1、316工程材料清华大学工程材料32学时讲稿3/16微观组织和宏观性能：设备决定工艺，工艺决定组织，组织决定性能材料宏观性能的描述（金属材料和陶瓷：教材P2940）材料的性能：力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力和应变，是单位面积上的作用力，是单位长度的变形。描述材料力学性能的主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值。设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例如，对一种钢管，人们要求它有较高
2、的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指标有以下几项：1弹性和刚度图1-6是材料的应力应变图（图）。（a） 无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b） 有明显屈服点的延性材料（例如低碳钢）；（c） 没有明显屈服点的延性材料（例
3、如纯铝）。在图中的曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为e。材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=/（MN/m2）称为弹性模量。E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。零件提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度的升高而逐渐降低。2强度在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。
4、当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度。（1）屈服强度s在图1-6（b）上，当曲线超过A点后，若卸去外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。当曲线达到A点时，曲线出现水平线段，表示外加载荷虽然没有增加，但试样的变形量仍自动增大，这种现象称为屈服。屈服时的应力值称为屈服强度，记为S。有的塑性材料没有明显的屈服现象发生，如图1-6（c）所示。对于这种情况，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以0.2表示。机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据也是评定金
5、属材料承载能力的重要机械性能指标。材料的屈服强度越高，允许的工作应力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以较小。（2）抗拉强度b 材料发生屈服后，其应力与应变的变化如图1-1所示，到最高点应力达最大值b。在这以后，试样产生“缩颈”，迅速伸长，应力明显下降，最后断裂。最大应力值b称为抗拉强度或强度极限。它也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。b测量方便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考虑，可用作为设计依据，但所取的安全系数应该大一些。屈服强度与抗拉强度的比值S/b称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的
6、有效利用率太低。3塑性材料在外力作用下，产生永久残余变形而不被断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸实验测得的（图1-6）。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。（1） 延伸率 试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号表示，即式中：L0 试样原始标距长度；L1 试样拉断后的标距长度。（2） 断面收缩率试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号表示，即式中：F0 试样原始的横截面积；F1 试样拉断处的横截面积。延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可
7、因塑性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指标外，还要求一定塑性指标的道理。材料的和值越大，塑性越好。两者相比，用表示塑性更接近材料的真实应变。4硬度硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。硬度测试应用得最广的是压入法，即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小或压痕深度来确定硬度值。从这个意义来说，硬度反映材料表面抵抗其它物体压入的能力。工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。（1）布氏硬度HB 布氏硬度是用一定载荷P，将直径为D
8、 的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积F确定硬度大小。其单位面积所受载荷称为布氏硬度。由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。当测试压头为淬火钢球时，只能测试硬度小于450HB的材料；当测试压头为硬质合金时，可测试硬度小于650HB的材料。对金属来讲，钢球压头只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间，有以下近似经验关系：对于低碳钢：b0.36HB； 对于高碳钢：b0.34HB；对于灰铸铁：b0.10HB。（2）洛氏硬度HR 洛氏硬度是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度来确定硬
9、度值。根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种。HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。二、物理性能1密度密度是指单位体积材料的质量，它是描述材料性能的重要指标。不同材料的相对密度不同，如钢为7.8左右；陶瓷的相对密度为2.22.5；各种塑料的相对密度更小。材料的相对密度直接关系到产品的质量，对于陶瓷材料来说，相对密度更是决定其性能的关键指标之一。抗拉强度与相对密度之比称为比强度；弹性模量与相
10、对密度之比称为比弹性模量。这两者也是考虑某些零件材料性能的重要指标，如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熔点熔点是指材料的熔化温度。通常，材料的熔点越高，高温性能就越好。陶瓷熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，所以陶瓷材料的高温性能普遍比金属材料好。由于玻璃不是晶体，所以没有固定熔点，而高分子材料一般也不是完全晶体，所以也没有固定熔点。3热容量在没有体积变化时，热容量C是温度变化1时材料热量的变化。材料中各种不同的相变热是重要的，最典型的相变热是熔解热和蒸发热，它们分别是材料熔化和气化所需要的热量。相变时材料内部的原子或分子结构发生了变化，这使材料中的热容量也发生变化，所
11、以科学家们经常利用测定材料热容量的变化来分析相变过程。4热膨胀性材料的热膨胀性通常用线膨胀系数L来表示。它表示每变化1时引起的材料相对膨胀量的大小。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；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过大而导致零件的变形或破坏。一般来说，陶瓷的热膨胀系数最低，金属次之，高分子材料最高。四、 工艺性能材料工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。所以，选材时必须充分考虑工艺性能。1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能力。对金属材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等
12、指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。对某些工程塑料而言，在其成型工艺方法中，也要求有较好的流动性和小的收缩率。2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。热塑性塑料可经过挤压和压塑成型。3可焊性可焊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，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。4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。它与材料种类
13、、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。非金属材料的结构和性能：无机非金属材料七、陶瓷材料的结构特点对工程师来说，陶瓷包括种类繁多的物质，例如玻璃、砖、石头、混凝土、磨料、搪瓷、介电绝缘材料、非金属磁性材料、高温耐火材料和许多其它材料。所有这些材料的共同特征是：它们是金属和非金属的化合物。这些化合物由离子键和共价键结合在一起。陶瓷材料的显微组织由晶体相、玻璃相和气相组成，而且各相的相对量变化很大，分布也不够均匀。与金属相比，陶瓷相的晶体结构比较复杂。由
14、于这种复杂性以及其原子结合键强度较大，所以使陶瓷反应缓慢。例如，正常冷却速率的玻璃没有充分时间使其重排为复杂的晶体结构，所以它在室温下可长期保持为过冷液体。1 AX型陶瓷晶体AX型陶瓷晶体是最简单的陶瓷化合物，它们具有数量相等的金属原子和非金属原子。它们可以是离子型化合物，如MgO，其中两个电子从金属原子转移到非金属原子，而形成阳离子（Mg3+）和阴离子（O2）。AX化合物也可以是共价型，价电子在很大程度上是共用的。硫化锌（ZnS）是这类化合物的一个例子。AX化合物的特征是：A原子只被作为直接邻居的X原子所配位，且X原子也只有A原子作为第一邻居。因此A和X原子或离子是高度有序的，在形成AX 化
15、合物时，有三种主要的方法能使两种原子数目相等，且有如上所述的有序配位。属于这类结构的有：（1）CsCl型 这种化合物的结构见图2-25。A原子（或离子）位于8个X原子的中心，X原子（或离子）也处于8个A原子的中心。但应该注意的是，这种结构并不是体心立方的。确切的说，它是简单立方的，它相当于把简单立方的A原子和X原子晶格相对平移a/2，到达彼此的中心位置而形成。（2）NaCl型 NaCl型的结构是：阴离子为面心立方点阵；而阳离子位于其晶胞和棱边的中心。其原子排列情况如图2-26所示。（3）ZnS（闪锌矿型）和非立方型 这类结构原子排列比较复杂，形成的陶瓷材料很硬很脆。属于闪锌矿型结构的陶瓷材料有
16、ZnS、BeO、SiC等；属于非立方型结构的陶瓷材料有FeS、MnTe、ZnO、NiAs等。2 AmXp型陶瓷晶体（1）萤石（CaF2）型结构与逆萤石型结构 这类结构中金属原子具有面心立方点阵，非金属原子占据所有的四面体间隙位置。萤石结构的氧化物有CeO2、PrO2、UO2、ZrO2、NpO2、PuO2、AmO2等。它们的特点是金属离子半径大于氧离子半径，所以金属离子呈面心立方或密排六方结构，而小的氧离子则填充间隙。（2）刚玉（Al2O3）结构 这种结构的氧离子具有密排六方的排列，阳离子占据八面体间隙的三分之二。具有这种结构的氧化物有Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、G
17、a2O3、Rh2O3等。八、硅酸盐化合物许多陶瓷材料都包含硅酸盐，一方面是因为硅酸盐丰富和便宜，另一方面则是因为它们具有在工程上有用的某些独特性能。1 硅酸盐四面体单元硅酸盐的基本结构单元为 (SiO4)4 四面体，如图2-27所示。其中，四面体的顶角上有四个O2，四面体的中间间隙位置上有一个Si4+。将四面体连接在一起的力包含离子键和共价键；因此，四面体的结合很牢固。但是，不论是离子键或共价键机制，每个四面体的氧原子外层只有7个电子而不是8个。2 硅酸盐化合物的几种类型按照连接方式划分，硅酸盐化合物可以分为以下几种类型：（1）孤立状硅酸盐其单元体(SiO4)4互相独立，不发生相互连接，化学组
18、成一般可以表示为2ROSiO2。其中RO表示金属氧化物如MgO、CaO、FeO等，但表达式中以氧为基准（即取氧为1，若为Al2O3，则应写成Al2/3O）。具有这类结构的有橄榄石和石榴石等。 （2）复合状硅酸盐由两个(SiO4)4单元体连接在一起，形成(Si2O7)6离子，其化学组成为3RO2SiO2。属于这类结构的有镁方柱石、Ca2MgSi2O7等。 （3）球状和链状硅酸盐 它是在n个 (SiO3)2 即 (SiO3)n2n 中，四面体的两个顶点分别相互共有，形成各种球状或链状结构。这类硅酸盐结构的化学组成可以表示为ROSiO2。具有这类结构的硅酸盐有顽火辉石Mg2(Si2O6)、透辉石Mg
19、Ca(SiO3)2、角闪石(OH)2Ca2Mg5(Si4O11)2等。（4）层状硅酸盐 此类结构中，四面体具有三个共有顶点，构成了二维网络的层状结构。化学组成可以表示为RO2SiO2，通常粘土矿物具有这种结构。（5）立体网络状硅酸盐 若硅氧四面体中的四个顶点均共有，则形成立体网络结构，具有这类结构的硅酸盐有石英、LiAlSiO4和LiAlSi2O5等。九、陶瓷的组织1玻璃相玻璃是非晶态材料，由熔融的液体凝固获得，其比容随温度的变化与晶体不同。试验表明，由熔融液体转变为晶体时，在结晶温度Tm比容急剧降低，这表明结构发生了质的变化；但当形成非晶态玻璃时，在玻璃转变温度Tg附近比容变化率虽发生了变化
20、，但并不出现比容随温度降低而急剧降低的现象。材料能否形成玻璃或非晶态，与材料凝固点的粘度和冷却速度有关。SiO2等氧化物的粘度很高，所以容易形成玻璃。2气相气体是烧结的陶瓷坯体中常见的组分。陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。陶瓷材料的气孔量用气孔的相对体积（气孔率）来表示，它是衡量陶瓷材料质量的重要标志。开放气孔和封闭气孔在材料中的总相对体积称为真气孔率；开放气孔的相对体积称为显气孔率。气孔使陶瓷的强度降低，电性能变坏。十、陶瓷材料的弹性变形材料在静拉伸载荷下，一般都要经过弹性变形、塑性变形及断裂三个阶段。然而陶瓷材料在室温静拉伸（或静弯曲）载荷下，不出现塑性变形阶段，即弹性变形阶段结束后
21、，立即发生脆性断裂。描述弹性变形阶段材料力学行为的重要性能指标为曲线中直线部分的斜率，即弹性模量E。与金属材料相比，陶瓷材料的弹性模量有如下特点：1陶瓷材料的弹性模量比金属大得多，常相差数倍，这是因为陶瓷材料具有强固的离子键和共价键的缘故。2与金属材料不同，陶瓷材料的弹性模量，不仅与结合键有关，而且还与构成陶瓷材料的种类、分布比例及气孔率有关。金属材料的弹性模量是一个极为稳定的力学性能指标，合金化、热处理、冷热加工等均难以改变其数值。但是陶瓷的工艺过程却对陶瓷材料的弹性模量有着重大影响。例如气孔率P较小时，弹性模量随气孔率的增加而线性降低，可用下面的经验公式表示：， 式中E0是无气孔时的弹性模
22、量，K为常数。3陶瓷材料压缩状态的弹性模量（E压）一般大于拉伸状态的弹性模量。一般说来，在弹性范围内，金属的曲线，无论是拉还是压，其弹性模量相等，即拉伸与压缩两部分的曲线为一条直线。而陶瓷材料压缩时的弹性模量一般大于拉伸时的弹性模量，这与陶瓷材料显微结构的复杂性和不均匀性有关。二、陶瓷材料的塑性变形及蠕变 由于陶瓷材料脆性大，在常温下基本不出现或极少出现塑性变形。金属材料容易滑移而产生塑性变形，原因是金属键没有方向性。陶瓷材料的结合键是共价键和离子键，共价键有明显的方向性和饱和性，而离子键的同号离子接近时斥力很大，所以主要由离子晶体和共价晶体组成的陶瓷，滑移系很少，一般在产生滑移以前就发生断裂
23、。因而大多数陶瓷在室温下几乎不能产生塑性变形，这是陶瓷力学行为的最大特点。随着温度的升高和时间的延长，有些陶瓷材料可表现出一定的塑性变形能力。此时，陶瓷材料的塑性变形主要是以蠕变的形式发生。通常，含有玻璃相的陶瓷材料，在高温下承受一定载荷时，会发生蠕变现象，这种行为对于高温结构陶瓷是非常重要的。三、陶瓷材料的强度、硬度和断裂 结合键和晶体构造决定了陶瓷具有很高的抗压强度和硬度，而抗拉强度和剪切强度则很低。陶瓷的实际断裂强度小得多，一般差23个数量级，主要原因是内部存在许多不同大小、形状和分布的裂纹。由于陶瓷的塑性变形能力极差，所以受力时在裂纹尖端容易产生很高的应力集中，并且材料的裂纹扩展抗力很
24、低，在应力峰值超过一定的大小时，裂纹很快扩展，发生脆性断裂。为了提高陶瓷材料的实际强度，改善其脆性，目前有以下几种办法：1制造颗粒细的、致密度高的、均匀的、较纯净的陶瓷，以尽量减少组织中的各种杂质和缺陷。例如用热压法制造的Si3N4陶瓷，几乎没有气孔，密度和强度都接近于理论值。2将陶瓷制成纤维，甚至晶须，可以大大减小各种缺陷产生的机率，能使强度提高12个数量级。3在陶瓷表面造成一个残余应力层，在某些受力情况下（可承受横向弯曲载荷的板材），可以抵消一部分表面拉应力，从而降低了材料表面实际承受的拉应力峰值。由于断裂往往从表面的受拉应力处开始，所以这种残余压应力可以提高陶瓷的强度。制造钢化玻璃就是利用这种方法。硬度也是陶瓷材料的一个重要性能指标。陶瓷材料的硬度一般都很高，典型的共价键晶体金刚石的硬度最高。陶瓷和矿物常采用莫氏硬度，或叫划痕硬度，它只反映材料硬度的相对大小。硬度按大小顺序分十级或十五级。滑石最软，金刚石最硬。石英为十级莫氏硬度中的第七级。
