材料的結(jié)構(gòu)組織與性能1

材料學(xué)院材料的結(jié)構(gòu)組織與性能

（一）

序論組成本課程的三大塊內(nèi)容

闡述微觀結(jié)構(gòu)和亞微觀組織對材料性能的影響以及三者的關(guān)系。1、材料的性能2、材料的微觀結(jié)構(gòu)3、材料的組織材料是指具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和各種性能的物質(zhì)，是人們生活及組成生產(chǎn)工具的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前世界各國注冊的材料有幾十萬種，并在不斷增加之中。材料可有多種分類方法。1、按狀態(tài)分，材料有氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三大類。工程技術(shù)中最普遍使用的是固態(tài)材料；2、按材料組成和結(jié)合鍵的性能，把材料分為金屬材料、高分子材料、陶瓷（無機(jī)非金屬材料）以及半導(dǎo)體材料四大類。3、按照材料特性，可將他們分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料三類。金屬材料包括各種純金屬及其合金。塑料、合成橡膠、合成纖維等稱為有機(jī)高分子材料。還有許多材料，如陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等，既不是金屬材料，又不是有機(jī)高分子材料，人們統(tǒng)稱它們?yōu)闊o機(jī)非金屬材料。此外，人們還發(fā)展了一系列將兩種以上的材料通過特殊方法結(jié)合起來而構(gòu)成的復(fù)合材料。4、按照材料所起的作用，可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩類。5、按照使用領(lǐng)域的不同，又可將它們分為建筑材料，電子材料，醫(yī)用材料，儀表材料，能源材料等等。材料的定義及分類三大材料簡介三大材料指金屬材料、無機(jī)非金屬材料和有機(jī)高分子材料

（一）金屬材料

金屬材料通常是指由金屬元素、金屬與金屬或金屬與非金屬元素構(gòu)成的材料,分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩類。黑色金屬材料鋼和鑄鐵鋼按照化學(xué)成分分為碳素鋼和合金鋼；按照品質(zhì)分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼，按照冶煉方法分為平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼，按照用途分為建筑及工程用鋼、結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼及專業(yè)用鋼。鑄鐵通常分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中的主要金屬材料，在機(jī)械產(chǎn)品中占整個(gè)用材消耗的60％以上。有色金屬材料指除Fe以外的其他金屬及其合金。這些金屬約有80余種，分為輕金屬（相對密度小于5），重金屬（相對密度大于5），貴金屬，類金屬和稀有金屬五類。工程上最重要的有色金屬是Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。有色金屬材料的消耗雖然只占金屬材料總消耗的5％，但是因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，同時(shí)相對密度小?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。耐熱。耐腐蝕，因而使得它們在工程上占有重要地位。鋁合金鑄件銅合金鑄件各類銅型材世界上最大的青銅鼎金屬材料具有如下基本特性：1、結(jié)合鍵為金屬鍵，常規(guī)方法生產(chǎn)的金屬為晶體結(jié)構(gòu)；2、

在常溫下一般為固體，熔點(diǎn)較高；3、

具有金屬光澤；4、

純金屬具有良好的延展性(塑性）；5、

金屬合金具有高的強(qiáng)度和韌性；6、

具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性；7、多數(shù)金屬在空氣中易被氧化。（二）無機(jī)非金屬材料

無機(jī)非金屬材料主要是硅酸鹽材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四類。它們的主要原料是天然的硅酸鹽礦物和人工合成的氧化物及其他少數(shù)化合物。它們的生產(chǎn)過程與傳統(tǒng)的陶瓷的生產(chǎn)過程相同，需經(jīng)過原料處理—成型—煅燒三個(gè)階段。在這四類材料中，陶瓷是最早使用的無機(jī)材料，因此無機(jī)非金屬材料又常常被統(tǒng)稱為“陶瓷”（Ceramics）。無機(jī)非金屬材料的分類無機(jī)非金屬材料混凝土玻璃磚及耐火材料陶瓷傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷日用陶瓷建筑衛(wèi)生陶瓷電氣絕緣瓷耐酸陶瓷過濾陶瓷高溫陶瓷電容陶瓷電壓陶瓷磁性陶瓷導(dǎo)電陶瓷工程結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷工程陶瓷無機(jī)非金屬材料（以陶瓷為例）的基本特性：1、化學(xué)鍵主要是離子鍵、共價(jià)鍵以及它們的混合鍵；2、硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；3、熔點(diǎn)較高，具有優(yōu)良的耐高溫、抗氧化性能；4、自由電子數(shù)目少、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較小；5、耐化學(xué)腐蝕性好；6、耐磨損；7、成型方式為粉未制坯、燒結(jié)成型。

(三)高分子材料

高分子化合物是以C、H、N、O等元素為基礎(chǔ)，由許多結(jié)構(gòu)相同的小單位（鏈節(jié)）重復(fù)連接組成的，含有成千上萬個(gè)原子，分子量很大，并在某一范圍內(nèi)變化著的材料。分類1、根據(jù)來源：分為天然和人工合成的兩類；2、根據(jù)使用性質(zhì)：分為塑料、橡膠、纖維、粘合劑、涂料等類；3、根據(jù)高分子化合物的主鏈結(jié)構(gòu)：分為碳鏈、雜鏈、元素高聚物三類；4、根據(jù)其對熱的性質(zhì)：分為熱塑性、熱固性及熱穩(wěn)定性高聚物三類；5、根據(jù)材料的用途：分為高分子結(jié)構(gòu)材料、高分子電絕緣材料、耐高溫高分子材料、導(dǎo)電高分子材料、高分子建筑材料、生物醫(yī)學(xué)用高分子材料、高分子催化劑、包裝材料等多種品種。橡膠制品高分子材料的基本特性：1、

結(jié)合鍵主要為共價(jià)鍵；2、分子量大，無明顯的熔點(diǎn)，有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、粘流溫度。并有熱塑性和熱固性兩類；3、力學(xué)狀態(tài)有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，強(qiáng)度較高；4、質(zhì)量輕；5、良好的絕緣性；6、優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性；7、成型方法較多。（四）復(fù)合材料

由兩種或兩種以上組分組成，并具有與其組成不同的新的性能的材料稱為復(fù)合材料。復(fù)合材料按性能分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料。目前研究比較充分、應(yīng)用較多的主要是前者，而后者尚處于探索階段。根據(jù)增強(qiáng)劑形狀及增強(qiáng)原理，可將復(fù)合材料分為粒子增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維復(fù)合材料。后者復(fù)合效果最突出，研究最多，應(yīng)用最廣?；w

增強(qiáng)體金屬無機(jī)非金屬材料有機(jī)材料陶瓷玻璃水泥碳素木材塑料橡膠金屬陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料金屬網(wǎng)嵌玻璃鋼筋水泥無無金屬絲增強(qiáng)塑料金屬絲增強(qiáng)橡膠無機(jī)非金屬陶瓷

纖維粒料金屬基超硬合金增強(qiáng)陶瓷陶瓷增強(qiáng)玻璃

增強(qiáng)水泥無無陶瓷纖維增強(qiáng)塑料陶瓷纖維增強(qiáng)橡膠碳素纖維粒料碳纖維增強(qiáng)金屬增強(qiáng)陶瓷陶瓷增強(qiáng)玻璃增強(qiáng)水泥碳纖維強(qiáng)碳復(fù)合材料無碳纖維增強(qiáng)塑料碳纖碳黑增強(qiáng)橡膠玻璃纖維粒料無無無增強(qiáng)水泥無無玻璃纖維增強(qiáng)塑料無有機(jī)材料木材無無無水泥木絲板無無纖維板無高聚物纖維無無無增強(qiáng)水泥無塑料合板高聚物纖維增強(qiáng)塑料高聚物纖維增強(qiáng)橡膠橡膠膠粒無無無無無橡膠合板

復(fù)合材料的種類復(fù)合材料的基本特點(diǎn)：1、

比強(qiáng)度和比模量高；2、

良好的抗疲勞性能；3、

耐燒蝕性和耐高溫性好；4、結(jié)構(gòu)件減振性能好；材料的制造與使用水平是人類文明進(jìn)步的劃分標(biāo)志,從歷史來看，社會的文明進(jìn)步和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，總是和新材料的出現(xiàn)密切相關(guān)，它們既互為因果，又互相促進(jìn)。人類社會的發(fā)展歷史證明，生產(chǎn)中使用的材料的性質(zhì)直接反映人類社會的文化水平。歷史學(xué)家根據(jù)制造和使用材料的水平，將人類的發(fā)展史劃分為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代；而今是使用金屬的鼎盛時(shí)期，同時(shí)高分子材料、復(fù)合材料、陶瓷材料也正在廣泛使用。可以預(yù)料今后人類必將跨進(jìn)人工合成材料的新時(shí)代?？梢姴牧蠈τ谌祟惿鐣陌l(fā)展起作重要的作用，在某種意義說，人類文明發(fā)展史是人類對材料占有、認(rèn)識、制造、使用和發(fā)展的歷史。問題1、鋼與鐵的基本成分是Fe、C、（少量Si、Mn、P、S），C的強(qiáng)度基本為零，那么隨著鋼中含C量的增加，強(qiáng)度是越高還是越低？2、為什么與別的材料相比金屬材料具有良好的塑性，熱傳導(dǎo)性，導(dǎo)電性？3、同一成分的碳鋼，“燒紅”后隨爐冷卻與在水中冷卻為什么強(qiáng)度相差極大?4、為什么人們很難用手將鋼絲折斷？5、為什么同是金屬材料，Cu、Al和Fe比Mg、Zn和Ti等具有更好的塑性？材料的性能材料具有各種不同的性能，如為了滿足各類工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械裝置的服役條件，人們不斷對工程材料的性能提出新的要求。使用性能：指材料在特定服役條件下保證能安全地工作所必需的性能，包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能三種，其中力學(xué)性能是金屬材料最基本最常用的性能工藝性能：工藝性能是指材料在各種加工和處理中所應(yīng)具備的性能，如鑄造性能、鍛造性能、切削性能、焊接性能和熱處理性能等金屬材料的性能材料的物理性能

材料的物理性能（physicalproperty）包括熱性能、電性能、磁性能和光學(xué)性能等。金屬及合金的主要物理性能有密度、熔點(diǎn)、膨脹系數(shù)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、和電磁性等。由于工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件的用途各異，除了力學(xué)性能的基本要求外，往往還有不同的物理性質(zhì)的要求:例：航空機(jī)械——要求有低的密度，精密鑄造金屬及合金——要求有低的膨脹系數(shù)；熔斷器用保險(xiǎn)絲——要求有低的熔點(diǎn)；電熱器用金屬絲——要求有高的電阻；導(dǎo)線——要求良好的導(dǎo)電性能；電機(jī)和變壓器的鐵芯材料——要求磁通大，磁損小材料的化學(xué)性能材料的化學(xué)性能指材料抵抗腐蝕及氧化等性能。腐蝕（corrosion）是指材料在周圍介質(zhì)的作用下，由于化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞，并將腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩大類。

化學(xué)腐蝕（chemicalcorrosion）是指材料與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但反應(yīng)過程中不產(chǎn)生電流的腐蝕過程。金屬在干燥氣體中的腐蝕（如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壁、火焰筒以及接觸燃?xì)獾钠渌悴考母g）、在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕（如金屬在無水的酒精、甘油中的腐蝕）等都屬這一類。

電化學(xué)腐蝕（electrochemicalcorrosion）是指金屬與離子導(dǎo)電性介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中有電流產(chǎn)生的腐蝕過程，如金屬或合金在各種電解質(zhì)溶液中的腐蝕、大氣腐蝕。海水腐蝕和土壤腐蝕等。電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕中最常見、最普遍的腐蝕類型，可以說大多數(shù)金屬的腐蝕都具有電化學(xué)性質(zhì)。

電化學(xué)腐蝕的基本原理

電化學(xué)腐蝕是金屬在電解質(zhì)中由于形成原電池（Galvaniccell）而引起的腐蝕。不同的金屬在電解質(zhì)中具有不同的電極電位（electrodepotential），當(dāng)不同的兩種金屬處于同一電解質(zhì)溶液中并由導(dǎo)線聯(lián)結(jié)時(shí)就構(gòu)成一個(gè)原電池。此時(shí)電子由電極電位低的陽極流向電極電位高的陰極，即陽極金屬被腐蝕。

電化學(xué)腐蝕舉例在電解質(zhì)溶液中，鐵素體的電極電位低，成為陽極而被腐蝕，滲碳體電極電位高成為陰極而被保護(hù)。根據(jù)電化學(xué)腐蝕的原理可以明白，為什么多相合金比單相合金易腐蝕，金屬在潮濕的空氣中比干燥空氣中易腐蝕，在工業(yè)區(qū)和酸性氣氛的大氣中的金屬易腐蝕。滲碳體鐵素體（Fe-2e→Fe++）電解液(2H++2e→H2↑)圖6.2珠光體電化學(xué)腐蝕示意圖金屬的氧化金屬材料在干燥氣體介質(zhì)中也能通過化學(xué)反應(yīng)而被氧化。金屬的氧化，特別是高溫下的氧化，是工程設(shè)計(jì)（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、高溫石油化工設(shè)備設(shè)計(jì)等）中必須重視的一個(gè)問題。如果金屬在氧化過程中形成的氧化膜具備下列條件，則這層金屬氧化膜將成為保護(hù)膜而阻止金屬進(jìn)一步氧化，從而提高金屬的抗氧化能力。（1）形成的氧化膜完整；（2）氧化膜與金屬集基體之間具有良好的結(jié)合力；（3）氧化膜穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)高，蒸氣壓低；（4）氧化膜與金屬的熱膨脹系數(shù)接近；（5）氧化膜具有良好的高溫塑性，不易斷裂；（6）氧化膜結(jié)構(gòu)致密，電子導(dǎo)電率很低，離子在其中的擴(kuò)散率也很低。材料的力學(xué)性能

材料的力學(xué)性能（Mechanicalproperty）是指材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速度）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出來的行為。下列名詞屬于力學(xué)性能范疇

強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性、耐磨性、抗疲勞性、缺口敏感性、應(yīng)力腐蝕、氫脆……。

力學(xué)性能指標(biāo)

表征金屬材料力學(xué)行為的力學(xué)參量的臨界值或規(guī)定值稱為材料的力學(xué)性能指標(biāo)。強(qiáng)度指標(biāo)σb、σs、σ-1塑性指標(biāo)δ、ψ

韌性指標(biāo)ak、KIC

金屬力學(xué)性能指標(biāo)具體數(shù)值的高低，表征金屬材料抵抗變形和斷裂能力的大小，是評定金屬材料質(zhì)量的主要依據(jù)，也是設(shè)計(jì)金屬材料機(jī)械構(gòu)件和進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的主要依據(jù)。決定材料力學(xué)性能的因素內(nèi)因：材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力及表面和內(nèi)部缺陷等。外因：載荷性質(zhì)（靜載荷、沖擊載荷、交變載荷）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎、扭、剪等）、溫度和環(huán)境介質(zhì)。

因此，談及金屬材料的力學(xué)行為，應(yīng)考慮到其所處的條件，如一些在常溫下表現(xiàn)為韌性的金屬材料，在低溫下可能就表現(xiàn)為脆性，這就是金屬材料的低溫脆性性能。這就是為什么力學(xué)性能指標(biāo)的測定總是要確定溫度、應(yīng)變速率、加載方式等的原因應(yīng)力應(yīng)變曲線及強(qiáng)度和塑性（一）應(yīng)力應(yīng)變曲線

將如圖的拉伸試樣置于拉伸試驗(yàn)機(jī)上加載直到拉斷，得到載荷-伸長曲線。設(shè)試樣單位面積的載荷為應(yīng)力σ，試樣單位原始長度的伸長為應(yīng)變ε，則得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由于應(yīng)力σ只是用載荷F除以一個(gè)常數(shù)，即試樣的原始截面積A，而應(yīng)變ε只是用絕對伸長ΔL除以試樣的原始標(biāo)距長度L0，所以應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀與載荷伸長曲線的形狀相同。圖6.5是典型延性材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，在拉伸載荷作用下，材料經(jīng)由彈性變形——屈服——塑性變形——斷裂等幾個(gè)階段。LL0A0Dd0拉伸試樣應(yīng)力σ試樣單位面積的載荷應(yīng)變ε試樣單位原始長度的伸長，或單位原面積的收縮。正應(yīng)力切應(yīng)力Aσ=Pc/Aτ=Pp/A載荷－伸長曲線載荷F伸長（ΔL）FbFkFsFeeskbΔL應(yīng)力F/A應(yīng)變（ΔL/L0）σbσkσsσeeskb應(yīng)力－應(yīng)變曲線ΔL均勻變形非均勻變形頸縮現(xiàn)象拉伸前的試樣拉斷后的試樣低碳鋼灰鑄鐵合金鋼＆淬火回火鋼不同金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線從應(yīng)力應(yīng)變曲線可看出材料的大概力學(xué)性能凝膠橡膠、塑化聚氯乙烯酚醛樹脂硬質(zhì)聚氯乙烯乙酰纖維素、尼龍（二）強(qiáng)度指標(biāo)

強(qiáng)度指材料或結(jié)構(gòu)承受外力而不發(fā)生變形和破壞的能力1．彈性變形階段的強(qiáng)度指標(biāo)在應(yīng)力應(yīng)變曲線的e點(diǎn)之前是彈性變形階段，其變形是可逆的，變形隨著載荷的卸除而消失。此階段有如下兩個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)：（1）彈性極限σe（proofstress）

即e點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力，表征材料產(chǎn)生最大彈性變形的應(yīng)力，超過此點(diǎn)，材料開始產(chǎn)生塑性變形。彈性極限由下式計(jì)算：σe=Fe/A0（MPa）

式中：Fe為e點(diǎn)對應(yīng)的載荷，A0為試樣原始截面積。（2）彈性模量（Young'smodulus）

在彈性階段應(yīng)力和應(yīng)變呈線性關(guān)系，即二者存在σ=Eε的關(guān)系，其中比例系數(shù)E即是彈性模量。工程上彈性模量被稱為剛度（rigidity），表征材料抵抗彈性變形的能力，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形越小，機(jī)械構(gòu)件的穩(wěn)定性越高。E1E2E1E2σε1ε2E1>E2E1>E2εσ1σ22．塑性變形階段的強(qiáng)度指標(biāo)：（1）屈服極限σs（yieldlimit）屈服強(qiáng)度σ0.2（yieldstrength）在S點(diǎn)附近，此時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)一個(gè)平臺，表示材料開始產(chǎn)生塑性變形，其對應(yīng)的應(yīng)力叫屈服極限σs。但對于大多數(shù)合金鋼或淬火回火材料，應(yīng)力應(yīng)變曲線無屈服平臺出現(xiàn)，此時(shí)，規(guī)定以產(chǎn)生試樣原始長度0.2%的塑性變形所對應(yīng)的應(yīng)力作為條件屈服極限，稱為屈服強(qiáng)度σ0.2。屈服強(qiáng)度和屈服極限是材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)，因?yàn)闄C(jī)械構(gòu)件在工作中是不允許產(chǎn)生絲毫的塑性變形的。在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)往往以σs或σ0.2作為依據(jù)。屈服極限σs=Fs/A0（MPa）屈服強(qiáng)度σ0.2=F0.2/A0（MPa）

FsF0.20.2%ΔLσs=Fs/A0σ0.2=F0.2/A0

（2）抗拉強(qiáng)度（tensilestrength）抗拉強(qiáng)度是應(yīng)力應(yīng)變曲線上b點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力，表征材料所能承受的最大應(yīng)力。對于脆性材料，由于屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度相差不大，多以抗拉強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。抗拉強(qiáng)度由下式計(jì)算：σb=Fb/A0（MPa）

3．?dāng)嗔央A段的強(qiáng)度指標(biāo)

斷裂強(qiáng)度（fracturestrength）即應(yīng)力應(yīng)變曲線上K點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力。雖然該指針在機(jī)械設(shè)計(jì)中意義不大，但作為斷裂研究卻具有很重要的參考價(jià)值。E=σ/εσeσsσbσkK（三）塑性（plasticproperty）

塑性是指金屬材料斷裂前發(fā)生永久性變形的能力。現(xiàn)代斷裂力學(xué)研究證明，塑性是材料重要的安全性指針，在強(qiáng)度能滿足要求的前題下，機(jī)械構(gòu)件應(yīng)有足夠的塑性儲備，以防止過載或脆性斷裂。在壓力加工中，塑性是保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要指針，壓力加工中的缺陷，往往是材料塑性不足帶來的。材料的塑性好壞用延伸率和斷面收縮率表示。

（1）延伸率（elongationpercentage）

延伸率是試樣拉斷后的標(biāo)距絕對伸長與原始標(biāo)距長度之比，用δ表示，即

δ=ΔL/L0×100%=（Lf-L0）/L0×100%

其中Lf為試樣拉斷后的標(biāo)距長度，L0為試樣的原始標(biāo)距長度。故有：式中β、γ—對同一種材料為常數(shù)。由此可知，材料的延伸率不僅與材質(zhì)有關(guān)，還與試樣的原始標(biāo)距長度和原始截面積有關(guān)，為此，欲比較同種材料的延伸率，要求試樣的為常數(shù)，其結(jié)果是試樣的標(biāo)距與直徑保持一定的比例關(guān)系，如L0=10d0，或L0=5d0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：

（2）

斷面收縮率（contractionofarea）

斷面收縮率是試樣拉斷后縮頸處橫截面的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，用符號ψ表示。

式中A0——試樣原始橫截面積；Ak——試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積。

韌性韌性（ductility）是材料的重要性能從斷裂力學(xué)的角度看:韌性是表征材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，高韌性的材料，即便機(jī)械構(gòu)件用材內(nèi)部有裂紋，該裂紋也難于擴(kuò)展，機(jī)械構(gòu)件處于安全狀態(tài)。從強(qiáng)度與塑性的關(guān)系看：高的韌性要求材料的強(qiáng)度和塑性都要好，因此韌性又是表征材料強(qiáng)度和塑性的綜合力學(xué)性能指標(biāo).

（1）

沖擊韌度（dynamicductility）沖擊韌度是材料抵抗沖擊破壞能力的韌性指標(biāo)，用試樣沖擊斷裂時(shí)單位面積所吸收的能量來表示，其試驗(yàn)原理見圖。定義沖擊功為

Ak=mgH1-mgH2即試樣沖擊斷裂前擺錘的勢能與試樣沖擊斷裂后擺錘的勢能之差，而沖擊韌度為：

ak=Ak/AN（J/m2）式中AN為試樣缺口根部的原始截面積。由此可知，試樣材料的韌性越好，沖擊斷裂所消耗的能量越大，擺錘的勢能差也越大。沖擊韌度對材料內(nèi)部組織的變化敏感，因此常用來反映材料的冶金質(zhì)量和熱加工后的產(chǎn)品質(zhì)量，是金屬材料常用的力學(xué)性能指標(biāo)。圖6.7衝擊試驗(yàn)原理Ak=mgH1-mgH2金屬材料的韌性隨溫度的變化Tk冷脆轉(zhuǎn)變溫度akT低碳鋼銅、鋁及其合金（2）

斷裂韌度

斷裂韌度（fracturetoughness）是用來反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的指標(biāo)。現(xiàn)代研究證明，機(jī)械構(gòu)件用材料內(nèi)部往往存在有各種裂紋或類裂紋，它們是在加工中或使用中產(chǎn)生的。在使用過程中，裂紋或由于應(yīng)力的增加而增長，或由于載荷循環(huán)的增加而增長。當(dāng)裂紋長度增加到某個(gè)值ac時(shí)，材料便會發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂，把a(bǔ)c稱為臨界裂紋長度。韌性好的材料，一方面裂紋擴(kuò)展困難，另一方面能夠容納的臨界裂紋長度大，因此較難發(fā)生斷裂。

ν、E、G－材料力學(xué)常數(shù)

θ、r－位置坐標(biāo)

KI－應(yīng)力場強(qiáng)度因子，包含了裂紋形狀、尺寸、外加載荷對應(yīng)力狀態(tài)的影響常用的斷裂韌度為臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KIC

KIC=Yσc√ac（MPa.m1/2）式中，Y——裂紋形狀因子。σc——臨界應(yīng)力ac——臨界裂紋長度KIC與別的力學(xué)性能指標(biāo)一樣，在一定條件下也是材料常數(shù)，取決于材料的成分、組織結(jié)構(gòu)和各種環(huán)境因素，其值越大，材料斷裂時(shí)所需的應(yīng)力越大，斷裂時(shí)容納的裂紋越長，而且裂紋擴(kuò)展越難，材料的韌性就越好。

斷裂韌性的應(yīng)用（1）探測出裂紋形狀和尺寸，根據(jù)KIC，制定零件工作是否安全KI≥KIC，失穩(wěn)擴(kuò)展。（2）已知內(nèi)部裂紋2a，計(jì)算承受的最大應(yīng)力。（3）已知載荷大小，計(jì)算不產(chǎn)生脆斷所允許的內(nèi)部宏觀裂紋的臨界尺寸。

例子在低溫下一些材料的KIC也表現(xiàn)出明顯的下降。(3)靜力韌度

在靜拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線中，韌性可用應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積大小來表示，稱為靜力韌度。

由圖6.6可知，要獲得大的面積，即高的韌性值，必須要有高的強(qiáng)度和較好的塑性。脆性材料的靜力韌度韌性材料的靜力韌度

圖6.6韌性材料和脆性材料的靜力韌度硬度材料的硬度試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)之一，這是因?yàn)橛捕仍囼?yàn)方法簡單，無損于零件，對材料表面的組織變化敏感，并且硬度值還能換算成別的力學(xué)性能值。硬度（hardness）是表征材料軟硬程度的力學(xué)性能，其物理意義隨試驗(yàn)方法的不同而不同。常用的硬度試驗(yàn)方法是壓入法，由于這種試驗(yàn)方法是軟性應(yīng)力狀態(tài)，容易在材料表面形成壓痕，故不但可以用于一般硬度的金屬材料，還可以用來測定淬火鋼、硬質(zhì)合金、甚至陶瓷等脆性材料的硬度。常見的硬度試驗(yàn)方法如下：1822莫氏硬度金剛石10、剛玉9、黃玉8……方解石3、石膏2、滑石1工業(yè)純鐵3～4淬火工具鋼7～81、布氏硬度（Brinellhardness）布氏硬度是將直徑為D（mm）的鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭，在載荷F的作用下壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后卸除載荷，測定試樣表面的壓痕直徑d（mm），則布氏硬度HB為：

式中，F(xiàn)為試驗(yàn)載荷；D為鋼球直徑；d為壓痕直徑；A為球形壓痕的面積。布氏硬度大多情況下均使用淬火鋼球作為壓頭，因此在使用中要避免用于淬火材料的硬度試驗(yàn)。另外布氏硬度試驗(yàn)中載荷F與鋼球直徑D的選擇應(yīng)滿足“相似原理”，即二者的比值F/D2應(yīng)等于常數(shù)。例，當(dāng)F/D2=30時(shí)，應(yīng)選擇如下數(shù)值：D=10，F(xiàn)=3000；D=5，F(xiàn)=750；D=2.5，F(xiàn)=187.5等。布氏硬度的最大優(yōu)點(diǎn)是壓痕較大，覆蓋的晶粒數(shù)較多，因此數(shù)據(jù)分散性較小，多用于測定鑄造材料的硬度。DFd壓頭圖6.8布氏硬度試驗(yàn)原理布氏硬度相似原理D1F1壓頭D2F2φd材料比值（F/D2）鋼球直徑（mm）載荷（gkf）載荷保持時(shí)間（S）黑色金屬（如退火、正火、調(diào)質(zhì)態(tài)）301052.53000750187．510布氏硬度試驗(yàn)規(guī)范2.

洛氏硬度（Rockellhardness）

如圖所示，將金剛石圓錐壓頭或淬火鋼球壓頭在一定的載荷下壓入試樣表面，用壓入深度h表示洛氏硬度。圖中a)表示在預(yù)載荷作用下壓如深度為h1，圖中b)表示在預(yù)載荷作用的同時(shí)又加上主載荷，壓如深度為h2，圖中c)表明卸除主載荷，此時(shí)由于彈性回復(fù)，壓如深度有所減少，變?yōu)閔3，F(xiàn)0F0+FF0試樣a)加預(yù)載荷b)加預(yù)載荷與主載荷c)卸除主載荷h1h2h=h3-h1h3圖6.9洛氏硬度原理圖定義洛氏硬度為：HR=k-h=k-(h3-h1)洛氏硬度加預(yù)載荷的目的是去除金屬材料表面氧化皮等對硬度的影響。加常數(shù)k的目的是為了使洛氏硬度值的大小與材料軟硬關(guān)系如其它硬度一樣，即硬度值越大，材料越硬。洛氏硬度值是直接在硬度試驗(yàn)機(jī)的讀數(shù)盤上讀取的，因?yàn)榭潭缺P上的1刻度表示0.002mm的深度，所以深度h在刻度上相當(dāng)于h/0.002=500h，則洛氏硬度為：HR=k-500h由于洛氏硬度采用不同的壓頭和主載荷，因此可以搭配出多種不同的組合，稱為洛氏硬度的標(biāo)尺，其中使用最多的是C標(biāo)尺，HRC廣泛用于熱處理車間對淬火鋼的硬度測定。洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)洛氏硬度的標(biāo)尺硬度預(yù)載荷標(biāo)尺壓頭總載荷（kgf）k值用途洛氏硬度10ADC金剛石圓錐60100150100淬火鋼、超硬合金FBG鋼球1.5875mm60100150130銅合金、鐵HEK鋼球3.175mm60100150粉末合金、鑄鐵、鋁合金、鎂合金等LMP鋼球6.35mm

60100150軟金屬、塑料RSV鋼球12.7mm601001503.維氏硬度（Vickers-hardness）維氏硬度的試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的試驗(yàn)力來計(jì)算硬度值的。不同的是維克氏硬度采用的是相對面夾角為1360的金剛石四棱錐壓頭，打出的壓痕是四方錐形壓痕，如圖6.10所示。為了消除材料各向異性的影響，應(yīng)測量壓痕兩個(gè)對角線的長度，以其平均值d帶入下式，計(jì)算HV值：

式中，F(xiàn)為試驗(yàn)載荷；A為正四棱錐壓痕面積；d為壓痕對角線的平均值。由于維氏硬度采用金剛石作為壓頭，載荷范圍較寬，不像布氏硬度那樣受到“相似原理”的限制，因此可以測定從較軟的金屬一直到較硬的金屬的硬度，廣泛用于材料的研究中。另外，如果載荷選得很小，以克為單位，則可以打顯微組織的硬度，這就是顯微硬度。顯微硬度的試驗(yàn)原理完全與微氏硬度相同。圖6.10維氏硬度試驗(yàn)壓頭及壓痕維氏硬度計(jì)4.

4、肖氏硬度（shorehardness）

肖氏硬度屬于回彈法硬度試驗(yàn)，其原理是將一定重量的，頂端帶有金剛石圓頭的沖頭，從一定高度處自由落到試樣表面，根據(jù)沖頭的回彈高度來表征材料硬度的大小。如果材料很硬，沖頭落下時(shí)試樣受力點(diǎn)基本不變形，沖擊能中消耗于塑性變形的能量很少，大部分能量在試樣受力點(diǎn)彈性回復(fù)時(shí)被釋放，使沖頭彈回到一定的高度，而且，材料越硬，彈回的高度越高。如果設(shè)沖頭的原始高度為h0，回彈高度為h1，則定義肖氏硬度為：肖氏硬度計(jì)一般為手提式，較為輕便，一般作為現(xiàn)場大型工件的硬度測定。例如，大型冷軋輥的硬度驗(yàn)收值往往就用肖氏硬度值。另外，肖氏硬度應(yīng)該用于彈性模量相差不大的材料，并且由于數(shù)據(jù)較分散，應(yīng)測量較多的點(diǎn)取平均。

試樣h0h1沖頭肖氏硬度計(jì)

材料的疲勞性能

機(jī)械構(gòu)件通常在小于