1、1.1 固體材料的結構 1.2 金屬晶體結構與結晶 1.3 高分子化合物的組成與結構 1.4 陶瓷材料的組成與結構 1.1.1 晶態(tài)結構1. 晶體、晶格和晶胞絕大多數固體具有晶態(tài)結構，即為晶體，其組成粒子在三維空間作有規(guī)則的周期性重復排列(見圖1-1(a)。規(guī)則排列的方式即稱晶體結構。為了便于研究晶體結構，假設通過粒子中心劃出許多空間直線，這些直線則形成空間格架，稱為晶格(見圖1-1(b)。晶格的結點為粒子平衡中心位置。晶格的最小幾何組成單元稱為晶胞(見圖1-1(c)，晶胞在空間的重復堆砌便構成了晶格。因此，可以用晶胞來描述晶格。 1.1 固體材料的結構圖1-1 簡單立方晶格與晶胞的示意圖(a

2、) 晶體的原子排列模型；(b) 晶格；(c) 晶胞2. 晶向、晶面 晶體中，由原子組成的任一平面稱為晶面；由原子組成的任一列的方向稱為晶向。在晶體內，不同晶面和晶向的原子排列情況不同。3. 異構現(xiàn)象1) 同素異晶現(xiàn)象同素異晶現(xiàn)象是指一種元素具有不同晶體結構的現(xiàn)象，所形成的具有不同結構的晶體稱為同素異晶體。在一定條件下，同素異晶體可以相互轉變，稱為同素異晶轉變。在具有同素異晶現(xiàn)象的固體中，最典型的例子是鐵，其同素異晶轉變過程將在后面介紹。2) 同質多晶現(xiàn)象成分相同的無機化合物具有不同的晶體結構，稱為同質多晶現(xiàn)象，所形成的不同結構的晶體稱為變體。如二氧化硅晶體有石英、鱗石英、方石英三種變體，它們在

3、一定溫度條件下可以相互轉變。結構不同的晶體，盡管其成分相同，但仍具有不同性能。如金剛石是石墨的同素異晶體，其硬度在各種物質中已達頂峰，而石墨卻很軟。1.1.2 非晶態(tài)結構呈非晶態(tài)結構的固體中，組成粒子的排列雜亂無規(guī)則，稱這種固體為非晶體或無定型體。由于粒子排列狀態(tài)與液態(tài)相似，故也稱為“被凍結的液體”，如無機玻璃和許多有機高分子化合物等。1.1.3 晶體和非晶體的性能特點晶體與非晶體結構上的差異，使得它們在性能上具有不同的特點，這主要表現(xiàn)在以下幾個方面：(1) 晶體具有固定的熔點和凝固點(如純鐵熔點為1538)，粒子規(guī)則排列的固態(tài)與無規(guī)則排列的液態(tài)間的轉變有明確的分界線。非晶體無固定的熔點和凝固

4、點，粒子無規(guī)則排列的液態(tài)和固態(tài)間的轉變是連續(xù)的，在整個凝固過程中，僅僅是粒子運動由易變難，以至不能再運動，而粒子無規(guī)則排列狀態(tài)沒有顯著變化。(2) 晶體中各晶向上的粒子排列情況不同，因此各方向上的性能有差異，即呈各向異性。非晶體卻無此現(xiàn)象，即呈各向同性。(3) 晶體永久變形通常以塑性流動方式進行，粒子運動受晶體規(guī)則的約束。非晶體的永久變形則以粘性流動方式進行，粒子運動是自由的。應指出，固體呈晶態(tài)還是非晶態(tài)并非絕對不變，在特定條件下，一些常規(guī)呈晶態(tài)的固體可變成非晶態(tài)；而一些常規(guī)呈非晶態(tài)的固體也可部分或全部變?yōu)榫B(tài)，從而導致性能上發(fā)生很大變化。如使液態(tài)金屬以極快速度冷卻，則可形成非晶態(tài)金屬；而對常

5、規(guī)呈非晶態(tài)的無機玻璃進行特殊處理，可使其部分或全部成為晶態(tài)。 1.2.1 常見金屬晶體的結構在所有晶體中，金屬的晶體結構最簡單。在晶格的結點上各分布一金屬原子，便構成了金屬晶體結構。在已知的80多種金屬元素中，除少數十余種金屬具有復雜晶格外，大多數金屬，尤其是常用金屬的晶格，有體心立方、面心立方及密排六方三種。1) 體心立方晶格體心立方晶格的晶胞為立方體，原子分布在立方體各個結點和立方體中心(見圖1-2(a)。屬于這類晶格的金屬有-Fe(910以下的純鐵)、鉻、鉬、釩、鎢等。這類晶格一般具有較高的熔點、相當大的強度和良好的塑性。1.2 金屬晶體結構與結晶2) 面心立方晶格面心立方晶格的晶胞為立

6、方體，原子分布在立方體的各個結點及六個棱面中心(見圖1-2(b)。屬于這類晶格的金屬有-Fe(1390910時的純鐵)、銅、鋁、鎳、銀、金等。這類晶格金屬往往有很好的塑性。3) 密排六方晶格密排六方晶格的晶胞為六方柱體，柱體高度與邊長不相等。原子除分布在六方柱體的各結點及上下兩個正六方底面中心外，在六方柱體縱向中心面上還分布有三個原子，此三原子與分布在上下底面上的原子相切(見圖1-2(c)。屬于這類晶格的金屬有鎂、鋅、鎘、鈹等。這類晶格金屬具有一定強度，但塑性較差。圖1-2 常見金屬的晶格類型(a) 體心立方晶胞示意圖；(b) 面心立方晶胞示意圖；(c) 密排六方晶胞示意圖1.2.2 實際金屬

7、的結構1單晶體與多晶體結晶方位完全一致的晶體稱為“單晶體”，如圖1-3(a)所示。在單晶體中，所有晶胞均呈相同的位向，故單晶體具有各向異性。單晶體除具有各向異性以外，還有較高的強度、抗蝕性、導電性和其他特性，因此日益受到人們的重視。目前在半導體元件、磁性材料、高溫合金材料等方面，單晶體材料已得到開發(fā)和應用。單晶體金屬材料是今后金屬材料的發(fā)展方向之一。圖1-3 單晶體和多晶體(a) 單晶體；(b) 多晶體工業(yè)上實際應用的金屬材料大部分是采用自然熔煉、自然凝固等傳統(tǒng)制取方法得到的一種多晶體結構，如圖1-3(b)所示。它是由許多外形不規(guī)則且位向各異的晶體顆粒(簡稱晶粒)所組成的。這些晶粒內仍保持整齊

8、的晶胞堆積，各晶粒之間的界面叫晶界。晶粒的大小與金屬的制造及處理方法有關，其直徑一般在0.0011 mm之間。在多晶體中，由于各晶粒的位向不同，使其各向異性受到了抵消，造成各向性能接近相同的現(xiàn)象，稱為偽各向同性。例如，在多晶體工業(yè)純鐵(-Fe)中，各方向上的彈性模量E的值均為210 000 MPa。2晶體缺陷金屬實際結構與理想結構的不同之處，除了實際金屬具有多晶體結構以外，就是存在著晶體缺陷。晶體缺陷對金屬的物理、化學和力學性能有顯著的影響。晶體缺陷按其幾何形式的特點可分為如下三類。1) 點缺陷點缺陷是一種在三維空間各個方向上尺寸都很小，且尺寸范圍約為一個或幾個原子間距的缺陷，包括空位、間隙原

9、子、置換原子等。空位是在正常的格結點上，未被原子所占有而空著的位置(見圖1-4(a)。間隙原子是不占有正常的晶格位置，而處在晶格間隙中的多余原子(見圖1-4(b)。置換原子是指置換晶格結點上的原子，從而占據正常結點的異類原子(見圖1-4(c)。點缺陷的形成，主要是由于原子在以各自的平衡位置為中心不停地做熱振動的結果。各個原子的熱振動能量并不相同，而且每個原子的熱振動能量在不同的瞬間也是不同的。當某些原子振動的能量高到足以克服周圍原子的束縛時，它們便有可能脫離原來的平衡位置，跳到晶界或晶格間隙處，形成間隙原子，并在原來的位置上形成空位。圖1-4 點缺陷(a) 空位；(b) 間隙原子；(c) 置換

10、原子由圖1-4可知，在點缺陷附近，由于原子間作用力的平衡被破壞，周圍的其他原子發(fā)生靠攏或撐開的不規(guī)則排列，這種變化稱之為晶格畸變。晶格畸變使晶體產生強度、硬度和電阻增加等變化。2) 線缺陷線缺陷是指在三維空間兩維方向上尺寸較小，而在另一維方向上尺寸相對較大的缺陷。屬于這類缺陷的主要是各種類型的位錯。位錯是指晶體中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。位錯最基本的形式有刃型位錯和螺型位錯，如圖1-5所示。圖1-5 刃型位錯和螺型位錯的示意圖(a) 刃型位錯；(b) 螺型位錯晶體中的位錯線周圍都會發(fā)生晶格畸變，畸變程度隨離位錯線的距離增大而逐漸減小直至為零。嚴重晶格畸變的范圍約為幾個

11、原子間距。3) 面缺陷面缺陷是指在三維空間一維方向上尺寸很小，而在另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。最常見的面缺陷是金屬中的晶界和亞晶界。在多晶體中，由于各晶粒的位向不同，故其原子排列的規(guī)律性在相互交界處就不能一致，而是一種原子排列很不規(guī)整的結構。在不同位向晶粒之間的過渡層(即晶界層)，晶格畸變程度較大，如圖1-6所示。在金屬多晶體中，晶粒間的位向差大多在3040左右，晶界層厚度一般在幾個原子間距到幾百個原子間距內變動。 1.2.3 金屬結晶過程1. 金屬的結晶過程金屬從液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結晶，也就是金屬原子從不規(guī)則排列過渡到規(guī)則排列的過程。金屬在結晶時，在液體內先形成固態(tài)小質點，每個小

12、質點都具有該金屬晶體結構的特征，這個過程稱為形核。然后，這些質點起結晶核心(晶核)的作用，附近的其他原子紛紛附著到這些晶核上，形成晶體的生長，這個過程稱為長大。最終形成在整個空間由同樣的晶胞堆砌而成的晶體。圖1-7是純金屬結晶冷卻曲線。由圖可知，在T0溫度以上時，液態(tài)金屬的溫度是均勻下降的。當冷卻到低于T0的某一個溫度Tn時，液態(tài)物質開始結晶，并不斷放出結晶潛熱，保持系統(tǒng)溫度不變，即在曲線上出現(xiàn)“平臺”。結晶完畢后，溫度繼續(xù)均勻下降。圖1-7 純金屬結晶冷卻曲線顯然，在T0溫度以上，物質穩(wěn)定的狀態(tài)為液態(tài)，而在T0溫度以下，物質穩(wěn)定狀態(tài)為固態(tài)。即只有當結晶的驅動力達到一定值時，結晶過程才能進行。

13、所以，結晶的充分必要條件是具有一定的過冷度。因此，液態(tài)物質要結晶，就必須冷卻到T0溫度以下，即必須冷卻到低于T0以下的某個溫度Tn才能結晶，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結晶溫度T0與實際結晶溫度Tn之差稱為過冷度，即。過冷度愈大，液態(tài)和固態(tài)之間能量狀態(tài)差就愈大，促使液體結晶的驅動力也愈大。圖1-7中的理論結晶溫度T0與“平臺”溫度Tn的差就是實際的過冷度。一般來說，除了物質本性的影響以外，液態(tài)物質的冷卻速度愈大，過冷度就愈大，實際結晶溫度也愈低。可以預料，在實際結晶過程中，晶核在液體的許多地方獨立形成并有隨機的位向，然后每個晶核不斷生長直到相互交接為止，如圖1-8所示。由于相鄰晶核中原子的排列位向不

14、同，因此各晶核生長的結果不會產生一個連續(xù)的單晶，而形成由許多連續(xù)的小晶塊組成的多晶體，這些小晶塊即為晶粒，而分開各晶粒的界面(即各晶粒間的間斷面)就是晶界。形成這種晶粒組織的過程包含形核和生長兩個過程。圖1-8 結晶過程示意圖 在金屬結晶過程中，晶核的形成有兩種形式：一種是自發(fā)形核(均質形核)，即晶體核心是從液體結構內部自發(fā)長出的；另一種為非自發(fā)形核(異質形核)，即晶核依附于金屬內存在的難熔固體微粒而生成。其中那些在晶體結構上與結晶金屬的晶體相近的微粒可以成為自發(fā)形核的中心。此外，有些難熔固體微粒雖然其晶格結構與結晶金屬結構相差很遠，但在這些微粒表面上存在著一些細微的凹孔和裂縫，這些凹孔和裂縫

15、也可能成為非自發(fā)形核的中心。通常自發(fā)形核和非自發(fā)形核是同時存在的，在實際金屬和合金中，非自發(fā)形核比自發(fā)形核更重要，往往起優(yōu)先及主導作用。2. 結晶組織1) 晶粒大小及控制 晶粒是金屬的最小組織單元，可以用普通光學顯微鏡進行觀察。在顯微鏡下觀察到的金屬中各種晶粒的大小、形態(tài)和分布叫“顯微組織”，圖1-9即為-Fe的顯微組織。 由圖1-10可見，金屬中晶粒的數目及大小隨形核率和長大速度兩因素而變。形核率越大，則生成的晶粒越小；長大速度越大，晶粒尺寸就越大。晶粒大小對金屬的力學性能影響很大，晶粒越細，其強度、硬度越高，且其塑性也越高。圖1-9 -Fe的顯微組織 圖1-10 晶體形核率、長大速度與過冷

16、度的關系利用細化晶粒來提高材料力學性能的方法稱為細晶強化。細化晶粒常用下列兩種方法：(1) 提高液態(tài)金屬的冷卻速度，通常可增大形核率，從而使晶粒細化，如圖1-11所示。 (2) 在液態(tài)金屬中加入某些物質，這些物質的質點也可作為結晶時的晶核(稱外來晶核)，這相當于增加了晶核數，故使晶粒得到細化。這種處理過程稱為變質處理，如在鋼中加釩，鑄鐵中加硅(這又稱孕育處理)、鋁液中加鈉鹽等。圖1-11 緩、急冷后的晶粒大小示意圖2) 結晶晶粒形狀 金屬結晶晶粒的形狀主要有等軸狀和柱狀兩種。當液態(tài)金屬有一定的冷卻速度，從而在各處形成大量晶核并向各方向長大時，則形成各方向尺寸相當的等軸晶粒。而液態(tài)金屬只能沿某一

17、定方向逐步冷卻，且冷卻速度不大，當難以形核時，只能在原有晶核的基礎上沿該方向長大，而形成柱狀晶粒。如金屬結晶形成單方向柱狀晶，其性能便會呈方向性，沿柱狀晶的軸向性能較高。這在生產上已獲得實際應用，如渦輪機的精密鑄造葉片等。由上述可見，若金屬液體各處的結晶條件不完全相同，結晶后各處晶粒大小與形狀也會不均勻，如圖1-12所示的鋼錠組織中便出現(xiàn)了表面細晶粒層、中部柱狀晶粒層及心部等軸晶粒層。圖1-12 鋼錠組織的示意圖在晶核長大過程中，晶體的各向異性也會反映在長大速度上。沿晶核的某些晶向會優(yōu)先生長，從而使晶粒長成樹枝狀，如圖1-13所示。圖1-13 樹枝狀結晶(a) 樹枝狀結晶示意圖；(b) 樹枝狀

18、結晶3. 重結晶(二次結晶)前已述及，有些金屬在固態(tài)下隨溫度改變會發(fā)生同素異晶轉變，這便導致結晶后形成的組織在繼續(xù)冷過程中發(fā)生變化，這一過程稱為重結晶或二次結晶。如純鐵在1534時開始結晶出體心立方晶格-Fe，結晶完畢并繼續(xù)冷卻到1390前，該晶格保持不變；冷卻到1390時，開始重結晶，轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?Fe，結晶完畢并在繼續(xù)冷卻到910前晶格形式不變；冷卻到910時，又出現(xiàn)重結晶，轉變?yōu)轶w心立方晶格-Fe，此晶格一直保持到室溫(見圖1-14)。鐵的這一特性使之有可能用熱處理方法獲得各種各樣的性能。重結晶也是通過形核及長大方式進行的，重結晶后將形成新的晶粒，不僅結構發(fā)生了變化，而且晶粒大小也

19、發(fā)生了變化。所以，這類金屬可通過重結晶細化晶粒。 圖1-14 純鐵的冷卻曲線和同素異晶轉變1.3.1 高分子化合物的組成高分子材料是以高分子化合物為主要成分的材料。高分子化合物是分子量很大的化合物，分子量常在5000以上。高分子化合物的分子量雖然很大，但其化學組成一般并不復雜，均由一種或幾種簡單的低分子化合物重復連接而成，所以又稱為高聚物。1.3 高分子化合物的組成與結構1單體由低分子化合物到高分子化合物的轉變稱為聚合反應，簡稱聚合。聚合前的低分子化合物稱為單體。如聚乙烯是由乙烯(CH2=CH2)單體聚合而成的，合成聚氯乙烯的單體為氯乙烯(CH2=CHCl)。2. 鏈節(jié)、聚合度、平均分子量高分

20、子化合物是由特定的結構單位多次重復組成的。這種重復單位稱為鏈節(jié)，鏈節(jié)的重復個數稱為聚合度。如上例中，鏈節(jié)為CH2CH2，聚合度為n。聚合度n越大，則高聚物大分子分子量M越大，兩者之間存在下列關系：M=nm式中，m為鏈節(jié)分子量。同一種高聚物中，各個分子所含鏈節(jié)數是不同的，因此，聚合度和分子量是指該聚合物的平均分子量及平均聚合度。大分子鏈聚合度的大小對形成的聚合物性能影響很大，如聚乙烯的性能與分子量的關系如下：單個分子(CH2=CH2)： M=28 處于氣態(tài)：=1000 處于液態(tài) =10 000 處于蠟態(tài) =10 00050 000 處于固態(tài)3. 鏈段由若干個鏈節(jié)所組成的具有獨立運動能力的最小單元

21、稱為鏈段。鏈段常包含幾個甚至幾十個鏈節(jié)。大分子鏈內各原子之間由共價鍵結合，而鏈與鏈間則通過分子鍵結合。大分子往往含有不同的取代基，例如，乙烯類聚合物中的R即為取代基。取代基R的種類及其在分子鏈中的排列方式，對性能有一定的影響。 1.3.2 大分子鏈的組成與結構大分子鏈的結構首先取決于其化學組成。組成大分子鏈的化學元素主要是碳、氫、氧，另有氮、氯、氟、硅、硫等。其中，碳是形成大分子鏈的主要元素。高聚物的性能也取決于其組成與結構。高聚物的組織與結構的微觀層次可分為兩個：一是大分子鏈內結構；二是大分子鏈間結構。1. 大分子鏈的組成 前已述及，高聚物大分子鏈由重復結構單元“鏈節(jié)”構成。因此，構成大分子

22、鏈的鏈節(jié)種類是影響其性能的基本因素。而確定鏈節(jié)種類最本質、最重要的是其化學組成，即原子組成。為研究方便，根據原子在鏈中的位置特點，把原子分為主鏈組成原子及側基組成原子。目前產量最大的高聚物的分子鏈主鏈是碳原子之間通過共價鍵結合而成的碳鏈：CCCC。以碳鏈為主鏈的高聚物稱為碳鏈高聚物，如各種烯烴類高聚物。不同種類的側基可使碳鏈高聚物的性能發(fā)生很大變化。如聚乙烯和聚苯乙烯相比，聚苯乙烯分子鏈節(jié)中用一個苯環(huán)取代了氫原子，因此，聚乙烯柔而韌，聚苯乙烯硬而脆。另一些高聚物的分子主鏈中，除碳原子外，還含有O、N、S、P等原子，形成雜鏈：CCOC、CCNC、CCSC。 主鏈中其他原子的存在，可大大改變高聚物

23、的性能。如能提高彈性，P能提高耐火、耐熱性，S能增大透氣性等等。屬于雜鏈高聚物的有聚脂、聚醚和聚砜等。還有些高聚物的分子主鏈不一定含有碳原子，而是由Si、Ti、Al、B、O等組成的。如OSiOSi，其側基為有機基團。聚硅氧烷、聚鈦氧烷、聚有機硅樹脂和有機硅橡膠等均為此類高聚物。由于主鏈中含有較多無機原子，而側基又為有機基團，故此類高聚物兼具有機高聚物的良好彈、加工性及無機固體的耐熱性。2. 大分子幾何構型化學成分相同而組成原子排列不同的分子稱為同分異構體。根據這一定義，許多高聚物都是同分異構體，即具有相同化學組成，但有不同幾何構型。按取代基R在空間所處的位置及規(guī)律不同，可有以下三種立體構型：

24、(1) 全同立構：取代基R全部處于主鏈一側，見圖1-15(a)。(2) 無規(guī)立構：取代基R在主鏈兩側不規(guī)則分布，見圖1-15(b)。(3) 間同立構：取代基R相間地分布在主鏈兩側，見圖1-15(c)。圖1-15 大分子同分異構示意圖(a) 全同立構；(b) 無規(guī)立構；(c) 間同立構由于同分異構體的幾何構型不同，因而使所形成的高聚物性能有很大差異。如由聚合成的聚丙烯大分子鏈中，側基CH3相對于碳主鏈可取如圖1-16所示的三種不同分布，所形成的聚丙烯性能迥異。CH3無規(guī)則分布時，無實用價值；CH3交替分布時，聚丙烯在134時才熔化；而CH3全部分布在主鏈同一側時，聚丙烯熔點升高到175，可制造高

25、強度纖維，稱為丙綸。圖1-16 聚丙烯的空間構形(a) 無規(guī)立構；(b) 間同立構；(c) 全同立構3. 大分子鏈結構高聚物的鏈結構形成，按其幾何形狀，可分為線型結構(或帶有支鏈)和體型結構，如圖1-17所示。 圖1-17 高聚物的結構示意圖(a) 線型結構；(b) 帶有支鏈的線型結構；(c) 體型結構線型結構的特征是：大分子鏈內原子以共價鍵相結合，大分子鏈之間以弱鍵結合，通常形成一條很長的、卷曲狀態(tài)的鏈(或帶支鏈)。由于此鏈時而卷曲時而伸長，故呈現(xiàn)出良好的可塑性和高彈性。當遇到熱或溶劑作用時，結合力則減弱，故呈現(xiàn)可溶、可熔的特性。聚乙烯、聚丙烯等便屬于此類。體型結構的特點是：大分子鏈之間以強

26、化學鏈交聯(lián)在一起，形成網狀或向空間發(fā)展而得到體型大分子結構。它們對熱和溶劑的作用都比線型高聚物穩(wěn)定，呈現(xiàn)不溶、不熔的特性。如酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂等就具有這類結構。通常，具有體型結構的高聚物在加工時只能一次成型，固化后硬而脆。4. 大分子鏈的構象及柔順性大分子化合物具有大分子鏈是其與小分子化合物的主要區(qū)別，而其另一特點便是單鍵的內旋轉，即分子鏈在保持共價鍵鍵長和鍵角不變的前提下進行自旋轉。圖1-18是CC鍵內旋轉示意圖。由圖可見，當鍵a自旋時，鍵b將沿以C2為頂點的錐面旋轉，即C3可在以C2為頂點的圓錐底邊的任一位置出現(xiàn)。同樣，C4又可在以C3為頂點的圓錐底邊任一位置出現(xiàn)。而大分子有成千上萬的這種

27、CC鍵，所以大分子鏈的形狀有無數種可能性。這種由單鍵內旋轉引起的大分子鏈產生的各種空間形象稱為構象。由于大分子鏈構象的頻繁變化，使得大分子鏈既可伸長擴張，又可卷曲收縮。大分子這種能由構象變化獲得不同卷曲程度的特性稱為大分子鏈的柔順性。 圖1-18 CC鍵內旋轉示意圖影響大分子鏈柔順性的因素主要有主鏈結構、取代基的性質及交聯(lián)程度等。1) 主鏈結構當主鏈全部由單鍵組成時，分子鏈的柔順性最好。在常見的三大類主鏈結構中，以SiO鍵最好，CO鍵次之，CC鍵再次之。 當主鏈中含有芳雜環(huán)時，由于它不能內旋，故柔順性下降而顯示出剛性，能耐高溫。當主鏈中含有孤立雙鍵時，柔順性好。例如聚氯丁二烯橡膠，因含有孤立雙

28、鍵而使柔順性增大。2) 取代基的性質取代基的極性、體積和分布都影響柔順性。極性越強，體積越大，分布的對稱性越差，則柔順性越低。3) 交聯(lián)程序交聯(lián)結構的形成，特別是交聯(lián)度較大(如大于30%)時，將限制單鍵的內旋轉，使大分子鏈的柔順性減弱。1.3.3 大分子鏈的聚集態(tài)結構大分子鏈之間以弱鍵，即范德瓦爾斯鍵或氫鍵結合，鍵雖弱，但因分子鏈很長，其鏈間作用力為鏈節(jié)分子間力與聚合度的乘積，故此力大大超過鏈內共價鍵結合力。表現(xiàn)在高聚物受拉時，往往不是先發(fā)生分子鏈間的滑脫，而是先發(fā)生斷鏈。分子鏈越長，分子間力越大，高聚強度越高。圖1-19 高聚物的晶區(qū)示意圖 大分子鏈聚集態(tài)結構是指大分子鏈的幾何排列，與其他固

29、體材料一樣，也分非晶態(tài)和晶態(tài)兩種。非晶態(tài)結構亦稱無定型結構，其分子鏈呈雜亂無規(guī)則排列，即呈卷曲且相互纏結狀。晶態(tài)結構分子鏈呈規(guī)則緊密排列。理論上晶態(tài)高聚物的大分子鏈應完全呈晶態(tài)結構，實際上卻只能部分結晶，從而形成晶區(qū)和非晶區(qū)混合物。由于晶區(qū)與非晶區(qū)的尺寸遠較分子鏈長度小，因此每根分子鏈往往要貫穿好幾個晶區(qū)與非晶區(qū)。高聚物的晶區(qū)示意圖如圖1-19所示。晶態(tài)高聚物中晶區(qū)所占的重量百分數稱為結晶度。聚乙烯、聚四氟乙烯和聚酰胺(尼龍)等都是典型的晶態(tài)高聚物，其結晶度可達50%80%，甚至更高。 結晶度的大小對晶態(tài)高聚物的性能影響很大。結晶度大時，由于晶區(qū)分子鏈規(guī)則，排列緊密，分子間力大，鏈運動困難，因

30、此高聚物的強度、硬度和彈性模量較高，密度較大，熔點較高，耐熱性和耐溶劑性較好，而依賴于分子鏈運動的性能，如彈性、塑性、韌性較低。所以，可通過改變高聚物的結晶度來改變其性能。如高密度聚乙烯結晶度高(分枝少)，質地堅硬，使用溫度可達100；而低密度聚乙烯結晶度低，質地柔軟，使用溫度為80。圖1-19 高聚物的晶區(qū)示意圖 影響高聚物結晶度的因素較多，歸納起來有兩個方面：一是高聚物的結晶能力，它與分子鏈結構有關，結構簡單、規(guī)整度高、對稱性好的大分子鏈(聚乙烯，聚四氟乙烯等)以及分子間力較大的分子鏈(聚酰胺等)結晶能力強；二是結晶條件，如結晶溫度、冷卻速度、雜質和應力等都會影響結晶度。無定型高聚物也并非

31、完全無序，它基本上由非晶區(qū)組成，但其間存在一些微細晶區(qū)，其晶區(qū)分子鏈的規(guī)整性比晶態(tài)高聚物中晶區(qū)要差得多，如圖1-20所示。無定型高聚物的強度遠低于晶態(tài)高聚物。 圖1-20 高聚物的非晶區(qū)示意圖陶瓷是無機非金屬材料中的一個重要種類，它是由金屬(類金屬)和非金屬形成的化合物，很多材料還是多元化合物。陶瓷的一般生產工藝為：原料配制坯料成形高溫燒結燒結后處理。陶瓷的化學鍵主要為離子鍵和共價鍵，一般為這兩種鍵性的混合形式。這種鍵合的特點，造成了陶瓷材料中不同元素的原子或離子必須占據特定的配位位置，晶體結構比金屬復雜得多。鍵的性能與材料的結構和性能密切相關，如以離子鍵為主的無機材料呈結晶態(tài)，而以某些共價鍵

32、為主的無機材料則易形成非晶態(tài)結構。1.4 陶瓷材料的組成與結構通常陶瓷是一種多晶多相聚集體，典型組織有晶體相(莫來石和石英)、玻璃相和氣相。陶瓷的組織如圖1-21所示，其中包括點狀一次莫來石、針狀二次莫來石、塊狀殘留石英、小黑洞氣孔和玻璃基體。各相的結構、數量、形狀與分布，都對陶瓷的性能有直接影響。圖1-21 陶瓷的組織(電子顯微照片)1.4.1 晶體相晶體相(晶相)是陶瓷的主要組成相，其結構、數量、晶粒大小及形狀和分布等決定了陶瓷的主要性能和應用。例如，氧化鋁瓷(剛玉瓷)由于Al2O3晶體氧和鋁以很強的離子鍵結合，結構緊密，具有強度高、耐高溫和絕緣耐蝕的優(yōu)良性能，是很好的工具材料和耐火材料；

33、而鈦酸鋇等則是很好的介電陶瓷。 1. 晶體相的種類陶瓷的晶相通常不止一個，組成陶瓷晶相的晶體一般有氧化物(如氧化鋁、氧化鈦)、含氧酸鹽(如硅酸鹽、鈦酸鹽等)和非氧化合物等。1) 氧化物結構氧化物是大多數陶瓷尤其是特種陶瓷的主要組成和晶體相，主要由離子鍵結合，有時也有共價鍵。氧化物結構的特點是較大的氧離子緊密排列成晶體結構，構成骨架，較小的金屬正離子規(guī)則地分布在它們的間隙中，依靠強大的離子鍵，形成穩(wěn)定的離子晶體。根據正離子所占空隙的位置和數量的不同，形成各種不同結構的氧化物(見表1-1)。表1-1 常見陶瓷的各種氧化物晶體結構2) 含氧酸鹽結構含氧酸鹽的典型代表是硅酸鹽。硅酸鹽是普通陶瓷的主要原

34、料，同時也是陶瓷組織中重要的晶體相，如莫來石和長石等。硅酸鹽的結合鍵主要為離子鍵與共價鍵的混合鍵。圖1-22 硅氧四面體結構硅酸鹽材料在自然界中大量存在，約占已知礦物的1/3。組成各種硅酸鹽結構的基本單元是硅氧四面體SiO4，其結構特征是硅總是位于四個氧離子組成的四面體中心，如圖1-22所示。在硅氧四面體之間通過共頂點氧離子以不同方式相互連接起來，形成不同的硅酸鹽結構，其基本類型有以石棉類礦物為代表的鏈狀硅酸鹽，以云母為代表的層狀硅酸鹽，以電學性能優(yōu)異的鎂橄欖石(2MgOSiO2)為代表的島狀硅酸鹽及以陶瓷中非常重要的石英為代表的骨架狀硅酸鹽。硅酸鹽結構見表1-2。圖1-22 硅氧四面體結構表

35、1-2 硅酸鹽結構注：代表Si；代表O。3) 非氧化合物結構非氧化合物是指不含氧的金屬碳化物、氮化物及硼化物等。它們是特種陶瓷特別是金屬陶瓷的主要組成和晶體相，主要由強大的共價鍵結合，但也有一定成分的金屬鍵和離子鍵。金屬碳化物的結合鍵主要是共價鍵和金屬鍵之間的過渡鍵，以共價鍵為主。金屬碳化物的結構主要有兩大類：一類是間隙相碳原子嵌入緊密立方或六方金屬晶格的間隙中，如TiC、ZrC、VC及TaC等；另一類是復雜碳化物，由碳原子或碳原子鏈與金屬構成各種復雜結構，如斜方結構的Co3C，立方結構的Cr23C6、Mn23C6，六方結構的WC、MoC及Fe3W3C等。氮化物的結合鍵與碳化物相似，但金屬性稍

36、弱，并且有一定比例的離子鍵。氮化硼(BN)有立方和六方兩種晶格，氮化硅(Si3N4)和氮化鋁(AlN)都屬于六方晶系。2. 晶粒和晶界陶瓷主要由晶粒構成，且因陶瓷中的晶粒取向是隨機的，不同的晶粒取向各異，故在晶粒與晶粒之間形成大量的晶界。相鄰晶粒由于取向度的差異造成原子間距的不同，在晶界處結合時，形成晶格畸變或界面位錯而在晶界處造成應力。同時，由于晶體的各向異性，在陶瓷燒成后的冷卻過程中，晶界上會出現(xiàn)很大的晶界熱應力，其晶界熱應力的大小與晶粒大小成正比。晶界應力的存在將使晶界處出現(xiàn)微裂紋，從而大大降低陶瓷的斷裂強度。因此，陶瓷中一般要求盡可能小的晶粒尺寸。 1.4.2 玻璃相玻璃相是陶瓷原料中

37、部分組分及其他雜質在高溫燒結過程中產生一系列物理、化學反應后形成的一種非晶態(tài)物質。玻璃相通常富含氧化硅和堿金屬化合物。玻璃相的主要作用是將分散的晶相粘接在一起，同時包裹晶相能有效抑制晶粒長大使陶瓷保持細晶粒結構，降低燒成溫度及填充氣孔使陶瓷致密等。但玻璃相的強度比晶相低，熱穩(wěn)定性差，在較低溫度下便會引起軟化。此外，由于玻璃相結構疏松，空隙中常有金屬離子填充，因而降低了陶瓷的電絕緣性，增加了介電損耗。所以，工業(yè)陶瓷中的玻璃相應控制在一定范圍內，一般玻璃相為15%40%。1.4.3 氣相由于材料和工藝等原因，在陶瓷中有一部分孔隙，俗稱氣相。由于陶瓷坯體成形時，粉末間不可能達到完全的致密堆積，因此或

38、多或少會存在一些氣孔。在燒成過程中，這些氣孔能大大減小，但不可避免會有一些殘留。陶瓷中的氣孔對陶瓷性能的影響十分顯著。過多的氣孔會使陶瓷的強度及其他性能變差，如圖1-23所示。同時，氣孔的形狀及分布也會影響陶瓷的性能。如果是表面開口的，會使陶瓷質量下降。如果存在于陶瓷內部(閉孔)，則不易被發(fā)現(xiàn)，這常常是產生裂紋的原因，使陶瓷性能大幅下降，如組織致密性下降、應力集中、脆性增加和介電損耗增大等。所以，應力要求降低氣孔的大小和數量，使氣孔呈細小球形并均勻分布。普通陶瓷的氣孔率為5%10%，特種陶瓷的氣孔率在5%以下，金屬陶瓷的氣孔率要求在0.5%以下。若要求陶瓷材料密度小、絕熱性好，則希望有一定量的

39、氣相存在。圖1-23 氣孔率對陶瓷強度的影響1.4.4 同質多晶轉變一些無機非金屬多晶材料中，也存在著同素異構轉變，有時稱為同質多晶轉變，典型例子就是石英，其轉變過程如下：石英的同質多晶轉變也是形核和長大的過程，通過硅氧四面體的重新排列和組合形成各種晶體結構，從而改變石英的性質。2.1 材料的性能 2.2 金屬的塑性變形與再結晶 2.3 金屬的熱加工 2.4 材料的超塑性 2.5 高聚物的力學狀態(tài) 2.1 材料的性能 2.2 金屬的塑性變形與再結晶 2.3 金屬的熱加工 2.4 材料的超塑性 2.5 高聚物的力學狀態(tài) 2.1.1 靜態(tài)力學性能1. 拉伸試驗按國標GB/T 2882002制作標準

40、拉伸試樣，在拉伸試驗機上緩慢地進行拉伸，使試樣承受軸向拉力F，并引起試樣沿軸向伸長L=LuL0，直至試樣斷裂。將拉力F除以試樣原始截面積S0，即得拉應力R，即R=F/S0，單位為N/mm2；將伸長量L除以試樣原始長度L0，即得應變。以R為縱坐標，為橫坐標，則可畫出應力應變圖，如圖2-1(b)所示。此圖已消除試樣尺寸的影響，從而能直接反映材料的性能。 2.1 材料的性能圖2-1 拉伸試樣及低碳鋼的應力應變圖(a) 拉伸試樣；(b) 低碳鋼的應力應變圖1) 彈性和剛度試驗時，如加載后應力不超過Re，則卸載后試樣即恢復原狀。這種不產生永久變形的能力稱為彈性。Re為不產生永久變形的最大應力，稱為彈性極

41、限。在彈性范圍內，應力與應變成正比時，其比例常數E稱為彈性模量，單位為N/mm2。此值僅與材料有關，反映了材料彈性變形抗力的大小，即材料的剛度。E愈大，剛度愈大。彈性模量E是一個結構不敏感參數，即E主要取決于基體金屬的性質。如鋼鐵材料是鐵基合金，不論其成分和組織結構如何變化，室溫下的E值均在(2021.4)104 N/mm2范圍內。材料在使用中，如果剛度不足，則會由于發(fā)生過大的彈性變形而失效。2) 強度圖2-1(b)中出現(xiàn)一屈服平臺，即應力不增加而變形繼續(xù)進行。此時若卸載，試樣變形不能完全消失，將保留一部分殘余的變形。這種不能恢復的殘余變形稱為塑性變形。在試驗過程中，載荷不增加(保持恒定)仍能

42、繼續(xù)伸長的應力，稱為屈服強度，有上屈服強度和下屈服強度兩種。上屈服強度(ReH)是試樣發(fā)生屈服而應力首次下降前的最高應力；下屈服強度(ReL)是指在屈服期間，不計初始瞬時效應時的最低應力。上屈服強度對微小應力集中、試樣偏心和其他因素很敏感，試驗結果相當分散，因此，常取下屈服強度作為設計計算的依據。對大多數零件而言，塑性變形就意味著零件喪失了對尺寸和公差的控制。工程中常根據屈服強度確定材料的許用應力。工業(yè)上使用的多數金屬材料，在拉伸試驗過程中沒有明顯的屈服現(xiàn)象發(fā)生。按國標GB/T 2882002規(guī)定，可用規(guī)定殘余伸長應力Rr表示材料在卸除載荷后，標距部分殘余伸長率達到規(guī)定數值時的應力。如規(guī)定伸長

43、率為0.2%時，則用Rr0.2表示。 應力超過屈服強度時，整個試樣發(fā)生均勻而顯著的塑性變形。當達到m點時，試樣開始局部變細，出現(xiàn)“頸縮”現(xiàn)象。此后，應力開始下降，變形主要集中于頸部，直到最后在“縮頸”處斷裂。可見，在m點處應力達到峰值，此點對應的Rm稱為材料的抗拉強度。此值反映了材料產生最大均勻變形的抗力。Rm可用下式計算：3) 塑性材料在外力作用下產生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。塑性的大小用斷后伸長率A和斷面收縮率Z來表示。即A、Z愈大，材料的塑性愈好。由于伸長率的值與試樣尺寸有關，因此，比較伸長率時要注意試樣規(guī)格的統(tǒng)一。金屬材料應有一定的塑性才能順利地承受各種變形加工；另一方面，材料具

44、有一定的塑性，可以提高零件使用的可靠性，防止突然斷裂。圖2-2為幾種典型材料在室溫下的R-曲線。可見銅也是塑性材料，但曲線上不出現(xiàn)明顯的屈服段。高碳鋼和陶瓷不發(fā)生明顯塑性變形，屬于脆性材料。圖2-2 幾種典型材料在室溫下的應力應變曲線圖2-3給出了另幾類材料的R-曲線。可見，不同類型的材料，其R-曲線有很大差異，反映了它們具有不同的性能特點：(1) 天然橡膠的彈性模量小、強度低，斷裂前變形一直是彈性的，其彈性應變可達百分之幾百，是典型的應力與應變呈非線性關系的高彈體，如圖2-3(a)所示。(2) 塑料的R-曲線基本上可分四類，如圖2-3(b)所示。第一類，強而韌的塑料，如尼龍、ABS、聚氯乙烯

45、等，其R-曲線如圖中曲線1所示，其強度和延伸率均較好；第二類如曲線2所示，這類塑料硬而脆，延伸率很小，如聚苯乙烯、有機玻璃等；第三類如曲線3所示，這類塑料硬而強，抗拉強度高，如纖維增強的熱固性塑料、某些硬聚氯乙烯等；第四類如曲線4所示，這類塑料軟而韌，延伸率大，如有增塑劑的聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。圖2-3 天然橡膠、塑料、Al2O3、石英玻璃的應力應變曲線(a) 天然橡膠；(b) 塑料；(c) Al2O3、石英玻璃(3) Al2O3(屬陶瓷)、石英玻璃的變形是純彈性的，幾乎不發(fā)生永久變形，并在微量變形后就斷裂，為脆性材料，但其彈性模量和強度都很高。本章中的符號和單位均采用GB/T 228200

46、2的標準，新舊標準的性能名稱及其符號列于表2-1中。表2-1 新舊標準性能名稱及其符號對照2. 硬度材料抵抗其他更硬的物體壓入其表面的能力稱為硬度。硬度反映了材料抵抗局部塑性變形的能力，是一個綜合的物理量。通常硬度越高，耐磨性越好，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。測量硬度常用布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和維氏硬度(HV)，見表2-2。表2-2 三種硬度實驗1) 布氏硬度按照GB/T 231.12002金屬布氏硬度試驗第一部分：試驗方法，以一定大小載荷F(N)把一直徑為D(mm)的硬質合金球壓頭壓入試樣表面(見圖2-4)，保持一定時間后卸載，在放大鏡下測量試樣表面的壓痕直徑d

47、(mm)，求出壓痕球形表面積S(mm2)，再乘以0.102，定義為布氏硬度值，記為HBW。顯然，材料愈軟，壓痕直徑愈大，布氏硬度愈低；反之，布氏硬度愈高。測量壓痕直徑后，布氏硬度值可根據所測直徑查表得到。圖2-4 布氏硬度試驗原理簡圖布氏硬度的優(yōu)點是測定結果較準確；缺點是壓痕大，不適于成品檢驗。2) 洛氏硬度洛氏硬度以頂角為120的金剛石圓錐體(見圖2-5)或直徑為1.588 mm的淬火鋼球作為壓頭，以一定的壓力使其壓入材料表面，測量壓痕深度來確定其硬度。壓痕愈深，材料愈軟，洛氏硬度愈低；反之，洛氏硬度愈高。被測材料硬度，可直接在硬度計刻盤讀出。 圖2-5 洛氏硬度試驗原理示意圖洛氏硬度常用的

48、有三種，分別以HRA、HRB、HRC來表示。它們測試時所用壓頭類型、主要載荷及適用范圍見表2-3。表2-3 洛氏硬度符號、試驗條件和應用舉例以上三種洛氏硬度中，以HRC應用最多，如經淬火處理的鋼或工具等。3) 維氏硬度測定維氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，區(qū)別在于壓頭采用錐面夾角為136的金剛石正四棱錐體，壓痕是四方錐形(圖2-6)。維氏硬度值用HV表示。圖2-6 維氏硬度試驗壓頭及壓痕示意圖維氏硬度所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測量零件薄的表面硬化層、金屬鍍層及薄片金屬的硬度，這是布氏硬度和洛氏硬度所不及的。此外，因壓頭是金剛石角錐，載荷可調范圍大，故對軟、硬材料均適用，測定范圍為0100

49、0 HV。應指出，各硬度試驗法測得的硬度值不能直接進行比較，必須通過硬度換算表換算成同一種硬度值后，方可比較其大小。由于硬度值綜合反映了材料在局部范圍內對塑性變形等的抵抗能力，故它與強度值也有一定關系。工程上，通過實踐，對不同材料的HBW與Rm關系得出了一系列經驗公式(Rm單位為N/mm2)：低碳鋼 Rm3.53 HBW， 高碳鋼 Rm3.33 HBW調質合金鋼Rm3.19 HBW， 灰鑄鐵 Rm0.98 HBW退火鋁合金Rm4.70 HBW2.1.2 動態(tài)力學性能1. 韌性1) 沖擊韌性許多零件在工作中受沖擊載荷作用，由于外力瞬時沖擊作用引起的變形和應力要比靜載荷所引起的應力大得多，因而選用

50、制造這類零件的材料時，必須考慮材料抵抗沖擊載荷的能力，即沖擊韌性。 沖擊韌性的大小習慣上常用材料在沖擊力打擊下遭到破壞時單位面積所吸收的功來表示。這可用一次性擺錘彎曲沖擊試驗來測定。如圖2-7所示，試驗時，把試樣放在試驗機的兩個支承上，試樣缺口背向擺錘沖擊方向，將重量為G(N)的擺錘放至規(guī)定高度H1(m)，然后下落將試樣擊斷，并擺過支承點升至高度H2(m)。依擺錘重量和沖擊前后擺錘高度，可算出擊斷試樣所耗沖擊功Ak。圖2-7 沖擊試驗簡圖 此Ak值可由刻度盤直接讀出，單位為J。沖擊韌性值ak即為單位截面積所吸收的功:式中，S為試樣缺口處截面積，單位為cm2。2) 多沖抗力在生產中，沖擊載荷下工

51、作的零件，往往是受小能量多次重復沖擊而破壞者居多，很少有受大能量一次性沖擊破壞的。因此，在這種情況下，僅用ak值來衡量材料的抗沖能力是不合理的，應進行多次重復沖擊試驗以測定其多次沖擊抗力。圖2-8是一種多次重復沖擊彎曲試驗示意圖，將材料制成專用試樣放在多沖試驗機上，使之受到試驗機錘頭較小能量(小于1500 J)多次沖擊，以測定材料在一定沖擊能量下，開始出現(xiàn)裂紋和最后破斷的沖擊次數作為多沖抗力的指標。應指出，材料僅在沖擊次數很少的大能量沖擊載荷作用下，其沖擊抗力主要決定于ak值；而沖擊能量不大時，材料承受多次重復沖擊的能力，主要取決于強度。因此，ak值一般不直接用于沖擊強度的計算，而僅作參考。圖

52、2-8 多次沖擊試驗原理圖2. 疲勞強度疲勞強度指的是被測材料抵抗交變載荷的性能。交變載荷是指大小和(或)方向重復循環(huán)變化的載荷。在交變載荷作用下，材料發(fā)生破壞時的應力值比靜載荷拉伸試驗的屈服強度還低，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。各種機器中因疲勞失效的零件達零件總數的60%70%以上。材料在無數次重復的交變載荷作用下而不致破裂的最大應力稱為疲勞強度極限，記為R-1。實際上并不可能做無數次交變載荷試驗，所以，一般試驗時規(guī)定，鋼在經受106107次、有色金屬在經受107108次交變載荷作用而不破裂的最大應力為疲勞強度。圖2-9列舉了幾種材料的實測疲勞曲線。金屬的疲勞強度與抗拉強度之間存在近似的比例關系：

53、碳素鋼 R-1(0.40.55) Rm，灰鑄鐵R-10.4Rm有色金屬 R-1(0.30.4) Rm圖2-9 幾種材料的實測疲勞曲線(a) 中碳鋼與鋁合金；(b) 尼龍6與有機玻璃3. 斷裂韌性現(xiàn)代工業(yè)要求許多零件在高速重負荷下工作，需要使用高強度材料。大型結構橋梁、船舶、化工容器以及飛機、導彈、人造衛(wèi)星等為了減輕自重，也需要使用高強度材料。正是在各種高強度材料相繼涌現(xiàn)的同時，意外事故不斷發(fā)生。例如，二次世界大戰(zhàn)中，美國有5000多艘自由輪共發(fā)生1000余次破壞事故，其中有238艘完全報廢(見圖2-10)；19381942年，全球有40多座橋梁突然倒塌；20世紀50年代，美國北極星導彈和英國彗

54、星飛機失事；1968年，日本有兩臺大球罐(1610 mm和1245 mm)在水壓實驗時爆炸等等。據事后鑒定，破壞時應力遠小于屈服強度，也低于許用應力R(通常RRr0.2/n，n為安全系數)，屬低應力脆斷。按傳統(tǒng)的強度設計，工作應力小于許用應力時即認為是安全的。所以，這些事故顯然不能用傳統(tǒng)的強度觀點來解釋。 圖2-10 1943年美國T-2油輪發(fā)生斷裂研究表明，這種低應力脆斷的根本原因是材料宏觀裂紋的擴展。由于材料冶煉、加工和使用等原因，材料中不可避免地存在裂紋(缺陷)。裂紋本身并不可怕，緩慢擴展也不可怕，可怕的是后期的高速擴展。在外力作用下，裂紋端部必然存在應力集中，這正是裂紋的危險所在。圖2

55、-11 具有張開形裂紋的試樣只要裂紋很尖銳，頂端前沿各點的應力就按一定形狀分布(見圖2-11)。外加應力增大時，各點的應力按相應比例增大，這個比例系數稱為應力強度因子K1，表示為裂紋失穩(wěn)起始擴展時的K1臨界值記為K1C，表示裂紋起始擴展抗力，稱為斷裂韌性。應用舉例。原鐵道部規(guī)定，機車主軸不允許有橫向裂紋，故廢品率很高。實驗表明：其裂紋起始擴展的臨界尺寸為7 mm，裂紋擴展速度(小于7 mm)為1 mm/100 000 km，機車運行大修期為300 000 km，故應允許有3 mm的橫向裂紋。 圖2-11 具有張開形裂紋的試樣2.1.3 高、低溫性能1. 高溫性能隨著溫度的升高，許多材料出現(xiàn)強度

56、、硬度下降而軟化的現(xiàn)象，而且在溫度的長時間作用下還會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。蠕變現(xiàn)象的特征是，材料在恒定應力的作用下，隨時間增長發(fā)生持續(xù)變形，直至斷裂。金屬材料在高于一定溫度的條件下，即使受到小于屈服強度的應力，也會出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。因此，在高溫下使用的金屬材料，應具有足夠的抗蠕變能力。工程塑料在室溫下受到應力作用就可能發(fā)生蠕變，因此在應用塑料受力件時應予以注意。蠕變的另一種表現(xiàn)形式是應力松弛。這是承受彈性變形的材料，隨時間增長，總應變保持不變，但卻因彈性變形逐步轉變?yōu)樗苄宰冃危瑥亩箲ψ孕兄饾u衰減的現(xiàn)象。對于機械緊固件，若出現(xiàn)應力松弛，將會使緊固失效。 2. 低溫性能隨著溫度的下降，多數材料會出現(xiàn)脆性增

57、加的現(xiàn)象，嚴重時甚至發(fā)生脆斷。通過在不同溫度下對材料進行一系列沖擊試驗，可得到材料的沖擊功與溫度的關系曲線。圖2-12為兩種鋼的溫度沖擊功關系曲線，圖2-13是不同材料沖擊韌性與溫度的關系曲線。由圖可知，材料的沖擊功Ak值隨溫度下降而減小。當溫度降到一定值時，Ak會突然變得很小，稱為冷脆。材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的溫度Tk稱為冷脆轉化溫度。材料的Tk越低，表明其低溫韌性越好。圖2-12中虛線表示的鋼的Tk值低于實線表示的鋼，故前者的低溫韌性較好。低溫韌性對于在低溫條件下使用的材料是很重要的。 圖2-12 兩種鋼的溫度沖擊功關系曲線 圖2-13 不同材料沖擊韌性與溫度的關系 2.1.4 材料的

58、工藝性能從材料到零件或產品的整個生產過程比較復雜，涉及多種加工方法，因而就要求材料具有相應的工藝性能，即材料對加工方法的適應性。主要包含以下幾個內容： (1) 鑄造性能：主要包括流動性和收縮性。前者是指熔融金屬的流動能力；后者是指澆鑄后的熔融金屬冷至室溫時伴隨的體積和尺寸的減小。(2) 鍛造性能：主要指金屬進行鍛造時，其塑性的好壞和變形抗力的大小。塑性高、變形抗力(即屈服強度)小，則其鍛造性好。(3) 焊接性能：主要指在一定焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。焊接性能受到材料本身的特性和工藝條件的影響。(4) 切削加工性能：工件材料接受切削加工的難易程度。材料切削性能的好壞與材料的物理

59、、力學性能有關。(5) 熱處理工藝性能：這對于鋼是非常重要的性能，將在第4章討論。2.1.5 工藝過程對材料性能的影響機械零件的性能是由許多因素確定的，其中結構因素、加工工藝因素和材料因素起主要作用，此外，使用因素對壽命也起很大作用。結構因素指零件在整機中的作用、零件的形狀和尺寸，以及與其他連接件的配合關系等。加工工藝因素指全部加工工藝過程中對零件強度所產生的影響。材料因素指材料的成分、組織結構與性能。結構因素、加工工藝因素和材料因素各自有獨立的作用，又相互影響，在解決與零件強度有關的問題時必須綜合加以考慮。 在結構因素正確合理的條件下，可運用材料的結構、材料的加工工藝和材料的性能之間的復雜關

60、系來滿足其成型和使用要求。當改變這三者關系中任何一方時，其余一或兩個方面也會改變。因此，為了最終生產出合格的產品，有必要弄清這三方面是如何關聯(lián)的。1. 材料的結構材料的結構可以分幾個層次來考慮，所有這些層次都影響產品的最終行為。最小層次是材料的單個原子結構。原子核四周電子的排列方式在很大程度上影響材料的電、磁、熱和光的行為，并可能影響到原子彼此結合的方式，因而也決定著材料的類型是金屬、陶瓷還是聚合物。第二個層次是材料的原子空間排列。金屬、多數陶瓷和部分聚合物材料具有晶體結構，原子排列有序。晶體結構影響材料的力學性能，如面心立方結構的金、銅具有良好的塑性，而密排六方結構的鎂的塑性較差。其他的陶瓷