绪论 0.1 课程的任务与目的 工程材料课程是高等院校机械类专业的一门必修的技术基础课。 工程材料课程的任务是阐明机械工程材料的基本理论，研究材料的成分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系，介绍常用机械工程材料的性能及应用等基本知识。 贯穿全课程的主线是： 材料的化学成分+加工工艺-组织结构-性能-选择材料-使用材料（零件）. 工程材料课程的理论性、实用性较强，学习时要注重分析和运用，做到理论联系实际，提高分析问题和解决问题的能力。 学生通过本课程的学习，应当达到如下目的： (1) 掌握金属与合金的结构、结晶、塑性变形、热处理、合金化等工程材料的基本理论。 (2) 熟悉常用金属材料、高分子材料的性能和应用。 (3) 了解陶瓷材料、复合材料、功能材料、零件失效分析基本知识，了解工程材料在汽车、机床、仪器仪表、热能、化工、航空航天等工程领域的使用情况。 (4) 具备根据机械零件使用条件、性能要求和失效形式，对结构零件进行合理选材及制定零件工艺路线的初步能力。 由于能源、材料和信息是现代社会和现代科学技术的三大支柱，学习并掌握工程材料的基本理论和基本知识，对于工科院校机械类专业的学生是十分必要的。 0.2 中华民族对材料发展的重大贡献 材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础。人类社会的发展伴随着材料的发明和发展。人类最早使用的材料是石头、泥土、树枝、兽皮等天然材料。由于火的使用，人类发明了陶器、瓷器，其后又发明了青铜器、铁器。因此历史学家常根据材料的使用，将人类生活的时代划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。而今人类已跨进人工合成材料的新时代。金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料等新型材料得到迅速发展，为现代社会的发展奠定了重要的物质基础。 中华民族为材料的发展和应用作出了重大的贡献。在人类的发展史上，最先使用的工具是石器。我们的祖先用坚硬的容易纵裂成薄片的燧石和石英石等天然材料制成石刀、石斧、石锄。早在新石器时代(公元前6000年-公元前5000年)的磁山(河北)-裴李岗(河南)文化时期，中华民族的先人们就用粘土烧制成陶器。马家窑(甘肃)文化时期的陶器表面彩绘有条带纹、波纹和舞蹈纹等(图0-1)，制品有炊具、食具、盛储器皿等。我国在东汉时期发明了瓷器(图0-2), 成为最早生产瓷器的国家。瓷器成为中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。 我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化。我国青铜的冶炼早在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎（又称后母戊鼎）重约832千克，外形尺寸为1.33m×0.78m×1.10m,是迄今世界上最古老的大型青铜器(图0-3). 从湖北江陵楚墓中发掘出的越王勾践剑是我国青铜器的杰作。春秋战国时期《周礼·考工记》中记载了钟鼎、斧斤等六类青铜器中的锡质量分数，称为“六齐(剂)" . 书中写道： “六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之鉴燧之齐”。这是世界上最古老的关于青铜合金成分的文字记载，表明我们的祖先已经认识到了青铜的性能与成分之间的密切关系。湖北隋县出土的战国青铜编钟造型壮观、铸造精良、音色和美，是我国古代文化艺术高度发达的见证。 图0-1 陶器 图0-2 瓷器 图0-3 司母戊鼎 我国从春秋战国时期(公元前770年-公元前221年)已开始大量使用铁器。到了西汉时期，采用煤作为炼铁的燃料，这要比欧洲早1700多年。1989年在山西省永济县黄河东岸出土的唐开元十二年铸造的铁牛每尊高约1.9m，长约3m，宽约1.3m。最重的铁牛为70余吨。铁牛曾是蒲津渡浮桥的地锚，是我国人民对世界桥梁、冶金铸造技术、雕塑事业的伟大贡献，是世界桥梁史上的无价之宝。 钢的热处理技术也达到了相当高的水平。西汉《史记·天官书》中有“水与火合为淬”一说， 正确地说出了钢铁加热、水冷的淬火热处理工艺要点。《汉书·王褒传》中记载有“巧冶铸干将之朴，清水淬其锋”的制剑技术。明代科学家宋应星在《天工开物》一书中对钢铁的退火、淬火、渗碳工艺作了详细的论述。钢铁生产工具的发展，对社会进步起了巨大的推动作用。 在材料领域中还应该提到的是丝绸。丝绸是一种天然高分子材料，它在我国有着悠久的历史，于11世纪传到波斯、阿拉伯、埃及，并于1470年传到意大利的威尼斯，进入欧洲。中国丝绸质地柔软，色彩鲜艳，美观华丽，光彩夺目，深得世界各国人民喜爱。 历史充分说明，我们勤劳智慧的祖先在材料的创造和使用上有着辉煌的成就，为人类文明、世界进步作出了巨大贡献。 中华人民共和国成立以后，我国的钢铁冶炼技术有了突破性进展，目前钢产量已跃居世界首位。钢铁质量也得到显著提高。我国的原子弹、氢弹的研制成功，火箭、人造卫星、飞船的上天，都以材料的发展为坚实基础。 在当代，科学技术和生产飞跃发展。材料、能源与信息作为现代社会和现代技术的三大支柱，发展格外迅猛。 在材料中非金属材料发展迅速，高分子材料已经在机械、仪器仪表、汽车工业中得到广泛应用。如制造汽车挡泥板、灯壳、座椅、门把、车内装饰件、仪器仪表的壳体、面板、齿轮等。陶瓷材料的发展同样十分引人注目，它除了具有许多特殊性能作为重要的功能材料(例如可作光导纤维、激光晶体等)以外，其韧性和热稳定性正在逐步获得改善，是最有前途的高温结构材料。机器零件和工程结构已不再只使用金属材料制造了。 复合材料的研究和应用得到了人们的重视。如玻璃纤维树脂复合材料(即玻璃钢)、碳纤维树脂复合材料已应用于宇航和航空工业中制造卫星壳体、宇宙飞行器外壳、飞机机身、螺旋桨等；在交通运输工业中制造汽车车身、轻型船、艇等，在石油化工中制造耐酸、耐碱、耐油的容器及管道等。 近年来，我国在新材料和材料加工新工艺的研究工作中取得了卓有成效的重大成果。研制出性能优越、用途广泛的多种新型结构钢；能制备厚度仅为6μm的超塑性铝箔；研制出零电阻温度为128.7K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)，我国在新型碳材料--碳纳米管的研究方面取得许多新的成果。例如，利用碳纳米管作为衬底，制备出均匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须增强复合材料，制作纳米复合材料。 2003年我国第一艘载人飞船“神舟五号”成功飞行（图0-4) ，标志着我国已进入载人航天时代。2007年我国首颗探月卫星“嫦娥一号”成功发射（图0-5) . 2010年探月卫星“嫦娥二号”再次奔向月球。2011年成功实现了“天宫一号”目标飞行器与“神舟八号”的空间交会对接。航空航天事业的迅速发展，带动了钛合金、铝合金、镍合金、高温陶瓷、复合材料等航空航天材料的发展。如铝镁合金材料应用于歼击机框架、直径达3.5m的铝合金锻环用于“长征二号”火箭等。 图0-4 “神舟五号” 图0-5 探月卫星“嫦娥一号” 总之，材料科学发展很快。我们需要掌握材料科学的基本理论和基本知识，研究和发明新的材料和新的工艺，合理地使用各种工程材料，为祖国现代化建设事业作出应有的贡献。 0.3 材料的结合键与分类0.3.1 材料的结合键 各种工程材料是由各种不同的元素组成，由不同的原子、离子或分子结合而成。原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。 1. 离子键 当元素周期表(表0-1)中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子，后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引；当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键，如图0-6所示。 图0-6 离子键(a)和离子晶体(b) 离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系统小， 但脆性大。离子键中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体。Al2O3、TiO2、NaCl等化合物都是离子键结合。 2. 共价键 处于元素周期表中间位置的3、4、5价元素，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时，以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键\. 图0-7 共价键(a)和共价晶体(b) 最具代表性的共价晶体为金刚石，其结构见图0-7(b)。硅、锗、锡等元素可构成共价晶体。SiC、Si3N4、BN等化合物也属于共价晶体。 共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高、挥发性低。 3. 金属键 元素周期表中I、II、III族元素的原子在满壳层外有一个或几个价电子。原子很容易丢失其价电子而成为正离子。图0-8 金属键(a)和金属晶体(b) 被丢失的价电子为全体原子所公有，叫做自由电子。它们在正离子之间自由运动。正离子在空间规则分布，和自由电子之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力叫做金属键，如图0-8所示。 金属具有良好的导电性和导热性、正的电阻温度系数。金属不透明并呈现特有的金属光泽。金属具有良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。 4. 分子键 甲烷分子在固态相互结合成为晶体。在结合过程中没有电子的得失、共有或公有化，原子或分子之间是靠范德瓦耳斯力结合起来。这种结合方式叫分子键。范德瓦耳斯力实际上就是分子偶极之间的作用力，如图0-9所示。含氢的聚合物中，一个氢原子可同时和两个与电子亲和能力大的、半径较小的原子(如F、O、N等)相结合，形成氢键。氢键是一种较强的、有方向性的范德瓦耳斯键\. 图0-9 分子键(a)、分子晶体(b)和氢键(c) 由于范德瓦耳斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。 0.3.2 工程材料的分类 工程材料主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料，用来制造工程构件和机械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊 工程材料金属材料钢碳钢 合金钢 铸铁 有色金属及其合金 高分子材料工程塑料 合成纤维 合成橡胶 胶粘剂 陶瓷材料普通陶瓷 特种陶瓷 复合材料非金属基复合材料 金属基复合材料 图0-10 工程材料的分类性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。 工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类(图0-10). 1. 金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。简单金属的结合键完全为金属键；过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合键，但以金属键为主。所以以金属为主体的工程金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，一般为金属晶体材料。 工业上把金属及其合金分为两大部分： ① 黑色金属： 铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金); ② 有色金属： 黑色金属以外的所有金属及其合金。 2. 高分子材料 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成，大分子内的原子之间由很强的共价键结合而成，而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范德瓦耳斯力。 高分子材料种类很多，工程上通常根据力学性能和使用状态将其分为工程塑料、合成纤维、合成橡胶、胶粘剂四大类。 3. 陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素组成的金属氧化物或金属非氧化物。金属氧化物中氧原子同金属原子化合时形成很强的离子键，同时也存在一定成分的共价键。例如，MgO晶体中，离子键占84%，共价键占16%。也有一些特殊陶瓷以共价键为主。 陶瓷材料属于无机非金属材料。按照成分和用途，陶瓷材料可分为两类： ① 普通陶瓷(或传统陶瓷): 主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料； ② 特种陶瓷(或新型陶瓷): 主要为高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等的烧结材料。 4. 复合材料 复合材料是指两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成。如环氧树脂玻璃钢由玻璃纤维与环氧树脂复合而成，碳化硅增强铝基复合材料由碳化硅细粒与铝合金复合而成。复合材料的结合键复杂，强度、刚度和耐蚀性比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，具有广阔的发展前景。 第1章 材料的结构与性能特点 1.1 金属材料的结构与组织 1.1.1 纯金属的晶体结构 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。为了便于研究，假设过原子(离子)的中心画出许多空间直线，这些直线形成空间格架，称为晶格(图1-1)。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞。晶胞在三维空间重复排列构成晶格。晶胞的基本特性即反映该晶体结构(晶格)的特点。 图1-1 晶体、晶格和晶胞示意图 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ六个晶格参数（也叫点阵参数）来描述。其中a、b、c 为晶格常数（也叫点阵常数）。金属的晶格常数一般为0.1～0.7nm。不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。 1. 三种常见的金属晶体结构(表1-1) 表1-1 常用金属的晶体结构 金属BeMgAlTiVCrMnFeCoNiCuZnMoAgWPtAuPbBCCFCCHCP (1) 体心立方晶格(胞) (BCC晶格) 体心立方晶格的晶胞(图1-2)中，8个原子处于立方体的角上，1个原子处于立方体的中心，角上8个原子与中心原子紧靠。图1-2 体心立方晶胞 具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe, <912℃)等。 体心立方晶胞具有下列特征： ① 晶格参数： a=b=c, α=β=γ=90. . ② 晶胞原子数： 在体心立方晶胞中，每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子仅有1/8属于一个晶胞，而中心的原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为18×8+1，即2个。 ③ 原子半径： 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线，所以原子半径与晶格常数a之间的关系为r原子＝34a. ④ 致密度： 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大，原子排列紧密程度越大。体心立方晶胞的致密度为43πr\+3原子×2a\+3=43π34a\+3×2a\+3≈068=68%即晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据，其余为空隙。 ⑤ 空隙半径： 若在晶胞空隙中放入刚性球，则能放入球的最大半径称为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙，一种为四面体空隙\，其半径为r四=0.29r原子;另一种为八面体空隙\，其半径为r八=0.15r原子. ⑥ 配位数： 晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子的数目叫做配位数。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。体心立方晶格的配位数为8. 图1-3 体心立方晶胞中的空隙位置 图1-4 面心立方晶胞 (2) 面心立方晶格(胞) (FCC晶格) 面心立方晶格的晶胞如图1-4所示。金属原子分布在立方体的8个角上和6个面的中心。面中心的原子与该面4个角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(γ-Fe, 912～1394℃)等。 面心立方晶胞的特征是： ① 晶格参数： a=b=c, α=β=γ=90. ② 晶胞原子数： 18×8+12×6=4(个) ③ 原子半径： r原子=24a ④ 致密度： 0.74 (74%) ⑤ 空隙半径(图1-5): 四面体空隙r四=0.225r原子；八面体空隙r八=0.414r原子 ⑥ 配位数： 12 图1-5 面心立方晶胞中的空隙位置 图1-6 密排六方晶胞 (3) 密排六方晶格(胞) (HCP晶格) 密排六方晶格的晶胞中(图1-6), 12个金属原子分布在六方体的12个角上，在上、下底面的中心各分布1个原子，上、下底面之间均匀分布3个原子。 具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。 密排六方晶胞的特征是： ① 晶格参数： 用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,底面上两相邻底边之间的夹角为120. ,两相邻侧面的棱线与底面之间的夹角为90. . ② 晶胞原子数： 16×12+12×2+3=6(个) ③ 原子半径： r原子=12a ④ 致密度： 0.74 (74%) ⑤ 空隙半径： 四面体空隙r四=0.225r原子；八面体空隙r八=0.414r原子 ⑥ 配位数： 12 由以上三种金属晶体结构的特征可知： 面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列紧密程度完全一样，在空间是最紧密排列的两种形式。体心立方晶格中原子排列紧密程度要差些。因此当一种金属(如Fe)从面心立方晶格向体心立方晶格转变时,体积将膨胀。这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。面心立方晶格中的空隙半径比体心立方晶格中的空隙半径要大，表示容纳其他小直径原子的能力要大。如γ-Fe中最多可容纳质量分数为2.11%的碳原子，而α-Fe 中最多只能容纳质量分数为0.02%的碳原子。这在钢的化学热处理(渗碳)过程中有很重要的实际意义。 2. 金属晶体中的晶面和晶向 在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面叫晶面；通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫晶向。晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。 (1) 晶面和晶向的表示方法 ① 立方晶系的晶面表示方法 以图1-7中的晶面ABB′A′为例，晶面指数的标定过程如下： 图1-7 立方晶格中晶面指数的确定 a. 设定一空间坐标系\，原点在欲定晶面外，并使晶面在三条坐标轴上有截距或截距无穷大\. b. 以晶格常数a为长度单位，写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距： 1∞∞ c. 截距取倒数： 100 d. 截距的倒数化为最小整数： 100 e. 将三整数写在圆括号内： (100) 晶面ABB′A′ 的晶面指数即为(100)。同样可得晶面ACC′A′ 和ACD′的晶面指数分别为(110)、(111)。晶面指数的一般标记为(hkl). (hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。晶面的截距可以为负数，在指数上加“-”号，如(111)面(晶面A′BO)。若某个晶面(hkl)的指数都乘以-1，则得到(hkl)晶面，则晶面(hkl)与(hkl)，属于一组平行晶面，如晶面ACD′(111)与晶面A′C′B (111)，这两个晶面一般用一个晶面指数(111)来表示。 在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面，这些晶面组成晶面族，用大括号表示，即{hkl}。如立方晶胞中(111)、(111)、(111)、(111) 同属{111}晶面族\。可用下式表示： {111}=(111)+(111)+(111)+(111) ② 立方晶系的晶向表示方法 以图1-8中的晶向OA为例，说明晶向指数的标定过程。 a. 设定一空间坐标系，原点在欲定晶向的一结点上 b. 写出该晶向上另一结点的空间坐标值： 100 c. 将坐标值按比例化为最小整数： 100 d. 将化好的整数记在方括号内： \ 得到晶向OA的晶向指数为\。同样方法可得晶向OB、OC的晶向指数分别为\、\，晶向指数的一般标记为\. \实际表示一组原子排列相同的平行晶向。晶向指数也可能出现负数。若两组晶向的全部指数数值相同而符号相反，如\与\10\]，则它们相互平行或为同一原子列，但方向相反。若只研究该原子列的原子排列情况，则晶向\与\10\]可用一指数\表示。原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向组成晶向族，用尖括号表示，即〈uvw〉。如： 〈100〉 = \ + \ + \ 在立方晶系中，一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时，则该晶面与该晶向互相垂直，如(111)⊥\\. 图1-8 立方晶格中晶向指数的确定 图1-9 六方晶系的晶面和晶向 (2) 六方晶系的晶面指数和晶向指数 六方晶系采用四指数方法表示晶面和晶向。水平坐标轴选取互相成120. 夹角的三坐标轴a1、a2和a3，垂直轴为c轴(图1-9)。晶面表示为(hkil)，晶面族为{hkil}，晶向表示为\，晶向族为〈uvtw〉. 四指数中的前三个数字之间应符合如下关系：i=-(h+k), t=- (u+v)  h、k、i以及u、v、t等指数的求法与前述立方晶系中的三指数的求法相同（以a为单位）。第四个指数以c为单位。六方晶系的几个主要晶面和晶向的表示如图1-9所示。 (3) 密排面和密排方向 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列密度不一样。表1-2和表1-3给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和排列密度。可见，在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为{110}，称为密排面; 原子密度最大的晶向为〈111〉，称为密排方向。在面心立方晶格中，密排面为{111}，密排方向为〈110〉. 表1-2 体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度 晶面指数体心立方晶格晶面原子 排列示意图晶面原子密度 (原子数/面积)面心立方晶格晶面原子 排列示意图晶面原子密度 (原子数/面积){100}4×14a2=1a24×14+1a2=2a2续表 晶面指数体心立方晶格晶面原子 排列示意图晶面原子密度 (原子数/面积)面心立方晶格晶面原子 排列示意图晶面原子密度 (原子数/面积){110}4×14+12a2=14a24×14+2×122a2=14a2{111}3×1632a2=0.58a23×16+3×1232a2=2.3a2表1-3 体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向指数体心立方晶格晶向原子 排列示意图晶向原子密度 (原子数/长度)面心立方晶格晶向原子 排列示意图晶向原子密度 (原子数/长度)〈100〉2×12a=1a2×12a=1a〈110〉2×122a=0.7a2×12+12a=1.4a〈111〉2×12+13a=1.16a2×123a=0.58a3. 金属晶体的特性 (1) 金属晶体具有确定的熔点 纯金属进行缓慢加热时，达到一定的温度，固态金属会熔化成为液态金属。在熔化过程中，温度保持不变。其熔化温度(T0)称为熔点(图1-10). 图1-10 晶体和非晶体的熔化曲线 而非晶体材料在加热时，由固态转变为液态时，其温度逐渐变化。 (2) 金属晶体具有各向异性 在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的密度不同，它们之间的结合力大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。非晶体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的各向同性。例如单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量在〈111〉方向上为2.90×105MPa，而在〈100〉方向上只有1.35×105MPa. 单晶体铁在磁场中沿〈100〉方向磁化比沿〈111〉方向磁化容易。所以制造变压器用的硅钢片的〈100〉方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。总之，金属晶体的力学、物理和化学等方面的性能在不同的方向上是不一样的。 但是对于实际使用的金属，由于其内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同,使其各向异性显示不出来。 4. 实际金属中的晶体缺陷 以上所讨论的金属的晶体结构是理想的结构，由于许多因素的作用，实际金属不是理想完美的单晶体，结构中存在有许多缺陷。按照几何特征，晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。缺陷对晶体的性能产生重大影响。 (1) 点缺陷 点缺陷是指在三维尺度上都很小的、不超过几个原子直径的缺陷。 ① 空位 在晶体晶格中，若某结点上没有原子，则此结点称为空位(图1-11). ② 间隙原子 位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子(图1-12). 图1-11 空位 图1-12 间隙原子 ③ 异类原子 任何纯金属中都或多或少会存在其他元素原子，这些原子称异类原子。当异类原子与金属原子的半径接近时，则异类原子可能占据晶格的一些结点；当异类原子的半径比金属原子的半径小得多，则异类原子位于晶格的空隙中。 点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。空位的存在有利于金属内部原子的迁移(即扩散). (2) 线缺陷 线缺陷指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，称做位错，由晶体中原子平面的错动引起。有两种不同形式的位错： 刃型位错和螺型位错。 ① 刃型位错 在金属晶体中，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面mnlk。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错(图1-13). 半原子面在上面的称正刃型位错，半原子面在下面的称负刃型位错。 ② 螺型位错 图1-14中晶体右边的上部原子相对于下部的原子向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线缺陷称螺型位错。螺旋线的中心线即是螺型位错的位错线。图1-13 刃型位错 图1-14 螺型位错 位错有下列特点： a. 位错导致晶格畸变，产生内应力。 b. 刃型位错容易吸纳异类原子。 c. 位错具有易动性，在外力作用下，位错能产生移动。 d. 在外力或热的作用下位错移动，正、负刃型位错能够复合而消失。 e. 位错能与间隙原子或空位复合，使刃型位错半原子面扩大或者缩小，称位错攀移。 位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成，位错可以用透射电镜观察到(图1-15)。晶体中的位错密度是指单位体积中位错线的长度： ρ=∑LV 式中： ρ为位错密度(m-2);∑L为位错线总长度(m);V为体积(m3).  退火金属中位错密度一般为106～108cm-2。位错的存在极大地影响金属的力学性能(图1-16)。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度σs很高，当含有一定量的位错时，强度降低。当进行形变加工时，位错密度增加,σs将会增高。 图1-15 不锈钢中的位错线 图1-16 金属的强度与位错密度的关系 (3) 面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界两种。 ① 晶界 实际金属为多晶体(图1-17)，是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体。彼此之间的位向不同，位向差为几十分（角分）、几度或几十度。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。晶界在空中呈网状，晶界上原子的排列规则性较差(图1-18). 图1-17 10Cr17(1Cr17)不锈钢的多 晶体(括号中为旧牌号)图1-18 晶界原子排列的示意图 ② 亚晶界 晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的亚晶粒组成的(图1-19)。晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块). 图1-19 亚晶粒及亚晶界 亚晶粒之间的位向差只有几秒（角秒）、几分，最多达1. ～2. 。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。 晶界、亚晶界对金属中的许多过程的进行具有极为重要的作用： a. 晶界处原子的平均能量比晶内高，晶粒长大和晶界的平直化可以降低晶界的总能量。因此在高温时，晶粒容易长大。 b. 晶界处存在较多的空位、位错，容易吸附异类原子，导致某些元素产生晶界偏聚。 c. 发生相变时，新相往往在母相的晶界处形成。母相晶粒越细，晶界越多，新相晶粒的数目就越多，晶粒也就越细。 d. 晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力就越大，塑性越好。 1.1.2 合金的晶体结构 一种金属元素同另一种或几种其他元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质叫做合金。组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属元素、非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金，例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。合金的强度、硬度、耐磨性等力学性能比纯金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理及化学性能。因此合金的应用比纯金属广泛得多。 在金属或合金中，具有一定化学成分和一定晶体结构的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固相。固态合金中有固溶体和金属化合物两类基本相。 1. 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B)，其中A为溶剂，B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示，亦可表示为Cu(Zn). (1) 固溶体的分类 按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子［图1-20 (a) ］; 图1-20 固溶体示意图 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中［图1-20 (b) ］. 按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量分数或原子分数表示。在一定的温度和压力等条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。若超过这个溶解度有其他相形成，此种固溶体叫有限固溶体。若溶质可以任意比例溶入，即溶质的溶解度可达100%，则此种固溶体叫无限固溶体。 按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分为无序固溶体和有序固溶体两种。溶质原子呈规则分布的为有序固溶体；呈无规则分布的为无序固溶体。在一定条件(如成分、温度等)下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。这种转变叫做有序化。 (2) 固溶体的性能 随着溶质原子的溶入，固溶体晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变会增大位错运动的阻力，使金属的滑移变得困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质质量分数适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性只略有降低。例如，纯铜的σb为220MPa，布氏硬度为40HB，断面收缩率ψ为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后，强度升高到390MPa，布氏硬度升高到70HB，而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合力学性能很好,常常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比，电阻率上升，电导率下降，磁矫顽力增大。 2. 金属化合物 合金组元相互作用形成晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相叫金属化合物，又称中间相。金属化合物一般熔点较高，硬度高，脆性大。合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多合金的重要组成相。根据形成条件及结构特点，金属化合物主要有以下几类。 (1) 正常价化合物 严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。它们由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。例如，大多数金属和IVA族、VA族、VIA族元素生成诸如Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及β-SiC等，都是正常价化合物，特点是硬度高、脆性大。 (2) 电子化合物 不遵守化合价规律但符合一定电子浓度(化合物中价电子数与原子数之比)的化合物叫做电子化合物。一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构，并且还可溶解其组元，形成以电子化合物为基的固溶体。生成这种合金相时，元素的每个原子所贡献的价电子数一定，Au、Ag、Cu为1个，Be、Mg、Zn为2个，Al为3个，Fe、Ni为0个。表1-4给出了Cu-Zn合金和Cu-Al合金中的电子化合物。表1-4 Cu-Zn合金和Cu-Al合金中电子化合物及其结构类型 合金系电 子 浓 度322114β相2113γ相742112ε相晶 体 结 构体心立方晶格复杂立方晶格密排六方晶格Cu-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3Cu-AlCu3AlCu9Al4Cu5Al3 电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性，可以导电。它们的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中为重要的强化相。 (3) 间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物，分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。 ① 间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如面心立方晶格的TiC、VC，体心立方晶格的TiN、ZrN，密排六方晶格的Fe2N、Cr2N、W2C。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度(表1-5)，非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。表1-5 钢中常见碳化物的硬度及熔点 类 型间 隙 相复杂结构的 间隙化合物化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C维氏硬度/HV28502840201020501550173014801650～800熔点/℃30803472±2026503608±5039832785±5252715771227 ② 复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，具有复杂的晶体结构(图1-21)。其中铁原子可以部分地被锰、铬、钼、钨等金属原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等。复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但比间隙相稍低些，在钢中也起强化相作用。 图1-21 间隙化合物的晶体结构 图1-22 四种不同碳质量分数的铁碳合金的室温平衡组织(500×)1.1.3 金属材料的组织 1. 组织的概念 将一小块金属材料用金相砂纸磨光后进行抛光，然后用浸蚀剂浸蚀。在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部微观组成的形貌。材料内部所有的微观组成总称显微组织(简称组织)。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。例如，图1-22(a)为纯铁的室温平衡组织。这种组织叫铁素体，由颗粒状的单相α相(也称铁素体相)组成。 图1-22(c)是碳质量分数为0.77%的铁碳合金的室温平衡组织, 叫珠光体。它是由粗片状的α相和细片状的Fe3C相两相相间所组成。图1-23 球化体 2. 组织的决定因素 金属材料的组织取决于它的化学成分和制造工艺过程。不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样（图1-22) . 金属材料的化学成分一定时，工艺过程则是其组织的最重要的影响因素。碳质量分数为1.2%的铁碳合金经球化退火后，得到的组织为球化体(图1-23)，与室温平衡组织的形态完全不一样。 3. 组织与性能的关系 金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。图1-24为三种不同组织的铸铁。图中(a)的组织为铁素体和片状石墨， (b)的组织为铁素体和团絮状石墨， (c)的组织为铁素体和球状石墨。它们的基体都是铁素体，但石墨的形态不同，使它们的性能相差很大。(a)、(b)、(c)三种铸铁的抗拉强度分别为150MPa、350MPa和420MPa。冲击韧度最高的是铸铁(c)，其次为(b)，最低的是(a). 图1-24 铸铁的组织 综上所述，金属材料的成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。了解它们之间的关系，掌握材料中各种组织的形成及各种因素的影响规律， 对于合理使用金属材料有十分重要的指导意义。 1.2 金属材料的性能特点 金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能；使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学、物理和化学性能。 1.2.1 金属材料的工艺性能 金属材料的一般加工过程如下： 冶炼铸造铸锭热锻、热轧板材、棒材、型材、管材焊接机加工冷轧、冷拔冷冲锻件铸件机加工零件在铸造、锻压、焊接、机加工等加工前后过程中， 一般还要进行不同类型的热处理。 1. 铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析倾向来衡量。 (1) 流动性 熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 (2) 收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。 (3) 偏析倾向 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。 灰铸铁、铸造黄铜铸造性能好，球墨铸铁、铸造铝合金铸造性能尚好，铸钢铸造性能差。 2. 锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性，主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。铜合金和铝合金在室温状态下就有良好的锻造性能。碳钢在加热状态下锻造性能较好。其中低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢较差。合金钢的锻造性能比碳钢差。铸铁不能锻造。 3. 焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。即在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢材中碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳质量分数低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能, 碳质量分数大于0.45%的碳钢和碳质量分数大于0.35%的合金钢的焊接性能较差。碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。铜合金和铝合金的焊接性能都较差。灰铸铁的焊接性很差。 4. 切削加工性能 切削加工性能一般用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。金属材料具有适当的硬度(170～230HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。 1.2.2 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。外力即载荷，有拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等载荷。 1. 强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。根据载荷的不同，可分为抗拉强度(σb)，抗压强度(σbc)、抗弯强度(σbb)、抗剪强度(τb)和抗扭强度(τt)等几种。 抗拉强度通过拉伸试验测定。将一截面为圆形的低碳钢拉伸试样(图1-25)在材料试验机上进行拉伸，测得应力-应变曲线\. 图1-25 拉伸试样 图1-26 低碳钢和铸铁的σ-ε曲线 图中σ为应力,σ=P/A0(MPa); ε为应变,ε=Δll0=l1-l0l0(%). 其中： P为所加载荷； A0为试样原始截面积； l0为试样的原始标距长度； l1为试样变形后的标距长度； Δl为伸长量。 图1-26中明显地表现出下面几个变形阶段： Oe: 弹性变形阶段。试样的变形量与外加载荷成正比，载荷卸掉后，试样恢复到原来的尺寸。 es: 屈服阶段。此时不仅有弹性变形，还发生了塑性变形。即载荷卸掉后，一部分形变恢复，还有一部分形变不能恢复，形变不能恢复的变形称为塑性变形。 sb: 强化阶段。为使试样继续变形，载荷必须不断增加，随着塑性变形增大，材料变形抗力也逐渐增加。 bz: 缩颈阶段。当载荷达到最大值时，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。此时变形所需的载荷逐渐降低。 z点: 试样发生断裂。 金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个： ① 弹性极限σe: 表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。 ② 屈服极限(屈服强度)σs: 表示金属开始发生明显塑性变形的抗力。有些材料(如铸铁)没有明显的屈服现象\，则用条件屈服极限σ0.2（产生0.2%残余应变时的应力值）来表示。 ③ 强度极限(抗拉强度)σb: 表示金属受拉时所能承受的最大应力。 σs、σ0.2及σb是机械零件、构件设计和选材的主要依据。 金属材料的强度与其化学成分和工艺过程，尤其是热处理工艺有密切关系。如对于退火状态的三种铁碳合金，碳质量分数分别为0.2%、0.4%、0.6%，则它们的抗拉强度为350MPa、500MPa、700MPa。碳质量分数为0.4%的铁碳合金淬火和高温回火后，抗拉强度可提高到700～800MPa。合金钢的抗拉强度可达1000～1800MPa。纯金属的抗拉强度较低，如铁为200MPa、铜为60MPa、铝为40MPa。但铜合金和铝合金的抗拉强度明显提高。如铜合金的σb达600～700MPa，铍铜合金经固溶-时效处理后,σb最高为1250MPa. 铝合金的σb一般为400～600MPa. 2002年国家发布了金属材料室温拉伸试验方法的新标准，新、旧标准性能名称和符号对照见附录1。本书采用了新、旧两种国家标准的力学性能表示符号。 2. 塑性 断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性，用断后伸长率和断面收缩率来表示。 (1) 断后伸长率 在拉伸试验中，试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率。用符号δ表示: δ=Δll0=l1-l0l0×100%式中： l1为试样拉断后的标距(mm); l0为试样的原始标距(mm); Δl为伸长量。 同一材料的试样长短不同，测得的断后伸长率略有不同。长试样(l0=10d0, d0为试样原始横截面直径)和短试样(l0=5d0)测得的断后伸长率分别记作δ10(也常写成δ)和δ5. (2) 断面收缩率 试样拉断后，缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率，用符号ψ表示:ψ=ΔSS0=S0-S1S0×100%式中： S1为试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2); S0为试样的原始横断面积(mm2); ΔS为试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm2). 金属材料的断后伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)数值越大，表示材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生大量塑性变形而不破坏，便于通过各种压力加工获得复杂形状的零件。铜、铝、铁的塑性很好。如工业纯铁的δ可达50%,ψ可达80%，可以拉成细丝，轧成薄板，进行深冲成形。铸铁塑性很差,δ和ψ几乎为零，不能进行塑性变形加工。塑性好的材料，在受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。 3. 硬度 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。硬度试验方法很多，也有多种表示方式。 (1) 布氏硬度 用一定直径的硬质合金球（原国家标准也可用钢球）在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径，计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示。 实际测量时，可通过查相应的压痕直径与布氏硬度对照表得到硬度值。 布氏硬度记为200HBW10/1000/30，表示用直径为10mm的硬质合金球，在9800N(1000kgf)的载荷下保持30s时测得布氏硬度值为200。如果硬质合金球直径为10mm，载荷为29400N(3000kgf)，时间保持10s，硬度值为200，可简单表示为200HBW或200HB. 布氏硬度主要用于各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等，也用于调质处理的机械零件。 (2) 洛氏硬度 将金刚石压头或硬质合金球(原国家标准为钢球压头)，在先后施加两个载荷(预载荷P0和总载荷P)的作用下压入金属表面。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和。卸去主载荷P1后，测量其残余压入深度e来计算洛氏硬度值。残余压入深度e越大，表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。如洛氏硬度表示为62HRC，表示用金刚石圆锥压头、总载荷为150kgf测得的洛氏硬度值。 洛氏硬度试验压痕小，直接读数，操作方便，可测低硬度和高硬度材料，应用最广泛。用于试验各种钢铁原材料、有色金属、经淬火后工件、表面热处理工件及硬质合金等。 材料的硬度还可用维氏硬度试验方法和显微硬度试验方法测定。维氏硬度用HV表示。 各种不同方法测得的硬度值之间可通过查表的方法进行互换，如61HRC=82HRA=627HB=803HV30. 硬度HB、HRC、HV等记为斜体时是量的符号，记为正体时是量的单位，余同 铝合金和铜合金的硬度较低，铝合金的硬度一般低于150HB，铜合金的硬度范围大致为70～200HB。退火态的低碳钢、中碳钢、高碳钢的硬度大致为120～180HB、180～250HB、250～350HB。中碳钢淬火后硬度可达50～58HRC，高碳钢淬火后可达60～65HRC. 4. 韧性 许多机械零件和工具在工作中，往往要受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能力称为韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。冲击试样形状和尺寸见图1-27。在冲击试验机上，使处于一定高度的摆锤自由落下，将试样冲断。 图1-27 冲击试样 测得试样冲击吸收能量,用符号Ak表示。用冲击吸收能量除以试样缺口处截面积S0，即得到材料的冲击韧度ak. ak=AkS0式中: ak为冲击韧度(J/m2); Ak为冲击吸收能量(J); S0为试样缺口处截面积(m2). Ak值越大，或ak值越大，则材料的韧性越好。使用不同类型的试样(U形缺口或V形缺口)进行试验时，其冲击吸收能量应分别标为AkU或AkV，冲击韧度则标为akU或akV。韧性与材料组织有密切关系。如碳质量分数为0.45%的铁碳合金，正火后组织为索氏体+铁素体,ak值为500～800kJ/m2，而调质处理后组织为回火索氏体,ak值提高到800～1200kJ/m2。铸铁的冲击韧度很低。 新标准GB/T 229-2007中规定冲击吸收能量用K表示。用字母U和V表示缺口几何形状，用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，例如KV2. 5. 疲劳强度 图1-28 疲劳曲线和对称循环交变应力图 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示\。金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时，试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)。对于对称循环交变应力\疲劳强度用σ-1表示。实际上，金属材料不可能作无限次交变载荷试验。对于黑色金属，一般规定应力循环107周次而不断裂的最大应力称为疲劳极限。有色金属、不锈钢取108周次。 金属的疲劳极限受到很多因素的影响。主要有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构形状、降低零件表面粗糙度以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限。 6. 断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的断后伸长率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件断裂。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。 设有一很大的板件，内有一长为2a的贯通裂纹，受垂直裂纹面的外力拉伸时(图1-29), 按线弹性断裂力学的分析,裂纹尖端的应力场大小可用应力场强度因子KI来描述。KI=Yσa MN·m-3/2式中： Y是与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的量，可查手册得到(本例情况下Y=π); σ为外加名义应力(MPa); a为裂纹的半长(m). 拉伸时，随着外应力σ的增大，应力场强度因子KI不断增大，裂纹前沿的内应力σy也随之增大（图1-30) 。当KI增大到某一临界值时，就能使裂纹前沿某一区域内的内应力σy大到足以使材料分离，导致裂纹扩展，可使试样断裂。裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子，用KIC表示，单位为MN·m-3/2，它就代表了材料的断裂韧性。 图1-29 含中心穿透裂纹的无限大板的拉伸 图1-30 裂纹尖端延长线上的应力σy与x的关系曲线 断裂韧性KIC是材料本身的特性，由材料的成分、组织状态决定，与裂纹的尺寸、形状以及外加应力的大小无关。而应力场强度因子KI则与外应力大小有关，也同裂纹尺寸有关。当KI>KIC时，裂纹失稳扩展，可导致断裂发生。由此可知，当裂纹尺寸2a一定时，外应力σ>KICYa时，裂纹将失稳扩展。而当外应力σ一定时，则裂纹半长a>KICYσ2时，裂纹也将失稳扩展。 常用材料的断裂韧性值见表1-6. 表1-6 常用材料的断裂韧性值 材 料KIC/(MN·m-3/2)材 料KIC/(MN·m-3/2)纯金属（Cu,Ni, Al等)96～340铝合金22～43低碳钢～140尼龙～2.9中碳钢～50Si3N43.7～4.7高碳工具钢～19SiC～2.8铸铁6～19玻璃纤维复合材料19～56钛合金(Ti6Al4V)50～118碳纤维复合材料31～431.2.3 金属材料的理化性能 1. 金属材料的物理性能 (1) 密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度:ρ=mV式中： ρ为物质的密度(kg/m3); m为物质的质量(kg); V为物质的体积(m3). 密度小于5×103kg/m3（即5g/cm3）的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。金属材料的密度直接关系到由它们所制构件和零件的自重。轻金属多用于航天航空器上。 (2) 熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。 (3) 导热性 导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是λ,单位是W/m·K。热导率越大，导热性越好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属散热也好，在制造散热器、热交换器与活塞等零件时，要选用导热性好的金属材料。 (4) 导电性 传导电流的能力称导电性，用电阻率ρ来衡量，电阻率的单位是Ω·m。电阻率越小，金属材料导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁铬铝合金)适于制造电热元件。 (5) 热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨