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1、第一章第一章 工程材料的性能工程材料的性能 化工学院化工学院引言：引言：1 1、金属材料的性能、金属材料的性能使用性能：使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。能、物理性能和化学性能。工艺性能：工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。工和热处理的性能。2 2、金属材料金属材料力学性能力学性能 包括包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能加工性能和热处理工艺
2、性能等。等。指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有弹性、刚度、弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧度强度、塑性、硬度、冲击韧度和和疲劳强度疲劳强度等。等。第一节 强度与塑性化工学院化工学院一、材料的拉伸曲线一、材料的拉伸曲线1 1、OEOE段：直线、弹性变性段：直线、弹性变性2 2、EPEP段：曲线、弹性变形段：曲线、弹性变形+塑性变形塑性变形5 5、F F1 1点：点：出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，试样即将断裂。拉伸力达到最大值，试样即将断裂。3 3、PS
3、PS段：水平线（略有波动）明显的段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。试样连续伸长。4 4、SBSB曲线：弹性变形曲线：弹性变形+均匀塑性变形均匀塑性变形第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能b-抗拉强度；p-比例极限s-屈服点；e-弹性极限化工学院化工学院弹性是材料即刻恢复原状，不产生永久变形的性能。弹性是材料即刻恢复原状，不产生永久变形的性能。刚度表征材料弹性变形抗力的大小。刚度表征材料弹性变形抗力的大小。二、弹性、强度和刚度二、弹性、强度和刚度1 1、弹性模量、弹性模量E E=/1-1 1-1 刚度、
4、强度与塑性刚度、强度与塑性：材料在应力作用下产生的的应变材料在应力作用下产生的的应变 符号：符号：材料产生弹性变形现象时的应力材料产生弹性变形现象时的应力E：衡量材料产生弹性变形难易的指标衡量材料产生弹性变形难易的指标总结：总结：E E越大，使材料产生一定量弹性变形应力越大，说明材料越大，使材料产生一定量弹性变形应力越大，说明材料的刚度越大。的刚度越大。E取决于材料本身，合金化、热处理、冷热加工对它影响很小，室温下，钢的E大都在1.9105 2.2105MPa。弹性模量随着温度的升高而逐渐降低。南山学院南山学院强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。三、强度的指
5、标三、强度的指标2 2、抗拉强度、抗拉强度指试样拉断前所承受的最大拉应力。指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。1 1、屈服点、屈服点b=Fb/S0 当材料的内应力当材料的内应力b时，材料将产生断裂。时，材料将产生断裂。b常用作脆性材料的选材和设计的依据。常用作脆性材料的选材和设计的依据。符号：符号：s 材料产生屈服现象时的最小应力材料产生屈服现象时的最小应力s=Fs/S0 Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（：试样原始横截面积（mm）1-1 1-1 静载荷时材料的
6、力学性能静载荷时材料的力学性能化工学院化工学院三、塑性指标三、塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。后伸长率和断面收缩率。1 1、断后伸长率、断后伸长率2 2、断面收缩率、断面收缩率指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。=(L=(L1 1-L)/L x 100%-L)/L x 100%L:L:标距（
7、本实验标距（本实验L=100L=100）L1:L1:拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。拉断后的试件标距。将断口密合在一起，用卡尺直接量出。=(A0-A1)/A0 x 100%=(A0-A1)/A0 x 100%A0:A0:试件原横截面积。试件原横截面积。A1:A1:断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。断裂后颈缩处的横截面积，用卡尺直接量出。1-1 1-1 静载荷时材料的力学性能静载荷时材料的力学性能硬度化工学院化工学院引言：引言：1 1、定义：、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试
8、验方法它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。有关。2 2、硬度的测试方法、硬度的测试方法 （1 1）布氏硬度）布氏硬度 （2 2）洛氏硬度）洛氏硬度 （3 3）维氏硬度）维氏硬度 （4 4）肖氏硬度）肖氏硬度1-1 1-1 静载荷时材料的力学性能静载荷时材料的力学性能化工学院化工学院1 1、布氏硬度试验、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面材
9、料表面压痕直径压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2 2、布氏硬度值、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。示。如：120HBS 500HBW4 4、测量范围、测量范围 用于测量用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.一、布氏硬度一、布氏硬度一、布氏硬度一、布氏硬度3 3、优缺点、优缺点（1 1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2 2）可测的硬度值不高可测的硬度值不高（3 3）不测试
10、成品与薄件不测试成品与薄件（4 4）测量费时，效测量费时，效率低率低1-1 1-1 静载荷时材料的力学性能静载荷时材料的力学性能化工学院化工学院一、布氏硬度一、布氏硬度一、布氏硬度一、布氏硬度当试验压力的单位为N时，则1-1 1-1 静载荷时材料的力学性能静载荷时材料的力学性能化工学院化工学院1 1、洛氏硬度试验、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。
11、种压痕硬度试验。2 2、洛氏硬度值、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。出。如：如：50HRC50HRC 4 4、测量范围、测量范围 用于测量用于测量淬火钢、硬质合金淬火钢、硬质合金等材料等材料.二、洛氏硬度二、洛氏硬度二、洛氏硬度二、洛氏硬度3 3、优缺点、优缺点（1 1）试验简单、方便、迅速试验简单、方便、迅速（2 2）压痕小，可测成品，薄件压痕小，可测成品，薄件（3 3）数据数据不够准确，应测三点取平均值不够准确，应测三点取平均值（4 4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。不应测组织不均匀材料，如铸铁。1-1 1-1 静载荷时材
12、料的力学性能静载荷时材料的力学性能化工学院化工学院1 1、维氏硬度试验、维氏硬度试验 原理原理:用用夹角为夹角为136136的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力的金刚石四棱锥体压头，使用很小试验力F F（）压（）压入试样表面，测出压痕对角线长度入试样表面，测出压痕对角线长度d d。2 2、维氏硬度值、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。用压痕对角线长度表示。如：如：640HV640HV。4 4、测量范围、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。三、维氏硬度三、维氏硬度三、维氏硬度三、维氏硬度3 3、优缺点、优缺点（1 1）测量准确，应用范围广
13、（硬度从极软到极硬）测量准确，应用范围广（硬度从极软到极硬）（2 2）可测成可测成品与薄件品与薄件（3 3）试样表面要求高，费工。试样表面要求高，费工。1-1 1-1 静载荷时材料的力学性能静载荷时材料的力学性能化工学院化工学院1-2 1-2 动载荷时材料的力学性能动载荷时材料的力学性能 由于许多机械零件在动载荷下工作，材料对动载荷的抗力就不能用由于许多机械零件在动载荷下工作，材料对动载荷的抗力就不能用简单地用静载荷力学性能指标来衡量。动载荷主要有两种形式：一是载简单地用静载荷力学性能指标来衡量。动载荷主要有两种形式：一是载荷以较高的速度施加到零构件上，形成冲击。一般用冲击韧度来衡量；荷以较高
14、的速度施加到零构件上，形成冲击。一般用冲击韧度来衡量；二是载荷的大小和方向做周期性的变化，形成交变载荷，用疲劳强度来二是载荷的大小和方向做周期性的变化，形成交变载荷，用疲劳强度来衡量。衡量。一、冲击韧度（一、冲击韧度（一、冲击韧度（一、冲击韧度（KUKU）化工学院化工学院1-2 1-2 动载荷时材料的力学性能动载荷时材料的力学性能 由于许多机械零件在动载荷下工作，材料对动载荷的抗力就不能用由于许多机械零件在动载荷下工作，材料对动载荷的抗力就不能用简单地用静载荷力学性能指标来衡量。动载荷主要有两种形式：一是载简单地用静载荷力学性能指标来衡量。动载荷主要有两种形式：一是载荷以较高的速度施加到零构件
15、上，形成冲击。一般用冲击韧度来衡量；荷以较高的速度施加到零构件上，形成冲击。一般用冲击韧度来衡量；二是载荷的大小和方向做周期性的变化，形成交变载荷，用疲劳强度来二是载荷的大小和方向做周期性的变化，形成交变载荷，用疲劳强度来衡量。衡量。一、冲击韧度（一、冲击韧度（一、冲击韧度（一、冲击韧度（K K）工程上，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力。工程上，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力。冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能冲击韧性是在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。力。有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机
16、的锤杆、冲有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力。此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力。化工学院化工学院1-2 1-2 动载荷时材料的力学性能动载荷时材料的力学性能为了讨论材料的冲击韧性为了讨论材料的冲击韧性为了讨论材料的冲击韧性为了讨论材料的冲击韧性a a k k值，常采用一次冲击弯曲试验值，常采用一次
17、冲击弯曲试验值，常采用一次冲击弯曲试验值，常采用一次冲击弯曲试验法。法。法。法。由于在冲击载荷作用下材料由于在冲击载荷作用下材料由于在冲击载荷作用下材料由于在冲击载荷作用下材料的塑性变形得不到充分发展，的塑性变形得不到充分发展，的塑性变形得不到充分发展，的塑性变形得不到充分发展，为了能灵敏地反映出材料的冲为了能灵敏地反映出材料的冲为了能灵敏地反映出材料的冲为了能灵敏地反映出材料的冲击韧性，通常采用带缺口的试击韧性，通常采用带缺口的试击韧性，通常采用带缺口的试击韧性，通常采用带缺口的试样进行试验样进行试验样进行试验样进行试验标准冲击试样有两种，一种标准冲击试样有两种，一种标准冲击试样有两种，一种
18、标准冲击试样有两种，一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样，另一种是夏比形缺口试样是夏比形缺口试样是夏比形缺口试样是夏比形缺口试样同一条件下同一材料制作的同一条件下同一材料制作的同一条件下同一材料制作的同一条件下同一材料制作的两种试样，其形试样的两种试样，其形试样的两种试样，其形试样的两种试样，其形试样的a a k k值值值值明显大于形试样的明显大于形试样的明显大于形试样的明显大于形试样的a a k k，所以，所以，所以，所以这两种试样的值这两种试样的值这两种试样的值这两种试样的值a a k k不能相互比不能相互比不能相互比不能相互比较较较
19、较U形缺口V形缺口化工学院化工学院1-2 1-2 动载荷时材料的力学性能动载荷时材料的力学性能 试验时，将试样放在试验机两支座上，如图所示。将一定重量试验时，将试样放在试验机两支座上，如图所示。将一定重量G G的的摆锤升至一定高度摆锤升至一定高度H1H1，如图所示，使它获得位能为，如图所示，使它获得位能为GH1GH1；再将摆锤释；再将摆锤释放，使其刀口冲向图箭头所指试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一放，使其刀口冲向图箭头所指试样缺口的背面；冲断试样后摆锤在另一边的高度为边的高度为H2H2，相应位能为，相应位能为GH2GH2，冲断试样前后的能量差即为摆锤冲，冲断试样前后的能量差即为摆锤冲断试样
20、所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收断试样所消耗的功，或是试样变形和断裂所吸收的能量，称为冲击吸收功功AkAk，即，即Ak=GH1GH2Ak=GH1GH2，单位为，单位为J J。冲击试验示意图试验时，冲击功的数值可试验时，冲击功的数值可从冲击试验机的刻度标盘上从冲击试验机的刻度标盘上直接读出直接读出冲击吸收功除以试样缺口冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面积底部处横截面积S S获得冲击获得冲击韧性值韧性值ak ak，即，即a k=Ak/Sa k=Ak/S，单位为，单位为J/cm2J/cm2。有些国家。有些国家（如美、英、日等国）直接（如美、英、日等国）直接用冲击吸收功用冲击吸
21、收功 AkAk作为冲作为冲击韧性指标击韧性指标化工学院化工学院1-2 1-2 动载荷时材料的力学性能动载荷时材料的力学性能材料的材料的a ak k值愈大，韧性就愈好；材料的值愈大，韧性就愈好；材料的a ak k 值愈小，材料的脆性愈值愈小，材料的脆性愈大大通常把通常把ak值小的材料称为脆性材料值小的材料称为脆性材料研究表明，材料的研究表明，材料的ak值随试验温度的降低而降低。当温度降至某一值随试验温度的降低而降低。当温度降至某一数值或范围时，数值或范围时，ak值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状值会急剧下降，材料则由韧性状态转变为脆性状态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。
22、材料的态，这种转变称为冷脆转变，相应温度称为冷脆转变温度。材料的冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范冷脆转变温度越低，说明其低温冲击性能越好，允许使用的温度范围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低围越大。因此对于寒冷地区的桥梁、车辆等机件用材料，必须作低温（一般为温（一般为4040）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂）冲击弯曲试验，以防止低温脆性断裂化工学院化工学院1-2 1-2 动载荷时材料的力学性能动载荷时材料的力学性能二、疲劳强度（二、疲劳强度（二、疲劳强度（二、疲劳强度（-1-1）工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低工程上
23、一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为象称之为疲劳疲劳 。零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断。零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。裂三个阶段。当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，当零件所受的应力低于某一值时，即使循环周次无穷多也不发生断裂，称此应力值为称此应力值为疲劳强度疲劳强度或或疲劳极限。疲劳极限。材料的疲劳强度通过实验得到材料的疲劳强度通过实验得到用实验得到的交变应力大小
24、用实验得到的交变应力大小和断裂循环周次和断裂循环周次之间的关系绘制出图之间的关系绘制出图1.191.19所示的所示的之间之间的关系曲线，即疲劳曲线的关系曲线，即疲劳曲线疲劳曲线表明，随着应力疲劳曲线表明，随着应力的减小，循环次数的减小，循环次数在增加，当应力在增加，当应力降到一定值后，降到一定值后，曲线曲线趋于水平，这就意味着材料在此应力作用下无限趋于水平，这就意味着材料在此应力作用下无限次循环也不会产生断裂，此应力称为材料对称弯次循环也不会产生断裂，此应力称为材料对称弯曲疲劳极限，用曲疲劳极限，用-l-l表示，单位为表示，单位为M Ma a。疲劳曲线化工学院化工学院1-2 1-2 动载荷时材
25、料的力学性能动载荷时材料的力学性能在疲劳强度的实验中，不可能把循环次数作到无穷大，而是规定在疲劳强度的实验中，不可能把循环次数作到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏常用钢材的循环基数为常用钢材的循环基数为107107，有色金属和某些超高强度钢的循环基，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为数为108108影响疲劳强度的因素甚多影响疲劳强度的因素甚多,其中主要有循环应力特性、温度、材料其中主要有循环应力特性、温度、材料的成分和组织、表面状态、残留应力等的成分和组织、表面状态、残留应力等钢的疲劳强度约为
26、抗拉强度的钢的疲劳强度约为抗拉强度的4040一一5050，有色金属约为抗拉强度，有色金属约为抗拉强度25502550 化工学院化工学院1-3 1-3 断裂韧性断裂韧性有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于屈服有的大型转动零件、高压容器、桥梁等，常在其工件应力远低于屈服点点s s的情况下突然发生低应力脆断。产生这种现象的原因与机件内部存的情况下突然发生低应力脆断。产生这种现象的原因与机件内部存在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展。在着微裂纹和其它缺陷以及它们的扩展。材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产生应力集中，从而形成裂纹尖材料中存在裂纹时，在裂纹尖端就会产生应力集中，从而形成裂
27、纹尖端应力场，按断裂力学分析，应力场的大小可用应力强度因子端应力场，按断裂力学分析，应力场的大小可用应力强度因子K K1 1来描述，来描述，其单位为其单位为MPam1/2MPam1/2，脚标表示型裂纹强度因子。，脚标表示型裂纹强度因子。K KI I值的大小决定于裂纹尺寸（值的大小决定于裂纹尺寸（2a2a）和外加应力场）和外加应力场，它们之间的关系，它们之间的关系由下式表示：由下式表示：式中：式中：Y Y为与裂纹形状、加载方式和试样几何尺寸有关的无量纲系数为与裂纹形状、加载方式和试样几何尺寸有关的无量纲系数 为外加应力场，单位为为外加应力场，单位为MPaMPa；a a为裂纹长度的一半，单位为为裂
28、纹长度的一半，单位为mm mm 化工学院化工学院 由上式可见，随应力的增大，由上式可见，随应力的增大，KIKI不断增大，当不断增大，当KIKI增大到某一定值增大到某一定值时，这可使裂纹前沿的内应力大到时，这可使裂纹前沿的内应力大到足以使材料分离，从而导致裂纹突足以使材料分离，从而导致裂纹突然扩展，材料快速发生断裂。这个然扩展，材料快速发生断裂。这个应力强度因子的临界值，称为材料应力强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用的断裂韧性，用K KICIC表示。它反应材表示。它反应材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现。能力，是强度和韧性的综合体现。
29、K KICIC可通过试验来测定，它与材可通过试验来测定，它与材料成分、热处理及加工工艺等有关料成分、热处理及加工工艺等有关系。系。具有张开型裂纹的试样1-3 1-3 断裂韧性断裂韧性化工学院化工学院1-4 1-4 金属材料的其他性能金属材料的其他性能材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导磁性、导热性及热膨胀性等材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导磁性、导热性及热膨胀性等 （1 1）密度）密度密度密度是指单位体积材料的质量。是指单位体积材料的质量。抗拉强度与密度之比称为抗拉强度与密度之比称为比强度比强度；弹性模量与密度之比称为；弹性模量与密度之比称为比弹性模量比弹性模量在飞机和宇宙飞船上使
30、用的结构材料，对比强度的要求特别高。在飞机和宇宙飞船上使用的结构材料，对比强度的要求特别高。（2 2）熔点）熔点熔点是指材料的熔化温度。熔点是指材料的熔化温度。材料的熔点越高，高温性能就越好。材料的熔点越高，高温性能就越好。（3 3）热膨胀性）热膨胀性材料的热膨胀性通常用线膨胀系数来材料的热膨胀性通常用线膨胀系数来a al l来表示来表示它表示材料温度每变化它表示材料温度每变化11时引起的材料长度上相对膨胀量的大小。时引起的材料长度上相对膨胀量的大小。对于精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标；对于精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标；在有两种以上材料组合
31、成的零件中，常因材料的热膨胀系数相差大而导致在有两种以上材料组合成的零件中，常因材料的热膨胀系数相差大而导致零件的变形或破坏。零件的变形或破坏。1物理性能物理性能化工学院化工学院1-4 1-4 金属材料的其他性能金属材料的其他性能（4 4）导热性）导热性热量会通过固体发生传递，材料的导热性用热导率（导热系数）热量会通过固体发生传递，材料的导热性用热导率（导热系数）来表来表示，示，表示当物体内的温度梯度为表示当物体内的温度梯度为1/m1/m时，单位时间内，单位面积的传热时，单位时间内，单位面积的传热量，其单位为量，其单位为W/W/（mKmK）。）。材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零
32、件材料的导热性材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零件材料的导热性太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，就太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，就会产生变形或裂纹。热交换器等传热设备的零部件一般常用导热性好的材会产生变形或裂纹。热交换器等传热设备的零部件一般常用导热性好的材料（如铜、铝等）来制造。料（如铜、铝等）来制造。通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。（5 5）导电性）导电性材料的导电性一般用电阻率（材料的导电性一般用电阻率（）来表示，电阻率表示单位长度、单位）来表示，电阻率表示单位长
33、度、单位面积导体的电阻，其单位为面积导体的电阻，其单位为mm。电阻率越低，材料的导电性越好。电阻率越低，材料的导电性越好根据电阻率数值的大小可把材料分为：根据电阻率数值的大小可把材料分为：超导体：超导体：00导体：导体：10-8-10-5m10-8-10-5m半导体：半导体：10-5-107m10-5-107m绝缘体：绝缘体：107-1020m107-1020m通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料则与此相反。通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料则与此相反。化工学院化工学院1-4 1-4 金属材料的其他性能金属材料的其他性能2化学性能化学性能（1 1）耐腐蚀性）耐腐蚀性耐
34、腐蚀性是指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。耐腐蚀性是指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。材料的耐蚀性常用每年腐蚀深度（渗蚀度）材料的耐蚀性常用每年腐蚀深度（渗蚀度）KaKa（mm/amm/a）表示。）表示。对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种，一种是化学腐蚀，另一种对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种，一种是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀。是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。引起
35、的腐蚀。（2 2）高温抗氧化性）高温抗氧化性除了要在高温下保持基本力学性能外，还要具备抗氧化性能。除了要在高温下保持基本力学性能外，还要具备抗氧化性能。所谓高温抗氧化性通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连所谓高温抗氧化性通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性。续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性。化工学院化工学院1-4 1-4 金属材料的其他性能金属材料的其他性能3工艺性能工艺性能（1 1）铸造性）铸造性铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸
36、型并获得优质铸件的能力。能力。对金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有流动性、收缩率、偏对金属材料而言，评价铸造性能好坏的主要指标有流动性、收缩率、偏析倾向等。析倾向等。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。一般来说，共流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。一般来说，共晶成份的合金铸造性好。晶成份的合金铸造性好。(2)(2)可锻性可锻性可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来说。钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。一般来说
37、。钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综合。工艺性材料的工艺性能是其机械性能、物理性能和化学性能的综合。工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。材料的能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。材料的工艺性能主要包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。工艺性能主要包括铸造性、可锻性、焊接性、切削加工性等。化工学院化工学院1-4 1-4 金属材料的其他性能金属材料的其他性能（3 3）焊接性）焊接性焊接性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般焊接性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质
38、量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良持焊接性，而铸铁和铝合金的焊接性就很差。低碳钢具有优良持焊接性，而铸铁和铝合金的焊接性就很差。（4 4）切削加工性）切削加工性切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种一类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多它与材料种一类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。因素有关。有利切削的材料硬度为有利切削的材料硬度为160230HB160230HB。切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。切削加工性好的材料，切削
39、容易，刀具磨损小，加工表面光洁。这章为附加内容，大家必须掌握，对后续内容的学习很这章为附加内容，大家必须掌握，对后续内容的学习很重要！重要！第二章第二章 晶体结构与晶体晶体结构与晶体 材料材料（化学元素）（化学元素）金属金属非金属非金属化工学院化工学院引言：引言：材料材料（固体物质的原子（固体物质的原子聚集状态）聚集状态）晶体晶体非晶体非晶体固态金属基本上固态金属基本上都是晶体物质，都是晶体物质，如钢铁、铜、铝等。如钢铁、铜、铝等。非金属大多也具有金属大多也具有晶体结构，如金刚石、晶体结构，如金刚石、硅酸盐、硅酸盐、氧化镁等氧化镁等常见的玻璃、常见的玻璃、松香等松香等化工学院化工学院2-1 2
40、-1 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体晶体是指基原子具有规则排列的物体是指基原子具有规则排列的物体晶体结构晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式是指晶体内部原子规则排列的方式晶体结构不同，其性能往往相差很大晶体结构不同，其性能往往相差很大为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架，为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架，称为称为晶格晶格，如图，如图2-1a2-1a、b b所示；晶格中各边线的交点称为所示；晶格中各边线的交点称
41、为结点结点；晶格中各种；晶格中各种不同方位的原子面，称为不同方位的原子面，称为晶面晶面。组成晶格的最基本几何单元称为。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞晶胞。晶。晶格可以看成由晶胞堆积而成格可以看成由晶胞堆积而成一、晶体概念一、晶体概念化工学院化工学院晶胞的形状和大小是用晶粒的棱边长度晶胞的形状和大小是用晶粒的棱边长度a a、b b、c c和棱边的夹角和棱边的夹角、来表示的，见图来表示的，见图2-1c2-1c晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度a a、b b、c c称为晶格常数，其大小以称为晶格常数，其大小以（埃）为单位（埃）为单位（1=1101=110-10-10m m）当晶格常数当晶格常数a=b=c
42、a=b=c，棱边夹角，棱边夹角=90=90时，这种晶胞称为简单时，这种晶胞称为简单立方晶胞立方晶胞具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。二、常见金属晶格二、常见金属晶格 在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的晶体结构，常见的晶格类型有三种：晶体结构，常见的晶格类型有三种：（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 （3 3）密排立方晶格）密排立方晶格 2-1 2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构化工学院化工学院(1)(1)体心立方晶格体心立方晶格
43、体心立方晶格体心立方晶格(Body-centred cubic lattice(Body-centred cubic lattice，简称，简称，简称，简称b.c.c)b.c.c)体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和中心处，如图中心处，如图2-22-2所示。因其晶格常数所示。因其晶格常数a=b=ca=b=c，故只用一个常数，故只用一个常数a a表示即可。表示即可。该晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密排列的，故由对角线长度该晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密排列的，故由对角线长度（a a）和对角线上分布的原子
44、数量（）和对角线上分布的原子数量（2 2个），就可以计算出原子的半径个），就可以计算出原子的半径r r为为 。由于晶格顶点上的原子同时为相邻的。由于晶格顶点上的原子同时为相邻的8 8个晶胞所公有，所以体心立方晶个晶胞所公有，所以体心立方晶胞中的原子数目为胞中的原子数目为 个。属于这类晶格的金属有个。属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、V V、W W、MoMo、NbNb等。等。2-1 2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构化工学院化工学院2-1 2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构(2)(2)面心立方晶格（面心立方晶格（面心立方晶格（面心立方晶格（Face-centred cubic la
45、tticeFace-centred cubic lattice，简称），简称），简称），简称）面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的各面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和各面的中心处，如图所示。这种晶胞中，每个面的对角线上原结点和各面的中心处，如图所示。这种晶胞中，每个面的对角线上原子紧密排列，故其原子半径子紧密排列，故其原子半径r r 为为 a a；又因为面心中的原子为两个；又因为面心中的原子为两个晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子数目为晶胞所共有，所以面心立方晶胞中的原子数目为 个。属于这个。属于这类晶格的金属有类晶格的金属有-Fe-Fe、AlAl、
46、CuCu、NiNi、AuAu、AgAg、PbPb等。等。化工学院化工学院2-1 2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构 密排立方晶格的晶胞与简单六方晶胞不同，在由密排立方晶格的晶胞与简单六方晶胞不同，在由1212个原子所构成的正个原子所构成的正六面体的上下两个六边形的中心各有一个原子，在上下底中间有三个原子，六面体的上下两个六边形的中心各有一个原子，在上下底中间有三个原子，如图所示。这种晶胞中，其晶格常数用正六边形边长如图所示。这种晶胞中，其晶格常数用正六边形边长a a和立方体的高和立方体的高c c来表来表示，两者的比值，其原子半径示，两者的比值，其原子半径r=a/2r=a/2；每个晶胞所包含的
47、原子数为；每个晶胞所包含的原子数为 个。属于这类晶格的金属有个。属于这类晶格的金属有MgMg、ZnZn、BeBe、CdCd等。等。gege（3 3）密排立方晶格）密排立方晶格）密排立方晶格）密排立方晶格(Close-packed hexagonal lattice(Close-packed hexagonal lattice，简，简，简，简称称称称c.p.h)c.p.h)化工学院化工学院2-1 2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构三、晶体的各向异性三、晶体的各向异性 由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在不同方向上的
48、性能差异，晶体的这种不同方向上的性能差异，晶体的这种“各向异性各向异性”的特点是它区别于非的特点是它区别于非晶体的重要标志之一晶体的重要标志之一 例如，体心立方的例如，体心立方的FeFe晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，原子结合力不同，因而其弹性模量原子结合力不同，因而其弹性模量E E便不同。许多晶体物质如石膏、云便不同。许多晶体物质如石膏、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。个道理。晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性晶体的各向
49、异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度，或电阻、导磁率、线胀系数，以及在酸中模量、破断抗力、屈服强度，或电阻、导磁率、线胀系数，以及在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生产，获得优异性能的产品产，获得优异性能的产品 如制作变压品的硅钢片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我们如制作变压品的硅钢片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我们可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的晶向平行于轧制方向从而得到优可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的晶向平行于轧制方向从而得到优异的导磁率等。异的
50、导磁率等。化工学院化工学院2-2 2-2 实际金属结构实际金属结构一、多晶体结构一、多晶体结构 单晶体的金属材料除专门制作外基本上不存在，如半导体工业中的单晶单晶体的金属材料除专门制作外基本上不存在，如半导体工业中的单晶硅。实际的金属结构包含许多小晶体，每个小晶体的晶格是一样的，但各小硅。实际的金属结构包含许多小晶体，每个小晶体的晶格是一样的，但各小晶体之间彼此方位不同。晶体之间彼此方位不同。示意图显微组织照片 每个小晶体具有不规则的颗粒状外形，即晶粒，两相邻晶粒之间之间每个小晶体具有不规则的颗粒状外形，即晶粒，两相邻晶粒之间之间的界面不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列总是不规则的，这