3-16工程材料.doc

清華大學(xué)工程材料32學(xué)時講稿3/16微觀組織和宏觀性能：設(shè)備決定工藝，工藝決定組織，組織決定性能材料宏觀性能的描述（金屬材料和陶瓷：教材P2940）材料的性能：力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能一、力學(xué)性能材料受力后就會產(chǎn)生變形，材料力學(xué)性能是指材料在受力時的行為。描述材料變形行為的指標(biāo)是應(yīng)力和應(yīng)變，是單位面積上的作用力，是單位長度的變形。描述材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)是強度、延性和韌性。其中，強度是使材料破壞的應(yīng)力大小的度量；延性是材料在破壞前永久應(yīng)變的數(shù)值；而韌性卻是材料在破壞時所吸收的能量的數(shù)值。設(shè)計師們對這些力學(xué)性能制訂了各種各樣的規(guī)范。例如，對一種鋼管，人們要求它有較高的強度，但也希望它有較高的延性，以增加韌性，由于在強度和延性二者之間往往是矛盾的，工程師們要做出最佳設(shè)計常常需要在二者中權(quán)衡比較。同時，還有各種各樣的方法確定材料的強度和延性。當(dāng)鋼棒彎曲時就算破壞，還是必須發(fā)生斷裂才算破壞？答案當(dāng)然取決于工程設(shè)計的需要。但是這種差別表明至少應(yīng)有兩種強度判據(jù)：一種是開始屈服，另一種是材料所能承受的最大載荷，這說明僅僅描述材料強度的指標(biāo)至少就有兩個以上。一般來說，描述材料力學(xué)性能的指標(biāo)有以下幾項：1彈性和剛度圖1-6是材料的應(yīng)力應(yīng)變圖（圖）。（a） 無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b） 有明顯屈服點的延性材料（例如低碳鋼）；（c） 沒有明顯屈服點的延性材料（例如純鋁）。在圖中的曲線上，OA段為彈性階段，在此階段，如卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復(fù)原狀。材料的這種不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點對應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限，記為e。材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=/（MN/m2）稱為彈性模量。E標(biāo)志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。E值主要取決于各種材料的本性，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對它影響很小。零件提高剛度的方法是增加橫截面積或改變截面形狀。金屬的E值隨溫度的升高而逐漸降低。2強度在外力作用下，材料抵抗變形和破壞的能力稱為強度。根據(jù)外力的作用方式，有多種強度指標(biāo)，如抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。當(dāng)材料承受拉力時，強度性能指標(biāo)主要是屈服強度和抗拉強度。（1）屈服強度s在圖1-6（b）上，當(dāng)曲線超過A點后，若卸去外加載荷，則試樣會留下不能恢復(fù)的殘余變形，這種不能隨載荷去除而消失的殘余變形稱為塑性變形。當(dāng)曲線達到A點時，曲線出現(xiàn)水平線段，表示外加載荷雖然沒有增加，但試樣的變形量仍自動增大，這種現(xiàn)象稱為屈服。屈服時的應(yīng)力值稱為屈服強度，記為S。有的塑性材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生，如圖1-6（c）所示。對于這種情況，用試樣標(biāo)距長度產(chǎn)生0.2%塑性變形時的應(yīng)力值作為該材料的屈服強度，以0.2表示。機械零件在使用時，一般不允許發(fā)生塑性變形，所以屈服強度是大多數(shù)機械零件設(shè)計時選材的主要依據(jù)也是評定金屬材料承載能力的重要機械性能指標(biāo)。材料的屈服強度越高，允許的工作應(yīng)力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以較小。（2）抗拉強度b 材料發(fā)生屈服后，其應(yīng)力與應(yīng)變的變化如圖1-1所示，到最高點應(yīng)力達最大值b。在這以后，試樣產(chǎn)生“縮頸”，迅速伸長，應(yīng)力明顯下降，最后斷裂。最大應(yīng)力值b稱為抗拉強度或強度極限。它也是零件設(shè)計和評定材料時的重要強度指標(biāo)。b測量方便，如果單從保證零件不產(chǎn)生斷裂的安全角度考慮，可用作為設(shè)計依據(jù)，但所取的安全系數(shù)應(yīng)該大一些。屈服強度與抗拉強度的比值S/b稱為屈強比。屈強比小，工程構(gòu)件的可靠性高，說明即使外載或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低。3塑性材料在外力作用下，產(chǎn)生永久殘余變形而不被斷裂的能力，稱為塑性。塑性指標(biāo)也主要是通過拉伸實驗測得的（圖1-6）。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標(biāo)。（1） 延伸率 試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號表示，即式中：L0 試樣原始標(biāo)距長度；L1 試樣拉斷后的標(biāo)距長度。（2） 斷面收縮率試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號表示，即式中：F0 試樣原始的橫截面積；F1 試樣拉斷處的橫截面積。延伸率和斷面收縮率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性對材料進行冷塑性變形有重要意義。此外，工件的偶然過載，可因塑性變形而防止突然斷裂；工件的應(yīng)力集中處，也可因塑性變形使應(yīng)力松弛，從而使工件不至于過早斷裂。這就是大多數(shù)機械零件除要求一定強度指標(biāo)外，還要求一定塑性指標(biāo)的道理。材料的和值越大，塑性越好。兩者相比，用表示塑性更接近材料的真實應(yīng)變。4硬度硬度是材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃裂的能力。通常材料的強度越高，硬度也越高。硬度測試應(yīng)用得最廣的是壓入法，即在一定載荷作用下，用比工件更硬的壓頭緩慢壓入被測工件表面，使材料局部塑性變形而形成壓痕，然后根據(jù)壓痕面積大小或壓痕深度來確定硬度值。從這個意義來說，硬度反映材料表面抵抗其它物體壓入的能力。工程上常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。（1）布氏硬度HB 布氏硬度是用一定載荷P，將直徑為D 的球體（淬火鋼球或硬質(zhì)合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，根據(jù)壓痕面積F確定硬度大小。其單位面積所受載荷稱為布氏硬度。由于布氏硬度所用的測試壓頭材料較軟，所以不能測試太硬的材料。當(dāng)測試壓頭為淬火鋼球時，只能測試硬度小于450HB的材料；當(dāng)測試壓頭為硬質(zhì)合金時，可測試硬度小于650HB的材料。對金屬來講，鋼球壓頭只適用于測定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間，有以下近似經(jīng)驗關(guān)系：對于低碳鋼：b0.36HB；對于高碳鋼：b0.34HB；對于灰鑄鐵：b0.10HB。（2）洛氏硬度HR 洛氏硬度是將標(biāo)準(zhǔn)壓頭用規(guī)定壓力壓入被測材料表面，根據(jù)壓痕深度來確定硬度值。根據(jù)壓頭的材料及壓頭所加的負(fù)荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種。HRA適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層；HRB適用于測量有色金屬和退火、正火鋼等；HRC適用于測量調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度操作簡便、迅速，應(yīng)用范圍廣，壓痕小，硬度值可直接從表盤上讀出，所以得到更為廣泛的應(yīng)用。二、物理性能1密度密度是指單位體積材料的質(zhì)量，它是描述材料性能的重要指標(biāo)。不同材料的相對密度不同，如鋼為7.8左右；陶瓷的相對密度為2.22.5；各種塑料的相對密度更小。材料的相對密度直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，對于陶瓷材料來說，相對密度更是決定其性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。抗拉強度與相對密度之比稱為比強度；彈性模量與相對密度之比稱為比彈性模量。這兩者也是考慮某些零件材料性能的重要指標(biāo)，如飛機和宇宙飛船上使用的結(jié)構(gòu)材料，對比強度的要求特別高。2熔點熔點是指材料的熔化溫度。通常，材料的熔點越高，高溫性能就越好。陶瓷熔點一般都顯著高于金屬及合金的熔點，所以陶瓷材料的高溫性能普遍比金屬材料好。由于玻璃不是晶體，所以沒有固定熔點，而高分子材料一般也不是完全晶體，所以也沒有固定熔點。3熱容量在沒有體積變化時，熱容量C是溫度變化1時材料熱量的變化。材料中各種不同的相變熱是重要的，最典型的相變熱是熔解熱和蒸發(fā)熱，它們分別是材料熔化和氣化所需要的熱量。相變時材料內(nèi)部的原子或分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這使材料中的熱容量也發(fā)生變化，所以科學(xué)家們經(jīng)常利用測定材料熱容量的變化來分析相變過程。4熱膨脹性材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數(shù)L來表示。它表示每變化1時引起的材料相對膨脹量的大小。對于精密儀器或機器的零件，熱膨脹系數(shù)是一個非常重要的性能指標(biāo)；在有兩種以上材料組合成的零件中，常因材料的熱膨脹系數(shù)相差過大而導(dǎo)致零件的變形或破壞。一般來說，陶瓷的熱膨脹系數(shù)最低，金屬次之，高分子材料最高。四、 工藝性能材料工藝性能的好壞，直接影響到制造零件的工藝方法和質(zhì)量以及制造成本。所以，選材時必須充分考慮工藝性能。1鑄造性鑄造性是指澆注鑄件時，材料能充滿比較復(fù)雜的鑄型并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。對金屬材料而言，鑄造性主要包括流動性、收縮率、偏析傾向等指標(biāo)。流動性好、收縮率小、偏析傾向小的材料其鑄造性也好。對某些工程塑料而言，在其成型工藝方法中，也要求有較好的流動性和小的收縮率。2可鍛性可鍛性是指材料是否易于進行壓力加工的性能?？慑懶院脡闹饕圆牧系乃苄院妥冃慰沽砗饬俊Ｒ话銇碚f，鋼的可鍛性較好，而鑄鐵不能進行任何壓力加工。熱塑性塑料可經(jīng)過擠壓和壓塑成型。3可焊性可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保證焊縫質(zhì)量的性能，一般用焊接處出現(xiàn)各種缺陷的傾向來衡量。低碳鋼具有優(yōu)良的可焊性，而鑄鐵和鋁合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但與金屬的焊接機制及工藝方法并不相同。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。它與材料種類、成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性及內(nèi)部組織狀態(tài)等許多因素有關(guān)。有利切削的硬度為HB160230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨損小，加工表面光潔。金屬和塑料相比，切削工藝有不同的要求。非金屬材料的結(jié)構(gòu)和性能：無機非金屬材料七、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點對工程師來說，陶瓷包括種類繁多的物質(zhì)，例如玻璃、磚、石頭、混凝土、磨料、搪瓷、介電絕緣材料、非金屬磁性材料、高溫耐火材料和許多其它材料。所有這些材料的共同特征是：它們是金屬和非金屬的化合物。這些化合物由離子鍵和共價鍵結(jié)合在一起。陶瓷材料的顯微組織由晶體相、玻璃相和氣相組成，而且各相的相對量變化很大，分布也不夠均勻。與金屬相比，陶瓷相的晶體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。由于這種復(fù)雜性以及其原子結(jié)合鍵強度較大，所以使陶瓷反應(yīng)緩慢。例如，正常冷卻速率的玻璃沒有充分時間使其重排為復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，所以它在室溫下可長期保持為過冷液體。1 AX型陶瓷晶體AX型陶瓷晶體是最簡單的陶瓷化合物，它們具有數(shù)量相等的金屬原子和非金屬原子。它們可以是離子型化合物，如MgO，其中兩個電子從金屬原子轉(zhuǎn)移到非金屬原子，而形成陽離子（Mg3+）和陰離子（O2）。AX化合物也可以是共價型，價電子在很大程度上是共用的。硫化鋅（ZnS）是這類化合物的一個例子。AX化合物的特征是：A原子只被作為直接鄰居的X原子所配位，且X原子也只有A原子作為第一鄰居。因此A和X原子或離子是高度有序的，在形成AX 化合物時，有三種主要的方法能使兩種原子數(shù)目相等，且有如上所述的有序配位。屬于這類結(jié)構(gòu)的有：（1）CsCl型 這種化合物的結(jié)構(gòu)見圖2-25。A原子（或離子）位于8個X原子的中心，X原子（或離子）也處于8個A原子的中心。但應(yīng)該注意的是，這種結(jié)構(gòu)并不是體心立方的。確切的說，它是簡單立方的，它相當(dāng)于把簡單立方的A原子和X原子晶格相對平移a/2，到達彼此的中心位置而形成。（2）NaCl型 NaCl型的結(jié)構(gòu)是：陰離子為面心立方點陣；而陽離子位于其晶胞和棱邊的中心。其原子排列情況如圖2-26所示。（3）ZnS（閃鋅礦型）和非立方型 這類結(jié)構(gòu)原子排列比較復(fù)雜，形成的陶瓷材料很硬很脆。屬于閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的陶瓷材料有ZnS、BeO、SiC等；屬于非立方型結(jié)構(gòu)的陶瓷材料有FeS、MnTe、ZnO、NiAs等。2 AmXp型陶瓷晶體（1）螢石（CaF2）型結(jié)構(gòu)與逆螢石型結(jié)構(gòu) 這類結(jié)構(gòu)中金屬原子具有面心立方點陣，非金屬原子占據(jù)所有的四面體間隙位置。螢石結(jié)構(gòu)的氧化物有CeO2、PrO2、UO2、ZrO2、NpO2、PuO2、AmO2等。它們的特點是金屬離子半徑大于氧離子半徑，所以金屬離子呈面心立方或密排六方結(jié)構(gòu)，而小的氧離子則填充間隙。（2）剛玉（Al2O3）結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的氧離子具有密排六方的排列，陽離子占據(jù)八面體間隙的三分之二。具有這種結(jié)構(gòu)的氧化物有Al2O3、Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、V2O3、Ga2O3、Rh2O3等。八、硅酸鹽化合物許多陶瓷材料都包含硅酸鹽，一方面是因為硅酸鹽豐富和便宜，另一方面則是因為它們具有在工程上有用的某些獨特性能。1 硅酸鹽四面體單元硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元為 (SiO4)4 四面體，如圖2-27所示。其中，四面體的頂角上有四個O2，四面體的中間間隙位置上有一個Si4+。將四面體連接在一起的力包含離子鍵和共價鍵；因此，四面體的結(jié)合很牢固。但是，不論是離子鍵或共價鍵機制，每個四面體的氧原子外層只有7個電子而不是8個。2 硅酸鹽化合物的幾種類型按照連接方式劃分，硅酸鹽化合物可以分為以下幾種類型：（1）孤立狀硅酸鹽其單元體(SiO4)4互相獨立，不發(fā)生相互連接，化學(xué)組成一般可以表示為2ROSiO2。其中RO表示金屬氧化物如MgO、CaO、FeO等，但表達式中以氧為基準(zhǔn)（即取氧為1，若為Al2O3，則應(yīng)寫成Al2/3O）。具有這類結(jié)構(gòu)的有橄欖石和石榴石等。 （2）復(fù)合狀硅酸鹽由兩個(SiO4)4單元體連接在一起，形成(Si2O7)6離子，其化學(xué)組成為3RO2SiO2。屬于這類結(jié)構(gòu)的有鎂方柱石、Ca2MgSi2O7等。 （3）球狀和鏈狀硅酸鹽 它是在n個 (SiO3)2 即 (SiO3)n2n 中，四面體的兩個頂點分別相互共有，形成各種球狀或鏈狀結(jié)構(gòu)。這類硅酸鹽結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成可以表示為ROSiO2。具有這類結(jié)構(gòu)的硅酸鹽有頑火輝石Mg2(Si2O6)、透輝石MgCa(SiO3)2、角閃石(OH)2Ca2Mg5(Si4O11)2等。（4）層狀硅酸鹽 此類結(jié)構(gòu)中，四面體具有三個共有頂點，構(gòu)成了二維網(wǎng)絡(luò)的層狀結(jié)構(gòu)。化學(xué)組成可以表示為RO2SiO2，通常粘土礦物具有這種結(jié)構(gòu)。（5）立體網(wǎng)絡(luò)狀硅酸鹽 若硅氧四面體中的四個頂點均共有，則形成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有這類結(jié)構(gòu)的硅酸鹽有石英、LiAlSiO4和LiAlSi2O5等。九、陶瓷的組織1玻璃相玻璃是非晶態(tài)材料，由熔融的液體凝固獲得，其比容隨溫度的變化與晶體不同。試驗表明，由熔融液體轉(zhuǎn)變?yōu)榫w時，在結(jié)晶溫度Tm比容急劇降低，這表明結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)的變化；但當(dāng)形成非晶態(tài)玻璃時，在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg附近比容變化率雖發(fā)生了變化，但并不出現(xiàn)比容隨溫度降低而急劇降低的現(xiàn)象。材料能否形成玻璃或非晶態(tài)，與材料凝固點的粘度和冷卻速度有關(guān)。SiO2等氧化物的粘度很高，所以容易形成玻璃。2氣相氣體是燒結(jié)的陶瓷坯體中常見的組分。陶瓷中的氣孔有開放氣孔和封閉氣孔兩種。陶瓷材料的氣孔量用氣孔的相對體積（氣孔率）來表示，它是衡量陶瓷材料質(zhì)量的重要標(biāo)志。開放氣孔和封閉氣孔在材料中的總相對體積稱為真氣孔率；開放氣孔的相對體積稱為顯氣孔率。氣孔使陶瓷的強度降低，電性能變壞。十、陶瓷材料的彈性變形材料在靜拉伸載荷下，一般都要經(jīng)過彈性變形、塑性變形及斷裂三個階段。然而陶瓷材料在室溫靜拉伸（或靜彎曲）載荷下，不出現(xiàn)塑性變形階段，即彈性變形階段結(jié)束后，立即發(fā)生脆性斷裂。描述彈性變形階段材料力學(xué)行為的重要性能指標(biāo)為曲線中直線部分的斜率，即彈性模量E。與金屬材料相比，陶瓷材料的彈性模量有如下特點：1陶瓷材料的彈性模量比金屬大得多，常相差數(shù)倍，這是因為陶瓷材料具有強固的離子鍵和共價鍵的緣故。2與金屬材料不同，陶瓷材料的彈性模量，不僅與結(jié)合鍵有關(guān)，而且還與構(gòu)成陶瓷材料的種類、分布比例及氣孔率有關(guān)。金屬材料的彈性模量是一個極為穩(wěn)定的力學(xué)性能指標(biāo)，合金化、熱處理、冷熱加工等均難以改變其數(shù)值。但是陶瓷的工藝過程卻對陶瓷材料的彈性模量有著重大影響。例如氣孔率P較小時，彈性模量隨氣孔率的增加而線性降低，可用下面的經(jīng)驗公式表示：， 式中E0是無氣孔時的彈性模量，K為常數(shù)。3陶瓷材料壓縮狀態(tài)的彈性模量（E壓）一般大于拉伸狀態(tài)的彈性模量。一般說來，在彈性范圍內(nèi)，金屬的曲線，無論是拉還是壓，其彈性模量相等，即拉伸與壓縮兩部分的曲線為一條直線。而陶瓷材料壓縮時的彈性模量一般大于拉伸時的彈性模量，這與陶瓷材料顯微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不均勻性有關(guān)。二、陶瓷材料的塑性變形及蠕變 由于陶瓷材料脆性大，在常溫下基本不出現(xiàn)或極少出現(xiàn)塑性變形。金屬材料容易滑移而產(chǎn)生塑性變形，原因是金屬鍵沒有方向性。陶瓷材料的結(jié)合鍵是共價鍵和離子鍵，共價鍵有明顯的方向性和飽和性，而離子鍵的同號離子接近時斥力很大，所以主要由離子晶體和共價晶體組成的陶瓷，滑移系很少，一般在產(chǎn)生滑移以前就發(fā)