工程材料的分類及性能

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材料的分類


　　材料的種類繁多，用途廣泛。工程方面使用的材料有機械工程材料、土建工程材料、電工材料、電子材料等。在工程材料領域中，用于機械結構和機械零件并且主要要求機械性能的工程材料，又可分為以下四大類：

金屬材料具有許多優良的使用性能（如機械性能、物理性能、化學性能等）和加工工藝性能（如鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、機械加工性能等）。特別可貴的是，金屬材料可通過不同成分配制，不同工藝方法來改變其內部組織結構，從而改善性能。加之其礦藏豐富，因而在機械制造業中，金屬材料仍然是應用最廣泛、用量最多的材料。在機械設備中約占所用材料的百分之九十以上，其中又以鋼鐵材料占絕大多數。
　　隨著科學技術的發展，非金屬材料也得到迅速的發展。非金屬材料除在某些機械性能上尚不如金屬外，它具有金屬所不具備的許多性能和特點，如耐腐蝕、絕緣、消聲、質輕、加工成型容易、生產率高、成本低等。所以在工業中的應用日益廣泛。作為高分子材料的主體——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、環氧塑料等）已逐漸替代一些金屬零件，應用于機械工業領域中。古老的陶瓷材料也突破了傳統的應用范圍，成為高溫結構材料和功能材料的重要組成部分。
　　金屬材料和非金屬材料在性能上各有其優缺點。近年來，金屬基復合材料、樹脂基復合材料和陶瓷基復合材料的出現，為集中各類材料的優異性能于一體開辟了新的途徑，在機械工程中的應用將日益廣泛。

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材料的性能 一、力學性能　　材料受力后就會產生變形，材料力學性能是指材料在受力時的行為。描述材料變形行為的指標是應力σ和應變ε，σ是單位面積上的作用力，ε是單位長度的變形。描述材料力學性能的主要指標是強度、延性和韌性。其中，強度是使材料破壞的應力大小的度量；延性是材料在破壞前永久應變的數值；而韌性卻是材料在破壞時所吸收的能量的數值。 設計師們對這些力學性能制訂了各種各樣的規范。例如，對一種鋼管，人們要求它有較高的強度，但也希望它有較高的延性，以增加韌性，由于在強度和延性二者之間往往是矛盾的，工程師們要做出最佳設計常常需要在二者中權衡比較。同時，還有各種各樣的方法確定材料的強度和延性。當鋼棒彎曲時就算破壞，還是必須發生斷裂才算破壞？答案當然取決于工程設計的需要。但是這種差別表明至少應有兩種強度判據：一種是開始屈服，另一種是材料所能承受的最大載荷，這說明僅僅描述材料強度的指標至少就有兩個以上。一般來說，描述材料力學性能的指標有以下幾項： 1． 彈性和剛度 　圖1-6是材料的應力—應變圖（σ—ε圖）。 （a） 無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b） 有明顯屈服點的延性材料（例如低碳鋼）；（c） 沒有明顯屈服點的延性材料（例如純鋁）。在圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段，在此階段，如卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復原狀。材料的這種不產生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點對應的應力值稱為彈性極限，記為σe。材料在彈性范圍內，應力與應變成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）稱為彈性模量。E標志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。E值主要取決于各種材料的本性，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對它影響很小。零件提高剛度的方法是增加橫截面積或改變截面形狀。金屬的E值隨溫度的升高而逐漸降低。 2．強度在外力作用下，材料抵抗變形和破壞的能力稱為強度。根據外力的作用方式，有多種強度指標，如抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。當材料承受拉力時，強度性能指標主要是屈服強度和抗拉強度。（1）屈服強度σs 在圖1-6（b）上，當曲線超過A點后，若卸去外加載荷，則試樣會留下不能恢復的殘余變形，這種不能隨載荷去除而消失的殘余變形稱為塑性變形。當曲線達到A點時，曲線出現水平線段，表示外加載荷雖然沒有增加，但試樣的變形量仍自動增大，這種現象稱為屈服。屈服時的應力值稱為屈服強度，記為σS。有的塑性材料沒有明顯的屈服現象發生，如圖1-6（c）所示。對于這種情況，用試樣標距長度產生0.2%塑性變形時的應力值作為該材料的屈服強度，以σ0.2表示。機械零件在使用時，一般不允許發生塑性變形，所以屈服強度是大多數機械零件設計時選材的主要依據也是評定金屬材料承載能力的重要機械性能指標。材料的屈服強度越高，允許的工作應力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以較小。（2）抗拉強度σb 材料發生屈服后，其應力與應變的變化如圖1-1所示，到最高點應力達最大值σb。在這以后，試樣產生“縮頸”，迅速伸長，應力明顯下降，最后斷裂。最大應力值σb稱為抗拉強度或強度極限。它也是零件設計和評定材料時的重要強度指標。σb測量方便，如果單從保證零件不產生斷裂的安全角度考慮，可用作為設計依據，但所取的安全系數應該大一些。屈服強度與抗拉強度的比值σS/σb稱為屈強比。屈強比小，工程構件的可靠性高，說明即使外載或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低。 3．塑性材料在外力作用下，產生永久殘余變形而不被斷裂的能力，稱為塑性。塑性指標也主要是通過拉伸實驗測得的（圖1-6）。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標。（1） 延伸率δ 試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號δ表示，即式中：L0 試樣原始標距長度； L1 試樣拉斷后的標距長度。（2） 斷面收縮率ψ 試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號ψ表示，即式中：F0 試樣原始的橫截面積； F1 試樣拉斷處的橫截面積。延伸率和斷面收縮率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性對材料進行冷塑性變形有重要意義。此外，工件的偶然過載，可因塑性變形而防止突然斷裂；工件的應力集中處，也可因塑性變形使應力松弛，從而使工件不至于過早斷裂。這就是大多數機械零件除要求一定強度指標外，還要求一定塑性指標的道理。材料的δ和ψ值越大，塑性越好。兩者相比，用ψ表示塑性更接近材料的真實應變。 第三節 材料的性能 一、力學性能　　材料受力后就會產生變形，材料力學性能是指材料在受力時的行為。描述材料變形行為的指標是應力σ和應變ε，σ是單位面積上的作用力，ε是單位長度的變形。描述材料力學性能的主要指標是強度、延性和韌性。其中，強度是使材料破壞的應力大小的度量；延性是材料在破壞前永久應變的數值；而韌性卻是材料在破壞時所吸收的能量的數值。 重慶大學精品課程－工程材料 圖1-5 材料力學性能的指標圖 　　設計師們對這些力學性能制訂了各種各樣的規范。例如，對一種鋼管，人們要求它有較高的強度，但也希望它有較高的延性，以增加韌性，由于在強度和延性二者之間往往是矛盾的，工程師們要做出最佳設計常常需要在二者中權衡比較。同時，還有各種各樣的方法確定材料的強度和延性。當鋼棒彎曲時就算破壞，還是必須發生斷裂才算破壞？答案當然取決于工程設計的需要。但是這種差別表明至少應有兩種強度判據：一種是開始屈服，另一種是材料所能承受的最大載荷，這說明僅僅描述材料強度的指標至少就有兩個以上。一般來說，描述材料力學性能的指標有以下幾項： 1． 彈性和剛度 重慶大學精品課程－工程材料 圖1-6 應力-應變圖 　　圖1-6是材料的應力—應變圖（σ—ε圖）。 （a） 無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b） 有明顯屈服點的延性材料（例如低碳鋼）；（c） 沒有明顯屈服點的延性材料（例如純鋁）。在圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段，在此階段，如卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復原狀。材料的這種不產生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點對應的應力值稱為彈性極限，記為σe。材料在彈性范圍內，應力與應變成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）稱為彈性模量。E標志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。E值主要取決于各種材料的本性，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對它影響很小。零件提高剛度的方法是增加橫截面積或改變截面形狀。金屬的E值隨溫度的升高而逐漸降低。 2．強度在外力作用下，材料抵抗變形和破壞的能力稱為強度。根據外力的作用方式，有多種強度指標，如抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。當材料承受拉力時，強度性能指標主要是屈服強度和抗拉強度。（1）屈服強度σs 在圖1-6（b）上，當曲線超過A點后，若卸去外加載荷，則試樣會留下不能恢復的殘余變形，這種不能隨載荷去除而消失的殘余變形稱為塑性變形。當曲線達到A點時，曲線出現水平線段，表示外加載荷雖然沒有增加，但試樣的變形量仍自動增大，這種現象稱為屈服。屈服時的應力值稱為屈服強度，記為σS。有的塑性材料沒有明顯的屈服現象發生，如圖1-6（c）所示。對于這種情況，用試樣標距長度產生0.2%塑性變形時的應力值作為該材料的屈服強度，以σ0.2表示。機械零件在使用時，一般不允許發生塑性變形，所以屈服強度是大多數機械零件設計時選材的主要依據也是評定金屬材料承載能力的重要機械性能指標。材料的屈服強度越高，允許的工作應力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以較小。（2）抗拉強度σb 材料發生屈服后，其應力與應變的變化如圖1-1所示，到最高點應力達最大值σb。在這以后，試樣產生“縮頸”，迅速伸長，應力明顯下降，最后斷裂。最大應力值σb稱為抗拉強度或強度極限。它也是零件設計和評定材料時的重要強度指標。σb測量方便，如果單從保證零件不產生斷裂的安全角度考慮，可用作為設計依據，但所取的安全系數應該大一些。屈服強度與抗拉強度的比值σS/σb稱為屈強比。屈強比小，工程構件的可靠性高，說明即使外載或某些意外因素使金屬變形，也不至于立即斷裂。但屈強比過小，則材料強度的有效利用率太低。 3．塑性材料在外力作用下，產生永久殘余變形而不被斷裂的能力，稱為塑性。塑性指標也主要是通過拉伸實驗測得的（圖1-6）。工程上常用延伸率和斷面收縮率作為材料的塑性指標。（1） 延伸率δ 試樣在拉斷后的相對伸長量稱為延伸率，用符號δ表示，即 b 式中：L0 試樣原始標距長度； L1 試樣拉斷后的標距長度。（2） 斷面收縮率ψ 試樣被拉斷后橫截面積的相對收縮量稱為斷面收縮率，用符號ψ表示，即 式中：F0 試樣原始的橫截面積； F1 試樣拉斷處的橫截面積。延伸率和斷面收縮率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性對材料進行冷塑性變形有重要意義。此外，工件的偶然過載，可因塑性變形而防止突然斷裂；工件的應力集中處，也可因塑性變形使應力松弛，從而使工件不至于過早斷裂。這就是大多數機械零件除要求一定強度指標外，還要求一定塑性指標的道理。材料的δ和ψ值越大，塑性越好。兩者相比，用ψ表示塑性更接近材料的真實應變。

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圖1-7 應力-應變圖

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4．硬度
硬度是材料表面抵抗局部塑性變形、壓痕或劃裂的能力。通常材料的強度越高，硬度也越高。硬度測試應用得最廣的是壓入法，即在一定載荷作用下，用比工件更硬的壓頭緩慢壓入被測工件表面，使材料局部塑性變形而形成壓痕，然后根據壓痕面積大小或壓痕深度來確定硬度值。從這個意義來說，硬度反映材料表面抵抗其它物體壓入的能力。工程上常用的硬度指標有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。
（1）布氏硬度HB
布氏硬度是用一定載荷P，將直徑為D 的球體（淬火鋼球或硬質合金球），壓入被測材料的表面，保持一定時間后卸去載荷，根據壓痕面積F確定硬度大小。其單位面積所受載荷稱為布氏硬度。
由于布氏硬度所用的測試壓頭材料較軟，所以不能測試太硬的材料。當測試壓頭為淬火鋼球時，只能測試硬度小于450HB的材料；當測試壓頭為硬質合金時，可測試硬度小于650HB的材料。對金屬來講，鋼球壓頭只適用于測定退火、正火、調質鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的σb與HB之間，有以下近似經驗關系：
對于低碳鋼：σb≈0.36HB；
對于高碳鋼：σb≈0.34HB；
6 F9 V! y9 b' b" y+ \6 L3 B, ^對于灰鑄鐵：σb≈0.10HB。
0 q. n- c9 v4 y3 r（2）洛氏硬度HR
* `2 H0 K# D( W! D) s6 A! o洛氏硬度是將標準壓頭用規定壓力壓入被測材料表面，根據壓痕深度來確定硬度值。根據壓頭的材料及壓頭所加的負荷不同又可分為HRA、HRB、HRC三種。
; K+ O! L. b1 g$ X' B6 B" w% l+ tHRA適用于測量硬質合金、表面淬火層或滲碳層；
4 T) C) l+ u; Y% y! qHRB適用于測量有色金屬和退火、正火鋼等；
& j* e: f  i+ f! w: y, \( fHRC適用于測量調質鋼、淬火鋼等。
洛氏硬度操作簡便、迅速，應用范圍廣，壓痕小，硬度值可直接從表盤上讀出，所以得到更為廣泛的應用。
（3）維氏硬度HV
  M. m4 g0 P, b- c/ _維氏硬度的實驗原理與布氏硬度相同，不同點是壓頭為金剛石四方角錐體，所加負荷較小（5～120kgf）。它所測定的硬度值比布氏、洛氏精確，壓入深度淺，適于測定經表面處理零件的表面層的硬度，改變負荷可測定從極軟到極硬的各種材料的硬度，但測定過程比較麻煩。
7 K  c$ r+ n' B5．疲勞強度
以上幾項性能指標，都是材料在靜載荷作用下的性能指標。而許多零件和制品，經常受到大小及方向變化的交變載荷，在這種載荷反復作用下，材料常在遠低于其屈服強度的應力下即發生斷裂，這種現象稱為“疲勞”。材料在規定次數（一般鋼鐵材料取107次，有色金屬及其合金取108次）的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應力稱為“疲勞極限”。光滑試樣的彎曲疲勞極限用σ－1表示。一般鋼鐵的σ－1值約為其σb的一半，非金屬材料的疲勞極限一般遠低于金屬。
3 F4 X+ k: W0 O3 I疲勞斷裂的原因一般認為是由于材料表面與內部的缺陷（夾雜、劃痕、尖角等），造成局部應力集中，形成微裂紋。這種微裂紋隨應力循環次數的增加而逐漸擴展，使零件的有效承載面積逐漸減小，以至于最后承受不起所加載荷而突然斷裂。
3 @% V; ~1 O6 n: r通過合理選材，改善材料的結構形狀，避免應力集中，減小材料和零件的缺陷，提高零件表面光潔度，對表面進行強化等，可以提高材料的疲勞抗力。
% h( p* L6 |' P$ f/ F0 `9 h) W: L6．韌性
材料的韌性是斷裂時所需能量的度量。描述材料韌性的指標通常有兩種：
（1）沖擊韌性aK
* ~9 e* v8 i% ~沖擊韌性是在沖擊載荷作用下，抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力。通常用沖擊韌性指標aK來度量。aK是試件在一次沖擊實驗時，單位橫截面積（m2）上所消耗的沖擊功（MJ），其單位為MJ/m2。aK值越大，表示材料的沖擊韌性越好。
, E" p5 _3 u, o9 i1 \- i標準沖擊試樣有兩種，一種是常用的梅氏試樣（試樣缺口為U型）；另一種是夏氏試樣（試樣缺口為V型）。同一條件下同一材料制作的兩種試樣，其梅氏試樣的aK值顯著大于夏氏試樣的aK值，所以兩種試樣的aK值不能互相比較。夏氏試樣必須注明aK（夏）。
' e: k+ \7 l+ g/ k. k7 z實際工作中承受沖擊載荷的機械零件，很少因一次大能量沖擊而遭破壞，絕大多數是因小能量多次沖擊使損傷積累，導致裂紋產生和擴展的結果。所以需采用小能量多沖擊作為衡量這些零件承受沖擊抗力的指標。實踐證明，在小能量多次沖擊下，沖擊抗力主要取決于材料的強度和塑性。
; m# }/ O2 m8 q: N) M（2）斷裂韌性K1
; {  _$ m0 ~: A& T) g1 t8 S% R在實際生產中，有的大型傳動零件、高壓容器、船舶、橋梁等，常在其工作應力遠低于σS的情況下，突然發生低應力脆斷。通過大量研究認為，這種破壞與制件本身存在裂紋和裂紋擴展有關。實際使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如氣孔、夾雜物、機械缺陷等，它們破壞了材料的連續性，實際上成為材料內部的微裂紋。在服役過程中，裂紋擴展的結果，造成零件在較低應力狀態下，即低于材料的屈服強度，而材料本身的塑性和沖擊韌性又不低于傳統的經驗值的情況下，發生低應力脆斷。
材料中存在的微裂紋，在外加應力的作用下，裂紋尖端處存在有較大的應力集中和應力場。斷裂力學分析指出，這一應力場的強弱程度可用應力強度因子K1來描述。K1值的大小與裂紋尺寸（2a）和外加應力（σ）有如下關系：
; [. P) N8 C9 }8 m+ T（MN/m3/2）
+ u+ T7 B8 F# A; M. Q. o' v/ Y式中：Y 與裂紋形狀、加載方式及試樣幾何尺寸有關的系數；
σ 外加應力；
a 裂紋的半長。
由上式可見，隨應力的增大，K1也隨之增大，當K1增大到一定值時，就可使裂紋前端某一區域內的內應力大到足以使裂紋失去穩定而迅速擴展，發生脆斷。這個K1的臨界值稱為臨界應力強度因子或斷裂韌性，用K1C表示。它反映了材料抵抗裂紋擴展和抗脆斷的能力。
' y5 V# _1 W9 Q- }+ V材料的斷裂韌性K1C與裂紋的形狀、大小無關，也和外加應力無關，只決定于材料本身的特性（成分、熱處理條件、加工工藝等），是一個反映材料性能的常數。
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二、物理性能
1． 相對密度
密度ρ是指單位體積材料的質量，它是描述材料性能的重要指標。不同材料的相對密度不同，如鋼為7.8左右；陶瓷的相對密度為2.2～2.5；各種塑料的相對密度更小。材料的相對密度直接關系到產品的質量，對于陶瓷材料來說，相對密度更是決定其性能的關鍵指標之一。
. w! C/ R/ N' j- w抗拉強度與相對密度之比稱為比強度；彈性模量與相對密度之比稱為比彈性模量。這兩者也是考慮某些零件材料性能的重要指標，如飛機和宇宙飛船上使用的結構材料，對比強度的要求特別高。
1 z' T* B6 ]* ~2 s5 _2． 熔點
+ C$ x- o4 q9 K) B" X8 V+ D熔點是指材料的熔化溫度。通常，材料的熔點越高，高溫性能就越好。陶瓷熔點一般都顯著高于金屬及合金的熔點，所以陶瓷材料的高溫性能普遍比金屬材料好。由于玻璃不是晶體，所以沒有固定熔點，而高分子材料一般也不是完全晶體，所以也沒有固定熔點。
3 O4 M' ~* D& D" ]2 _3． 熱容量
在沒有體積變化時，熱容量C是溫度變化1℃時材料熱量的變化。
* Y8 H! V! V1 G6 m! ^+ N材料中各種不同的相變熱是重要的，最典型的相變熱是熔解熱和蒸發熱，它們分別是材料熔化和氣化所需要的熱量。相變時材料內部的原子或分子結構發生了變化，這使材料中的熱容量也發生變化，所以科學家們經常利用測定材料熱容量的變化來分析相變過程。
0 Y) f! l" Z6 d" A0 N$ N/ Z5 ?4． 熱膨脹性
材料的熱膨脹性通常用線膨脹系數αL來表示。它表示每變化1℃時引起的材料相對膨脹量的大小。對于精密儀器或機器的零件，熱膨脹系數是一個非常重要的性能指標；在有兩種以上材料組合成的零件中，常因材料的熱膨脹系數相差過大而導致零件的變形或破壞。
2 u/ M# r4 t( ]- a一般來說，陶瓷的熱膨脹系數最低，金屬次之，高分子材料最高。
9 Y4 ?! y  }& ^3 r9 a" m( h5． 導熱性
$ N! E1 L( [1 U* v! ?- s# y熱量會通過固體發生傳遞，材料的導熱性用導熱系數λ來表示，其單位為W/（m·K）。
* G! p2 M$ ~0 ?! X! b' Y6 v材料導熱性的好壞直接影響著材料的使用性能，如果零件材料的導熱性太差，則零件在加熱或冷卻時，由于表面和內部產生溫差，膨脹不同，就會產生變形或斷裂。一般導熱性好的材料（如銅、鋁等）常用來制造熱交換器等傳熱設備的零部件。
通常，金屬及合金的導熱性遠高于非金屬材料。
6． 磁性
6 b0 F) j. }& y2 E2 I材料在磁場中的性能叫做磁性。磁性材料又分為軟磁性材料和硬磁性材料兩種。軟磁性材料（如電工用純鐵、硅鋼片等）容易被磁化，導磁性能良好，但外加磁場去掉后，磁性基本消失。硬磁性材料（如淬火的鈷鋼、稀土鈷等）在去磁后仍然能保持磁場，磁性也不易消失。許多金屬材料如鐵、鎳、鈷等均具有較高的磁性，而另一些金屬材料如銅、鋁、鉛等則是無磁性的。非金屬材料一般無磁性。
5 B2 ]/ P; ^" z: Q- g磁性不僅與材料自身的性質有關，而且與材料的晶體結構有關。比如鐵，在處于鐵素體狀態時具有較高磁性，而在奧氏體狀態則是無磁性的。
3 t- M8 h) o2 D, s5 C' f7． 導電性
一般用電阻率來表示材料的導電性能，電阻率越低，材料的導電性越好。電阻率的單位用Ω·m表示。
金屬及其合金一般具有良好的導電性，而高分子材料和陶瓷材料一般都是絕緣體，但是有些高分子復合材料卻具有良好的導電性，某些特殊成分的陶瓷材料則是具有一定導電性的半導體。
- l) [: L. M  w1 Q/ x0 K) a  _通常金屬的電阻率隨溫度的升高而增加，而非金屬材料則與此相反。
8． 介電常數
雖然絕緣體不能導電，但它們對電場并不是毫無反應的。表示絕緣材料電性能的物理量稱為介電常數ε，單位是F/m，真空介電常數ε0=8.85×10－12 F/m。
絕緣材料的介電常數ε與真空介電常數ε0之比，稱為該材料的相對介電常數：
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三、 化學性能
0 B1 T( Q+ K- U" t1． 耐腐蝕性
2 p. y/ O! ]; U7 x- z, W$ p耐腐蝕性是指材料抵抗介質侵蝕的能力，材料的耐蝕性常用每年腐蝕深度（滲蝕度）Ka（mm/年）一般非金屬材料的耐腐蝕性比金屬材料高得多。對金屬材料而言，其腐蝕形式主要有兩種，一種是化學腐蝕，另一種是電化學腐蝕。化學腐蝕是金屬直接與周圍介質發生純化學作用，例如鋼的氧化反應。電化學腐蝕是金屬在酸、堿、鹽等電介質溶液中由于原電池的作用而引起的腐蝕。
1 M. T& M+ [: h" W提高材料的耐腐蝕性的方法很多，如均勻化處理、表面處理等都可以提高材料的耐腐蝕性。

% }' E( W" m9 {. {; D2． 高溫抗氧化性
對于象發動機這樣在高溫下工作的設備而言，除了要在高溫下保持基本力學性能外，還要具備抗氧化性能。所謂高溫抗氧化性通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一層連續而致密并與母體結合牢靠的膜，從而阻止進一步氧化的特性。
$ O0 w7 D' M1 {' H3 V: L% ^; x3． 抗老化性能
塑料在長期貯存和使用過程中，由于受到氧、光、熱等因素的綜合作用，分子鏈逐漸產生交聯與裂解，性能逐漸惡化，直至喪失使用價值的現象，稱為老化。有的塑料老化后變硬、變脆、開裂，這是大分子鏈之間產生交聯的結果；有的塑料老化后變軟、變粘，這是大分子鏈斷開，產生“裂解”的結果。高分子材料抵抗老化的能力稱為抗老化性能。
1 K4 q4 i- e' B5 j: C; x3 ]通過改變高聚物的結構，添加防老化劑和表面處理等方法可以提高高分子材料的抗老化性能。
4． 降解性
隨著高分子技術的發展，一次性使用的塑料制品越來越多，但由于這些一次性塑料常常可以幾十年不分解，在給人們帶來了方便的同時也給環境造成了極大的污染。所謂降解性就是指塑料在自然環境下能否迅速分解的能力。
0 _9 ]% j$ R/ Y, L( T最常見的降解方式是碳化。碳化時，聚合物中的側基或氫原子被熱擾動完全扯開，只剩下主鏈的碳原子。現在也常常利用聚合物纖維通過碳化來生成復合材料用的石墨纖維。

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$ @: N; }+ t: S- x四、 工藝性能
材料工藝性能的好壞，直接影響到制造零件的工藝方法和質量以及制造成本。所以，選材時必須充分考慮工藝性能。
1． 鑄造性
鑄造性是指澆注鑄件時，材料能充滿比較復雜的鑄型并獲得優質鑄件的能力。
4 G4 f7 l6 f4 }& P8 u! F對金屬材料而言，鑄造性主要包括流動性、收縮率、偏析傾向等指標。流動性好、收縮率小、偏析傾向小的材料其鑄造性也好。
$ b6 z% H4 y9 p7 g5 I. \8 c2 x對某些工程塑料而言，在其成型工藝方法中，也要求有較好的流動性和小的收縮率。
, S7 j& y2 E* [$ _2． 可鍛性
$ U' M% o7 S6 _可鍛性是指材料是否易于進行壓力加工的性能。可鍛性好壞主要以材料的塑性和變形抗力來衡量。一般來說，鋼的可鍛性較好，而鑄鐵不能進行任何壓力加工。
熱塑性塑料可經過擠壓和壓塑成型。
3． 可焊性
0 v' a' }" c) ^1 W$ g可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保證焊縫質量的性能，一般用焊接處出現各種缺陷的傾向來衡量。低碳鋼具有優良的可焊性，而鑄鐵和鋁合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但與金屬的焊接機制及工藝方法并不相同。
: r. n3 a2 f; \1 p, }4． 切削加工性
' s% j1 ^' k# X8 O% H0 z; T切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。它與材料種類、成分、硬度、韌性、導熱性及內部組織狀態等許多因素有關。有利切削的硬度為HB160～230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨損小，加工表面光潔。金屬和塑料相比，切削工藝有不同的要求。

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工程材料的分類及性能 (4) 材料的變形 各種材料的變形特性可以有很大的不同，一般地說，金屬材料有良好的塑性變形能力，具有較高的強度，因此被制備加工成各種形狀的產品零件；高分子材料在玻璃化溫度Tg以下是脆性的，在Tg以上可以加工成形，但其強度很低；而陶瓷材料則很脆，很難加工成形，雖然陶瓷材料有很高的強度、耐磨性能和抗腐蝕性能，但陶瓷材料的脆性是阻礙其應用的主要原因。各種材料在力學性能上的差別主要取決于結合鍵和晶體或非晶體結構。本章主要討論各種材料的變形特性和行為。 第一節 金屬的塑性變形與再結晶 一、金屬的塑性變形與強化 1．單晶體金屬的塑性變形 工業上使用的金屬材料大多數是多晶體，它們的塑性變形過程比較復雜，為了說明塑性變形的基本規律，有必要先了解單晶體的塑性變形。 將一個表面經過拋光的純鋅單晶體進行拉伸試驗，在試樣的表面上出現了許多互相平行的傾斜線條的痕跡，稱為滑移帶，如圖5-1所示。 重慶大學精品課程－工程材料 圖5-1 鋅單晶體拉伸試驗示意圖（a）變形前試樣 （b）變形后試樣 金屬塑性變形最基本的方式是滑移。所謂滑移，是指晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發生相對滑動位移的現象。滑移變形具有以下特點：（1）滑移在切應力作用下產生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向發生（3）滑移時兩部分晶體的相對位移是原子間距的整數倍 晶體滑移后，在其表面上出現滑移痕跡，通常稱為滑移帶，如圖5-2所示。在電子顯微鏡下觀察還會發現，任何一條滑移帶實際上都是由若干條滑移線組成的。 重慶大學精品課程－工程材料 圖5-2 滑移帶和滑移系的示意圖 （4）滑移的同時伴隨著晶體的轉動 2．滑移的機理 大量的理論和試驗研究的結果證明，滑移是通過位錯在滑移面上的運動來實現的。 重慶大學精品課程－工程材料 圖5-3 晶體中通過位錯運動而造成滑移的示意圖 在圖5-3中圖示了一刃型位錯在切應力τ的作用下在滑移面上的運動過程，即通過一根位錯線從滑移面的一側到另一側的運動造成一個原子間距滑移的過程。從圖5-3可以看出，當一條位錯線掃過滑移面到達金屬表面時，便產生一個原子間距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位錯移出，則會在金屬表面形成一條滑移線。 重慶大學精品課程－工程材料 平面位錯運動 重慶大學精品課程－工程材料 3D位錯運動 3．多晶體金屬的塑性變形 多晶體金屬的塑性變形與單晶體比較并無本質上的區別，即每個晶粒的塑性變形仍然以滑移等方式進行。但由于晶界的存在和每個晶粒中晶格位向不同，故多晶體的塑性變形要比單晶體復雜得多。 4．合金的塑性變形與強化 合金中由于含有合金元素而使其晶格發生了畸變，因而也使它的性能發生顯著變化。根據合金的組織可將其分為單相固溶體和多相混合物兩大類。在這兩種不同情況下，合金元素對塑性變形的影響也不相同。 二、塑性變形對組織和性能的影響 1．塑性變形對金屬顯微組織的影響 當變形量很大時，晶粒將被拉長成纖維狀，晶界變得模糊不清。此時，金屬的性能將會有明顯的各向異性，如縱向的性能明顯優于橫向。塑性變形也會使晶粒內部的亞結構發生變化，使晶粒破碎成亞晶粒。 2．形變織構的產生 當出現織構以后，多晶體金屬就表現出一定程度的各向異性，這對材料的性能和加工工藝有很大的影響。 3．塑性變形對金屬性能的影響 在塑性變形的過程中，隨著金屬內部組織的變化，金屬的性能也將產生變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降，這一現象稱為“加工硬化”或“形變強化”。 4．殘余內應力 內應力分為三類：第一類內應力又叫宏觀內應力，是由于金屬表層與心部變形不一致造成的，所以存在于表層與心部之間；第二類內應力又叫微觀內應力，是由于晶粒之間變形不均勻造成的，所以存在于晶粒與晶粒之間；第三類內應力又叫點陣畸變，是由于晶體缺陷增加引起點陣畸變增大而造成的內應力，所以存在于晶體缺陷中。 重慶大學精品課程－工程材料 晶粒拉長 三、變形金屬在加熱過程中組織和性能的變化 金屬材料在冷變形加工以后，為了消除殘余應力或恢復其某些性能（如提高塑性、韌性，降低硬度等），一般要對金屬材料進行加熱處理。而加工硬化雖然使塑性變形比較均勻，但卻給進一步的冷成形加工（例如深沖）帶來困難，所以常常需要將金屬加熱進行退火處理，以使其性能向塑性變形前的狀態轉化。對冷變形金屬加熱使原子擴散能力增加，金屬將依次發生回復、再結晶和晶粒長大。加熱時的組織與性能變化如圖5-4所示。 重慶大學精品課程－工程材料 圖5-4 變形金屬在不同加熱溫度時晶粒大小和性能的變化示意圖 1．回復 回復是指冷變形金屬加熱時，在光學顯微組織發生改變前（即再結晶晶粒形成前）所產生的某些亞結構和性能的變化過程。 2．再結晶冷變形金屬加熱到一定溫度之后，在原來的變形組織中重新產生了無畸變的新晶粒，而性能也發生了明顯的變化，并恢復到完全軟化狀態，這個過程稱為再結晶。 3．晶粒長大冷變形金屬剛剛結束再結晶時的晶粒是比較細小均勻的等軸晶粒，如果再結晶后不控制其加熱溫度或時間，繼續升溫或保溫，晶粒之間便會相互吞并而長大，這一階段稱為晶粒長大。 4．影響再結晶后晶粒度的因素（1）加熱溫度與保溫時間的影響 再結晶加熱溫度越高，保溫時間越長，金屬的晶粒越大，其中加熱溫度的影響尤為顯著，如圖5-5所示。這是由于加熱溫度升高，原子擴散能力和晶界遷移能力增強，有利于晶粒長大。 重慶大學精品課程－工程材料 圖5-5 加熱溫度對晶粒度的影響圖5-6 預先變形程度對晶粒度的影響 （2）預先變形程度的影響 預先變形程度對再結晶晶粒度的影響如圖5-6所示。預先變形程度的影響，實質上是變形均勻程度的影響。當變形程度很小時，由于金屬的畸變能也很小，不足以引起再結晶，因而晶粒仍保持原來的形狀。 四、金屬的熱加工 1．熱加工與冷加工的區別 從金屬學的角度來看，所謂熱加工是指在再結晶溫度以上的加工過程；在再結晶溫度以下的加工過程稱為冷加工。 2．熱加工對金屬組織和性能的影響 熱加工雖然不能引起加工硬化，但它能使金屬的組織和性能發生顯著的變化。（1）改善鑄錠組織 （2）熱加工流線 由一條條熱加工中的流線溝劃出來的組織，叫做纖維組織。在制定熱加工工藝時，應盡量使流線與工件所受的最大拉應力方向一致，而與外剪切應力或沖擊應力的方向垂直。圖5-7（a）所示曲軸鍛坯流線分布合理，而圖5-7（b）中曲軸是由鍛鋼切削加工而成，其流線分布不合理，在軸肩處容易斷裂。 重慶大學精品課程－工程材料 圖5-7 曲軸中的流線分布（a）鍛造變形； （b）切削加工 （3）帶狀組織 復相合金中的各個相，在熱加工時沿著變形方向交替地呈帶狀分布，這種組織稱為帶狀組織。圖5-8是低碳鋼中的帶狀組織。 帶狀組織不僅降低金屬的強度，而且還降低塑性和沖擊韌性，對性能極為不利。輕微的帶狀組織可以通過正火來消除。重慶大學精品課程－工程材料 圖5-8 低碳鋼中的帶狀組織

天地之間

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cnshs

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Kuhn

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無晨

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