清華大學工程材料第五版第一章課件

第1章材料的結構與性能

內容提要：

本章重點介紹純金屬的晶體結構、晶體缺陷和合金的結構、金屬材料的組織。一般介紹金屬材料的性能、高分子材料和陶瓷材料的結構與性能。

學習目標：

本章重點掌握金屬的晶體結構、晶體缺陷和合金的結構，了解金屬材料的組織及性能。了解高分子材料、陶瓷材料的結構與性能。清華大學工程材料第五版第一章第1章材料的結構與性能清華大學工程材料第五版第一章11.1

金屬材料的結構與組織

1.1.1

純金屬的晶體結構

晶體結構晶體中原子(離子或分子)規則排列的方式。

通過金屬原子(離子)的中心劃出許多直線，形成空間格架，稱為晶格。清華大學工程材料第五版第一章1.1

金屬材料的結構與組織清華大學工程材料第五版第一章2

棱邊長a、b、c

棱邊間夾角α、β、γa、b、c

稱為晶格常數。

金屬的晶格常數一般為:

1×10-10m～7×10-10m

(0.1nm～0.7nm)

晶胞老師提示

不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數的不同，表現出不同的物理、化學和力學性能。金屬的晶體結構可用X射線結構分析技術進行測定。

晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元。清華大學工程材料第五版第一章棱邊長a、b、c晶胞老師提示

不同元素組成的金屬晶3

一、三種常見的金屬晶體結構

☆老師提示：重點內容

1.體心立方晶格(胞)(BCC晶格)

8個原子處于立方體的角上，1個原子處于立方體的中心,角上8個原子與中心原子緊靠。

具有體心立方晶格的金屬有鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、α-鐵(α-Fe,<912℃)等。清華大學工程材料第五版第一章一、三種常見的金屬晶體結構

具有4

體心立方晶胞特征：

（1）晶格常數

a=b=c,α=β=γ=90°

（2）晶胞原子數

角上的原子屬于8個相鄰的晶胞，中心的原子屬于這個晶胞。一個體心立方晶胞所含的原子數為2個。清華大學工程材料第五版第一章

體心立方晶胞特征：（2）晶胞原子數

5

（3）原子半徑晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半稱為原子半徑(r原子)。體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數a之間的關系為：清華大學工程材料第五版第一章（3）原子半徑清華大學工程材料第五版第一章6

（4）致密度

晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積之比稱為致密度(也稱密排系數)。致密度越大，原子排列緊密程度越大。

體心立方晶胞的致密度為：清華大學工程材料第五版第一章

7

（5）空隙半徑

在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。體心立方晶胞中有兩種空隙：

●四面體空隙半徑:r四=0.29r原子

●八面體空隙半徑:r八=0.15r原子

四面體空隙半徑八面體空隙半徑清華大學工程材料第五版第一章（5）空隙半徑

四面體空隙半徑八面體空隙半8

（6）配位數

配位數為晶格中與任一個原子相距最近且距離相等的原子數目。配位數越大，原子排列緊密程度就越大。體心立方晶格的配位數為8。

清華大學工程材料第五版第一章（6）配位數

清華大學工程材料第五版第一章9

2.面心立方晶格(胞)(FCC晶格)

金屬原子分布在立方體的8個角上和6個面的中心。面中心的原子與該面4個角上的原子緊靠。

具有這種晶格的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、γ-鐵(γ-Fe,912℃～1394℃)等。清華大學工程材料第五版第一章2.面心立方晶格(胞)(FCC晶格)10

面心立方晶胞的特征：（1）晶格常數

a=b=c,α=β=γ=90°

（2）晶胞原子數(個)

4

（3）原子半徑

（4）致密度

0.74(74%)清華大學工程材料第五版第一章面心立方晶胞的特征：（3）原子半徑

11

（5）空隙半徑

●四面體空隙半徑:r四=0.225r原子

●八面體空隙半徑:r八=0.414r原子

（6）配位數

12

四面體空隙半徑八面體空隙半徑清華大學工程材料第五版第一章（5）空隙半徑

（6）配位數

12四面123.密排六方晶格(胞)(HCP晶格)

12個金屬原子分布在六方體的12個角上,在上下底面的中心各分布1個原子,上下底面之間均勻分布3個原子。

具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。清華大學工程材料第五版第一章3.密排六方晶格(胞)(HCP晶格)13

密排六方晶胞特征：

（1）晶格常數

正六邊形的邊長a

兩底面之間的距離c

相鄰側面夾角120°

側面與底面夾角90°

（2）晶胞原子數

6

（3）原子半徑清華大學工程材料第五版第一章密排六方晶胞特征：（3）原子半徑清華大學工程材料第14

（4）致密度

0.74(74%)

（5）空隙半徑

●四面體空隙半徑為:

r四=0.225r原子●八面體空隙半徑為:

r八=0.414r原子

（6）配位數

12清華大學工程材料第五版第一章（4）致密度

0.74(74%)清15老師提示

由于原子排列緊密程度不一樣，當金屬從面心立方晶格向體心立方晶格轉變時,體積會發生變化。鋼在淬火時因晶格轉變發生體積變化。不同晶體結構中原子排列的方式不同,使它們的形變能力不同。

清華大學工程材料第五版第一章老師提示

由于原子排列緊密程度不一樣，當金屬從面心立方晶格16

二、晶體中的晶面和晶向

通過晶體中原子中心的平面叫做晶面；通過原子中心的直線為原子列，代表的方向叫做晶向。晶面用晶面指數表達。

晶向用晶向指數表達。清華大學工程材料第五版第一章二、晶體中的晶面和晶向清華大學工程材料第五版第一章171.立方晶系的晶面表示方法

以晶面ABB’A’為例：清華大學工程材料第五版第一章1.立方晶系的晶面表示方法

清華大學工程材料第五18

晶面的截距可以為負數,在指數上加負號,如。若某個晶面的指數都乘以-1,得到晶面

,則晶面與屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面

晶面指數的一般標記為(hkl)。實際表示一組原子排列相同的平行晶面。清華大學工程材料第五版第一章立方晶胞中的主要晶面晶面指數的一般標記為(h19

晶面族：

在立方晶系中,原子排列相同但在空間方向不同的晶面組成晶面族。晶面族用大括號表示,即{hkl}。{111}晶面族在立方晶胞中

組成{111}晶面族：清華大學工程材料第五版第一章晶面族：{111}晶面族在立方晶胞中清華大學工程材20

以晶向DA為例：2.立方晶系的晶向表示方法

清華大學工程材料第五版第一章以晶向DA為例：2.立方晶系的晶向表21立方晶胞中的主要晶向

晶向OA：[100]

晶向OB：[110]

晶向OB’：

晶向指數一般標記為[uvw]，表示一組原子排列相同的平行晶向。[111]清華大學工程材料第五版第一章立方晶胞中的主要晶向晶向OA：[100]22

若兩個晶向的全部指數數值相同而符號相反,則它們相互平行或為同一原子列,但方向相反。如[110]與。若只研究原子排列情況,則晶向[110]與可用同一個指數[110]表示。清華大學工程材料第五版第一章若兩個晶向的全部指數數值相同而符號相反,則它們相互23晶向族原子排列情況相同而在空間位向不同的晶向組成晶向族。晶向族用尖括號表示,即<uvw>。如:<100>=[100]+[010]+[001]清華大學工程材料第五版第一章晶向族清華大學工程材料第五版第一章24

在立方晶系中,一個晶面指數與一個晶向指數數值和符號相同時,則該晶面與該晶向互相垂直。如：(111)⊥[111]。晶面與晶向互相垂直清華大學工程材料第五版第一章在立方晶系中,一個晶面指數與一個晶向指數數值和符號253.六方晶系的晶面指數和晶向指數

四指數方法表示晶面和晶向。水平坐標軸選取互相成120°夾角的三坐標軸a1、a2和a3,垂直軸為c軸。晶面表示為(hkil),

晶面族為{hkil},

晶向表示為[uvtw],

晶向族為<uvtw>。六方晶系主要晶面和晶向

清華大學工程材料第五版第一章3.六方晶系的晶面指數和六方晶系主要晶面和晶向清264.密排面和密排方向

不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一樣。

密排面：原子密度最大的晶面。

密排方向：原子密度最大的晶向。

●在體心立方晶格中，密排面為{110}。

密排方向為<111>。

●在面心立方晶格中,

密排面為{111}。密排方向為<110>。清華大學工程材料第五版第一章4.密排面和密排方向●在體心立方晶格中，27體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度清華大學工程材料第五版第一章體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度清華大學工程材28體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度清華大學工程材料第五版第一章體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度清華大學工程材29

三、金屬晶體的特性

1.金屬晶體具有確定的熔點

純金屬緩慢加熱到一定溫度,固態金屬熔化成為液態金屬。熔化過程中溫度不變。熔化溫度(T0)稱為熔點。晶體和非晶體的熔化曲線

非晶體材料在加熱時,固態轉變為液態時,溫度變化。清華大學工程材料第五版第一章三、金屬晶體的特性晶體和非晶體的熔化曲線非302.金屬晶體具有各向異性

在晶體中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質叫做晶體的各向異性?！駟尉w鐵(只含一個晶粒)的彈性模量，

<111>方向上為2.90×105MPa,<100>方向上只有1.35×105MPa。

●單晶體鐵在磁場中沿<100>方向磁化容易。制造變壓器用的硅鋼片的<100>方向應平行于導磁方向，以降低變壓器的鐵損。

●鋅在鹽酸中溶解時，晶面的溶解速度的次序從大到小是：清華大學工程材料第五版第一章2.金屬晶體具有各向異性

在晶體中,不31

各向異性：晶體在不同的方向上的力學、物理和化學等性能不一樣。

各向同性：非晶體在各個方向上性能完全相同，這種性質叫非晶體的各向同性。

實際使用的金屬,內部有許多晶粒組成，每個晶粒在空間分布的位向不同，在宏觀上沿各個方向上的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來。清華大學工程材料第五版第一章各向異性：晶體在不同的方向上的力學、物理和化學等性能32☆練習

寫出體心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。清華大學工程材料第五版第一章☆練習清華大學工程材料第五版第一章33

四、實際金屬中的晶體缺陷

1.點缺陷

在三維尺度上都很小的的缺陷。

（1）空位晶格中某結點上沒有原子。有利于金屬內部原子的擴散。

（2）間隙原子位于晶格間隙之中的原子叫間隙原子。清華大學工程材料第五版第一章四、實際金屬中的晶體缺陷（1）空位34

（3）異類原子

純金屬中存在的其它元素。

●異類原子與金屬原子的半徑接近時,占據晶格的一些結點;

異類原子

老師提示：點缺陷造成局部晶格畸變,使金屬的屈服強度、電阻率增加,密度發生變化。

●異類原子的半徑比金屬原子的半徑小得多,位于晶格的空隙中。清華大學工程材料第五版第一章（3）異類原子異類原子老師提示：點缺陷造成局部晶格352.線缺陷指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，叫位錯。由晶體中原子平面的錯動引起。

（1）刃型位錯晶體的一部分出現一個多余的半原子面。如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線。這種線缺陷稱刃型位錯。半原子面在上面的稱正刃型位錯,半原子面在下面的稱負刃型位錯。清華大學工程材料第五版第一章2.線缺陷（1）刃型位錯清華大學工程材料第36

（2）螺型位錯

晶體右邊的上部相對于下部向后錯動一個原子間距。晶面發生錯動。錯動區的原子用線連接起來，成螺旋狀。這種線缺陷稱螺型位錯。清華大學工程材料第五版第一章（2）螺型位錯清華大學工程材料第五版第一章37

位錯的形成：

在金屬的結晶、塑性變形和相變等過程中形成。

不銹鋼中的位錯線清華大學工程材料第五版第一章位錯的形成：不銹鋼中的位錯線清華大學工程材料第五38

位錯的量：用位錯線長度來表示。

位錯密度：單位體積中位錯線的總長度。

式中：ρ

為位錯密度,單位為m-2，

ΣL

為位錯線總長度,單位為m,

V為體積,單位為m3。清華大學工程材料第五版第一章位錯的量：用位錯線長度來表示。清華大學工程材料第五版第一39

位錯對性能的影響：

●金屬為理想晶體或含極少量位錯時,金屬的屈服強度σs

很高。

●當含有一定量的位錯時,強度降低。

●退火金屬中位錯密度為106～8cm-2

，強度最低。金屬的強度與位錯密度的關系●形變加工時,位錯密度增加,σs

增高。清華大學工程材料第五版第一章位錯對性能的影響：

金屬的強度與位錯密度的關系403.面缺陷二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。

（1）晶界實際金屬為多晶體。每個晶?？梢暈閱尉w。所有晶粒的結構相同,位向不同,位向差為幾十分、幾度或幾十度。1Cr17不銹鋼的多晶體

晶界原子排列示意圖

晶界晶粒與晶粒之間的接觸界面。晶界在空間呈網狀；晶界上原子的排列規則性較差。清華大學工程材料第五版第一章3.面缺陷（1）晶界1Cr17不銹鋼的多晶41

（2）亞晶界晶粒由許多位向相差很小的亞晶粒(嵌鑲塊)組成。亞晶粒之間的位向差只有幾秒、幾分，最多達1～2度。亞晶界亞晶粒之間的邊界。亞晶界由位錯垂直排列成位錯墻構成。老師提示

晶界和亞晶界均可提高金屬的強度。晶界越多,晶粒越細,金屬的塑性變形能力越大,塑性越好。亞晶界清華大學工程材料第五版第一章（2）亞晶界老師提示

晶界和亞晶界均可提高金屬的強421.1.2

合金的晶體結構合金

一種金屬元素同另一種或幾種其它元素,通過熔化或其它方法結合在一起所形成的具有金屬特性的物質。

組元：組成合金的獨立的、最基本的單元。

組元可以是金屬、非金屬元素或穩定化合物。清華大學工程材料第五版第一章1.1.2

合金的晶體結構合金

一種金屬元素同另一種或幾43

二元合金：由兩個組元組成的合金。

如鐵碳合金、銅鎳合金、鋁銅合金等。

合金的強度、硬度、耐磨性等機械性能比純金屬高許多；某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐蝕等物理、化學性能。合金的應用比純金屬廣泛得多。溶質、溶劑、表示方法清華大學工程材料第五版第一章二元合金：由兩個組元組成的合金。合金的強度、44

相：

在金屬或合金中，凡化學成分相同、晶體結構相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。

液態物質為液相。固態物質為固相。固態合金中有兩類基本相：

固溶體金屬化合物清華大學工程材料第五版第一章相：

固態合金中有兩類基本相：清華大學工程材料第五45

一、固溶體固溶體合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結構與組元之一相同的固相。溶劑與固溶體晶格相同的組元溶質其他另一組元（含量較少）

固溶體用α、β、γ等符號表示。A、B組元組成的固溶體也可表示為A(B),其中A為溶劑,B為溶質。例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶體一般用α表示,亦可表示為Cu(Zn)。清華大學工程材料第五版第一章一、固溶體固溶體合金組元通過溶解形成一種成分和461.固溶體的分類

（1）按溶質原子在溶劑晶格中的位置分

●置換固溶體:溶質原子代換了溶劑晶格某些結點上的原子;

●間隙固溶體溶質原子進入溶劑晶格的間隙之中。置換固溶體間隙固溶體清華大學工程材料第五版第一章1.固溶體的分類置換固溶體47

（2）按溶質原子在溶劑中的溶解度分

有限固溶體、無限固溶體兩種。

固溶體中溶質的含量即為固溶體的濃度，用質量分數或摩爾分數表示。在一定溫度和壓力條件下，溶質在固溶體中的極限濃度即為溶質在固溶體中的溶解度。

●有限固溶體

超過溶解度有其它相形成。

●無限固溶體

溶質可以任意比例溶入，即溶質溶解度可達100%。清華大學工程材料第五版第一章（2）按溶質原子在溶劑中的溶解度分

清華大學工程材48

（3）按溶質原子在固溶體中分布有否規律分

●無序固溶體：溶質原子無規則分布●有序固溶體：溶質原子規則分布無序固溶體有序固溶體有序化轉變：在一定條件下，一些合金的無序固溶體可轉變為有序固溶體。清華大學工程材料第五版第一章（3）按溶質原子在固溶體中分布有否規律分無49

2.固溶體的性能固溶體隨著溶質原子的溶入晶格發生畸變。晶格畸變增大位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強度和硬度。通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現象稱為固溶強化。

固溶強化是金屬強化的一種重要形式。在溶質含量適當時，可顯著提高材料的強度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。清華大學工程材料第五版第一章2.固溶體的性能通過形成固溶體使金屬強度和硬度提高50

如：

●純銅的σb為220MPa,硬度為40HB,斷面收縮率ψ為70%。

●當加入1%的鎳形成單相固溶體后,強度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而斷面收縮率仍有50%。

固溶體綜合機械性能很好,常作為結構合金的基體相。固溶體與純金屬相比,物理性能有較大的變化,如電阻率上升,導電率下降,磁矯頑力增大。清華大學工程材料第五版第一章如：固溶體綜合機械性能很好,常作為結構合金51

二、金屬化合物

合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物,或稱中間相。

金屬化合物一般熔點較高,硬度高,脆性大。

合金中含有金屬化合物時,強度、硬度和耐磨性提高,而塑性和韌性降低。清華大學工程材料第五版第一章二、金屬化合物

合金組元相互作用形成的晶格類型和521.正常價化合物

嚴格遵守化合價規律的化合物。

由元素周期表中相距較遠、電負性相差較大的兩元素組成，可用確定的化學式表示。大多數金屬和ⅣA族、Ⅴ族、ⅥA族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及β-SiC等。

性能特點是硬度高、脆性大。清華大學工程材料第五版第一章1.正常價化合物清華大學工程材料第五版第一章532.電子化合物

不遵守化合價規律但符合于一定電子濃度(化合物中價電子數與原子數之比)的化合物叫做電子化合物。

由ⅠB族或過渡族元素與ⅡB族、ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族元素所組成。

一定電子濃度的化合物相應有確定的晶體結構,并且還可溶解其組元,形成以電子化合物為基的固溶體。清華大學工程材料第五版第一章2.電子化合物清華大學工程材料第五版第一章54

生成電子化合物時,元素每個原子所貢獻的價電子數：

Au、Ag、Cu為1個Be、Mg、Zn為2個

Al為3個Fe、Ni為0個Cu-Zn合金中電子化合物：

性能：主要以金屬鍵結合,具有明顯的金屬特性,導電，熔點和硬度較高，但塑性較差，有色金屬中重要的強化相。CuZn體心立方晶格，電子濃度21/14（3/2）Cu5Zn8

復雜立方晶格，電子濃度21/13CuZn3

密排六方晶格，電子濃度21/12（7/4）清華大學工程材料第五版第一章生成電子化合物時,元素每個原子所貢獻的價電子數：C553.間隙化合物由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。

性能：具有金屬特性，有極高的熔點和硬度,非常穩定。提高鋼的強度、熱強性、紅硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬質合金中的重要組成相。間隙相（TiC)

（1）間隙相

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相。

清華大學工程材料第五版第一章3.間隙化合物性能：具有金屬特性，有極高的56

（2）復雜結構的間隙化合物

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，形成具有復雜結構的間隙化合物。

如鋼中的Fe3C、Fe4W2C、Cr7C3、FeB等。復雜結構的間隙化合物(Fe3C)Fe3C具有復雜的晶體結構。鐵原子可以部分地被Mn、Cr等金屬原子置換,形成以間隙化合物為基的固溶體,如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C。

性能：具有很高的熔點和硬度,但比間隙相稍低些,在鋼中起強化相作用。清華大學工程材料第五版第一章（2）復雜結構的間隙化合物復雜結構的間隙化合物(Fe571.1.3

金屬材料的組織

一、組織的概念

組織由數量、形態、大小和分布方式不同的各種相組成。

金屬材料的組織可以由單相組成，也可以由多相組成。

在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織(簡稱組織)。

清華大學工程材料第五版第一章1.1.3金屬材料的組織

在金相顯微鏡下觀察，可58

二、影響組織的因素

組織取決于化學成分和工藝過程。

1、化學成分

不同碳質量分數的鐵碳合金在平衡結晶后的室溫組織不一樣。●圖(a)為純鐵的組織，叫鐵素體。

●圖(c)是碳質量分數為0.77%的鐵碳合金的組織,叫珠光體。

(a)0.01%C(b)0.45%C(c)0.77%C(d)1.2%C鐵碳合金的室溫平衡組織清華大學工程材料第五版第一章二、影響組織的因素(a)0.01%C592、工藝

金屬材料的化學成分一定時,工藝過程是組織最重要的影響因素。

●純鐵經冷拔后,等軸形狀的鐵素體晶粒變成拉長了的鐵素體晶粒。變形前變形后

片狀珠光體

球狀珠光體

●碳質量分數為0.77%的鐵碳合金室溫平衡組織為片狀珠光體。

球化退火后組織為球狀珠光體。清華大學工程材料第五版第一章2、工藝變形前60

三、組織與性能的關系

材料的性能與組織密切相關。

●三種不同組織的灰口鑄鐵

(a)組織為鐵素體和片狀石墨，σb為150MPa(b)組織為鐵素體和團絮狀石墨，σb為350MPa(c)組織為鐵素體和球狀石墨，σb為420MPa

沖擊韌度最高的是(c),其次為(b),最低的是(a)

灰口鑄鐵的組織（a）（b）（c）清華大學工程材料第五版第一章三、組織與性能的關系

灰口鑄鐵的組61●純鐵冷拔前抗拉強度為180MPa。冷拔后（變形度為80%）抗拉強度為500MPa。

●碳含量為0.77%的鐵碳合金

室溫平衡組織中片狀Fe3C相,切削加工時,刀具磨損很厲害。球化退火后,Fe3C相變為分散的顆粒狀,切削時對刀具的磨損較小。老師提示

金屬的組織結構由材料的成分、工藝所決定。金屬材料的性能由金屬內部的組織結構所決定。不同組織結構的材料具有不同的性能。清華大學工程材料第五版第一章●純鐵●碳含量為0.77%的鐵碳合金老師提示621.2

金屬材料的性能

金屬材料的性能：工藝性能使用性能。

工藝性能

制造工藝過程中材料適應加工的性能。

鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、切削加工性能、熱處理性能

使用性能

材料在使用條件下表現出來的性能。

力學性能、物理性能、化學性能清華大學工程材料第五版第一章1.2

金屬材料的性能

工藝性能

制造工藝過程中63

一、鑄造性能

金屬材料鑄造成形獲得優良鑄件的能力。鑄造1.流動性

熔融金屬的流動能力。

完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。2.收縮性

鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積和尺寸減少的現象。

鑄件收縮不僅影響尺寸，還會使鑄件產生縮孔、疏松、內應力、變形和開裂等缺陷。鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。3.偏析

金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學成分和組織的不均勻現象。

偏析大使鑄件各部分的力學性能有很大的差異，降低鑄件的質量。1.2.1金屬材料的工藝性能清華大學工程材料第五版第一章一、鑄造性能

金屬材料鑄造成形獲得優良鑄件64

二、鍛造性能

鍛造性金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應能力。鍛造

冷沖

金屬材料的塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。清華大學工程材料第五版第一章二、鍛造性能

鍛造65

三、焊接性能

焊接性金屬材料對焊接加工的適應性。

獲得優質焊接接頭的難易程度。

電弧焊

氣焊

鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。低碳鋼和碳的質量分數低于0.18%的合金鋼焊接性能較好。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。

清華大學工程材料第五版第一章三、焊接性能電弧焊66

四、切削加工性能

用切削后的表面粗糙度和刀具壽命來表示。

金屬材料具有適當的硬度(170HBS～230HBS)和足夠的脆性時切削性良好。

改變鋼的化學成分(加少量鉛、磷)和進行適當的熱處理(低碳鋼正火，高碳鋼球化退火)可提高鋼的切削加工性能。銅有良好的切削加工性能。切削加工

清華大學工程材料第五版第一章四、切削加工性能金屬材料具有適當的硬度(1767

五、熱處理工藝性能

鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性,即鋼接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金鋼淬透性比較好,碳鋼的淬透性較差。

鋁合金的熱處理要求較嚴。

銅合金只有幾種可以用熱處理強化。

清華大學工程材料第五版第一章五、熱處理工藝性能

清華大學工程材料第五版第一章681.2.2金屬材料的機械性能

金屬材料的機械性能，即是指金屬材料在外力（載荷）作用時表現出來的性能。

強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度

載荷的形式

清華大學工程材料第五版第一章1.2.2金屬材料的機械性能載荷的形式

清華大學工程材料69

一、強度

金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。

材料的強度用拉伸試驗測定。(a)原始試樣

（b)拉伸后試樣

圓形拉伸試樣拉伸試驗清華大學工程材料第五版第一章一、強度(a)原始試樣

（b)拉伸后試樣拉伸試驗70拉伸曲線1.彈性極限σe

材料保持彈性變形,不產生永久變形的最大應力。2.屈服極限（屈服強度）σs

金屬開始發生明顯塑性變形的抗力。條件屈服極限σ0.2鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現象,用產生0.2%殘余應變時的應力值表示。3.強度極限(抗拉強度σb)

金屬受拉時所能承受的最大應力。

清華大學工程材料第五版第一章拉伸曲線1.彈性極限σe

2.屈服極限71

二、塑性

斷裂前材料產生永久變形的能力稱為塑性。

(a)原始試樣

（b)拉伸后試樣

1.伸長率（δ）

試樣拉斷后,標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。

2.斷面收縮率（ψ）

試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。清華大學工程材料第五版第一章二、塑性

(a)原始試樣

（b)拉伸后試樣72

三、硬度

材料抵抗另一硬物體壓入其內的能力叫硬度。

即材料受壓時抵抗局部塑性變形的能力。鋼球壓頭用HBS表示硬質合金球用HBW表示布氏硬度計1.布氏硬度（HB)

一定直徑的鋼球或硬質合金球在一定載荷作用下壓入試樣表面。測量壓痕直徑,計算硬度值。清華大學工程材料第五版第一章三、硬度鋼球壓頭用HBS表示布氏硬度計1.73布氏硬度計的使用清華大學工程材料第五版第一章布氏硬度計的使用清華大學工程材料第五版第一章742.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)

采用金剛石壓頭(或鋼球壓頭)，加預載荷F0，壓入深度h0。再加主載荷F1。卸去主載荷F1，測量其殘余壓入深度h,

用h與h0之差△h來計算洛氏硬度值。硬度直接從硬度計表盤上讀得。洛氏硬度計

根據壓頭的種類和總載荷的大小洛氏硬度常用表示方式有:HRA、HRB、HRC清華大學工程材料第五版第一章2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)洛氏硬度計75洛氏硬度計的使用清華大學工程材料第五版第一章洛氏硬度計的使用清華大學工程材料第五版第一章76

四、沖擊韌度（ak）

材料抵抗沖擊載荷作用的能力稱為沖擊韌性。

用擺錘沖擊彎曲試驗來測定。測得試樣沖擊吸收功，用符號Ak表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S0,得到材料的沖擊韌度ak。沖擊試樣清華大學工程材料第五版第一章四、沖擊韌度（ak）沖擊試樣清華大學工程材料第五版77沖擊吸收功的測定清華大學工程材料第五版第一章沖擊吸收功的測定清華大學工程材料第五版第一章78

五、疲勞強度

軸、齒輪、葉片、彈簧等零件，在工作過程中各點的應力隨時間作周期性的變化，這種應力稱為交變應力(也稱循環應力)。

在交變應力作用下，雖然零件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作而產生裂紋、或突然發生斷裂。這種過程稱為金屬的疲勞。

清華大學工程材料第五版第一章五、疲勞強度清華大學工程材料第五版第一章79

交變應力越小，材料斷裂時應力循環次數N越大。

當應力低于一定值時,試樣可以經受無限周期循環而不破壞，此應力值稱為材料的疲勞強度(疲勞極限)，用σ-1

表示。清華大學工程材料第五版第一章交變應力越小，材料斷裂時應力循環次數N越大。清華大學80

六、斷裂韌性

橋梁、船舶、大型軋輥、轉子等有時會發生低應力脆斷。工作應力低于材料的屈服強度。

原因：構件或零件存在裂紋。裂紋在應力作用下失穩擴展，導致機件破斷。斷裂韌性材料抵抗裂紋失穩擴展斷裂的能力。清華大學工程材料第五版第一章六、斷裂韌性斷裂韌性材料抵抗裂紋失穩擴展清華大學81

裂紋擴展的臨界狀態所對應的應力場強度因子稱為臨界應力場強度因子，用K1C表示，單位為MN/m3/2，它代表材料的斷裂韌性。

裂紋尖端應力場大小用應力場強度因子表示。KIY：系數σ

：外加應力a：裂紋半長清華大學工程材料第五版第一章裂紋擴展的臨界狀態所對應的應力場強度因子稱為臨界應力821.2.3金屬材料的理化性能

一、金屬的物理性能

1.密度

單位體積物質的質量稱為該物質的密度。密度小于5×103kg/m3

的金屬稱為輕金屬,如鋁、鎂、鈦及它們的合金。用于航天航空器上。密度大于5×103kg/m3的金屬稱為重金屬,如鐵、鉛、鎢等。

2.熔點

金屬從固態向液態轉變時的溫度稱為熔點。熔點高的金屬稱難熔金屬，如鎢、鉬、釩等。制造耐高溫零件，如火箭、導彈、燃氣輪機和噴氣飛機等零、部件。

熔點低的金屬稱為易熔金屬如錫、鉛等，可用于制造保險絲和防火安全閥零件等。

3.導熱性

導熱性用熱導率衡量。熱導率越大,導熱性越好。銀導熱性最好,銅、鋁次之。合金的導熱性比純金屬差。在熱加工和熱處理時，防止材料加熱或冷卻時形成過大的內應力，以免零件變形或開裂。導熱性好的金屬材料制造散熱器、熱交換器與活塞等零件。清華大學工程材料第五版第一章1.2.3金屬材料的理化性能2.熔點

3834.導電性

傳導電流的能力稱導電性。

用電阻率來衡量。

電阻率越小，金屬材料導電性越好。金屬導電性以銀為最好，銅、鋁次之。合金的導電性比純金屬差。電阻率小的金屬(純銅)適于制造導電零件和電線。電阻率大的金屬或合金(鎢、鉬、鐵鉻鋁合金)適于做電熱元件。

5.熱膨脹性

材料隨溫度變化而膨脹、收縮的特性。膨脹系數大的材料制造的零件,溫度變化時,尺寸和形狀變化較大。軸和軸瓦之間根據膨脹系數來控制間隙尺寸；在熱加工和熱處理時要考慮材料的熱膨脹影響,減少工件變形和開裂。清華大學工程材料第五版第一章4.導電性

5.熱膨脹性

清華大學工程材846.磁性在外磁場中表現出來的特性。

●鐵磁性材料

在外磁場中能強烈地被磁化，如鐵、鈷等。制造變壓器、電動機、測量儀表等。●順磁性材料

在外磁場中只能微弱地被磁化，如錳、鉻等?！窨勾判圆牧?/p>

能抗拒或削弱外磁場對材料本身的磁化作用，如銅、鋅等。用于要求避免電磁場干擾的零件和結構材料，如航海羅盤。

居里點：當溫度升高到一定數值時，鐵磁性材料磁疇被破壞，變為順磁體。轉變溫度稱居里點。鐵的居里點是770℃。清華大學工程材料第五版第一章6.磁性●順磁性材料

●抗磁性材85

二、金屬的化學性能

1.耐腐蝕性

金屬材料在常溫下抵抗氧、水蒸氣及其它化學介質腐蝕破壞作用的能力。碳鋼、鑄鐵的耐腐蝕性較差；鋁合金和銅合金的耐腐蝕性較好。鈦及其合金、不銹鋼的耐腐蝕性好。

清華大學工程材料第五版第一章二、金屬的化學性能清華大學工程材料第五版第一章862.抗氧化性

金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力。

加入Cr、Si等元素,可提高鋼的抗氧化性。

如4Cr9Si2可制造內燃機排氣閥及加熱爐爐底板,料盤等。清華大學工程材料第五版第一章2.抗氧化性

清華大學工程材料第五版第一章87老師提示

金屬材料主要以金屬鍵結合，其強韌性好，塑性變形能力強，導電、導熱性好，為主要的工程材料。

清華大學工程材料第五版第一章老師提示

清華大學工程材料第五版第一章881.3

高分子材料的結構與性能高分子材料

又稱為高分子聚合物(簡稱高聚物),是以高分子化合物為主要組分的有機材料。

高分子化合物是指相對分子質量很大的化合物，相對分子質量一般在5000以上，有的甚至高達幾百萬。

清華大學工程材料第五版第一章1.3

高分子材料的結構與性能高分子材料

又稱為高分子聚89

高分子化合物由低分子化合物通過聚合反應獲得。組成高分子化合物的低分子化合物稱作單體。

如：乙烯通過聚合反應生成聚乙烯。乙烯稱作單體。清華大學工程材料第五版第一章高分子化合物由低分子化合物通過聚合反應獲得。901.3.1高分子材料的結構

一、大分子鏈的結構

1.大分子鏈的化學組成

主要是碳、氫、氧。碳是形成大分子鏈的主要元素。其他還有氮、硅、硫等元素。

●碳鏈大分子：主鏈全部由碳原子以共價鍵相連接，即-C-C-C-。

●雜鏈大分子：主鏈除有碳原子外，還有氧、氮、硫、磷等，以共價鍵相連接。

●元素鏈大分子：主鏈不含碳原子，由硅、氧、硼、硫、磷等元素組成。共價鍵！清華大學工程材料第五版第一章1.3.1高分子材料的結構●碳鏈大分子：主鏈全部由912.大分子鏈的形態

(1)線型分子鏈直徑小于1納米，長度達幾百、幾千納米，呈卷曲狀。大分子鏈的形態(3)體型(交聯型)

在線型或支化型分子鏈之間以共價鍵連接,形成空間網狀大分子。（1）+（2）通常為熱塑性聚合物（3）通常為熱固性聚合物(2)支化型分子鏈在主鏈的兩側以共價鍵連接的支鏈。清華大學工程材料第五版第一章2.大分子鏈的形態大分子鏈的形態(3)體型923.大分子鏈的空間構型

分子鏈原子或原子團在空間的排列方式，即鏈結構。

乙烯聚合物的立體異構●全同立構：取代基R有規律在碳鏈平面同側。

●間同立構：取代基R交替地在碳鏈平面兩側。

●無規立構：取代基R無規律在碳鏈平面兩側。聚氯（苯）乙烯三種空間構型（側基不同）聚乙烯清華大學工程材料第五版第一章3.大分子鏈的空間構型乙烯聚合物的立體異構●全同立93

二、大分子鏈的構象及柔性

內旋轉：單鏈以一定角度旋轉。內旋轉使大分子鏈的空間形象（構象）變化。

在拉力作用下，線型大分子鏈伸展拉直。外力去除后，縮回卷曲狀和線團狀。

能伸展、回縮的性能稱為分子鏈的柔性，這是聚合物具有彈性的原因。清華大學工程材料第五版第一章二、大分子鏈的構象及柔性在拉力作用下，線型94

三、高分子材料的聚集態

●晶態：分子鏈在空間規則排列。

●部分晶態：分子鏈在空間部分規則排列。

●非晶態：分子鏈在空間無規則排列，亦稱玻璃態。

線型聚合物可以形成晶態或部分晶態。體型聚合物為非晶態(或玻璃態)。

大多數聚合物是部分晶態或完全非晶態。聚合物聚集態結構清華大學工程材料第五版第一章三、高分子材料的聚集態

大多數聚合物是部分951.3.2高分子材料的性能

一、高分子材料的機械性能

1.高聚物的力學狀態

(1)線型非晶態高聚物的力學狀態

☆老師提示：重點內容

線型非晶態高聚物在不同溫度下表現出三種力學狀態：

玻璃態、高彈態、粘流態。

清華大學工程材料第五版第一章1.3.2高分子材料的性能(1)線型非晶態高聚物的96

Tb：脆化溫度

Tg：玻璃化溫度

Tf：粘流溫度

Td：分解溫度

線型非晶態高聚物在恒定載荷作用下的變形度-溫度曲線

①玻璃態

在Tb～Tg

溫度，變形量小,彈性模量較高,高聚物較剛硬。受力變形符合于胡克定律，應變與應力成直線比，在瞬時達到平衡。

②高彈態

Tg～Tf溫度，變形量很大，彈性模量顯著降低，外力去除后變形可以恢復，變形可逆。高聚物柔軟而富彈性，具有橡膠的特性。

③粘流態

溫度高于Tf后，變形迅速發展，彈性模量很快下降，高聚物產生粘性流動。變形不可逆。

清華大學工程材料第五版第一章Tb：脆化溫度Tg：玻璃化溫度97

(2)晶態高聚物的力學狀態

完全晶態的線型高聚物沒有高彈態。部分晶態的線型高聚物，非晶態區在Tg溫度以上和晶態區在熔點Tm溫度以下時為皮革態。

皮革態：強、韌，又有較好彈性。非晶態區處于高彈態,具有柔韌性。晶態區則具有較高的強度和硬度。清華大學工程材料第五版第一章(2)晶態高聚物的力學狀態

清華大學工程材料第五98

(3)體型高聚物的力學狀態

體型高聚物具有網狀分子鏈。若交聯程度較輕，則具有高彈性。如：硫化橡膠。若交聯程度較重，則沒有高彈性，硬而脆。如：酚醛塑料。清華大學工程材料第五版第一章(3)體型高聚物的力學狀態

清華大學工程材料第五992.高分子材料的機械性能特點

(1)強度低高聚物的強度平均為100MPa,比金屬低得多,但密度小，許多高聚物比強度很高。某些工程塑料的比強度比鋼鐵還高。

溫度對高聚物的力學狀態的影響

對于粘彈性的高聚物，其強度主要受溫度和變形速度的影響。溫度低，強度較高。溫度高，強度較低。清華大學工程材料第五版第一章2.高分子材料的機械性能特點溫度對高聚物的力學狀態100

高聚物加載速度-應力-應變曲線

加載速度慢，分子鏈來得及位移，呈韌性狀態；低速拉伸時強度較低，伸長率較大。

加載速度快，鏈段來不及運動，表現出脆性狀態。快速拉伸時強度較高，伸長率小。清華大學工程材料第五版第一章高聚物加載速度-應力-應變曲線加載速度慢，101

(2)彈性高、彈性模量低

●高聚物的彈性變形量大?？蛇_100%～1000％。一般金屬材料只有0.1%～1.0％。

●高聚物的彈性模量低。約為2MPa～20MPa。

一般金屬材料為103MPa～2×105MPa。清華大學工程材料第五版第一章(2)彈性高、彈性模量低清華大學工程材料第五102

(3)粘彈性粘彈性：應變滯后于應力作用時間。清華大學工程材料第五版第一章(3)粘彈性清華大學工程材料第五版第一章103

粘彈性產生的原因鏈段的運動遇到阻力。調整構象需要時間。應力作用的速度愈快，鏈段愈來不及作出反應，則粘彈性愈顯著。

粘彈性的表現：蠕變應力松馳內耗清華大學工程材料第五版第一章粘彈性產生的原因清華大學工程材料第五版第一章104

ａ．蠕變

應力保持恒定，應變隨時間的增長而增加的現象。發生不可回復的塑性變形。架空的聚氯乙烯電線套管，在電線和自身重量的作用下發生緩慢的撓曲變形。高聚物的蠕變比其它材料嚴重。金屬在高溫時發生蠕變，而高聚物在室溫下蠕變就很明顯。清華大學工程材料第五版第一章ａ．蠕變清華大學工程材料第五版第一章105

b.應力松弛高聚物受力變形后所產生的應力隨時間而逐漸衰減的現象。例如，連接管道的法蘭盤中的密封墊圈，經過長時間工作后發生滲漏現象，就是應力松弛的表現。大分子鏈在力的長時間作用下，逐漸改變構象和發生了位移。

清華大學工程材料第五版第一章b.應力松弛清華大學工程材料第五版第一章106

c.內耗

橡膠重復加載時，分子鏈構象變化，造成分子間的內摩擦，產生內耗。

彈性能轉變為熱能。高聚物溫度升高，加速老化。內耗能吸收震動波，有利于減震。

清華大學工程材料第五版第一章c.內耗

橡膠重復加載時，分子鏈構107

(4)

塑性

高聚物由許多很長的分子組成,表現出明顯的塑性。

(5)韌性

高聚物的沖擊韌性比金屬小得多，為金屬的百分之幾。清華大學工程材料第五版第一章(4)塑性

高聚物由許多很長的分子108

(6)減摩、耐磨性

大多數塑料對金屬和對塑料的摩擦系數值一般在0.2～0.4范圍內。有一些塑料的摩擦系數很低。例如,聚四氟乙烯對聚四氟乙烯的摩擦系數只有0.04，幾乎是所有固體中最低的。塑料的磨損率低。清華大學工程材料第五版第一章(6)減摩、耐磨性清華大學工程材料第五版第109

二、高分子材料的物理和化學性能

1.

絕緣性良好的絕緣體，絕緣性能與陶瓷相當。對熱、聲也有良好的隔絕性能。

2.耐熱性

耐熱性較低。

常用熱塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍等，長期使用溫度一般在100℃以下；

熱固性塑料如酚醛塑料的為130℃～150℃；

耐高溫塑料如有機硅塑料等，可在200℃～300℃使用。

清華大學工程材料第五版第一章二、高分子材料的物理和化學性能2.110

3.耐蝕性

化學穩定性很高。耐水和無機試劑、耐酸和堿的腐蝕。聚四氟乙烯，耐強酸、強堿，在沸騰的王水中也很穩定。耐蝕性好是塑料的優點之一。

4.老化

由于受各種因素的作用，高聚物性能隨時間不斷惡化，逐漸喪失使用價值。

表現：橡膠變脆，龜裂或變軟，發粘；塑料退色，失去光澤和開裂。

這些現象是不可逆的。老化是高聚物的一個主要缺點。

清華大學工程材料第五版第一章3.耐蝕性

化學穩定性很高。111

老師提示

高分子材料強度低、塑性好、彈性高、彈性模量低，具有粘彈性。減摩、耐磨性、絕緣性、耐蝕性好，耐熱性低、易老化。清華大學工程材料第五版第一章老師提示

清華大學工程材料第五版第一章1121.4

陶瓷材料的結構與性能

1.4.1陶瓷材料的結構

一、陶瓷材料的制備過程普通陶瓷的原料：粘土、石英和長石組成。生產過程特點：先成形，后成材。原料破碎、混合—成型—燒結清華大學工程材料第五版第一章1.4

陶瓷材料的結構與性能生產過程特點：先成形，后成材。113

二、陶瓷材料的組織結構

按照組織形態陶瓷材料分為三類：

●無機玻璃：

即硅酸鹽玻璃，其粒子在空間成不規則排列的非晶結構類陶瓷材料；

●微晶玻璃：

即玻璃陶瓷，是單個晶體分布在非晶態的玻璃基體上的一類陶瓷材料；

●陶瓷（晶體陶瓷）：

具有單相晶體結構的特種陶瓷（如氧化鋁），以及具有復雜結構的普通陶瓷。是最常用的陶瓷結構材料和工具材料。清華大學工程材料第五版第一章二、陶瓷材料的組織結構清華大學工程材料第五版第一章114

陶瓷的典型組織結構

陶瓷包括三種相：

晶體相、玻璃、氣相陶瓷在室溫下的組織清華大學工程材料第五版第一章陶瓷的典型組織結構陶瓷在室溫下的組織清華大學工程材料第五版1151.晶體相

是陶瓷的主要組成相。有硅酸鹽、氧化物和非氧化合物等。決定陶瓷的主要性能和應用。(1)硅酸鹽

是普通陶瓷的主要原料，結合鍵為離子鍵與共價鍵的混合鍵。構成硅酸鹽的基本單元是硅氧四面體。

清華大學工程材料第五版第一章1.晶體相

是陶瓷的主要組成相。(116

(2)氧化物(多種陶瓷的主要晶體相)

離子鍵結合,也有共價鍵結合。

氧離子作緊密立方或緊密六方排列；金屬離子規則地分布在四面體和八面體的間隙之中。

MgOAl2O3清華大學工程材料第五版第一章(2)氧化物(多種陶瓷的主要晶體相)

離子117

(3)非氧化物

●金屬碳化物：共價鍵和金屬鍵之間的過渡鍵,以共價鍵為主。

間隙相：如TiC、ZrC、VC等；

復雜碳化物：Fe3C、Mn3C、Cr3C2,Cr23C6、WC、Cr7C3等。TiC清華大學工程材料第五版第一章(3)非氧化物

●金屬碳118●氮化物：金屬性弱些,有一定的離子鍵。如六方晶格BN，六方晶系的Si3N4、AlN。●硼化物和硅化物：較強的共價健，連成鏈、網和骨架，構成獨立結構單元。

BN清華大學工程材料第五版第一章●氮化物：金屬性弱些,有一定的離子鍵。如六方晶格B1192.玻璃相

(1)玻璃相作用

①粘連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料致密度；

②降低燒成溫度，加快燒結；

③阻止晶體轉變，抑制其長大；

④獲得透光性等玻璃特性；

⑤對陶瓷的機械強度、介電性能、耐熱耐火性等不利。

清華大學工程材料第五版第一章2.玻璃相清華大學工程材料第五版第一章120(2)玻璃相結構特點

玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物組成。硅氧四面體組成不規則的空間網,形成玻璃的骨架。石英玻璃石英晶體鈉硅酸鹽玻璃的結構清華大學工程材料第五版第一章(2)玻璃相結構特點

石英玻璃1213.氣相