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    第1章__工程材料的结构与性能

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    第1章__工程材料的结构与性能

    第第 1 章章 工程材料的结构与性能工程材料的结构与性能 材料都是由一种或一种以上的元素组成的。在一定条件下,材料具有一定的聚合状态, 或呈气态或呈液态或呈固态。当条件改变时,材料的状态可以互相转化。材料的性能主要 取决于成分、结构和组织。在这一章里所涉及的材料结构,除了原子或分子结构之外, 重点在于材料原子或分子的相互作用和排列方式上。 1.1 材料原子材料原子或分子或分子的相互作用的相互作用 当原子相互靠近时,它们之间的相互作用将以键合方式进行。由于组成不同,材料的 原子或分子结构各不相同,原子间的结合键性质和状态存在很大差别。 1.1.1 离子键离子键 当正电性金属原子与负电性非金属原子接触时,前者失去最外层电子变成正离子,后 者获得电子变成负离子,正、负离子由于静电引力而相互结合成化合物,这种相互作用就 称为离子键。 图 1.a 为离子键结合的示意图。离子键有较强的结合力,因此离子化合物的熔点、沸 点、硬度很高,热膨胀系数很小。大部分盐类、碱类和金属氧化物多数以离子键方式结合, 部分陶瓷材料MgO、Al2O3、ZrO2等及钢中的一些非金属夹杂物也以此方式结合。 1.1.2 共价键共价键 当两个相同的原子或两种不同的原子相互作用时,原子间以形成公用价电子对而结合, 这种结合方式称为共价键。图 1.1b 为共价键结合的示意图。共价键结合极为牢固,共价晶 体如金刚石具有高的熔点、硬度和强度。由于全部外层电子束缚于共价键,所以它们不 是导体金刚石是绝缘体,硅、锗是半导体。碳、硅、锡,锗、铅等亚金属主要以共价键 方式结合,一些陶瓷如碳化硅、氧化硅和一些聚合物也是通过共价键使它们的原子结合 在一起的。 1.1.3 金属键金属键 由于金属原子结构外层电子数较少,且电离能也很小,极易失去外层价电子而成为正 离子。 当金属原子相互接近时,金属原子的外层价电子便从各个原子中脱离出来,为整个金 属原子所共用,它们可在整个金属内自由运动而形成“电子气” 。金属正离子与自由电子间 的静电引力作用,形成金属整体,这种结合方式称为金属键,如图 1.1c 所示。 用金属键可以粗略地解释金属的一般特性金属中的自由电子在一定的电位差条件下 作定向运动,形成电流,从而显示出良好的导电性;自由电子的运动以及金属正离子的振 动使金属具有良好的导热性;随着温度的升高,金属正离子振动加剧,阻碍电子通过,电 阻升高,因而金属具有正的电阻温度系数;金属内原子面间作相对位移时,正离子与自由 电子之间的结合键仍旧保持着,使金属显示出良好的塑性;自由电子能吸收可见光的能量 使金属具有不透明性,而吸收了能量被激发的电子回到基态时产生辐射,使金属具有光泽; 除铋、锑、锗、镓等亚金属为共价键结合外,绝大多数金属均以金属键方式结合。 1.1.4 分子键分子键 He、Ne、Ar 等原子态惰性气体和 H2、N2、O2等分子态气体在低温时都能结合成液体 和固体,这类原子或分子间相互作用并没有价电子的得失、共有或公有化它们的结合是 依靠分子或原子偶极间的作用力色散力、诱导力、取向力来完成的。这种相互作用称为 分子键,也称为范德华Vander Waals力。图 1.1d 为分子键示意图。 由于分子键很弱,故结合成的晶体具有低熔点、低沸点、低硬度、易压缩等性质例 如,石墨的各原子层之间为分子键结合,从而易于分层剥离,强度、塑性和韧性极低,接 近于零,是良好的润滑剂。塑料、橡胶等高分子材料中的链与链间的结合力为范德华力, 故它们的硬度比金属低,耐热性差,不具有导电能力。 1.1.5 氢键氢键 氢键是一种特殊的分子间作用力。当两种负电性大而原子半径较小的原子与氢原子结 合 时,氧原子与一种原子之间形成共价键,与另一种原子之间形成氢键。如 F HF,OHO,NHO 等,其中实线为共价键,虚线表示氢键。氢键的本质 是静电吸引力,具有饱和性和方向性。氢键比一般范德华力强得多,但比离子健、共价键 等要小。 氢键的形成对化合物的物理性质和化学性质有各种影响。比如水的物理性质,如密度、 比热容、熔点、沸点等都较同类化合物高。 以上讨论的几种结合键的强度,以离子键和共价键最强,金属键次之,分子键最弱。 实际上,只有一种结合键的材料并不多见,大多数材料往往是几种键的混合结合,而 以一种结合健为主。表 1.1 列出了常用工程材料的结合键和性能特点。 1.2 晶体材料的原子排列晶体材料的原子排列 当材料处于固体状态时,若组成它的离子、原子或分子在三维空间呈有规则的长距离 大大超过原子或分子尺寸的周期性重复排列,即具有长程有序,这一类固态物质称为晶 体。而它们离子、原子或分子规则排列的方式就称为晶体结构。 1.2.1 理想晶体结构理想晶体结构 1.晶格 为了便于描述晶体中的原子排列规律如图 1.2a,把晶体中的原子或离子等想象成几 何结点、并用直线从其中心连接起来而构成的空间格架,称为“晶格” ,如图 1.2b 所示。 晶格形象地表示晶体中原子排列的方式。晶格中的结点为原子或离子等平衡中心的位置, 通过结点的任一平面称为晶面,通过结点的任一直线所指的方向称为晶向。把能反映空间 晶体排列方式的基本单元称为晶胞,如图 1.2c 所示,可见晶胞在三维空间的重复排列就构 成晶格并形成晶体。晶胞大小和形状可用其三条棱边长度 a、b、c 和棱边夹角。α、β、γ 来描述,其中 a、b、c 称为晶格常数,长度单位为 10-10m。 根据晶胞的几何形状或自身的对称性,可把晶体结构分为七大晶系十四种晶格。由于 金属 晶体是通过较强的金属键结合,故原子趋于紧密排列,构成少数几种高对称性的简单晶体 结构。约有 90%以上的金属晶体都具有以下三种晶格形式。 2.常见的金属晶体结构 1体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞如图 1.3 所示,由八个原子构成一个立方体,在立方体的中心还 有一个原子。其晶格常数可用 a=b=c来表示。由于晶胞在其立方体对角线方向上的原于 是彼此紧密相接触排列的,故晶胞中的原子半径。体心立方晶胞每个顶点上的原ar 4 3  子同属于相邻八个晶胞所共有,因此每个晶胞实际包含原子数为1/8x 81=2。 晶胞中原子排列的紧密程度可用致密度 K 来表示。致密度是指晶胞中原子所占的总体 积与该晶胞体积之比。对于体心立方晶格,可求出其致密度 K0.68,即晶胞中有 68的体 积被原子所占据,32的体积则为空隙。 属于体心立方晶格的金属有 α-Fe912℃以下的纯铁、 Cr、Mo、W、V、Nb、β-Ti、Na、K 等。 2面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞如图 1.4 所示。由图可见,在晶胞每个角及每个面中心各分布着 一个原子,在每个面的对角线上各原子彼此相互接触,因而其原子半径。由于每ar 4 2  个面心位置上的原子同属于两个晶胞所共有,故每个面心立方晶胞中实际包含的原子数为 1/8x 81/2x6=4。其致密度 K 经计算为 0.74。 属于面心立方晶格的金属有 γFe912~1394℃、Cu、A1、Ni、Au、Ag、Pt、βCo 等。 3密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞如图 1.5 所示,是一个六方柱体。柱体的上、下底面六个角及中 心各有一个原子,柱体中心还有三个原子。 其晶格常数为六方底面的边长 a 和上下底面间距 c,在上述紧密排列情况下, c/a≈1.633。最近邻原子间距为 a,所以其原子半径。由图可见,每个角上的原子ar 4 2  同时为六个晶胞所共有,上下底面中心的原子同时为两个晶胞所共有,再加上晶胞内的三 个原子,故密排六方晶胞的原子数为1/6x121/2x 2+3=6 个。同样可求出其致密 度为 0.74。 属于密排六方晶格的金属有 Be、Mg、Zn、Cd、α-Co、α-Ti 等。 3.晶面和晶向的表示方法 由于金属的许多性能和金属中发生的许多现象都与晶体中的特定晶面和晶向有关,所 以这些晶面和晶向的表达就具有特别的重要性。晶面和晶向的表达分别采用晶面指数hkl 和晶向指数[uvw]的形式hkluvw 为整数。体心立方晶格中几个主要晶面和晶向指数如图 1.6 所示。 值得指出的是,hkl晶面或[uvw]晶向实际上是表示一组原子排列相同的平行晶面或晶 向。晶面指数或晶向指数可以为负数负指数的表达是把负号“”加在相应指数数字的 上方,如111)或[uvw]。 在立方晶系中,由于原子排列具有高度的对称性,故存在着许多原子排列完全相同但 不平行的对称晶面或晶向,通常把这些晶面或晶向归结为同一晶面或晶向族,用大括 号表示,即{hkl}(或uvw) 。在同一晶面或晶向族中的各晶面或晶向的指数数值相同, 但符号和次序不同,如{111}晶面族的各晶面指数为111、 、和。111111111 六方晶系的晶面指数和晶向指数的确定步骤与立方晶系的相似。 由于不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,因而在同一晶体单晶体的不同 晶面和晶向上的各种性能也会不同,这种现象就称为各向异性。例如。α-Fe 单晶体,由 于它在不同晶向上的原子密度不同,则原子结合力便不同,因而其弹性模量 E 也不同,在 体对角线方向[111]上,E=290000MPa,而沿立方体一边方向[001]上 E=1350000MPa。 1.2.2 实际晶体结构实际晶体结构 1.单晶体与多晶体 结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体” 。如图 1.7a 所示。在单晶体中,所有晶胞均 呈相同的位向,故单晶体具有各向异性。此外,它还有较高的强度、抗蚀性、导电性和其 他特性,因此日益受到人们的重视。目前在半导体元件、磁性材料、高温合金材料等方面, 单晶体材料已得到开发和应用。单晶体金属材料是今后金属材料的发展方向之一。 在工业生产中,单晶体的金属材料除专门制作外基本上是不存在的。实际的金属结构 都包含着许多小晶体,每个小晶体的晶格是一样的,而各小晶体之间彼此方位不同。如图 1.7b 所示。由于每个小晶体都具有不规则的颗粒状外形,故称为“晶粒” ,晶粒与晶粒之间 的界面叫做“晶界” 。由于晶界是两相邻晶粒不同晶格方位的过渡区,所以在晶界上原于排 列总是不规则的。这种由多晶粒组成的晶体结构称为“多晶体” 。在多晶体金属中,一般来 说,不显示各向异性。这是因为在多晶体中各个晶粒的位向紊乱,其各向异性显示不出来, 结果使多晶体呈现各向同性,这种现象也称“伪无向性” 。 多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关,其直径一般在 1~0.001 mm 之间。 晶粒大小对材料性能影响很大,在常温下,晶粒愈小,材料的强度愈高,塑性、韧性就愈 好。 2.晶体缺陷 除了具有多晶体结构以外,金属的实际结构与理想结构不同之处是存在着晶体缺陷。 按其几何形状的特点,晶体缺陷可分为以下三类 1点缺陷 点缺陷是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小,尺寸范围约为一个或几个原子间距 的缺陷,包括空位、间隙原子、置换原子等。空位是指未被原子所占有的晶格结点,如图 1.8a 所示。置换原子是指占据晶格结点上的异类原子图 1.8b。间隙原子是处在晶格间隙 中的多余原子图 1.8c。 点缺陷的形成,主要是由于原子在各自平衡位置上做不停的热运动的结果。当某个原 子有足够大的能量克服周围原子对它的牵制时,便跳到晶界处或晶格间隙处,形成间隙原 子,并在原来位置上形成空位。空位和间隙原子的数目随着温度的升高而增加。例如铝在 室温时,1cm3中有 8x1010个空位,当温度升高到 600℃时,其空位可剧增至 3x1019个。此 外,其他加工和处理,如塑性加工,离子轰击等,也会增加点缺陷。 由于晶格点缺陷的出现,可促使周围的原子发生靠拢或撑开的现象,如图 1.8 所示, 从而造成晶格畸变。晶格畸变使材料的强度、硬度和电阻率增加以及其他力学、物理、化 学性能的改变。 2线缺陷 线缺陷是指三维空间中在两维方向上尺寸较小,在另一维方向上尺寸相对较大的缺陷。 属于这类缺陷的主要是各种类型的位错。 位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。位错最基本 的形式有刃型位错和螺型位错。刃型位错如图 1.9 所示,在晶体内的半原子面 EFGH 就像 刀刃一样,使位于 ABCD 面的上下两部分晶体沿着 EF 线产生了原子错排。EF 线就是刃型 位错线。 位错的出现使位错线周围造成晶格畸变,畸变程度随离位错线的距离增大而逐渐减小 直至为零。严重晶格畸变的范围约为几个原子间距。 晶体中的位错密度 ρ,以单位体积中位错线的总长度来表示,单位是 cm/cm3或 cm-2。在退火的金属中,位错密度一般为 105cm-2。在大量冷变形或淬火的金属中,位错 密度增高,可达 1012cm-2。随着位错密度的增高,材料的强度将会显著增加见图 1.10, 所以提高位错密度是金属强化的重要途径之一。 3面缺陷 面缺陷是指三维空间中在一维方向上尺寸很小,另外两维方向上尺寸很大的缺陷。最 常见的面缺陷的是金属中的晶界和亚晶界。 晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间的过渡区,由于相邻两晶粒的晶格位向不同,致使该 过渡区内的原子排列不规整,偏离其平衡位置,产生晶格畸变,如图 1.11 所示。金属多晶 体中,晶粒间的位向差大多在 30~40左右,晶界厚度约在几个原子间距到几百个原子 间距。 即使是在晶粒内部,原子的排列也并非是完全理想的规则排列,而是存在着许多小尺 寸、小位向差一般几十分到 1~2的晶块,这些小晶块称为“亚晶粒”或称“亚结构” 。两相邻的亚晶粒间的边界称为“亚晶界” ,如图 1.12 所示。亚晶界的原子排列也不规则, 它实际上由一系列刃型位错所构成,因而也产生晶格畸变,图 1.13 是金镍合金亚晶粒组织 图。 在实际晶体结构中,上述晶体缺陷并不是静止不变的,而是随着一定的温度和加工过 程等各 种条件的改变而不断变动的。它们可以产生、发展、运动,它们之间还可以发生交互作用, 能合并和消失。晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影响,特别对金属的塑性变形、固态 相变以及扩散等过程都起着重要的作用。 1.3 非晶态材料中的原子排列非晶态材料中的原子排列 所谓“非晶态” ,是相对于晶态而言,是固态物质的另一种结构。非晶态材料是目前材 料科学中广泛研究的一个新领域,也是一类发展迅速的重要的新型材料。 1.3.1 短程有序短程有序 在前面的章节已论述了晶体中原子是规则的重复排列,即长程有序性,也就是通常所 说的晶体结构的周期性。而在非晶态结构中,原子排列没有这种规则的周期性.原子的排 列从总体上是无规则的。但是,近邻原子的排列是有一定规律的。这就是所谓的“短程有 序” 。例如,非晶硅的每个原子仍为四价共价键,与最近邻原子构成四面体,这是有规律的, 而总体原子的排列却没有周期性的规律。一般来说,非晶态结构的短程有序区大小约为 14-16。另外,从宏观特性看非晶态金属通常表现为金属性;非晶态半导体基本上保持 半导体的性质;绝缘晶体制成非晶态仍然是绝缘体。这也是由于非晶态是有与相应的晶态 类似的短程有序性有关而决定的。 由于非晶态结构的长程无序性.因而可以把非晶态材料看作是均匀的和各向同性的结 构。 1.3.2 亚稳态性亚稳态性 晶态材料在熔点以下一般是处在热力学自由能最低的稳定平衡态。非晶态则是一种亚 稳态,即在某一定条件下为非晶态,当环境条件变化时,例如.所处的温度高于某一值后, 可能向晶态转化,而失去非晶态结构。因此,非晶态及其结构处于亚稳定状态。这种亚稳 态性直接关系着非晶态材料的使用寿命和应用,所以在实际应用上具有十分重要的意义。 1.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 由两种或两种以上的金属元素。或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质, 称为合金。组成合金的独立的、最基本的单元称为组元,组元可以是纯元素或是稳定的化 合物。由两个组元组成的合金称为二元合金,由三个组元组成的合金是三元合金,由三个 以上组元组成的合金为多元合金。 1.4.1 合金的相、组织及其关系合金的相、组织及其关系 当各组元相互作用组成合金时,可在合金内形成一种或几种相,所谓相是指合金中具 有相同的物理、化学性能,并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分。合金的性能, 一方面取决于组成合金的各相本身的晶体结构,但另一方面,也取决于由各相形态决定的 合金组织状态。所谓合金组织是用金相显微镜观察法,在金属及合金内部看到的涉及各相 晶体或晶粒大小、方向、形状、排列状况等组成关系和构造情况。 组织是合金的微观形态,它是由合金中各相的形态所构成的。当材料成分一定时,相 同的相在不同处理条件下形成,会具有各种不同的形态大小、方向、形状、排列状况等, 从而构成不同的显微组织。可见,一个相可以构成一种或一种以上的组织。在工业中常通 过改变处理条件来获得不同的组织以改善材料力学、物理和化学性能。 根据组成合金各元素间相互作用的不同,合金的相结构可分为固溶体和化合物。 1.4.2 固溶体固溶体 在固态下,合金组元间会相互溶解,形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相, 这种新相称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂,其他组元为溶质。根据 溶质在溶剂晶格中所处的位置,可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。 1.置换固溶体 置换固溶体系指溶质原子取代部分溶剂原子而占据着晶格的结点位置所形成的固溶体。 置换固溶体晶格如图 1.14a 所示。溶质原子在溶剂晶格中的分布一般是任意的,无规则的。 有时在特定的情况下,溶质原子和溶剂原子会各占据晶格中的一定位置。 溶质原子溶于固溶体中的量,称为固溶体的浓度。固溶体的浓度一般用重量百分比或 原子百分比来表示。在一定的条件下,溶质元素在固溶体中的极限浓度,叫做溶解度,其 大小主要取决于溶质与溶剂的晶格类型、原子直径的差别和在周期表中的相互位置。一般 说来,若晶体类型 相同,原子直径差别愈小,在周期表中位置愈靠近,则溶解度愈大,甚至在任何比例 下均能互溶而形成无限固溶体,例如铜镍合金。反之,则溶质在溶剂中的溶解度是有限的, 这种固溶体称为有限固溶体。 2.间隙固溶体 若溶质原子不是占据晶格结点位置而是分布在晶格间隙所形成的固溶体,称为间隙固 溶体。其结构如图 1.14b 所示。研究表明,当溶质元素与溶剂元素的原子直径比 D质/D剂 0.59 时才能形成间隙固溶体,一般过渡族金属元素溶剂与尺寸较小的 C、N、H、B、O 等元素易形成间隙固溶体。 由于溶剂晶格的空隙有限,且随着溶入的溶质原子愈多,引起的晶格畸变愈大,溶质 原子的进一步溶入受到的阻碍愈大。因此,间隙固溶体只能是有限固溶体。 1.4.3 金属间化合物金属间化合物 当合金中溶质含量超过固溶体的溶解度时,将析出新相。若新相的晶体结构与合金其 他组元的相同,则新相为以另一个组元为溶剂的固溶体。若新相的晶体结构不同于任一组 元。则新相是组元间形成的一种新物质化合物。根据其形成条件及结构特点,常见化 合物可分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。 1.正常价化合物 正常价化合物系指严格遵守化合物规律的化合物。通常由金属元素与第Ⅳ、ⅴ、Ⅵ族 的非金属元素或类金属元素组成。正常价化合物成分固定,可用化学式表示,如 Mg2Si、Mg2Sn 等。 2.电子化合物 电子化合物是由第一族或过渡族元素与第Ⅱ至Ⅴ族元素形成的化合物,它们不遵守化 合价规律,但满足一定的电子浓度化合物中价电子数与原子数之比,如 CuZn、Cu3Al、Cu3Sn 等。虽然电子化合物可用化学式表示,但实际上其成分可以在一定 范围内变动,即电子化合物可以溶解一定量的组元形成以电子化合物为基的固溶体。例如 在 Cu-Zn 合金中,CuZn 的含 Zn 量可以从 36.8到 56.6。 3.间隙化合物 间隙化合物是由过渡族金属元素与原子半径较小的 C、N、H、B 等非金属元素形成的 化合物。 当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于 0.59 时,将形成具有简单晶格的间隙化 合物.称为间隙相。间隙相一般能满足简单的化学式M4X、M2X、MX、MX2M 代表金 属元素,x 代表非金属元素,并具有简单的晶体结构,如 VC、W,C、Nb4c 等。间隙相 的成分往往也可在一定的范围内变动。 当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于 0.59 时,则形成具有复杂结构的间隙化 合物,例如 Fe3C、Mo3C、Cr7C3、Cr23C6等,其中的 Fe3C 是钢铁中的一种最重要的间隙化 合物,又称为渗碳体,具有复杂的斜方晶格,它作为强化相对钢铁材料的性能有重大的影 响。 1.4.4 合金性能合金性能 1.固溶体与固溶强化 在固溶体中,溶质原子的溶入将造成晶格畸变见图 1.8,并随着溶质原子浓度的增加, 晶格畸变增大,从而导致固溶体的强度和硬度升高,其他性能也发生变化,这种现象称为 固溶强化。在同等条件下,间隙固溶体所产生的固溶强化效果要远大于置换固溶体。实践 证明,适当控制固溶体中溶质的种类、配合和含量,可以在显著提高金属材料强度、硬度 的同时,保持或改善其良好的塑性和韧性。所以,固溶强化是金属材料改性的重要途径之 一。 固溶体的性能特点是在提高强度同时仍保持其良好的塑性和韧性。若作为单相固溶体 合金材料,则常用于制造各种冷成形件。若作为复相合金材料,则固溶体将作为合金材料 的基体相,以保证合金材料的韧性。 2.化合物与第二相强化 化合物的性能特点是高熔点、高硬度和高脆性。因此,化合物很少作为单相合金材料 使用,而是与固溶体组成复相合金材料。化合物在复相合金材料中作为强化相,并分布在 固溶体基体上,以保证合金材料的强度。 化合物作为第二相可提高合金材料的强度,又称为第二相强化,其效果主要取决于化 合物的形态大小、形状、分布状况等。若化合物分布在固溶体晶界上呈不连续或连续的 网状,这对合金的强度和塑性都是不利的,特别是使韧性大大降低.如过共析钢中网状的 二次溶碳体的出现将增大钢的脆性和降低强度,所以这种形态是要极力避免的。若化合物 在固溶体晶粒内呈片状或层状分布,这种形态较前一种形态要好得多,可明显提高合金材 料的强度和硬度,而塑性和韧性有所下降,因而在合金材料中是可接受的,如钢中的片状 珠光体组织。若化合物在固溶体晶粒内呈弥散质点或颗粒分布,它既可显著提高合金的 强度和硬度,又使塑性和韧性下降不大,颗粒愈细小,分布愈均匀,则强化效果就愈好, 所以这是最有利的形态。在工程上也常用来强化合金材料,这种强化也称为“弥散强化” 或“颗粒强化” 。 1.5 高聚物的结构高聚物的结构 高聚物又称高分子化合物,它是高分子材料的主要组分。高聚物的分子量很大,通常 在 104~107的范围内。高聚物由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成,如聚乙烯就是 由低分子乙烯聚合而成的,其化学反应为 nCH2=CH2 [CH2一 CH2 ] 从式中可以看出,聚乙烯是由许多乙烯小分子打开双键连接而成的大分子链。聚合成 高聚物的低分子化合物称为单体。大分子链中结构相同的重复单元称链节,链节的重复数 量称为聚合度。例如聚乙烯的单体是乙烯CH2=CH2,链节为[CH2一 CH2 ],聚合度为 n。 高聚物的结构主要系指大分子链的结构,即大分子链的形态和大分子的聚集态结 构。 1.5.1 大分子链的结构大分子链的结构 大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接方式、空间构型等。 1.结构单元的化学组成 虽然高聚物的分子量很大,但其化学组成往往比较简单,通常是由 C、H、N、O、Si 等元素构成,其中碳原子之间通过共价键结合而成的碳链高分子是最重要的高聚物。 大分子链的组成不同,高聚物的性能就不同。聚乙烯的性能软而韧,如果以苯环取代 链节中的一个氢原子,就成了硬而脆的聚苯乙烯。可见,化学组成是高聚物结构的基础。 1.结构单元的键连方式和链的构型 大分子键中各原子是通过共价键连接在一起的,结构单元在链中的连接方式和顺序决 定于单体和聚合反应的性质。结构单元的连接方式主要有头尾连接、头头连接和尾 尾连接。例如,在具有两个单体的共聚物[CHR 一 CH2 ]中 CHR 为头,一 CH2一为尾。其 中,头尾连接的结构最规整,强度也较高。在两种以上单体的共聚中,连接的方式更为 多样,可以是无规、交替、嵌段或接枝共晶等。究竟以哪一种连接方式存在,则以使聚合 物能量最低为原则,不同的连接方式对聚合物的性能有很大影响。 对于具有一 CH2--CHR--链节的高聚物,取代基 R 的排列方式不同,链的空间构型也 不同。空间构型的类型有全同立构R 在主链一侧、间同立构R 相间地在主链两侧和无规 立构。在实际生产中主要应用全同立构和间同立构。 3.大分子链的形态 1大分子链的几何形态 1线型结构 线型结构是由许多链节联成一条长链,如图 1.15a 所示。其分子直径与长 度之比可达到 11 000 以上。这种长而细的结构,通常卷曲成不规则的线团状,在拉伸时则 呈直线状。 有一些高聚物的大分子链带有一些小的支链,如图 1.15b 所示。 具有线型结构的高聚物在加工成型时,分子链时而卷曲收缩,时而伸长,表现出良好 的塑性和弹性。在适当溶剂中能溶解或溶胀。加热可软化或熔化,冷却后变硬,并可反复 进行。因此线型高聚物易于加工成形,并可重复使用。一些合成纤维和热塑性塑料如聚氯 乙烯、取苯乙烯等就属此类结构。 支链的存在使线型高聚物的性能钝化,如熔点升高、粘度增加等。 2体型结构 体型结构是分子链与分子链之间有许多链节相互交联在一起,形成网状 或立体结构,如图 1.15c 所示。 具有体型结构的高聚物,主要特点是硬度、强度高、弹性、塑性低,对溶剂和热的作 用都比线型结构的高聚物稳定,呈现不溶不熔的特点,具有良好的耐热性和强度,只能在 形成网状结构前进行一次成形,固化后硬而脆,不能重复使用。热固性塑料如酚醛塑料、 环氧塑料等和硫化橡胶等就属此类结构。 2大分子链的构象及柔顺性 大部分高聚物的主链完全由 C--C 单键组成,每个单键都有一定的键长和键角,并且能 在保持键长和键角不变的情况下任意旋转,这就是单键的内旋转,如图 1.16 所示。 当单键 a 在保持键角 β=10928′不变的情况下自旋时,键 b 将沿以 C2为顶点的锥 面旋转,即 C3可以在以 C2为顶点的圆锥底边的任意位置出现。同样 C4又可在以 C3为顶 点的圆锥底边的任一位置出现,依此类推。 由于大分子含有成千上万个单健,众多单键的内旋转,使大分子的形态瞬息万变,因 而分子链会出现许多不同的形象。这种由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构 成的分子链的各种形象,称为大分子链的构象。由于大分子链构象的频繁变化,使得大分 子链既可扩张伸长,又可卷曲收缩。大分子这种由构象变化获得不同卷曲程度的特性称为 大分子链的柔顺性。 影响大分子链柔顺性的因素主要有主链结构和取代基两个方面。 1主链结构 主链长则柔顺性好。当主链全部由单键组成时,分子链的柔顺性最 好。在常见的三大类主键结构中,以 Si-O 键最好,C-O 键次之,C-C 键再次之。 主键中含有芳杂环时,由于它不能内旋,故柔顺性下降而显示出刚性,能耐高温。 主健中含有孤立双键时,柔顺性好。例如聚氧丁二烯橡胶,因含有孤立双键而柔顺性 增大。 2取代基的性质 取代基的极性、体积和分布都影响柔顺性。极性越强,体积越大, 分布的对称性越差,则柔顺性越低。 1.5.2 高聚物的聚集态结构高聚物的聚集态结构 高聚物的聚集态结构主要系是指高分子材料内部大分子链之间的几何排列方式.也称 为超分子结构。根据大分子排列是否有序,高聚物的聚集态结构可分为晶态和非晶态无定 形体两种。晶态高聚物的分子排列规则有序,非晶态高聚物的分于排列无规则。 晶态高聚物由晶区分子作有规则紧密排列的区域和非晶区分子处于无序状态的区域 所组成,如图 1.17 所示。由于分子链很长,在每个部分都呈现规则排列是很困难的。在高 聚物中晶区所占重量百分数或体积百分数称为结晶度。一般晶态高聚物的结晶度为 5080。 非晶态高聚物的结构,其大分子排列只是在大距离范围内无序,而小距离范围内是有 序的,即远程无序,近程有序。体型高聚物由于链间存在大量交联,分子链不可能作有序 排列,所以都属于非晶态结构。 晶态与非晶态影响高聚物的性能。结晶使分子排列紧密,分子间作用力增大,所以使 高聚物的密度、强度、硬度、刚度、熔点、耐热性、耐化学性、抗液体及气体透过性等性 能有所提高,而依赖链运动的有关性能,如弹性、塑性和韧性较低。 1.6 陶瓷的结构陶瓷的结构 陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多相多晶态物质,它实际上是各种无机 非金属材料的统称。陶瓷的晶体结构比金属复杂得多,陶瓷的基本相除晶体相外,还有玻 璃相和气相。 1.6.1 晶相晶相 晶体相简称晶相。晶相是陶瓷的主要组成相,陶瓷是多相多晶体,故晶相可进一步分 为主晶相、次晶相、第三晶相等,如普通陶瓷中的主晶相为莫来石3A12032Sio2,次晶 相为残余石英、长石等。 陶瓷的力学、物理、化学性能主要取决干主晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化 物和非氧化物。 1.硅酸盐 硅酸盐是传统陶瓷的主要原料,同时也是陶瓷中重要的晶相。硅酸盐结构的特点是不 论何种硅酸盐,硅总是在四个氧离子形成的四面体的中心,组成[Si04]4-四面体图 1.18, 四面体之间又都以共有顶点的氧离子相互连接起来图 1.19,由于连接方式的不同,而形 成不同的硅酸盐结构,如岛状、链状、层状、骨架状等结构。 2.氧化物 氧化物是大多数典型陶瓷中特别是特种陶瓷中的主要晶相。氧化物结构的特点是较大 的氧离子紧密排列成晶体结构,而较小的正离子则填充在它们的空隙内。 3.非氧化物 主要指各种碳化物、氮化物及硼化物等,它们是特种陶瓷或金属陶瓷的主要组分和 晶相。常见的有 VC、WC、TiC、SiC 等碳化物以及 BN、Si3N4、AlN 等氮化物。 陶瓷的性能除了主要取决于晶相的结构之外.还受到各相形态大小、形状、分布等 所构成的显微组织见图 1.20的影响,如细化晶粒可提高陶瓷强度和韧性等。 1.6.2 玻璃相玻璃相 玻璃相是陶瓷高温烧结时各组成物和杂质产生一系列物理、化学反应后形成的一种非 晶态物质。其主要作用是将分散的晶相粘结在一起,抑制晶粒长大及填充气孔使陶瓷致密 等。但玻璃相的强度比晶相低,热稳定性差,在较低温度下便会引起软化。此外,由于玻 璃相结构疏松,空隙中常有金属离子填充,因而降低了陶瓷的电绝缘性。增加介电损耗。 所以工业陶瓷中的玻璃相应控制在一定范围内,一般陶瓷玻璃相为 2040。 1.6.3 气相气相 由于材料和工艺等方面的原因,陶瓷结构中存在 5~10体积的气孔,成为组织中的 气相。它常以孤立状态分布在玻璃相中,或以细小气孔存在于晶界或晶内。气孔使组织致 密性下降,产生应力集中,导致力学性能降低,脆性增加,并使介电损耗增大,抗电击穿 强度下降。因此,应力求降低气孔的大小和数量,并使气孔均匀分布。若要求陶瓷材料密 度小,绝热性好时,则希望有一定量气相存在。 1.7 工程材料的性能工程材料的性能 工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是材料在使用条件下表现出的性 能,具体如力学性能、物理性能和化学性能等;工艺性能则指材料在加工过程中反映出的 性能.如切削加工性能、铸造性能、塑性加工性能、焊接性能和热处理性能等。 1.7.1 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 材料在外力作用下所表现出的各种性能称为力学性能。常见的有强度屈服强度、断裂 强度、疲劳强度等、硬度、塑性、冲击韧性和断裂韧性等。它们可通过各自的标准试验来 测定。 1.强度强度 强度是指在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力,是材料最重要、最基本的力学性 能指标之一。 1静载时的强度 按 GB 6397--86 制成材料拉伸试样,在拉伸试验机上缓慢地进行拉伸.使试样变形直 至断裂。应力应变曲线可通过自动记录装置给出。图 1.21          0 A F           0 01 L LL  为低碳钢的应力应变曲线。 1弹性和刚度 从图 1.21 中可看出,若应力不超过,则试样的变形能在卸截后立即消失, e 0 即恢复原状,这种不产生永久变形的性能称为弹性。为不产生永久变形的最大应力,称 e  为弹性极限。在弹性变形范围内,应力与应变成正比,即或。式中比例常E   E 数 E 称为弹性模量,单位为 MPa,它是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标,在工程上亦叫 刚度,是一个对组织不敏感的参数,它主要决定于材料本身,与合金化、热处理、冷热加 工等关系不大。 2屈服点 s  低碳钢应力一应变曲线在 s 点出现一水平段,即应力不增加而变形继续进行。此时若 卸载,试样变形不能完全消失,而保持一部分残余变形,这种不能恢复的残余变形称为塑 性变形。此时所对应的应力就称为屈服点,用表示,单位为 MPa。可见是表示材料 s  s  抵抗微量塑性变形的能力。 有些材料的应力应变曲线上没有明显的屈服点,难以确定开始塑性变形的最低 s  应力值。因此,规定试样产生 0.2残余应变时的应力值为该材料的屈服点,以表示。 2 . 0r  零构件在工程中一般不允许发生塑性变形,所以屈服点是设计时的主要参数,是材料 s  的重要机械性能指标。 3抗拉强度 b  应力超过屈服点时,拉伸试样发生均匀而显著的塑性变形。当达到占点时,试样开 s  始局部变细,出现“颈缩”现象。此后,应力开始下降,变形主要集中于颈部,直到最后 在“缩颈”处断裂。可见,B 点处应力达到峰值,此点对应的应力称材料的抗拉强度。它 反映了材料产生最大均匀变形的抗力,用九表示,单位为 MPa。是设计和选材的主要 b  参数之一。 与的比值叫做屈强比,屈强比愈小,工程构性的可靠性愈高,因为万一超载也 s  b  不致马上断裂。屈强比太小,则材料强度有效利用率太低。 合金化、热处理、冷热加工对材料的、数值会产生很大的影响。 s  b  2变载时的强度 最常用的是疲劳强度,它是指在大小和方向重复循环变化的载荷作用下材料抵抗断裂 的能力。在理论上,材料在无数次交变载荷作用下不致断裂的最大应力就是疲劳强度,用 表示,单位为 MPa。但实际上,一般试验时规定,钢在经受 106~107有色金属经受 1  107~108,次交变载荷作用而不断裂的最大应力为疲劳强度。图 1.22 列举了几种材料的实 测疲劳曲线。 在交变载荷作用下,即使交变应力小于,材料经较长时间的工作也会发生失效断 s  裂,通常是突然断裂,这种现象称为疲劳。各种机器中因疲劳失效的零件占失效零件总数 的 60~70以上。 金属的疲劳强度与抗拉强度之间存在近似的比例关系 碳素钢,灰铸铁,有色金属 b 5 . 04 . 0 1  b 4 . 0 1   。 b 4 . 03 . 0 1   3高温强度 金属材料在高于一定温度长时间的工作,承受的应力即使低于屈服点,也会出现缓 s  慢塑性变形,这就是所谓的“蠕变” 。所以,高温下材料的强度就不能完全用室温下的强度 或来代替,此时必须考虑温度和时间影响,材料的高温强度要用蠕变极限和持久 s  b  强度来表示。蠕变极限是指金属在给定温度下和规定时间内产生一定变形量的应力。例如 ,表示在 600℃下,1000h 内,引起 0.1变形量的应力值为 88MPa。而MPa88 600 1000/1 . 0  持久强度是指金属在给定温度下和规定时间内,使材料发生断裂的应力。例如 ,表示工作温度为 800℃时,承受 186MPa 的应力作用,约 100h 后断裂。MPa186 800 100  工程塑料在室温下受到应力作用就可能发生蠕变,这在采用塑料受力件时应予以注意。 2.塑性塑性 材料在外力作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性大小用伸长率和 断面收缩率来表示。 ,100 0 01    L LL 100 0 01    A AA  、愈大,表示材料的塑性愈好。由于值与试样尺寸有关,故一般规定 或 为试样原始直径,分别以或表示两种不同尺寸的试样测 00 5dL  00 10dL  0 d 5  10  得的伸长率。同一种材料测得的一般比要大些。 5  10  金属材料应具有良好的塑性才能顺利地承受各种变形加工,故塑性是压力加工成形的 重要参数。另一方面,材料具有一定塑性可以提高零件使用的可靠性,防止突然断裂。 3.硬度硬度 硬度是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力,通俗地讲,是材料抵抗外物压入 其表面的能力。常用的硬度有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1布氏硬度 布氏硬度试验通常是以一定的压力 F,将直径为 D 的淬火钢球压入被测材料的表层, 经过规定的保持载荷时间后,卸除载荷,即得到一直径为 d 的压痕,见图 1.23。载荷除以 压痕表面积所得之值即为布氏硬度,以 HB 表示。单位为 MPa,但习惯上不标出。用钢球 为压头所测出硬度值以 HBS 表示;用硬质合金球为压头所测出的硬度值以 HBW 表示, HBS 和 HBW 前面的数字代表其硬度值。HBS 适用于测量退火、正火、调质钢及铸铁、有 色合金等硬度小于 450HB 的较软金属;HBW 适用于测量硬度值在 650HB 以下的材料。 布氏硬度试验的优点是测定结果较准确,不足之处是压痕大,不适合成品检验。 2洛氏硬度 洛氏硬度试验是以一定的压力将一特定形态的压头压入被测材料表面,如图 1.24 所示。 根据压痕的深度来度量材料的软硬,压痕愈深,硬度愈低,反之硬度愈高。被测材料的硬 度可直接在硬度计刻度盘上读出。 按压头和载荷的不同,洛氏硬度分为如表 1.2 所列的三种类型。 洛氏硬度测量简便易行,压痕小,既可测定成品和零件的硬度,也可检测较薄工件或 表面较薄硬化层的硬度。三种洛氏硬度中,以 HRC 应用最多。 3维氏硬度 维氏硬度的测定原理与布氏硬度基本相同,不同之处在于压头采用锥面夹角为 136 的金刚石正四棱维体,压痕为正四方锥形,如图 1.25 所示。维氏硬度用 HV 表示,单位为 MPa。 由于维氏硬度测定所用载荷小,压痕浅,故特别适用于测定零件表面的薄硬化层、镀 层及薄片材料的硬度。此外,载荷可调范围大,对软、硬材料均适用,测定范围为 01000HV。 值得注意的是,上述三种硬度值之间不能直接进行比较。必须通过相应的硬度换算表 换算成同一种硬度值后,方可进行比较。 由于硬度测试设备简单,操作方便、迅速,又不必破坏工件,而且硬度与切削加工性 能紧密相关,又与抗拉强度之间存在一定的对应关系,所以零件图上的技术要求往往只标 硬度值。工程上,对不同材料的布氏硬度和抗拉强度之间总结出如下一些经验公式 低碳钢,高碳钢,合金调质钢HBS b 53 . 3 HBS b 33 . 3  ,灰铸铁,退火铝合金。HBS b 19 . 3 HBS b 98 . 0 HBS b 70 . 4  4.冲击性能.冲击性能 冲击载荷系指以较高速度施加到零件上的载荷。当零件在承受冲击载荷时,瞬间冲击 所引起的应力和变形要比静载荷引起的大得多。因此,在制造这类零件时,就必须考虑材 料抵抗冲击载荷的能力,即材料的冲击性能。通常多用冲击韧度或冲击功来表示。 k a k A 冲击韧度用在冲击力作用下材料破坏时单位面积所吸收的能量来表示。可用一次性摆 锤弯曲冲击试验来测定,如图 1.26 所示。 试验时,把试样 2 放在试验机的两个支承 3 上,试样缺口背向摆锤冲击方向,将重量 为 GN的摆锤 1 放至规定高度 Hm,然后下落将试样击断,并摆过支承点升至高度 hm。 根据摆锤重量和冲击前后摆锤高度,可算出击断试样所耗冲击功。 k A JhHGAk 用冲击功除以试样缺口处的初始截面积cm2,即为材料冲击韧度,用表示,则 k A k a J/cm2 0 A A a k k  对于工作中承受大能量冲击载荷的零件,在选材时必须考虑冲击韧性,以免发生突然 断裂,造成严重事故。 冲击性能受温度的影响很大,多数材料的冲击功随温度下降而减小,如图 1.27 所示。 当温度下降至某一个温度 Tk时,AK值会急剧减小,使材料呈脆性状态,出现冷脆。材料 由韧性状态 转变为脆性状态的温度 Tk称为冷脆转化温度。Tk值愈低,表明材料低温性能愈好。图 中虚线 表示的钢的 TK低于实线表示的钢,故前者低温韧性好。低温韧性对于在低温条件下使 用的材料是很重要的。 生产中有些零件是经受千万次小能量多次冲击而破坏的。在这种情况下,有人提出测 定材料的多次冲击抗力。 图 1.28 是一种多次冲击弯曲试验示意图,将材料制成专用试样放在多冲试验机上,使 之受到试验机锤头较小能量500J的多次冲击。测定在一定冲击能量下,材料断裂前的冲 击次数作为多冲抗力的指标。 应当指出,抵抗次数很少的大能量冲击载荷作用。其冲击抗力主要决定于 aK。值。而 冲击能量不大时,材料承受多次冲击的能力,主要取决于强度。因此,aK值一般不直接用 于冲击强度计算,而仅作参考。 5.断裂韧性断裂韧性 在实际生产中,许多零件的断裂发生在其工作应力低于零件许用应力的状态下,甚至 有些发生在远低于屈服点的时候,如疲劳断裂。断口分析表明,断裂是由裂纹的形成和 s  扩展引起的。而裂纹源往往是材料中的夹杂物、气孔、缩孔、微裂纹等。它们可能是材料 冶金过程中产生的,也可能是在加工和使用过程中形成的,所以实际使用的材料中不可避 免地存在着裂纹。 假设某一裂纹如图 1.29 所示。从图中可看出,在外力作用下,裂纹尖端前沿必然存在 着应力集中,导致裂纹尖端应力在外加应力还远低于屈服点时,就可能超过该处材料的 s  实际强度,使裂纹缓慢扩展伸长。根据断裂力学的观点,只要裂纹很尖锐,尖端前沿各点 的应力随外加应力的增大而按相应比例增大,这个比例系数称为应力强度因子 k1,其表达 式为 MPam1/2aYK 1 中Y与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的量,为量纲一的量无量纲量; 外加应力,MPa; a裂纹半长,m。 在外力增大或裂纹缓慢扩展增长时,裂纹尖端的应力强度因子也增大,当 K1足,达到 某临界值时,裂纹突然失稳而快速扩展,发生瞬间脆断。这一临界值称为材料的断裂韧性, 用 K1C表示,它反映了材料抵抗裂纹扩展的能力。K1C可通过试验测定,它是材料本身的 特性,与材料成分、热处理及加工工艺等有关。 断裂韧性为安全设计提供了一个重要的指标。由于 K1C是一个常数,所以,一旦材料 选定,工作应力与裂纹长度的关系也就确定了。既可以根据工作应力来确定所允许存在的 最大 裂纹,也可以根据裂纹长度来估算允许的最大工作应力。在机械设计中,并不是一味追求 高强度材料就安全。但实际上对高强度材料来说,其 K1C常小于 30MPam1/2,而工作应 力却很高,此时几毫米长的裂纹就很危险了;而中、低强度钢,其 K1C往往高达 50MPam1/2以上,工作应力常小于 200MPa,此时存在几厘米甚至更长的裂纹也不会脆 断。可见,理想的材料是强而韧,在不可兼得时则可以略降低强度而保证足够的韧性较为 安全。 6.耐磨性 耐磨性是在一定工作条件下材料抵抗磨损的能力。耐磨性分为相对耐磨性和绝对耐磨 性两种。 相对耐磨性是指两种材料 A 与 B 在相同的磨损条件下磨损量的比值,其中材料 A 是 参考试样 相对耐磨性 参考试样磨损量 试验试样磨损量 相对耐磨性仅表示所试验的材料与参考材料 A 的耐磨性比,相差多少倍。 绝对耐磨性或简称耐磨性通常用磨损量或磨损率的倒数表示,在试验研究中使用最 多的是体积磨损量或体积磨损率的倒数。 评定材料磨损的二个基本量是体积磨损量、重量磨损量和长度磨损量。体积磨损量和 重量磨损量是指磨损过程中由于磨损而造成的零件或试样体积或重量的改变量。实验室 研究中,往往是首先测量试样的重量磨损量,然后再换算成体积磨损量进行比较或研究。 长度磨损量是指磨损过程中,由于磨损而造成的零件表面尺寸的改变量,多在实际设备的 磨损监测中使用。此外。除了上述指标以外,磨损率和比磨损率也应用较多。 应指出,耐磨性、磨损量都是一定实验条件下的相对指标,不同试验条件下所得到的 值不可直接比较。图 1.30 为最常用的 H200 型磨损试验机的工作原理示意图。 耐磨性主要受成分、硬度、摩擦系数和弹性模量的影响。在大多数情况下,材料的硬 度愈大则耐磨性就愈好; 7.粘弹性.粘弹性 粘弹性系指材料在外力作用下,产生的变形随时间呈线性增加,而当外力去除后,剩 余应变随时间不断松弛的特性,如图 1.3l 所示。粘弹性的具体表现有蠕变、应力松弛、滞 后与内耗等。 1蠕变 在高温下长时间工作的金属材料或常温使用的高聚物均可能发生蠕变,导致零件的最 终失效。金属材料发生蠕变的主要原因是由于温度高,晶内和晶界的缺陷如位错等的活 动能力显著增大,导致晶内滑移和晶界滑动。而高聚物蠕变是由于分子链发生了构象变化 或位移而引起。 2应力松弛 材料受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象称为应力松弛。如金属高温紧 固件、密封管道的法兰橡皮垫圈等,若出现应力松弛,会使紧固或密封失效。 3滞后与内耗 高聚物受交变载荷时,产生伸一缩的循环应变,如图 1.32 所示。拉伸时,应力与应变 沿 ACB 线变化,卸载时沿 BDA 变化。显然,对于同样的应力水平,卸载时的应变大于拉 伸时的,即出现应变落后于应力变化的现象,称为滞后。滞后的产生是由于大分子链改变 构象产生变形的速度跟不上应力变化所致。 图中 ACBDA 所围面积为一次循环过程中高聚物所净接受的能量。这些能量消耗于分 子链间的内摩擦而转变为热能,称为内耗。它将会导致高聚物的温度升高,促进其老化。 内耗也有好的一面,即可吸收振动波,改善高聚物的减振性能,故橡胶类材料常用作减振 元件。 1.7.2 工程材料的物理性能工程材料的物理性能 在机械零件设计中,随着机与电在产品中的结合越来越紧密,材料的物理性能也越来 越受到重视。材料的物理性能主要是电性能、磁性能、光性能、热性能等。这些性能多数 取决于材料的原子结构、原子排列和晶体结构。 1.电性能 材料的电性能主要表现在两个方面导电性能和介电性能。 1导电性能或导电性 导电性是指材料传导电流的能力。 导电性大小的量度通常用电导率来表示,电导率为电阻率的倒数,即,单位为/1 。 1  cm 电导串愈大,则导电性愈好。电导率除主要取决于材料结构如原子结构、点缺陷等 之外,还与材料加工工艺和环境因素如温度等有关。 若材料的电导率为无限大,即材料的电阻为零,则电流在材料中可以无限制地传导, 这种现象称为超导性。冷却到 OK绝对零度的完整晶体具有超导性,可惜获得这种条件目 前尚不切实际。但是,某些材料即使含有缺陷,在高于 OK 的某一个临界温度 Tc 仍能显示 出超导性。进一步提高这一临界温度或寻找出能使超导零件在该临界温度下工作的低温环 境,是超导材料研究的主要领域之一。 2介电性能 电介质或介电体在电场作用下,虽然没有电荷或电流的传输,但材料仍对电场表现 出某些响应特性,可用材料的介电性能来描述。介电体的价带与导带电子间存在很大的能 级差,所以它们具有很高的电阻率极小电导率。介电体的两项重要应用是电绝缘体和电 容器。介电体的其他特性有电致伸缩、压电效应和铁电效应。 1材料在电场中的极化 当电场作用于材料时,会在原子或分子内部诱发偶极子具有不平衡电荷的原于或分子, 并使它们沿电场的方向排列。此外,材料中原有的永久偶极子也沿电场方向排列。此时, 材料就被极化了。发生极化的难易程度决定了介电体的特性。 2介电常数和介电强度 介电常数 K 为材料的电容率与真空电容串的比值,即,表示材料极化和储 0 /K 存电荷的相对能力。介电常数与材料成分、温度、频率电场和极化强度有关。介电强度 为极板间介电体可保持不被击穿的最大电场强度,它决定了电容 c 和电荷量 Q 的上限。电 容器的电荷储存在两个导体间的介电材料中,通常要求这些材料具有高介电强度和介电常 数,以获得电容量高而且尺寸小的电容器。电绝缘体也必须是介电体。电绝缘体必须具有 高电阻率、高的介电强度、低的损耗系数和较小的介电常数。 3压电现象和电致伸缩现象 极化作用可以使材料的尺寸发生变化,这种效应叫做电致伸缩。然而,对于某些介电 材料,当它的尺寸被迫变化时,材料会发生极化,从而形成电势和电场,具有这种可逆行 为的介电材料称为压电体。压电效应用于各种换能器。 4铁电效应 当材料在电场中发生极化时,若电场取消后材料仍保持某种剩余极化,这种效应称为 铁电效应,这种材料称为铁电体。铁电性能依赖于温度,在居里温度铁电或铁磁效应发生 变化的温度以上,材料将不再具备介电性和由此产生的铁电性。铁电材料必然是介电体和 压电体,而且介电常数高,所以特别适用于电容器和压电换挽器。 2.磁性能 磁性能是指材料对磁场的响应特性。材料的磁性能不同,所使用的场合也不同,如计 算机存储器使用的是硬磁材料,而电动机和变压器使用的却是软磁材料。 1磁导率、磁化强度 磁导率为磁场强度与磁感应强度的比值,即,单位为 H/m。但实际上,HB/ 通常用相对磁导率来描述磁性材料对磁场的影响。相对磁导率大的材料,对/ 0  r 磁场具有加强作用。 磁化强度 M 表示由磁性材料引起的磁感应强度的增量。有时候,这个增量会远远大于 外磁场在真空状态下引起的磁感应强度,此时,常将磁感应强度和磁化强度两个概念通用。 在实际应用中,高磁感应强度 B 或高磁化强度 M 可以通过选用具有高相对磁导率的材料 来实现。 2抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。 1抗磁性 作用于原子的磁场,通过轨道电子对磁矩的影响,在整个原子中感应出磁 偶极子。这些偶极子的作用与磁场方向相对,使得磁化强度小于零。这种行为称为抗磁性, 它所给出的相对磁导率大致是 0.999 95。抗磁性对磁性材料或磁性器件没有多大的实用价 值。 2顺磁性 当材料包含不成对的电子时,每个原子都会具有由原子自旋引起的净磁矩。 在磁场作用下,偶极子按磁场方向排列,从而形成正的磁化强度。但是,由于偶极子之间 没有相互作用,因而需要极强的磁场才能将全部偶极子排列整齐。这种效应称为顺磁性效 应,它只是在高温下才有意义。这种材料的相对磁导率小于 1.01。 3铁磁性 铁磁性是由于 3d 能级铁、镍、钻或 4f 能级钆中有未填满的能级。在铁 磁材料中,不成对的永久偶极于将沿外加磁场的方向拌列。由于偶极子的相互加强作用, 它们在磁场中很容易重新排列。即使在弱磁场中,磁场也会得到很大的放大,从而显示很 高的相对磁导率。 4反铁磁性 某些材料在磁场作用下,尽管每个偶极子的强度很高,但相邻的偶极子 所生成的磁矩会彼此沿着相反的方向排列。这类材料如锰和 MnO属于反铁磁材料,其磁 化强度为零。铁磁性和反铁磁性的区别就在于相邻偶极子的相互作用是相互增强还是相互 抵消。 1.7.3 工程材料的化学性能工程材料的化学性能 在实际生产中,有些设备和产品如各种酸、碱的合成塔是在有腐蚀的介质和环境中 工作的,因此在设计和制造时就要考虑材料的化学性能。材料的化学性能主要包括抗腐蚀 性、抗氧化性等。 1.抗氧化性 金属的抗氧化性,并不是说在高温下不氧化,而是指在高温下迅速氧化后形成一层致 密的氧化膜,覆盖在金属表面,使钢不再继续氧化。碳钢在高温下很容易氧化,主要是由 于在高温下钢的表面生成疏松多孔的氧化亚铁FeO,无保护作用,使钢继续氧化。在钢中 加入铬、硅、铝等合金元素,高温下钢与氧接触时,在其表面下形成致密、高熔点的 Cr2O3, 、SiO2、Al203等氧化膜,牢固地附在钢的表面,使钢在高温气体中氧化过程难以继 续进行。如在钢中加入 15Cr,其抗氧化温度可达 900 ℃;在钢中加 2025Cr,其抗氧 化温度可达 1100℃。 2.抗腐蚀性 抗腐蚀性是指材料抵抗因环境而造成的化学或电化学反应所引起的损坏的能力。 腐蚀通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。金属在电解质中的腐蚀,称为电化 学腐蚀;而金属在非电解质中的腐蚀,称为化学腐蚀。 大部分金属的腐蚀都属于电化学腐蚀。电化学腐蚀实际是微电池作用。图 1.35 是 Fe Cu 电池示意图。铁和铜在电解质 H2SO4 溶液中构成一个电池,由于铁的电极电位低,为 阳极,铜的电极电位高,为阴极。所以铁就被溶解,而在阴极上放出氢气。 对于同一种合金,由于组成合金的相或组织不同,也会形成微电池,造成电化学腐蚀。 例如钢组织中的珠光体,是由铁素体和溶碳体两相组成的,在电解质溶液中就会形成微电 池。由于铁素体的电极电位低,为阳极,而被腐蚀,渗碳体的电极电位高,为阴极,而不 被腐蚀,如图 1.36 所示。在观察碳钢的显微组织时,要把抛光的试样磨面放在硝酸酒精溶 液中浸蚀,试样经腐蚀后才能在显微镜下观察到球光体组织,这就是利用电化学腐蚀的原 理实现的。 由电化学腐蚀的基本原理看出,电化学作用是金属被腐蚀的主要原因。为此,要提高 钢的抗电化学腐蚀能力,通常采取以下措施; 1提高电极电位。在钢中加入合金元素,使钢中基本相的电极电位显著提高,从而提 高抗电化学腐蚀的能力。常加入的合金元素有铬、镍、硅等。 2尽量使钢在室温下呈单相组织。合金元素加入钢中后,使钢形成单相的铁素体、单 相的奥氏体或单相的马氏体组织,这样可减少构成微电池的条件,从而提高钢的耐蚀性。 3形成氧化膜又称钝化膜。合金元素加入钢中后,在钢的表面形成一层致密的、牢固 的氧化膜,使钢与周围介质隔绝,提高抗腐蚀能力。常加入的合金元素有铬、硅、铝等。 1.7.4 工程材料的工艺性能工程材料的工艺性能 工艺性能是指材料在加工过程中反映出的性能。各种机器零件的制造通常是先用铸造、 塑性加工或焊接等方法制成毛坯,然后再进行切削加工,其间为了改善某些工艺性能和获 得使用性能,需要进行热处理,最后才制成合格的零件。工艺性能包括铸造性能、塑性加 工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。这些性能将在后面的有关章节中详细介 绍。 思思 考考 题题 1-1 说明金属健、离子健、共价憾的区别和联系。 1-2 常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点 、Fo、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Zn 各属何种晶体结构FeFe 1-3 已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为 2.86x10-10m 和 3.607x10-10m,求 1cm3的铁和铜中的原子数。 1-4 单晶体与多晶体有何差别为什么单晶体具有各向异性,而多晶体则无各向 异性 1-5 何谓点缺陷对性能有何影响 1-6 何谓刃型位错位错密度对材料的力学性能有何影响 1-7 指出下列名词的主要区别 1置换固溶体与间隙固溶体; 2相组成物与蛆织组成物。 1-8 置换原子与间隙原子的固溶强化效果哪个大些为什么 1-9 金属间化合物在结构和性能方面与固溶体有何不同常见的金属间化合物有 几种类型它们对合金的性能有何影响 1-10 陶瓷的典型组织由哪几部分构成,它们对陶瓷性能各起什么作用 1-11 高聚物的分子结构有几种各有何特征及性能特点 1-12 试绘出低碳钢的曲线,指出在曲线上哪点出现颈缩现象如果拉断后 试棒上没有颈缩,是否表示它未发生塑性变形 1-13 在什么条件下应用布氏硬度试验比洛氏硬度试验好 1-14 与的概念有什么不同 K a c K1 1-15 解释下列名词1压电现象;2电致伸缩现象;3铁电效应;4磁畴。

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