材料科学课件

差排与强化机制塑性变形：对所施应力众多原子最终运动之反应原子键断裂重组，晶体中差排运动差排特性以及与塑性变形的关系单相金属强化机制回复与再结晶

差排与塑性变形完美晶体的理论强度1930s：假说1950s：电子显微镜验证差排理论：物理与机械现象

基本观念边缘差排：多余半平面（extrahalf-plane）螺旋差排：剪切力偏离，螺旋形，原子平面旋梯混合差排塑性变形：众多差排运动

边缘差排移动：剪切力垂直于差排线多余半平面变动：分段而重复的步骤差排运动导致塑性变形：滑移（slip）差排线横越的平面：滑移平面边缘差排移动如毛虫运动：拉拽最后一对脚一单位脚距，形成隆起小丘峰，藉由重复移动，推进小丘峰

螺旋差排移动：运动方向与剪切力垂直边缘差排移动：运动方向与剪切力平行

产生差排固化、塑性变形、热应力差排密度：mm/mm3or/mm2固化：103/mm2塑性变形：109–1010/mm2热处理：105–106/mm2

差排特性应变场分布差排移动性（mobility）与繁生（multiplication）塑性变形：5%能量留存，95%能量以散热形式流失留存能量主要为差排应变能量

边缘差排应变场分布张、压缩、剪切应变螺旋差排螺旋差排纯剪切应变

差排交互作用同向（Burgersvector）互斥，异向相吸注销（annihilation）

塑性变形差排密度增加来源：差排繁生、晶粒界、内部缺陷、表面刮痕或裂口

滑移系统（slipsystem）差排移动优选（preferred）平面与特定（specific）方向特定晶体结构：优选平面为原子最紧密堆积平面，特定方向为此平面原子最紧密堆积方向

FCC：{111}<110>，12滑移系统BCC：{110}<111>（12），{112}<111>（12），{321}<111>（24）HCP：{0001}<11-20>（3），{10-10}<11-20>（3），{10-11}<11-20>（6）

单晶中的滑移分解剪切应力（resolvedshearstress）φ：应力与应力平面垂线夹角，λ：应力与滑移方向夹角σR=σcosφcosλσR

（max）=σ（cosφcosλ）max临界（critical）分解剪切应力（CRSS）：滑移所需最少应力σy=σCRSS/（cosφcosλ）maxφ=λ=450，σy=2σCRSS

滑移线（sliplines）滑移线与滑移阶梯宽度随塑性变形增加FCC或BCC：转至另一滑移系统HCP：如φ或

λ=900

，直接断裂

复晶中的塑性变形较复杂各晶粒有不同以及多滑移系统变形时试片维持完整与凝聚性各晶粒塑性变形受限（constrained）等轴（equiaxed）至拉长（elongated）复晶较单晶强：几何因素

双晶变形由产生双晶变形双晶：特定平面与方向BCC：{112}<111>（12）滑移与双晶变形均匀性，平面方向改变否，位移

双晶变形之发生BCC与HCP低温，滑移受限，高速负荷力双晶变形而导至滑移变形

单相金属强化机制限制或阻碍差排移动减少晶粒尺寸固溶合金应力硬化

减少晶粒尺寸强化晶粒界阻碍差排移动晶粒方向改变晶粒界原子失序（disorder）排列高角度晶粒界：产生新差排

Hall-Petch方程式σy=σ0+kyd-1/2不适用于过大或过小晶粒增进轫性小角度晶粒界，双晶界，相间边界

固溶合金强化杂质原子应变场与差排作用较小杂质原子：张力较大杂质原子：压缩力杂质原子扩散或偏析至差排：降低应变能阻碍差排移动：需较高能量

应力硬化加工硬化（workhardening）冷加工（coldworking，CW）%CW：（A0-Ad）/A0差排与差排应变场交互作用差排繁生，差排与差排交互作用平均为相斥作用

回复与再结晶热处理（annealing）：电导、热导、抗腐蚀性回复回复：由扩散增益（enhanceddiffusion）差排运动释放能量差排密度降低，差排组构改变

再结晶回复后：高应变能状态产生新无应变（strain-free）、等轴（equi-axed）晶粒经应变材料能量较高

再结晶温度：再结晶在一小时完成之温度（1/3-1/2Tm）

冷加工：再结晶温度随冷加工程度降低临界冷加工：2-20%合金成分：再结晶温度随合金成分升高0.3–0.7Tm

晶粒成长晶粒界能量降低晶粒界移动d2-d02=Kt

固体中的缺陷

材料性质缺陷的形式与角色合金（Sterling银：92.5%Ag,7.5%Cu）集成电路自然与特意外加缺陷晶体缺陷：原子尺寸分类：几何与维次点、线、面、体点缺陷空穴（vacancy）Nv=Nexp(-Qv/kT)k:BoltzmannConstant=1.38x10-23joule/atom-K=8.62x10-5eV/atom-KNv/N~10-4

（熔点）自体填隙原子（self-interstitial）Qi高固体中的杂质6-9（99.9999%）纯度金属合金（Sterling银：92.5%Ag,7.5%Cu）固溶体及/或第二相杂质种类、浓度、合金温度溶质（solute）：少量成份溶剂（solvent）：主要成份，母材（matrix）、主材（hostmaterial）

影响替代型固溶体形成因素原子大小：15%晶体结构：相同阴电性：差异小价数：易溶较高价数溶质Ni-Cu：完全互溶Ni:0.125nm,f.c.c.,1.8,+2Cu:0.128nm,f.c.c.,1.9,+1(+2)填隙原子型固溶体原子大小：Fe(0.124nm),C(0.071nm)溶解度：＜10%，CinFe：2%weightpercent（wt%,wt.%），atompercent（at%,at.%）C1=m1/(m1+m2)nm1=m1/A1C1’=nm1/(nm1+nm2)转换（conversion）C1’=C1A2/(C1A2+C2A1)C2’=C2A1/(C1A2+C2A1)C1=C1’A1/(C1’A1+C2’A2)C2=C2’A2/(C1’A1+C2’A2)差排（dislocation）边缘差排（edgedislocation）⊥┬螺旋差排（screwdislocation）混合差排（mixeddislocation）Burgers线路（circuit）：围绕并垂直于差排线之线路Burgers矢量（vector）：决定晶格偏离方向与大小之矢量界面缺陷外表面（externalsurface）：能量，形状晶粒界（grainboundary）双晶界（twinboundary）叠差（stackingfault）异相界（phaseboundary）磁区界（magneticdomainboundary）晶粒界小角度（small-angle）晶粒界倾斜（tilt）晶粒界扭曲（twist）晶粒界晶粒界能量角度、化学活性偏析(segregation)晶粒成长强度、密度显微镜光学显微镜电子显微镜扫描式、穿透式扫描探针显微镜穿隧式、原子力光学显微镜反射光金相图（metallograph）试片研磨侵蚀：晶面、相，状态晶粒界大尺寸（bulk）或体缺陷孔洞（pore）裂缝（crack）介在物（inclusion）析出物（precipitate）空洞（void）原子振动1013/s温度熔解穿透式电子显微镜波长：~0.004nm电磁透镜、真空试片厚度：~100nm对比鉴别率：0.18nm1,000,000x

结构(structure)

性质(property)

制程(processing)

功能(performance)材料科学工程要素ICThinFilmLab.NTHUAlM1CuM5CuM4CuM3CuM2WPlugMulti-LevelCuInterconnect(UMC)ICThinFilmLab.NTHU0.1mGateoxide(2.8nm)Si3N4Self-alignedTiSi2Self-alignedTiSi2(UMC)HRTEMimageoftheinterfacesbetweenSEGSiandSisubstrateaswellastheoxidesidewall扫描式电子显微镜扫描、反射导电表面三度空间影像鉴别率：1-5nm100,000x元素分布ICThinFilmLab.NTHU1m0.25m,6-levelMetallization(UMC)扫描探针显微镜高鉴别率表面起伏各种介质电流、电子及其他作用力ICThinFilmLab.NTHU

STMimagesofas-cleanedSi(111)-7×7surface20nmx20nm20nmx20nmfilled-state(Vs=-1.5V)

empty-state(Vs=0.5V)ICThinFilmLab.NTHUICThinFilmLab.NTHUOurSTMsystem晶粒大小晶粒大小数n（grainsizenumber）100x,N（/in2）=2n-1结构(structure)奈米是啥“米”

奈米（nm），又称毫微米。一奈米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般介于宏观与微观之间奈米材料又称为超微颗粒材料，由奈米粒子组成。奈米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1-100nm间的粒子，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应

「结」－字首：糸，细丝。字身：吉，士人之口，有所成也。＊丝有所成，互相钩连，完成，合也。「构」－字首：木，木料。字身：冓，对交之形。＊交互形成组织者。定义：一物体由若干物体之结合所构成者。结构ThearrangementofinternalcomponentsofmatterElectronic:onasubatomiclevelCrystal:onanatomiclevelMicrostructure:onamicroscopiclevelStructureICThinFilmLab.NTHU

STMimagesofas-cleanedSi(111)-7×7surface20nmx20nm20nmx20nmfilled-state(Vs=-1.5V)

empty-state(Vs=0.5V)奈米材料-二氧化钛

机械(mechanical)

电(electrical)

热(thermal)

磁(magnetic)

光(optical)

劣化（deteriorative

）性质(property)「性」－字首：心，认知之主体。字身：生，产生。＊产生认知之本。「质」－字身：斤，计量单位。字首：贝，货币。＊实在、实有者。定义：某一物体因其结构而具有的状态。对外来刺激的特殊反应(特质与大小)。。

性质Amaterialtraitexpressedintermofthemeasured(kindandmagnitude)responsetoaspecificimposedstimulus

Property断裂的船身三种不同的氧化铝

金属材料陶瓷材料高分子材料电子材料材料分类(一)

金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料半导体材料生物材料材料分类(二)ICThinFilmLab.NTHU1m0.25m,6-levelMetallization(UMC)ICThinFilmLab.NTHU1mMulti-LevelCuInterconnect(UMC)ICThinFilmLab.NTHUAlM1CuM5CuM4CuM3CuM2WPlugMulti-LevelCuInterconnect(UMC)ICThinFilmLab.NTHUSALICIDEinPentiumII-450ChipTiSi2TiSi2Si3N4Si0.1mmICThinFilmLab.NTHU0.1mGateoxide(2.8nm)Si3N4Self-alignedTiSi2Self-alignedTiSi2(UMC)HRTEMimageoftheinterfacesbetweenSEGSiandSisubstrateaswellastheoxidesidewall特性使用期间劣化情况成本材料选用

材料科技的挑战

绿色生产交通：减重,高温能源：核能材料

环保再生绿色生产核能材料交通：减重能源环保再生先进材料

高科技材料新材料高性能材料

CD,Laser,LCD

信息材料绿色生产核能材料交通：减重能源环保再生1968CSMS(MRS-T)19721stMSEProgram(NTHU)19741stDomesticM.S.inMSE1979MST:NationalKeyArea1980MaterialsAdvisoryGrop,STAG19801stNationalMaterialsCongressMilestones1981Ph.D.PrograminMSE1982MaterialsSteeringGroup,STAG1982MRL,ITRI1983MDC,CSIST1984MSC,NTHUMilestones19851stDomesticPh.D.inMSE1987MST:NationalStrategicIndustry1987MSTDevelopmentProgram(MOE)1992MaterialsChemistryandPhysicsMilestones0500100015002000250030003500FacultyPh.D.StudentM.S.StudentB.S.Student199019961999FacultyandStudentinMSENumberUniversity020406080100120140NTHUNCKUNSYSUFCUNTUTTITNCTUNOUNCHUKITGraduateStudentsbyUnviersityM.S.Ph.DCurrentNSCMaterialEngineeringProjects4482486964562386984622787780100200300400500600700800199920002000(2)YearFacultyPhDstudentMSstudent-50,000100,000150,000200,000250,000300,000350,000271,625283,509327,082199920002000(2)YearNT$1kCurrentNSCMaterialEngineeringProjectsGovernmentR&DBudget(inB.U.S.$)00.20.40.60.811.21.41.61.82FY96FY97FY98DistributionofGovernmentR&DBudgetinMaterials(57.8MU.S.$)TechnicalDevelopment78%Supplement.Program6%BasicResearch1%AppliedResearch15%CountriesofPh.D.StudyJapan6%Europe8%Taiwan22%U.S.64%0510152025NumberofFacultyNTHUNCKUNSYSUFCUNTUTTITNCTUNOUNCHUKITUniversityCountriesofPh.D.StudyTaiwanEuropeJapanU.S.Electronic17%Ceramic26%Metallic46%Composite11%ResearchInterestofFacultyinMSENewgroupingsInformationmaterialsCommunicationmaterialsGreenmaterialsNanomaterials

PlacementofPh.D.GraduatesatNTHU(1991-95)051015202530IndustryResearchTeachingM.ServiceOthersGraduatesinMSEatNTHUbyYear0102030405060707475767778798081828384858687888990919293949596M.S.Ph.D.B.S.Ph.D.GraduatesinMSEatNTHUbyYear0510152025858687888990919293949596FacultyandStudentinMSEatNTHU050100150200250FacultyPh.D.StudentM.S.StudentB.S.StudentM.S.GraduatesinMSEatNTHUbyYear010203040506070747678808284868890929496GraduatesinMSEatNTHUbyYear0102030405060707475767778798081828384858687888990919293949596M.S.Ph.D.B.S.Ph.D.GraduatesinMSEatNTHUbyYear0510152025858687888990919293949596FacultyandStudentinMSEatNTHU050100150200250FacultyPh.D.StudentM.S.StudentB.S.StudentM.S.GraduatesinMSEatNTHUbyYear010203040506070747678808284868890929496PlacementofPh.D.GraduatesatNTHU(1991-95)051015202530IndustryResearchTeachingM.ServiceOthers「目」－象形字，原横向，眼睛，引申为重点，纲领条文。「的」－字首：白，明亮无色。字身：勺，挹取，象形中有实。＊明白可取，意念所至，目的，这个，属于。定义：眼睛所望之处，代表意念所在。目的「定」－字首：空间。字身：正，守一以止。＊止于空间，安也，静也，决也，不变也。「义」－字首：羊，祭祀用的牲畜。字身：我，自己。＊以我为羊，牺牲小我，不顾私利的行为，道理。定义：确定不变的意义。定义

结晶固体的结构

材料性质不同成份：Be,Mg,Au,Ag相同成份：晶体与非晶体陶瓷与高分子：透明度C:diamond，graphite，C60诺贝尔化学奖(2000)诺贝尔物理奖(2000)晶体（crystal）晶体结构（crystalstructure）原子硬球模式（hard-spheremodel）晶格（lattice）

单位晶胞（unitcell）平行六面体（parallelepiped）最高层次对称（highestordersymmetry）金属晶体结构：原子键结无方向性最相邻原子数目与位置不受限制

面心立方晶体：4原子/立方单位晶胞最相邻原子数（配位数，coordinationnumber）：12原子堆积因子（atomicpackingfactor）=单位晶胞内原子体积/单位晶胞体积：0.74体心立方晶体：2原子/立方单位晶胞最相邻原子数：8原子堆积因子：0.68例一面心立方（face-centeredcubic,fcc）晶体体积V=a3(a)2+(a)2=(4R)2a2=8R2V=(8R2)3/2=16(2)1/2R3

例二面心立方晶体原子堆积因子Vc=a3=16(2)1/2R3Vs=4x4/3(pi)R3Vs/Vc=(2)1/23/(pi)=0.74

例三计算Cu晶体密度Cu晶体密度=nACu(VcNA)R=0.128nm,n=4,NA=6.023x1023atoms/molACu=63.5g/molVc=a3=16(2)1/2R3Cu晶体密度=8.89g/cm3表列值：8.94g/cm3

六方紧密堆积晶体：6原子/六方柱体单位晶胞c/a=1.633最相邻原子数：12原子堆积因子：0.74Cd,Mg,Ti,Zn同素异形体（polymorphism）

AllotropyforsolidC:diamond，graphite，C60Fe(γ)b.c.c.,Fe（α）f.c.cat9120C晶体系统单位晶胞组构或原子安排单位晶胞平行六面体形状晶格参数：a,b,c,α,β,γ立方、正方、长方、六方、菱方、单斜、三斜晶体方向：[uvw]同族方向：[100]、[010]、[001]、[-100]、[0-10]、[00-1]六方晶体：四指数系统[uvw]to[uvtw]Miller-Bravais命名法：晶体平面：(hkl)Miller氏命名法：晶面如与各晶轴之交点交于比例为l/h、l/k、1/l单位矢量处，则该面称为(hkl)面;此处假设h、k、l无公约数。例四决定晶体方向例五画出晶体方向例六决定晶体平面例七画出晶体平面原子排列同族平面{100}：(100)、(010)、(001)、(-100)、(0-10)、(00-1)六方晶体：四指数系统(hkl)to(hkil)Miller-Bravais命名法：i=-(h+k)线性与平面原子密度紧密堆积晶体结构fcc：ABCABCABC﹒﹒﹒{111}hcp:ABABABABAB﹒﹒﹒(0001)例八计算BCC[100]方向线性原子密度4R=(3)1/2aLl=a=4R/(3)1/2LD=Lc/Ll=2R/(4R/(3)1/2)=0.866

例九计算FCC(110)平面原子密度AC=4R，AD=2R(2)1/2Ap=8R(2)1/2平面原子密度

=2(pi)R2/Ap=0.555晶质与非晶质材料单晶：自然或人工成长（Si,GaAs）复晶：晶粒与晶粒界异向性：机械性质、导电性、折射率等向性完全随意排列复晶：等向性优选方向（texture）X光绕射：决定晶体结构绕射：振幅与相位建设性（constructive）绕射破坏性（destructive）绕射

TheNobelPrizeinPhysics1914MaxvonLaue(1879-1960)"forhisdiscoveryofthediffractionofX-raysbycrystals"TheNobelPrizeinPhysics1915SirWilliamHenryBragg(1862-1942)WilliamLawrenceBragg(1890-1971)"fortheirservicesintheanalysisofcrystalstructurebymeansofX-rays"X光绕射与Bragg定律晶体绕射X光必要条件Bragg定律：nλ=2dhklsinθ必要条件但不充分绕射技巧X光绕射仪：X光源、试片、侦测器、绘图器单位晶胞大小、形状：绕射角度原子位置：绕射强度化学成份、残余应力、晶粒大小TheNobelPrizeinPhysics1937ClintonJosephDavisson(1881-1958)GeorgePagetThomson(1892-1975)"fortheirexperimentaldiscoveryofthediffractionofelectronsbycrystals"非晶质固体

amorphous:withoutform过冷液体SiO2金属玻璃：快速冷却高分子：完全晶质或非晶质、混合TheNobelPrizeinPhysics1986ErnstRuska(1906-1988)"forhisfundamentalworkinelectronoptics,andforthedesignofthefirstelectronmicroscope“TheNobelPrizeinPhysics1986HeinrichRohrer(1933-)GerdBinnig(1947-)"fortheirdesignofthescanningtunnelingmicroscope"

金属的机械性质机械性质：物质对所受力的反应强度（strength），硬度（hardness），延展性（ductility），刚性（stiffness）飞机翅膀：Al-alloy汽车轮轴：steel理论应力τ=τtheosin(2xπ/b)如x＜＜bτ=τtheo2π(x/b)τ=G(x/d)τtheo=Gb/(2πd)实验室试验（laboratoryexperiment）使用条件（servicecondition）考量因素：作用力、施力时期、环境（e.g.O-ring，steelframe）作用力：张力（tensile），压力（compressive），剪切力（shear），固定，变动（fluctuate）施力时期：长短，环境：温度标准化的测试技术（testingtechnique）建立与发布美国测试与材料学会（AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM）美国测试与材料学会标准年鉴（AnnualBookofASTMStandards）结构工程师（structuralengineer）：一定作用力下应力与应力分布实验测试技术，理论及数学应力分析应力分析或材料强度领域材料与冶金工程师（materialsandmetallurgicalengineer）：生产制造合乎应力分析预测使用需求的材料微结构与机械性质相互关系应力与应变观念张力，压力，剪力、扭力（torsion）拉伸测试：应力与应变标准试片形状与尺寸横截面：均匀，圆形或长方形棒形：长度/直径>4量测负荷力（load）与伸长度（elongation）

工程应力与工程应变负荷力与变形与试片尺寸有关工程应力σ=F/A0(MPaorpsi)Pascal=1N/m21MPa=145psi工程应变ε=(li-l0)/l0=Δl/l0

压缩测试（使用与制造情况，张力下脆弱）量力计（loadcell）与伸长计（extensometer）惯例：压力为负值压力下应变为负值剪切力测试施力与上、下表面平行τ=F/A0剪切应变γ=tanθ扭转测试（驱动、钻孔）对长轴扭转，扭转角度

应力状态（stressstate）的几何关系应力随平面方向而变A’=A/cosθσ’=F/A’cosθ=F/Acosθcosθ=σcos2θτ’=F/A’sinθ=F/Acosθsinθ=σsinθcosθ

弹性变形应力与应变的关系Hooke’slawσ=EεE：杨氏系数（Young’smodulus）Mg:45GPa，W:407GPa

弹性变形Hooke,Robert,1635-1703杨氏（Young,Thomas,1773-1829）系数刚性：材料对弹性变形的阻抗重要设计参数可逆性（reversible）

非线性灰铸铁、混凝土、高分子tangent（正切）系数：特定点斜率secant（割线）系数：自原点

杨氏系数原子间键结陶瓷（强），金属，高分子（弱）随温度而降低

F=F0+(dF/dr)0(r-r0)+(d2F/dr2)0(r-r0)2/2!+(d3F/dr3)0(r-r0)3/3!+(dF4/dr4)0(r-r0)4/4!+…………．（Taylor展开式）(r-r0)很小F≒F0+(dF/dr)0(r-r0)ΔF≒(dF/dr)0

Δr=EΔr∴E≒(dF/dr)0

剪切力系数（shearmodulus）τ=G

γG：剪切力系数，剪切力-剪切应变曲线斜率

滞弹性（Anelasticity）应力-应变曲线：Time-dependent高分子，塑胶Viscoelastic（黏弹）

例6-1：Cu，E=110Gpalength=305mmstressσ=276Mpaσ=Eεε=2.51x10-3=Δl/l0Δl=0.77mm材料弹性性质单轴（uniaxial）应力，等向性（isotropic），z：纵向，x,y：横向εx=εyPoisson比值（Poisson’sratio）ν=-εx/εz理论值：0.25，极大值（体积不变）：0.5介于0.25-0.35间等向材料复晶金属，玻璃陶瓷E=2G（1+ν）G～0.4E不等向材料：多弹性系数，张量（tensor）

例6-2：黄铜，ν=0.34Δlx

=-2.5x10-3mm，lx

=10mmεx=-2.5x10-4，εz=7.35x10-4E=97GPaσ=Eε=71.3MPa施力F=σA=5600N

塑性变形金属应变＞0.005非线性，有曲率原子机制：键结断裂→新键结晶体：滑移（slip），差排运动非晶体：黏滞流（viscousflow）拉伸性质降服（yielding）与降服强度（yieldstrength）降服：弹性与塑性转变点，比例极限（proportionallimit）降服强度（协定、惯例）：应变=0.002，弹性变形平行线与应力-应变曲线交点，0.002偏移量（offset）非线性弹性应力-应变曲线：e.g.应变=0.005钢铁与某些材料弹性与塑性转变清楚而突然：降服点（yieldpoint）现象上（upper）降服点：应力开始减少下（lower）降服点：对一定应力值上下变动降服强度：下降服点应力Al:35MPa，高强度钢:1400MPa拉伸强度（tensilestrength，TS）最大张力不均匀变形颈缩（necking）断裂（fracture），最终拉伸强度（ultimatetensilestrength，UTS）Al：50MPa，高强度钢：3000MPa规格（specification）：降服强度例6-3：黄铜应力与应变曲线弹性系数降服强度，0.002偏移量最大施力伸长度

延展性（ductility）延展性：断裂时塑性变形的程度延展性或脆性伸长量（elongation，EL）EL=(lf-l0)/l0（指明l0）面积收缩（reductioninarea，RA）RA=(A0-Af)/A0

延展性：断裂时塑性变形的程度使用与制造设计延展性好：宽容度大（forgiving）脆性：伸长量<5%

弹性能，恢复能（resilience）材料弹性变形所吸收能量弹性能系数（Ur）：对物体施力自未受力状态至降服点所需之应变能量线形弹性区Ur=1/2σyεy=1/2σyσy/E=1/2σy2/Eσy高，E小→Ur

高轫性（toughness）材料断裂时所吸收能量与试片形式与施力情况有关是否有凹痕（notch），动态（dynamic）或静态（static）

凹痕轫性（notchtoughness）：动态，高应变率而试片刻有凹痕→冲击试验（impacttest）断裂轫性（fracturetoughness）：有裂口时材料抗拒断裂的能力静态，低应变率→拉伸试验轫性：在断裂点以前应力-应变曲线面积延性材料常比脆性材料轫性好

真实应力与真实应变真实应力σT：负载力/瞬间（instantaneous）截面积=F/Ai真实应变：εT=ln(li/l0)假设体积不变Aili=A0l0σT=σ（1+ε）εT=ln（1+ε）

σT

=F/Ai∵Ai=A0l0/li

，l0/li=1/（1+ε）∴Ai=A0/（1+ε）σT=σ（1+ε）εT=ln（1+ε）

在缩颈区应力-应变关系复杂除轴向应力外，介入其他应力校正后（corrected）轴向应力<真实应力某些材料，自塑性变形至缩颈区σT=K（εT）nK，n与材料状况有关，

n：应变硬化指数（strainhardeningexponent）

例6-4：钢铁材料Af，A0已知，求RAF=σfA0，求σTσT=F/Af

例6-5：σT=K（εT）nσT

，

K，εT已知，求n塑性变形的弹性复原（recovery）释放负荷（unloading）：部份变形以弹性应变方式复原在释放负荷点，应力-应变曲线沿与弹性变形平行方向变化应变复原，可逆转式断裂弹性复原

压力，剪切力、扭力变形应力-应变曲线与拉伸试验相似压应力无极大值（无缩颈）断裂方式不一样

硬度：对局部塑性变形的阻抗Mohs尺标（scale）：滑石1，钻石10试片制备简单、设备不昂贵，非破坏、估计其他机械性质

定量硬度测试技术控制负荷及施加速率下将一小压痕器压入材料表面RockwellBrinellKnoopVickers

Rockwell硬度测试技术最普遍、简单压痕器：硬化钢铁球，直径1/16,1/8,1/4,1/2in.圆锥形钻石（Brale）压痕器主（major）负荷与次（minor）负荷次负荷：精确

Rockwell与表面（superficial）Rockwell硬度测试技术Rockwell：次负荷10Kg表面Rockwell：次负荷3Kg尺标：压痕器与负荷（A,B,C,15N,30T,W,X,Y）80HRB,60HR30W硬度值：20-100

Brinell硬度测试技术10mm硬化钢铁或WC球压痕器负荷：500-3000KgHB硬度值：与负荷、压痕大小有关显微镜，平滑表面

Knoop与Vickers微硬度测试技术金字塔形钻石压痕器负荷：1-1000g显微镜，平滑表面HK、HV硬度值

设计问题6-1：设计拉伸试验机最大负荷F：220,000N1045Steel：YS=310MPa,TS=565MPa设N=5σw=σy/N=62MPaσw=F/A0d=47.5mm

硬度与拉伸强度相互关系对某些材料成正比铸铁、钢铁、黄铜TS(MPa)=3.45xHB

材料性质的变异性精准（precise）设备精确（accurate）结果统计与或然率平均（average）标准偏差（standarddeviation）设计与安全因子设计因子σd=N’σcσc：估计最大应力安全因子σw=σy/Nσw：工作应力

扩散热处理（heattreatment,annealing）原子扩散增快或减低热处理温度、时间，冷却速度：扩散方程式钢铁齿轮表面硬化：碳化或氮化传输现象（transportphenomenon）质量、热量原子、电子、离子、热流气体、固体、液体扩散：原子运动引致的材料输送物质移动扩散的原子机制（mechanism）扩散的数学温度与扩散原子种类：扩散速率扩散对组（couple）Cu-Ni化学成份分析相互扩散（interdiffusion）：杂质扩散（impuritydiffusion）自身扩散（self-diffusion）扩散机制空穴扩散：相互、自身扩散填隙原子扩散：H,C,N,O填隙原子小地点多：迅速稳定态（steady-state）扩散与时而异（time-dependent）物质转换速率：扩散通量（flux）J=M/(At)微分式：1/A(dM/dt)稳定态：J不变浓度变化曲线（profile）浓度梯度（gradient）=dC/dx（斜率（slope））Fick第一定律J=-DdC/dxD：扩散系数（coefficient）Fick第一定律Ja-b=νa-bdCa-νb-adCb=νd(Ca-Cb)=νd2dC/dxJ=-DdC/dxJ=-DdC/dx稳定态：J不变D不变dC/dx不变J=-DΔC/Δx=CA-CB/(xA-xB)不变例5-1：碳化（carburizing）J=-DCA-CB/(xA-xB)驱动力（drivingforce）：驱使反应发生的原因驱动力：浓度梯度氢气纯化：H+N,Oetc，Pd片不稳定态（n