材料的组织结构与性能的关系
材料的结构与性能的关系
材料的结构与性能的关系材料是现代工程领域中极为重要的研究方向之一。
不同材料的结构决定了其性能，而理解材料的结构与性能之间的关系，对于设计和开发新材料具有重要的指导意义。
本文将探讨材料的结构与性能之间的关系，并深入分析几种常见材料的结构和性能特点，旨在帮助读者更好地理解材料学的基础知识。
一、结晶材料的结构与性能结晶材料是指具有长程有序的排列结构的材料。
其分子或原子以一定的方式排列，形成晶体的结构。
结晶材料的性能受其结构的影响较大。
首先，晶体的晶格结构决定了材料的硬度和脆性。
例如，金刚石的碳原子以立方晶格排列，使其具有极高的硬度；而玻璃材料则是无定形的结构，因此较易破碎。
其次，晶体中的缺陷和杂质也会影响材料的性能。
点缺陷（如空位和杂质原子）会导致晶体的电导率和机械性能变化。
因此，在合金制备过程中，控制杂质元素的含量和分布至关重要。
二、非晶材料的结构与性能与结晶材料不同，非晶材料没有规则的长程有序结构，而是具有无定形的结构。
非晶材料的结构与性能之间也存在着密切的关系。
首先，非晶材料通常具有较高的强度和弹性模量。
这是因为非晶材料的无定形结构使得其分子或原子在受力时可以更均匀地分布，从而增加了其强度和硬度。
此外，非晶材料还具有较低的热导率和电导率。
非晶材料中缺乏长程有序的结构，导致热和电子在材料中传输困难。
三、复合材料的结构与性能复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过某种方法结合而成的材料。
复合材料的结构多样化，因此其性能方面也有所不同。
结构设计的合理与否对复合材料的性能有着决定性的影响。
例如，纤维增强复合材料的强度主要由纤维的类型、分布和取向决定。
而基体材料的性能也会影响复合材料的整体性能。
因此，在复合材料的研制中，合理选择不同材料的比例、制备方法和结构布置是关键。
综上所述，材料的结构与性能之间存在着紧密的关系。
不同类型的材料具有不同的结构特点，这些结构特点决定了材料的力学性能、电学性能、热学性能等方面。
材料的结构与性能关系研究
材料的结构与性能关系研究材料的结构与性能关系一直是材料科学与工程领域一个重要的研究方向。
在材料的研发、制备以及应用过程中，了解材料的结构特征对其性能具有重要的指导意义。
本文将探讨材料的结构与性能之间的关系，并结合实际案例进行分析。
一、材料结构对力学性能的影响材料结构的组成和排列方式对其力学性能具有重要影响。
以金属材料为例，晶体的晶格结构、晶界、位错等因素会显著影响材料的力学性能。
晶体结构的紧密度与晶粒尺寸的大小会影响材料的硬度、强度、延展性等特性。
此外，晶界的存在会引起位错的滞留，从而对材料的力学性能造成影响。
二、材料结构对热学性能的影响材料的结构特征对其热学性能同样有着重要的影响。
晶体材料的晶格结构会影响其热导率和热膨胀系数。
例如，具有高对称晶体结构的材料通常具有较低的热膨胀系数，这在实际工程中具有重要的应用价值。
另外，材料的结构也会影响其热导率的大小和热传导的路径。
三、材料结构对电学性能的影响材料的结构特征对其电学性能具有显著的影响。
晶体材料的晶格结构会决定其电导率、电阻率以及介电常数等电学特性。
例如，多晶材料中晶粒间的晶界会影响电导率，而材料中的缺陷和杂质也会改变其电导性能。
四、材料结构对化学性能的影响材料的结构特征对其化学性能也有着重要作用。
材料中的晶格结构、表面形貌以及孔隙结构会影响材料的催化活性、抗腐蚀性等化学性能。
例如，金属材料的晶粒尺寸与晶界结构会影响其对氧化剂的稳定性，从而影响其耐蚀性。
总结起来，材料的结构与性能之间存在着密切的关系。
材料科学与工程研究的目标之一就是通过调控和设计材料的结构，以实现对材料性能的优化。
在实际工程中，对材料的结构与性能关系的深入了解，有助于选择合适的材料以及进行相应的工艺调整，从而使材料在特定应用环境下发挥出最佳的性能。
通过对材料结构与性能关系的研究，我们可以开发出更高性能的材料，满足各种工程应用的需求。
同时，了解不同材料的结构与性能之间的关系，也为材料鉴定、品质控制以及故障分析提供了重要的依据。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料是工程中最常用的材料之一。
它们具有比塑料和木材等其他材料更高的强度
和刚度。
金属材料组织和性能之间的关系对于材料工程师准确设计和制造零件非常重要。
下面将讨论金属材料组织和性能之间的关系。
首先，金属材料的组织是指其由微观组织组成的整体结构。
它们可以分为晶粒和相
（或组织）两个层次。
晶粒是金属中最小的单元，其形状和大小会影响金属的强度和塑性。
如何控制晶粒的大小和形状可以控制材料的性能。
相是指材料中存在的不同化学成分的分布。
相的存在会影响材料的硬度，韧性，强度和电导率等性能。
其次，金属材料的性能主要由其晶粒结构（或晶体结构）和相结构来决定。
晶粒的形
态和大小会影响材料的强度、硬度和延展性。
较小的晶粒大小通常意味着更高的强度，较
大的晶粒尺寸则通常意味着更高的韧性。
此外，相的类型和存在量也是影响材料性能的重
要因素。
例如，奥氏体相通常是不锈钢和其他高强度合金中的优选相。
第三，金属材料的热处理可以通过改变它们的组织结构来改变其性能。
热处理包括淬火、回火、冷处理和退火等。
这些过程可以对晶体结构和相结构进行改变，提高材料的强
度和耐腐蚀性能，并改善其成形能力。
总之，金属材料组织和性能之间的关系非常密切。
了解其组织结构和热处理对其性能
的影响可以为材料工程师提供有用的指导，从而设计和制造出具有所需性能的零件。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系金属材料中的组织与其性能密切相关。
不同的加工方式和处理方法可以影响到金属材料的晶粒结构、晶界特征、缺陷密度、相含量、物理状态等，从而对其性能产生影响。
下面将详细介绍金属材料组织和性能之间的关系。
1. 晶粒结构与强度金属材料的晶粒结构是由晶粒大小、晶粒形状、晶体方向等因素组成的。
通常来说，晶粒越小，材料的强度和硬度就越高。
这是因为晶界是材料中最薄弱的部分，当晶粒尺寸减小时，晶界的数量就会增加，从而限制了位错和裂纹在晶体中的传播，使得材料的力学性能得以提高。
2. 合金元素和相含量与硬度和强度在单质金属中，受限于其原子体积和层间结构，只能够存在有规则的晶格结构。
但在合金中，加入了其他元素可以形成非晶态、极细晶晶界、存在颗粒等结构，增加了材料的硬度和强度，同时还可以改善其抗腐蚀能力、高温性能等其他性能。
在某些情况下，不同相的相互作用也会影响到材料的性能。
例如，在钢中添加碳元素，形成含碳化物的相，可以提高钢的硬度和强度。
但当各相之间存在位错或微缺陷时，会导致载荷的集中和局部应力的增加，从而对材料的抗拉性能产生不利影响。
3. 晶界特征与导电性能和热导率晶粒的尺寸和形状不仅影响到强度和硬度，也影响到金属材料的导电性能和热导率。
晶界是电阻、热阻的主要来源之一，而其特征也会影响到材料导电性能和热导率的大小和稳定性。
例如，在生产电线时，为了保证电阻率稳定，需要控制钢芯中晶粒的尺寸和净化度。
4. 缺陷密度与可靠性缺陷是大多数材料中不可避免的存在，但多数情况下会影响到其可靠性及寿命。
缺陷的类型和密度与与材料的可靠性密切相关。
例如，在铝合金中存在少量的裂纹或者空洞可以增加其局部断裂的可能性，从而大大降低其抗拉强度和疲劳寿命。
材料组织结构对其性能的影响
材料组织结构对其性能的影响材料是指可以制成各种器件或构件的原材料，如金属、陶瓷、塑料等。
而材料性能则是指材料在各种条件下表现出来的物理、化学特性。
而材料组织结构是指材料微观和宏观结构的形态、大小和排列等。
这种材料组织结构对材料性能的影响是不容忽视的。
材料组织结构对其力学性能的影响一种材料的组织结构是由其晶体结构和微观组织构成的。
材料的晶体结构决定了其原子排列方式，而微观组织则是由晶粒、晶界、位错等组成的。
这些因素对材料的力学性能有着直接的影响。
首先，材料的晶体结构会影响其强度和塑性。
晶粒的尺寸和排列方式会直接影响材料的强度和韧性。
当晶粒尺寸减小时，晶粒边界的数目也会增加，使得材料的断裂韧性变得更高。
而当晶粒尺寸变大时，晶粒间的结合力也会增强，提高了材料的强度。
此外，晶界也是影响材料强度和韧性的关键因素，晶界能使晶体之间的位移发生，从而对其应变和变形起到调节作用。
而位错是晶体中产生塑性变形的主要途径之一，位错的数量和类型也会直接影响材料的变形能力。
其次，材料的组织结构对材料蠕变和疲劳寿命也有重要影响。
当材料长时间处于高温或高应力状态下时，就会发生蠕变现象。
晶粒的尺寸和晶粒间的结构会直接影响材料的蠕变行为。
若晶粒尺寸较大，晶界面积较小，则蠕变速率较慢；而若晶粒尺寸较小，晶界面积较大，则蠕变速率较快。
疲劳寿命是指材料在重复应力循环下失效的时间。
材料组织结构对疲劳寿命也有显著影响。
当材料的微观组织中存在缺陷时，这些缺陷在重复应力循环下会逐渐扩展，导致材料的裂纹和疲劳断裂。
因此，若想提高材料的疲劳寿命，就必须充分控制材料组织结构中存在的缺陷。
材料组织结构对其物理性能的影响材料的组织结构对其物理性能也有着重要影响。
例如，导电性、热导率、磁性和光学性质等。
首先，材料的微观组织对其导电性能有着重要的影响。
当电流通过材料时，电子会与材料中的原子和分子相互作用。
这些作用使得电子在材料中发生散射，并影响电子的运动。
因此，材料组织结构对电子的散射和传输会影响材料的导电性能。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系金属材料的组织是指金属材料内部晶体结构的形态和分布状况，它对金属材料的性能有着重要的影响。
金属材料的组织与性能之间的关系是一个复杂而又密切的关系，下面将从金属的强度、塑性、硬度、耐磨性和耐蚀性等性能方面来说明组织和性能之间的关系。
金属材料的强度与其组织状态有直接的关系。
金属材料的晶粒尺寸越细小，其强度就越高。
这是因为细小的晶粒能够阻碍位错的移动和滑移，使材料变得更加坚硬和强大。
金属材料的晶体形态和晶体间的结构也会影响其强度。
在冷变形过程中，金属材料的晶体将发生取向性增长，使其内部形成纤维状的组织结构，从而提高了材料的强度。
金属材料的塑性与组织状态密切相关。
金属材料的塑性与晶体形状、晶界结构和晶粒尺寸等因素有关。
晶体的细小、均匀和重结晶等因素可以增强材料的塑性。
晶界也是影响金属塑性的重要因素之一。
晶界的强化和位错沿晶界的移动将限制位错的滑移，从而增加材料的塑性。
显微组织的形态和孪生也会影响金属材料的塑性。
金属材料的硬度与组织状态也有一定的关系。
材料的硬度主要受晶体结构的形态和晶粒尺寸的影响。
细小的晶粒能够增加晶界和位错的密度，从而增加材料的硬度。
合金元素的添加和固溶体的析出也会对材料的硬度产生影响。
固溶碳元素可以提高铁的硬度，使其变为钢。
金属材料的耐磨性与组织状态有直接关系。
细小的晶粒和紧密的晶界结构可以提高材料的耐磨性。
合金元素的添加和相变等也可以提高材料的耐磨性。
添加硬质相可以提高材料的抗磨损能力。
金属材料的耐蚀性与组织状态也密切相关。
金属材料的耐蚀性主要受晶界和位错的影响。
晶界的特殊性质可以影响金属材料与外界环境的反应，从而影响其耐蚀性能。
合金元素的添加和相变也会改变材料的耐蚀性能。
添加不锈钢等合金元素可以提高金属材料的耐蚀性能。
金属材料的组织对其性能有着重要的影响。
通过调控金属材料的组织结构，可以改善其强度、塑性、硬度、耐磨性和耐蚀性等性能，从而满足不同领域对金属材料性能的需求。
材料结构与性能之间的关联对材料设计具有重要指导意义
材料结构与性能之间的关联对材料设计具有重要指导意义在材料科学和工程领域，材料的结构与性能之间的关联是一个重要的研究方向。
了解和掌握材料结构与性能之间的关系，对于材料设计和性能优化至关重要。
本文将探讨材料结构与性能之间的关联，并分析其在材料设计中的指导意义。
材料结构与性能之间的关联主要体现在以下几个方面：1. 结晶结构与力学性能：材料的结晶结构对其力学性能有着重要的影响。
晶体的晶格结构和晶体缺陷（如晶界、位错等）对材料的强度、硬度和塑性等力学性能具有显著的影响。
通过控制材料的晶粒尺寸、晶界的类型和密度，可以调节材料的力学性能，实现材料的强度和韧性的平衡。
2. 化学成分与化学性能：材料的化学成分对其化学性能有着关键的影响。
不同元素的添加或取代可以改变材料的化学性质，如反应活性、耐腐蚀性等。
例如，合金中不同金属元素的配比和含量可以改变材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性能，从而适应不同的工程应用需求。
3. 显微结构与导电性能：材料的显微结构对其导电性能有着重要的影响。
在金属和半导体材料中，晶界和晶粒尺寸对材料的电子迁移率和电阻率具有显著影响。
通过优化材料的显微结构和粒界工程，可以提高材料的导电性能，满足电子器件对高性能材料的需求。
以上这些关联关系为材料设计提供了重要的指导意义。
在材料设计过程中，我们可以从以下几个方面出发，利用这些关联关系来实现材料性能的优化和控制：1. 结构优化：通过调控材料的结构，包括晶体结构、晶体缺陷和显微结构等，可以改善材料的力学性能、导电性能和光学性能等。
例如，利用晶粒细化和晶界工程来提高材料的强度和塑性，通过控制材料的晶粒尺寸和晶界密度来提高材料的导电性能。
2. 成分调控：通过调整材料的化学成分和配比，可以改变材料的化学性质和功能。
在合金材料中，可以通过合理的元素选择和含量控制，来改善材料的耐磨性、耐腐蚀性和高温性能等。
同时，可以利用化学成分的调控来实现材料的多功能性，满足不同领域的应用需求。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系金属材料是工业制造、建筑建设、电子产业等各个领域中广泛使用的材料之一，其组织和性能之间的关系对材料的质量、可靠性以及使用寿命等方面产生了重要的影响。
本文将对金属材料的组织和性能之间的关系进行探讨。
1. 组织和性能的相关性金属材料的组织和性能之间存在着密切的关系，其组织是金属材料其它许多性能的基础，例如力学性能、导电性能、热学性能等。
不同的组织对于金属材料的性能会产生不同的影响，因此需要根据不同的性能要求选择不同的组织结构。
2. 组织对力学性能的影响金属材料的组织对其力学性能尤其是强度、韧性、塑性等方面有着重要的影响，常见的组织形态有晶体结构、晶粒大小、晶界分布、相变状态等。
粗大的晶粒和与晶界开裂是金属材料强度下降的主要原因之一，通常用小晶粒材料来提高材料的强度。
相变状态也会对金属材料的力学性能产生重要影响，例如淬火时，材料中会形成马氏体相从而大大提高材料的硬度和抗拉强度。
金属材料的导电性能也受其组织结构的影响。
晶界的存在会导致导电性能的降低，但同时也会使材料的韧性和弯曲性能提高，因此需要在强度、塑性和电导率之间进行平衡。
此外，材料的纯度和缺陷对其导电性能也有重要的影响。
金属材料的热学性能包括热膨胀系数、热导率、比热等，其组织结构会影响材料的热学性能。
晶体结构决定了金属材料的热膨胀系数，但在同一晶体结构下不同组织结构的材料的热膨胀系数也会有所不同。
材料中缺陷和晶界对热导率也有一定的贡献，缺陷和晶界数量会影响材料的导热率，同时材料的纯度对热导率也有影响。
材料的组织对其腐蚀性能也有关键的影响。
不同组织状态下的材料耐蚀性能是不同的，纯度高、晶粒细小且均匀、表面平整的材料具有更好的抗腐蚀性。
此外，不同材料也会因其特定的组织特征而具有特定的腐蚀行为。
6. 结论综上所述，金属材料的组织和性能之间是密切相关的。
了解不同组织状态下金属材料的特定性能，可以为合理选材、工艺优化等方面提供重要参考。
金属材料组织和性能之间的关系
金属材料组织和性能之间的关系金属材料是指由单一或几种金属元素和其他元素组成的材料，其具有明显的金属结构和性能特点。
金属材料的组织和性能之间具有密切的关系。
首先，金属材料的组织对其性能有重要影响。
金属材料的组织可分为晶粒、相和组织缺陷三个层次。
晶粒是金属内部最小的结晶单元，在金属制备过程中决定着金属的基本组织结构。
晶粒尺寸通常越小，材料的强度、韧性和硬度也越大。
相是指两种或多种沿晶边相互分界的金属块体，它们各自由一定化学成分和组织结构特征，组成了材料的配位。
相成分、形态和尺寸直接影响材料的化学性能、热处理性和可加工性。
组织缺陷通常包括晶间缺陷、位错和夹杂物等。
缺陷数量和类型对金属材料的强度、塑性和耐磨性都有很大影响。
其次，金属材料的力学性能与成分比例有密切关系。
金属材料的强度、硬度和成功能受到成分比例的影响，不同比例的元素在金属中表现出不同的行为，对金属微观组织、力学性能产生影响。
成分比例直接影响材料的宏观力学性能，体现在各项强度、塑性、韧性和磨损性等方面。
不同的成分和比例还决定着材料的化学性，如耐腐蚀性等。
最后，金属材料的组织和性能之间的相互作用是很复杂的，需要综合考虑多方面因素。
如不同的加工工艺，热处理条件，环境参数等都会影响金属材料的组织和性能。
例如调整元素比例、控制晶粒大小和控制热处理参数，可以显著提高金属材料的性能。
总之，金属材料的组织和性能之间的关系密不可分，对金属材料的制备、加工、应用具有重要意义。
深入研究金属组织和性能之间的相关性以及生产、应用过程中的技术和工艺优化，对于提高金属材料的性能和应用效率将起到非常重要的作用。
金属材料的组织结构与性能关系研究
金属材料的组织结构与性能关系研究引言：金属材料是工程领域中最为常用的材料之一，其广泛应用于汽车制造、航空航天、电子设备等多个行业。
为了更好地理解金属材料的性能，研究其组织结构与性能关系显得至关重要。
本文将从晶格结构、晶界、晶粒大小、晶体缺陷和相变等方面探讨金属材料的组织结构与性能关系。
一、晶格结构与性能晶格结构是金属材料的基本组织，主要通过晶格常数和晶胞的几何形状来描述。
晶格结构对金属材料的性能有着重要影响。
以钢铁材料为例，不同的晶格结构会导致不同的机械性能。
例如，面心立方结构的钢材具有较好的韧性和可塑性，而体心立方结构的钢材则具有较高的强度和硬度。
二、晶界对性能的影响晶界是相邻晶体之间的界面，其特性对金属材料的性能有着显著影响。
晶界能量高于晶内能量，会导致金属的应力集中，因而减弱其力学性能。
此外，晶界还会引起晶体的变形和断裂，从而影响金属材料的强度和韧性。
因此，控制晶界的形成和特性对于提高金属材料的性能至关重要。
三、晶粒大小对性能的影响晶粒是由大量原子或离子紧密堆积而成的，其大小对金属材料的性能有着重要影响。
晶粒尺寸较大时，金属材料的韧性和可塑性较好，力学性能较弱。
而当晶粒尺寸较小时，金属材料的强度和硬度增加，但韧性和可塑性会降低。
因此，在不同应用需求下，通过调控晶粒大小可以实现对金属材料性能的有效控制。
四、晶体缺陷与性能晶体缺陷是指在晶体中存在的一些结构上的不完整或缺失，如位错、孔洞等。
晶体缺陷会对金属材料的性能产生显著影响。
位错是晶体中常见的晶体缺陷，可以增加金属的塑性和松弛特性。
孔洞则会导致疲劳寿命降低和裂纹扩展加剧。
因此，了解和控制晶体缺陷对于提高金属材料的性能是至关重要的。
五、相变及其对性能的影响相变是金属材料中晶体结构发生变化的过程，会导致材料性能的显著改变。
在相变过程中，晶体的晶格结构、晶粒大小、晶界及缺陷分布都会发生变化，从而影响金属材料的性能。
例如，固溶体的相变可以改变材料的硬度和强度。
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第三章材料的组织结构与性能的关系在第一章，我们特别强调指出微观结构不同性能会不同。
上一章，我们进一步明确了微观结构的具体物理意义。
微观结构具体怎样影响性能，有哪些客观规律，就是这一章大家要学习的内容。
掌握了这些知识，将会为大家选用材料，研制新材料提供理论依据。
结构材料和功能材料的区分在于人们对于材料主要要求的性能不同。
对于结构材料，材料的强度、韧性是主要要求的性能，这种性能对材料的组织、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能，它们往往对组织不那么敏感，而对材料中的电子分布与运动敏感。
所以本章分成结构材料和功能材料二部分来介绍。
结构材料在工业文明中发挥了巨大作用。
大到海洋平台，小到一枚螺丝钉，它们所用材料都要考虑承载能力，都是用结构材料。
面向2 1世纪，进一步发展空间技术、核能、海洋开发、石油、化工、建筑建材及交通运输等等仍然要依赖于结构材料。
其中金属材料以前是，现代仍然是占主导地位；在一些关键部位或特殊环境下如高温、腐蚀条件下要用到结构陶瓷；高分子材料重量轻、耐腐蚀的优点使人们在一些承载低的工况下用它做结构材料；复合材料由于可利用各种材料之长，正成为大家关注的热点，其作为结构材料使用的场合不断增加。
总之，这几类材料都可以作结构材料，但各有优缺点，通过学习大家要掌握这几类结构材料的特点和一些典型材料微观结构对性能的影响规律。
功能材料是当代新技术，如信息技术、生物工程技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术、先进防御技术……的物质基础，是新技术革命的先导，它的用量不大，但作用不小。
金属材料、无机非金属材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的复合更有可能开发出多功能的功能材料。
由于这几类材料的声、光、电、热、磁各物理性质在本质上有共同的地方，所以功能材料部分我们按电、光、磁的顺序来介绍。
这三种物理性质用的较多。
对于电、光、磁本质的了解可以使我们容易理解形形色色的功能材料。
第一节结构材料1. 材料在承载时发生的变化1.1.1弹性、塑性、强度、韧性无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些变化，我们管它叫变形。
最明显的是，一根橡皮筋受拉会变长，去除拉力后又恢复了原样；但若是一根铁丝，我们可以很容易将其弯曲，但卸载后，弯曲形状还会保持。
能恢复的变形称之为弹性变形，不能恢复的变形称之为塑性变形。
显然，不同材料，发生弹性变形、塑性变形的难易程度不同。
载荷与绝对变形的关系可用来评价材料的变形能力，但其中含有尺寸因素的影响。
工程上，是用应力与应变间的关系来衡量材料的变形能力。
应力(T = P/A o。
式中P为载荷。
A o为试件的起始横截面积；应变 & = △ L / L o,即试件相对变形的大小。
L o为试件的长度，△ L为在载荷作用下试件的伸长。
当材料发生弹性变形的时候，应力与应变呈线性关系，即(7= E & ,这就是著名的虎克定律， E 被称为杨氏模量，一般称为弹性模量，是材料弹性性能的表征。
从微观上讲，材料弹性变形是外力作用所引起的原子间距离发生可逆变化的结果。
因此，材料对弹性变形的抗力取于原子间作用力的大小，也就是说，与原子间结合键类型、原子大小、原子间距离有关。
在工程上，绝大部分结构件和机器零件，都是在弹性状态下工作，不允许发生塑性变形。
因此人们十分关注材料抵抗塑性变形的能力，表征这种能力的是一些强度指标。
图3-1 是低碳钢、陶瓷、橡皮的拉伸应力- 应变曲线。
从中我们可以看出，陶瓷只有弹性变形阶段且弹性变形量很小，即只有应力－应变间呈直线关系段；橡皮的弹性变形所需载荷很小，弹性变形量很大；低碳钢弹性变形量小，塑性变形量较大。
下面我们以合金钢的拉伸应力一应变曲线(图3-2 )来进一步介绍材料的强度、塑性、韧性。
(T- &间关系一旦偏离线性就表示材料的塑性变形开始了，如加载至图3-2的A点后卸载，应变沿AB 线变化，当载荷降至零时应变不为零，这残余的应变就是塑性变形。
通常将发生0.2%残余应变时的应力作为屈服强度，记作 d 0.2或厅y,用以表示材料发生明显塑性变形的抗力，这是一个很重要的衡量结构材料性能的指标。
在图3-2 中，还可以看到有一最大的应力值，称之为抗拉强度或叫强度极限 d b o与图3-2的应力应变曲线对应的材料的实际变形情况见图3-3 ，发现屈服后随应力增加材料均匀变细，当应力出现最大值，材料的变形就开始集中在某一局部区域，好象人的脖子局部变细，称之为出现了“颈缩“° 一旦颈缩出现，材料的完全断裂就为期不远了。
但从图3-2可见，颈缩后应力是减小的，为什么应力小还能将材料拉断呢？问题出在应力的计算上。
你能想出具体的原因在哪儿吗？答案在习题一栏中。
根据变形情况可知， d b是材料发生最大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件下所能承受的最大负荷的应力值。
这个值是设计和选材的主要依据之一，也是材料主要机械性能指标之一，尤其对于象陶瓷那样的没有塑性变形的材料。
材料的塑性是以断裂后的塑性变形大小来表示的。
拉伸条件下，可用延伸率S和断面收缩率2表示,请自己分析一下该怎样求•实际实验中3 =(L f-L o)/ L o X 100%, ® =(A o-A f)/A o X 100%,其中L f、A分别表示断裂时试样的伸长与横载面积。
虽然在材料承受载荷的能力上是靠强度，但塑性这个指标也很重要。
因为若是强度高、塑性低，则材料在最终断裂前无任何征兆出现，这是相当危险的。
如自行车高速转弯时，车轮可能会撞击人行道边缘，受到一个超过屈服强度的应力，若所用材料塑性好，则轮箍会弯曲，有可能还能修复，若材料塑性差，则车轮就会破碎，可以想象的出，造成的后果要严重的多。
一般来讲强度高的材料塑性低，塑性高的材料强度低。
真正好的材料应该是强度和塑性都高，也就是 d - &曲线下所包围的面积应该大。
这个面积反映了材料发生断裂时外界做功的大小，这个量称之为韧性。
与韧性相对的是脆性，实际表现是材料在很低的应力下(常常低于屈服应力)发生突然的断裂。
特别注意脆性和塑性不互为反义词，尽管脆性材料往往塑性很差，如玻璃。
1.1.2硬度日常生活中，人们对材料的评价往往爱用“软” 、“硬”来描述，如铅就被认为软，钢就被认为硬。
实际上，“软”、“硬”与前面我们所讲的材料的强度密切相关。
在工程上，为了在不破坏工件的情况下，方便地成批检验产品的质量，在对结构材料的性能评价上，还确定了“硬度”这样一个性能指标。
本质上一般可以认为，硬度是指材料表面上不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。
根据不同的实验方法，硬度值的物理意义有所不同。
如压入法的硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形抗力；刻划法硬度值表示材料表面局部破裂的能力。
在生产上使用最广泛的是静负荷压入法试验，根据压头形状、材料及加载大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度，它们适用于不同的材料。
各种硬度的压头形状、材料、载荷、运用范围等见表3-1 o实践证明材料的强度越高，硬度值也越高。
材料的各硬度值之间、硬度和强度之间有近似的对应关系。
我们简单介绍一些，对大家今后检验材料也许是有用的。
非淬火钢 d b=0.362HB HB>175d b=0.345HB HB <175碳钢 d b=2.5HS2d b=51.32 X 104/(100-HRC) HRC<10铸钢 d b=(0.3-0.4)HB3d b=8.61 X 10/(100-HRC) HRC>401.1.3断裂韧性机械零件的脆性断裂和材料的脆性检测是工程技术中必须解决的一个重要问题。
在工程设计中，是用屈服强度d 0.2并考虑一定的安全系数来确定结构材料的许用应力[d ] 的，即[d ] < d 0.2/n , n>1, n就是安全系数。
按图3-2，机械零件在[d ]下工作不仅不会发生塑性变形，更不会断裂，然而事实并非如此。
大量事例的实验分析表明，低应力脆断总是由材料中缺陷引发的裂纹扩展引起的。
这些缺陷可能是在材料制备过程中产生的，也可能是在加工过程中产生的，还可能是在使用中形成的，因而是难以避免的。
这就是说，在实际应用中，材料在承受载荷后，还可能导致已有微裂纹的扩展，当裂纹尺寸到达某个临界值时突然断裂。
这个引起破坏的临界裂纹长度和相对应的应力大小对于不同材料是不同的。
二十世纪六十年代发展的断裂力学对此给出了规律性的解释。
其中最重要的是应力强度因子的概念。
这个应力强度因子表示了裂纹在外界名义应力作用下，处于弹性平衡状态时，裂纹尖端附近应力场的强弱，也就是说，应力强度因子确定了裂纹尖端附近各点的应力大小。
对于含有裂纹的机械另件，在外力作用下裂纹扩展有三种类型：张开型、滑移型和剪切型（图3-4 ）,对于这三种不同类型的裂纹扩展，其应力强度因子不同，分别用Ki、K n、心表示，其中张开型裂纹扩展是最常见、最危险的情况，我们重点介绍这种类型。
断裂力学的分析计算表明K I二* a，式中Y是裂纹的形状因子，表示不同几何形状的裂纹尖端前的应力分布是不同的，d是外界施加的名义应力，a是裂纹长度。
从K i的表达式中可以看出，当名义应力确定时，随着裂纹a的增加K i也增加，我们把裂纹扩展至产生突然断裂的裂纹长度叫作临界值裂纹长度a c,与这个临界裂纹长度a c 对应的临界应力强度因子就叫做断裂韧性，记作K c,它是一个材料常数，既对于某种特定的材料，在一定条件下它有确定的值。
另外，我们还可以发现，如果要使材料能承受高的名义应力，则材料内的微裂纹尺寸就必须尽可能短。
在此特别要注意应力强度因子和断裂韧性是二个完全不同的概念，一定要把他们分清楚。
现在，重要的机件，特别是航空航天所用机件设计，其强度指标除考虑屈服强度外都必须根据断裂韧性进行进一步的核准，明确所允许的临界裂纹尺寸。
1.2 金属材料1.2.1 金属材料在国民经济中的作用金属材料是人类发展和应用的最古老的材料，可以上溯至5000年的“青铜器时代”。
近半个世纪来，金属材料从原来几乎一统天下的地位部分地为其他新材料取代，但这并非是“夕阳西下”，而是正朝着高性能化、复合化、多功能化和智能化方向发展。
可以预见，至少在二^一个世纪，金属材料在现代社会材料消费中仍占主导地位。
在金属材料中，钢的用量最大，目前全球年消耗达八亿多吨。
尤其对我们国家更是如此。
国家科技部主任宋健同志说过：中国的工程建设才刚刚拉开序幕，其高潮将发生在21 世纪上半叶，根据我国国情，中国的建设起码还要半个世纪。
以我国高速建设为例，现在总长度也不过 1 万多公里，试想若把各省间大城市都联结起来，得需要多钢、多少水泥，还不要说大桥、港口、码头等。