负荷。重复负荷是指负荷
大小作周期性变化，但方向不变的变动负荷（图1-5（b）），齿轮转动时作用于每
一个齿根受拉侧的负荷就是重复负荷。汽车、拖拉机等在不平坦的路面上行驶，它
的许多机件常受偶然冲击，所承受的负荷就是随机变动负荷（图1-5（c））。零件在
变动负荷作用时的主要破坏形式是疲劳断裂（详见1.2节），据统计资料表明，在
各类机件的断裂失效中疲劳断裂占80%以上。
图1-5 变动负荷示意图
2）冲击负荷
冲击负荷则是物体的运动在瞬时内发生突然变化所引起的负荷，如急刹车时飞
轮的轮轴、锻造时汽锤的锤杆等都受到冲击负荷的作用。零件在冲击负荷作用下的
失效形式通常为过量弹性变形、过量塑性变形，严重时会产生断裂。
1.1.2 热负荷
有些零件是在高温或低温条件下服役的。高温使工程材料的力学性能下降，并
可能发生氧化。另外温度反复变化还会引起热疲劳，温度急剧变化时会产生热冲
击。低温下材料会变脆。
首先，高温下材料的强度随温度升高而降低，如常温下拉伸强度为420MPa的
20钢，在450℃时拉伸强度降为330MPa。
其次，高温下材料强度随加载时间的延长而降低（在低温下，材料的强度基本
不受加载时间的影响）。例如，20钢在450℃的短时抗拉强度为330MPa，若试样
仅承受230MPa的应力，在该温度下持续工作300h就会发生断裂；如果将应力降
至120MPa，持续10000h才会发生断裂。在给定温度和规定的时间内，使试样发
生断裂的应力称为持久强度。同时，材料在长时间的高温作用下，即使应力小于其
屈服强度，也会慢慢地产生塑性变形，这种现象称为高温蠕变。一般来说，只有当
温度超过0.3Tm（Tm为材料的熔点，以K为单位）时，才出现较明显的蠕变。
在高温下服役的零构件，如蒸汽锅炉、蒸汽轮机、燃气涡轮、喷气发动机以及
火箭、原子能装置等，要求用高温强度好、热稳定性高的材料来制造。
第三，许多零件在不断变化的温度下工作，零件各部分受热（或冷却）存在着
先后顺序与不均匀性，引起膨胀（或收缩）的非同时与不一致，从而在零件内部产
生的应力叫做热应力。热应力的存在降低了零件的实际承载能力，会使零件产生热
变形，严重时会产生开裂。
第四，急剧加热或冷却会使零件产生剧烈的温度变化，该零件会产生冲击热应
力，这种现象叫做热振或热冲击。热冲击对脆性材料（比如陶瓷）尤其有害，通常
会导致零件的突然破坏，如将Al2O3陶瓷管直接放入1200℃的盐浴中会立即发生
爆裂。材料抗热冲击破坏的能力对于承受温度急剧变化的零件非常重要，如火箭喷
嘴瞬时要承受高达3000~4000K的高温，除了要求材料熔点高以外，对其抗热冲
击破坏性能的要求也非常高。
第五，温度交替变化会引起热应力的交替变化，当交变热应力循环次数较多
时，会在零件的表面产生龟裂而导致破坏，这种现象称为热疲劳。热疲劳裂纹一般
发生在金属零件的表面。锅炉的过热器、汽包，汽轮机的汽缸、隔板，都有出现热
疲劳的可能性。
最后，低温下材料的性能也会发生变化。多数工程材料在室温或室温以上表现
为韧性状态，但在低温下会由韧性状态转变为脆性状态，这种现象称为低温脆性
（详见1.2节中冲击韧性）。压力容器、桥梁和船舶结构以及在低温下服役的机件，
就需考虑材料的低温脆化问题。
1.1.3 环境介质的作用
环境介质对零件的作用主要有腐蚀（金属材料最典型）、摩擦磨损以及老化作
用（塑料等最显著）。
1.腐蚀作用
根据腐蚀的过程和腐蚀机理，可将腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀
三大类。由于金属材料的化学性质相对活泼，最容易受到环境介质的腐蚀作用。
化学腐蚀是指材料与周围介质直接发生化学反应，但反应过程中不产生电流的
腐蚀过程，如零件在高温气体中或在不导电的液体（如汽油、苯类等）中的腐蚀。
电化学腐蚀最常见，是指金属与电解质溶液接触时发生电化学反应，反应过程
中有电流产生的腐蚀过程，如钢铁在大气中生锈、地下输油管道在土壤里的腐蚀穿
孔等。
物理腐蚀是指单纯的物理溶解而产生的腐蚀，如零件在熔盐中、液态金属中的
腐蚀。
2.摩擦磨损作用
任何在接触状态下发生相对运动的零件之间（如轴与轴承、活塞环与汽缸套、
齿轮与齿轮等）都会发生摩擦。零件在摩擦过程中其表面发生尺寸变化和物质耗损
的现象叫做磨损。最常见磨损类型的有黏着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损和腐蚀
磨损四种。
黏着磨损为摩擦副接触面局部发生材料的黏着、扩散而引起的磨损，如铝活塞
和汽缸体之间的磨损。磨粒磨损是指硬凸物在接触表面的微切削引起的磨损，如滑
动轴承的磨损。表面疲劳磨损是指表层或亚表层在接触应力反复作用下产生的麻点
剥落，如滚动轴承、车轮和铁轨的磨损。腐蚀磨损是指零件在摩擦过程中同时受周
围介质腐蚀作用造成的表面材料损失和迁移现象，比如，由于润滑油中含有腐蚀性
化学成分和灰尘等磨料时，对机床导轨、滑动轴承的磨损。
3.老化作用
塑料等高分子材料在加工、储存和使用过程中，由于受各种环境因素的作用导
致性能逐渐变坏，以致丧失使用价值的现象叫做老化。例如，农用薄膜经日晒雨
淋，发生变色、变脆和透明度下降；玻璃钢制品长期暴露在大气中，其表面逐渐露
出玻璃纤维（起毛）、变色、失去光泽，并且强度下降；汽车轮胎和自行车轮胎储
存或使用中发生龟裂等。
1.2 工程设计制造所需要的材料力学性能
1.2.1 整机性能、零部件性能与材料性能
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。
机器一般由零件、部件（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，主要取决于零部件
的结构与性能，尤其是关键件的性能，如机床的主轴、导轨、传动齿轮及柴油机的
曲轴、连杆、精密偶件等。
金属切削机床（车床、铣床等）要能对金属坯料或工件进行有效而高质量的加
工，其主轴组件、支承件（床身等）、导轨及传动装置等必须处于良好的工作状态。
主轴的刚度、强度或韧性不足，导轨的磨损，传动齿轮因种种原因造成破损或失效
而影响功率与扭矩的传递以及传动精度的下降等，都会严重地妨碍机床的正常工
作，以至无法进行切削加工。
柴油机是以柴油为燃料的往复活塞式内燃机，靠燃油在汽缸内的高温高压空气
中雾化、压缩、自动燃烧所释放的能量推动活塞做往复运动，并通过连杆和曲轴转
换为旋转的机械功。柴油机的性能主要由喷油系统（喷油泵）、连杆、曲轴以及活
塞与汽缸的性能所决定。例如，喷油泵的喷油状况（即雾化程度，由三副精密偶件
控制）决定了柴油机的燃烧质量与燃油消耗，汽缸缸套的磨损又决定了柴油机的大
修期，而连杆与曲轴的力学性能则是柴油机安全可靠工作的基本保证。
因此，可以认为：在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其
重要零部件的强度及其他相关性能来决定。
机械零件的强度一般表现为短时承载能力和长期使用寿命。它是由许多因素确
定的，其中结构因素、加工工艺因素和材料因素起主要作用。此外，使用因素对寿
命也起很大作用。结构因素指零件在整机中的作用、零件的形状和尺寸，以及与其
他连接件的配合关系等。加工工艺因素指全部加工工艺过程对零件强度所产生的影
响。材料因素指材料的成分、组织与性能，这三个因素各自有独立的作用，又相互
影响，在解决与零件强度有关的问题时必须综合加以考虑。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、重量、性能和寿命主要由材料因素
（即材料的强度及其他力学性能）所决定。
在设计机械产品时，主要是根据零件所承受的负荷和失效的方式正确选择材料
的性能指标（主要是强度等力学性能）来进行定量计算，以确定产品的结构和零件
的尺寸。
材料性能可分为使用性能和工艺性能两大类。材料的使用性能包括力学性能、
物理性能和化学性能等。
1.2.2 工程材料的基本力学性能
材料的力学性能（也称机械性能）是指材料在不同环境因素（温度、介质）
下，承受外加负荷作用时所表现的行为。这种行为通常表现为材料的变形和断裂。
因此，材料的力学性能可以理解为材料抵抗外加负荷所引起的变形和断裂的能力。
当外加负荷的性质、环境温度与介质等外在因素不同时，对材料要求的力学性能指
标也不相同。室温下常用的力学性能有强度、塑性、刚度、弹性、硬度、冲击韧
性、断裂韧性和疲劳极限等。
1.拉伸试验和应力-应变曲线
图1-6为低碳钢的拉伸应力-应变（σ-ε）图（GB/T228-2002）。
图1-6 低碳钢的应力-应变图
应力σ＝P/F0；应变ε＝Δl/l0；P-外力；F0-试样原始横截面积；l0-试件标距长；Δl-试件的总伸长
（l1-l0）；l1-断裂后标距长；δE-延伸率（总塑性应变）；εE-E点时的总应变（含弹性应变及塑性应变）
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