第2章工程材料性能及应用基础

第二节 材料学基础
（六）铁碳合金相图
1．铁碳合金的基本相 （1）铁素体 碳原子溶于α-Fe中形成间隙固溶 体，原子排列仍为体心立方点阵，该结构即为铁素 体，用F或α表示。 （2）奥氏体 碳原子若溶于γ-Fe中，形成间隙 固溶体，仍保持面心立方晶体结构，该结构称为奥 氏体，用A或γ表示。 （3）渗碳体 是铁和碳的化合物，含碳量为 6.69 wt％，晶体结构复杂，呈复杂斜方晶体结构。 2．铁碳合金相图分析 图2-29 为简化的铁碳合金相图。相图中各主要 特征点均具有重要含义，连接各特征点将组成特征 线，特征线则将相图分成特征区，上述点、线、面 及其含义说明列于表2-1。
第二节 材料学基础
1.固溶体 当合金组元之间以不同比例相互混合后 ，若所形成的固相晶体结构与组成合金的某 一组元相同，这种相称为固溶体。 固溶体的固溶方式按溶质原子在溶剂晶 格中所处的位置，又可分为间隙固溶体和置 换固溶体，如图2-25所示。 2.金属化合物 金属化合物是合金组元间发生相互作用 而形成的一种新相，它的晶体结构类型和性 能不同于任一组元，但具有金属性质。
ak=AK/A0 式中 (2-7 )
AK--摆锤对冲击试样做的功（J）； A0--试样缺口处截面积（cm2）。
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四、疲劳强度
图2-6列出了几种变动载荷示意图。 疲劳强度(fatigue strength)是工程材料 承受规定循环次数（常取106 -107 ）而不失效 的最大应力，用σγ 表示。下标γ表示应力循 环对称系数，由下式确定：
HBS( HBW ) P P P AR DH D( D D 2 d 2 )
式中P--载荷（N） D--钢球直径（mm） d--压痕直径(mm)
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2.洛氏硬度（HR） 洛氏硬度测试原理：用一个锥顶角为 120°的金刚石圆锥或一定直径的钢球压头， 在规定载荷作用下压入被测材料表面，由压 头在材料表面所形成的压痕深度来确定其硬 度值，如图2-9所示。
第二节 材料学基础
晶面是晶格中不同方位上的原子面，用来描 述晶面位置的符号即为晶面指数。 图2-18给出几种晶面指数类型。 晶面指数按以下步骤进行确定： 1）将晶胞中某一顶点引出的三条棱边作为坐 标轴 X、Y、Z，坐标原点应选在待定晶面之外， 以免出现零截面。 2）以晶胞的棱边长为度量单位，求出待定晶 面在各轴上的截距。 3）取各截距的倒数，并化为最小简单整数， 放在圆括号“（）”内，即为求得的晶面指数。
K Ic Y c a
纲系数 σc--裂纹失稳扩展的应力，即断裂应力，计算 与测量方法见式(2-4) a--材料内部裂纹长度的一半
Y--是一个和裂纹形状及加载方式有关的无量
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七、材料的高温性能
1.高温强度 高温强度是指材料在高温下，抵抗外力 载荷所引起的应变或断裂的能力。典型单相 多晶陶瓷材料的强度和变形随温度的变化见 图2-12。
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一、强度
强度(Strength)是指材料抵抗由外力载荷所 引起的应变或断裂的能力，外力载荷方式不同， 描述强度的指标也不同。
（一）抗拉强度
塑性较好的金属或高分子材料常用抗拉强度 衡量其抵抗破坏的能力，它是通过标准试样在拉 伸试验机上通过拉伸试验测出来的。图2-1为低 碳钢拉伸试样的形状和尺寸示意图。
六、断裂韧性
断裂韧性KIC 是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的 度量，是材料抵抗低应力脆性断裂的能力。 KIC 主 要用于脆性材料，断裂韧性的测量方法与抗折强度 测量方法相类似（见图2-11）。不同之处是在弯曲 试样中部预制一个0.1mm左右宽的小口，以模拟材 料内部微裂纹的一半，然后加载后测量其断裂韧性 KIC。KIC计算公式:
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1.抗热震性
材料的抗热震性(Thermal Shock)是指材 料抵抗温度变化能力的大小，分为热冲击作用 下的瞬时断裂和热冲击循环作用下的开裂、剥 落，终至整体损坏的热震损伤两大类。水急冷 条件下平板件表面及中心处产生的热应力σs为
E T1 T0 S 1
第二节 材料学基础
2.金属的单晶体结构
（1）体心立方晶体结构 该晶体结构的原子 排布规律如图2-14所示。 （2）面心立方晶体结构 该晶体结构的原子 排布规律如图2-15所示 。 （3）密排六方晶体结构 该晶体结构的原子 排布规律如图2-16所示 。
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3．晶向指数和晶面指数*
晶向是晶格中各种原子列的位向，晶向指数即是 用来描述晶向的一种符号。图2-17中示出了立方晶体 结构中的几种晶向指数。 晶向指数可以按以下步骤进行确定： 1）从晶胞的同一点（原点）引出三个棱边作为坐 标轴X、Y、Z，以棱边长度（即点阵常数）作为坐标轴 的单位长度。 2）自坐标原点引出一有向直线平行于所求的晶向 3）在所引出的有向直线上任取一点，求出该点的 坐标。 4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次写在 “„‟”括号内，即为所求的晶向指数。
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八、高弹性和粘流性
在外力作用下，高聚物会发生大的变形 ，当外力去除后，其变形逐渐回复的性质称 高弹性。 粘流性是指高聚物粘性流动的性质。
第二节 材料学基础
第二节 材料学基础
一、金属学基础
(一)金属的晶体结构 1.晶体点阵和晶胞 将晶体中的质点假设为固定不动的刚性球体， 而晶体就是由这些刚性球体堆垛而成的，如图213(a)。若用许多平行的直线将这些原子刚球连接 起来，就构成三维的空间构架，如图2-13(b)。这 种用来描述晶体中质点（原子、离子或分子）排列 规则的空间构架模型称为晶体点阵。为了描述晶胞 内的几何特征和质点空间位置，通常可用三个棱边 长a、b、c和三个棱边之间夹角α、β、γ来进行 ，如图2-13(c)。其中a、b、c又叫点阵常数。
第二章
工程材料性能及应用基础
第二章 工程材料性能 及应用基础
本章将重点介绍材料的力学性能、材料 学的部分基础知识、材料的分类编号及用 途，以便为选材和制定后续制造工艺奠定 基础。
第一节 工程材料的力学性能
第一节 工程材料的力学性能
力 学 性 能 （ 或 机 械 性 能 ， Mechanical Performance）是指材料受到外加载荷作用时 ，所反映出来的固有性能。
金属的结晶过程，可用冷却曲线描述， 图2-22a)为纯金属的冷却曲线，它表明了熔 融金属经缓慢冷却所表现出的温度随时间的 变化规律。理论结晶温度与实际结晶温度之 差称为过冷度，用ΔT表示。 ΔT = Tm -T1 （2-16） 合金（或非纯金属）的结晶不同于纯金 属，图2-22b)为Cu-Ni合金的冷却曲线。 研究还表明，金属的结晶过程实质上是 晶核的形成与长大过程。图2-23描述了液态 金属的结晶全过程。
二、塑性
工程材料的塑性(plasticity)是指工程材 料在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的 能力。对应拉伸变形，通常用两种方式来表 示，即伸长率（δ）和断面收缩率(Ψ)。 δ=(L1-L0)/L0×100% （2-5） Ψ=(A0-A1)/A0×100% 式中L0--试样标距的原始长度； （2-6）
γ=σmin/σmax (2-8) 式中σmin --循环应力中数值最小的应力； σmax --循环应力中数值最大的应力。 试样承受不同的应力幅σa[σa=(σmax-σmin )/2]与循环断裂周次N之间的关系曲线，称疲劳 曲线，如图2-7所示。

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五、硬度
硬度(Hardness)是指更硬的外来物体作 用于固体材料上时，固体材料抵抗塑性变形 、压入或压痕的能力。
第一节 工程材料的力学性能
1、金属材料抗拉强度 图2-2a为低碳钢的拉伸曲线。 图2-2b为不同金属材料的应力－应变拉伸曲线图。 抗拉强度是表示材料在拉伸过程中单位面积所能承 受的最大拉伸力，用σb （单位MPa）表示，计算方法为 ：σb=Pb/A0 (2-1) 式中：Pb——试样拉伸时的最大拉力（N） A0——试样的原始载面积（m2） 屈服强度是工程材料在外力作用下开始产生屈服时 单位面积所能承受的最大拉伸力。用σs表示，计算方 法为： σs=Ps/A0 (2-2) 式中：Ps ——试样产生屈服现象时的对应载荷（N）。 2、高分子材料抗张（拉）强度 图2-3为高分子聚合物在不同温度范围时的拉伸曲线。
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（二）抗折（弯）强度
图2-4(a) ，2-4(b)分别为三点、四点弯曲加 载示意图 其中三点弯曲抗折强度计算公式为：
3PL f 2bh
2
式中，P为断裂载荷（N），L为下支点间跨距（mm ），b为试样的宽度（mm），h为试样的厚度（mm） 。强度单位为MPa。
第一节 工程材料的力学性能
第一节 工程材料的力学性能
1.布氏硬度（HB）
布氏硬度测试原理：它是用载荷为P的力把直 径为D的钢球（或是硬质合金球）压入材料表面（ 如图2-8），并保持一定的时间，然后卸载，测出 钢球（或硬质合金球）在材料表面上所压出凹痕的 直径d，由此计算出压痕球面面积AR，求出单位面积 所受的力，即为材料的硬度值。计算公式为：
L1--试样拉断瞬间标距的实际长度；
A0--试样原始截面积； A1--试样断囗处的截面积。
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三、冲击韧度
冲击韧度是指被冲击试件在一次冲击试 验时被冲断所吸收的能量Ak 除以原试件的最 小横截面积A0所得的值（见式2-7）。用符号 ak(单位为J/m)表示。工程上常用摆锤冲击试 验机来测定冲击韧度，图2-5为试验示意图
4. 邵氏硬度
邵氏硬度又称肖氏硬度,是用来测量弹性 体和热塑性软塑料的穿透硬度的，邵氏硬度分 为邵氏压痕硬度与邵氏反弹硬度两种。 反弹式硬度值由下式计算： HS=KH/H0
式中：HS--邵氏反弹硬度。 H--冲头反弹的高度mm。 H0--冲头的原始高度mm。 K--反弹硬度系数。