武漢理工工程材料2第一章

1、1.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織1.2 金屬材料的性能金屬材料的性能1.3 高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能( (第四章介紹第四章介紹) )1.4 陶陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能( (第四章介紹第四章介紹) )第第1 1章章 材料的結(jié)構(gòu)與性能材料的結(jié)構(gòu)與性能1.1.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)1.1.3金屬材料的組織金屬材料的組織1.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織1三種常見的晶體結(jié)構(gòu)三種常見的晶體結(jié)構(gòu)2晶面和晶向晶面和晶向3金屬晶體的特性金屬晶體的特性4晶體缺陷晶體缺陷1.1.1 1.1.1 純金屬

2、的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體晶體 材料中原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性重復(fù)排列。材料中原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性重復(fù)排列。非晶體：非晶體：蜂蠟、玻璃等。蜂蠟、玻璃等。晶體：晶體：金剛石、金剛石、NaClNaCl等。等。 非晶體非晶體 原子原子（離子、分子）（離子、分子）無規(guī)則堆積，也稱為無規(guī)則堆積，也稱為 “ “過冷液體過冷液體” ” 。液體液體晶體的概念晶體的概念金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 金屬原子金屬原子最外層電子數(shù)少最外層電子數(shù)少，一般，一般1-2個(gè)，最多不超個(gè)，最多不超過過3個(gè)。外層電子與原子核結(jié)合力弱，容易脫離原個(gè)。外層電子與原子核結(jié)合力弱，

3、容易脫離原子核束縛而變成子核束縛而變成自由電子自由電子，此時(shí)原子變?yōu)椋藭r(shí)原子變?yōu)檎x子正離子。 過渡族金屬元素（釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳等）的過渡族金屬元素（釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳等）的原子不僅容易丟失最外層的電子，還容易丟失次外原子不僅容易丟失最外層的電子，還容易丟失次外層層12個(gè)電子，變?yōu)閭€(gè)電子，變?yōu)檎x子正離子。 金屬元素常稱為金屬元素常稱為正電性元素正電性元素。 金屬鍵金屬鍵金屬晶體中，金屬原子失去價(jià)金屬晶體中，金屬原子失去價(jià)電子后成為正離子，所有價(jià)電電子后成為正離子，所有價(jià)電子成為自由電子并子成為自由電子并為整個(gè)原子為整個(gè)原子集團(tuán)所公有集團(tuán)所公有，所有自由電子圍，所有自由電子圍繞所有

4、原子核運(yùn)動(dòng)，形成電子繞所有原子核運(yùn)動(dòng)，形成電子云或電子氣。金屬正離子沉浸云或電子氣。金屬正離子沉浸在電子云中，并依靠與自由電在電子云中，并依靠與自由電子之間的靜電作用結(jié)合起來，子之間的靜電作用結(jié)合起來，這種結(jié)合方式稱為這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。金屬鍵。金屬鍵金屬鍵沒有方向性和飽和性。沒有方向性和飽和性。晶體結(jié)構(gòu)模型的建立晶體結(jié)構(gòu)模型的建立假設(shè)：假設(shè)：原子為固定不動(dòng)的原子為固定不動(dòng)的剛球剛球，每個(gè)原子具，每個(gè)原子具有相同的環(huán)境有相同的環(huán)境。將原子、離子等抽象為幾何質(zhì)量（陣點(diǎn)），建立將原子、離子等抽象為幾何質(zhì)量（陣點(diǎn)），建立空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣、晶格晶格的概念。的概念?？臻g點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣晶格晶格晶體的剛球

5、模型晶體的剛球模型原子中心位置原子中心位置（結(jié)點(diǎn)）（結(jié)點(diǎn)）晶胞晶胞晶格模型晶格模型晶格晶格：用假想的線連接各原子中心所構(gòu)成的描述原子排列方式的空間格架。：用假想的線連接各原子中心所構(gòu)成的描述原子排列方式的空間格架。結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)：幾何格架中各直線的交點(diǎn)，實(shí)際上是原子或離子的中心位置。：幾何格架中各直線的交點(diǎn)，實(shí)際上是原子或離子的中心位置。晶胞晶胞：能反映晶格特征最小的幾何組成單元。：能反映晶格特征最小的幾何組成單元。晶胞和晶格常數(shù)晶胞和晶格常數(shù)XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)a，b，c，(, , ,) ) 1 1三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方體心立方 bcc bcc Body-ce

6、ntered cubic面心立方面心立方 fccfcc Face-centered cubic密堆六方密堆六方 hcphcp Hexagonal close-packedbccbccfccfcchcphcp幾個(gè)重要的概念幾個(gè)重要的概念 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞中包含的原子數(shù)目：一個(gè)晶胞中包含的原子數(shù)目 原子半徑原子半徑：晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半，沿：晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半，沿原子密度最大的方向上相鄰兩個(gè)原子之間平衡距離的一半原子密度最大的方向上相鄰兩個(gè)原子之間平衡距離的一半 致密度（又稱密排系數(shù)）致密度（又稱密排系數(shù)） ：晶胞中所包含的原子占據(jù)的體積：晶胞中

7、所包含的原子占據(jù)的體積與該晶胞體積之比（用體積百分?jǐn)?shù)表示）與該晶胞體積之比（用體積百分?jǐn)?shù)表示） 致密度致密度= Va/Vc，其中其中Va:晶胞中原子占據(jù)的總體積；晶胞中原子占據(jù)的總體積；Vc:晶胞的體積晶胞的體積（1 1）體心立方晶格）體心立方晶格 （body-body-centredcentred cubic cubic）體心立方體心立方金屬有金屬有 - -FeFe、W W、V V、MoMo等。等。體心立方體心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：2 22=2=1+81/8原子半徑：原子半徑：致密度：致密度：0.680.

8、68致密度致密度= = Va/VcVa/Vc，其中其中VcVc: :晶胞體積晶胞體積a a3 3；VaVa: :晶胞內(nèi)原子總體積晶胞內(nèi)原子總體積為為2 2 4 4 r r3 3/3/3。XYZabc2r2raa（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 （face-face-centredcentred cubic cubic）面心立方金屬有面心立方金屬有 - -FeFe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、AgAg等。等。面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：4 44=4=81/8+61/2面心立方面心立方晶胞

9、晶胞原子半徑：原子半徑：致密度：致密度：0.740.74Vc:晶胞體積晶胞體積a3Va:晶胞內(nèi)原子總體晶胞內(nèi)原子總體積為積為4 4 r3/3XYZabc密排方向密排方向（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 （close-packed hexagonalclose-packed hexagonal）密排六方金屬有密排六方金屬有MgMg、ZnZn等，還有等，還有C C（石墨）。石墨）。正六棱柱體正六棱柱體密排六方晶格密排六方晶格晶格常數(shù)晶格常數(shù)底面邊長(zhǎng)底面邊長(zhǎng)a a底面間距底面間距c c側(cè)面之間夾角側(cè)面之間夾角120120 側(cè)面與底面夾角側(cè)面與底面夾角9090 a= a=bcbc； = =90 ；

10、 =120 密排六方晶格密排六方晶格晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：6 612121/6+21/6+21/2+3=61/2+3=6原子半徑：原子半徑：a/2致密度：致密度：0.740.742. 2. 金屬晶體中的晶面和晶向金屬晶體中的晶面和晶向XYZabc晶面晶面通過原子中心的平面。通過原子中心的平面。晶向晶向通過原子中心的直線所指的方向。通過原子中心的直線所指的方向。XYZabc立方晶系的晶向與晶面指數(shù)立方晶系的晶向與晶面指數(shù)AB晶向指數(shù)建立步驟：晶向指數(shù)建立步驟： 建立直角坐標(biāo)系。以某一陣點(diǎn)為坐建立直角坐標(biāo)系。以某一陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)標(biāo)原點(diǎn)O，三個(gè)棱邊為，三個(gè)棱邊為 坐標(biāo)軸，并以坐標(biāo)軸，并以點(diǎn)陣常數(shù)點(diǎn)

11、陣常數(shù)(a、b、c)作為各個(gè)坐標(biāo)軸的作為各個(gè)坐標(biāo)軸的單位長(zhǎng)度；單位長(zhǎng)度；過坐標(biāo)原點(diǎn)作有向直線過坐標(biāo)原點(diǎn)作有向直線 OP / AB / AB；確定確定P P點(diǎn)的坐標(biāo)值（求垂直投影）；點(diǎn)的坐標(biāo)值（求垂直投影）；將坐標(biāo)值化為互質(zhì)的最小整數(shù)，并將坐標(biāo)值化為互質(zhì)的最小整數(shù)，并放入放入 中，則中，則 uvwuvw 即為所求的晶向即為所求的晶向指數(shù)。指數(shù)。(1) 晶向指數(shù)晶向指數(shù) u v wxyopAB例如：例如：AB: X Y Z 1u v w1 1 2Z112舉例舉例: (1) 以晶胞為基礎(chǔ)以晶胞為基礎(chǔ)建立坐標(biāo)系；建立坐標(biāo)系； （2）過坐標(biāo)原點(diǎn)作有向直線平行于待定晶向；）過坐標(biāo)原點(diǎn)作有向直線平行于待定晶

12、向； （3）確定有向直線上某點(diǎn)的坐標(biāo)值；）確定有向直線上某點(diǎn)的坐標(biāo)值； （4）三個(gè)坐標(biāo)值最小整數(shù)化，寫成）三個(gè)坐標(biāo)值最小整數(shù)化，寫成u v w 。OxyzABBA OCCB點(diǎn)：點(diǎn)：1,1,0 110 OB： B點(diǎn)：點(diǎn)：1,1,1 111OB： O點(diǎn)：點(diǎn)：0,0,1 001OO： OC： C點(diǎn)：點(diǎn)：0,1,0 010A點(diǎn)：點(diǎn)：1,0,0 100 OA： 注意：注意： 一個(gè)晶向指數(shù)并不表示一個(gè)晶向，而是一個(gè)晶向指數(shù)并不表示一個(gè)晶向，而是一組原一組原子排列相同、相互平行子排列相同、相互平行的晶向。的晶向。 晶向指數(shù)晶向指數(shù)u v w中如果某一個(gè)數(shù)字為負(fù)，則將中如果某一個(gè)數(shù)字為負(fù)，則將負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)標(biāo)注在該

13、數(shù)字的上方。標(biāo)注在該數(shù)字的上方。 如果兩個(gè)晶向指數(shù)的數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)如果兩個(gè)晶向指數(shù)的數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)相反相反，則這兩個(gè)晶向相互平行，方向相反，可用則這兩個(gè)晶向相互平行，方向相反，可用同一同一個(gè)晶向指數(shù)個(gè)晶向指數(shù)來表示。來表示。 OxyzABBA OCC O點(diǎn)：點(diǎn)：0,0,1 001OO： OC： C點(diǎn)：點(diǎn)：0,1,0 010A點(diǎn)：點(diǎn)：1,0,0 100 OA：晶向族晶向族 ：原子排列相同但空間位向不同的所有晶向的統(tǒng)稱，原子排列相同但空間位向不同的所有晶向的統(tǒng)稱，用用 表示。例如：表示。例如： =100+010+001 (2) 晶面指數(shù)晶面指數(shù)建立步驟：建立步驟： 建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)不能

14、位于所求的平面內(nèi)，建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)不能位于所求的平面內(nèi)，其余與求晶向指數(shù)時(shí)相同。其余與求晶向指數(shù)時(shí)相同。求晶面在各個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。求晶面在各個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。求截距的倒數(shù)，并化為最小的整數(shù)，放入（）中求截距的倒數(shù)，并化為最小的整數(shù)，放入（）中,則（則（h k l）即為所求晶面的晶面指數(shù)。即為所求晶面的晶面指數(shù)。注意：注意：1、原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶面之外，避免出現(xiàn)零截距。、原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶面之外，避免出現(xiàn)零截距。2、找出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸的截距，如果該晶面、找出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸的截距，如果該晶面與某坐標(biāo)軸平行，則截距為無窮大。與某坐標(biāo)軸平行，則截距為無窮大。 一個(gè)晶面指數(shù)并不表示一個(gè)

15、晶面，而是一組一個(gè)晶面指數(shù)并不表示一個(gè)晶面，而是一組原子排列相同、原子排列相同、相互平行相互平行的晶面。的晶面。 晶面指數(shù)晶面指數(shù)（h k l）中如果某一個(gè)數(shù)字為負(fù)，將中如果某一個(gè)數(shù)字為負(fù)，將負(fù)號(hào)負(fù)號(hào)標(biāo)注在標(biāo)注在該數(shù)字的上方。該數(shù)字的上方。 如果兩個(gè)晶向指數(shù)的數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)如果兩個(gè)晶向指數(shù)的數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)相反相反，則這兩個(gè)晶，則這兩個(gè)晶面相互平行，一般用面相互平行，一般用一個(gè)晶面指數(shù)一個(gè)晶面指數(shù)表示。表示。 舉例舉例: (100) (110) (111)晶面族晶面族 ：原子排列相同但空間位向不同的所有晶面原子排列相同但空間位向不同的所有晶面的統(tǒng)稱，用的統(tǒng)稱，用h k l 表示。表示。如：如

16、：100=（100）+（010）+（001） 立方晶系中的立方晶系中的 111晶面族晶面族: (111), (111), (111), (111) (111), (111), (111), (111) 以上八個(gè)晶面兩兩平行，實(shí)質(zhì)上只有四個(gè)晶面。以上八個(gè)晶面兩兩平行，實(shí)質(zhì)上只有四個(gè)晶面。問題：試寫出問題：試寫出110晶面族中所有晶面的晶面指數(shù)。晶面族中所有晶面的晶面指數(shù)。其它晶體學(xué)概念其它晶體學(xué)概念（了解內(nèi)容）（了解內(nèi)容） 晶帶和晶帶軸：相交和平行于某一晶向（直線）晶帶和晶帶軸：相交和平行于某一晶向（直線）的所有晶面合稱為晶帶，該直線叫做晶帶軸。的所有晶面合稱為晶帶，該直線叫做晶帶軸。 在立方晶

17、系中，在立方晶系中，相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直，相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直，即立方晶系中的晶面及其法線具有相同的指數(shù)。即立方晶系中的晶面及其法線具有相同的指數(shù)。 如：如：(111)丄丄111， (123)丄丄123 。 密排面和密排方向（密排面和密排方向（了解內(nèi)容了解內(nèi)容） 晶向原子密度晶向原子密度: : 單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)。單位長(zhǎng)度上的原子數(shù)。 晶面原子密度晶面原子密度: 單位面積單位面積上的原子數(shù)。上的原子數(shù)。體心立方晶格中各主要晶面的原子密度體心立方晶格中各主要晶面的原子密度 0.58/a21/6 x 3 =1/23/2a2(111)(110) 1.4/a21/4 x4+1 =22

18、a2(110) 1/a21/4 x 4=1 a2(100)最密最密排面排面晶面原晶面原子密度子密度 原子數(shù)原子數(shù) 面積面積 形式形式晶面晶面a a a 2a 2a 體心立方晶格中各主要晶向的原子密度體心立方晶格中各主要晶向的原子密度111 1.16/a 1/2x2+1=2 3a 111 0.7/a 1/2 x 2=1 2a 1101/a 1/2 x 2=1 a 100最密排最密排方向方向晶向原子晶向原子密度密度 原子數(shù)原子數(shù)長(zhǎng)度長(zhǎng)度形式形式 晶向晶向同理可計(jì)算面心立方晶格中各主要晶向、主要晶面的原同理可計(jì)算面心立方晶格中各主要晶向、主要晶面的原子密度，得出面心立方晶格中的最密排晶面、最密排晶向

19、。子密度，得出面心立方晶格中的最密排晶面、最密排晶向。3.3.金屬晶體的特性金屬晶體的特性（1 1）有確定的熔點(diǎn)）有確定的熔點(diǎn)熔熔點(diǎn)點(diǎn)晶體晶體非晶體非晶體時(shí)間時(shí)間溫溫度度晶體和非晶體的熔化曲線晶體和非晶體的熔化曲線（2 2）各向異性）各向異性晶體中不同晶向上原子排列緊密程度不同，不同晶面的面間距也晶體中不同晶向上原子排列緊密程度不同，不同晶面的面間距也不同，所以不同方向上原子的結(jié)合力不同。不同晶面或晶向上原不同，所以不同方向上原子的結(jié)合力不同。不同晶面或晶向上原子排列緊密程度不同引起性能不同的現(xiàn)象稱為子排列緊密程度不同引起性能不同的現(xiàn)象稱為晶體的各向異性晶體的各向異性。XYZ單晶體的各向異性單

20、晶體的各向異性單晶體不同方向上的性能有所差異的現(xiàn)象單晶體不同方向上的性能有所差異的現(xiàn)象稱為各向異性。稱為各向異性。 如：如：- -Fe單晶體，單晶體， 111 的彈性模量的彈性模量E=2.9105MN/m2; 100 的彈性模量的彈性模量E=1.35105MN/m2。單晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向一致或基本一致的晶體（理想晶體）。：內(nèi)部晶格位向一致或基本一致的晶體（理想晶體）。半導(dǎo)體單晶半導(dǎo)體單晶Si內(nèi)部各晶粒位向基本一致，可以看作是單晶體。內(nèi)部各晶粒位向基本一致，可以看作是單晶體。多晶體多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。實(shí)際金屬是多晶體。實(shí)際金屬是多晶體。

21、晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）單晶體和多晶體單晶體和多晶體實(shí)際金屬材料為多晶體實(shí)際金屬材料為多晶體，由許許多多晶粒組成，由許許多多晶粒組成，其中各晶粒在空間分布的位向不同。其中各晶粒在空間分布的位向不同。許多晶粒許多晶粒統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)分布的結(jié)果使各個(gè)方向性能近似分布的結(jié)果使各個(gè)方向性能近似相等，各向異性被抵消，結(jié)果呈現(xiàn)出無方向性。相等，各向異性被抵消，結(jié)果呈現(xiàn)出無方向性。多晶體中位向不同的晶粒在宏觀上沿各方向的多晶體中位向不同的晶粒在宏觀上沿各方向的性能近似相等，這稱為性能近似相等，這稱為多晶體的偽各向同性多晶體的偽各向同性。多晶體的偽各向同性多晶體的偽各向同性例：鐵塊不同方向上例：鐵塊不同方向上E均

22、為均為2.1105MN/m2左右。左右。 原因：原因：實(shí)際金屬是多晶體，呈現(xiàn)出偽各向同性。實(shí)際金屬是多晶體，呈現(xiàn)出偽各向同性。 完美晶體完美晶體原子完全象晶體學(xué)中論述的原子完全象晶體學(xué)中論述的( (理想理想晶體晶體) )那樣呈現(xiàn)周期性的規(guī)則的重那樣呈現(xiàn)周期性的規(guī)則的重復(fù)排列。復(fù)排列。缺陷晶體缺陷晶體實(shí)際晶體中可能在某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)空實(shí)際晶體中可能在某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)空缺，某些位置出現(xiàn)原子錯(cuò)排等缺陷。缺，某些位置出現(xiàn)原子錯(cuò)排等缺陷。盡管實(shí)際晶體中缺陷很少，可能在盡管實(shí)際晶體中缺陷很少，可能在10101010個(gè)原個(gè)原子中只有子中只有1 1個(gè)脫離其平衡位置，但這些缺陷極個(gè)脫離其平衡位置，但這些缺陷極為重要。晶

23、體缺陷的種類、數(shù)量給材料的性為重要。晶體缺陷的種類、數(shù)量給材料的性能帶來了巨大的影響。能帶來了巨大的影響。4.4.實(shí)際金屬中的晶體缺陷實(shí)際金屬中的晶體缺陷晶體缺陷類型晶體缺陷類型晶體缺陷晶體缺陷: :實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與理想晶體的實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與理想晶體的結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)之間的偏離偏離。（1 1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子（2 2）線缺陷：位錯(cuò)）線缺陷：位錯(cuò)（3 3）面缺陷：晶界與亞晶界）面缺陷：晶界與亞晶界（1 1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷間隙原子可能是同類也可間隙原子可能是同類也可能是異類。能是異類。 如果間隙原子是其它元素如果間隙原子是其它元素的原子，稱為

24、的原子，稱為異類原子異類原子 （或雜質(zhì)原子）。（或雜質(zhì)原子）?？瘴豢瘴?間隙原子間隙原子點(diǎn)缺陷示意圖點(diǎn)缺陷示意圖間隙原子間隙原子晶格空位晶格空位置換原子置換原子晶格畸變：晶格畸變：原子原子偏離平衡位置而偏離平衡位置而產(chǎn)生的涉及幾個(gè)產(chǎn)生的涉及幾個(gè)原子間距的彈性原子間距的彈性形變區(qū)。形變區(qū)。異類原子異類原子（雜（雜質(zhì)原子）可以質(zhì)原子）可以是置換原子，是置換原子，也可以是間隙也可以是間隙原子。原子。（2 2）線缺陷）線缺陷 刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)刃位錯(cuò) 刃位錯(cuò)刃位錯(cuò) 刃型位錯(cuò)示意圖刃型位錯(cuò)示意圖正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)螺螺 位位 錯(cuò)錯(cuò)螺位錯(cuò)滑移面兩側(cè)晶面上螺位錯(cuò)滑移面兩側(cè)

25、晶面上原子的滑移情況原子的滑移情況 ：上層原子：上層原子 ：下層原子：下層原子螺螺位錯(cuò)的原子模型位錯(cuò)的原子模型在在EF以左，晶體沒以左，晶體沒有變動(dòng)現(xiàn)象。有變動(dòng)現(xiàn)象。在在BC以右，晶體上以右，晶體上下兩部分雖然相對(duì)錯(cuò)下兩部分雖然相對(duì)錯(cuò)動(dòng)了一個(gè)原子間距，動(dòng)了一個(gè)原子間距，但原子排列是對(duì)齊的。但原子排列是對(duì)齊的。在在EF和和BC之間，上之間，上下原子發(fā)生了錯(cuò)排和下原子發(fā)生了錯(cuò)排和不對(duì)齊現(xiàn)象。不對(duì)齊現(xiàn)象。位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度是指單位體積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，表示晶體中位位錯(cuò)密度是指單位體積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，表示晶體中位錯(cuò)多少的量。錯(cuò)多少的量。 晶體中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度晶體中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度L 位錯(cuò)密度位錯(cuò)

26、密度= - （m-2） 晶體的體積晶體的體積 V位錯(cuò)密度是理論上的概念，實(shí)際上測(cè)量不到，工程上用通位錯(cuò)密度是理論上的概念，實(shí)際上測(cè)量不到，工程上用通過過單位截面積位錯(cuò)線的數(shù)目（位錯(cuò)線露頭）單位截面積位錯(cuò)線的數(shù)目（位錯(cuò)線露頭）計(jì)算位錯(cuò)密度。計(jì)算位錯(cuò)密度。l 退火狀態(tài)下金屬材料位錯(cuò)密度較低，約在退火狀態(tài)下金屬材料位錯(cuò)密度較低，約在1010 101012 12 m-2的數(shù)量級(jí)；經(jīng)過較大的冷塑性變形，位錯(cuò)密度可達(dá)的數(shù)量級(jí)；經(jīng)過較大的冷塑性變形，位錯(cuò)密度可達(dá)1015 101016 16 m-2的數(shù)量級(jí)。的數(shù)量級(jí)。 金屬中各種形態(tài)的位錯(cuò)金屬中各種形態(tài)的位錯(cuò)位錯(cuò)的觀察位錯(cuò)的觀察 高溫合金熱機(jī)械疲勞后產(chǎn)生的位

27、錯(cuò)網(wǎng)高溫合金熱機(jī)械疲勞后產(chǎn)生的位錯(cuò)網(wǎng)鋁合金中的位錯(cuò)鋁合金中的位錯(cuò)柱狀單晶銅中的位錯(cuò)柱狀單晶銅中的位錯(cuò)位錯(cuò)密度對(duì)金屬性能的影響位錯(cuò)密度對(duì)金屬性能的影響位錯(cuò)密度的位錯(cuò)密度的理論值（零位錯(cuò)）幾乎辦不到，工程上理論值（零位錯(cuò)）幾乎辦不到，工程上零位錯(cuò)零位錯(cuò)只能只能做到做到晶須晶須大小。大小。位錯(cuò)密度不大時(shí)，降低金屬的位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度不大時(shí)，降低金屬的位錯(cuò)密度, , 提高實(shí)際金屬的強(qiáng)度。提高實(shí)際金屬的強(qiáng)度。位錯(cuò)密度較大時(shí)，增高金屬的位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度較大時(shí)，增高金屬的位錯(cuò)密度, , 提高實(shí)際金屬的強(qiáng)度。提高實(shí)際金屬的強(qiáng)度。位錯(cuò)密度極大地影響金屬的機(jī)械性能，還影響擴(kuò)散等性質(zhì)。位錯(cuò)密度極大地影響金屬的機(jī)械性能

28、，還影響擴(kuò)散等性質(zhì)。（3 3）面缺陷）面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界 晶粒晶粒晶界晶界實(shí)際金屬材料為多晶體實(shí)際金屬材料為多晶體，由許多位向不同的晶粒組成。，由許多位向不同的晶粒組成。晶界：晶界：晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的相鄰晶粒之間的界面。晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的相鄰晶粒之間的界面。晶界上原子排列規(guī)則性較差，采取相鄰兩晶粒的折衷位置。晶界上原子排列規(guī)則性較差，采取相鄰兩晶粒的折衷位置。亞晶界亞晶界亞晶界亞晶界晶粒也不是完全理想的，由許多位向差很小的亞晶粒組成。晶粒也不是完全理想的，由許多位向差很小的亞晶粒組成。亞晶界亞晶界：亞晶粒之間的邊界。：亞晶粒之間的邊界。亞晶?？梢哉J(rèn)為是理想的。亞晶?？梢?/p>

29、認(rèn)為是理想的。 晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖 大角度晶界大角度晶界-晶晶界界 小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界 點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷都破壞了晶格的完整性，造成點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷都破壞了晶格的完整性，造成了晶格畸變。了晶格畸變。 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：使電阻率和屈服強(qiáng)度增加，密度發(fā)生變化。：使電阻率和屈服強(qiáng)度增加，密度發(fā)生變化。 線缺陷（位錯(cuò)）線缺陷（位錯(cuò)）：極大地影響機(jī)械性能。位錯(cuò)密度低時(shí)，極大地影響機(jī)械性能。位錯(cuò)密度低時(shí)，位錯(cuò)的存在使金屬變形容易，降低位錯(cuò)密度，可大幅度位錯(cuò)的存在使金屬變形容易，降低位錯(cuò)密度，可大幅度提高金屬的強(qiáng)度。在冷變形（形變加工）時(shí)，位錯(cuò)密度提高金屬的強(qiáng)

30、度。在冷變形（形變加工）時(shí)，位錯(cuò)密度較高，位錯(cuò)之間相互作用。增加位錯(cuò)密度，位錯(cuò)之間相較高，位錯(cuò)之間相互作用。增加位錯(cuò)密度，位錯(cuò)之間相互作用增強(qiáng)，從而使強(qiáng)度增加，塑性降低?；プ饔迷鰪?qiáng)，從而使強(qiáng)度增加，塑性降低。 面缺陷面缺陷：晶界和亞晶界均可提高金屬的強(qiáng)度。晶粒越細(xì)，：晶界和亞晶界均可提高金屬的強(qiáng)度。晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。實(shí)際金屬中晶體缺陷對(duì)性能的影響實(shí)際金屬中晶體缺陷對(duì)性能的影響 合金的概念合金的概念 組元與相的概念組元與相的概念 固溶體固溶體 金屬化合物金屬化合物1.1.2 1.1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金的概念合金的概念 一種一種金

31、屬元素金屬元素與另一種或幾種其他元素，通與另一種或幾種其他元素，通過熔煉或其他方法結(jié)合在一起形成的具有過熔煉或其他方法結(jié)合在一起形成的具有金屬特性金屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。 合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能比純金屬合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能比純金屬高；某些合金還具有特殊的電、磁、光、熱等物高；某些合金還具有特殊的電、磁、光、熱等物理和化學(xué)性能，因此合金比純金屬應(yīng)用廣泛得多。理和化學(xué)性能，因此合金比純金屬應(yīng)用廣泛得多。組元組元組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。例如：在例如：在Fe-C

32、Fe-C合金中，合金中，F(xiàn)eFe、C C為組元。為組元。 合金系合金系由給定的組元以不同的比例配制成由給定的組元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系統(tǒng)。的一系列成分不同的合金系統(tǒng)。例：例：Fe-C: 90%Fe-10%CFe-C: 90%Fe-10%C、 80%Fe-20%C80%Fe-20%C、 50%Fe-50%C50%Fe-50%C、 20%Fe-80%C20%Fe-80%C根據(jù)組元個(gè)數(shù)不同，合金可分為：根據(jù)組元個(gè)數(shù)不同，合金可分為：二元合金、三元合金、二元合金、三元合金、 多元合金。多元合金。 組元的概念組元的概念相的概念：相的概念：化學(xué)成分化學(xué)成分和和晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)相同，并有

33、相同，并有界面界面與其它部分與其它部分分開的分開的均勻均勻組成部分。組成部分。 不同組元之間，由于物理化學(xué)的相互作用，形成具不同組元之間，由于物理化學(xué)的相互作用，形成具有一定化學(xué)成分、一定晶體結(jié)構(gòu)的新東西有一定化學(xué)成分、一定晶體結(jié)構(gòu)的新東西相。相。 相的概念相的概念金屬或合金均由相構(gòu)成金屬或合金均由相構(gòu)成單相合金、多相合金。單相合金、多相合金。多相多相可分別用可分別用、等表示。等表示。固態(tài)合金中兩類基本相固態(tài)合金中兩類基本相 不同組元之間由于物理化學(xué)的相互作用，形不同組元之間由于物理化學(xué)的相互作用，形成具有一定化學(xué)成分、一定晶體結(jié)構(gòu)的相成具有一定化學(xué)成分、一定晶體結(jié)構(gòu)的相（新的東西）。（新的東

34、西）。 固態(tài)合金中的基本相固態(tài)合金中的基本相 固溶體固溶體和和化合物化合物。 固溶體固溶體和和化合物化合物如何區(qū)分？如何區(qū)分？ 相的結(jié)構(gòu)是相的結(jié)構(gòu)是否與組元之一相同？否與組元之一相同？固溶體固溶體( solid solution )的概念的概念合金組元通過溶解形成合金組元通過溶解形成一種一種成分和性能均勻成分和性能均勻、且且結(jié)構(gòu)與組元之一相同結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。與固溶體晶格的固相。與固溶體晶格相同的組元為相同的組元為溶劑溶劑, ,一般在合金中含量較多；另一般在合金中含量較多；另一組元為一組元為溶質(zhì)溶質(zhì)。A、B組元組成的固溶體可表示為組元組成的固溶體可表示為A（B），）， A為為溶劑，溶劑

35、，B為溶質(zhì)。為溶質(zhì)。銅鋅合金中鋅溶入銅形成的固溶體可用銅鋅合金中鋅溶入銅形成的固溶體可用表示，表示，也可表示為也可表示為Cu(Zn)。固溶體中溶劑、溶質(zhì)的概念與溶液類似。溶液固溶體中溶劑、溶質(zhì)的概念與溶液類似。溶液即液溶體。即液溶體。 例例1 1：溶劑：溶劑A + 溶質(zhì)溶質(zhì)B =固溶體固溶體S bcc fcc bcc例例2: Fe + C = F ( 鐵素體鐵素體 ) 體心體心 六方六方 體心體心固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)固溶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 鐵鐵素體的素體的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)固溶體的溶解度：固溶體的溶解度：溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度。溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度。有限固溶體：有限固溶體：溶質(zhì)在固溶體中有一定的溶質(zhì)

36、在固溶體中有一定的溶解度溶解度。無限固溶體：無限固溶體：溶質(zhì)和溶劑無限互溶，溶質(zhì)在固溶溶質(zhì)和溶劑無限互溶，溶質(zhì)在固溶體中的溶解度體中的溶解度可達(dá)可達(dá)100%。置換固溶體：置換固溶體：溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子。上的原子。間隙固溶體：間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中。置換固溶體與間隙固溶體置換固溶體與間隙固溶體ZXY間隙原子間隙原子間隙固溶體間隙固溶體置換固溶體置換固溶體置換原子置換原子YZ固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象。通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象。正常晶格正常晶格晶格畸變晶

37、格畸變固溶強(qiáng)化是固溶強(qiáng)化是金屬材料的主要強(qiáng)化手段或途徑之一。金屬材料的主要強(qiáng)化手段或途徑之一。例：南京長(zhǎng)江大橋采用例：南京長(zhǎng)江大橋采用16Mn鋼制造，這種合金鋼在鋼制造，這種合金鋼在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上添加了普通碳素鋼的基礎(chǔ)上添加了1.2%1.6%Mn，抗拉強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度比相同碳含量的普通碳素鋼提高了度比相同碳含量的普通碳素鋼提高了60。晶格畸變晶格畸變小原子置換引起的小原子置換引起的晶格畸變晶格畸變間隙原子引起的間隙原子引起的晶格畸變晶格畸變?nèi)苜|(zhì)原子對(duì)晶格畸變的影響溶質(zhì)原子對(duì)晶格畸變的影響金屬化合物金屬化合物金屬化合物的類型金屬化合物的類型合金組元相互作用形成的晶格類型和特性與合金組元相互作用形

38、成的晶格類型和特性與任一組元都不相同任一組元都不相同的新相。的新相。正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律形成的化合物（工程應(yīng)用不多）。嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律形成的化合物（工程應(yīng)用不多）。間隙化合物間隙化合物由過渡族金屬由過渡族金屬+ +小半徑非金屬元素形成的化合物。小半徑非金屬元素形成的化合物。電子化合物電子化合物按一定的電子濃度規(guī)律形成的化合物（電子工業(yè)）。按一定的電子濃度規(guī)律形成的化合物（電子工業(yè)）。間隙相間隙相復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物間隙化合物間隙化合物間隙化合物：間隙化合物：過渡族金屬元素過渡族金屬元素M與與C、 H、B、N等等原子半徑小的非金屬元素原子半徑小的非金屬

39、元素X形成的化合物。形成的化合物。形成具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)形成具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)（fcc、bcc、hcp）的化）的化合物，稱為合物，稱為間隙相間隙相。rx/rm0.59形成的化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成的化合物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常稱為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的通常稱為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間間隙化合物隙化合物。間隙相間隙相 性能：極高的熔點(diǎn)和硬度，性能：極高的熔點(diǎn)和硬度，可可提高鋼的強(qiáng)度、硬度、熱強(qiáng)性、提高鋼的強(qiáng)度、硬度、熱強(qiáng)性、紅硬性和耐磨性紅硬性和耐磨性。如。如VC; TiC; W2C等。等。用途：硬質(zhì)合金和高硬度工具、用途：硬質(zhì)合金和高硬度工具、模具的重要組成。模具的重要組成。 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物性能：高的熔點(diǎn)和

40、硬度，性能：高的熔點(diǎn)和硬度，比間隙相稍低。比間隙相稍低。如鋼中如鋼中 Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C等。等。 用途：碳鋼、合金鋼中用途：碳鋼、合金鋼中的重要強(qiáng)化相。的重要強(qiáng)化相。1.1.3 1.1.3 金屬材料的組織金屬材料的組織 組織組織 金相顯微鏡（或電子顯微鏡）下觀察到的金屬材料金相顯微鏡（或電子顯微鏡）下觀察到的金屬材料內(nèi)部的微觀組成形貌，內(nèi)部的微觀組成形貌，稱為稱為顯微組織或組織。顯微組織或組織。 通過顯微鏡看組織，看什么？通過顯微鏡看組織，看什么？ 合金的組織是由數(shù)量、大小、形態(tài)和分布方式不同合金的組織是由數(shù)量、大小、形態(tài)和分布方式不同的各種相組成的，的各種相組成的，組織組織

41、觀察即是分析相的形態(tài)、數(shù)觀察即是分析相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布方式。量、大小和分布方式。 1863 1863年，光學(xué)顯微鏡首次年，光學(xué)顯微鏡首次應(yīng)用應(yīng)用于于金金屬材料的研屬材料的研究究，由此誕，由此誕生了金生了金相學(xué)相學(xué)，使人們能夠?qū)⒉牧系模谷藗兡軌驅(qū)⒉牧系暮暧^宏觀性能與微觀組織聯(lián)系起性能與微觀組織聯(lián)系起來。來。 灰口鑄灰口鑄鐵的顯微組織鐵的顯微組織 光光學(xué)顯微鏡學(xué)顯微鏡人類對(duì)材料的認(rèn)人類對(duì)材料的認(rèn)識(shí)是識(shí)是逐步深逐步深入的入的1932年，人類發(fā)年，人類發(fā)明明了電子顯微鏡，把了電子顯微鏡，把人人們的認(rèn)識(shí)帶們的認(rèn)識(shí)帶到了到了微觀微觀世界領(lǐng)域更深世界領(lǐng)域更深的層的層次（次（10-7m）。）。 Sc

42、anning Electron MicroscopyTransmission Electron Microscopy 電電鏡下的組織鏡下的組織 光光鏡下的組織鏡下的組織 過共析鋼過共析鋼 400 x 亞共析鋼亞共析鋼 400 x兩者碳含量不同兩者碳含量不同組織組織的決定因素：的決定因素：材料的材料的組織組織是由是由化學(xué)成分化學(xué)成分和和工藝過程工藝過程決定的。決定的。不同成分的鐵碳合金，組織不同不同成分的鐵碳合金，組織不同。球狀珠光體球狀珠光體片狀珠光體片狀珠光體 經(jīng)不同的熱處理工藝，成分相同的共析鋼組織不同。經(jīng)不同的熱處理工藝，成分相同的共析鋼組織不同。組織與性能的關(guān)系組織與性能的關(guān)系 金屬材

43、料的性能是由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定的。金屬材料的性能是由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定的。 同一種成分的鋼種，經(jīng)過不同的熱處理工藝，同一種成分的鋼種，經(jīng)過不同的熱處理工藝，得到不同的組織結(jié)構(gòu)，具有不同的性能。得到不同的組織結(jié)構(gòu)，具有不同的性能。 例：把例：把0.8%C的兩根鋼鋸條加熱到的兩根鋼鋸條加熱到800后采用后采用不同方式冷卻。一根出爐后迅速水冷，性能不同方式冷卻。一根出爐后迅速水冷，性能硬硬而脆而脆，一彎就斷；另一根隨爐緩慢冷卻，性能，一彎就斷；另一根隨爐緩慢冷卻，性能柔韌柔韌，彎曲，彎曲90都不斷。都不斷。 例：例：45鋼經(jīng)過不同的熱處理工藝，可分別獲得鋼經(jīng)過不同的熱處理工藝，可分別獲得珠光體、索氏

44、體、屈氏體、貝氏體、馬氏體珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體、馬氏體等等組織，性能也各不相同。組織，性能也各不相同。組織名稱相同，組織名稱相同，組成相相同，組成相相同，晶粒形狀和大小相晶粒形狀和大小相當(dāng)，但當(dāng)，但化學(xué)成分化學(xué)成分不同，性能不同。不同，性能不同。組織名稱相同，組成相也相同，但組織名稱相同，組成相也相同，但晶粒形狀和大晶粒形狀和大小小不同，性能各不相同。不同，性能各不相同。 金屬材料的性能，不僅取決于組織結(jié)構(gòu)，還取決金屬材料的性能，不僅取決于組織結(jié)構(gòu)，還取決于于化學(xué)成分化學(xué)成分和和內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。提高材料性能的主要途徑提高材料性能的主要途徑：一種是改變材料的一種是改變材料

45、的化學(xué)成分化學(xué)成分，另一種是改進(jìn)材料的，另一種是改進(jìn)材料的加工工藝加工工藝，進(jìn)而改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與性能。，進(jìn)而改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與性能。材料科學(xué)研究的材料科學(xué)研究的四要素四要素及相互關(guān)系及相互關(guān)系 性性 能能Performance加工工藝加工工藝Process化學(xué)成分化學(xué)成分Composition組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)Construction內(nèi)因內(nèi)因外因外因 1.2.1工藝性能工藝性能1.2.2機(jī)械性能機(jī)械性能1.2.3理化性能理化性能1.2 金屬材料的性能金屬材料的性能（了解內(nèi)容）（了解內(nèi)容）金屬材料的性能包括工藝性能和使用性能。金屬材料的性能包括工藝性能和使用性能。使用性能包括機(jī)械性能

46、（力學(xué)性能）、物使用性能包括機(jī)械性能（力學(xué)性能）、物理和化學(xué)性能。理和化學(xué)性能。工藝性能工藝性能是指制造工藝過程中材料是指制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能。適應(yīng)加工的性能。1.2.1 工藝性能工藝性能鍛造性能：鍛造性能：塑性、變形抗力塑性、變形抗力焊接性能：焊接性能：焊接性、碳含量、合金元素含量焊接性、碳含量、合金元素含量切削性能：切削性能：表面粗糙度、刀具壽命表面粗糙度、刀具壽命鑄造性能：鑄造性能：流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向流動(dòng)性、收縮性、偏析傾向 強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度與塑性 硬度硬度 沖擊韌性沖擊韌性 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 斷裂韌性斷裂韌性1.2.2 機(jī)械性能機(jī)械性能 機(jī)械性能（亦稱為機(jī)械性能（亦稱為

47、力學(xué)性能）力學(xué)性能）是指是指材料在外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能。材料在外力作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能。 機(jī)械性能指標(biāo)有：機(jī)械性能指標(biāo)有：結(jié)構(gòu)材料最重要、最基本的性能結(jié)構(gòu)材料最重要、最基本的性能一、靜載單向拉伸應(yīng)力一、靜載單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 1.1.拉伸試樣：拉伸試樣：長(zhǎng)試樣：長(zhǎng)試樣：L L0 0= =1010d d0 0 短試樣：短試樣：L L0 0= =5 5d d0 01.2.2.1 強(qiáng)強(qiáng) 度度 LF0 0低碳鋼拉伸曲線低碳鋼拉伸曲線 脆性材料拉伸曲線脆性材料拉伸曲線2.2.低碳鋼緩慢加載單向拉伸曲線：低碳鋼緩慢加載單向拉伸曲線：3.3.拉伸曲線分為幾個(gè)階段：拉伸曲線分為幾個(gè)階段：1 1）

48、階段）階段I I（opeope）彈性變形階段彈性變形階段 Fe Fe：不產(chǎn)生永久變形的最大抗力。：不產(chǎn)生永久變形的最大抗力。 opop段：段：L PL P 直線階段直線階段 pepe段：微量塑性變形（段：微量塑性變形（0.001-0.005%)0.001-0.005%) 特點(diǎn)特點(diǎn)： (1)應(yīng)力撤消后應(yīng)力撤消后, 變形消失；變形消失； (2)應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系；應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系； (3)總變形量很?。嚎傋冃瘟亢苄。?%。2 2）階段）階段IIII（essess）屈服階段屈服階段 彈性變形彈性變形+塑性變形。塑性變形。 S: S: 屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)。 形變不能恢復(fù)的變形稱為形變不能恢復(fù)的變形稱

49、為塑性變形。塑性變形。 3 3）階段）階段IIIIII（sbsb）強(qiáng)化階段（均強(qiáng)化階段（均勻塑性變形階段）勻塑性變形階段）為使試樣繼續(xù)變形，載荷必須不斷增加。為使試樣繼續(xù)變形，載荷必須不斷增加。隨著塑性變形增加，材料變形抗力增加。隨著塑性變形增加，材料變形抗力增加。b b點(diǎn)點(diǎn): : FbFb 材料所能承受的最大載荷。材料所能承受的最大載荷。4 4）階段）階段IV(bzIV(bz)縮頸階段縮頸階段局部塑性變局部塑性變形階段形階段特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)變形具有永久性、不可逆性；變形具有永久性、不可逆性； (2)應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系；應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系； (3)變形量較大。變形量較大。 拉伸試樣的頸

50、縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象5 5）z z點(diǎn)：試樣發(fā)生點(diǎn)：試樣發(fā)生斷裂斷裂。 斷裂與塑性變形斷裂與塑性變形是材料失效的形式。是材料失效的形式。 注意：不是所有的應(yīng)力注意：不是所有的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線都分為這幾個(gè)階段，鑄鐵、應(yīng)變曲線都分為這幾個(gè)階段，鑄鐵、陶瓷等脆性材料只有第陶瓷等脆性材料只有第I I階段，中、高碳鋼沒有第階段，中、高碳鋼沒有第IIII階段。階段。二、拉伸曲線確定的力學(xué)性能指標(biāo)二、拉伸曲線確定的力學(xué)性能指標(biāo)縱坐標(biāo)為應(yīng)力縱坐標(biāo)為應(yīng)力 （單位（單位MPa）橫坐標(biāo)為應(yīng)變橫坐標(biāo)為應(yīng)變 其中：其中：=F/A0 （L-L0）/L0F載荷，載荷，A0 試樣原始截面積，試樣原始截面積，L試樣拉伸后長(zhǎng)

51、度，試樣拉伸后長(zhǎng)度，L0試樣原始長(zhǎng)度。試樣原始長(zhǎng)度。強(qiáng)度強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。 s、 0.2、 b是機(jī)械零件和構(gòu)件在設(shè)計(jì)、選材時(shí)的是機(jī)械零件和構(gòu)件在設(shè)計(jì)、選材時(shí)的主要依據(jù)。主要依據(jù)。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s s：材料發(fā)生微量塑材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。性變形時(shí)的應(yīng)力值。在拉伸試在拉伸試驗(yàn)過程中載荷不增加，而試樣驗(yàn)過程中載荷不增加，而試樣仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力值。仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力值。 Fs s = ( MPa ) A0試樣屈服時(shí)的載荷試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)高碳鋼等材料沒有屈服點(diǎn)，國(guó)高

52、碳鋼等材料沒有屈服點(diǎn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以殘余變形量為殘余變形量為0.2%0.2%時(shí)的時(shí)的應(yīng)力值作為它的應(yīng)力值作為它的條件條件屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度，以，以 0.20.2表示。表示。 F0.2 0.2 = ( MPa ) A0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)試樣產(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的載荷殘余塑性變形時(shí)的載荷(N)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b b：材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值。：材料斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值。即材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值；即材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值；試樣試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值。在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力值。 Fb 試樣斷裂前

53、的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( MPa ) A0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)延伸率和斷面收縮率表示。延伸率和斷面收縮率表示。延伸率：延伸率：延伸率延伸率與試樣尺寸有關(guān)，有與試樣尺寸有關(guān)，有5、10 (對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于L0=5d0,10d0)斷面收縮率：斷面收縮率： =S/S0=(S0-S1)/S0100%1.2.2.2 塑塑 性性一般情況下一般情況下 10% 屬塑性材料。屬塑性材料。 拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象指材料抵抗另一更硬物壓入其內(nèi)的能力，指材料抵抗另一更硬物壓入其內(nèi)的能力，即材料在受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能力。即材料在受壓時(shí)抵抗局部塑性變形的能

54、力。硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。硬度是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。硬度是一個(gè)綜合性能指標(biāo)。硬度是一個(gè)綜合性能指標(biāo)。硬度與強(qiáng)度間存在一定關(guān)系。硬度與強(qiáng)度間存在一定關(guān)系。硬硬 度度 一、布氏硬度一、布氏硬度 用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。用球面壓痕單位面積上所承受的平均壓力表示。 布氏硬度在測(cè)出壓痕直徑后可查表換算。布氏硬度在測(cè)出壓痕直徑后可查表換算。壓頭為壓頭為鋼球鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBSHBS表示，適用于布氏硬表示，適用于布氏硬度值在度值在450450以下的材料。壓頭為以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)時(shí)，用符號(hào)HBWHBW表示，適用于布氏硬度在表

55、示，適用于布氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。布氏硬度的布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及 比壓頭還硬的材料。比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼，鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的材料的 b b與與HBHB之間換算的之間換算的經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式： 對(duì)于低碳鋼對(duì)于低碳鋼: : b b(MPa)(MPa)3.36HB3.36HB 對(duì)于高碳鋼：對(duì)于高碳鋼： b b(MPa)(MPa)3.55HB3.55HB 對(duì)于鑄造鋁合金：對(duì)于鑄

56、造鋁合金： b b(MPa)(MPa)2.55HB2.55HB二、洛氏硬度二、洛氏硬度 用殘余壓入深度用殘余壓入深度h h表示。表示。將將金剛石壓頭金剛石壓頭（或鋼球）在先后兩個(gè)載荷（預(yù)載荷、主（或鋼球）在先后兩個(gè)載荷（預(yù)載荷、主載荷）的作用下壓入金屬表面，卸去主載荷后，測(cè)量殘載荷）的作用下壓入金屬表面，卸去主載荷后，測(cè)量殘余壓入深度，測(cè)量時(shí)余壓入深度，測(cè)量時(shí)洛氏硬度值洛氏硬度值直接直接從硬度計(jì)表盤讀出。從硬度計(jì)表盤讀出。h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)l根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小，根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小，洛氏硬度有洛氏硬度有HRA、HRB、HRC。l

57、HRA用于測(cè)量較用于測(cè)量較高高硬度材料硬度材料, 如硬如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測(cè)量較用于測(cè)量較低低硬度材料硬度材料, 如有如有色金屬和退火、正火鋼等。色金屬和退火、正火鋼等。lHRC使用最多，用于測(cè)量使用最多，用于測(cè)量中中等硬度等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度洛氏硬度優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。適用范圍廣。l缺點(diǎn)缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。：測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕 沖擊韌性沖擊韌性用材料破壞時(shí)所消耗的功衡量。用材料破壞時(shí)所消耗的功衡量。 沖擊韌性是強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)。沖擊韌性是強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)。當(dāng)加載速度極快時(shí)，不能用靜載荷下的當(dāng)加載速度極快時(shí)，不能用靜載荷下的 s、 b作為失效判據(jù)，需要引入沖擊韌性。作為失效判據(jù)，需要引入沖擊韌性。沖擊韌性沖擊韌性是是材料材料抵抗沖擊載荷作用的能力，抵抗沖擊載荷作用的能力，用用ak表示表示。1.2.2.4 ，k；或或，k。ak=沖擊吸收功沖擊吸收功Ak/標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口處截面積標(biāo)準(zhǔn)試樣斷口處截面積S0 (單位為單位為J/m2 )ak值低的材料叫做值低的材料叫做脆性材料脆性材料，斷裂時(shí)無明顯，斷