金属材料试验方法(2本习题) (1).doc

《工程材料及其测试技术》
材料测试技术：介绍原材料（金属）的内部质量检验（或金属制成产品后的内部质量检验），
机电产品——汽车，有机械产品和电子产品，主要是机械产品。
机械产品：汽车零部件有车轴、轴承、齿轮、螺钉、螺帽等
产品的外部质量：如尺寸精度、直线度、平面度、粗糙度等，关系到产品能否使用；
产品的内部质量：如强度（抵抗变形或断裂的能力）、硬度（抵抗局部变形的能力）耐热性、耐磨性、耐蚀性等，关系到产品的使用性能和使用寿命。
考试题目类型：选择题、判断题、综合题。
课程与专业之间的关系：产品质量工程面向的行业是装备制造业；在装备制造业中，各个产品使用的原材料大部分为金属材料，加工工艺大同小异，加工及检验过程大致如下：
原材料进厂理化检验（金相组织、硬度、强度、塑性、韧性、化学成分）——火花检验（混钢）——锻造（形状、尺寸、硬度、组织）——退火（硬度、组织）——切削（车、铣、铇、检验形状尺寸）——淬火（硬度、组织、变形、裂纹）——回火（硬度、组织、变形、裂纹）——磨削（形状、尺寸、烧伤）——装配（间隙尺寸、灵活性）——整机性能测试（振动、噪音、耐腐蚀、耐热、耐潮湿等）——寿命试验

工程材料：介绍材料基础知识（内部组织结构）—— 各种工程材料的用途和选择
材料测试技术：介绍原材料的内部质量检验（或原材料制成的产品的内部质量检验）
先行课程——工程力学；后继课程——无损检测——失效分析

钢材牌号的含义及表示方法
一、工程结构用钢
1、碳素结构钢：A1~A7 ；B1~B7 ；C2~C7 、Q235AF、Q275
老的牌号：A1~A7 ；B1~B7 ；C2~C7 。
甲类钢：钢厂供应时只保证机械性能，不保证化学成分，使用时不进行热处理，如A1~A7 ；
乙类钢：钢厂供应时只保证化学成分，不保证机械性能，使用时进行锻压或热处理；如B1~B7 ；
丙类钢：钢厂供应时即保证机械性能，又保证化学成分，使用时不进行热处理，已逐步趋向淘汰，如C2~C7。
新的牌号：Q235AF、Q275
表示方法：“Q”+屈服强度数值+质量等级+脱氧方法
质量等级：有A、B、C、D、其中A最差（相当于普通），D最好（相当于优质）；
脱氧方法：F—沸腾钢；b——半镇静钢；Z——镇静钢；Tz——特殊镇静钢；镇静钢和特殊镇静钢的符号可省略。
例如：Q235AF，牌号表示该钢种的屈服强度为235MP，质量等级为A，F表示是沸腾钢；一般用于制造承受静载荷作用的工程结构件（如圆钢、方钢、工字钢、钢筋等）或普通零件（如铆钉、螺钉、螺母、冲压件）。
2、低合金高强度结构钢：Q295A、Q345A、Q460A
牌号表示方法：“Q”+屈服强度数值+质量等级
由于大多数低合金高强度结构钢都是镇静钢和特殊镇静钢，所以不标脱氧方法。
例如：Q295A，牌号表示该钢种的屈服强度为295MP，质量等级为A；也用于制造工程结构件和普通零件。
低合金高强度结构钢与碳素结构钢的区别：低合金高强度结构钢的屈服强度数值大。
二、机械结构用钢（包括：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢和易切削钢）
1、优质碳素结构钢： 如45、65Mn、08F
牌号表示方法：含碳量+含锰量+脱氧方法
含碳量：以万分之一（0.01%）为单位；
钢中含碳量=0.01%×牌号最前面的数值；
含锰量：根据数值高、低，可分为普通含锰量（0.25~0.8%）和较高含锰量（0.7~1.2%）；
较高含锰量：在含碳量数值后面加元素符号Mn(如65Mn钢),
普通含锰量：则不加元素符号（如08F）。
质量等级：优质碳素结构钢的质量等级都是优质，所以牌号中不加质量等级符号。（如65Mn、08F）

2、合金结构钢： 如40CrNiMoA
牌号表示方法：含碳量+合金元素符号+合金元素含量+质量等级
含碳量：以万分之一（0.01%）为单位；
钢中的含碳量=0.01%×牌号最前面的数值；
合金元素含量：以百分之一（1%）为单位；
合金元素含量=1%×合金元素后面的数值，
如合金元素含量小于1.5% ,牌号中只标合金元素符号,不标数值.（如20Mn2B）
质量等级：合金结构钢的质量等级都是优质，所以优质的合金结构钢不加质量等级符号（如20Mn2B），而高级优质在牌号末尾加A，特优在牌号末尾加E。（如40CrNiMoA）
3、易切削结构钢： 如Y12Pb、Y40Mn
牌号表示方法：以Y开头+含碳量+易切削添加元素符号
含碳量：以万分之一（0.01%）为单位；
钢中的含碳量=0.01%×符号Y后面的数值；
质量等级：由于钢中有害元素磷、硫的含量大大超出冶金质量要求，所以它不分质量等级。
三、工具钢（它包括：碳素工具钢、低合金工具钢、合金工具钢、模具钢和特殊性能钢）
1、碳素工具钢：T7、T8 、Tl0、Tl1、Tl2、T13
表示方法：T+含碳量+含锰量（含量为0.7~1.2%）；
含碳量：以千分之一（0.1%）为单位；
钢中的含碳量=0.1%×符号T后面的数值
质量等级：碳素工具钢的质量等级都是优质，所以优质的碳素工具钢不加质量等级符号（如T10），而高级优质则加A（如T10A）。
2、低合金工具钢（如9Mn2V）、合金工具钢（如W18Cr4V）、模具钢（如5CrNiMo）和特殊性能钢（如1Cr18Ni9Ti）：
表示方法：含碳量+合金元素符号+合金元素含量
含碳量：以千分之一（0.1%）为单位；
钢中的含碳量=0.1%×牌号最前面的数值；
合金元素含量：以百分之一（1%）为单位；
合金元素含量=1%×合金元素后面的数值，
含量小于1.5% ,牌号中只标合金元素符号,不标数值.（如1Cr13）质量等级：合金工具钢的质量等级都是高级优质，所以合金工具钢不加质量等级符号（如9Mn2V、W18Cr4V、5CrNiMo、1Cr18Ni9Ti，牌号末尾的A都省略）。

四、不规则牌号
1、滚动轴承钢：GCr15 ，GCr15SiMn（WCr：1.5%），GCr9 ，GCr9SiMn ；（WCr：0.9% ）
2、低合金工具钢：Cr06（含碳量Wc：1.35%），Cr2(Wc：
1%)，CrWMn (Wc：1%)，W(Wc：1.1%);
3、冷作模具钢：Cr12(Wc：2.1%)；
4、高速工具钢：W18Cr4V（Wc：0.8%），对高碳者牌号前冠以C字。如牌号CW6Mo5Cr4V2; （Wc：0.95%~1.05%）。

(四) 金属的同素异晶转变
某些金属在固态下，因所处温度不同，而具有不同的晶格形式。
金属的同素异晶转变：是指金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象。
同素异晶体：是指由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体。
铁有体心立方晶格的α—Fe和面心立方晶格的γ—Fe。

图2-5纯铁的冷却曲线 图1-12 Fe3C结构
(五)钢的内部组织和性能
铁素体：是碳溶于α-Fe中的间隙固溶体（体心立方晶格）；以符号F表示。铁素体的强度、硬度不高，具有良好的塑性和韧性。
奥氏体：是碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体（面心立方晶格），以符号
A表示。奥氏体的硬度较低而塑性较高，易于锻压成形。（硬度为
170一220HBS；伸长率为40%一50%，）
渗碳体：是一种具有复杂晶格的间隙化合物，它的分子式为Fe3C，结构如图1-12所示；硬度很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。
渗碳体的组织形态：它在钢和铸铁中与其他相共存时呈片状、球状、网状或板状。
珠光体是铁素体和渗碳体的细密混合物，用符号P表示
（P= F+ Fe3C），珠光体的性能介于两组成相之间。
莱氏体是奥氏体和渗碳体所组成的细密的混合物，用符号Ld表示（Ld= A+ Fe3C），室温组织为低温菜氏体（P+Fe3C）。

图10－13奥氏体晶粒与晶界（８００×） 图10－14铁素体晶粒与晶界（１００×）

图10－16 片状珠光体（５００×）图10－22 粒状珠光体（５００×）

图10－15 网状渗碳体（５００×）图10－21 低温菜氏体（P+Fe3C）（２５０×）

第一章 金属的晶体结构及其在外加载荷作用下的变化
第一节 晶体的基本知识
一、晶体与非晶体
1、晶体与非晶体在结构上的区别：
（1）晶体：原子 (或分子)按照一定的几何规律作周期性排列；如图1-1（a）所示。
（2）非晶体：这些质点是无规则地堆积在一起；如图1-1(b)所示。
2、晶体与非晶体在性能上的区别：
（1）晶体特点：具有固定的熔点(如铁为1538C、铜为1083C)，各向异性。
各向异性：即在不同方向上具有不同的性能；因晶体物质在各个方向上的原子聚集密度不同；
（2）非晶体特点：熔点不固定，各向同性(或称等向性)；具有高的强度与韧性。
各向同性(或称等向性)：在不同方向上具有相同的性能，因非晶体物质在各个方向上的原子聚集密度大致相同。
3、晶体和非晶体之间的相互关系：晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。例如：
玻璃：通常是非晶态，经高温长时间加热能变为晶态玻璃（人造水晶）；
金属：通常是晶态，从液态急冷 (冷却速度大于107 0C/s)，也可获得非晶态。
晶体分为金属晶体与非金属晶体；

图1-1(a) 晶体结构 图1-1 (b) 非晶体结构示意图

二、晶格、晶胞和晶格常数
(一)晶格
晶格：是指抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架；如图1-2所示。
即把晶体中的原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些假想的几何线条将晶体中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的各个结点上。

图1-2

(二)晶胞
晶胞：是指从晶格中，选取 一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元。如图1-2中黑粗线所示。
整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的 晶胞在空间重复堆积而形成的。
(三)晶格常数
在晶体学中，以6个参数（棱边长度a、b、c和棱面夹角α、β、γ）来表示晶胞的形状和大小，如图1-2所示。
晶轴：是指晶胞上的三个坐标轴X、Y、Z ，规定在坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为负方向；
晶格常数：是指棱边长度a、b、c，单位为埃A(lA=10-8cm)。

第二节 金属和合金的晶体结构
一、金属的特性和金属键
金属与非金属的根本区别：是金属的电阻随温度的升高而增大，即金属具有正的电阻温度系数，而非金属的电阻却随温度的升高而降低，即具有负的电阻温度系数。
金属键：因为金属原子的最外层电子(价电子)的数目少 (一般仅有1—2个)， 而且它们与原子核的结合力弱，很容易摆脱原子核的束缚而变成自由电子。当大量的金属原子聚合在一起构成金属晶体时，绝大部分金属原子都将失去其价电子而变成正离子。正离子又按一定几何形式规则地排列起来，并在固定的位置上作高频率的热振动。而脱离了原子束缚的那些价电子都以自由电子的形式，在各离子间自由地运动，它们为整个金属所共有，形成所渭的“电子气”。金属晶体就是依靠各正离子与公有的自由电子间的相互引力而结合起来的，而离子与离子间及电子与电子间的斥力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定的晶体状态。参阅图1-3 。
金属晶体的性能：金属晶体是金属键结合，所以具有良好的导电性、导热性和塑性；正的电阻温度系数、不透明性和金属光泽。
原因是：①金属中的自由电子在外电场作用下，会沿着电场方向作定向运动，形成电流，从而显示出良好的导电性。②由于自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而使金属具有较好的导热性。③当金属发生塑性变形 (即晶体中原子发生相对位移)后，正离子与自由电子间仍能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性。④随着温度的升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，因而金属的电阻是随温度的升高而增大的；⑤因为金属晶体中的自由电子能吸收可见光的能量，故金属具有不透明性。⑥吸收能量后跳到较高能级的电子，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量，以电磁波的形式辐射出来，在宏观上就表现为金属的光泽。

图1-3 金属键

二、金属中常见的晶格
按照晶体学（法国Bravais），所有的晶体可分成14种晶格类型。由于金属键结合力较强，使金属原子总具有趋于紧密排列的倾向，故大多数金属都属于以下三种晶格类型。
(一)体心立方晶格
如图1-4所示，体心立方晶格的晶胞它是一个立方体（a=b=c，α=β=γ=900)，在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，它用一个晶格常数a表示。
晶胞中实际原子数为： 8×1/8+1=2（个）
具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V等。

图1-4
(二)面心立方晶格
如图1-5所示，面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排列一个原子，它用一个晶格常数a表示。
晶胞中实际原子数为： 8×1/8+6×1/2=4（个）
具有面心立方晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。

图1-5
(三)密排六方晶格
如图1-6所示。密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子；它要用两个晶格常数表示：一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长a 。
晶胞中实际原子数为： 12×1/6+2×1/2+3= 6(个)。
具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。

图1-6
(四)晶体结构的致密度
致密度：是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比；
由于把金属原子看成是刚性小球，所以即便是一个紧挨一个地排列，原子间仍会有空隙存在，晶体结构的致密度可用来对原子排列的紧密程度进行定量比较。
在体心立方晶胞中含有2个原子。这2个原子的体积为2×(4/3)πr3，式中r为原子半径。原子半径r与晶格常数a的关系为 r=（/4）a ；晶胞体积为a3，体心立方晶格的致密度为：
2个原子体积 / 晶胞体积 = 2×(4/3)πr3 / a3= 2×(4/3)π〔(/4）a〕3 / a3 = 0.68
参阅图1-7 ，这表明在体心立方晶格中，有68%的体积被原子所占据，其余为空隙。

图1-7 图1-8
三、 合金的相结构
合金的晶体结构就是合金的相结构，由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。
（一）合金的基本概念
合金：是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。例如，黄铜是由铜和锌两种元素组成的合金;碳钢和铸铁是由铁和碳组成的合金，而硬铝是铝、铜、镁组成的合金。
二元合金、三元合金和多元合金, 单相合金和多相合金。
组元：是指组成合金的最基本的、独立的物质；组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。
根据组成合金组元的数目,合金可分为二元合金、三元合金和多元合金等，
相：是指合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分，相与相之间有明显的界面。合金在固态下，由一个固相组成时，称为单相合金。由两个以上固相组成时称为多相合金。
(二)固溶体
固溶体:是指合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相。
固溶体的特点：是晶格与溶剂的晶格相同，而溶质以原子状态分布在溶剂的晶格中；不能用化学分子式表示。
1、固溶体的分类 按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，固溶体可分为以下两类：
(1)间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格各结点的空隙中，这种形式的固溶体称为间隙固溶体，如图1-8a所示。如铁素体：碳原子溶人α-Fe晶格空隙中形成的间隙固溶体，奥氏体：碳原子溶入γ-Fe晶格空隙中形成的间隙固溶体。间隙固溶体是有限固溶体，因溶剂晶格的空隙有一定的限度，随着溶质原子的溶入，溶剂晶格将发生畸变，如图1-9a所示。
形成间隙固溶体的条件：一般溶质原子与溶剂原子直径的比值小于0.59时。
形成间隙固溶体的溶质元素为：直径小于lA的非金属元素，如H(0.46A)、B(0.97A)、C(0.77A)等。
(2)置换固溶体：若溶质原子代替一部分溶剂原子，而占据着溶剂晶格中的某些结点位置，这种形式的固溶体称为置换固溶体，如图1-8b所示。如奥氏体不锈钢中，铬和镍原子代替部分铁原子，而占据了γ-Fe晶格某些结点位置，形成了置换固溶体。置换固溶体能形成无限固溶体，也能形成有限固溶体。由于溶质原子与溶剂原子的直径不可能完全相同，因此也会造成固溶体晶格常数的变化和晶格的畸变，如图1-9b所示。
（3）有限固溶体和无限固溶体
有限固溶体：是指溶质在溶剂中溶解度是有一定限度的固溶体；如铜和锌、铜和锡都形成有限固溶体。
无限固溶体：是指溶质与溶剂能无限互相溶解，即可以任何比例形成的固溶体；如铁和铬、铜和镍便能形成无限固溶体。
形成无限固溶体的条件：溶质原子和溶剂原子直径差别愈小，两者在周期表中位置越靠近，溶质与溶剂的晶格类型也相同。
2．固溶体的性能：
由于固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度提高，同时仍保持相当好的塑性和韧性。
固溶强化：是指通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象。

图1-9
(三)金属化合物
金属化合物的特点：它的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。
1、金属化合物的分类
金属化合物的种类很多，常见有以下三种类型。
(1)正常价化合物：组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的，因而其成分固定不变，并可用化学式表示：如MgzSi、MgzSn、MgzPb等。
通常金属性强的元素与非金属或类金属能形成这种类型化合物。
(2)电子化合物:电子化合物是按照一定的电子浓度比，组成一定晶体结构的化合物。
电子浓度：是指化合物中价电子数与原子数的比值；一定的电子浓度与一定的晶格形式相对应。
电子化合物虽然可以用化学式表示，但它是一个成分可变的相，如CuZn合金中，锌的质量分数可在36.8%一56.5%范围内变动。
当电子浓度为3/2时，形成体心立方晶格的电子化合物，称为β相；如CuZn。
当电子浓度为21/13时，形成复杂立方晶格的电子化合物，称为γ相；如Cu5Zn8
当电子浓度为7/4时，形成密排六方晶格的电子化合物，称为ε相；如CuZn3 。
(3)间隙化合物：间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素 (Fe、Cr、Mn 、W、V等)和原子直径较小的非金属元素 (H、C、N、B等)所组成。
间隙化合物的晶体结构特征是：直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正位置，而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌人晶格的空隙中，因而称为间隙化合物。
间隙化合物又可分为两类：
（1）间隙相（如VC、WC、TiC等）：具有简单晶格形式的间隙化合物，VC参阅图1-11；
（2）间隙化合物（如Fe3C、Cr27C6，Cr7C3，Fe4W2C等）：具有复杂晶格形式，Fe3C参阅图1-12。

图1-11 VC结构 图1-12 Fe3C结构
2、金属化合物的性能
金属化合物熔点一般较高，性能硬而脆，因为金属化合物的晶格与其组元晶格完全不同，因此其性能也不同于组元；合金的组织仅由金属化合物一相组成的情况是极少见的，绝大多数合金的组织是固溶体与少量金属化合物组成的混合物。
弥散强化：是指金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高的现象。

第三节 金属晶体的形貌和缺陷
一、多晶体与亚组织
单晶体：是指在晶体内部的晶格位向是完全一致的晶体，特点是各向异性。生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，如整根单晶体硅棒由一个大晶体组成，。
多晶体：是指由许多晶粒组成的晶体；而多晶体中各个晶粒彼此间位向都不同，特点是各向同性。一般金属材料都是多晶体，参阅图1-13。
晶粒：是指内部晶格位向一致的颗粒状小晶体，晶粒尺寸是很小的（如钢铁材料的晶粒一般10-1～10-3mm左右）。
亚组织(或称亚晶粒)：是指晶粒内部存在的许多尺寸更小、位向差也很小 (一般是几十分至10～20)的小晶块；在亚组织内部，晶格的位向是一致的。

图1-13 多晶体 图1-14 间隙原子
二、晶体的缺陷 "
晶体缺陷：是指在晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰，不象理想晶体那样规则和完整。
根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：
（一）点缺陷——空位和间隙原子
空位：是指在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往末被原子所占有，而空着的位置，参阅图1-14。
间隙原子：是指不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的多余原子，参阅图1-14。
应当指出，晶体中的空位和间隙原子都处在不断地运动和变化之中。空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式之一。
晶格畸变：是指在空位和间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，便其周围的原子离开了原来的平衡位置，晶格产生变形的现象。晶格畸变将使晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。

空位 间隙原子
(二)线缺陷——位错
位错：是指晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错类型很多，最简单的是刃型位错。
刃型位错：在晶体的某一水平面以上，多出一个垂直原子面（A、B、C、D），这个多余原子面像刀刃一样地切人晶体，使晶体中上下两部分的原子产生了错排。由于错排而产生了晶格畸变，使位错线上方的邻近原子受到压应力，而其下方的邻近原子受到拉应力。离位错线越远，晶格畸变越小，应力也就越小。参阅图1-15
正刃型位错：在晶体上半部多出原子面的位错，用符号“上” 表示；参阅图1-16。
负刃型位错：在晶体下半部多出原子面的位错，用符号 “T”表示；参阅图1-16。
刃型位错线：是指多余原子面的底边(即刃边AB线)，参阅图1-15。

金属的强度与位错密度之间的关系：
晶体中位错的数量通常用位错密度表示，随着位错密度的增加或降低，都能提高金属的强度。在实验室制作的极细的金属晶须，因位错密度极低而使其强度又明显提高；冷变形加工后的金属，由于位错密度增加，故提高了强度 (即加工硬化)。
位错密度ρ可用下式计算 (ρ单位为cm/cm3或cm-2)：
ρ= S/V
式中 V ——晶体的体积；
S ——体积为V的晶体中位错线的总长度。

图1-15 图1-16
（三）面缺陷——晶界和亚晶界
晶界：是指晶粒与晶粒之间的边界，晶界是不同位向晶粒之间，原子排列无规则的过渡层，如图1-18所示。
大角度晶界：两个相邻晶粒间的位向差在300～400之间的晶界，图1-17。
亚晶界：是指两相邻亚组织间的边界，是由一系例刃型位错所形成的小角度晶界，参阅图1-18。

图1-17 图1-18
晶界特性：由于晶界处原子的不规则排列，使晶格处于畸变状态，结果晶界处原子的能量高于晶粒内部原子的能量；晶界处原子的扩散速度较快。由此导致①晶界在常温下的强度和硬度较高，而在高温下，则较低；②常温下晶界容易被腐蚀；③晶界的熔点较低。
由于亚晶界处原子排列同样要产生晶格畸变，因此亚晶界在常温下的强度和硬度比晶粒内部高，当晶粒大小一定时，亚组织愈细，金属的屈服强度愈高。

第四节 金属的弹性变形
金属在外力作用下，首先发生弹性变形，当外力超过弹性极限时，除继续发生弹性变形外，同时发生塑性变形，而达到断裂强度后则发生断裂。下面将分别讨论金属的弹性变形、塑性变形、断裂及其机理。
弹性变形——塑性变形——断裂
一、金属的弹性变形
弹性变形是指受力物体在外力卸除后，能立刻恢复的变形（以声速恢复变形的现象）。金属弹性变形是金属在外力作用下、其原子间距离发生可逆变化的结果。
例如，具有立方晶格的金属，拉伸时外力破坏了原子间相互作用的吸力与斥力间的平衡，晶格沿受力方向被拉长，变为正方晶格，使材料发生伸长变形；当外力卸除后，原子间作用力又迫使原子回到原来的平衡位置，材料完全恢复到原状。
弹性是指材料弹性变形的能力（金属弹性变形一般不超过0.5%，而橡胶可达200~300%）。

二、金属的弹性模量
虎克定律：在弹性变形阶段，应力与应变成正比，其比例系数就是弹性模量；
应力是指材料在试验期间任一时刻的力F除以试样原始横截面积Ｓ０之商。 （σ=F/ S0）
应变是指单位长度上的伸长（或收缩），即长度的相对变化。（ε = ΔL/ L0）
在拉伸或压缩状态下，它的关系式为：
σ = E ε （1-1）
式中：σ —— 正应力（N/mm2或MPa ）；ε —— 应变（％）；
E——正弹性模量（N/mm2或MPa）。
在剪切状态（扭转试验）下，它的关系式为：
τ = G γ (1-2)
式中 ：τ —— 切应力（N/mm2）；γ —— 切应变（rad）；
G——切变弹性模量（N/mm2）。
正弹性模量(又称为杨氏模量)E、切变弹性模量G和横向变形系数ν三者之间有如下关系：
E = 2G (1+ν) （1-3）
横向变形系数 ν=ε横/ε纵
弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，也是材料弹性变形的抗力，材料的弹性模量E愈大，使其发生一定量弹性变形所需的外力也愈大。
E的物理意义是表示材料产生100%弹性变形时的应力大小。(但这对金属说来并没有实际意义，因为金属在开始发生塑性变形以前，弹性变形一般不超过0.5%。即使到断裂，发生的弹性变形一般也只能达到1%～2% 。)
刚度：与材料的弹性模量，以及零件或结构的尺寸和形状有关。弹性模量愈大，材料的刚度愈大，在一定应力下产生的弹性变形就愈小。
弹性与刚度的区别：弹性表示材料弹性变形的能力，弹性模量和刚度则表示材料弹性变形的抗力。例如橡胶的弹性好，刚度很差；钢筋的弹性很差，刚度很好。

第五节 塑性变形与塑性
一、金属的塑性变形
塑性变形是指受力物体在外力卸除后保留下来的残余变形。当应力超过弹性极限后，金属在继续发生弹性变形的同时，开始发生塑性变形。
塑性是材料发生塑性变形的能力，通常以试样断裂时的塑性变形的大小来表示。
强度是指材料在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的性能。
抗拉强度（或屈服强度）是指材料在静载荷作用下，抵抗塑性变 形的性能。
断裂强度是指材料在静载荷作用下，抵抗断裂的性能。
塑性变形的抗力（屈服强度）以材料产生一定量残余变形的应力来表示(σ0.2)； (在拉伸、弯曲试验时用正应力σ0.2来表示)， (在扭转试验时用切应力τ0.2来表示)。

(一) 单晶体的塑性变形
在室温下单晶体的塑性变形主要是以滑移和孪生方式进行，两者都是由切应力引起的切变过程。
1、滑移
滑移是指晶体在切应力作用下，一部分晶体沿某一晶面相对于另一部分作滑动。
单晶体的滑移过程如图1-1所示，当切应力较小时，晶格产生歪扭（弹性变形），但当切应力增加到超过晶体的塑性变形的抗力，则晶面两侧的晶体将产生相对滑移，滑移后原子在新的位置上达到平衡，这时去除外力，晶格的弹性变形（歪扭）消失，但原子不能回到起始位置上，这样就产生了塑性变形。试样拉伸时，如在许多互相平行的晶面上都发生滑移，结果就形成滑移线和滑移带。例如单晶体受力后，所受力在其任何晶面上都可分解为正应力和切应力，但只有滑移面上的切应力在滑移方向的分力才引起滑移。
滑移线和滑移带：是指表面经过抛光的纯金属试样拉伸后，显微镜下观察到试样表面有许多互相平行的线条，参阅图1-2；数万倍的电子显微镜观察，可发现它们由许多密集而相互平行的细滑移线和小台阶所构成，参阅图1-3。

图2-21

图2-22 图2-23

双滑移

2、孪生
孪生是指晶体在切应力作用下，一部分晶体相对于另一部分以一定的晶面及晶向产生对称的剪切变形，参阅图1-4和图1-5。
孪晶是指孪生后，晶体的变形部分与未变形部分形成镜面对称关系的一对晶体。

（b）滑移 （c）孪生
图2-24

图2-25 孪晶的形成
(二) 多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形与单晶体的塑性变形基本相似，每个晶粒内的塑性变形仍然通过滑移和孪生方式进行，但每个晶粒要协调周围其他晶粒同时产生相互适应的变形。滑移首先是从那些滑移面对外力来说具有最适宜取向的晶粒开始，即从变形阻力最小的晶粒先开始，然后再逐渐过渡到多数晶粒，发生全面的塑性变形。

二. 金属的理论屈服强度和实际屈服强度σs
1、理论屈服强度：是指理想晶体开始滑移所需要的最小切应力，也叫做临界切应力，它表征金属开始塑性变形的抗力。理想晶体的临界切应力和弹性模数一样，取决于原子间结合力，故主要与原子本性和晶格类型及原子间距离有关。

图2-26相邻原子面间位移与所需的切应力
如图1-6（a）所示，滑移过程中，当晶体的滑移面及滑移方向上，受到外加切应力τ时，将引起上下两层原子发生相对位移x。由于发生位移的原子会被它周围的原子所吸引，并朝离它最近的晶格平衡位置转移，因此两层原子间的作用力，必然要阻止位移的产生。
由图1-6（b）可见，当位移x=1/4b时，切应力达到最大值τm , 而超过x=1/4b，原子就可能位移一个原子间距到下一个平衡位置，并引起相应的塑性变形。
2、理论屈服强度与实际屈服强度的区别：
由图1-6（b）可知τm就是理想晶体的临界切应力，经过计算，
τm = G / 30 (1-5)
式中：G——切变弹性模量（N/mm2）。
生产实践中常用金属的切变弹性模数G，一般在9.8×103 N/mm2 数量级，其理论屈服强度值应该在9.8× 102 N/mm2数量级，但是，金属的屈服强度实验值（即实际屈服强度）约为0.098 ~0.98 N/mm2数量级。（例如铜的理论屈服强度值为823~1156 N/mm2，而高纯度铜单晶体的屈服强度实验值为0.34~0.58 N/mm2。）屈服强度的实验值与理论值相比要小100~1000倍甚至更大一些，原因是理论屈服强度是根据理想晶体滑移推算出来，参阅图1-1；而实际屈服强度是根据实际晶体测出来的。由于实际晶体中存在晶体缺陷——位错；所以实际晶体中的塑性变形不是靠原子面间的整体滑移，而是依赖于位错运动来进行，参阅图1-7。
当滑移面上存在位错时，在切应力持续作用下，位错逐步向前运动，当它运动到晶体表面时，位错消失，形成一个原子间距的滑移台阶。在位错运动过程中，晶体滑移依靠位错区的少数原子，相对移动一个很小的距离来进行。与晶体的整体滑移相比，塑性变形所需的临界切应力要小得多。

图2-27 图2-28

3、理论上提高屈服强度的方法：
1、一种是完全消除金属内部存在的位错和其他缺陷，使金属的屈服强度接近理论值；在实验室里面通过实验能够制造出无位错的金属须，但实际应用还有困难。
2、另一种是在晶体中引入大量的晶体缺陷，以阻碍位错的运动，目前在生产实践中，可通过加工硬化和马氏体强化等途径，来增加金属内部的位错、强化金属材料。
第六节 断裂
材料在力的作用下破碎成若干部分的现象称为断裂。断裂是力对材料作用的最终结果，它表示材料的完全失效。与其它失效方式相比，断裂的危害性最大。
一．断裂类型
金属的断裂过程受材料的性质、试验温度、加荷方式、加荷速度等因素的影响，导致断裂类型和方式的不同。金属材料的断裂类型及其特征如表1-1所示。
表2-1断裂分类及其特征

1．韧性断裂和脆性断裂
根据断裂前产生的塑性变形量大小可将断裂分为韧性断裂和脆性断裂。
韧性断裂的特征是断裂前产生较大的宏观塑性变形，用肉眼或10~20倍的放大镜观察断口，可看到暗灰色纤维状的断口形貌。
脆性断裂的特征是断裂前没有明显的宏观塑性变形，断口的形貌是闪烁金属光泽的结晶状，有时也可以看出明显的人字形花样，断裂面平坦、整齐。

2．正断和切断
根据断裂面对外力的取向可将断裂分为正断和切断。
正断是指垂直最大正应力（或最大正应变εmax）方向发生的断裂，正断可能是脆性的，也可能是韧性的，如果正断发生在宏观滑移之前是脆性断裂，如先滑移而后正断，则是韧性断裂。
切断是指沿着最大切应力τmax方向发生的断裂，金属切断是韧性断裂。切断时，裂纹是逐渐发展的，并随变形的增加而扩展。
3．穿晶断裂与晶界断裂
金属多晶体断裂时，根据裂纹扩展的途径可分为穿晶断裂和沿晶断裂，参阅图1-8。
穿晶断裂可能是韧性断裂，也可能是脆性断裂，通常金属在室温条件下，多数是韧性的穿晶断裂，但金属在低温下受载，则往往会发生脆性的穿晶断裂。
沿晶断裂往往是脆性断裂，在室温条件下，当金属晶界处有夹杂物或沉淀相聚集时，会出现沿晶断裂；而金属在高温长时期负荷作用下，由于晶界强度比晶粒内部低，因此会发生沿晶断裂。

（a）穿晶断裂 （b）沿晶断裂
图2-31 断裂形式
二．断裂抗力
1．理论断裂强度
理论断裂强度（σm）是指理想晶体沿解理面正断所需的临界切应力，它与原子间结合力有关，它的计算公式如下：
σm =（E γs / a0）1/2 (1-7)
式中：E —— 弹性模量（N/mm2或MPa）；γs —— 单位面积的表面能（J/m2）；a0 —— 晶格常数（nm）。
由上式可知：当E 和a0一定时，γs越低、 σm越小，理想晶体越容易解理断裂，通常σm大约为E/5 ~ E/10 。
2．实际断裂强度
脆性材料（内部有显微裂纹，裂纹尖端的塑性变形可忽略）的实际断裂强度（σc ）计算公式如下：
σc =（2Eγs / π a）1/2 ≈ （E γs / ac）1/ 2 (1-8)
式中：a——裂纹的长度（mm）； ac——临界裂纹长度（mm）。
将上述两公式相比较可得到：σm / σc =（ac/ a0）1/2 ；由此可知实际晶体中由于裂纹的存在导致强度水平下降了（ac/ a0）1/2倍。
3．理论断裂强度和实际断裂强度的差异：
实际断裂强度（如玻璃、金刚石、超高强度钢等脆性材料的实验值），要比理论断裂强度小100~1000倍。
两者的巨大差异是由于实际材料中存在