《工程材料及應(yīng)用》課件第1章

第1章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能

1.1材料的結(jié)合方式1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3合金的相結(jié)構(gòu)1.4高聚物1.5陶瓷材料的結(jié)構(gòu)1.6工程材料的性能

1.1材料的結(jié)合方式

1.1.1結(jié)合鍵

組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)(原子、分子或離子)間的相互作用力稱為結(jié)合鍵。由于質(zhì)點(diǎn)間的相互作用性質(zhì)不同，則形成了不同類型的結(jié)合鍵，主要有共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵和分子鍵。

1.離子鍵

當(dāng)兩種電負(fù)性相差很大(如元素周期表中相隔較遠(yuǎn)的元素)的原子相互結(jié)合時(shí)，其中電負(fù)性較小的原子失去電子而成為正離子，電負(fù)性較大的原子獲得電子而成為負(fù)離子，正、負(fù)離子靠靜電引入結(jié)合在一起而形成的結(jié)合鍵稱為離子鍵。

由于離子健的電荷分布是球形對稱的，因此，它在各個(gè)方向都可以和相反電荷的離子相吸引，即離子鍵的一個(gè)特性是沒有方向性。離子鍵的另一個(gè)特性是無飽和性，即一個(gè)離子可以同時(shí)和幾個(gè)異號離子相結(jié)合。例如，在NaCl晶體中，每個(gè)氯離子周圍都有6個(gè)鈉離子，每個(gè)鈉離子周圍也有6個(gè)氯離子等距離地排列著。離子晶體在空間三維方向上不斷延續(xù)，就形成了巨大的離子晶體。NaCl晶體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。由于離子鍵的結(jié)合力很大，因此離子晶體的硬度高、強(qiáng)度大、熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。離子鍵很難產(chǎn)生可以自由運(yùn)動(dòng)的電子，所以離子晶體具有很好的絕緣性。在離子鍵結(jié)合中，由于離子的外層電子被牢固地束縛著，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，因此它不吸收可見光，從而典型的離子晶體是無色透明的。

圖1-1

NaCl晶體結(jié)構(gòu)

2.共價(jià)鍵

元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多數(shù)元素或電負(fù)性不大的原子相互結(jié)合時(shí)，原子間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，以共價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。這種由共用電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵稱為共價(jià)鍵。

最具代表性的共價(jià)晶體為金剛石，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。金剛石由碳原子組成，每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)出4個(gè)價(jià)電子與周圍的4個(gè)碳原子共用，形成4個(gè)共價(jià)鍵，構(gòu)成四面體，即一個(gè)碳原子在中心，與它共價(jià)的4個(gè)碳原子在4個(gè)頂角上。硅、鍺、錫等元素可構(gòu)成共價(jià)晶體。SiC、BN等化合物均屬于共價(jià)晶體。

共價(jià)鍵結(jié)合力很大。所以共價(jià)晶體的強(qiáng)度、硬度高，脆性大，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，且揮發(fā)性低。

圖1-2金剛石晶體結(jié)構(gòu)

3.金屬鍵

絕大多數(shù)金屬元素(周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素)是以金屬鍵結(jié)合的。金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是外層電子少，原子容易失去其價(jià)電子而成為正離子。當(dāng)金屬原子相互結(jié)合時(shí)，金屬原子的外層電子(價(jià)電子)就脫離原子，成為自由電子，為整個(gè)金屬晶體中的原子所共有。這些公有化的自由電子在正離子之間自由運(yùn)動(dòng)形成所謂的電子層。這種由金屬正離子與電子層之間相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵，如圖1-3所示。

圖1-3金屬鈉晶體結(jié)構(gòu)具有金屬鍵的金屬有以下特性：

(1)良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性。由于金屬中有大量的內(nèi)電子存在，因此當(dāng)金屬的兩端存在電勢差或外加電場時(shí)，電子可以定向地流動(dòng)，使金屬表現(xiàn)出優(yōu)良的導(dǎo)電性。由于自由電子的活動(dòng)能力很強(qiáng)及金屬離子振動(dòng)的作用，從而使金屬具有良好的導(dǎo)熱性。

(2)正的電阻溫度系數(shù)，即隨溫度升高電阻增大。當(dāng)溫度升高時(shí)，離子的振動(dòng)增強(qiáng)、空位增多，離子(原子)排列的規(guī)則性受到干擾，電子的運(yùn)動(dòng)受阻，因而電阻增大；當(dāng)溫度降低時(shí)，離子的振動(dòng)減弱，因而電阻減小。

(3)良好的強(qiáng)度及塑性。由于正離子與電子層之間的結(jié)合力較大，因此金屬晶體具有良好的強(qiáng)度。因?yàn)榻饘冁I沒有方向性，原子間沒有選擇性，所以在受外力作用而發(fā)生原子位置相對移動(dòng)時(shí)結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞，這使得金屬具有良好的塑性變形能力(良好的塑性)。

(4)特有的金屬光澤。由于金屬中的自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到其表面的光能，因此金屬不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。

4.分子鍵

有些物質(zhì)的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而分子的另一部分帶有負(fù)電荷。一個(gè)分子的正電荷部位與另一分子的負(fù)電荷部位間以微弱靜電引力相吸引而結(jié)合在一起的鍵稱為范德華鍵(或分子鍵)。分子晶體因其結(jié)合鍵能很低，所以其熔點(diǎn)很低，硬度也低。此類結(jié)合鍵無自由電子，所以絕緣性良好。

1.1.2工程材料的鍵性

材料的結(jié)合鍵類型不同，則其性能不同。常見結(jié)合鍵的特性見表1-1。實(shí)際中使用的工程材料，有的是單純的一種鍵，而更多的是幾種鍵的結(jié)合。

表1-1常見結(jié)合鍵的特性

1.金屬材料

絕大多數(shù)金屬材料的結(jié)合鍵是金屬鍵，少數(shù)具有共價(jià)鍵(如灰錫)和離子鍵(如金屬間化合物Mg3Sb2)。所以金屬材料的金屬特性特別明顯。

2.陶瓷材料

陶瓷材料的結(jié)合鍵是離子鍵和共價(jià)鍵，大部分材料以離子鍵為主。所以陶瓷材料具有較高的熔點(diǎn)和硬度，但脆性較大。

3.高分子材料

高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵和分子鍵，即分子內(nèi)靠共價(jià)鍵結(jié)合，分子間靠分子鍵結(jié)合。雖然分子鍵的作用力很弱，但由于高分子材料的分子很大，因此大分子間的作用力也較大，所以高分子材料也具有較好的力學(xué)性能。

如果以四種鍵為頂點(diǎn)作一個(gè)四面體，就可以把材料結(jié)合鍵的范圍示意性地表示在這個(gè)四面體上，如圖1-4所示。

圖1-4結(jié)合鍵四面體

1.1.3晶體與非晶體

材料按照結(jié)合鍵以及原子或分子的大小不同可在空間組成不同的排列類型，即不同的結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)不同，則性能不同；材料的種類和結(jié)合鍵都相同，但原子排列的結(jié)構(gòu)不同，其性能也有很大的差別。通常按原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列規(guī)則性將物質(zhì)分為晶體和非晶體兩類。

1.晶體

所謂晶體，是指原子在其內(nèi)部沿三維空間呈周期性重復(fù)排列的一類物質(zhì)。幾乎所有金屬、大部分的陶瓷以及部分聚合物在其凝固后都具有晶體結(jié)構(gòu)。

晶體的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)有序；物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；有固定的熔點(diǎn)；在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。

2.非晶體

所謂非晶體，是指原子在其內(nèi)部沿三維空間呈紊亂、無序排列的一類物質(zhì)。典型的非晶體材料是玻璃。雖然非晶體在整體上是無序的，但在很小的范圍內(nèi)原子排列還是有一定規(guī)律性的，所以原子的這種排列規(guī)律又稱“短程有序”；而晶體中原子排列的規(guī)律性又可稱為“長程有序”。

非晶體的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)無序；物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；沒有固定的熔點(diǎn)；熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))和熱膨脹性?。辉谙嗤瑧?yīng)力作用下，非晶體的塑性形變大；組成非晶體的化學(xué)成分變化范圍大。

3．晶體與非晶體的轉(zhuǎn)化

非晶體的結(jié)構(gòu)是短程有序，即在很小的尺寸范圍內(nèi)存在著有序性；而晶體內(nèi)部雖存在著長程有序結(jié)構(gòu)，但在小范圍內(nèi)仍存在缺陷，即在很小的尺寸范圍內(nèi)存在著無序性。所以兩種結(jié)構(gòu)尚存在共同點(diǎn)。物質(zhì)在不同條件下，既可形成晶體結(jié)構(gòu)，又可形成非晶體結(jié)構(gòu)，如玻璃經(jīng)適當(dāng)熱處理也可形成晶體玻璃，而金屬液體在高速冷卻條件下(＞107℃／s)可以得到非晶體金屬。

有些物質(zhì)可看成是有序與無序的中間狀態(tài)，如塑料、液晶、準(zhǔn)晶等。

1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)

圖1-5(a)所示。這種模型的立體感強(qiáng)、很直觀，但由于鋼球密密麻麻地堆垛一起，因此很難看清內(nèi)部原子排列的規(guī)律和特點(diǎn)。為了便于分析各種晶體中原子排列的規(guī)律性，常以通過各原子中心的一些假想連線來描繪其三維空間的幾何排列形式，如圖1-5(b)所示。各連線的交點(diǎn)稱做“結(jié)點(diǎn)”，表示各原子的中心位置。這種用以描述晶體中原子排列的空間格架稱為空間點(diǎn)陣或晶格。由于晶格中原子排列具有周期性的特點(diǎn)，為了簡便起見，我們可從其晶格中選取一個(gè)最基本的幾何單元來表達(dá)晶體規(guī)則排列的形式特征，如圖1-5(c)所示。組成晶格的這種最基本的幾何單元稱為晶胞，晶胞的大小和形狀常以晶胞的棱邊長度a、b、c和棱邊間相互夾角α、β、γ表示，其中a、b、c為晶格常數(shù)。

圖1-5立方晶體球體幾何模型、晶格和晶胞示意圖(a)晶體中金屬原子的排列；(b)金屬的晶格；(c)晶胞及晶格常數(shù)的表示方法

1.2.1典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)

自然界中的各種晶體物質(zhì)，或其晶格形式不同，或其晶格常數(shù)不同，這主要與其原子構(gòu)造及原子間的結(jié)合力的性質(zhì)有關(guān)。對于金屬晶體來說，其原子結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是：價(jià)電子數(shù)少，一般為1～2個(gè)，最多不超過4個(gè)，與原子核間的結(jié)合力弱，很容易脫離原子核的束縛而成為自由電子，自由電子穿梭于各離子之間作高速運(yùn)動(dòng)，形成電子云；而貢獻(xiàn)出價(jià)電子的原子成為正離子。

1.體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞模型如圖1-6(a)所示,其晶胞是一個(gè)立方體，晶胞的三個(gè)棱邊長度a=b=c(通常只用一個(gè)晶格常數(shù)a表示即可)，三個(gè)棱之間夾角均為90°。在體心立方晶胞的每個(gè)角上和晶胞中心都排列有一個(gè)原子(圖1-6(b))，每個(gè)角上的原子屬于8個(gè)晶胞所共有，故只有1/8的原子屬于這個(gè)晶胞，晶胞中心的原子完全屬于這個(gè)晶胞，所以體心立方晶胞中屬于單個(gè)晶胞的原子數(shù)為８×1/8+1=2個(gè)(圖1-6(c))。在體心立方晶胞中，只有沿立方體對角線方向，原子是相互緊密地接觸排列的，體對角線長度為，它與4個(gè)原子半徑的長度相等，所以體心立方晶格的原子半徑為

(圖1-7)。

圖1-6體心立方晶胞模型(a)質(zhì)點(diǎn)模型；(b)鋼球模型；(c)晶胞原子數(shù)

具有體心立方晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W、β-Ti等。

圖1-7體心立方晶胞原子半徑的計(jì)算示意

2.面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞模型如圖1-8所示，其晶胞也是一個(gè)立方體，晶格常數(shù)用a表示。在面心立方晶格的每個(gè)角上和晶胞的六個(gè)表面的中心都排列有一個(gè)原子，每個(gè)角上的原子屬于8個(gè)晶胞所共有，每個(gè)晶胞實(shí)際占該原子的1/8，而位于6個(gè)面中心的原子同時(shí)屬于相鄰的兩個(gè)晶胞所共有，所以每個(gè)晶胞只分到面心原子的1/2，因此面心立方晶胞中屬于單個(gè)晶胞的原子數(shù)為8×1/8+6×1/2=4個(gè)。

在面心立方晶胞中，只有沿晶胞6個(gè)表面的對角線方向，原子是互相緊密地接觸排列的，面對角線的長度為，它與4個(gè)原子半徑的長度相等，所以面心立方晶格的原子半徑為。

具有面心立方晶格的金屬有γ-Fe、Cu、Ni、Al、A8、Au、Pb、Pt、β-Co等。

圖1-8面心立方晶胞模型(a)質(zhì)點(diǎn)模型；(b)鋼球模型；(c)晶胞原子數(shù)

3.密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞模型如圖1-9所示。在晶胞的12個(gè)角上各有一個(gè)原子，構(gòu)成六方柱體，上、下底面的中心各有一個(gè)原子，晶胞內(nèi)還有3個(gè)原子。晶胞中的原子數(shù)可參照圖1-9(c)計(jì)算如下：六方柱每個(gè)角上的原子均屬于6個(gè)晶胞所共有，上、下底面中心的原子同時(shí)為兩個(gè)晶胞所共有，再加上晶胞內(nèi)的3個(gè)原子，故密排六方晶胞中屬于單個(gè)晶胞的原子數(shù)為12×1/6+2×1/2+3=6個(gè)。

圖1-9密排六方晶胞模型(a)質(zhì)點(diǎn)模型；(b)鋼球模型；(c)晶胞原子數(shù)

密排六方晶胞的晶格常數(shù)有兩個(gè)：正六邊形的邊長a和上、下兩底面之間的距離(柱體高度)c。c/a稱為軸比，在典型的密排六方晶格中， 。

對于典型的密排六方晶格金屬，相互相鄰的兩個(gè)原子緊密地接觸排列，長度為a，等于兩個(gè)原子的半徑，所以密排六方晶格的原子半徑為r=a/2。具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti、α-Co等。

1.2.2典型晶格的配位數(shù)和致密度

金屬晶體的一個(gè)特點(diǎn)是趨于最緊密的排列，所以晶格中原子排列的緊密程度是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。通常用配位數(shù)和致密度這兩個(gè)參數(shù)來表征。

1.配位數(shù)

配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)中與任意一個(gè)原子周圍最近鄰且等距離的原子的數(shù)目。配位數(shù)越大，晶體中原子排列就越緊密。

在體心立方晶格中，以立方體中心的原子來看(圖1-6)，與其最近鄰等距離的原子是周圍頂角上的8個(gè)原子，所以體心立方晶格的配位數(shù)為8。在面心立方晶格中，以面中心的原子來看(圖1-8)，與之最近鄰的是它周圍頂角上的4個(gè)原子，這5個(gè)原子構(gòu)成一個(gè)平面，這樣的平面共有3個(gè)，且這3個(gè)平面彼此相互垂直，結(jié)構(gòu)形式相同，所以與該原子最近鄰等距離的原子共有3×4=12個(gè)，因此面心立方晶格的配位數(shù)為12。在典型的密排六方晶格中，原子鋼球十分緊密地堆垛排列，以晶胞上底面中心的原子為例，它不僅與周圍6個(gè)角上的原子相接觸，而且與其下面的3個(gè)位于晶胞之內(nèi)的原子以及與其上面相鄰晶胞內(nèi)的3個(gè)原子相接觸(圖1-9)，故配位數(shù)為12。

2.致密度

在球體幾何模型中，若把原子看做剛性圓球，那么原子與原子結(jié)合時(shí)之間必然存在空隙。晶體中原子排列的緊密程度可用原子所占體積與晶體體積的比值來表示，稱之為晶體的致密度或密集系數(shù)，可用下式表示：

（1-1）

式中，K為晶體的致密度;n為一個(gè)晶胞實(shí)際包含的原子數(shù);V1為一個(gè)原子的體積;V為晶胞的體積。體心立方晶格的晶胞中包含2個(gè)原子，晶胞的棱邊長度(晶格常數(shù))為a，原子半徑為 ，其致密度為

此值表明，在體心立方晶格中，有68%的體積為原子所占有，其余32%的為間隙體積。晶體的致密度越大，晶體原子排列密度越高，原子結(jié)合越緊密。已知面心立方晶格的晶胞中包含有4個(gè)原子，晶胞的棱邊長度(晶格常數(shù))為a，原子半徑為，由此可計(jì)算出它的致密度為

同理，對于典型的密排六方晶格金屬，晶胞中的原子數(shù)為6，其原子半徑為r=a/2，則致密度為

三種典型金屬晶格的計(jì)算數(shù)據(jù)如表1-2所示。由表列數(shù)據(jù)可見，不論從配位數(shù)還是致密度來看，面心立方晶格和密排六方晶格的原子排列都是最緊密的，在所有晶體結(jié)構(gòu)中屬最密排排列方式；體心立方晶格次之，屬次密排排列方式。

表1-2三種典型晶格的數(shù)據(jù)

1.2.3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.多晶體結(jié)構(gòu)和亞結(jié)構(gòu)

如前所述，實(shí)際金屬多晶體是由許多小的、位向不一致的單晶體(晶粒)所組成的(圖1-10)。通常，把這種外形不規(guī)則的小晶體稱做晶粒，晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。多晶體由于各個(gè)晶粒的各向異性相互抵消，一般測不出其像在單晶體中那樣的各向異性，而顯示出的是各向同性。這即是上述體心立方鐵的彈性模量E不論從何種位向取樣，都是210000MPa的原因。如果對多晶體金屬進(jìn)行單向壓力變形(如冷軋、冷拔)，使晶粒及夾雜物的位向趨于一致，并成為明顯的帶狀組織，這樣才能體現(xiàn)出其各向異性。

圖1-10單晶體與多晶體的結(jié)構(gòu)(a)單晶體示意圖；(b)多晶體示意圖；(c)多晶體純鐵在顯微鏡下的組織

實(shí)踐證明，在多晶體的每個(gè)晶粒內(nèi)部實(shí)際上也并不像理想單晶體那樣晶格位向完全一致，而是存在著許多尺寸更小，位向差也很小(一般是10′～20′左右，最大為1°～2°)的小晶塊。它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些在晶格位向上彼此有微小差別的晶內(nèi)小區(qū)域稱為亞結(jié)構(gòu)或嵌鑲塊。因其尺寸很小，只有在高倍顯微鏡或電子顯微鏡下才能觀察到。

2.實(shí)際金屬晶體缺陷

實(shí)際金屬是多晶體結(jié)構(gòu)，晶粒內(nèi)存在著亞結(jié)構(gòu)。同時(shí)，由于結(jié)晶條件等原因，會(huì)造成晶體內(nèi)部某些局部區(qū)域原子排列的規(guī)則性受到干擾而破壞，因此不像理想晶體那樣規(guī)則和完整。通常把這種偏離理想狀態(tài)的區(qū)域稱為晶體缺陷或晶格缺陷。這種局部存在的晶體缺陷對金屬性能影響很大，按晶體缺陷的幾何形態(tài)特征可分為以下三類。

1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷的空間三維尺寸都很小，相當(dāng)于原子尺寸的缺陷，包括空位、間隙原子和置換原子等。在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)若未被原子所占據(jù)則會(huì)形成空位?？瘴皇且环N平衡含量極小的熱平衡缺陷，隨晶體溫度的升高，空位的平衡含量也會(huì)隨之提高。晶體中有些原子不占有正常的晶格結(jié)點(diǎn)位置，而處于晶格間隙中，它們被稱為間隙原子。同類原子晶格不易形成間隙原子，異類間隙原子大多數(shù)是原子半徑很小的原子，如鋼中的氫、氮、碳、硼等。

圖1-11點(diǎn)缺陷示意圖

2）線缺陷

線缺陷的空間三維、二維尺寸很小，在原子尺寸范圍內(nèi)，一維尺寸是相對很大的缺陷，屬于這一類缺陷的主要是位錯(cuò)。

位錯(cuò)是晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。它可看做是晶體中一部分晶體相對于另一部分晶體產(chǎn)生局部滑移而造成的，滑移部分與未滑移部分的交界線即為位錯(cuò)線。晶體中位錯(cuò)的基本類型有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種。刃型位錯(cuò)模型如圖1-12所示，即某一原子面在晶體內(nèi)部中斷，如用一把鋒利的鋼刃切入晶體沿切口插入一額外半原子面一樣，刃口處的原子列即為刃型位錯(cuò)線；螺型位錯(cuò)模型如圖1-13所示，相當(dāng)于鋼刃切入晶體后，被切的上下兩部分沿刃口相對錯(cuò)動(dòng)了一個(gè)原子間距，上下兩層相鄰原子發(fā)生了錯(cuò)排和不對齊的現(xiàn)象。沿刃口的錯(cuò)排原子被扭曲成了螺旋形即為螺型位錯(cuò)線。無論是刃型位錯(cuò)還是螺型位錯(cuò)，沿位錯(cuò)線周圍的原子排列都偏離了平衡位置，產(chǎn)生晶格畸變。

圖1-12刃型位錯(cuò)示意圖(a)立體模型；（b)平面模型

圖1-13螺型位錯(cuò)示意圖

(a)立體模型；(b)平面模型

金屬晶體中往往存在大量的位錯(cuò)線，通常用位錯(cuò)密度ρ來表示：

（1-2）

式中，ρ為位錯(cuò)密度（cm/cm3或cm-2）；∑L為體積V內(nèi)位錯(cuò)線的總長度(cm)；V為晶體體積(cm3)。一般經(jīng)適當(dāng)退火的金屬，其位錯(cuò)密度ρ≈105～108cm-2；而經(jīng)過劇烈冷變形的金屬，其位錯(cuò)密度可增至1010～1012cm-2。位錯(cuò)對金屬的力學(xué)性能產(chǎn)生極大的影響。如圖1-14所示，當(dāng)金屬為理想晶體(無缺陷)或僅含少量位錯(cuò)時(shí)，金屬屈服點(diǎn)σs很高，隨位錯(cuò)密度的增加,σs逐漸降低，當(dāng)對金屬進(jìn)行冷變形加工時(shí)，位錯(cuò)密度大大增加,σs也隨之增加。圖1-14金屬強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系示意圖

3)面缺陷

面缺陷的空間三維、一維尺寸很小，在原子尺寸范圍內(nèi)，二維尺寸是相對很大的缺陷，這一類缺陷包括晶界和相界、嵌鑲結(jié)構(gòu)和亞晶界以及孿晶界等。這里主要介紹晶界、亞晶界和嵌鑲結(jié)構(gòu)。實(shí)際金屬是多晶體，且各晶粒間位向不同，因此晶界處原子排列的規(guī)律性受到破壞。晶界實(shí)際上是不同位向晶粒之間原子排列無規(guī)則的過渡層；亞晶界同樣是小區(qū)域的原子排列無規(guī)則的過渡層。過渡層中晶格產(chǎn)生的畸變?nèi)鐖D1-15所示。相界是具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面，相界面上的原子偏離平衡位置而產(chǎn)生畸變。

圖1-15過渡層晶格畸變示意圖(a)晶界；(b)亞晶界

在常溫下，晶界對塑性變形起了阻礙作用，晶粒愈細(xì)，晶界就愈多，它對于塑性變形的阻礙作用愈大。因此，細(xì)晶粒的金屬材料便具有較高的強(qiáng)度和硬度。

晶界的特殊結(jié)構(gòu)不但影響金屬的機(jī)械性能，而且由于其晶格歪扭很明顯，致使其晶界能也較高。因此，金相試片受腐蝕時(shí)，致使其晶界很易受腐蝕；金屬相變時(shí)，在晶界處首先形成晶核；原子在晶界的擴(kuò)散也較在晶內(nèi)快些；晶體受外力作用時(shí)，晶體滑移變得困難，等等。如果我們用電子顯微鏡或X-射線觀察分析多晶體中的每一個(gè)晶粒，則可觀察到，每個(gè)晶粒內(nèi)部都是由許多位向差很小(一般只有幾十分到1°～2°)的小晶塊拼湊而成的(圖1-16)，這些小晶塊稱為嵌鑲塊(或稱亞晶粒)。嵌鑲塊的尺寸為10-3～10-8cm。晶粒內(nèi)部的這種結(jié)構(gòu)叫做嵌鑲結(jié)構(gòu)。

兩相鄰嵌鑲塊之間的邊界稱為亞晶界，它實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所形成的小角度晶界。亞晶界處原子排列是不規(guī)則的，并且晶格發(fā)生歪扭。因此，亞晶界與晶界的作用相類似，也對金屬的機(jī)械性能產(chǎn)生影響。

圖1-16嵌鑲塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.3合金的相結(jié)構(gòu)

1.3.1合金的基本概念

合金是在金屬中加入一種或幾種（金屬或非金屬）元素后，熔合而成為具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。如在鐵中加碳熔煉成的鋼鐵，在銅中加鋅而熔合成的黃銅等，都是機(jī)械工程上常用的合金材料。純金屬的機(jī)械性能、工藝性能和物理化學(xué)性能常常不能滿足工程上的要求，且因提煉價(jià)格昂貴，故在機(jī)械工程中廣泛采用合金，尤其是鐵碳合金。

研究合金時(shí)常用到下列術(shù)語，在這里作以下說明。組元：組成合金的獨(dú)立物質(zhì)稱組元。一般情況下即指組成該合金的元素，如黃銅的組元是銅和鋅。但在一定條件下較穩(wěn)定的化合物也可看做組元，如鋼鐵中的Fe3C。

系：由若干給定組元可以配制出一系列成分不同的合金，這一系列合金就構(gòu)成了一個(gè)合金系統(tǒng)，稱為合金系。按照組成合金組元數(shù)的不同，合金系也可分為二元系、三元系等。相：金屬或合金中，凡化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)都相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分，稱為相。如純鐵在常溫下是由單相的α-Fe組成，而鐵中加入碳之后，鐵與碳相互作用出現(xiàn)了一個(gè)新的強(qiáng)化相Fe3C。

此外，研究合金時(shí)還常常提到組織組成物這一概念，它是指組成合金顯微組織的獨(dú)立部分。如鐵中含碳量達(dá)0.77％時(shí)，其平衡組織由鐵素體F(碳溶入α-Fe中形成的固溶體)和Fe3C隔片組成，稱珠光體。而珠光體則是由固溶體F相和金屬化合物Fe3C相組成的。

1.3.2合金的相結(jié)構(gòu)

1.固溶體

金屬在固態(tài)下因具有溶解某些元素的能力，從而形成一種成分和性質(zhì)均勻的固態(tài)合金稱為固溶體。同溶液一樣，固溶體也有溶劑與溶質(zhì)之分。固溶體的晶格結(jié)構(gòu)與兩組元之一的晶格結(jié)構(gòu)相同，被保持晶格的元素稱為溶劑，溶入溶劑的元素稱為溶質(zhì)。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的分布狀況，固溶體主要包括置換固溶體和間隙固溶體兩種形式。

1）置換固溶體

在溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)上，其原子被溶質(zhì)原子所替代而形成的固溶體稱為置換固溶體(圖1-17和圖1-18(a))。

圖1-17置換固溶體結(jié)構(gòu)立體示意圖

圖1-18固溶體結(jié)構(gòu)平面示意圖

(a)置換固溶體；(b)間隙固溶體

大多數(shù)元素如Si、Mn、Cr、Ni等均可溶入α-Fe或γ-Fe中形成置換固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度取決于二者原子直徑的差別和在周期表中相互位置的距離。兩元素的原子直徑差愈小，在周期表中的位置愈靠近，其相互間的溶解度就愈大。若溶劑和溶質(zhì)的晶格類型也相同，則這些元素間往往能以任何比例相互溶解而形成無限固溶體，如Cr、Ni便能和Fe形成這一類型的固溶體。反之，若兩個(gè)元素之間的相互溶解度有一定的限度，則會(huì)形成有限固溶體，如Si溶于Fe則會(huì)形成此種固溶體。

2）間隙固溶體不論何種形式的晶格，其原子與原子之間總有一些空隙存在。直徑較大的原子所組成的晶格，其空隙的尺寸也較大，有時(shí)能容納一些尺寸較小的原子，由這種溶解方式形成的固溶體稱為間隙固溶體，如圖1-18(b)所示。顯然，這種固溶體能否形成主要由溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸來決定。實(shí)驗(yàn)證明，二者直徑之比，即d質(zhì)/d劑≤0.59即可。當(dāng)然，除了溶劑晶格中必須有足夠大的間隙，溶質(zhì)原子直徑應(yīng)足夠小之外，是否能形成間隙固溶體還同元素本身的性質(zhì)有密切關(guān)系。一般說來，當(dāng)過渡族元素為溶劑時(shí)與尺寸較小的元素(C、H、N、B等)易形成間隙固溶體。

3）固溶體的溶解度及對性能的影響在間隙固溶體的溶劑晶格中，溶質(zhì)原子溶入愈多，晶格扭曲愈嚴(yán)重，所以當(dāng)溶劑晶格的間隙被填滿到一定程度后，就不能再繼續(xù)溶解。因此，凡是間隙固溶體必然是有限固溶體。但若溫度升高，晶格間隙隨之增大，溶質(zhì)在溶劑中的溶解度也會(huì)隨之增加；反之則降低。所以在高溫時(shí)已達(dá)飽和的有限固溶體，在其冷卻時(shí)，由于溶解度的降低，常會(huì)從固溶體中析出其他的相。

工程上常用的金屬材料中，固溶體占有非常重要的地位，它們可以是合金中唯一的相，也可以是合金中的基本相。無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸變（圖1-19），阻礙了晶體的滑移，從而使合金固溶體的強(qiáng)度和硬度得到提高，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化，如圖1-20所示。

圖1-19溶質(zhì)原子對晶格畸變影響示意圖

(a)、(b)置換固溶體的晶格畸變；(c)間隙固溶體的晶格畸變

圖1-20還反映了與鐵的原子半徑差愈大，在元素周期表位置上與鐵距離愈遠(yuǎn)的元素，對鐵固溶強(qiáng)化的能力也愈大這樣的一個(gè)趨勢。固溶強(qiáng)化已在工程上被廣泛地用來強(qiáng)化金屬材料。圖1-21所示的是當(dāng)合金元素溶入鐵中形成置換固溶體時(shí)對晶格常數(shù)的影響。

圖1-20合金元素溶于鐵中對其抗拉強(qiáng)度的影響

圖1-21合金元素溶于鐵中形成置換固溶體時(shí)的晶格常數(shù)變化

2.金屬化合物

當(dāng)組成合金的各元素之間的化學(xué)性質(zhì)存在差別，且原子直徑不同時(shí)，則能按一定組成形成金屬化合物。金屬化合物的晶格類型與組成化合物各組元的晶格類型完全不同，其性能的差別也很大。例如，鋼中的滲碳體(Fe3C)是由75％鐵原子和25％碳原子所形成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的斜方晶格，既不同于鐵的體心立方晶格，也不同于石墨的六方晶格類型。

化合物的種類較多，其晶格類型既有簡單的，也有復(fù)雜的。根據(jù)化合物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，常分為如下三類。

1）正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物是由元素周期表上相距較遠(yuǎn)而電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素形成的。它們的特征是嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律，因而這類化合物對其兩個(gè)組元幾乎沒有溶解度，其成分可用化學(xué)式來表示,如Mg2Si、ZnS等。正常價(jià)化合物一般具有較高的硬度和較大的脆性。在工業(yè)合金中只有少數(shù)的合金系才能形成這類化合物。

2）電子化合物電子化合物與正常價(jià)化合物不同，它不遵守一般的化合價(jià)規(guī)律。但是，如果將這類化合物的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比值(該比值稱為電子濃度)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，仍會(huì)發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律，總結(jié)如下：

(1)凡電子濃度為3／2的電子化合物，皆具有體心立方晶格，習(xí)慣上稱為β相，如CuZn、Cu5Sn、NiAl、FeAl等；(2)凡電子濃度為21／13的電子化合物，皆具有復(fù)雜立方晶格，稱為γ相，如Cu5Zn8、Cu31Zn8等；

（3)凡電子濃度為7／4的電子化合物，皆具有密排六方晶格，稱ε相，如CuZn3、Cu3Sn等。

3）間隙化合物

間隙化合物是由過渡族金屬元素(Fe、Cu、Mn、Mo、W、V等)和原子直徑很小的類金屬元素(C、N、H、B)形成的。最常見的間隙化合物是金屬的碳化物、氮化物、硼化物等。

凡原子半徑比值rX/rM(M代表金屬、X代表類金屬)不超過0.59者均能形成簡單形式的晶格，如VC、TiN、TiC、NbC、Fe4N等(圖1-22(a))，也稱其為間隙相。當(dāng)rX/rM>0.59時(shí)，由于尺寸因素的關(guān)系不利于形成上述簡單而對稱性高的晶格，于是形成了具有復(fù)雜晶格的化合物，如Fe3C則構(gòu)成了復(fù)雜的斜方晶格(圖1-22(b))，需要區(qū)別的是固溶體中早期析出的Fe2-3C又稱為ε碳化物，具有密排六方晶格。圖1-22間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)

(a)間隙相VC的晶體結(jié)構(gòu)；(b)間隙化合物Fe3C晶體結(jié)構(gòu)

1.4高聚物

高分子合成材料是分子量很大的材料，它是由許多單體(低分子)用共價(jià)鍵連接(聚合)起來的大分子化合物。所以高分子又稱大分子，高分子化合物又稱高聚物或聚合物。例如，聚氯乙烯就是由氯乙烯聚合而成。把彼此能相互連接起來而形成高分子化合物的低分子化合物(如氯乙烯)稱為單體，而所得到的高分子化合物(如聚氯乙烯)就是高聚物。組成高聚物的基本單元稱為鏈節(jié)。若用n值表示鏈節(jié)的數(shù)目，則n值愈大，高分子化合物的分子量M也愈大，即M=n×m(m為鏈節(jié)的分子量，n為聚合度)。整個(gè)高分子鏈就相當(dāng)于由幾個(gè)鏈節(jié)按一定方式重復(fù)連接起來，成為一條細(xì)長鏈條。高分子合成材料大多數(shù)是以碳和碳結(jié)合為分子主鏈，即分子主干是由眾多的碳原子相互排列成長長的碳鏈，兩旁再配以氫、氯、氟或其他分子團(tuán)，或配以另一較短的支鏈，使分子成交叉狀態(tài)而構(gòu)成的。分子鏈和分子鏈之間依賴分子間的作用力而連接。

從分子結(jié)構(gòu)式中可以發(fā)現(xiàn)高分子化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有以下三個(gè)特點(diǎn)：

(1)高分子化合物的分子量雖然十分巨大，但它們的化學(xué)組成一般都比較簡單，和有機(jī)化合物一樣，僅由幾種元素所組成。

(2)高分子化合物的結(jié)構(gòu)像一條長鏈，在這個(gè)長鏈中含有許多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元，這種重復(fù)單元叫“鏈節(jié)”。也就是說，高分子化合物的分子是由許許多多結(jié)構(gòu)相同的鏈節(jié)所組成的。

(3)高分子化合物的鏈節(jié)與鏈節(jié)之間，和鏈節(jié)內(nèi)各原子之間一樣，也是以共價(jià)鍵結(jié)合的，即組成高分子鏈的所有原子之間的結(jié)合鍵都是共價(jià)鍵。

1.4.1高聚物的結(jié)構(gòu)

1.均聚物

均聚物只含有一種單鏈節(jié)，若干個(gè)鏈節(jié)用共價(jià)鍵按一定方式重復(fù)連接起來，像一根又細(xì)又長的鏈子一樣。均聚物的結(jié)構(gòu)在拉伸狀態(tài)或在低溫下易呈直線形狀(圖1-23(a))，而在較高溫度或稀溶液中，則易呈蜷曲狀。其特點(diǎn)是可溶，即它可以溶解在一定的溶液之中，加熱時(shí)可以熔化?；谶@一特點(diǎn)，線型高聚物結(jié)構(gòu)的聚合物易于加工，可以反復(fù)應(yīng)用。一些合成纖維、熱塑性塑料(如聚氯乙烯、聚苯乙烯等)就屬于這一類。

圖1-23均聚物結(jié)構(gòu)示意圖(a)線型結(jié)構(gòu)；(b)支鏈型結(jié)構(gòu)；(c)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

支鏈型高聚物的結(jié)構(gòu)好像一根“節(jié)上小枝”的枝干一樣(圖1-23(b))，主鏈較長，支鏈較短，其性質(zhì)和線型高聚物結(jié)構(gòu)基本相同。

網(wǎng)狀高聚物是在一根根長鏈之間有若干個(gè)支鏈把它們交聯(lián)起來，構(gòu)成一種網(wǎng)狀形狀。如果這種網(wǎng)狀的支鏈向空間發(fā)展的話，便得到體型高聚物結(jié)構(gòu)(圖1-23(c))。這種高聚物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：在任何情況下都不熔化，也不溶解。成型加工只能在形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之前進(jìn)行，一經(jīng)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，就不能再改變其形狀。這種高聚物在保持形狀穩(wěn)定、耐熱及耐溶劑作用方面有其優(yōu)越性。熱固性塑料(如酚醛、脲醛等塑料)就屬于這一類。

2.共聚物

共聚物是由兩種以上不同的單體鏈節(jié)聚合而成的。由于各種單體的成分不同，共聚物的高分子排列形式也多種多樣，可歸納為無規(guī)則型、交替型、嵌段型和接枝型。若將M1和M2兩種不同結(jié)構(gòu)的單體分別以有斜線的圓圈和空白圓圈表示,則共聚物的四種高分子結(jié)構(gòu)可以用圖1-24表示。

圖1-24共聚物結(jié)構(gòu)示意圖

無規(guī)則型共聚物是M1、M2兩種不同單體在高分子長鏈中呈無規(guī)則排列；交替型共聚物是M1、M2單體有規(guī)則地交替排列在高分子長鏈中；嵌段型共聚物是M1聚合片段和M2聚合片段彼此交替連接；接枝型共聚物是M1單體連接成主鏈，又連接了不少M(fèi)2單體組成的支鏈。

共聚物在實(shí)際應(yīng)用中具有十分重要的意義。因?yàn)楣簿畚锬軐煞N或多種自聚的特性綜合到一種聚合物中，因此,有人把共聚物稱為非金屬的“合金”。例如ABS樹脂是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三元共聚物，它具有較好的耐沖擊、耐熱、耐油、耐腐蝕及易加工等性能。

2高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高聚物材料本體內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)，也稱為超分子結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用的高聚物材料或制品，都是由許多大分子鏈聚集在一起的，所以高聚物材料的性能不僅與高分子的分子量和大分子鏈結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與高聚物的聚集狀態(tài)有直接關(guān)系。高聚物按照大分子排列是否有序，可分為結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)兩類。結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列規(guī)則有序；非結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列雜亂不規(guī)則。結(jié)晶態(tài)聚合物由晶區(qū)(分子有規(guī)則緊密排列的區(qū)域)和非晶區(qū)(分子處于無序狀態(tài)的區(qū)域)組成,如圖1-25所示。

高聚物部分結(jié)晶的區(qū)域稱為微晶，通常將微晶的多少稱為結(jié)晶度。一般結(jié)晶態(tài)高聚物的結(jié)晶度為50％～80％。

圖1-25高聚物的晶區(qū)與非晶區(qū)示意圖

非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)過去一直認(rèn)為其大分子排列是雜亂無章、相互穿插交纏的。近來研究發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)只在大距離范圍內(nèi)是無序的，小距離范圍內(nèi)是有序的，即遠(yuǎn)程無序。

晶態(tài)與非晶態(tài)結(jié)構(gòu)均影響高聚物的性能。結(jié)晶使分子排列緊密，分子間作用力增大，所以使高聚物的密度、強(qiáng)度、硬度、剛度、熔點(diǎn)、耐熱性、耐化學(xué)性、抗液體及氣體透過性等性能有所提高；而依賴鏈運(yùn)動(dòng)的有關(guān)性能，如彈性、塑性和韌性較低。

1.5陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

1.5.1離子型晶體陶瓷

屬于離子型晶體陶瓷的種類很多，主要有：圖1-1所示的NaCl結(jié)構(gòu)，具有這類結(jié)構(gòu)的陶瓷有MgO、NiO、FeO等；圖1-26所示的CaF2結(jié)構(gòu)，具有這類結(jié)構(gòu)的陶瓷有ZrO2、VO2、ThO2等；圖1-27所示的剛玉型結(jié)構(gòu)，具有這類結(jié)構(gòu)的陶瓷主要有Al2O3、Cr2O3等；圖1-28所示的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，具有這類結(jié)構(gòu)的陶瓷有CaTiO3、BaTiO3、PbTiO3等。

圖1-26

CaF2結(jié)構(gòu)

圖1-27

Al2O3結(jié)構(gòu)(a)Al2O3結(jié)構(gòu)；(b)Cr2O3結(jié)構(gòu)

圖1-28鈣鈦礦結(jié)構(gòu)

1.5.2共價(jià)型晶體陶瓷

共價(jià)型晶體陶瓷多屬于金剛石結(jié)構(gòu)，如圖1-29所示，或者是由其派生出的結(jié)構(gòu)，如SiC結(jié)構(gòu)(圖1-30)和SiO2結(jié)構(gòu)(圖1-31)。圖1-29金剛石結(jié)構(gòu)(a)晶胞；(b)原子在晶胞底面上的投影

圖1-30

SiC結(jié)構(gòu)

圖1-31

SiO2結(jié)構(gòu)

1.6工程材料的性能

工程材料具有許多良好的性能，因此被廣泛地應(yīng)用于制造各種構(gòu)件、機(jī)械零件、工具和日常生活用具等。為了正確地使用工程材料，應(yīng)充分了解和掌握材料的性能。通常所說工程材料的性能有兩個(gè)方面的意義：一是材料的使用性能，指材料在使用條件下表現(xiàn)出的性能，如強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能，耐蝕性、耐熱性等化學(xué)性能以及聲、光、電、磁等物理性能；二是材料的工藝性能，指材料在加工過程中表現(xiàn)出的性能，如冷熱加工、壓力加工性能，焊接性能、鑄造性能、切削性能等等。工程材料是材料科學(xué)的應(yīng)用部分，主要討論結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，闡述結(jié)構(gòu)材料的組織、成分和性能的相互影響規(guī)律，解答工程應(yīng)用問題。

工程材料的力學(xué)性能亦稱為機(jī)械性能，是指材料抵抗各種外加載荷的能力，包括彈性與剛度、強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度等。外力即載荷，常見的各種外載荷形式如圖1-32所示。

圖1-32常見的各種外載荷的形式(a)拉伸載荷；(b)壓縮載荷；(c)彎曲載荷；(d)剪切載荷；(e)扭轉(zhuǎn)載荷

1.6.1金屬材料的拉伸性能

在材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上對一截面為圓形的低碳鋼拉伸試樣（圖1-33）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，可得到應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系圖，即拉伸圖。圖1-34是低碳鋼和鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖中的縱坐標(biāo)為應(yīng)力σ（單位為MPa），計(jì)算公式為

（1-3）

橫坐標(biāo)為應(yīng)變ε，計(jì)算公式為

(1-4)式中：P為所加載荷；A0為試樣原始截面積；l0為試樣的原始標(biāo)距長度；l1為試樣變形后的標(biāo)距長度；Δl為伸長量。

圖1-34低碳鋼和鑄鐵的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線

(a)低碳鋼；(b)鑄鐵

1.強(qiáng)度

材料在外力作用下抵抗變形與斷裂的能力稱為強(qiáng)度。根據(jù)外力作用方式的不同，強(qiáng)度有多種指標(biāo)，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度等。其中抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)用最為廣泛。

1）靜載時(shí)的強(qiáng)度

拉伸變形有如下幾個(gè)階段：

oe：彈性變形階段。試樣的變形量與外加載荷成正比，載荷卸掉后，試樣恢復(fù)到原來的尺寸。es：屈服階段。此階段不僅有彈性變形，還發(fā)生了塑性變形。即載荷卸掉后，一部分形變恢復(fù)，還有一部分形變不能恢復(fù)，形變不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。sb：強(qiáng)化階段。為使試樣繼續(xù)變形，載荷必須不斷增加，隨著塑性變形增大，材料變形抗力也逐漸增加。bz：縮頸階段。當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，試樣的直徑發(fā)生局部收縮，稱為“縮頸”。此時(shí)變形所需的載荷逐漸降低。z點(diǎn)：試樣斷裂。試樣在此點(diǎn)發(fā)生斷裂。

（1）彈性與剛度。

在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上，oe段為彈性變形階段，即卸載后試樣恢復(fù)原狀，這種變形稱為彈性變形。e點(diǎn)的應(yīng)力σe稱為彈性極限。彈性極限值表示材料保持彈性變形，不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力，是彈性零件的設(shè)計(jì)依據(jù)。

材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系符合虎克定律：

σ=E·ε

式中，σ為外加的應(yīng)力；ε為相應(yīng)的應(yīng)變；E為彈性模量(MPa)。

式（1－5）可改寫為E=σ/ε，所以彈性模量E是應(yīng)力－應(yīng)變曲線上的斜率。斜率越大，彈性模量越大，彈性變形越不易進(jìn)行。因此，彈性模量E是衡量材料抵抗彈性變形的能力，即表征零件或構(gòu)件保持原有形狀與尺寸的能力，所以也稱做材料的剛度，即材料的彈性模量越大，它的剛度越大。

金屬在彈性變形時(shí)，晶格發(fā)生簡單的彈性歪曲或拉長，由于所加的外力未超過原子間的結(jié)合力，因此當(dāng)外力去除后晶格會(huì)自動(dòng)地恢復(fù)到原來的形狀。金屬彈性模量E的大小主要取決于原子間結(jié)合力的大小，而原子間結(jié)合力的大小又與原子間距有關(guān)，所以單晶體的彈性模量E是有方向的。對于由許多小單晶體（晶粒）雜亂無章排列起來的多晶體，其彈性模量E是許多小單晶體在拉伸方向上的彈性模量的平均值，所以多晶體表現(xiàn)出無方向性。

材料的彈性模量E值是一個(gè)對組織不敏感的性能指標(biāo)，主要取決于原子間的結(jié)合力，與材料本性、晶格類型、晶格常數(shù)有關(guān)，而與顯微組織無關(guān)。因此，一些處理方法(如熱處理、冷熱加工、合金化等)對其影響很小。而零件的剛度大小取決于零件的幾何形狀和材料的種類(即材料的彈性模量)。要想提高金屬制品的剛度，只能是更換金屬材料、改變金屬制品的結(jié)構(gòu)形式或增加截面面積。

（2）屈服強(qiáng)度σs。如圖1－34所示,當(dāng)應(yīng)力超過σe點(diǎn)時(shí)，卸載后試樣的伸長只能部分恢復(fù)。這種不隨外力去除而消失的變形稱為塑性變形。當(dāng)應(yīng)力增加到σs點(diǎn)時(shí)，圖上出現(xiàn)了平臺。這種外力不增加而試樣繼續(xù)發(fā)生變形的現(xiàn)象稱為屈服。材料開始產(chǎn)生屈服時(shí)的最低應(yīng)力σs稱為屈服強(qiáng)度。

工程上使用的材料多數(shù)沒有明顯的屈服現(xiàn)象。這類材料的屈服強(qiáng)度在國標(biāo)中規(guī)定以試樣的塑性變形量為試樣標(biāo)距的0.2％時(shí)的材料所承受的應(yīng)力值來表示，并以符號σ0.2表示。它是F0.2與試樣原始橫截面積A0之比。零（構(gòu)）件在工程中一般不允許發(fā)生塑性變形，所以屈服強(qiáng)度σs是設(shè)計(jì)時(shí)的主要參數(shù)，是材料的重要機(jī)械性能指標(biāo)。

（3）抗拉強(qiáng)度σb。材料發(fā)生屈服后，其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖1－34的sb段，到b點(diǎn),應(yīng)力達(dá)最大值σb，b點(diǎn)以后，試樣的截面產(chǎn)生局限“頸縮”，迅速伸長，這時(shí)試樣的伸長主要集中在縮頸部位，直至拉斷。將材料受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值σb稱為抗拉強(qiáng)度。σb是機(jī)械零（構(gòu)）件評定和選材時(shí)的重要強(qiáng)度指標(biāo)。

σs與σb的比值叫做屈強(qiáng)比，屈強(qiáng)比愈小，工程構(gòu)件的可靠性愈高，即萬一超載也不致于馬上斷裂；若屈強(qiáng)比太小，則材料強(qiáng)度有效利用率也就太低。金屬材料的強(qiáng)度與化學(xué)成分、工藝過程和冷熱加工，尤其是熱處理工藝有密切關(guān)系，如對于退火狀態(tài)的三種鐵碳合金，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.4%、0.6%，則它們的抗拉強(qiáng)度分別為350MPa、500MPa、700MPa。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的鐵碳合金淬火和高溫回火后，抗拉強(qiáng)度可提高到700～800MPa。合金鋼的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000～1800MPa。但銅合金和鋁合金的抗拉強(qiáng)度明顯有所提高，如銅合金的σb達(dá)600～700MPa，鈹銅合金經(jīng)過固溶時(shí)效處理后，σb最高為1250MPa;鋁合金的σb一般為400～600MPa。

2）動(dòng)載時(shí)的強(qiáng)度

動(dòng)載時(shí)最常用的是疲勞強(qiáng)度，它是指在大小和方向重復(fù)循環(huán)變化的載荷作用下材料抵抗斷裂的能力。

許多機(jī)械零件，如曲軸、齒輪、軸承、葉片和彈簧等，在工作中各點(diǎn)承受的應(yīng)力隨時(shí)間作周期性的變化，這種隨時(shí)間作周期性變化的應(yīng)力稱為交變應(yīng)力。在周期交變應(yīng)力作用下，零件所承受的應(yīng)力雖然低于其屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過較長時(shí)間的工作會(huì)產(chǎn)生裂紋或突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為材料的疲勞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有80％以上的機(jī)械零件失效是由疲勞失效造成的。

測定材料疲勞壽命的試驗(yàn)有許多種，最常用的一種是旋轉(zhuǎn)梁試驗(yàn)，試樣在旋轉(zhuǎn)時(shí)交替承受大小相等的交變拉壓應(yīng)力。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可繪成σ－N疲勞曲線（圖1－35），σ為產(chǎn)生失效的應(yīng)力，N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。

圖1－35材料的σ－N曲線

圖1－36所示為中碳鋼和高強(qiáng)度鋁合金的典型σ－N曲線（疲勞曲線）。對于中碳鋼，隨著承受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時(shí)應(yīng)循環(huán)的次數(shù)越少；反之，則循環(huán)次數(shù)越多。隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞強(qiáng)度逐漸降低，以后曲線逐漸變平，即循環(huán)次數(shù)再增加時(shí)，疲勞強(qiáng)度也不降低。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí)，試樣可經(jīng)受無限個(gè)周期循環(huán)而不被破壞，σ－N曲線出現(xiàn)水平部分所對應(yīng)的定值稱為疲勞強(qiáng)度（疲勞極限），用σr表示。對于應(yīng)力對稱循環(huán)的疲勞強(qiáng)度用σ-1表示。實(shí)際上，材料不可能作無限次交變應(yīng)力試驗(yàn)。對于黑色金屬，一般規(guī)定應(yīng)力循環(huán)107周次而不斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞極限；有色金屬、不銹鋼等取108周次時(shí)的最大應(yīng)力。許多鐵合金的疲勞極限約為其抗拉強(qiáng)度的一半，有色合金（如鋁合金）沒有疲勞極限，它的疲勞強(qiáng)度可以低于抗拉強(qiáng)度的1/3。

圖1－36中碳鋼和鋁合金的σ－N曲線

3）高溫強(qiáng)度

金屬材料在高于一定溫度的環(huán)境下長時(shí)間工作時(shí)，即使承受的應(yīng)力低于屈服點(diǎn)σs，也會(huì)出現(xiàn)緩慢塑性變形，這就是“蠕變”。所以，高溫下材料的強(qiáng)度就不能完全用室溫下的強(qiáng)度（σs或σb）來代替，此時(shí)必須考慮溫度和時(shí)間的影響。材料的高溫強(qiáng)度要用蠕變極限和持久強(qiáng)度來表示。蠕變極限是指金屬在給定溫度下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定變形量的應(yīng)力。例如σ6000.1/1000=88MPa，表示在600℃下，1000h內(nèi)，引起0.1%變形量的應(yīng)力值為88MPa。而持久強(qiáng)度是指金屬在給定溫度和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，使材料發(fā)生斷裂的應(yīng)力。例如σ800100=186MPa，表示工作溫度為800℃時(shí)，承受186MPa的應(yīng)力作用，約100h后斷裂。

工程塑料在室溫下受到應(yīng)力作用就可能發(fā)生蠕變，這在使用塑料受力件時(shí)應(yīng)予以注意。

1.6.2塑性

材料在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的性能稱為塑性。常用的塑性指標(biāo)有延伸率(δ)和斷面收縮率(ψ)。

在拉伸試驗(yàn)中，試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比稱為延伸率，用符號δ表示，即

(1－6)式中，l0為試樣的原始標(biāo)距長度（mm）；l1為試樣拉斷后的標(biāo)距長度（mm）。

同一材料的試樣長短不同，測得的延伸率也略有不同。長試樣（l0=10d0，d0為試樣原始橫截直徑）和短試樣（l0=5d0）測得的延伸率分別記作δ10（也常寫成δ）和δ5。

試樣拉斷后，縮頸處截面積的最大縮減量與原橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用符號ψ表示，即

(1－7)式中,A1為試樣拉斷后細(xì)頸處最小橫截面積（mm2）；A0為試樣的原始橫截面積（mm2）。

金屬材料的δ和ψ值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金屬可以發(fā)生塑性變形而不被破壞，便于通過各種壓力加工獲得形狀復(fù)雜的零件，如銅、鋁、鐵等。工業(yè)純鐵的δ可達(dá)50%，ψ可達(dá)80%，可以拉成細(xì)絲、壓成薄板，進(jìn)行深沖成型。鑄鐵塑性很差，δ和ψ幾乎為零，不能進(jìn)行塑性變形加工。塑性好的材料在受力過大時(shí)，由于首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，因此比較安全。

金屬重要的特性之一就是具有優(yōu)良的塑性。塑性為金屬零件的成型提供了經(jīng)濟(jì)而有效的途徑，各種金屬的板材、棒材、線材和型材都是通過軋制、鍛造、擠壓、冷拔、沖壓等壓力加工方法制造而成的，這些加工方法的特點(diǎn)是金屬材料在外力的作用下按一定的形狀和尺寸發(fā)生永久性的塑性變形。塑性金屬經(jīng)塑性變形后，不僅改變了外觀和尺寸，內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，而且通過塑性變形所伴隨的硬化過程還使材料強(qiáng)度獲得提高。因此，塑性變形也是改善金屬材料性能的一個(gè)重要手段。此外，金屬的常規(guī)力學(xué)性能，如強(qiáng)度、塑性等，也是根據(jù)其變形行為來評定的。但是，在工程上也常常要求消除塑件變形給金屬造成的不良影響，也就是說，必須在加工過程中及加工后對金屬進(jìn)行加熱，使其發(fā)生再結(jié)晶，恢復(fù)塑性變形以前的性能。

因此，研究金屬塑性變形以及變形金屬在加熱過程中所發(fā)生的變化，對充分發(fā)揮金屬材料的力學(xué)性能具有非常重要的理論和實(shí)際意義。它一方面可以揭示金屬材料強(qiáng)度和塑性的本質(zhì)，并由此探索強(qiáng)化金屬材料的方法和途徑；另一方面對處理生產(chǎn)上各種有關(guān)的塑性變形問題提供重要的線索和參考，或作為改進(jìn)加工工藝和提高加工質(zhì)量的依據(jù)。

1.6.3硬度

硬度是指材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)而產(chǎn)生局部塑性變形的能力。通常，材料越硬，其耐磨性越好。同時(shí)通過硬度值可估計(jì)材料的近似σb值。硬度試驗(yàn)方法比較簡單、迅速，可直接在原材料或零件表面上測試，因此被廣泛應(yīng)用。常用的硬度測量方法有壓入法，主要性能指標(biāo)有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、維氏硬度(HV)等。陶瓷等材料還常用克努普氏顯微硬度(HK)和莫氏硬度(劃痕比較法)作為硬度指標(biāo)。

圖1－37布氏硬度試驗(yàn)原理圖

1.布氏硬度

圖1－37所示為布氏硬度測試原理圖。即用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定載荷作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除載荷，在試樣表面會(huì)留下球形壓痕。測量其壓痕直徑，即可計(jì)算出硬度值。布氏硬度值是用球冠壓痕單位表面積上所承受的平均壓力來表示的，符號為HBS（當(dāng)用鋼球壓頭時(shí)）或HBW（當(dāng)用硬質(zhì)合金時(shí)），即

式中，P為載荷（N）;D為球體直徑（mm）；d為壓痕平均直徑（mm）。

在試驗(yàn)中，硬度值不需計(jì)算，是用刻度放大鏡測出壓痕直徑d，然后對照有關(guān)附錄查出相應(yīng)的布氏硬度值。

布氏硬度記為200HBS10／1000／30，表示用直徑為10mm的鋼球，在9800N(1000kgf)的載荷下保持30s時(shí)測得的布氏硬度值為200。如果鋼球直徑為10mm，載荷為29400N(3000kgf)，保持10s，硬度值為200，可簡單表示為200HBS。

淬火鋼球用以測定硬度小于450HB的金屬材料，如灰鑄鐵、有色金屬及經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材，其硬度值以HBS表示。布氏硬度在450～650之間的材料，壓頭用硬質(zhì)合金球，其硬度值用HBW表示。

布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的測量精度，因其壓痕面積大，可比較真實(shí)地反映出材料的平均性能。另外，由于布氏硬度與σb之間存在一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，如熱軋鋼的σb=（3.4～3.6）HBS，冷變形銅合金σb≈4.0HBS，灰鑄鐵σb

≈(2.7～4.0)HBS，因此得到廣泛的應(yīng)用。布氏硬度的缺點(diǎn)是不能測定高硬度材料。

2.洛氏硬度

圖1－38為洛氏硬度測量原理圖。將金剛石壓頭(或鋼球壓頭)在先后施加兩個(gè)載荷(預(yù)載荷P0和總載荷P)的作用下壓入金屬表面?？傒d荷P為預(yù)載荷P0和主載荷P1之和。卸去主載荷P1后，測量其殘余載荷壓入深度h1來計(jì)算洛氏硬度值。殘余載荷壓入深度h1越大，表示材料硬度越低，實(shí)際測量時(shí)硬度可直接從洛氏硬度計(jì)表盤上讀得。根據(jù)壓頭的種類和總載荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三種(見表1－4)。如洛氏硬度表示為62HRC，表示用金剛石圓錐壓頭，總載荷為1470N測得的洛氏硬度值。

圖1－38洛氏硬度測量原理圖

(a)先預(yù)載荷作用；(b)總載荷作用；(c)卸去主載荷作用后

洛氏硬度測量用于試驗(yàn)各種鋼鐵原材科、有色金屬、經(jīng)淬火后工件、表面熱處理工件及硬質(zhì)合金等。

洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是壓痕小、直接讀數(shù)，操作方便，可測量較薄工件的硬度，還可測低硬度、高硬度材料，應(yīng)用最廣泛；其缺點(diǎn)是精度較差，硬度值波動(dòng)較大，通常應(yīng)在試樣不同部位測量數(shù)次，取平均值為該材料的硬度值。

表1－4常用洛氏硬度的符號、試驗(yàn)條件與應(yīng)用

3.維氏硬度

布氏硬度不適用于檢測較高硬度的材料；洛氏硬度雖可檢測不同硬度的材料，但不同標(biāo)尺的硬度值不能相互直接比較；而維氏硬度可用同一標(biāo)尺來測定從極軟到極硬的材料。

維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏法相似，也是以壓坑單位表面積所承受壓力的大小來計(jì)算硬度值的。它是用對面夾角為136°的金剛石四棱錐體，在一定壓力作用下，在試樣試驗(yàn)面上壓出一個(gè)正方形壓痕，如圖1－39所示。通過設(shè)在維氏硬度計(jì)上的顯微鏡來測量壓坑兩條對角線的長度，根據(jù)對角線的平均長度，從相應(yīng)表中查出維氏硬度值。

圖1－39維氏硬度試驗(yàn)原理圖

維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏法相似，也是以壓坑單位表面積所承受壓力的大小來計(jì)算硬度值的。它是用對面夾角為136°的金剛石四棱錐體，在一定壓力作用下，在試樣試驗(yàn)面上壓出一個(gè)正方形壓痕，如圖1－39所示。通過設(shè)在維氏硬度計(jì)上的顯微鏡來測量壓坑兩條對角線的長度，根據(jù)對角線的平均長度，從相應(yīng)表中查出維氏硬度值。

維氏硬度試驗(yàn)所用壓力可根據(jù)試樣的大小、厚薄等條件來選擇。壓力按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有49N、98N、196N、294N、490N、980N等。壓力保持時(shí)間：黑色金屬為10～15s，有色金屬為(30±2)s。

維氏硬度可測定軟極到很硬的各種材料。由于所加壓力小，壓入深度較淺，故可測定較薄材料和各種表面滲層，且準(zhǔn)確度高。但維氏硬度試驗(yàn)時(shí)需測量壓痕對角線的長度，測試手續(xù)較繁，不如洛氏硬度試驗(yàn)法那樣簡單、迅速。

各種不同方法測得的硬度值之間可通過查表的方法進(jìn)行互換。如61HRC＝82HRA＝627HBW＝803HV30。

鋁合金和銅合金的硬度較低，鋁合金的硬度一般低于150HBS，銅合金的硬度范圍大致為70～200HBS。退火態(tài)的低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼的硬度分別大致為120～180HBS、180～250HBS、250～350HBS。中碳鋼淬火后硬度可達(dá)50～58HRC，高碳鋼淬火后硬度可達(dá)60～65HRC。

1.6.4沖擊韌性

許多機(jī)械零件在工件中往往受到?jīng)_擊載荷的作用，如活塞銷、錘桿、沖模和鍛模等。制造這類零件所用的材料不能單用在靜載荷作用下的指標(biāo)來衡量，而必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力。材料抵抗沖擊載荷而不被破壞的能力稱為沖擊韌性。為了評定材料的沖擊韌性，需進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

1.擺錘式一次沖擊試驗(yàn)

沖擊試樣的類型較多，常用的為U型或V型缺口（脆性材料不開缺口）的標(biāo)準(zhǔn)試樣。一次沖擊試驗(yàn)通常是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)時(shí)將帶缺口的試樣安放在試驗(yàn)機(jī)的機(jī)架上，使試樣的缺口位于兩支架中間，并背向擺錘的沖擊方向，如圖1－40所示。

圖1－40擺錘式一次沖擊試驗(yàn)原理圖

當(dāng)擺錘從一定的高度落下時(shí)，試樣被沖斷。沖斷時(shí)，在試樣橫截面的單位面積上所消耗的功稱為沖擊韌性值，即沖擊韌度，用符號ak表示。由于沖擊試驗(yàn)采用的是標(biāo)準(zhǔn)試樣，目前一般也用沖擊功Ak表示沖擊韌性值，即

(1－9)式中，ak為沖擊韌度（J/m2）；Ak為沖擊吸收功（J）；S0為試樣缺口處截面積（m2）。

Ak值或ak值越大，材料的韌性越好。使用不同類型的試樣(U型或V型缺口)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其沖擊吸收功分別為AkU

或AkV，沖擊韌度則分別為akU或akV。

2.小能量多次沖擊試驗(yàn)

實(shí)踐表明，承受沖擊載荷的機(jī)械零件很少因一次能量沖擊而遭到破壞，絕大多數(shù)是在小能量多次沖擊的作用下破壞形成的，如鑿巖機(jī)風(fēng)鎬上的活塞、沖模的沖頭等。所以上述ak值是不能代表這種零件抵抗多次小能量沖擊的能力的。

小能量多次沖擊試驗(yàn)是在落錘式試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。如圖1－41所示，帶有雙沖點(diǎn)的錘頭以一定的沖擊頻率(400、600周次／min)沖擊試樣，直至沖斷為止。多次沖擊抗力指標(biāo)一般是以某沖擊功A作用下，開始出現(xiàn)裂紋和最后斷裂的沖擊次數(shù)來表示的。圖1－41多次沖擊彎曲試驗(yàn)示意圖

1.6.5斷裂韌性

橋梁、船舶、大型軋輥、轉(zhuǎn)子等有時(shí)會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷，這種斷裂的名義斷裂應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度。盡管在設(shè)計(jì)時(shí)保證了足夠的延伸率、韌性和屈服強(qiáng)度，但仍不免被破壞，這是由于構(gòu)件或零件內(nèi)部存在著或大或小、或多或少的裂紋和類似裂紋的缺陷造成的。因?yàn)?/p>

(1－10)所以

對于一定的金屬材料，其單位體積內(nèi)的塑性功γp和正彈性模量E是常數(shù)，故其乘積K也是常數(shù)，所以上面右邊等式成立，即。該式表明，引起脆斷時(shí)的臨界應(yīng)力σc與裂紋深度（半徑）a的平方根成反比（圖1－42）。各種材料的Kc值不同，在裂紋尺寸一定的條件下，材料Kc值越大，則裂紋擴(kuò)展所需的臨界應(yīng)力σc就愈大。因此，常數(shù)Kc表示材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料抵抗脆性斷裂的韌性指標(biāo)，Kc值與應(yīng)力、裂紋的形狀和尺寸等有關(guān)。圖1－42脆斷時(shí)臨界應(yīng)力σc與裂紋深度(半徑)a之間的關(guān)系

含有裂紋的材料在外力作用下，裂紋的擴(kuò)展方式一般有張開型、滑開型和撕開型三種。張開型裂紋擴(kuò)展是材料脆性斷裂最常見的情況，其中Kc值用KIc表示，工程上多采用KIc作為斷裂韌性指標(biāo)來表征材料在應(yīng)力作用下抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展破斷的能力，將KIc稱為斷裂韌性。常見工程材料的斷裂韌度KIc值見表1－5。

有了表示材料特性的KKIc斷裂韌性指標(biāo)以后，出現(xiàn)了新的設(shè)計(jì)思想，即不再單純從防止過量塑性變形出發(fā)，盲目提高過載安全系數(shù)而選用過高的材料強(qiáng)度值，因?yàn)槿绻牧蟽?nèi)部有不可避免的、一定尺度大小的宏觀裂紋，即使具有很高的強(qiáng)度，其斷裂韌性值也不會(huì)很高，所以未必絕對可靠。因?yàn)閷τ谒苄圆牧蟻碚f，裂紋擴(kuò)展時(shí)不僅要做形成裂紋的表面功（能），而且還要做大量的塑性功，所以不易斷裂。設(shè)計(jì)時(shí)要全面考慮材料的各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)，才能做到既安全可靠，又節(jié)省材料。

表1－5常見工程材料的斷裂韌度KIc值

1.6.6粘彈性

粘彈性是指材料在外力作用下產(chǎn)生的變形隨時(shí)間呈線性增加，而當(dāng)外力去除后，剩余應(yīng)變隨時(shí)間不斷松弛的特性，如圖1－43所示。粘彈性的具體表現(xiàn)有蠕變、應(yīng)力松弛、滯后與內(nèi)耗等。

1.蠕變

在高溫下長時(shí)間工作的金屬材料或常溫使用的高聚物均可能發(fā)生蠕變，導(dǎo)致零件的最終失效。金屬材料發(fā)生蠕變的主要原因是由于溫度高，晶內(nèi)和晶界的缺陷（如位錯(cuò)等）的活動(dòng)能力顯著增大，導(dǎo)致晶內(nèi)滑移和晶界移動(dòng)。而高聚物蠕變是由于分子鏈發(fā)生了構(gòu)象變化或位移而引起的。

圖1－43應(yīng)變隨時(shí)間的變化

2.應(yīng)力松弛

材料受力變形后所產(chǎn)生的應(yīng)力隨時(shí)間而逐漸衰減的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。如金屬高溫緊固件、密封管道的法蘭橡皮墊圈等，若出現(xiàn)應(yīng)力松弛，會(huì)使緊固或密封失效。

3.滯后與內(nèi)耗

高聚物三角膠受交變載荷時(shí)，產(chǎn)生伸-縮的循環(huán)應(yīng)變，如圖1－44所示。拉伸時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變沿ACB線變化，卸載時(shí)沿BDA線變化。顯然，對于同樣的應(yīng)力水平，卸載時(shí)的應(yīng)變大于拉伸時(shí)的，即出現(xiàn)應(yīng)變落后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象，稱為滯后。滯后的產(chǎn)生是由于大分子鏈改變構(gòu)象產(chǎn)生變形的速度跟不上應(yīng)力變化所致。

圖1－44三角膠循環(huán)加載應(yīng)力－應(yīng)變曲線

1.6.7其他性能

1．金屬的物理性能

1）密度