第一章材料的结合方式及性能
工程材料第二版习题解答
第一章材料的结构与性能一、材料的性能（一）名词解释弹性变形：去掉外力后，变形立即恢复的变形为弹性变形。
塑性变形：当外力去除后不能够恢复的变形称为塑性变形。
冲击韧性：材料抵抗冲击载荷而不变形的能力称为冲击韧性。
疲劳强度：当应力低于一定值时，式样可经受无限次周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度。
σ为抗拉强度，材料发生应变后，应力应变曲线中应力达到的最大值。
bσ为屈服强度，材料发生塑性变形时的应力值。
sδ为塑性变形的伸长率，是材料塑性变形的指标之一。
HB：布氏硬度HRC：洛氏硬度，压头为120°金刚石圆锥体。
（二）填空题1 屈服强度、抗拉强度、疲劳强度2 伸长率和断面收缩率，断面收缩率3 摆锤式一次冲击试验和小能量多次冲击试验， U型缺口试样和V型缺口试样4 洛氏硬度，布氏硬度，维氏硬度。
5 铸造、锻造、切削加工、焊接、热处理性能。
（三）选择题1 b2 c3 b4 d f a （四）是非题 1 对 2 对 3错 4错（五）综合题 1 最大载荷为2805.021038.5πσ⨯=F b断面收缩率%10010810010⨯-=-=A A A ϕ 2 此题缺条件，应给出弹性模量为20500MP,并且在弹性变形范围内。
利用虎克定律 320℃时的电阻率为13.0130℃时的电阻率为18.01二、材料的结合方式 （一）名词解释结合键：组成物质的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力称为结合键，主要有共价键、离子键、金属键、分子键。
晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
非晶体：是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。
近程有序：在很小的范围内(一般为几个原子间距)存在着有序性。
（二）填空题1 四，共价键、离子键、金属键、分子键。
2 共价键和分子键，共价键，分子键。
3 强。
4 强。
（三）选择题1 a2 b3 a（四）是非题1 错2 错3 对4 错（五）综合题1晶体的主要特点：○1结构有序；○2物理性质表现为各向异性；○3有固定的熔点；○4在一定条件下有规则的几何外形。
《材料科学基础》复习大纲(08级)
《材料科学基础》总结及重点第一章 材料的结构与键合1、金属键、离子键、共价键、分子键（范德华力）、氢键的特点，并解释材料的一些性能特点。
2、原子间的结合键对材料性能的影响。
用金属键的特征解释金属材料的性能—①良好的延展性；②良好的导电、导热性；③具有金属光泽。
3、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料在结合键上的差别。
本章重要知识点： 1. 金属键、离子键、共价键、分子键、氢键的特点。
第二章 固体结构1、晶体与非晶体（在原子排列上的区别）2、空间点阵、晶格、晶胞及选取晶胞的的原则、七大晶系及各自的特点，布拉菲点阵（14种） 、晶格常数、晶胞原子数。
3、晶面指数、晶面族、晶向指数、晶向族、晶带和晶带定理、晶面间距、配位数、致密度、八面体间隙、四面体间隙。
各向同性与各向异性、实际晶体的伪各向异性、同素异构转变（重结晶、多晶型性转变） 。
（1）指数相同的晶向.和晶面必然垂直。
如[111]⊥（111）（2）当一晶向[uvw]位于或平行某一晶面（hkl ）时，则必然满足晶带定理：h ·w+k ·v+l ·w =04、能绘出三维的体心、面心立方和密排六方晶胞，根据原子半径计算出金属的体心和面心立方晶胞的晶胞常数。
三种典型晶体结构的特征（包括：晶胞形状、晶格常数、晶胞原子数、原子半径、配位数、致密度、各类间隙尺寸与个数，最密排面（滑移面）和最密排方向的指数与个数，滑移系数目等）；即：bcc 、fcc 、hcp 的晶格特征及变形能力（结合塑性变形一章的内容你必须知道常用金属材料的滑移面与滑移系的指数）。
给画出晶胞指出滑移面和滑移方向。
能标注和会求上述三种晶胞的晶向和晶面指数。
晶向和晶面指数的一些规律。
求晶面间距d （hkl ）、晶面夹角。
5、晶面间距：d （hkl ） 的求法：（1）立方晶系：222)(l k h ad hkl ++= （2）正交晶系：222)(1⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=c l b k a h d hkl （3）六方晶系：2222)()(341⎪⎭⎫ ⎝⎛+++=c l a k hk h d hkl （4）四方晶系：2222)()/(/)(1c l a k h d hkl ++=以上公式仅适用于简单晶胞，复杂晶胞要考虑其晶面层数的增加。
第一章2金属材料的性能特点
四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度 和刀具寿命来表示。
切削加工
金属材料具有适当的硬度(170 HBS～230 HBS) 和足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当 的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢 的切削加工性能。 铜有良好的切削加工性能。
五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, 即钢接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透 性比较好, 碳钢的淬透性较差。
断后伸长率
A
A
11.3
δ5 δ10
ψ
%
%
断面收缩率
Z
三、硬度 硬度：材料抵抗另一硬物体压入其内的能力。 即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。 1、布氏硬度 一定直径的硬质合金球（或钢球）在一定载 荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, 计算硬 度值。 用钢球压头时硬度 用HBS表示 用硬质合金球时硬 度用HBW表示
布氏硬度计
布氏硬度计的使用
2、洛氏硬度 采用金刚石压头(或硬质合金球压头)， 加预载荷F0 ，压入深度h0 。再加主载荷F1 。 卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h。 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。 根据压头的种类和 总载荷的大小洛氏硬度常 用表示方式有: HRA、HRB、HRC
金属材料的强度与其化学成分和工艺有 密切关系。 纯金属的抗拉强度较低； 合金的抗拉强度较高。 纯铜抗拉强度： 60MPa 铜合金抗拉强度：600MPa～700MPa 纯铝抗拉强度： 40MPa 铝合金抗拉强度：400MPa～600MPa
退火状态的三种铁碳合金： 碳质量分数0.2%，抗拉强度为350MPa 碳质量分数0.4%，抗拉强度为500MPa 碳质量分数0.6%，抗拉强度为700MPa
第一章 材料的结构
3金属键与金属晶体 金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力 而使诸原子结合到一起的方式。 原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性； 金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。 4分子键与分子晶体 原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。 分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。 工程材料的键性
3.晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice）P5
布拉菲点阵
简单三斜 简单单斜 底心单斜 简单正交 底心正交 体心正交 面心正交
晶系
三斜
布拉菲点阵
简单六方
晶系
六方
单斜
简单菱方
简单四方 体心四方
菱方
四方
正交
简单立方 体心立方 面心立方
立方
面心四方和体心四方的关系
第一章 材料的结构
气态（gas state）
物质 (substance）
液态（liquid state）
晶体（crystal） 固态（solid state） 非晶体（amorphous solid）
晶体学基础知识 金属的晶体结构
1.1材料的结合方式
化学键——组成物质的质点（原子、分子或离子）之间的相 互作用力 1 共价键与原子晶体： 原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性； 原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导 电性差。如高分子材料。 2 离子键与离子晶体 原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性； 离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷
3）密排六方结构：点阵常数为a和c， ①当 c / a 1.633 ，则 R
1 a 2
第1章 材料结构的基本知识
一、离子键
1、定义
由于正、负离子间的库仑引力而形成。
氯化钠是典型的离子键 结合，钠原子将其3s态电 子转移至氯原子的3d态上， 这样两者都达到稳定的电 子结构，正的钠离子与负 的氯离子相互吸引，稳定 地结合在一起(图1-4)
当IA、IIA族金属和ⅦA、ⅥA族的非金 属原子结合时，金属原子的外层电子很可 能转移至非金属原子外壳层上、使两者都 得到稳定的电子结构，从而降低了体系的 能量； 此时金属原子和非金属原子分别形成正 离子与负离子，正、负离子间相互吸引， 使原子结合在一起，这就是离子键。
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2、特点
1）正负离子相间排列，正负电 荷数相等；
2）键能最高，结合力很大； 3）性能： 硬度高、强度大； 热膨胀系数小，在常温下的 导电性很差；
脆性较大。
3、典型材料：陶瓷材料。
二、共价键
图1-3 原子间结合力
根据物理学，力(F)和能量(E)之间的转 换关系：
dE F dx
E Fdx
0
x
在作用力等于零的平衡距离下能量应该
达到最低值，表明在该距离下体系处于稳
定状态。
当两个原子无限远时， 原子间不发生作用，作用 能可视为零。 当距离在吸引力作用下 靠近时，体系的位能逐渐 下降，到达平衡距离时， 位能最低； 当原子距离进一步接近， 就必须克服反向排斥力， 使作用能重新升高。 平衡距离下的作用能定 义为原子的结合能E0。
2、性能
它没有饱和性和方向性；
良好的导电性、导热性、正的
电阻温度系数；
具有良好的塑性。
3、典型材料：各种金属。
四、范德瓦尔键
《工程材料》第一章第二节 材料的结合方式及工程材料键性
要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。
下晶体和非晶体iO2的结构
非晶态
第二节 材料的结合方式 及工程材料键性
一 、结合键
● ●
原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。 一般可把结合键分为
离子键、共价健、金属键和分子键四种。
1. 离子键 正离子和负离子由静电引力相互吸引；同时当它们 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。NaCl、CaO、Al2O3等由离子键组成。
2. 共价键
由共用价电子对产生的结合键叫共价键。最具有代 表性的共价晶体为金刚石。属于共价晶体的还有 SiC、Si3N4、BN等化合物。
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、沸点高和挥发性低。
3. 金属键
正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使
全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。
二、工程材料的键性
1. 金属材料
工程应用的金属材料，原子间的结
合键基本上为金属键，皆为金属晶 体材料。
2. 陶瓷材料
存在有一定成分的共价键，但离子
键是主要的。
3. 高分子材料
大分子内的原子之间由很强的共价 键结合，而大分子与大分子之间的结 合力为较弱的范特瓦尔斯力。
三、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件
金属键无所谓饱和性和方向性。
金属键的特性
1. 良好的导电性和导热性。 2. 正的电阻温度系数。
绝大多数金属具有超导性，即 在温度接近于绝对零度时电阻 突然下降，趋近于零。
3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
工程材料及机械制造基础习题及答案.
第一章材料的种类与性能1．强度：强度是指在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
2．屈服强度：材料在外力作用下开始发生塑性变形的最低应力值。
3．弹性极限：产生的变形是可以恢复的变形的点对应的弹性变形阶段最大应力称为弹性极限。
4．弹性模量：材料在弹性变形范围内的应力与应变的比值称为弹性模量。
5．抗拉强度：抗拉强度是试样拉断前所能承受的最大应力值。
6．塑性：断裂前材料产生的塑性变形的能力称为塑性。
7．硬度：硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。
8．冲击韧度：冲击韧度是材料抵抗冲击载荷的能力。
9．断裂韧度：断裂韧度是材料抵抗裂纹扩展的能力。
10．疲劳强度：疲劳强度是用来表征材料抵抗疲劳的能力。
11．黏着磨损：黏着磨损又称咬合磨损，其实质是接触面在接触压力作用下局部发生黏着，在相对运动时黏着处又分离，使接触面上有小颗粒被拉拽出来，反复进行造成黏着磨损。
12．磨粒磨损：磨粒磨损是当摩擦副一方的硬度比另一方大的多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子是所产生的磨损。
13．腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于外界环境引起金属表面的腐蚀物剥落，与金属表面之间的机械磨损相结合而出现的磨损。
14．功能材料：是具有某种特殊的物理性能，化学性能，生物性能以及某些功能之间可以相互转化的材料。
15．使用性能：是指在正常使用条件下能保证安全可靠工作所必备的性能，包括材料的力学性能，物理性能，化学性能等。
16．工艺性能：是指材料的可加工性，包括可锻性，铸造性能，焊接性，热处理性能及切削加工性。
17．交变载荷：大小，方向随时间呈周期性变化的载荷作用。
18．疲劳：是机械零件在循环或交变载荷作用下，经过较长时间的工作而发生断裂的现象。
20．蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。
21．脆断：在拉应力状态下没有出现塑性变形而突然发生脆性断裂的现象。
22．应力松弛：是指承受弹性应变的零件在工作过程中总变形量保持不变，但随时间的延长，工作应力自行逐渐衰减的现象。
(完整版)材料科学基础笔记
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1原子结构2原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14 种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。
2晶胞图1－6 （1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c 及其夹角α,β,γ 表示。
第一章材料的内部结构
3.固溶体的结构
固溶体的最大特点是保持溶剂的晶格类型不变，但 与纯溶剂组元相比，结构已发生了很大的变化，主要表现为： ⑴ 晶格畸变
⑵ 溶质原子偏聚与短程有序
⑶ 溶质原子长程有序
某些具有短程有序的 固溶体，当其成分接近一 定原子比（如1:1）时， 可在低于某一临界温度时 转变为长程有序结构。这 样的固溶体称为有序固溶 体。对CuAu有序固溶体, 铜原子和金原子按层排列 于（001）晶面上。由于 铜原子比金原子小，故使 原来的面心立方晶格畸变 为正方晶格。
⑵ 间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于 0.59时，将形成另一种化合物，其中非金属原子也 位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。 特点是晶体结构复杂，例如铁碳合金中的渗碳体 Fe3C，具有复杂的正交晶格，其晶胞中含有12个 铁原子和4个碳原子。间隙化合物也具有很高的 熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相 之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬 度以及化学稳定性都要低一些。 间隙相、间隙化合物和间隙固溶体的区别？
3.配位数 指晶格中任一原子最邻近、等距离的原子数。 晶体中原子配位数愈大，晶体中的原子排列愈紧密。 体心立方晶体结构的原子配位数为8。面心立方和 密排六方晶体结构原子配位数均为12。
4.致密度K 指晶胞中所含全部原子的体积总和与该晶胞体积 之比： K = nv / V
式中， n --晶胞中的原子数；v ——单个原子的体 积；V ——晶胞体积。
1.4.2中间相
如果溶质含量超过它在溶剂中的溶解度时，便 可能形成新相，称为中间相。中间相可以是化合 物，也可以是以化合物为基的固溶体。主要特点 是它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通 常包括金属键。因此中间相具有一定的金属特性， 又称为金属间化合物。性能是有较高的熔点、高 的硬度和脆性，通常作为合金的强化相。此外还 发现有些金属间化合物具有特殊的物理化学性能， 可用作新一代的功能材料或者耐热材料。金属间 化合物种类很多，主要介绍三种。
材料结构与性能
1913年 玻尔模型电子不是随意占据在原子核的周围，而 是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个 层面时，原子便吸收或释放能量。
为了解释氢原子线状光谱这一事实，玻尔在行星模型 的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。
第一章 材料的原子和电子结构
玻尔原子结构模型的基本观点是： ①原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（orbit)
第一章 材料的原子和电子结构
变化规律：（1）同周期：从左到右，χ渐增大。 （2）同族：主族：从上到下， χ渐减小； 副族：从上到下：IIIB-VB，χ渐减小；
IB-IIB，χ变大。
说明：①鲍林电负性值是一个相对值，本身没有单位。 ②由于定义及计算方法不同，又有几套电负性数据，所以 使用时要用同一套数值来比较。 ③如何定义电负性至今仍有争论。
f区：内过渡元素，由于电子增加在(n－2)f轨道， 半径减小的幅度比d区更小，从La到Lu共经过15种 元素，原子半径仅收缩了12pm左右，La系收缩影响 很大，使La后第六周期元素与上周期同族元素半径 接近
第一章 材料的原子和电子结构
（2）族 主族：从上到下，r显著增大 副族（d区、f区）：除Sc副族外从上到下一般略 增大，第五、六周期元素半径接近 r对性质的影响：r越大，越易失电子；r越小， 越易吸电子。（难失电子不一定易得电子，如稀有 气体）
第一章 材料的原子和电子结构
1897年 汤姆生模型 原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面， 原子好似一块“蛋糕”
葡萄干蛋糕模型由汤姆生提出，是第一个存在着亚原子结构的原 子模型。
汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干蛋糕模型，汤姆 生认为： ①电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电 荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。 ②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。 汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认 了葡萄干面包式模型的正确性。
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的才能。
材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前，消费中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。
因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。
2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才能。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。
第一章工程材料的分类与性能指标
高分子材料制品
陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧)的 化合物。
陶瓷材料属于无机非金属材料
由于大部分无机非金属材料含有 硅和其它元素的化合物，所以又 叫做硅酸盐材料。 它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻 璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和 陶瓷等三类。
对工程师来说，陶瓷包括种类繁 多的物质，例如玻璃、砖、石头、 混凝土、磨料、搪瓷、介电绝缘 材料、非金属磁性材料、高温耐 火材料和许多其它材料。
这就解释了为什么当橡胶暴露在阳光和空气 中时会逐渐地硬化；为什么铝不能用在超音速飞 机中；为什么金属在周期性载荷的作用下会产生 疲劳；为什么普通钢的钻头不能象高速钢钻头那 样飞快地切削；为什么磁体在射频场中会失去它 的磁性；又为什么半导体在核辐射下会损坏。这 类例子是数不清的。
在材料的选用中，不仅要考虑初始要求，而 且要考虑那些将使材料内部结构发生变化，从而 也导致材料性能发生变化的使用条件。
因此，金属材料特别是钢铁材料仍然是机械制造业 使用最广泛的材料。
随着科学技术的进步，非金属材料也得到了迅速的 发展。
非金属材料具有一些金属所不具备的许多性能和特 点。
如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生 产率高、成本低等。
所以非金属材料在工业中的应用日益广泛。 比如高分子材料常常取代金属材料用作化工管道、
因此，要减少零件的弹性变形，提高其 刚度，只能通过合理设计零件的截面形状、 尺寸，并提高其结构刚度来解决。
刚度：
绝大多数机器零件在工作时基本上都是 处于弹性变形阶段，即均会发生一定量的弹 性变形。但若弹性变形量过大，则工件也不 能正常工作，由此引出了材料对弹性变形的 抵抗能力——刚度（或刚性）指标
补充篇 工程材料的分类与性能
0804第一章材料的结构及性能(三)金属学及热处理
钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:
σ-1 = (0.45—0.55)σb
金属疲劳极限的影响因素：工作条件、表面状态、 材质、残余内应力等。
§1.2.2 金属材料的机械性能
六、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，发生这种断裂时，其断裂应力低于材 料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸 率、韧性和屈服强度安全系数，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，导致构件破断。
改变钢的化学成分（加入少量、P等） 和进行适当热处理可提高其切削加工性能。
教材31页表1-8 列出几种金属材料的切
§1.2.1 金属材料的工艺性能
五、热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬
透性， 即钢接受淬火时形成马氏体的 能力。
含、、等合金元素的合金钢淬透性比 较好，碳钢的淬透性较差。
铝合金的热处理要求较严，它进行固 溶处理时加热温度离熔点很近。
2、断面收缩率（ψ） 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。
式中：S1－ 试 样S 拉S 断0 后颈S 缩0 处S 1 最小S 截0 面1 积(2% )0 ， S0 0
－试样原始横截面积(2)， △S－试样颈缩处截面积的最大缩减量(2) 金属材料的δ和ψ越大，则其塑性越好，越易塑性
金刚石 圆锥
1470
黑线
20－67
淬火钢、调制 钢等
(3)维氏硬度 ()
适用范围: ➢ 测量薄板类 ; ➢≈;
§1.2.2 金属材料的机械性能
显微硬度一般为维氏硬度。 各种不同方法测得的硬度值之间可通过查表得 方法进行互换。 例如：61＝82＝627＝80330
工程材料 第一章 材料的性能及应用意义
HR = (0.2 - △h) / 0.002 (mm)，
其中 △h = h1 - h0
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
洛氏硬度计
一、力学性能
3. 维氏硬度（HV） GB4342 -1984
（1）金刚石正四棱锥压头，精确 操作复杂，适用于科学研究。 （2）压力可选5～120Kg间的特定 值，适用各种硬度值的测量。 （3）压痕小，可测表面硬化层。
冲击吸收功AK
1 2
3
TK
温度T
三种不同冷脆倾向的材料
1—面心立方晶格的金属 2—中、低强度体心立方晶格的金属 3—高强度材料
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
冲击吸收功的测定
一、力学性能
不同材料的冲击抗力:
§1.2 材料的使用性能
冲击能量A
A'
A" N'
K 1
2
N"
冲击破断次数 lgN
1—高强度低韧性材料 2—低强度高韧性材料
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
（六）韧性——材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能 力，它是材料强度和塑性的综合表现。
韧性不足可用脆性来表达。 韧性高低决定是韧性断裂，还是脆性断裂。
一、力学性能
§1.2 材料的使用性能
1. 冲击韧度 Ak ——材料抵抗冲击载荷的能力
二、物理性能
§1.2 材料的使用性能
（一）密度 （二）热学性能：熔点、热容、热膨胀、热传导等。 （三）电学性能：电阻率、电阻温度系数、介电性。 （四）磁学性能：磁导率、饱和磁化强度和磁矫顽力。
材料的结构与性能(共64张PPT)
是金属，也可是金属与非金
属。
组成合金的元素相互作用可 形成不同的相。
Al-Cu两相合金
单相
合金
两相 合金
⑴ 固溶体
固溶体。习惯以、、表示。
溶剂
溶质
固溶体是合金的重要组成相，实际合 金多是单相固溶体合金或以固溶体 为基的合金。
按溶质原子所处位置分为置换固溶体 和间隙固溶体。
Cu-Ni置换固溶体 Fe-C间隙固溶体
2)确定晶面指数的步骤如下：
由结点形成的空间点的阵列称空间点阵
〔1〕设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶 但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性那么要高得多。
分为刃型位错和螺型位错。
胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，以晶格常 溶质原子在固溶体中的极限浓度。
⑸ 原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。
② 线缺陷—晶体中的位错
位错：晶格中一局部晶体相对于 另一局部晶体发生局部滑移，滑 移面上滑移区与未
位错。分为刃型位错和螺型位错。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃位错的形成
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个 原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面 的边缘就是刃型位错。
空位
间隙原子 置换原子
a. 空位： b. 间隙原子：
可以是基 体金属原子，也可以是 外来原子。
体心立方的四面体和八面体间隙
c. 置换原子：
点缺陷破坏了原子的平衡状态，
使晶格发生扭曲，称晶 格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
大置换原子
小置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸变
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第一章
晶体: 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。
具有固定的熔点。
长程有序: 规则排列的距离大大超过原子尺度，可贯穿晶体的整个体积.
短程有序: 在几个原子尺度的小范围内作有规则的排列.
研究表明，晶体和非晶体在一定的条件下可以互相转化。
二、原子间的结合能
吸引作用与排斥作用。
库仑引力
电子云
势能具有最低值E。
即原子间的结合能
三、原子结合键的类型
结合键：在晶体中,使原子稳定结合在一起的力及其结合方式。
结合能：晶体结合键的强弱。
1、金属键：通过正离子与电子之间的相互吸引，使所有的离子结合在一起。
这种结
合方式就是金属键。
金属键具有：
良好的导电性。
良好的导热性。
良好的塑性
2、共价键：由共有价电子形成的结合键。
陶瓷材料，硬而脆。
3、离子键：有正负离子相吸引产生的结合键。
4、范德瓦尔键：瞬时偶极之间的吸引力
一、力学性能
力学性能：金属及其合金在外力作用下所表现出来的特性。
外力：拉、压、弯、扭、剪；大小、方向、作用点
1、拉伸试验及曲线
１、一个概念：
物体受力就变形２、二种变形
（１）弹性变形：在外力作用下，产生变形，外力去掉，变形消失。
（２）塑性变形：在外力作用下，产生变形，外力去掉，变形残留。
３、三个阶段
（１）弹性变形阶段ｏｅ
（２）塑形变形阶段ｅｋ
（３）断裂阶段（局部塑形变形）ｂｋ
塑性变形前必有弹性变形发生，塑性变形的同时，必伴随有弹性变形。
2、几种常见的机械性能指标（１）强度：金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。
ζp比例极限
ζe弹性极限
ζs屈服强度(极限)
ζ0.2
ζb(强度极限) 抗拉强度＝Fb／S o
钢:383~2607 Mpa
（２）硬度：金属材料抵抗硬的物体压入其表面的能力。
ＨＢ
A:布氏硬度淬火钢球HBS 硬质合金钢球HBW
120HBS10／1000／30 500HBW5／750
B：洛氏硬度120°金刚石圆锥体1.588mm淬火钢球
HRC HRA HRB
维氏硬度HV
肖氏硬度HS
莫氏硬度十级十五级
（３）刚度：金属材料在外力作用下，抵抗产生弹性变形的能力。
Ｅ（弹性模量）＝ζ／εMPa
Fe 214000 Mpa
Cl 72000 Mpa
机件刚度滞刚度
（4）塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。
延伸率δ
＝（L1－L0）／L0×100％
断面收缩率ψ
＝（S0－S1）／S0×100％
δ10δ5
（５）冲击韧性：抵抗冲击载荷而不破裂的能力。
ακ＝Ακ／F
冷脆转变。