材料的结构组织与性能1

1、材料学院材料学院材料的结构组织与性能（一）（一） 序论序论组成本课程的三大块内容组成本课程的三大块内容 阐述微观结构和亚微观组织对阐述微观结构和亚微观组织对材料性能的影响以及三者的关系。材料性能的影响以及三者的关系。1 1、材料的性能、材料的性能2 2、材料的微观结构、材料的微观结构3 3、材料的组织、材料的组织 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和各种性能的物质，是材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和各种性能的物质，是人们生活及组成生产工具的物质基础。人们生活及组成生产工具的物质基础。目前世界各国注册的材料有几十万种，目前世界各国注册的材料有几十万种，并在不断增加之中。并

2、在不断增加之中。 材料可有多种分类方法。材料可有多种分类方法。 1、按状态分按状态分，材料有，材料有气态、液态和固态气态、液态和固态三大类。工程技术中最普遍使用的三大类。工程技术中最普遍使用的是固态材料；是固态材料； 2、按材料组成和结合键的性能按材料组成和结合键的性能，把材料分为，把材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷金属材料、高分子材料、陶瓷（无机非金属材料）以及半导体材料（无机非金属材料）以及半导体材料四大类。四大类。 3、按照材料特性按照材料特性，可将他们分为，可将他们分为金属材料、无机非金属材料和有机高分子金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料三类材料三类。金属材料包括各种纯金属及其

3、合金。塑料、合成橡胶、合成纤维等。金属材料包括各种纯金属及其合金。塑料、合成橡胶、合成纤维等称为有机高分子材料。还有许多材料，如陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等，既称为有机高分子材料。还有许多材料，如陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等，既不是金属材料，又不是有机高分子材料，人们统称它们为无机非金属材料。此不是金属材料，又不是有机高分子材料，人们统称它们为无机非金属材料。此外，人们还发展了一系列将两种以上的材料通过特殊方法结合起来而构成的复外，人们还发展了一系列将两种以上的材料通过特殊方法结合起来而构成的复合材料。合材料。 4、按照材料所起的作用按照材料所起的作用，可分为，可分为结构材料结构材料和和功能材

4、料功能材料两类。两类。 5、按照使用领域按照使用领域的不同，又可将它们分为的不同，又可将它们分为建筑材料，电子材料，医用材料，建筑材料，电子材料，医用材料，仪表材料，能源材料仪表材料，能源材料等等。等等。材料的定义及分类材料的定义及分类 三大材料简介三大材料简介 三大材料指三大材料指金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料 （一）金属材料（一）金属材料 金属材料通常是指由金属元素、金属与金属或金属与非金属元素构金属材料通常是指由金属元素、金属与金属或金属与非金属元素构成的材料成的材料, 分为黑色金属材料和有色金属材料两类。分为黑色金属材料和有色金属材料两

5、类。黑色金属材料黑色金属材料钢和铸铁钢和铸铁钢钢按照化学成分分为碳素钢和合金钢；按照品质分为普通钢、优质钢和按照化学成分分为碳素钢和合金钢；按照品质分为普通钢、优质钢和高级优质钢，按照冶炼方法分为平炉钢、转炉钢、电炉钢，按照用途分高级优质钢，按照冶炼方法分为平炉钢、转炉钢、电炉钢，按照用途分为建筑及工程用钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢及专业用钢。为建筑及工程用钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢及专业用钢。铸铁铸铁通常分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁通常分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。钢铁是现代工业中的主要金属材料，在机械产品中占整个用材消耗等。钢铁是

6、现代工业中的主要金属材料，在机械产品中占整个用材消耗的的60以上。以上。有色金属材料有色金属材料 指除指除Fe以外的其他金属及其合金以外的其他金属及其合金。这些金属约有。这些金属约有80余种，分为余种，分为轻金属轻金属（相对密度小于（相对密度小于5），），重金属重金属（相对密（相对密度大于度大于5），），贵金属贵金属，类金属类金属和和稀有金属稀有金属五类。工程上最五类。工程上最重要的有色金属是重要的有色金属是Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。有色金属材料的消耗虽然只占金属材料总消及其合金。有色金属材料的消耗虽然只占金属材料总消耗的耗的5，但是因为它们具有优良的导电、导热性

7、，同时，但是因为它们具有优良的导电、导热性，同时相对密度小。化学性质稳定。耐热。耐腐蚀，因而使得相对密度小。化学性质稳定。耐热。耐腐蚀，因而使得它们在工程上占有重要地位。它们在工程上占有重要地位。铝合金铸件铝合金铸件铜合金铸件铜合金铸件各类铜型材各类铜型材世世界界上上最最大大的的青青铜铜鼎鼎金属材料具有如下基本特性：金属材料具有如下基本特性： 1、 结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构；结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构； 2、 在常温下一般为固体，熔点较高；在常温下一般为固体，熔点较高； 3、 具有金属光泽；具有金属光泽； 4、 纯金属具有良好的延展性纯金属具有良好的延展性

8、(塑性）塑性）； 5、 金属合金具有高的强度和韧性；金属合金具有高的强度和韧性； 6、 具有良好的导热和导电性；具有良好的导热和导电性； 7、 多数金属在空气中易被氧化。多数金属在空气中易被氧化。 （二）无机非金属材料（二）无机非金属材料 无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括陶瓷陶瓷、玻玻璃璃、水泥水泥和和耐火材料耐火材料四类。它们的主要原料是天然的四类。它们的主要原料是天然的硅酸盐矿物和人工合成的氧化物及其他少数化合物。硅酸盐矿物和人工合成的氧化物及其他少数化合物。它们的生产过程与传统的陶瓷的它们的生产过程与传统的陶瓷的生产过程生产过程相同，需经相同，需经

9、过过原料处理原料处理成型成型煅烧煅烧三个阶段。在这四类材料中，三个阶段。在这四类材料中，陶瓷是最早使用的无机材料，因此无机非金属材料又陶瓷是最早使用的无机材料，因此无机非金属材料又常常被统称为常常被统称为“陶瓷陶瓷”（Ceramics）。）。无机非金属材料的分类无机非金属材料的分类无机非金属材料无机非金属材料混凝土混凝土玻璃玻璃砖及耐火材料砖及耐火材料陶瓷陶瓷传统陶瓷传统陶瓷特种陶瓷特种陶瓷日用陶瓷日用陶瓷建筑卫生陶瓷建筑卫生陶瓷电气绝缘瓷电气绝缘瓷耐酸陶瓷耐酸陶瓷过滤陶瓷过滤陶瓷高温陶瓷高温陶瓷电容陶瓷电容陶瓷电压陶瓷电压陶瓷磁性陶瓷磁性陶瓷导电陶瓷导电陶瓷工程结构陶瓷工程结构陶瓷功能陶瓷功

10、能陶瓷工程陶瓷工程陶瓷无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性：无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性：1、化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键；、化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键；2、硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；、硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；3、熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；、熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；4、自由电子数目少、导热性和导电性较小；、自由电子数目少、导热性和导电性较小；5、耐化学腐蚀性好；、耐化学腐蚀性好；6、耐磨损；、耐磨损；7、成型方式为粉未制坯、烧结成型。、成型方式为粉未制坯、烧结成型。 (三三)高分子材料高分子材

11、料 高分子化合物是以高分子化合物是以C、H、N、O等元素为基础，由等元素为基础，由许多结构相同的小单位（链节）重复连接组成的，含有许多结构相同的小单位（链节）重复连接组成的，含有成千上万个原子，分子量很大，并在某一范围内变化着成千上万个原子，分子量很大，并在某一范围内变化着的材料。的材料。分类分类1、根据来源：、根据来源：分为天然和人工合成的两类；分为天然和人工合成的两类；2、根据使用性质：、根据使用性质：分为塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂分为塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类；料等类；3、根据高分子化合物的主链结构：、根据高分子化合物的主链结构：分为碳链、杂链、元分为碳链、杂链、元素高聚物三类

12、；素高聚物三类；4、根据其对热的性质：、根据其对热的性质：分为热塑性、热固性及热稳定性分为热塑性、热固性及热稳定性高聚物三类；高聚物三类；5、根据材料的用途：、根据材料的用途：分为高分子结构材料、高分子电绝分为高分子结构材料、高分子电绝缘材料、耐高温高分子材料、导电高分子材料、高分子缘材料、耐高温高分子材料、导电高分子材料、高分子建筑材料、生物医学用高分子材料、高分子催化剂、包建筑材料、生物医学用高分子材料、高分子催化剂、包装材料等多种品种。装材料等多种品种。 橡胶制品橡胶制品高分子材料的基本特性：高分子材料的基本特性： 1、 结合键主要为共价键；结合键主要为共价键； 2、分子量大，无明显的熔

13、点，有玻璃化转变温度、分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度。并有热塑性和热固性两类；粘流温度。并有热塑性和热固性两类； 3、力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高；、力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高； 4、质量轻；、质量轻； 5、良好的绝缘性；、良好的绝缘性； 6、优越的化学稳定性；、优越的化学稳定性； 7、成型方法较多。、成型方法较多。（四）复合材料（四）复合材料 由两种或两种以上组分组成，并具有与其组成不由两种或两种以上组分组成，并具有与其组成不同的新的性能的材料称为复合材料。复合材料按性同的新的性能的材料称为复合材料。复合材料按性能分为结构复合材料和功能复合材

14、料。目前研究比能分为结构复合材料和功能复合材料。目前研究比较充分、应用较多的主要是前者，而后者尚处于探较充分、应用较多的主要是前者，而后者尚处于探索阶段。索阶段。 根据增强剂形状及增强原理，可将复合材料分为粒根据增强剂形状及增强原理，可将复合材料分为粒子增强复合材料和纤维复合材料。后者复合效果最子增强复合材料和纤维复合材料。后者复合效果最突出，研究最多，应用最广。突出，研究最多，应用最广。基体 增强体增强体金属金属无机非金属材料无机非金属材料有机材料有机材料陶瓷陶瓷玻璃玻璃水泥水泥碳素碳素木材木材塑料塑料橡胶橡胶金属金属陶瓷基陶瓷基复合材料复合材料陶瓷基陶瓷基复合材复合材料料金属网金属网嵌玻璃

15、嵌玻璃钢筋水钢筋水泥泥无无无无金属丝金属丝增强塑料增强塑料金属丝金属丝增强橡胶增强橡胶无无机机非非金金属属陶陶瓷瓷 纤纤维维粒粒料料金属基金属基超硬合金超硬合金增强增强陶瓷陶瓷陶瓷增陶瓷增强玻璃强玻璃 增强增强水泥水泥无无无无陶瓷纤维陶瓷纤维增强塑料增强塑料陶瓷纤维陶瓷纤维增强橡胶增强橡胶碳碳素素纤纤维维粒粒料料碳纤维碳纤维增强金属增强金属增强增强陶瓷陶瓷陶瓷增陶瓷增强玻璃强玻璃增强增强水泥水泥碳纤维碳纤维强碳复强碳复合材料合材料无无碳纤维碳纤维增强塑料增强塑料碳纤碳黑碳纤碳黑增强橡胶增强橡胶玻玻璃璃纤纤维维粒粒料料无无无无无无增强增强水泥水泥无无无无玻璃纤维玻璃纤维增强塑料增强塑料无无有有机

16、机材材料料木材木材无无无无无无水泥水泥木丝板木丝板无无无无纤维板纤维板无无高聚物纤高聚物纤维维无无无无无无增强增强水泥水泥无无塑料合板塑料合板高聚物高聚物纤维增强纤维增强塑料塑料高聚物高聚物纤维增强纤维增强橡胶橡胶橡胶橡胶胶粒胶粒无无无无无无无无无无橡胶合板橡胶合板 复合材料的种类复合材料的种类复合材料的基本特点：复合材料的基本特点：1、 比强度和比模量高；比强度和比模量高；2、 良好的抗疲劳性能；良好的抗疲劳性能；3、 耐烧蚀性和耐高温性好；耐烧蚀性和耐高温性好；4、 结构件减振性能好；结构件减振性能好； 材料的制造与使用水平是人类文明进步的划分标志材料的制造与使用水平是人类文明进步的划分标

17、志,从历史来看，社会的文明进步和生产技术的发展，总是从历史来看，社会的文明进步和生产技术的发展，总是和新材料的出现密切相关，它们既互为因果，又互相促和新材料的出现密切相关，它们既互为因果，又互相促进。人类社会的发展历史证明，生产中使用的材料的性进。人类社会的发展历史证明，生产中使用的材料的性质直接反映人类社会的文化水平。历史学家根据制造和质直接反映人类社会的文化水平。历史学家根据制造和使用材料的水平，将人类的发展史划分为石器时代、青使用材料的水平，将人类的发展史划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代；而今是使用金属的鼎盛时期，同铜器时代、铁器时代；而今是使用金属的鼎盛时期，同时高分子材料、复合材

18、料、陶瓷材料也正在广泛使用。时高分子材料、复合材料、陶瓷材料也正在广泛使用。可以预料今后人类必将跨进人工合成材料的新时代。可可以预料今后人类必将跨进人工合成材料的新时代。可见材料对于人类社会的发展起作重要的作用，在某种意见材料对于人类社会的发展起作重要的作用，在某种意义说，人类文明发展史是人类对材料占有、认识、制造、义说，人类文明发展史是人类对材料占有、认识、制造、使用和发展的历史。使用和发展的历史。问问 题题 1、钢与铁的基本成分是、钢与铁的基本成分是Fe、C、（少量、（少量Si、Mn、P、S），），C的强度基本为零，那么随着钢中含的强度基本为零，那么随着钢中含C量的增加，量的增加，强度是越

19、高还是越低？强度是越高还是越低？ 2、为什么与别的材料相比金属材料具有良好的塑性，、为什么与别的材料相比金属材料具有良好的塑性，热传导性，导电性？热传导性，导电性？ 3、同一成分的碳钢，、同一成分的碳钢，“烧红烧红”后随炉冷却与在水中后随炉冷却与在水中冷却为什么强度相差极大冷却为什么强度相差极大? 4、为什么人们很难用手将钢丝折断？、为什么人们很难用手将钢丝折断？ 5、为什么同是金属材料，、为什么同是金属材料，Cu、Al和和Fe比比Mg、Zn和和Ti等具有更好的塑性？等具有更好的塑性？ 材料的性能材料的性能 材料具有各种不同的性能，如为了满足各类工程结构材料具有各种不同的性能，如为了满足各类工

20、程结构和机械装置的服役条件，人们不断对和机械装置的服役条件，人们不断对工程材料工程材料的性能提出的性能提出新的要求。新的要求。使用性能：使用性能：指材料在特定服役条件下保证能指材料在特定服役条件下保证能 安全地安全地工作所必需的性能，包括工作所必需的性能，包括物理性能、化学性能、力学物理性能、化学性能、力学性能性能三种，其中力学性能是金属材料最基本最常用的三种，其中力学性能是金属材料最基本最常用的性能性能工艺性能工艺性能：工艺性能是指材料在各种加工和处理工艺性能是指材料在各种加工和处理中所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、切削中所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、切削性能、焊接性能和热处理

21、性能等性能、焊接性能和热处理性能等金金属属材材料料的的性性能能材料的物理性能材料的物理性能 材料的物理性能（材料的物理性能（physical property）包括包括热性能、电性能、磁性能和光学性能热性能、电性能、磁性能和光学性能等。金属及合金的主要物理性能有等。金属及合金的主要物理性能有密度、密度、熔点、膨胀系数、导电性、导热性、和电熔点、膨胀系数、导电性、导热性、和电磁性磁性等。等。 由于工程结构和机械零件的用途各异，除了力学性由于工程结构和机械零件的用途各异，除了力学性能的基本要求外，往往还有不同的物理性质的要求能的基本要求外，往往还有不同的物理性质的要求:例：例：航空机械航空机械要求

22、有低的密度，要求有低的密度，精密铸造金属及合金精密铸造金属及合金要求有低的膨胀系数；要求有低的膨胀系数；熔断器用保险丝熔断器用保险丝要求有低的熔点；要求有低的熔点；电热器用金属丝电热器用金属丝要求有高的电阻；要求有高的电阻；导线导线要求良好的导电性能；要求良好的导电性能；电机和变压器的铁芯材料电机和变压器的铁芯材料要求磁通大，磁损小要求磁通大，磁损小材料的化学性能材料的化学性能 材料的化学性能指材料抵抗材料的化学性能指材料抵抗腐蚀腐蚀及及氧化氧化等性能。腐蚀等性能。腐蚀（corrosion）是指材料在周围介质的作用下，由于化学反应、）是指材料在周围介质的作用下，由于化学反应、电化学反应而产生的

23、破坏，并将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐电化学反应而产生的破坏，并将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。蚀两大类。 化学腐蚀（化学腐蚀（chemical corrosion）是指材料与周围介质直接发）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。生化学反应，但反应过程中不产生电流的腐蚀过程。金属在干金属在干燥气体中的腐蚀（如飞机发动机燃烧室内壁、火焰筒以及接触燥气体中的腐蚀（如飞机发动机燃烧室内壁、火焰筒以及接触燃气的其它零部件的腐蚀）、在非电解质溶液中的腐蚀（如金燃气的其它零部件的腐蚀）、在非电解质溶液中的腐蚀（如金属在无水的酒精、甘油中的腐蚀）等都属这一类。属在无水的酒

24、精、甘油中的腐蚀）等都属这一类。 电化学腐蚀（电化学腐蚀（electrochemical corrosion）是指金属与离子导）是指金属与离子导电性介质发生电化学反应，反应过程中有电流产生的腐蚀过程电性介质发生电化学反应，反应过程中有电流产生的腐蚀过程，如金属或合金在各种电解质溶液中的腐蚀、大气腐蚀。海水腐如金属或合金在各种电解质溶液中的腐蚀、大气腐蚀。海水腐蚀和土壤腐蚀等。电化学腐蚀是金属腐蚀中最常见、最普遍的蚀和土壤腐蚀等。电化学腐蚀是金属腐蚀中最常见、最普遍的腐蚀类型，可以说大多数金属的腐蚀都具有电化学性质。腐蚀类型，可以说大多数金属的腐蚀都具有电化学性质。 电化学腐蚀的基本原理电化学腐

25、蚀的基本原理 电化学腐蚀电化学腐蚀是金属在电解质中由于形成原电是金属在电解质中由于形成原电池（池（Galvanic cell）而引起的腐蚀。不同的金属）而引起的腐蚀。不同的金属在电解质中具有不同的电极电位（在电解质中具有不同的电极电位（electrode potential），当不同的两种金属处于同一电解质），当不同的两种金属处于同一电解质溶液中并由导线联结时就构成一个原电池。此时溶液中并由导线联结时就构成一个原电池。此时电子由电极电位低的阳极流向电极电位高的阴极电子由电极电位低的阳极流向电极电位高的阴极，即阳极金属被腐蚀。即阳极金属被腐蚀。 电化学腐蚀举例电化学腐蚀举例 在电解质溶液中，铁素

26、体的电极电位低，成为阳极在电解质溶液中，铁素体的电极电位低，成为阳极而被腐蚀，渗碳体电极电位高成为阴极而被保护。根据电化学腐蚀的原而被腐蚀，渗碳体电极电位高成为阴极而被保护。根据电化学腐蚀的原理可以明白，为什么多相合金比单相合金易腐蚀，金属在潮湿的空气中理可以明白，为什么多相合金比单相合金易腐蚀，金属在潮湿的空气中比干燥空气中易腐蚀，在工业区和酸性气氛的大气中的金属易腐蚀。比干燥空气中易腐蚀，在工业区和酸性气氛的大气中的金属易腐蚀。渗碳体渗碳体铁素体铁素体（Fe-2eFe2eFe+）电解液电解液(2H+2eH2)图图6.2 6.2 珠光体电化学腐蚀示意图珠光体电化学腐蚀示意图金属的氧化金属的氧

27、化 金属材料在干燥气体介质中也能通过化学反应而被氧化。金属的氧金属材料在干燥气体介质中也能通过化学反应而被氧化。金属的氧化，特别是高温下的氧化，是工程设计（如火箭发动机、高温石油化工化，特别是高温下的氧化，是工程设计（如火箭发动机、高温石油化工设备设计等）中必须重视的一个问题。设备设计等）中必须重视的一个问题。 如果金属在氧化过程中形成的氧化膜具备下列条件，则这层金属氧如果金属在氧化过程中形成的氧化膜具备下列条件，则这层金属氧化膜将成为保护膜而阻止金属进一步氧化，从而提高金属的抗氧化能力。化膜将成为保护膜而阻止金属进一步氧化，从而提高金属的抗氧化能力。 （1）形成的氧化膜完整；）形成的氧化膜完

28、整； （2）氧化膜与金属集基体之间具有良好的结合力；）氧化膜与金属集基体之间具有良好的结合力； （3）氧化膜稳定性好，熔点高，蒸气压低；）氧化膜稳定性好，熔点高，蒸气压低； （4）氧化膜与金属的热膨胀系数接近；）氧化膜与金属的热膨胀系数接近； （5）氧化膜具有良好的高温塑性，不易断裂；）氧化膜具有良好的高温塑性，不易断裂； （6）氧化膜结构致密，电子导电率很低，离子在其中的扩散率也很低。）氧化膜结构致密，电子导电率很低，离子在其中的扩散率也很低。材料的力学性能材料的力学性能 材料的力学性能（材料的力学性能（Mechanical property）是指）是指材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（

29、温度、材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下所表现出来的行为。介质和加载速度）联合作用下所表现出来的行为。 下列名词属于力学性能范畴下列名词属于力学性能范畴 强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性、抗疲劳性、强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性、抗疲劳性、缺口敏感性、应力腐蚀、氢脆缺口敏感性、应力腐蚀、氢脆。 力学性能指标力学性能指标 表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为材料的力学性能指标。称为材料的力学性能指标。 强度指标强度指标 b、s、-1 塑性指标塑性指标 、 韧性指标韧性指标 ak、KIC 金属力学性能指标

30、具体数值的高低，表征金属材料抵金属力学性能指标具体数值的高低，表征金属材料抵抗变形和断裂能力的大小，是评定金属材料质量的主要依抗变形和断裂能力的大小，是评定金属材料质量的主要依据，也是设计金属材料机械构件和进行强度计算的主要依据，也是设计金属材料机械构件和进行强度计算的主要依据。据。决定材料力学性能的因素决定材料力学性能的因素 内因：内因：材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残 余应力及表面和内部缺陷等。余应力及表面和内部缺陷等。 外因外因：载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪等）、温

31、度和环境介质。应力状态（拉、压、弯、扭、剪等）、温度和环境介质。 因此，谈及金属材料的力学行为，应考虑到其所处因此，谈及金属材料的力学行为，应考虑到其所处的条件，如一些在常温下表现为韧性的金属材料，在低的条件，如一些在常温下表现为韧性的金属材料，在低温下可能就表现为脆性，这就是金属材料的低温脆性性温下可能就表现为脆性，这就是金属材料的低温脆性性能。这就是为什么力学性能指标的测定总是要确定温度、能。这就是为什么力学性能指标的测定总是要确定温度、应变速率、加载方式等的原因应变速率、加载方式等的原因 应力应变曲线及强度和塑性应力应变曲线及强度和塑性（一）应力应变曲线（一）应力应变曲线 将如图的拉伸试

32、样置于将如图的拉伸试样置于拉伸试验机拉伸试验机上加载直到拉断，得到上加载直到拉断，得到载荷载荷-伸伸长曲线长曲线。设。设试样单位面积的载荷为应力试样单位面积的载荷为应力，试样单位原始长度的伸长为试样单位原始长度的伸长为应变应变，则得到，则得到应力应力-应变曲线应变曲线。由于应力。由于应力只是用载荷只是用载荷F除以一个常数，除以一个常数，即试样的原始截面积即试样的原始截面积A，而应变，而应变只是用绝对伸长只是用绝对伸长L除以试样的原始标除以试样的原始标距长度距长度L0，所以应力应变曲线的形状与载荷伸长曲线的形状相同。图，所以应力应变曲线的形状与载荷伸长曲线的形状相同。图6.5是典型延性材料的应力

33、应变曲线，是典型延性材料的应力应变曲线，在拉伸载荷作用下，材料经由弹在拉伸载荷作用下，材料经由弹性变形性变形屈服屈服塑性变形塑性变形断裂等几个阶段。断裂等几个阶段。 LL0A0Dd0拉伸試樣拉伸試樣应力应力 试样单位面积的载荷试样单位面积的载荷应变应变 试样单位原始长度的伸长，或单试样单位原始长度的伸长，或单位原面积的收缩。位原面积的收缩。正应力正应力切应力切应力A=Pc/A=Pp/ A载荷伸长曲线载荷伸长曲线载载荷荷F伸长（伸长（L）FbFkFsFeeskbL应应力力F/A应变应变（L/L0）bkseeskb应力应变曲线应力应变曲线L均匀变形均匀变形非均匀变形非均匀变形颈缩现象颈缩现象拉伸前

34、的试样拉伸前的试样拉断后的试样拉断后的试样低碳钢低碳钢灰铸铁灰铸铁合金钢淬火回火钢合金钢淬火回火钢不同金属材料的应力应变曲线不同金属材料的应力应变曲线 从应力应从应力应变曲线可看出变曲线可看出材料的大概力材料的大概力学性能学性能凝胶凝胶橡胶、塑化聚氯乙烯橡胶、塑化聚氯乙烯酚醛树脂酚醛树脂硬质聚氯乙烯硬质聚氯乙烯乙酰纤维素、尼龙乙酰纤维素、尼龙（二）强度指标（二）强度指标 强度指材料或结构承受外力而不发生变形和破坏的能力强度指材料或结构承受外力而不发生变形和破坏的能力 1弹性变形阶段的强度指标弹性变形阶段的强度指标 在应力应变曲线的在应力应变曲线的e点之前是弹性变形阶段，其变形是可逆的，变形点之

35、前是弹性变形阶段，其变形是可逆的，变形随着载荷的卸除而消失。此阶段有如下两个力学性能指标：随着载荷的卸除而消失。此阶段有如下两个力学性能指标：（1）弹性极限）弹性极限e（proof stress） 即即e点对应的应力，表征材料产生最大弹性变形的应力，超过此点，点对应的应力，表征材料产生最大弹性变形的应力，超过此点，材料开始产生塑性变形。弹性极限由下式计算：材料开始产生塑性变形。弹性极限由下式计算： e =Fe/A0 （MPa） 式中：式中：Fe为为e点对应的载荷，点对应的载荷，A0为试样原始截面积。为试样原始截面积。 （2）弹性模量（）弹性模量（Youngs modulus） 在弹性阶段应力和

36、应变呈线性关系，即二者存在在弹性阶段应力和应变呈线性关系，即二者存在=E的关系，其中的关系，其中比比例系数例系数E即是弹性模量即是弹性模量。工程上弹性模量被称为刚度（。工程上弹性模量被称为刚度（rigidity），），表表 征材料抵抗弹性变形的能力，其值越大，则在相同应力征材料抵抗弹性变形的能力，其值越大，则在相同应力 下产生的弹性下产生的弹性变形越小，机械构件的稳定性越高。变形越小，机械构件的稳定性越高。E1E2E1E212E1E2E1E2122 塑性变形阶段的强度指标：塑性变形阶段的强度指标： （1）屈服极限屈服极限s（yield limit） 屈服强度屈服强度0.2（yield stre

37、ngth） 在在S点附近，此时应力应变曲线上出现一个平台，表示材点附近，此时应力应变曲线上出现一个平台，表示材料开始产生塑性变形，其对应的应力叫屈服极限料开始产生塑性变形，其对应的应力叫屈服极限s。但对于。但对于大多数合金钢或淬火回火材料，应力应变曲线无屈服平台出大多数合金钢或淬火回火材料，应力应变曲线无屈服平台出现，此时，规定以产生试样原始长度现，此时，规定以产生试样原始长度0.2%的塑性变形所对应的塑性变形所对应的应力作为条件屈服极限，称为屈服强度的应力作为条件屈服极限，称为屈服强度0.2。屈服强度和屈。屈服强度和屈服极限是材料重要的力学性能指标，因为机械构件在工作中服极限是材料重要的力学

38、性能指标，因为机械构件在工作中是不允许产生丝毫的塑性变形的。在强度设计时往往以是不允许产生丝毫的塑性变形的。在强度设计时往往以s或或0.2作为依据。作为依据。 屈服极限屈服极限 s=Fs/A0 （MPa） 屈服强度屈服强度 0.2=F0.2/A0 （MPa） FsF0.20.2%Ls=Fs/A00.2=F0.2/A0 （2）抗拉强度（抗拉强度（tensile strength） 抗拉强度是应力应变曲线上抗拉强度是应力应变曲线上b点对应的应力，表征材料点对应的应力，表征材料所能承受的最大应力。对于脆性材料，由于屈服强度与抗拉所能承受的最大应力。对于脆性材料，由于屈服强度与抗拉强度相差不大，多以抗

39、拉强度作为设计指标。抗拉强度由下强度相差不大，多以抗拉强度作为设计指标。抗拉强度由下式计算：式计算： b=Fb/A0 （MPa） 3 断裂阶段的强度指标断裂阶段的强度指标 断裂强度（断裂强度（fracture strength） 即应力应变曲线上即应力应变曲线上K点对点对应的应力。虽然该指针在机械设计中意义不大，但作为断裂应的应力。虽然该指针在机械设计中意义不大，但作为断裂研究却具有很重要的参考价值。研究却具有很重要的参考价值。E=/esbkK（三）塑性（三）塑性（plastic property） 塑性是指金属材料断裂前发生永久性变形的能塑性是指金属材料断裂前发生永久性变形的能力力。现代断裂

40、力学研究证明，塑性是材料重要的安。现代断裂力学研究证明，塑性是材料重要的安全性指针，在强度能满足要求的前题下，机械构件全性指针，在强度能满足要求的前题下，机械构件应有足够的塑性储备，以防止过载或脆性断裂。在应有足够的塑性储备，以防止过载或脆性断裂。在压力加工中，塑性是保证产品质量的重要指针，压压力加工中，塑性是保证产品质量的重要指针，压力加工中的缺陷，往往是材料塑性不足带来的。材力加工中的缺陷，往往是材料塑性不足带来的。材料的塑性好坏用延伸率和断面收缩率表示。料的塑性好坏用延伸率和断面收缩率表示。 （1）延伸率（延伸率（elongation percentage） 延伸率是试样拉断后的标距绝对

41、伸长与原始标距长度之比，延伸率是试样拉断后的标距绝对伸长与原始标距长度之比，用用表示，即表示，即 =L/L0100%=（Lf-L0）/L0100% 其中其中Lf为试样拉断后的标距长度，为试样拉断后的标距长度，L0为试样的原始标距长度。为试样的原始标距长度。故有：故有：000LALL 式中式中、对同一种材料为常数。由此可知，材料的延伸率不对同一种材料为常数。由此可知，材料的延伸率不仅与材质有关，还与试样的原始标距长度和原始截面积有关，仅与材质有关，还与试样的原始标距长度和原始截面积有关，为此，欲比较同种材料的延伸率，要求试样的为此，欲比较同种材料的延伸率，要求试样的 为常数，其为常数，其结果是试

42、样的标距与直径保持一定的比例关系，如结果是试样的标距与直径保持一定的比例关系，如L0=10d0，或，或L0=5d0。00LA实验结果证明：实验结果证明：00ALL （2） 断面收缩率（断面收缩率（contraction of area） 断面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面的最大缩减量与原始断面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号横截面积的百分比，用符号表示表示。 式中式中 A0试样原始横截面积；试样原始横截面积； Ak试样断裂后缩颈处的最小横截面积试样断裂后缩颈处的最小横截面积。 %100010AAA 韧韧 性性韧性（韧性（ductility）是材料的重要性

43、能）是材料的重要性能从断裂力学的角度看从断裂力学的角度看:韧性是表征材料抵抗韧性是表征材料抵抗裂纹扩展的能力，高韧性的材料，即便机械构裂纹扩展的能力，高韧性的材料，即便机械构件用材内部有裂纹，该裂纹也难于扩展，机械件用材内部有裂纹，该裂纹也难于扩展，机械构件处于安全状态。构件处于安全状态。从强度与塑性的关系看：从强度与塑性的关系看：高的韧性要求材高的韧性要求材料的强度和塑性都要好，因此韧性又是表征材料的强度和塑性都要好，因此韧性又是表征材料强度和塑性的综合力学性能指标料强度和塑性的综合力学性能指标. （1） 冲击韧度（冲击韧度（dynamic ductility） 冲击韧度是材料抵抗冲击破坏能

44、力的韧性指标，用试样冲击冲击韧度是材料抵抗冲击破坏能力的韧性指标，用试样冲击断裂时单位面积所吸收的能量来表示，其断裂时单位面积所吸收的能量来表示，其试验原理试验原理见图。定义冲见图。定义冲击功为击功为 Ak=mgH1-mgH2 即试样冲击断裂前摆锤的势能与试样冲击断裂后摆锤的势能即试样冲击断裂前摆锤的势能与试样冲击断裂后摆锤的势能之差，而之差，而冲击韧度冲击韧度为：为： ak=Ak/AN （J/m2）式中式中AN为试样缺口根部的原始截面积。由此可知，试样材料的为试样缺口根部的原始截面积。由此可知，试样材料的韧性越好，冲击断裂所消耗的能量越大，摆锤的势能差也越大。韧性越好，冲击断裂所消耗的能量越

45、大，摆锤的势能差也越大。冲击韧度对材料内部组织的变化敏感，因此常用来反映材料的冶冲击韧度对材料内部组织的变化敏感，因此常用来反映材料的冶金质量和热加工后的产品质量，是金属材料常用的力学性能指标。金质量和热加工后的产品质量，是金属材料常用的力学性能指标。圖圖6.7 衝擊試驗原理衝擊試驗原理Ak=mgH1-mgH2金属材料的韧性随温度的变化金属材料的韧性随温度的变化Tk 冷脆转变温度冷脆转变温度akT低碳钢低碳钢铜、铝及其合金铜、铝及其合金 （2） 断裂韧度断裂韧度 断裂韧度（断裂韧度（fracture toughness ）是用来反）是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标映材料抵抗裂纹失稳扩展

46、能力的指标。现代研。现代研究证明，机械构件用材料内部往往存在有各种究证明，机械构件用材料内部往往存在有各种裂纹或类裂纹，它们是在加工中或使用中产生裂纹或类裂纹，它们是在加工中或使用中产生的。在使用过程中，裂纹或由于应力的增加而的。在使用过程中，裂纹或由于应力的增加而增长，或由于载荷循环的增加而增长。当裂纹增长，或由于载荷循环的增加而增长。当裂纹长度增加到某个值长度增加到某个值ac时，材料便会发生失稳扩展时，材料便会发生失稳扩展而断裂，把而断裂，把ac称为临界裂纹长度。韧性好的材料，称为临界裂纹长度。韧性好的材料，一方面裂纹扩展困难，另一方面能够容纳的临一方面裂纹扩展困难，另一方面能够容纳的临界

47、裂纹长度大，因此较难发生断裂。界裂纹长度大，因此较难发生断裂。 、E、G材料力学材料力学常数常数 、r位置坐标位置坐标 KI 应力场强度因子，应力场强度因子， 包含了裂纹形状、尺包含了裂纹形状、尺寸、外加载荷对应力寸、外加载荷对应力状态的影响状态的影响常用的断裂韧度为临界应力场强度因子常用的断裂韧度为临界应力场强度因子KIC KIC=Ycac （MPa.m1/2）式中，式中，Y裂纹形状因子。裂纹形状因子。 c临界应力临界应力 ac临界裂纹长度临界裂纹长度KIC与别的力学性能指标一样，在一定条件下也是材料常数，取决于材与别的力学性能指标一样，在一定条件下也是材料常数，取决于材料的成分、组织结构和

48、各种环境因素，其值越大，材料断裂时所需的料的成分、组织结构和各种环境因素，其值越大，材料断裂时所需的应力越大，断裂时容纳的裂纹越长，而且裂纹扩展越难，材料的韧性应力越大，断裂时容纳的裂纹越长，而且裂纹扩展越难，材料的韧性就越好。就越好。 断裂韧性的应用断裂韧性的应用 （1）探测出裂纹形状和尺寸，根据）探测出裂纹形状和尺寸，根据KIC，制定零件工，制定零件工作是否安全作是否安全KIKIC ，失稳扩展。，失稳扩展。 （2）已知内部裂纹）已知内部裂纹2a，计算承受的最大应力。，计算承受的最大应力。 （3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界

49、尺寸。宏观裂纹的临界尺寸。 例子例子 在低温下一些材料的在低温下一些材料的 KIC 也表现出明也表现出明显的下降。显的下降。(3)静力韧度静力韧度 在静拉伸的应力应在静拉伸的应力应变曲线中，韧性可用变曲线中，韧性可用应力应变曲线下的面应力应变曲线下的面积大小来表示，称为积大小来表示，称为静力韧度。静力韧度。 由图由图6.6可知，要可知，要获得大的面积，即高获得大的面积，即高的韧性值，必须要有的韧性值，必须要有高的强度和较好的塑高的强度和较好的塑性。性。脆性材料的靜力韌度脆性材料的靜力韌度韌性材料的靜力韌度韌性材料的靜力韌度 圖圖6.6 韌性材料和脆性材料的靜力韌度韌性材料和脆性材料的靜力韌度硬

50、硬 度度 材料的硬度试验是应用最广泛的力学性能试验之一材料的硬度试验是应用最广泛的力学性能试验之一，这是因为硬度试验方法简单，无损于零件，对材料表，这是因为硬度试验方法简单，无损于零件，对材料表面的组织变化敏感，并且硬度值还能换算成别的力学性面的组织变化敏感，并且硬度值还能换算成别的力学性能值。能值。硬度（硬度（ hardness）是表征材料软硬程度的力学性能，其物理）是表征材料软硬程度的力学性能，其物理意义随试验方法的不同而不同意义随试验方法的不同而不同。常用的硬度试验方法是压入。常用的硬度试验方法是压入法，由于这种试验方法是软性应力状态，容易在材料表法，由于这种试验方法是软性应力状态，容易

51、在材料表面形成压痕，故不但可以用于一般硬度的金属材料，还面形成压痕，故不但可以用于一般硬度的金属材料，还可以用来测定淬火钢、硬质合金、甚至陶瓷等脆性材料可以用来测定淬火钢、硬质合金、甚至陶瓷等脆性材料的硬度。常见的硬度试验方法如下：的硬度。常见的硬度试验方法如下：1822 莫氏硬度莫氏硬度金刚石金刚石10、 刚玉刚玉9、 黄玉黄玉8方解石方解石3 、石膏、石膏2、 滑石滑石1工业纯铁工业纯铁34 淬火工具钢淬火工具钢781、布氏硬度（布氏硬度（Brinell hardness） 布氏硬度是将直径为布氏硬度是将直径为D（mm）的钢球或硬质合金球压头，在载荷）的钢球或硬质合金球压头，在载荷F的作用

52、下的作用下压入试样表面，经规定的保持时间后卸除载荷，测定试样表面的压痕直径压入试样表面，经规定的保持时间后卸除载荷，测定试样表面的压痕直径d（mm），则布氏硬度），则布氏硬度HB为：为： 式中，式中，F为试验载荷；为试验载荷； D为钢球直径；为钢球直径； d为压痕直径；为压痕直径； A为球形压痕的面积。为球形压痕的面积。 布氏硬度大多情况下均使用淬火钢球作为压头，因此在使用中要避免用于淬布氏硬度大多情况下均使用淬火钢球作为压头，因此在使用中要避免用于淬火材料的硬度试验。另外布氏硬度试验中载荷火材料的硬度试验。另外布氏硬度试验中载荷F与钢球直径与钢球直径D的选择应满足的选择应满足“相似相似原理原

53、理”，即二者的比值，即二者的比值F/D2应等于常数。例，当应等于常数。例，当F/D2=30时，应选择如下数值：时，应选择如下数值：D=10，F=3000；D=5，F=750；D=2.5，F=187.5等。布氏硬度的最大优点是压痕等。布氏硬度的最大优点是压痕较大，覆盖的晶粒数较多，因此数据分散性较小，多用于测定铸造材料的硬度。较大，覆盖的晶粒数较多，因此数据分散性较小，多用于测定铸造材料的硬度。)(22dDDDFAFHBDFd壓頭壓頭圖圖6.8 布布氏硬度試驗原理氏硬度試驗原理布布氏硬度氏硬度相似原理相似原理D1F1压头压头D2F2d材料材料比值比值（F/D2）鋼球直徑鋼球直徑（mm）載荷載荷（

54、gkf）載荷保持載荷保持時間（時間（S）黑色金屬黑色金屬（如退火、（如退火、正火、調質正火、調質態）態）301052.53000750187510布氏硬度试验规范布氏硬度试验规范 2. 洛氏硬度（洛氏硬度（Rockell hardness） 如图所示，将金刚石圆锥压头或淬火钢球压头在一定的载荷下压入试样表如图所示，将金刚石圆锥压头或淬火钢球压头在一定的载荷下压入试样表面，用压入深度面，用压入深度h表示洛氏硬度。表示洛氏硬度。图中图中a)表示在预载荷作用下压如深度为表示在预载荷作用下压如深度为h1，图中，图中b)表示在预载荷作用的同时又表示在预载荷作用的同时又加上主载荷，压如深度为加上主载荷，压

55、如深度为h2，图中，图中c)表明卸除主载荷，此时由于弹性回复，压表明卸除主载荷，此时由于弹性回复，压如深度有所减少，变为如深度有所减少，变为h3，F0F0+FF0試樣a)加預載荷加預載荷b)加預載荷與主載荷加預載荷與主載荷c)卸除主載荷卸除主載荷h1h2h=h3-h1h3圖圖6.9 洛氏硬度原理圖洛氏硬度原理圖定义洛氏硬度为：定义洛氏硬度为： HR=k-h=k-(h3-h1)洛氏硬度加预载荷的目的是去除金属材料表面氧化皮等对硬度洛氏硬度加预载荷的目的是去除金属材料表面氧化皮等对硬度的影响。加常数的影响。加常数k的目的是为了使洛氏硬度值的大小与材料软硬的目的是为了使洛氏硬度值的大小与材料软硬关系

56、如其它硬度一样，即硬度值越大，材料越硬。洛氏硬度值关系如其它硬度一样，即硬度值越大，材料越硬。洛氏硬度值是直接在硬度试验机的读数盘上读取的，因为刻度盘上的是直接在硬度试验机的读数盘上读取的，因为刻度盘上的1刻度刻度表示表示0.002mm的深度，所以深度的深度，所以深度h在刻度上相当于在刻度上相当于h/0.002=500h，则洛氏硬度为：则洛氏硬度为： HR=k-500h 由于洛氏硬度采用不同的压头和主载荷，因此可以搭配出多由于洛氏硬度采用不同的压头和主载荷，因此可以搭配出多种不同的组合，称为种不同的组合，称为洛氏硬度的标尺洛氏硬度的标尺，其中使用最多的是，其中使用最多的是C标尺标尺，HRC广泛

57、用于热处理车间对淬火钢的硬度测定。广泛用于热处理车间对淬火钢的硬度测定。 洛洛氏氏硬硬度度试试验验机机洛氏硬度的标尺洛氏硬度的标尺硬硬度度预载预载荷荷标标尺尺压头压头总载荷总载荷（kgf）k值值用途用途洛洛氏氏硬硬度度10ADC金刚石圆金刚石圆锥锥60100150100淬火钢、超硬合金淬火钢、超硬合金FBG钢球钢球1.5875mm60100150130铜合金、铁铜合金、铁HEK钢球钢球3.175mm60100150粉末合金、铸铁、粉末合金、铸铁、铝合金、镁合金等铝合金、镁合金等LMP钢球钢球6.35mm 60100150软金属、塑料软金属、塑料RSV钢球钢球12.7mm601001503. 维

58、氏硬度（维氏硬度（Vickers-hardness） 维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力来计算硬度值的。不同的是维克氏硬度采用的是相对面夹角为验力来计算硬度值的。不同的是维克氏硬度采用的是相对面夹角为1360的的金刚金刚石四棱锥压头石四棱锥压头，打出的压痕是四方锥形压痕，如图，打出的压痕是四方锥形压痕，如图6.10所示。为了消除材料各所示。为了消除材料各向异性的影响，应测量压痕两个对角线的长度，以其平均值向异性的影响，应测量压痕两个对角线的长度，以其平均值d带入下式，计算带入下式，计算HV值：值：

59、 式中，式中，F为试验载荷；为试验载荷； A为正四棱锥压痕面积；为正四棱锥压痕面积； d为压痕对角线的平均值。为压痕对角线的平均值。 由于维氏硬度采用金刚石作为压头，载荷范围较宽，不像布氏硬度那样受由于维氏硬度采用金刚石作为压头，载荷范围较宽，不像布氏硬度那样受到到“相似原理相似原理”的限制，因此可以测定从较软的金属一直到较硬的金属的硬的限制，因此可以测定从较软的金属一直到较硬的金属的硬度，广泛用于材料的研究中。另外，如果载荷选得很小，以克为单位，则可度，广泛用于材料的研究中。另外，如果载荷选得很小，以克为单位，则可以打显微组织的硬度，这就是显微硬度。显微硬度的试验原理完全与微氏硬以打显微组织

60、的硬度，这就是显微硬度。显微硬度的试验原理完全与微氏硬度相同。度相同。228544. 168sin2dFdFAFHVo圖圖6.10 維氏硬度試驗壓頭及壓痕維氏硬度試驗壓頭及壓痕维氏硬度计维氏硬度计4. 4、肖氏硬度（肖氏硬度（shore hardness） 肖氏硬度属于回弹法硬度试验，其原理是将一定重量的，顶端带有肖氏硬度属于回弹法硬度试验，其原理是将一定重量的，顶端带有金刚石圆头的冲头，从一定高度处自由落到试样表面，根据冲头的回弹金刚石圆头的冲头，从一定高度处自由落到试样表面，根据冲头的回弹高度来表征材料硬度的大小。如果材料很硬，冲头落下时试样受力点基高度来表征材料硬度的大小。如果材料很硬，