第一章 材料的结构与性能

1、第一章 材料的结构n物质由原子组成。原子物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决定了物质的性能。决定了物质的性能。n原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称它们的具体组合状态称为结构。为结构。C60主要内容主要内容晶体和点阵的概念晶体和点阵的概念三种常见的金属晶体结构及特征参数：三种常见的金属晶体结构及特征参数： 体心立方、面心立方、密排六方体心立方、面心立方、密排六方 单胞原子数、致密度、配位数单胞原子数、致密度、配位数晶体的描述：晶体的描述： 晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数晶体缺陷：晶体缺陷： 点缺陷、

2、线缺陷、面缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷合金的晶体结构：合金的晶体结构： 固溶体、金属间化合物固溶体、金属间化合物第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构一、金属晶体的形成一、金属晶体的形成金属键金属键键特点：原子核和自由电子之间的正负电荷产生吸引力键特点：原子核和自由电子之间的正负电荷产生吸引力是金属原子结合：自由电子模型是金属原子结合：自由电子模型材料特点：材料特点：原子趋向于规则排列原子趋向于规则排列 金属有良好的导电导热性、强度、塑性、金属有良好的导电导热性、强度、塑性、 金属光泽。金属光泽。二、晶体的概念二、晶体的概念 定义：定义： 原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质。原子在

3、三维空间作有规则的周期性重复排列的物质。特性特性恒定熔点：从固体到液体的转变为突变；恒定熔点：从固体到液体的转变为突变；各向异性：强度、弹性、导电性等在不同的方向呈现不同；各向异性：强度、弹性、导电性等在不同的方向呈现不同；规则外形：个别晶体，如水晶、天然金刚石等规则外形：个别晶体，如水晶、天然金刚石等三、晶体的描述三、晶体的描述 o 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。子中心）称结点。o晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单

4、元。1、晶格与晶胞、晶格与晶胞 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l晶格常数：晶格常数：晶胞个边的晶胞个边的尺寸尺寸 a、b、c； 各棱间的各棱间的夹角用夹角用 、 、 表示。表示。2、晶格特征参数、晶格特征参数立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜四、三种常见的晶体结构四、三种常见的晶体结构 1、体心立方、体心立方 原子半径原子半径r与晶格常数与晶格常数a0关系关系单胞原子数：单胞原子数： ；致密度：；致密度： ；配位数为：；配位数为：常用金属：常用金属：Cr、V、Mo、W和和-Fe等等30多种多种原子半径原子半径r与晶格常数与晶格常数a0关系关系单胞

5、原子数：单胞原子数：2；致密度：；致密度：0.68；配位数为：；配位数为：81、体心立方、体心立方 2、面心立方、面心立方 原子半径原子半径r与晶格常数与晶格常数a0关系关系单胞原子数：单胞原子数： ；致密度：；致密度： ；配位数为：；配位数为：2、面心立方、面心立方 Al、Cu、Ag、Ni和和-Fe等约等约20种种原子半径原子半径r与晶格常数与晶格常数a0关系关系单胞原子数：单胞原子数：4；致密度：；致密度：0.74；配位数为：；配位数为：123、密排六方、密排六方 原子半径原子半径r与晶格常数与晶格常数a0关系关系单胞原子数：单胞原子数： ；致密度：；致密度： ；配位数为：；配位数为：3、

6、密排六方、密排六方 原子半径原子半径r与晶格常数与晶格常数a0关系关系单胞原子数：单胞原子数：6；致密度：；致密度：0.74；配位数为：；配位数为：12Mg、Zn、Cd、Be等等20多种多种三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。体心立方体心立方 密排面密排面密排方向密排方向体心立方晶格体心立方晶格110面心立方面心立方 密排面密排面密排

7、方向密排方向面心立方晶格面心立方晶格111六方底面六方底面底面对角线底面对角线密排六方密排六方 密排面密排面密排方向密排方向密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面底面对角线底面对角线六方底面六方底面底面对角线底面对角线体心立方体心立方面心立方面心立方密排面密排面体心立方晶格体心立方晶格110面心立方晶格面心立方晶格111密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面密排六方密排六方五、晶向指数五、晶向指数/晶面指数晶面指数晶向：晶向：晶格中任意两个原子之间连线所指的方向晶格中任意两个原子之间连线所指的方向晶面：晶面：晶格中一系列原子组成的平面晶格中一系列原子组成的平面晶向指数和晶面指数：晶向指数和

8、晶面指数：确定晶向和晶面在晶格点阵中的几确定晶向和晶面在晶格点阵中的几何位置的一套标志参量何位置的一套标志参量1、晶向指数的确定方法、晶向指数的确定方法（uvw）ABOCD确定以上三个晶向的晶向指数确定以上三个晶向的晶向指数2、晶面指数的确定方、晶面指数的确定方法法（hkl）确定以上三个面的晶面指数确定以上三个面的晶面指数（010）（112）（111）3、晶向族和晶面族、晶向族和晶面族指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用称作晶向族或晶面族。分别用和和hkl表表示。示。和和hkl分别表示的是一组平行的晶分别表示的是一组

9、平行的晶向和晶面向和晶面。立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、110晶向族晶向族（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、111111111111XZY说明：说明： 在立方晶系中，指数在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相相同的晶面与晶向相互垂直。互垂直。 uv

10、w （uvw） 如果如果uh+vk+wl=0, （uvw）/（hkl） 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110第二节第二节 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构一、单晶体与多晶体一、单晶体与多晶体单晶体：单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：多晶体：由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组 成，这些小晶体称为晶粒。成，这些小晶体称为晶粒。l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几，铸造金属可达几mm。二、缺陷类型二、缺陷类

11、型晶体中总是有缺陷的：晶体中总是有缺陷的：所谓所谓“金无足赤金无足赤”；材料也不可能是；材料也不可能是理想完整的；产生的原因；热力学、原子热运动。理想完整的；产生的原因；热力学、原子热运动。晶体缺陷定义：晶体缺陷定义：晶体材料中存在的一些原子排列不规则，晶体材料中存在的一些原子排列不规则，以致结构不完整的区域以致结构不完整的区域缺陷的影响：缺陷的影响：对材料中原子扩散、相变、性能产生重要影对材料中原子扩散、相变、性能产生重要影响响缺陷的分类：缺陷的分类：从缺陷所影响的区域尺度来区分，包括从缺陷所影响的区域尺度来区分，包括点缺点缺陷、线缺陷和面缺陷陷、线缺陷和面缺陷1、点缺陷、点缺陷定义：定义：

12、是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。间距，又称零维缺陷。分类：分类：空位；空位；间隙原子；间隙原子；置换原子置换原子空位：空位：晶格中某些缺排原子的空结点。晶格中某些缺排原子的空结点。间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也 可以是外来原子。可以是外来原子。置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从

13、而使格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子实际晶体的强度比理论强度低实际晶体的强度比理论强度低34数量级？数量级？2、线缺陷、线缺陷实际晶体的滑移实际晶体的滑移不是不是整体刚性相对滑动！整体刚性相对滑动！位错的移动位错的移动晶体中的位错：晶体中的位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分类：分类：刃型位错，螺型位错，混合位错刃型位错，螺型位错，混合

14、位错刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体。这种类型的位错称为该晶面象刀刃一样切入晶体。这种类型的位错称为刃型位错刃型位错，多余原子面的边缘就是多余原子面的边缘就是刃型位错线刃型位错线。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。表示。螺型位错：螺型位错：被被BC线所贯穿的一组原来是平行的晶面则变成了一线所贯穿的一组原来是平行的晶面则变成了

15、一个以个以BC线为轴的螺旋面。这种类型的位错称为线为轴的螺旋面。这种类型的位错称为螺型位错螺型位错，已滑，已滑移区和未滑移区的交线移区和未滑移区的交线BC称为称为螺型位错线螺型位错线。BC柏氏矢量柏氏矢量是反应是反应畸变大小和方向畸变大小和方向的重要物理量。反映出柏的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累计。通常将柏氏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总累计。通常将柏氏矢量称为矢量称为位错强度位错强度，它也表示出晶体滑移时，它也表示出晶体滑移时原子移动的大原子移动的大小和方向小和方向。 利用柏氏矢量利用柏氏矢量b与位错线与位错线t的关系，可判定位错类型。的关系，可判定位错类型。

16、 若若 bt 则为螺型位错。则为螺型位错。 若若 bt 为刃型位错。为刃型位错。柏氏矢量柏氏矢量刃型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 MNOPQMNOPQ柏氏矢量螺型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 柏氏矢量实际晶体中的位错线实际晶体中的位错线高分辨电镜下的位错线高分辨电镜下的位错线透射电镜下的位错线透射电镜下的位错线 位错的特点位错的特点n位错密度：位错密度：单位体积内所包含的位错线单位体积内所包含的位错线总长度。总长度。 = L/V (cm/cm3或或1/cm2) 金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cmn位错的两种运动形式：位错

17、的两种运动形式： 滑移滑移平行于滑移面平行于滑移面 攀移攀移垂直于滑移面（刃位错）垂直于滑移面（刃位错）n位错的易动性位错的易动性 实际晶体的强度远远低于理论强度实际晶体的强度远远低于理论强度n位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。强化金属的主要途径。减少或增加位错密度减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。都可以提高金属的强度。3、面缺陷、面缺陷面缺陷面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则

18、性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。小。可以看作将材料分成若干区域的边界。可以看作将材料分成若干区域的边界。晶体的面缺陷主要指晶体内晶粒与晶粒或相与相之间的交界面：主要包括晶体的面缺陷主要指晶体内晶粒与晶粒或相与相之间的交界面：主要包括晶晶界、亚晶界、孪晶界、和相界界、亚晶界、孪晶界、和相界等。等。晶界晶界 晶界：晶界：晶粒与晶粒的交界面。晶粒与晶粒的交界面。大角晶界：大角晶界：相邻晶粒位向差大于相邻晶粒位向差大于10o（2040o）小角晶界小角晶界：相邻晶粒位向差小于：相邻晶粒位向差小于10o。

19、亚晶界：亚晶界：在晶粒内部毕竟离尺度更小的微细结构和组织的分界面，相邻的在晶粒内部毕竟离尺度更小的微细结构和组织的分界面，相邻的亚晶夹角小于亚晶夹角小于12o ，亚晶界也可以看成是位错壁。，亚晶界也可以看成是位错壁。孪晶界：孪晶界：相邻的两个晶粒沿着一个公共界面成镜像对称的位向关系，这两相邻的两个晶粒沿着一个公共界面成镜像对称的位向关系，这两个晶粒称为孪晶（个晶粒称为孪晶（twin），公共界面称为孪晶面。），公共界面称为孪晶面。大角晶界大角晶界小角晶界小角晶界孪晶界孪晶界亚晶界亚晶界 1） 晶界处原子排列不规则，存在晶界处原子排列不规则，存在畸变能；畸变能； 2） 阻碍位错运动阻碍位错运动 b

20、 细晶强细晶强化；化； 3） 晶界能量高、结构复杂晶界能量高、结构复杂容易容易满足固态相变的条件满足固态相变的条件固态相固态相变优先形核部位；变优先形核部位； 4） 化学稳定性差化学稳定性差晶界容易受腐晶界容易受腐蚀；蚀； 5） 影响材料的物理性能，导电率，影响材料的物理性能，导电率，导热率，导磁率等。导热率，导磁率等。晶界的特点晶界的特点显微组织的显示显微组织的显示相界相界定义：在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间定义：在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界的分界面称为相界相相是指金属或合金中凡成分相同、结构是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的

21、均匀相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分组成部分共格相界、半共格相界、非共格相界共格相界、半共格相界、非共格相界相界面分类相界面分类 共格相界：共格相界：共格相界面的原子排列方式与相邻相结构中的对应晶面原子排共格相界面的原子排列方式与相邻相结构中的对应晶面原子排列方式相同，列方式相同，大多实际的相界存在畸变大多实际的相界存在畸变。当相邻相结构中的原子面原子间距有一定差异，形成的共格相界会存在当相邻相结构中的原子面原子间距有一定差异，形成的共格相界会存在一定的协调位错，此即为一定的协调位错，此即为半共格相界半共格相界。相邻两相的晶体结构和原子相邻两相的晶体结构和原子(面面)排列方式差异较大

22、时，形成排列方式差异较大时，形成非共格相界非共格相界。共格相界面的界面能小于非共格界面。共格相界面的界面能小于非共格界面。第三节第三节 合金的晶体结构合金的晶体结构合金：合金：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质组员：组员：组成合金中最基本的独立的物质，组员可以是金属元组成合金中最基本的独立的物质，组员可以是金属元素或者是稳定的化合物。二元、三元、多元合金。素或者是稳定的化合物。二元、三元、多元合金。合金相：合金相：是合金中具有同一聚集

23、状态、相同晶体结构，成分是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分合金组元相和性能均一，并以界面相互分开的组成部分合金组元相合金相分类：合金相分类：固溶体固溶体和和中间化合物中间化合物。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体1、固溶体、固溶体定义定义: 固体溶液，溶质原子完全溶于固体溶剂中，固体溶液，溶质原子完全溶于固体溶剂中，并能保持溶剂元素材料的晶格类型，这种合金相称为并能保持溶剂元素材料的晶格类型，这种合金相称为固溶体。固溶体。溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体无序固溶体，呈有序分，呈有序分布的称布的称有序固

24、溶体有序固溶体。溶质原子在整个合金的含量称为。溶质原子在整个合金的含量称为固溶固溶度度。结构特征结构特征: 保持溶剂晶格类型保持溶剂晶格类型,但晶格畸变但晶格畸变(晶格常晶格常数变化数变化); 溶质原子固溶度可变（有限互溶，无限互溶质原子固溶度可变（有限互溶，无限互溶）溶）分类：分类：置换固溶体，间隙固溶体。置换固溶体，间隙固溶体。定义：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体定义：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体置换固溶体置换固溶体原子置换后，晶格畸变增大。原子置换后，晶格畸变增大。可以是有序固溶体，也可是无序固溶体。可以是有序固溶体，也可是无序固溶体。在一定条件下，可获

25、得无限固溶度。在一定条件下，可获得无限固溶度。(组成元素原子半径、组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。形成无限固溶体。)Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶体固溶体固溶体化合化合物物定义：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体定义：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元等，而溶剂元素一般是原子半径较大的过渡族元素。素一般是原子半径较大的过渡族元素。

26、形成间隙固溶体的一般规律为形成间隙固溶体的一般规律为r质质/r剂剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体，有限固溶度。间隙固溶体都是无序固溶体，有限固溶度。间隙固溶体间隙固溶体随溶质含量增加随溶质含量增加, 固溶体的固溶体的强度、硬度增加强度、硬度增加, 塑性、韧性塑性、韧性下降下降固溶强化。固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质产生固溶强化的原因是溶质原子使原子使晶格发生畸变及对位晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。但与化合物相比，其硬

27、度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。固溶体的性能固溶体的性能间隙原子和置换原子对位错的钉扎间隙原子和置换原子对位错的钉扎晶格畸变晶格畸变定义定义:合金组元间发生相互作用而形成的合金组元间发生相互作用而形成的新相新相, 成份处于组元固溶度之间成份处于组元固溶度之间, 称为中称为中间相间相. 组元间具有一定的化学成份比组元间具有一定的化学成份比, 且具有一定金属性质且具有一定金属性质, 又称金属间化合物又称金属间化合物金属间化合物金属间化合物结构特征结构特征:原子间结合键多样性原子间结合键多样性(包包含一定金属键性质含一定金属键性质)；晶格类型不同；晶格类型不同于任一组元于任一组元;可以是化合物或

28、化合物可以是化合物或化合物基固溶体基固溶体(即中间固溶体即中间固溶体) 。分类分类: 正常价化合物正常价化合物, 电子化合物电子化合物, 间隙相间隙相, 间隙化合物。间隙化合物。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C定义：定义：符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同。物晶体结构相同。如分子式具有如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合型，多为离子化合物，例如物，例如M

29、gPb, MnS正常价化合物正常价化合物NaCl 晶体晶体Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2Si电子化合物电子化合物定义：是指当化合物中价电子浓度一定定义：是指当化合物中价电子浓度一定(21/12, 21/13, 21/14)时，形成的化时，形成的化合物晶格类型相同。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中合物晶格类型相同。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。的重要强化相。CuCu基轴承合金中的电子化合物基轴承合金中的电子化合物例：例：CuZn, CuZn3, Cu5Zn8: Cu价电子价电子+1, Zn价价电子数电子数+2CuZn 电子浓度电

30、子浓度: 价电子数价电子数/原子数原子数= (1+2)/2 = 3/2 = 21/14；体心立方结构；体心立方结构CuZn3 电子浓度电子浓度: 价电子数价电子数/原子数原子数= (1+6)/(1+3) = 7/4 = 21/12；密排六方结构；密排六方结构Cu5Zn8 电子浓度电子浓度: 价电子数价电子数/原子数原子数= (5+16)/(5+8) = 21/13；复杂立方结构；复杂立方结构间隙相间隙相/间隙化合物间隙化合物定义定义: 过渡族金属元素与原子半径较小的非金属元素过渡族金属元素与原子半径较小的非金属元素(H,C,N,B等等)形成的化合物。形成的化合物。当当时时, 将形成具有简单晶体

31、结构的金属间化合物将形成具有简单晶体结构的金属间化合物, 其熔点高、其熔点高、硬度高、较脆。例如氢化物、氮化物和部分碳化物硬度高、较脆。例如氢化物、氮化物和部分碳化物TaC,VC,ZrC,TiC等）。等）。当当时时, 将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物, 间隙化合物间隙化合物也具有很高的熔点和硬度也具有很高的熔点和硬度, 脆性较大。如硼化物和部分碳化物脆性较大。如硼化物和部分碳化物(Fe3C,Cr7C3,Cr23C6等等)VC的结构的结构Fe3C的晶格的晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C6金属间化合物的性能金属间化合物的性能力学性能：比纯金属和固溶体的

32、性能都要高得多。高硬度、高强度、低塑性力学性能：比纯金属和固溶体的性能都要高得多。高硬度、高强度、低塑性（硬而脆）。（硬而脆）。物理化学性能：具有优良的电学、磁学、热学等特性，可用于各种功能材料，物理化学性能：具有优良的电学、磁学、热学等特性，可用于各种功能材料，如半导体、形状记忆、储氢材料等。如半导体、形状记忆、储氢材料等。第二章第二章 工程材料的性能工程材料的性能工程材料的性能分类工程材料的性能分类使用性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。：材料在使用过程中所表现的性能。包括包括力学性能力学性能、物理性能物理性能和和化学性能化学性能。工艺性能工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。：

33、材料在加工过程中所表现的性能。包括包括铸造性能铸造性能、塑性加工性能塑性加工性能、焊接性能焊接性能、热热处理性能处理性能和和切削加工性能切削加工性能等。等。工程材料的力学性能工程材料的力学性能l强度类强度类（屈服强度、断裂强度、疲劳强度、持久蠕变强（屈服强度、断裂强度、疲劳强度、持久蠕变强度）度） l塑韧性类塑韧性类（塑性、冲击韧性、断裂韧性）（塑性、冲击韧性、断裂韧性） l硬度硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度） l其他其他（磨损、应力松弛、滞后与内耗）（磨损、应力松弛、滞后与内耗） 可以分为四大类：可以分为四大类：n材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称

34、为变材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。形。n外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。n外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。 五万吨水压机五万吨水压机一、强度与塑性一、强度与塑性l静载荷强度静载荷强度在外力作用在外力作用下材料抵抗下材料抵抗变形和断裂变形和断裂的能的能力。力。 依据依据GB639-86通过通过拉拉伸试验伸试验取得。取得。 拉伸试验机拉伸试验机1、拉伸试验、拉伸试验低碳钢的应力低碳钢的应力- -应变曲线应变曲线应力应力 = P/A应变应变 = (l-l0)/l02、弹性和刚度、弹性和刚度n弹

35、性：指标为弹性极限弹性：指标为弹性极限 e e，即即材料承受最大弹性变形时材料承受最大弹性变形时的应力。的应力。n刚度：材料受力时抵抗弹性刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模变形的能力。指标为弹性模量量E E。 弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 EtgMP

36、asae= （）3、强度与塑性、强度与塑性n强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s：材料发生微量塑性变形时的应力值。：材料发生微量塑性变形时的应力值。 屈服强度屈服强度 0.2：残余变形量为：残余变形量为0.2%时的应力值。时的应力值。 抗拉强度抗拉强度 b：材料断裂前所承受的最大应力值。材料断裂前所承受的最大应力值。us，b是组显微织是组显微织敏感性能，合金化、敏感性能，合金化、热处理，冷热加工对热处理，冷热加工对影响非常大。影响非常大。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形

37、的能力。指标为：指标为：断面收缩率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象 伸长率：伸长率：二、疲劳二、疲劳u 材料在材料在低于低于 s重复交变应力作用下发生重复交变应力作用下发生突然断裂突然断裂的现象。的现象。u 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为称为疲劳极限疲劳极限。用。用 -1表示。表示。u 钢铁材料规定次数为钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为，有色金属合金为108。l碳素钢碳素钢 -1（0.4-0.55）s ；灰铸铁；灰铸铁 -10.4s；有色金属；有色金属 -1（0.3-0.4）s 疲劳断口l 通

38、过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。度，进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力。轴的疲劳断口轴的疲劳断口疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳辉纹（扫描电镜照片）疲劳机理：裂纹萌生疲劳机理：裂纹萌生扩展扩展断裂断裂材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。三、冲击韧性三、冲击韧性摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功，称为摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功，称为冲击功，用冲击功，用Ak表示。如用试样缺口处截面积去除，即得冲击表示。如用试样缺口处截面积去除，即

39、得冲击韧性，用韧性，用ak表示表示, 单位为单位为J/cm2l 韧脆转变温度l材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧性值急剧下降的现象称韧脆转变韧脆转变。发生韧脆转变的温度范。发生韧脆转变的温度范围称围称韧脆转变温度韧脆转变温度。材料的使用温度应。材料的使用温度应高于高于韧脆转变温度。韧脆转变温度。l 体心立方金体心立方金属具有韧脆属具有韧脆转变温度，转变温度，而大多数面而大多数面心立方金属心立方金属没有。没有。l TITANICl TITANIC 的沉没与船的沉没与船体材料的质量直接有关体材料的质量直接

40、有关建造中的建造中的Titanicl Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板近代船用钢板1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂北极星导弹北极星导弹四、断裂韧性四、断裂韧性研究表明，很多脆断事故与构件中存在裂纹或缺陷有关，而研究表明，很多脆断事故与构件中存在裂纹或缺陷有关，而且且断裂应力低于屈服强度，即低应力脆断。断裂应力低于屈服强度，即低应力脆断。n裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点裂纹尖端任意一点的应力、应变和位移分量取决于该点的坐标的坐标(r(r，)、材料的弹性模数以及参量、材料的弹性模数以及参量K KI I

41、裂纹扩展的基本形式裂纹扩展的基本形式KI I 应力强度因子应力强度因子, 综合反映了外加应力和裂纹位综合反映了外加应力和裂纹位置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响。置、长度对裂纹尖端应力场强度的影响。KI=Ya Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的类型为裂纹形状系数，取决于裂纹的类型a为裂纹半长为裂纹半长l断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。断裂韧性：材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力。 C为断裂应力，为断裂应力， aC为临界裂纹半长，单位为为临界裂纹半长，单位为 ICCCKYas=3 2/MN mu 测试方法：三点弯曲试验测试方法：三点弯曲试验n根据应力场强度因子根据应力场强度因子K KI I和断

42、裂韧度和断裂韧度K KICIC的相对大小，可的相对大小，可以建立以建立裂纹失稳扩展脆断裂纹失稳扩展脆断K K判据判据： K KI I K KICIC材料抵抗表面局部塑性变形的能力，通常采用材料抵抗表面局部塑性变形的能力，通常采用静载压入法试验静载压入法试验布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 五、硬度五、硬度载荷载荷/ /压痕（球冠）面积压痕（球冠）面积布布氏氏硬硬度度计计 布氏硬度压痕布氏硬度压痕压头类型压头类型符号符号测量范围测量范围淬火钢球压头淬火钢球压头HBS450硬质合金压头硬质合金压头HBW650l布氏硬度的优点：布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。测量误差小，数据稳定。l缺点：压痕大，缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。料。l适于测量退火、正火、调质钢适于测量退火、正火、调质钢, 铸铁及有色金属的硬度。铸铁及有色金属的硬度。l材料的材料的 b与与