第一篇 工程材料的性能和基本特征
第1章 工程領域對材料性能的要求
1.1 工程零構件所受各種負荷概述
工程構件與機械零件（以下簡稱零件或構件）在工作條件下可能受到力學負
荷、熱負荷或環境介質的作用，有時只受到一種負荷作用，更多的時候將受到兩種
或兩種以上負荷的同時作用。在力學負荷作用條件下，零件將產生變形，甚至出現
斷裂等；在熱負荷作用下，將產生熱脹冷縮，導致尺寸和體積的改變，并產生熱應
力，同時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；環境介質的
作用主要表現為環境對零件表面造成的化學腐蝕、電化學腐蝕及摩擦磨損等。
1.1.1 力學負荷
按負荷（載荷）隨時間變化的情況，可把負荷分成靜負荷和動負荷。若負荷緩
慢地由零增加到某一定值以后保持不變或變動很不顯著，即為靜負荷，如機器的重
量對基礎的作用。若負荷隨時間而顯著變化，則為動負荷，如鋼材鍛造時錘頭對毛
坯的作用。
1.靜負荷
作用在機械零件上的靜負荷分為4種基本形式，即拉伸或壓縮、剪切、扭轉和
彎曲。
圖1-1 受力桿件
1）拉伸或壓縮負荷
圖1-1（a）表示一簡易吊車，在負荷P作
用下，AC桿受到拉伸負荷作用（圖1-1（b）），
而BC桿受到壓縮負荷作用（圖1-1（c））。拉
伸負荷或壓縮負荷是由大小相等、方向相反、
作用線與桿件軸線重合的一對力引起的。這類
負荷使桿件的長度發生伸長或縮短。起吊重物
的鋼索、桁架的桿件、液壓油缸的活塞桿等，
在工作時都受到拉伸負荷或壓縮負荷的作用，
產生拉伸或壓縮變形。
2）剪切負荷
圖1-2（a）表示一鉚釘連接組件，在P力
作用下，鉚釘受到剪切負荷作用。剪切負荷是由大小相等、方向相反、作用線垂直
于桿軸且距離很近的一對力引起的。剪切負荷使受剪桿件的兩部分沿外力作用方向
發生相對的錯動（圖1-2（b）），產生剪切變形，甚至受力過大時發生切斷。機械
中常用的連接件（如鍵、銷釘、螺栓等）都受剪切負荷作用。
圖1-2 鉚釘連接
3）扭轉負荷
圖1-3（a）所示汽車轉向軸在工作時承受扭轉負荷作用。扭轉負荷是由大小相
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））。扭轉負荷使
桿件的任意兩個橫截面發生繞軸線的相對轉動，產生扭轉變形。汽車的傳動軸、電
動機和水輪機的主軸等都受扭轉負荷作用。
4）彎曲負荷
圖1-4（a）所示為火車輪軸發生彎曲變形。彎曲負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的一對大小相等、方向相反的力偶引起的
（圖1-4（b））。彎曲負荷使桿件軸線由直線變為曲線，產生彎曲變形。在工程中，
桿件受彎曲負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
等都受彎曲負荷作用。
圖1-3 方向盤圖
圖1-4 火車輪軸
很多零件同時承受幾種負荷作用，例如，車床主軸工作時承受彎曲、扭轉與壓
縮三種負荷作用，鉆床工作時其立柱同時承受拉伸與彎曲兩種負荷作用，在這些情
況下，產生組合變形。
2.動負荷
按負荷隨時間變化的方式，動負荷可分為變動負荷與沖擊負荷。
1）變動負荷
變動負荷是大小或大小和方向隨時間按一定的規律作周期性變化的負荷，或呈
無規則隨機變化的負荷，前者稱為周期變動負荷（又稱循環負荷），后者稱為隨機
變動負荷。周期變動負荷又分交變負荷和重復負荷。交變負荷是指負荷大小和方向
均隨時間作周期性變化的負荷（圖1-5（a），應力作正、負向循環變化），火車的車
軸和曲軸軸頸上的一點在運轉過程中所受的負荷就是交變負荷。重復負荷是指負荷
大小作周期性變化，但方向不變的變動負荷（圖1-5（b）），齒輪轉動時作用于每
一個齒根受拉側的負荷就是重復負荷。汽車、拖拉機等在不平坦的路面上行駛，它
的許多機件常受偶然沖擊，所承受的負荷就是隨機變動負荷（圖1-5（c））。零件在
變動負荷作用時的主要破壞形式是疲勞斷裂（詳見1.2節），據統計資料表明，在
各類機件的斷裂失效中疲勞斷裂占80%以上。
圖1-5 變動負荷示意圖
2）沖擊負荷
沖擊負荷則是物體的運動在瞬時內發生突然變化所引起的負荷，如急剎車時飛
輪的輪軸、鍛造時汽錘的錘桿等都受到沖擊負荷的作用。零件在沖擊負荷作用下的
失效形式通常為過量彈性變形、過量塑性變形，嚴重時會產生斷裂。
1.1.2 熱負荷
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性能下降，并
可能發生氧化。另外溫度反復變化還會引起熱疲勞，溫度急劇變化時會產生熱沖
擊。低溫下材料會變脆。
首先，高溫下材料的強度隨溫度升高而降低，如常溫下拉伸強度為420MPa的
20鋼，在450℃時拉伸強度降為330MPa。
其次，高溫下材料強度隨加載時間的延長而降低（在低溫下，材料的強度基本
不受加載時間的影響）。例如，20鋼在450℃的短時抗拉強度為330MPa，若試樣
僅承受230MPa的應力，在該溫度下持續工作300h就會發生斷裂；如果將應力降
至120MPa，持續10000h才會發生斷裂。在給定溫度和規定的時間內，使試樣發
生斷裂的應力稱為持久強度。同時，材料在長時間的高溫作用下，即使應力小于其
屈服強度，也會慢慢地產生塑性變形，這種現象稱為高溫蠕變。一般來說，只有當
溫度超過0.3Tm（Tm為材料的熔點，以K為單位）時，才出現較明顯的蠕變。
在高溫下服役的零構件，如蒸汽鍋爐、蒸汽輪機、燃氣渦輪、噴氣發動機以及
火箭、原子能裝置等，要求用高溫強度好、熱穩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）的非同時與不一致，從而在零件內部產
生的應力叫做熱應力。熱應力的存在降低了零件的實際承載能力，會使零件產生熱
變形，嚴重時會產生開裂。
第四，急劇加熱或冷卻會使零件產生劇烈的溫度變化，該零件會產生沖擊熱應
力，這種現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
嘴瞬時要承受高達3000~4000K的高溫，除了要求材料熔點高以外，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力的交替變化，當交變熱應力循環次數較多
時，會在零件的表面產生龜裂而導致破壞，這種現象稱為熱疲勞。熱疲勞裂紋一般
發生在金屬零件的表面。鍋爐的過熱器、汽包，汽輪機的汽缸、隔板，都有出現熱
疲勞的可能性。
最后，低溫下材料的性能也會發生變化。多數工程材料在室溫或室溫以上表現
為韌性狀態，但在低溫下會由韌性狀態轉變為脆性狀態，這種現象稱為低溫脆性
（詳見1.2節中沖擊韌性）。壓力容器、橋梁和船舶結構以及在低溫下服役的機件，
就需考慮材料的低溫脆化問題。
1.1.3 環境介質的作用
環境介質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
根據腐蝕的過程和腐蝕機理，可將腐蝕分為化學腐蝕、電化學腐蝕和物理腐蝕
三大類。由于金屬材料的化學性質相對活潑，最容易受到環境介質的腐蝕作用。
化學腐蝕是指材料與周圍介質直接發生化學反應，但反應過程中不產生電流的
腐蝕過程，如零件在高溫氣體中或在不導電的液體（如汽油、苯類等）中的腐蝕。
電化學腐蝕最常見，是指金屬與電解質溶液接觸時發生電化學反應，反應過程
中有電流產生的腐蝕過程，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生的腐蝕，如零件在熔鹽中、液態金屬中的
腐蝕。
2.摩擦磨損作用
任何在接觸狀態下發生相對運動的零件之間（如軸與軸承、活塞環與汽缸套、
齒輪與齒輪等）都會發生摩擦。零件在摩擦過程中其表面發生尺寸變化和物質耗損
的現象叫做磨損。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生材料的黏著、擴散而引起的磨損，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
動軸承的磨損。表面疲勞磨損是指表層或亞表層在接觸應力反復作用下產生的麻點
剝落，如滾動軸承、車輪和鐵軌的磨損。腐蝕磨損是指零件在摩擦過程中同時受周
圍介質腐蝕作用造成的表面材料損失和遷移現象，比如，由于潤滑油中含有腐蝕性
化學成分和灰塵等磨料時，對機床導軌、滑動軸承的磨損。
3.老化作用
塑料等高分子材料在加工、儲存和使用過程中，由于受各種環境因素的作用導
致性能逐漸變壞，以致喪失使用價值的現象叫做老化。例如，農用薄膜經日曬雨
淋，發生變色、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，并且強度下降；汽車輪胎和自行車輪胎儲
存或使用中發生龜裂等。
1.2 工程設計制造所需要的材料力學性能
1.2.1 整機性能、零部件性能與材料性能
機器是零件（或部件）間有確定的相對運動、用來轉換或利用機械能的機械。
機器一般由零件、部件（若干零件的組合，具備一定功能）組成一個整體。因此，
一部機器的整機性能除與機器構造、加工與制造等因素有關外，主要取決于零部件
的結構與性能，尤其是關鍵件的性能，如機床的主軸、導軌、傳動齒輪及柴油機的
曲軸、連桿、精密偶件等。
金屬切削機床（車床、銑床等）要能對金屬坯料或工件進行有效而高質量的加
工，其主軸組件、支承件（床身等）、導軌及傳動裝置等必須處于良好的工作狀態。
主軸的剛度、強度或韌性不足，導軌的磨損，傳動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精度的下降等，都會嚴重地妨礙機床的正常工
作，以至無法進行切削加工。
柴油機是以柴油為燃料的往復活塞式內燃機，靠燃油在汽缸內的高溫高壓空氣
中霧化、壓縮、自動燃燒所釋放的能量推動活塞做往復運動，并通過連桿和曲軸轉
換為旋轉的機械功。柴油機的性能主要由噴油系統（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）決定了柴油機的燃燒質量與燃油消耗，汽缸缸套的磨損又決定了柴油機的大
修期，而連桿與曲軸的力學性能則是柴油機安全可靠工作的基本保證。
因此，可以認為：在合理而優質的設計與制造的基礎上，機器的性能主要由其
重要零部件的強度及其他相關性能來決定。
機械零件的強度一般表現為短時承載能力和長期使用壽命。它是由許多因素確
定的，其中結構因素、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。結構因素指零件在整機中的作用、零件的形狀和尺寸，以及與其
他連接件的配合關系等。加工工藝因素指全部加工工藝過程對零件強度所產生的影
響。材料因素指材料的成分、組織與性能，這三個因素各自有獨立的作用，又相互
影響，在解決與零件強度有關的問題時必須綜合加以考慮。在結構因素和加工工藝
因素正確合理的條件下，大多數零件的體積、重量、性能和壽命主要由材料因素
（即材料的強度及其他力學性能）所決定。
在設計機械產品時，主要是根據零件所承受的負荷和失效的方式正確選擇材料
的性能指標（主要是強度等力學性能）來進行定量計算，以確定產品的結構和零件
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性能、
物理性能和化學性能等。
1.2.2 工程材料的基本力學性能
材料的力學性能（也稱機械性能）是指材料在不同環境因素（溫度、介質）
下，承受外加負荷作用時所表現的行為。這種行為通常表現為材料的變形和斷裂。
因此，材料的力學性能可以理解為材料抵抗外加負荷所引起的變形和斷裂的能力。
當外加負荷的性質、環境溫度與介質等外在因素不同時，對材料要求的力學性能指
標也不相同。室溫下常用的力學性能有強度、塑性、剛度、彈性、硬度、沖擊韌
性、斷裂韌性和疲勞極限等。
1.拉伸試驗和應力-應變曲線
圖1-6為低碳鋼的拉伸應力-應變（σ-ε）圖（GB/T228-2002）。
圖1-6 低碳鋼的應力-應變圖
應力σ＝P/F0；應變ε＝Δl/l0；P-外力；F0-試樣原始橫截面積；l0-試件標距長；Δl-試件的總伸長
（l1-l0）；l1-斷裂后標距長；δE-延伸率（總塑性應變）；εE-E點時的總應變（含彈性應變及塑性應變）
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