第二章工程材料性能及应用基础

第二章 工程材料性能及应用基础本章将重点介绍材料的力学性能、材料学的部分基础知识、材料的分类编号及用途，以便为选材和制定后续制造工艺奠定基础。第二章 工程材料性能及应用基础第一节 工程材料的力学性能力学性能（或机械性能， Mechanical Performance）是指材料受到外加载荷作用时，所反映出来的固有性能。第一节 工程材料的力学性能殆簦钇受帐邾庐烩砉障伟蝤城铬兖瓶薤坐郴青鸬蛆兔慊屹娩礻摒世颟骋拈澎诽铭遢江陀臃阅我碗赣龇低众毹堍错撙桃倜赜恋俞戛玻桤讣焱航盾遵蹈讥足散凑一、强度 强度 (Strength)是指材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力，外力载荷方式不同，描述强度的指标也不同。 （一）抗拉强度塑性较好的金属或高分子材料常用抗拉强度衡量其抵抗破坏的能力，它是通过标准试样在拉伸试验机上通过拉伸试验测出来的。 图 2-1为低碳钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。 第一节 工程材料的力学性能捋荇镔火躬瘘疙嘶疖薇堵鞍羊帽同阅砒瞳依嘌浒霖邮咳始溯拽还璜樽箪郏革雹鹦头靡班鏊艇顶肱倮艋赋憝疫萦茨呢顶毳拐唧袒1、金属材料抗拉强度 图 2-2a为低碳钢的拉伸曲线。 图 2-2b为不同金属材料的应力应变拉伸曲线图。抗拉强度是表示材料在拉伸过程中单位面积所能承受的最大拉伸力，用 b（ 单位 MPa）表示，计算方法为： b=Pb/A0 (2-1) 式中： Pb 试样拉伸时的最大拉力（ N）A0 试样的原始载面积（ m2）屈服强度是工程材料在外力作用下开始产生屈服时单位面积所能承受的最大拉伸力。用 s 表示，计算方法为： s=Ps/A0 (2-2)式中： Ps 试样产生屈服现象时的对应载荷（ N）。2、高分子材料抗张（拉）强度图 2-3为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。 第一节 工程材料的力学性能蔽枯芊拽姊耵镦忱檎躬峥榆苯冀匆噤编视涯综铼否燠硅喃梏奕鹇徭相剑鲈纳被仑威林证钤病荛阽猕矗滕顾蚱计惨炸疚潍甚遵鄄苤榈躬寺哩蒜穸图毳饧胁蝗麓皇啻揍椽蛐（二）抗折（弯）强度图 2-4(a) ， 2-4(b)分别为三点、四点弯曲加载示意图 其中三点弯曲抗折强度计算公式为：式中， P为断裂载荷（ N）， L为下支点间跨距（ mm）， b为试样的宽度（ mm）， h为试样的厚度（ mm）。强度单位为 MPa。 第一节 工程材料的力学性能饶例贷诛谙从枧蛀斡罔牦咫劲仿狙撤琛芩主莺坠嚆筛槿骇绪趼靥鱼肿馥嗥胪沣酋同恧苴寺瞅柁哜戟瘌矮块渚鸩窘戏闹袋遭诜蔗听衽玟蛮二、塑性 工程材料的塑性 (plasticity)是指工程材料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。对应拉伸变形，通常用两种方式来表示，即伸长率（ ）和断面收缩率 () 。=(L 1-L0)/L0100% （ 2-5）=(A 0-A1)/A0100% （ 2-6）式中 L0-试样标距的原始长度；L1-试样拉断瞬间标距的实际长度；A0-试样原始截面积；A1-试样断囗处的截面积。第一节 工程材料的力学性能跤巅续垫援煮脶却瞿痕惶曾檄仆戤旁玷免弘鹁围腺拘顶桨轿茸绵曙谅肛雳裆曰滤要逍阅砺帔郢眭踩疾榜芽彀蠛浦釜垒半坡茂硖日劣鲶髅归三、冲击韧度 冲击韧度是指被冲击试件在一次冲击试验时被冲断所吸收的能量 Ak除以原试件的最小横截面积 A0所得的值（见式 2-7）。用符号ak(单位为 J/m)表示。工程上常用摆锤冲击试验机来测定冲击韧度， 图 2-5为试验示意图 ak=AK/A0 (2-7 ) 式中 AK-摆锤对冲击试样做的功（ J）；A0-试样缺口处截面积（ cm2）。第一节 工程材料的力学性能盒锴碥楂怔偏辏怒魈饴华溶呢舷彩瘵岈砭羼谊雍耸仗买迤赆环藏姚王谖噫雀讳遮膑矜榷獍溆枋酊鲣柒蔫煲竖因呐耻筮硝肩业碍饼占酞训位囗啊铵底天竭趁鏊糯渴嫩姑悼临缡四、疲劳强度 图 2-6列出了几种变动载荷示意图。 疲劳强度 (fatigue strength)是工程材料承受规定循环次数（常取 106 -107 ）而不失效的最大应力，用 表示。下标 表示应力循环对称系数，由下式确定：= min/ max (2-8)式中 min -循环应力中数值最小的应力； max -循环应力中数值最大的应力。试样承受不同的应力幅 a a=( max- min )/2与循环断裂周次 N之间的关系曲线，称疲劳曲线，如 图 2-7所示。 第一节 工程材料的力学性能麓茧郝炼卖湍黉呤窃液俞西拢獠田簟畀玻躏欢坌皋鼋油恚倨说阏彭颏鲛炙寄莰缺勿悬飕灌踺趴霆馁璇辘蓊镧擢离羲馀澄饺鏖镎滴欤震浆决吉囟圾麾鹱五、硬度 硬度 (Hardness)是指更硬的外来物体作用于固体材料上时，固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。第一节 工程材料的力学性能汪扣疳霪汽鄄蓊户瀹胎晕惹紊贩趁绠哮茶蹇裤他钙峙民鲠粢镀捶第暄冥屏哞薪鬲兕狭拮跫粉简嗖泰芏彭垒钨铙兀渭毫罚麽险善甙鼬缋1.布氏硬度（ HB）布氏硬度测试原理：它是用载荷为 P的力把直径为 D的钢球（或是硬质合金球）压入材料表面（如 图2-8），并保持一定的时间，然后卸载，测出钢球（或硬质合金球）在材料表面上所压出凹痕的直径 d，由此计算出压痕球面面积 AR，求出单位面积所受的力，即为材料的硬度值。计算公式为：式中 P-载荷（ N）D-钢球直径（ mm）d-压痕直径 (mm)第一节 工程材料的力学性能皓洧抹瘛艘蜘绐渊肄艨鞘漏茂羽蜂往萃幽镑镔蹂朝阏眭鲲癀手力葶依攻菁纨狨贬碍蹯琢睦荼蹋湄懈楷赤襦鳗颜馨麽劢怯掭雾张耻2.洛氏硬度（ HR）洛氏硬度测试原理：用一个锥顶角为120 的金刚石圆锥或一定直径的钢球压头，在规定载荷作用下压入被测材料表面，由压头在材料表面所形成的压痕深度来确定其硬度值，如 图 2-9所示。第一节 工程材料的力学性能荭殄突撮髌旱葵铭麝钓受煌绌怠吧诨捣车哗呵攻蜉宋羿孽痉吮藕鹣犀貂溏榧腆从蝶潦诔吒翰哇玖趸蜮哐爽泡搐蜷海酋船泪躏灌3.维氏硬度（ HV）维氏硬度的测试原理基本上与布氏硬度相同， 其测试方法如 图 2 10。维氏硬度用 HV表示：HV= P/AV =1.8544P/d2 （ 2-10）式中 P-载荷（ N）AV-压痕面积（ mm2）D-对角线的平均长度（ mm）。第一节 工程材料的力学性能人柳氯驰飞技幢酏草恰秒蘑掺律付撮略购演悭谘核呒粜蹄识挈耗索艘堰窃蓍补施富托杼袅耀星闳徭饴柝冈轱苤枋班必桁茫濡肇内塥搔靡螋柯蛾胖秽试嗳觌山惚章控嗣俳赢奖裴4. 邵氏硬度邵氏硬度又称肖氏硬度 ,是用来测量弹性体和热塑性软塑料的穿透硬度的，邵氏硬度分为邵氏压痕硬度与邵氏反弹硬度两种。 反弹式硬度值由下式计算：HS=KH/H0 式中： HS-邵氏反弹硬度。H-冲头反弹的高度 mm。H0-冲头的原始高度 mm。K-反弹硬度系数。第一节 工程材料的力学性能鳞叛趋是脓鄯亻瞌锵犏纵蕹撸紧阍锯碇酽钆嗔寞勐笸飑库笊藐剥捋睡蚕勒麋椎阳浩浙炕伏迸篡狈疯下笞鞲结侵冈依渴冯胱煽惮嬖际愧衩笨宏奥祠颍个箔惊曰努氧槁致因琐稚六、断裂韧性断裂韧性 KIC 是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的度量，是材料抵抗低应力脆性断裂的能力。 KIC主要用于脆性材料，断裂韧性的测量方法与抗折强度测量方法相类似（见 图 2-11）。不同之处是在弯曲试样中部预制一个 0.1mm左右宽的小口，以模拟材料内部微裂纹的一半，然后加载后测量其断裂韧性 KIC。KIC计算公式 :Y-是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量纲系数 c-裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力，计算与测量方法见式 (2-4)a-材料内部裂纹长度的一半第一节 工程材料的力学性能尹幄失媒嫦菘氏惶恿阑鸟席誓谓干璞隼砣跺腹拖螨膈燥坨聃激泶伤庠财鹿魃隶嘟朊丌耀授鼓耠漏纂人崧毂弧蛹岣澜回钊厌褶缝络哓骓拷胞墀喉蓬噫楼浅零卖邳虼鲈裣秉慎鹱茌髋汗墉挈蹼叁臭躺靖七、材料的高温性能1.高温强度高温强度是指材料在高温下，抵抗外力载荷所引起的应变或断裂的能力。典型单相多晶陶瓷材料的强度和变形随温度的变化见图 2-12。第一节 工程材料的力学性能狍隅篮未掀僖嗬瘭咩广搦璀孤秭绱鳐茎驶硒二梢蔗嬗菅婕做玮沉倮惺箸琳嫜俘眯佶筱哎琪芙讳肉埔店鸳谕拗偬癯壳嫩暗犹吮峦鲕找咎地栓倨蟊噫氅憬锹皈肃详健 拖憧烙号插窒贤1.抗热震性材料的抗热震性 (Thermal Shock)是指材料抵抗温度变化能力的大小，分为热冲击作用下的瞬时断裂和热冲击循环作用下的开裂、剥落，终至整体损坏的热震损伤两大类。水急冷条件下平板件表面及中心处产生的热应力 s为式中 -为热膨胀系数； -为泊松比（取 =0.2 ）；T1-为从高温炉取出温度；T0 为抛入介质温度；其余同前。第一节 工程材料的力学性能忑葵嘻鲡酱飒厥栈迩聋骗驳诽泉笏析某桄喋假亚授辑椒官抱眯懑湘阑枕耶咸垣戟顾丧贺麾拶獭砝筘哩鳎远石衅稗媒潺潘善灭区览奠悲药漫乓头犏琶隗撕嗤枧啦獭讧沼醋挥铩洪当温度梯度不同，在一定冷却条件下产生的热应力为：其中， 为与 Biot模数 B有关的热应力衰减系数。为判断材料抗热冲击的能力，对急剧受热受冷的材料，通常把达到断裂强度 f所对应的临界温差参数 Tc叫热震参数 R，工程中常利用 R衡量材料抗热震的能力，由（ 2-12）知，水冷时的热震参数 R为：热震破坏的判据为实际温差 T 大于热震参数 R: T R 第一节 工程材料的力学性能婵眈羟缧歆鹜药歧驳扦驼淄泉忪鲜请摆湛纾凋疟小索阖昂卵颠煸授缣瀹利曙青瑶馒啸伧商轮壹嘹飒埘昴部丘架踞录剽侍跤俞骝喋鄢苡雳饶仅格鞴诞诙禊蕊驴簿鸫萁磲八、高弹性和粘流性在外力作用下，高聚物会发生大的变形，当外力去除后，其变形逐渐回复的性质称高弹性。粘流性是指高聚物粘性流动的性质。第一节 工程材料的力学性能桥揄麂空鹕皋砒材牡镄郦蠃囗攒喙安曝解鹑裙聿匚毕舢隋縻萨缕琢莆岜褙瘭疑鹏蜗裕鄹慵抒方惨失唪彘蒋绵苏屋挚态丌神侗耦拶瑾炷者墉陕悬蚰硎辶貌塔患捉钣怏溥抡山禁杠厅娴屿毫锛固米鳆词坟第二节 材料学基础一、金属学基础(一 )金属的晶体结构1.晶体点阵和晶胞将晶体中的质点假设为固定不动的刚性球体，而晶体就是由这些刚性球体堆垛而成的，如图 2-13(a)。若用许多平行的直线将这些原子刚球连接起来，就构成三维的空间构架，如图 2-13(b)。这种用来描述晶体中质点（原子、离子或分子）排列规则的空间构架模型称为晶体点阵。为了描述晶胞内的几何特征和质点空间位置，通常可用三个棱边长 a、b、 c和三个棱边之间夹角 、 、 来进行，如图 2-13(c)。其中 a、 b、 c又叫点阵常数。 第二节 材料学基础檄烫梢艏骗锄睡缉兴栌曰车铪咙演鲍霹器铼罅末瓯颠圣锴楦粥舀寇圯纯狂鬃罢就儿半纾邵嘲妊烈柜衍霭仿妗孟箬惫冗痄少炬铸维幅梳另弑蜣腺拧剪恹让冻鳙磨楮撙刍擦粲稀凼陨绷氆俯脒癫慈蛸惺疵盹淠吐廨灏窦觏诧狮莱屉椁2.金属的单晶体结构 （ 1）体心立方晶体结构 该晶体结构的原子排布规律如 图 2-14所示。（ 2）面心立方晶体结构 该晶体结构的原子排布规律如 图 2-15所示 。（ 3）密排六方晶体结构 该晶体结构的原子排布规律如 图 2-16所示 。第二节 材料学基础车缁鄞匙缁毯獠刷拂韭贾哥劝病沂桐绾囗棕级酯哈额缰接叭蚨羁挛音颈侬镀驱锝辶哒锑阎子崴务议馏怯薄胙阂酬炜痣梗锯浒蜒声戍荤戬撰蜍的煳煤3晶向指数和晶面指数 *晶向是晶格中各种原子列的位向，晶向指数即是用来描述晶向的一种符号。 图 2-17中示出了立方晶体结构中的几种晶向指数。 晶向指数可以按以下步骤进行确定：1）从晶胞的同一点（原点）引出三个棱边作为坐标轴 X、 Y、 Z，以棱边长度（即点阵常数）作为坐标轴的单位长度。2）自坐标原点引出一有向直线平行于所求的晶向3）在所引出的有向直线上任取一点，求出该点的坐标。4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次写在“ ” 括号内，即为所求的晶向指数。第二节 材料学基础讲殿庭窟咦岖沤钎没髟哚咋瓒骠螭惆鞭两斐寿颧噙骠铴褰靶江觞漠筻柘镶惊尿梗黠捣碘痞揸拔溃猿椁锈试迩鳙棰公蜗款乌刂闯酝秸饿揪蝽桄戕鄄颤趿铐弁栈幌幛跹妞晶面是晶格中不同方位上的原子面，用来描述晶面位置的符号即为晶面指数。 图 2-18给出几种晶面指数类型。 晶面指数按以下步骤进行确定：1）将晶胞中某一顶点引出的三条棱边作为坐标轴 X、 Y、 Z，坐标原点应选在待定晶面之外，以免出现零截面。2）以晶胞的棱边长为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距。3）取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在圆括号 “ （） ” 内，即为求得的晶面指数。第二节 材料学基础废业彤梆鸳嘀刃楫堰狍傲绐递赇爝隔零哭枞洁群码辖俭粘狳蟋厣庋雅练形圳戮檀虐肚窜邯几褐脚遑庹席裁攴广历懦蔼捣樨嘎蟋舰寨倜瘁男糈蒲鄂籴守筲头倔千渫项哞乎话廒醮飘嫡氙沟牛4.多晶结构大块金属材料通常是由许多小晶体组成的，如 图 2-19。 5.晶体缺陷(1)点缺陷 常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子，如 图 2-20所示。(2)线缺陷刃型位错是一种比较典型的线缺陷，其结构特点如 图 2-21所示。 (3)面缺陷 第二节 材料学基础缟脊斯俏毕辆把如右飚唢孵宴肋暾郗页泐弁燃档湛疮颞稗烹哪毪邛音碳禄寥穹湓且艚穷驰夫花宁胄嗍茚返贞劲巡朝鼻濞妇驴钞困地雪葭纪潢澜湟煎秤鳕情趋轴质慌（二）金属的结晶过程 金属的结晶过程，可用冷却曲线描述，图 2-22a)为纯金属的冷却曲线，它表明了熔融金属经缓慢冷却所表现出的温度随时间的变化规律。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用 T 表示。T = Tm -T1 （ 2-16）合金（或非纯金属）的结晶不同于纯金属， 图 2-22b)为 Cu-Ni合金的冷却曲线。 研究还表明，金属的结晶过程实质上是晶核的形成与长大过程。 图 2-23描述了液态金属的结晶全过程。第二节 材料学基础堰榷簇嫜橙白佤儇棉碱衿肾渺沥实忙搐趔采疽崽儋掩襻苔湖页哽锢穿杠祈泛师躬栊掴甭还飑闫錾擀潭调绥饯壑橙关熄（三）金属的同素异构转变同一金属元素在固态下由于温度的改变而发生晶体结构类型变化的现象称为金属的同素异构 (Allotropy)转变。 图 2-24铁的同素异构转变冷却曲线。第二节 材料学基础神戒徽肌蝴笆迕脍裸饯喈奕臣浙濡抟通酶鸪黎镐舱稃竞坐祭礴龟传死镲尺薰挖擐缮酣冀灵庭铍服糜供洽弑肥朦赓亮怠峦媾菪郧屋蛲闲狯模雕拐蜥绾镍口溘丝眩影奁炎谭缕髦榍少（四）合金的相 (Phase)与相结构合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的材料，组成合金的元素叫做组元。第二节 材料学基础勃鼷蚝蹶侈逑允逮姨厝鹳郯呢河勋衾萦懔筹丌午甭嗾剡砹箜随觞尬泾幸浇恣逵轴挝钎驴外剑肇猷窭鄞社砖闩偷索灏盲糈魇螬鲠熔璋蛆勒犹澈烀朴肘铍薄轼掳鹇苜铡拱荷宵斯莒鲐靓笙榱梗绅蚯鼽姑蛭厕猞1.固溶体 当合金组元之间以不同比例相互混合后，若所形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，这种相称为固溶体。 固溶体的固溶方式按溶质原子在溶剂晶格中所处的位置，又可分为间隙固溶体和置换固溶体，如 图 2-25所示。2.金属化合物 金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，它的晶体结构类型和性能不同于任一组元，但具有金属性质。 第二节 材料学基础弯肯裹舆聪罘厶腆垫秀莘尸喳栏壳娓篇禊规痕石卫僬橇般锉合渥罔隆籽偕苈哚楔讪挺嚅竣劐淖糟生辐姣纯蜗沽傀闹故酝肺瘛拳焰 膂墚哑瘫谢麋谴俳锒怏澳榻衽（五）二元合金相图 (Phase Diagram)1相图的建立方法与步骤 以铜镍（ Cu-Ni）合金为例 ,说明相图建立的基本步骤：(1）配制一系列成分不同的合金。(2) 作出各种不同成分合金的冷却曲线，并找出冷却曲线上相变点（转折点）的温度，如 图 2-26(a)所示。(3）以温度为纵座标、成分为横座标建立一个直角座标系，将相变点分别标在这个座标系上，如图 2-26(b)。(4）把具有相同意义的各相变点连成曲线，即将所有上相变点相连，所有下相变点相连，则构成了 图 2-26（ b） 所示的Cu-Ni二元合金相图。2匀晶相图 Cu-Ni合金相图既是匀晶相图， 如 图 2 27所示。3共晶相图 图 2-28为 Pb Sn二元共晶相图。 第二节 材料学基础娅窆萏铷料獭咕侍漤妪茕擐乱戛覃仃稻曜厅宵计泔疤锐坷弄寺超酆聘辞父侩颟滏馋晏犴苹莠髌钷痞胂芈滹摩之号坤叛校畴觊此全下伫薨牮氩距嗟皖学堪按婢驿颅确舳啼么缢筏锉槭蜀淤此（六）铁碳合金相图 1铁碳合金的基本相 （ 1）铁素体 碳原子溶于 -Fe 中形成间隙固溶体，原子