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1 机械工程材料机械工程材料Mechanical Engineering Materials2 第第1 1章章 材料的结构与凝固材料的结构与凝固 本章目录本章目录本章目录本章目录1.1 1.1 金属的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构金属的晶体结构 1.1.1 1.1.1 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念 1.1.2 1.1.2 三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构 1.1.3 1.1.3 常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征 1.1.4 1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性 1.1.5 1.1.5 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构1.2 1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构 1.2.1 1.2.1 合金概述合金概述合金概述合金概述 1.2.2 1.2.2 固态合金的相结构固态合金的相结构固态合金的相结构固态合金的相结构1.3 1.3 非金属材料的结构非金属材料的结构非金属材料的结构非金属材料的结构 1.3.1 1.3.1 高分子材料的结构高分子材料的结构高分子材料的结构高分子材料的结构 1.3.2 1.3.2 陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构3 1.11.1 金属的晶体结构金属的晶体结构 1.1.11.1.1晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念n n晶体晶体晶体晶体内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。内部原子（或离子）按一定几何形状有规则排列的固体。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。如天然金刚石、钻石、水晶、氯化钠、明矾等。固体金属均为晶体。固体金属均为晶体。固体金属均为晶体。固体金属均为晶体。n n非晶体非晶体非晶体非晶体原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、原子排列无规则的固体。如玻璃、松香、石腊、棉花、木材等。木材等。木材等。木材等。n n空间点阵（晶格）空间点阵（晶格）空间点阵（晶格）空间点阵（晶格）将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。n n晶胞晶胞晶胞晶胞能够反映晶格特征的最小组成单元。能够反映晶格特征的最小组成单元。能够反映晶格特征的最小组成单元。能够反映晶格特征的最小组成单元。图1-1 晶体中的原子堆垛刚球模型（a）、晶格（b）和晶胞（c）示意图4晶格参数晶格参数晶格参数晶格参数晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a a、b b、c c和三条棱边之间的夹角和三条棱边之间的夹角和三条棱边之间的夹角和三条棱边之间的夹角 、六个参数来描述六个参数来描述六个参数来描述六个参数来描述 晶格常数晶格常数晶格常数晶格常数a a、b b、c c。1.1.11.1.1晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念图1-2 晶格参数5体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格-金属中如金属中如金属中如金属中如TiTi、V V、CrCr、MoMo、WW及及及及 -Fe-Fe等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格-金属中如金属中如金属中如金属中如AlAl、MnMn、NiNi、CuCu、AgAg、PtPt、AuAu、PbPb 及 -Fe-Fe等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格-金属中如金属中如金属中如金属中如ZnZn、MgMg、BeBe、CdCd、-Ti-Ti及及及及 -Co-Co等等等等等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。等属此种晶格。1.1.2 1.1.2 三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构(a)体心立方（b）面心立方（c）密排六方61.1.31.1.3常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征（1 1）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格71.1.3 1.1.3 常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征常见金属晶体结构的特征（2 2）原子半径）原子半径）原子半径）原子半径面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格8 配位数配位数配位数配位数晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。数。数。数。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。（3）配位数和致密度）配位数和致密度面心立方晶格：面心立方晶格：面心立方晶格：面心立方晶格：1212密排六方晶格：密排六方晶格：密排六方晶格：密排六方晶格：1212体心立方晶格：体心立方晶格：体心立方晶格：体心立方晶格：8 89致密度致密度致密度致密度-晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，即晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，即晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，即晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，即 K=nU/VK=nU/V 配位数大，则致密度亦大配位数大，则致密度亦大配位数大，则致密度亦大配位数大，则致密度亦大。式中：式中：K-K-晶体的致密度；晶体的致密度；n-n-晶胞中所含原子的数目；晶胞中所含原子的数目；U-U-每个原子的体积；每个原子的体积；V-V-晶胞的体积。晶胞的体积。（3）配位数和致密度）配位数和致密度面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格10表表表表11 11 三种典型金属晶体结构的特征三种典型金属晶体结构的特征三种典型金属晶体结构的特征三种典型金属晶体结构的特征晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.7411n n1)1)晶面晶面晶面晶面-通过晶体中原子中心的平面。通过晶体中原子中心的平面。通过晶体中原子中心的平面。通过晶体中原子中心的平面。n n 晶面指数晶面指数晶面指数晶面指数-用以表示晶面的数字符号称为晶面指数（用以表示晶面的数字符号称为晶面指数（用以表示晶面的数字符号称为晶面指数（用以表示晶面的数字符号称为晶面指数（hklhkl）n n 晶面指数的确定晶面指数的确定晶面指数的确定晶面指数的确定n n 晶面族晶面族晶面族晶面族 HKLHKL1.1.4 1.1.4 1.1.4 1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性晶面、晶向及晶体的各向异性12n n2)2)晶向晶向晶向晶向-是晶体中原子列所表示的方向。是晶体中原子列所表示的方向。是晶体中原子列所表示的方向。是晶体中原子列所表示的方向。n n晶向指数晶向指数晶向指数晶向指数-表示晶向的数字符号称为晶向指表示晶向的数字符号称为晶向指表示晶向的数字符号称为晶向指表示晶向的数字符号称为晶向指数数数数uvwuvwn n晶向指数的确定晶向指数的确定晶向指数的确定晶向指数的确定n n晶向族晶向族晶向族晶向族 133 3）金属晶体的各向异性金属晶体的各向异性金属晶体的各向异性金属晶体的各向异性定义定义定义定义金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的方向性。方向性。方向性。方向性。这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它们之间的结合力大小不同有关。它们之间的结合力大小不同有关。它们之间的结合力大小不同有关。它们之间的结合力大小不同有关。14 2.3 2.3 实际晶体结构及晶体缺陷实际晶体结构及晶体缺陷实际晶体结构及晶体缺陷实际晶体结构及晶体缺陷（1 1）实际晶体结构实际晶体结构实际晶体结构实际晶体结构 单晶体单晶体单晶体单晶体金属内部的晶格方位完全一致。金属内部的晶格方位完全一致。金属内部的晶格方位完全一致。金属内部的晶格方位完全一致。多晶体多晶体多晶体多晶体多晶粒组成的实际晶体结构。多晶粒组成的实际晶体结构。多晶粒组成的实际晶体结构。多晶粒组成的实际晶体结构。晶粒晶粒晶粒晶粒组成多晶体的外形不规则的小晶体。组成多晶体的外形不规则的小晶体。组成多晶体的外形不规则的小晶体。组成多晶体的外形不规则的小晶体。晶界晶界晶界晶界晶粒与晶粒间的界面。晶粒与晶粒间的界面。晶粒与晶粒间的界面。晶粒与晶粒间的界面。组织组织组织组织用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉用金相的方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。系的构造情况。系的构造情况。系的构造情况。显微组织显微组织显微组织显微组织显微镜所观察到的组织。显微镜所观察到的组织。显微镜所观察到的组织。显微镜所观察到的组织。亚晶粒亚晶粒亚晶粒亚晶粒晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶块。晶块。晶块。晶块。亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界亚晶粒之间的界。亚晶粒之间的界。亚晶粒之间的界。亚晶粒之间的界。15（2）晶体缺陷晶体缺陷1 1）点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷：包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。包括：晶格空位、间隙原子和异类原子。n n 危害：危害：危害：危害：点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。16 2 2）线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷：即位错，或称为位错线。即位错，或称为位错线。即位错，或称为位错线。即位错，或称为位错线。n n 位错位错位错位错是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律的错排现象。的错排现象。的错排现象。的错排现象。n n 包括：刃型位错、螺型位错包括：刃型位错、螺型位错包括：刃型位错、螺型位错包括：刃型位错、螺型位错17 3 3）面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷：晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。n n 面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。18结晶概述：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。结晶概述：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的能量状态趋向较低的能量状态。能量状态趋向较低的能量状态。通常在凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体，故通常在凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体，故也称其为结晶。金属材料的成形，除粉末冶金材料外，也称其为结晶。金属材料的成形，除粉末冶金材料外，一般要经过熔炼和浇注，即经过一个结晶过程。金属结一般要经过熔炼和浇注，即经过一个结晶过程。金属结晶时形成的组织晶时形成的组织铸态组织，不仅影响其铸态的性能，铸态组织，不仅影响其铸态的性能，而且也影响其经冷、热加工后材料的组织与性能。而且也影响其经冷、热加工后材料的组织与性能。1.4 1.4 凝固的基本概念凝固的基本概念 19结晶是一个自发过程，结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即但必须具备一定条件，即需要驱动力。需要驱动力。理论结晶温度理论结晶温度T0T0与实际与实际结晶温度结晶温度TnTn之差称为过冷之差称为过冷度，即度，即T=T0T=T0TnTn。只有当驱动力达到一定只有当驱动力达到一定程度时，液态金属才能开程度时，液态金属才能开始结晶。可见结晶的必要始结晶。可见结晶的必要充分条件是液态金属具有充分条件是液态金属具有一定的过冷度。一定的过冷度。20凝固产物凝固产物液态物质凝固成固态时，凝固的产物并非都是液态物质凝固成固态时，凝固的产物并非都是晶晶 体，也可能是非晶体。体，也可能是非晶体。凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融液体的黏度和凝固的速度。液体的黏度和凝固的速度。冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素从冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素从能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，它将转变成晶体；若部分释放内能，则转化成非它将转变成晶体；若部分释放内能，则转化成非晶体。所以，非晶体是处于亚稳定状态的物质。晶体。所以，非晶体是处于亚稳定状态的物质。21 金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。（1 1）晶核的形成：在过冷液体中形成固态晶核，有两种）晶核的形成：在过冷液体中形成固态晶核，有两种形核方式：一种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为形核方式：一种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为非均匀形核，又称为异质形核（也称杂质形核）。非均匀形核，又称为异质形核（也称杂质形核）。1.5 1.5 金属的结晶金属的结晶22均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。异质形核是液态金属原子，依附于模壁或液相中未异质形核是液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核的过程。熔固相质点表面，优先形成晶核的过程。由形核的讨论可知过冷是结晶的必要条件，但过冷由形核的讨论可知过冷是结晶的必要条件，但过冷后还需通过能量起伏和结构起伏，使近程有序的原后还需通过能量起伏和结构起伏，使近程有序的原子集团达到某一临界尺寸后才能形成晶核。子集团达到某一临界尺寸后才能形成晶核。23 （2 2）晶核的长大）晶核的长大 一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液固固相界面向液相不断推进的过程。晶体的生长有相界面向液相不断推进的过程。晶体的生长有2 2种常见的形种常见的形态。一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长。态。一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长。24 通常把实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过通常把实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。只有当温度降到只有当温度降到T T0 0以下某一温度以下某一温度T1T1时，固态原子的自由能时，固态原子的自由能低于保持液态原子的自由能低，结晶才能有效进行。低于保持液态原子的自由能低，结晶才能有效进行。金属的冷却曲线金属的冷却曲线25 结晶后的晶粒大小及其结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来表示，的大小可用晶粒度来表示，晶粒的大小是形核率晶粒的大小是形核率N N和长和长大速度的函数，影响形核率大速度的函数，影响形核率和长大速度的重要因素是冷和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。却速度和难熔杂质。结晶后的晶粒大小及其控制结晶后的晶粒大小及其控制26 晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒度越细小，强度和硬度则在常温下，金属的晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。越高，同时塑性韧性也越好。通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。称为细晶强化。细化晶粒的方法主要有如下几种：细化晶粒的方法主要有如下几种：（1 1）增大过冷度）增大过冷度 （2 2）变质处理）变质处理 （3 3）振动和搅拌）振动和搅拌影响晶粒大小的因素和细化晶粒的措施影响晶粒大小的因素和细化晶粒的措施27金属铸锭的组织特点金属铸锭的组织特点：（1 1）表层细晶区；）表层细晶区；（2 2）柱状晶区；）柱状晶区；（3 3）中心等轴晶区。）中心等轴晶区。金属铸锭的结晶组织金属铸锭的结晶组织28金属晶体的同素异构金属晶体的同素异构 金属的晶格因温度改变而发生晶格类型变化的现象称为金属的晶格因温度改变而发生晶格类型变化的现象称为同素异构转变。同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。1.6 1.6 材料的同素异构现象材料的同素异构现象29有机高分子的同分异构有机高分子的同分异构 化学上具有同一种相同化学式，同样的化学键化学上具有同一种相同化学式，同样的化学键但原子排列不同的现象，称为同分异构现象；有但原子排列不同的现象，称为同分异构现象；有机物中的同分异构体有旋光异构、几何异构和键机物中的同分异构体有旋光异构、几何异构和键接异构三种。接异构三种。无机非金属晶体的同素异构无机非金属晶体的同素异构 无机非金属的同素异构又称为同质异构，是无机非金属的同素异构又称为同质异构，是指同一种化学成分而具有不同的晶体结构的现象。指同一种化学成分而具有不同的晶体结构的现象。相同成分的物质，常常可能有一种以上的原子相同成分的物质，常常可能有一种以上的原子排列。成分相同而结构不同的物质称为异构体。排列。成分相同而结构不同的物质称为异构体。结构不同会使材料的性能不同。结构不同会使材料的性能不同。30有机高分子的旋光异构有机高分子的旋光异构 正四面体的中心原子（如正四面体的中心原子（如C C、Si Si、P P、N N）上）上四个取代基或原子如果是不对称的，则可能产生四个取代基或原子如果是不对称的，则可能产生异构体，常称为旋光异构异构体，常称为旋光异构。31有机高分子的旋光异构有机高分子的旋光异构 由旋光异构体的中心原子链接而成的高分子就有三种键由旋光异构体的中心原子链接而成的高分子就有三种键接方式。以接方式。以C CC C链为例，若取代基全部处于主链一侧时，称链为例，若取代基全部处于主链一侧时，称为全同立构；当取代基交替位于主链两侧时称为间同立构；为全同立构；当取代基交替位于主链两侧时称为间同立构；当取代基在主链两侧作不规则分布时，则称为无规立构。当取代基在主链两侧作不规则分布时，则称为无规立构。32有机高分子的几何异构有机高分子的几何异构 组成双键的两个碳原子同时被两个不同原子或基团组成双键的两个碳原子同时被两个不同原子或基团取代时，由于内双键上的基团在双键两侧排列方式不同取代时，由于内双键上的基团在双键两侧排列方式不同而形成顺式和反式构型之分，称为几何异构。而形成顺式和反式构型之分，称为几何异构。不同的制备方法或不同催化体系得到不同的几何异不同的制备方法或不同催化体系得到不同的几何异构体，对该聚合物的性能起决定性作用。构体，对该聚合物的性能起决定性作用。33有机高分子的键接异构有机高分子的键接异构 键接异构是指结构单元在高分子中的连接方键接异构是指结构单元在高分子中的连接方式，有头式，有头头键接、头头键接、头尾键接、尾尾键接、尾尾键接三尾键接三种方式。种方式。单体单元的键合方式不同，对聚合物的性能特单体单元的键合方式不同，对聚合物的性能特别是化学性能有很大的影响。例如，用作合成纤别是化学性能有很大的影响。例如，用作合成纤维的聚合物，一般都要求分子链中单体单元排列维的聚合物，一般都要求分子链中单体单元排列规整，以提高聚合物的结晶性能。规整，以提高聚合物的结晶性能。34 机械工程材料机械工程材料Materials For Mechanical Engineering 35 第第2 2章章 材料的性能与力学行为材料的性能与力学行为本章目录本章目录本章目录本章目录2.1 2.1 材料的静态力学性能材料的静态力学性能材料的静态力学性能材料的静态力学性能 2.1.1 2.1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性材料的强度与塑性材料的强度与塑性 2.1.2 2.1.2 材料的硬度材料的硬度材料的硬度材料的硬度2.2 2.2 材料的动态力学性能材料的动态力学性能材料的动态力学性能材料的动态力学性能 2.2.1 2.2.1 材料的冲击韧度材料的冲击韧度材料的冲击韧度材料的冲击韧度 2.2.2 2.2.2 材料的多冲抗力材料的多冲抗力材料的多冲抗力材料的多冲抗力 2.2.3 2.2.3 材料的疲劳强度材料的疲劳强度材料的疲劳强度材料的疲劳强度 2.2.4 2.2.4 材料的断裂韧度材料的断裂韧度材料的断裂韧度材料的断裂韧度2.3 2.3 材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能材料的物理、化学性能 2.3.1 2.3.1 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 2.3.2 2.3.2 材料的化学性能材料的化学性能材料的化学性能材料的化学性能2.4 2.4 材料的工艺性能材料的工艺性能材料的工艺性能材料的工艺性能 2.4.1 2.4.1 材料的铸造性能材料的铸造性能材料的铸造性能材料的铸造性能 2.4.2 2.4.2 材料的锻造性能材料的锻造性能材料的锻造性能材料的锻造性能 2.4.3 2.4.3 材料的焊接性能材料的焊接性能材料的焊接性能材料的焊接性能 2.4.4 2.4.4 材料的切削加工性能材料的切削加工性能材料的切削加工性能材料的切削加工性能 2.4.5 2.4.5 材料的热处理性能材料的热处理性能材料的热处理性能材料的热处理性能2.5 2.5 金属的塑性变形及强化金属的塑性变形及强化 2.5.1 2.5.1 单晶体的塑性变形及强化单晶体的塑性变形及强化 2.5.2 2.5.2 实际金属的塑性变形及强化实际金属的塑性变形及强化 2.5.3 2.5.3 冷变形对金属组织结构的影响冷变形对金属组织结构的影响 2.5.4 2.5.4 冷变形对金属性能的影响冷变形对金属性能的影响2.6 2.6 金属的再结晶与变形加工金属的再结晶与变形加工 2.6.1 2.6.1 冷变形金属在加热时的组织和冷变形金属在加热时的组织和性能变化性能变化 2.6.2 2.6.2 金属的热变形加工金属的热变形加工2.7 2.7 高聚物的力学状态高聚物的力学状态 2.7.1 2.7.1 线型无定行高聚物的力学状态线型无定行高聚物的力学状态 2.7.2 2.7.2 线性结晶型高聚物的力学状态线性结晶型高聚物的力学状态 2.7.3 2.7.3 体型高聚物的力学状态体型高聚物的力学状态2.8 2.8 高聚物的力学行为高聚物的力学行为 2.8.1 2.8.1 高弹性高弹性 2.8.2 2.8.2 黏弹性黏弹性 2.8.3 2.8.3 塑性与受迫弹性塑性与受迫弹性 2.8.4 2.8.4 强度与断裂强度与断裂材料的性能材料的性能36使用性能使用性能工艺性能工艺性能力学性能力学性能 物理性能物理性能化学性能化学性能铸造性能铸造性能 可锻性能可锻性能可焊性能可焊性能切削加工性能切削加工性能热处理性工艺性热处理性工艺性 工程材料的性能工程材料的性能使使使使用用用用性性性性能能能能：为为为为保保保保证证证证机机机机械械械械零零零零件件件件或或或或工工工工具具具具正正正正常常常常工工工工作作作作，材材材材料料料料应应应应具具具具备备备备的的的的性性性性能能能能，它它它它包包包包括括括括物物物物理理理理性性性性能能能能（如如如如导导导导电电电电性性性性、导导导导热热热热性性性性、热热热热膨膨膨膨胀胀胀胀性性性性等等等等）、化化化化学学学学性性性性能能能能（如如如如抗抗抗抗腐腐腐腐蚀蚀蚀蚀性性性性、抗抗抗抗氧氧氧氧化化化化性性性性等等等等）和力学性能。和力学性能。和力学性能。和力学性能。工工工工艺艺艺艺性性性性能能能能：在在在在制制制制造造造造机机机机械械械械零零零零件件件件或或或或工工工工具具具具的的的的过过过过程程程程中中中中，材材材材料料料料适适适适应应应应各各各各种种种种冷冷冷冷、热热热热加加加加工工工工和和和和热热热热处处处处理理理理的的的的性性性性能能能能，它它它它包包包包括括括括铸铸铸铸造造造造、锻锻锻锻造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。造、焊接、切削加工等工艺性能以及热处理工艺性等。力力力力学学学学性性性性能能能能：材材材材料料料料在在在在外外外外力力力力作作作作用用用用下下下下所所所所显显显显示示示示的的的的性性性性能能能能，又又又又称称称称机机机机械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。械性能，如强度、硬度、塑性、韧性、抗疲劳性等。3738 2.1 2.1 材料的静态力学性能材料的静态力学性能2.1.1 材料的强度与塑性一、拉伸实验拉伸试样GB/T228-2002GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验金属材料室温拉伸试验方法方法,规定有圆形、矩形、多边形、环规定有圆形、矩形、多边形、环形等试样。常用标准圆截面试样。形等试样。常用标准圆截面试样。长试样：长试样：L L0 0=10d=10d0 0短试样：短试样：L L0 0=5d=5d0 0圆形标准拉伸试样圆形标准拉伸试样39拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象拉伸试验拉伸试验将标准圆形拉伸试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地加将标准圆形拉伸试样装夹在拉伸试验机上，缓慢地加载（静载荷），随着载荷的增加，试样逐渐伸长，直载（静载荷），随着载荷的增加，试样逐渐伸长，直至拉断。在试验过程中，试验机自动记录每一瞬间载至拉断。在试验过程中，试验机自动记录每一瞬间载荷和伸长量，并绘出它们之间的关系曲线，称为荷和伸长量，并绘出它们之间的关系曲线，称为拉伸拉伸曲线。曲线。拉伸曲线拉伸曲线拉伸曲线拉伸曲线opop段：比例弹性变形阶段段：比例弹性变形阶段段：比例弹性变形阶段段：比例弹性变形阶段pepe段：非比例弹性变形阶段段：非比例弹性变形阶段段：非比例弹性变形阶段段：非比例弹性变形阶段s s段段段段（平台或锯齿）：屈服阶段（平台或锯齿）：屈服阶段（平台或锯齿）：屈服阶段（平台或锯齿）：屈服阶段sbsb段：均匀塑性变形阶段，是段：均匀塑性变形阶段，是段：均匀塑性变形阶段，是段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段强化阶段强化阶段强化阶段b b点点点点：形成了：形成了：形成了：形成了“缩颈缩颈缩颈缩颈”bkbk段：非均匀变形阶段，承载段：非均匀变形阶段，承载段：非均匀变形阶段，承载段：非均匀变形阶段，承载下降，到下降，到下降，到下降，到k k点断裂点断裂点断裂点断裂40L Fopes bk()（）低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线（外力（外力F-变形量变形量L曲线曲线及应力及应力-应变应变曲线）曲线）41强度：强度：强度：强度：金属抵抗永久变形和断裂的能力。金属抵抗永久变形和断裂的能力。金属抵抗永久变形和断裂的能力。金属抵抗永久变形和断裂的能力。比例极限：比例极限：比例极限：比例极限：是应力是应力是应力是应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用应变曲线上符合线性关系的最高应力值，用pp表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为MPaMPa。弹性极限：弹性极限：弹性极限：弹性极限：是试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标是试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标是试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标是试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值，是材料产生完全弹性变准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值，是材料产生完全弹性变准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值，是材料产生完全弹性变准，材料能够完全弹性恢复的最高应力值，是材料产生完全弹性变形时所能承受的最大应力值，用形时所能承受的最大应力值，用形时所能承受的最大应力值，用形时所能承受的最大应力值，用ee表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为MPaMPa。屈服强度：屈服强度：屈服强度：屈服强度：是材料开始塑性变形时的应力值，它反映了材料抵抗是材料开始塑性变形时的应力值，它反映了材料抵抗是材料开始塑性变形时的应力值，它反映了材料抵抗是材料开始塑性变形时的应力值，它反映了材料抵抗永久变形的能力，是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。永久变形的能力，是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。永久变形的能力，是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。永久变形的能力，是材料开始产生明显塑性变形时的最低应力值。常以下屈服强度常以下屈服强度常以下屈服强度常以下屈服强度ReLReL作为屈服强度的值，单位为作为屈服强度的值，单位为作为屈服强度的值，单位为作为屈服强度的值，单位为MPaMPa。对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生对于高碳钢、铸铁等材料，以试样拉伸时产生0.2%0.2%残余延伸率所对残余延伸率所对残余延伸率所对残余延伸率所对应的应力为规定残余延伸强度，记为应的应力为规定残余延伸强度，记为应的应力为规定残余延伸强度，记为应的应力为规定残余延伸强度，记为R Rr0.2r0.2，即所谓的，即所谓的，即所谓的，即所谓的“条件屈服强条件屈服强条件屈服强条件屈服强度度度度”。抗拉强度：抗拉强度：抗拉强度：抗拉强度：是材料的极限承载能力，是试样拉断前所能承受的最是材料的极限承载能力，是试样拉断前所能承受的最是材料的极限承载能力，是试样拉断前所能承受的最是材料的极限承载能力，是试样拉断前所能承受的最大应力值，用大应力值，用大应力值，用大应力值，用Rm Rm 表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为MPaMPa。二、强二、强 度度三、刚度与塑性三、刚度与塑性三、刚度与塑性三、刚度与塑性刚度刚度刚度刚度：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。：是指材料受力时抵抗弹性变形的能力。弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值。：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值。：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值。：是指材料在弹性范围内的应力与应变的比值。用用用用E E 表示，单位为表示，单位为表示，单位为表示，单位为MPaMPa。塑性塑性塑性塑性:是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。是指材料在断裂前发生不可逆永久变形的能力。断后伸长率断后伸长率断后伸长率断后伸长率：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断：是指试样拉断后标距长度的残余伸长（断后标距后标距后标距后标距L Lu u与原始标距与原始标距与原始标距与原始标距L L0 0之差）与原始标距长度之差）与原始标距长度之差）与原始标距长度之差）与原始标距长度L L0 0的百分的百分的百分的百分比。用符号比。用符号比。用符号比。用符号A A表示（相当于旧国家标准的表示（相当于旧国家标准的表示（相当于旧国家标准的表示（相当于旧国家标准的 5 5）。）。）。）。断面收缩率断面收缩率断面收缩率断面收缩率：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量：是指断裂后试样横截面积的最大缩减量(原原原原始横截面积始横截面积始横截面积始横截面积S So o与断后最小横截面积与断后最小横截面积与断后最小横截面积与断后最小横截面积S Su u之差之差之差之差)与原始横截面与原始横截面与原始横截面与原始横截面积积积积 S So o之比的百分率，用符号之比的百分率，用符号之比的百分率，用符号之比的百分率，用符号Z Z表示。表示。表示。表示。422.1.2 2.1.2 材料的硬度材料的硬度材料的硬度材料的硬度硬度硬度硬度硬度：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、：是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。压痕或划痕的能力，它是衡量材料软硬程度的指标。特点特点特点特点：硬度是通过硬度试验测得的。硬度试验方法：硬度是通过硬度试验测得的。