材料科学与工程基础(中文翻译要义版)

材料科学与工程基础

FundamentalsofMaterialsScienceandEngineering

Chapterone弓|言

LearningObjectives

1.列出决定材料应用的六种不同性能

Mechanicalproperties力学性能Electricalproperties电性能Thermalbehavior

热性能Magneticproperties磁性能Opticalproperties光性能Deteriorative

characteristics老化特性

2.说明涉及材料设计，生产和利用的四个因素，并简要说明它们之间的相互关系

Processing加工过程一〉Structure组织结构一〉Properties性能(性质)一〉

Performance使用性能

结构依赖于加工。性质决定使用性能。因此它们之间关系是线性的。

3.举出在材料的甄选过程三个标准

A考虑材料的使用条件B考虑材料使用过程的老化C优先考虑材料的经济性

4.(a)列出三类主要的固体材料，并说明它们化学特点

metal金属具特有光泽而不透明(对可见光强烈反射的结果)，富有展性、延性

及导热性、导电性的这一类物质。

ceramic陶瓷各种无机非金属固体材料

polymer聚合物由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具

有重复结构单元的有机化合物。

(b)写出其他三种材料，并说明它们特点

Composites复合材料是以一种材料为基体(Matrix),另一种材料为增强体

(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同

效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材

料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及

其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主

要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、

金属丝和硬质细粒等。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特

点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强

度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自

润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。

Semiconductors半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导

体。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电

子材料，其电导率在10(U-3)〜10(U-9)欧姆/厘米范围内。半导体材料的

电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入

少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制

造出功能多样的半导体器件。

Biomaterials生物材料生物材料是指以医疗为目的，用于和机体组织接触，以形

成功能的无生命的材料。生物材料的种类很多。一般可分为天然材料和人工材

料两大类。人工材料又可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料以

及它们的复合材料

Chaptertwo原子结构及原子间作用力

LearningObjectives

1.了解所学的两种原子模型，并能区别其不同。

玻尔模型1913年,年轻的丹麦物理学家玻尔在总结当时最新的物理学发现

(普朗克黑体辐射和量子概念、爱因斯坦光子论、卢瑟福原子带核模型等)的

基础上建立了氢原子核外电子运动模型，提出了原子结构理论上的三点假设(1)

任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动；(2)电

子轨离核越远，原子所含的能量越高，电子尽可能处在离核最近的轨道上；(3)

只有电子从较高能级跃迁到较低能级时，原子才会以光子形式释放能量。玻而

尔理论解释了原子发光现象但无法解释精细结构和多原子、分子或固体的光谱,

存在局限性。

量子力学模型量子力学是建立在微观世界的量子性和微粒运动统计性基

本特征上，在量子力学处理氢原子核外电子的理论模型中，最基本的方程叫做

薛定谓方程，是由奥地利科学家薛定娉(E.Schrodinger1887-1961)在1926年

提出来的。薛定谓方程是一个二阶偏微分方程，它的自变量是核外电子的坐标,

它的因变量是电子波的振幅(W)。给定电子在符合原子核外稳定存在的必要、

合理的条件时，薛定娉方程得到的每一个解就是核外电子的一个定态，它具有

一定的能量，具有一个电子波的振幅随坐标改变的的函数关系式W=f(x,y,z),称

为振幅方程或波动方程。

2.能够描述有关电子能量的量子力学法则。

能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。

4.(a)能够简单描述离子键，共价键，金属键，氢键和范德华键。

(b)能够列出以这些化学键结合的典型物质。

离子键：原子之间发生电子转移，形成正、负离子，并通过静电作用而形

成的化学键。离子键的本质是静电作用，无方向性、无饱和性。离子键程度与

元素的电负性有关。

共价键：不同原子依靠共享电子，或原子轨道的最大重叠而结合形成的化

学键为共价键。共价键的本质是电性的，是两原子核对共用电子对或原子轨道

重叠所形成负电区域的吸引力，不是正负离子间的静电力。共价键有方向性和

饱和性。

金属键：在固态或液态金属中，价电子可以自由地在不同原子间移动，使

其成为多个原子所共有，这些共用电子将许多原子粘合在一起的作用，被称为

氢键：分子中带正电的氢原子与另一分子中含有的孤对电子靠近并产生的

吸引力为氢键。氢键形成的条件是必须在分子中存在电负性很强的元素使氢原

子具有强极性，同时，分子中带有孤对电子，电负性大和半径小的元素所构成。

氢键具有方向性和饱和性。

范德华键：由分子的取向力、诱导力和色散力导致分子间的作用力称为Van

derwaals键。

Chapterthree金属和陶瓷的结构(三种典型晶体结构、晶面、晶向)重点！

重点为第三章。特别是三种常见的晶体结构以及晶面和晶向及其指数。

LearningObjectives

1.描述晶体与非晶体在原子核分子结构上的不同

晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在

空间的分布具有周期性和对称性。

非晶体：是指原子在空间的排布没有长程有序的固体

2.画出面心立方（FCCface-centeredcubic）,体心立方（BCCbody-centered

cubic),密排六方(HCPhexagonalclose-packed)晶体结构的晶胞

3.推算面心立方FCC和体心立方BCC晶胞的边长a与原子半径R之间的关系

FCC:a=2R叵BCC：4R

百

4.已知晶胞尺寸，计算面心立方FCC和体心立方BCC结构金属的密度

__nA__4A_nA_nA

0=砒=西外"=证=（2以）3.脸=初=*玲3NA

5.草绘并描述各种晶体结构的晶胞，如sodiumchlorideNaCl,cesiumchloride

CsCI,zincblendeZnS,diamondcubic金刚石立方，fluoriteCaF,andperovskite

钙钛矿CaTiOs。类似的还有C和硅酸玻璃原子结构

sodiumcesiumblendeZnSdiamondcubic金fluoriteCaF,

chlorideNaClchlorideCsCl刚石立方

硅酸玻璃原子结构perovskite钙钛C（graphite石

矿墨）

6.已知陶瓷复合材料的化学式，组成离子及离子半径，确定其晶体结构

CoordinationCation-AniaiCoordination

由阳离子和阴离子的半径比RC/RA对比上表确定其配位数CN,再确定其晶体结

构

7.已知晶向指数，在晶胞中标出其晶向

8.具体说明密勒指数（晶面指数）并在晶胞中标出

9.描述面心立方(FCC)密排六方(HCP)密排面的堆聚方式，类似通过阴离

子的密排面描述NaQ的晶体结构

面心立方(FCC)：ABCABCABC密排六方(HCP)：ABABAB

10.区别单晶和多晶材料

单晶：整体内原子排布呈在周期性和对称性，没有错排的晶体

多晶：如果材料内部有许多晶粒，则为多晶，每个晶粒的大小和形状不同，而且

取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性

11.考虑材料的特性，定义各向同性和各向异性

各向同性：指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的

特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同

各向异性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此

导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。晶体的

各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性模量、硬度、热膨胀系数、导热性、

电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。各向异性

作为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。常用密勒指数来标志晶体

的不同取向。

Chapterfour高分子结构(基本概念)

LearningObjectives

1、根据聚合物的链的结构能够描述典型的聚合物分子，以及由重复的链节产生

怎样的分子。

2、画出polyethylenePE聚乙烯，polyvinylchloridePVC聚氯乙烯,

polytetrafluoroethylenePTFE聚四氟乙烯，polypropylenePP聚丙烯，and

polystyrenePS聚苯乙烯和它们的链节结构。

个聚合物的链节的结构如下：

——C——C——

一C—c―

HC1

PE聚乙烯PVC聚氯乙烯PTFE聚四氟乙烯

门

H3H3

PP聚丙烯PS聚苯乙烯

4、命名和简要说明(a)聚合物四种通常的分子结构

LinearPolymers:线西合

BranchedPolymers:;

CrosslinkedPolymers:

NetworkPolymers:愀

5、叙述热艇和热重

臂翳:冷却时变硬。

够

档整遁糊觑翻那需屋矍物朝祚用固化或硬

6、简要描述聚合物材料的晶体结构

聚合物链呈排列有序就会结晶，但还是存在很多的非晶态，晶态中包含一定的

非晶态

Chapterfive固体缺陷

Learningobjectives

1.描述空位和自空隙原子晶体缺陷。

翳胃器虚普:谪盥辞:子弹覆篇嚼番或带命子或离子。

2.已知相关的常数，计算具体温度下材料中的平衡空位数。

N,=Nexp(-争N=

6.对于刃型位错、螺型位错和混合位错：（a）描述并且画出每一种位错；（b）

标出位错线的位置；⑹标明位错线的延伸方向。

II

E膏dg解ed僦islo原cat子ion:I

于日知狙芯。力生似于日U'J大里坐

|disl|oca»tio!n:麟皤牌ii¥

J柏氏矢量平彳

Mixeddislocation:解含有刃型分量和螺型分量的位错。位错延伸

方向写粕庆英量眈

7.描述（a）晶界（b）挛晶界附近区域内的原子结构。

Grainboundary:晶界把两个相邻具有不同晶体学取向的晶粒分离开的界面。

TwinGrain：李晶是指两个晶体或一个晶体的两部分都沿一个公共晶面构成镜

面对称的位向关系的晶体

Importanttermsandconcepts

Alloy（合金）：（由两种及以上元素组成的金属材料）。

Stoichiometry（正常价化合物）：（在离子化合物中，正、负离子的比例严格遵

守化学公式定义的化合价关系）。

Imperfection（缺陷，不完整性）：（对完美性的偏离，在材料科学领域中通常指

晶体材料中原子/分子在排列顺序/连续性上的偏离）。

Pointdefect（点缺陷）：（一种仅波及一个或数个原子的晶体缺陷）。

Vacancy（空位）：（一个缺失原子或离子的晶格节点位置）。

Vacancydiffusion（空位扩散）：（一种扩散机制，此时原子的净迁移是从晶格节

点位置迁移到相近的空位中）。

Self-interstitial（自间隙原子）：（处于自身晶格间隙中的原子或离子）。

Schottkydefect（肖脱基缺陷）：（在离子晶体中的一种缺陷结构，它是由一个阳

离子空位和一个阴离子空位组成的空位对）。

Substitutionalsolidsolution（置换固溶体）：（溶质原子取代或代替溶剂原子而

形成的固溶体）。

Interstitialdiffusion（间隙扩散）：（一种扩散机制，此时原子的运动是从晶格间

隙位置迁移到另一个相近的间隙位置）。

Interstitialsolidsolution（间隙固溶体）：（相对尺寸较小的溶质原子占据溶剂或

晶格原子之间间隙位置所形成的固溶体）。

Solidsolution（固溶体）：包含两种或两种以上元素的均匀单相。固溶体可以以

置换固溶体或间隙固溶体的形式存在。

Solid-solutionstrengthening（固溶体强化）：由于形成固溶体的合金化过程引起

的金属硬化和强化，其机制是异类原子的存在限制了位错的可动性。

Solutionheattreatment（固溶处理，均匀化退火）：让沉淀物融解而形成固溶体

的热处理过程。通常情况下，从固溶处理温度下快速冷却，形成室温下亚稳态

过饱和固溶体。

Burgersvector（B）（柏氏矢量）：表示位错引起晶格畸变程度和方向的矢量。

Defectstructure（缺陷结构，缺陷组态）：（在陶瓷化合物中，与空位、间隙原

子的类型和偏聚有关的缺陷组态）。

Dislocation（位错）：（晶体材料中的线状缺陷，在其附近，原子发生错排）。在

外加切应力作用下位错的运动可以导致晶体材料的塑性变形。可能存在的位错

类型有刃型位错、螺型位错和混合型位错。

Screwdislocation（螺型位错）：一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为当

相互平行的相邻晶面之间依次错粘合在一起形成的螺旋型斜面的中心线区域所

形成的原子错排组态。螺型位错的柏氏矢量平行与其位错线。

Mixeddislocation.混合位错同时含有刃型分量和螺型分量的位错。

Dislocationdensity（位错密度）：（在单位体积材料中包含位错的长度，或者说

在材料内部任意单位截面上位错线的根数）O

Dislocationline（位错线）：（刃型位错中多余半原子面边缘的连线，或者螺型位

错中错排螺旋的中心轴线）。

Edgedislocation（刃型位错）：一种一维线型晶体缺陷，形态上可是描述为晶体

中存在的多余半原子面的末端附近区域所形成的原子错排组态。刃型位错的柏

氏矢量垂直与其位错线。

Frenkeldefect（弗仑克尔缺陷）在离子固体中的阳离子-空位对和阳离子-间隙原

子对。

Grain（晶粒）：金属或陶瓷多晶体中的一个单独的小晶体。

Grainboundary（晶界）：把两个相邻具有不同晶体学取向的晶粒分离开的界面。

Graingrowth（晶粒长大）：在多晶体材料中晶粒平均尺寸的增加，对大多数

材料来说，这需要在一定温度下进行热处理。

Microstructure（显微组织）：在显微镜下观察到的某合金的结构特征（例如：晶

粒和相的组织结构特征）。

Photomicrograph（显微组织照片）：在显微镜下拍摄，记录显微组织结构形态的

照片。

QuestionsandProblems

5.9ForbothFCCandBCCcrystalstructures,therearetwodifferenttypesof

interstitialsites.Ineachcase,onesiteislargerthantheother,whichsiteis

normallyoccupiedbyimpurityatoms.ForFCC,thislargeroneislocatedatthe

centerofeachedgeoftheunitcell;itistermedanoctahedralinterstitialsite.On

theotherhand,withBCCthelargersitetypeisfoundat0,1/2,1/4

positions—thatis,lyingon{100}faces,andsituatedmidwaybetweentwo

unitcelledgesonthisfaceandone-quarterofthedistancebetweentheothertwo

unitcelledges;itistermedatetrahedralinterstitialsite.ForbothFCCandBCC

crystalstructures,computetheradiusrofanimpurityatomthatwilljustfitinto

oneofthesesitesintermsoftheatomicradiusRofthehostatom.FCC八面体

间隙r=0.41RBCCI四面体间隙r=0.29R

解：FCC:a=2R42=(6—l)R=0.41R

22

BCC:"善r=Ji"?+-R=警-R=(*-1)R=0.29R

5.29CitetherelativeBurgersvector-dislocationlineorientationsforedge,screw,

andmixeddislocations.

羸醯褊蠹位错线。

n

5.D1*Aluminum-lithiumalloyshavebeendevelopedbytheaircraftindustryinorder

toreducetheweightandimprovetheperformanceofitsaircraft.Acommercial

aircraftskinmaterialhavingadensityof2.55g/cm,isdesired.Computethe

concentrationofLi(inwt%)thatisrequired.

33

PA)=2.702g/cm,PLi=0.534g/cm

Chaptersix扩散

Learningobjectives

1.说出并描述两种原子扩散机制。

Vacancydiffusion:空位扩散一种扩散机制，这时候原子的净迁移过程是从晶

格结点位置移动到邻近的空位中。

Interstitialdiffusion:间隙扩散晶体扩散机制的一种。间隙原子由一个间隙位

置迁移至邻近的间隙位置所构成的扩散。

2.区别恒稳态扩散和非恒稳态扩散。

Steady-statediffusion:恒稳态扩散扩散组元既没有净堆积也没有净亏空的扩

散过程是稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间无关的扩散过程是稳定

态扩散。

Nonsteady-statediffusion:非稳态扩散扩散过程中，扩散组元存在净堆积或净

亏空的扩散过程是非稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间有关的扩散

过程是非稳定态扩散。

Self-diffusion:自扩散纯金属中的原子迁移过程。

3.(a)用方程的形式写出菲克第一定律和第二定律，并解释所有的参数。

(b)指出每个方程通常用在什么类型的扩散中。

菲克第一定律/=仁恒稳态扩散

ax

菲克第二定律图建)如果扩散系数不受成分影响，则尊=。驾非稳态扩

dtdxoxdtdx

散

4.向半无限长固体中扩散，并且固体表面扩散原子的浓度保持不变，写出这种

情况下，菲克第二定律的解法。

J-C。=l-erf(―^=)，°匚4=Constant,—Constant

Cs-C02JDtCs-Co2JDt

5.已知扩散常数的近似值，计算一些材料在给定温度下的扩散系数。

O=O°exp(—金

Importanttermsandconcepts

Diffusion扩散Steady-statediffusion稳定态扩散

Diffusionflux(J)扩散通量Nonsteady-statediffusion非稳定态

扩散

Diffusioncoeflicient(D)扩散系Self-diffusion自扩散

数

Ficksfirstlaw菲克第一定律InterstitialdiflTusion间隙扩散

Fickssecondlaw菲克第二定律Vacancydiffusion空位扩散

Activationenergy(Q)激活能，QCarburizing渗碳

Interdiffusion,impuritydiffusion互扩散

Diffusion:扩散固体中原子，或分子等，通过热运动而发生长程迁移，或宏观

物质传输现象。

这里所谈的原子迁移，在是指固体中原子脱离它原来的平衡位置跃迁到另一平

衡位置的位移。从产生扩散的原因来看，原子的迁移主要分为两大类，一类称

为化学扩散，它是由于扩散物质在固体中分布不均匀、在化学浓度梯度的推动

下产生的扩散；另一类称为自扩散，它是在没有化学浓度梯度情况下，仅仅由

于热振动而产生的扩散。自扩散现象只有采用放射性同位素技术才能察觉。此

外，还有应力场、热场和电场等所引起的扩散。

Diffusionflux(J):扩散通量单位时间内通过一个垂直与扩散方向上单位横截

面积内的通过物质量。

Diffusioncoefficient(D):扩散系数Fick第一定律中，扩散通量和浓度梯度之间

的比例系数。其量级表示了原子扩散的速度。

Fick^sfirstlaw:菲克第一定律，扩散第一定律扩散通量与浓度梯度成正比例。

这种关系被用于描述稳定态扩散。

Fick,ssecondlaw:菲克第二定律，扩散第二定律浓度对时间的变化率成正与

浓度对距离的二阶导数。这种关系被用于描述非稳定态扩散。

Steady-statediffusion:稳定态扩散扩散组元既没有净堆积也没有净亏空的扩

散过程是稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间无关的扩散过程是稳定

态扩散。

Nonsteady-statediffusion:非稳定态扩散扩散过程中，扩散组元存在净堆积或

净亏空的扩散过程是非稳定态扩散。也可以描述为：扩散通量与时间有关的扩

散过程是非稳定态扩散。

Self-diffusion:自扩散纯金属中的原子迁移过程。

Interstitialdiffusion:间隙扩散晶体扩散机制的一种。间隙原子由一个间隙位

置迁移至邻近的间隙位置所构成的扩散。

Vacancydiffusion:空位扩散一种扩散机制，这时候原子的净迁移过程是从晶

格结点位置移动到邻近的空位中。

Activationenergy(Q):激活能，Q开动某一反应或过程，例如扩散过程，所需

要的能量。

Carburizing:渗碳从周围环境中向铁基合金表面扩散碳，从而使其表面碳浓度

提高的工艺过程。

Interdiffusion,impuritydiffusion:互扩散一种金属中的原子向另一种金属中

的扩散叫互扩散，又称为杂质扩散。

QuestionsandProblems

6.5(a)explaintheconceptofadrivingforce.

(b)Whatisthedrivingforceforsteadystatediffusion?

驱动力：

6.18Atwhattemperaturewillthediffusioncoefficientforthediffusionofcopperin

nickelhaveavalueof6.5X1017m2/s?UsethediffusiondatainTable6.2

T=1152K(879℃)

52

解：由表6.2知：D0=2.7XIO_m/sQd=256kJ/mol

由公式£>=Z)oexp(-*)得：

(879℃)

6.D3Thewearresistanceofasteelshaftistobeimprovedbyhardeningitssurface.

Thisistobeaccomplishedbyincreasingthenitrogencontentwithinanouter

surfacelayerasaresultofnitrogendiffusionintothesteel.Thenitrogenistobe

suppliedfromanexternalnitrogen-richgasatanelevatedandconstant

temperature.Theinitialnitrogencontentofthesteelis0.002wt%,whereasthe

surfaceconcentrationistobemaintainedat0.50wt%.Inorderforthistreatment

tobeeffective,anitrogencontentof0.10wt%mustbeestablishedataposition

0.40mmbelowthesurface.Specifyappropriateheattreatmentsintermsof

temperatureandtimefortemperaturesbetween475℃and625℃.The

preexponentialandactivationenergyforthediffusionofnitrogeninironare3X

10-7m2/sand76,150J/mol,respectively,overthistemperaturerange.

又()72

解：Co=O.OO2wt%ND=3XIOm/s

Cs=0.50wt%NQd=76,150J/mol

。4.7986X10-8

Cx=0.10wt%NDt=Dexp(-

C-C0.10-0.002,x、

—t---o=------=1-erf(—m2

C,-Co0.50-0.00224Dt

76150//，〃。/、/、

x3xIO,m♦/s=exp(---------------------------)(0

0.8032=e/f(；=)(831J/molK)xT

2J9

=4.7986XI0-8m2

zerf(z)0.1600

9163.7

0.900.7970exp(-)

z0.8032t

T(V)

0.950.8209sh

Z-0.900.8032-0.79703338

-

0.95-0.900.8209-0.79704759.27

X6

z=0.9130=^^

2^Dt

1550

x=0.40mm=4.0X10-4m5254.31

0

4.0x10

=0.9130

2V5757578772.19

Dt=4.7986X10-8m262543171.20

这

7Chapterseven机械性能

Learningobjectives

1.定义工程应力与工程应变。

Engineeringstrain:工程应变工程应变8由方程£=（li-10）/10=A1/10定义，这里

10是样品加载前的初始长度，li是加载瞬间的长度，有时li-10也用A1来表示，

即代表与初始长度相比较，某一时刻样品形变的延长率或长度的变化。工程应

变是没有单位的。

Engineeringstress:工程应力工程应力o的定义为o=F/A（）,这里F是加载在垂

直样品横截面的瞬间载荷，单位为牛顿，A。是加载前样品的初始横截面积（单

位n?）,工程应力单位为MPa。

4.已知工程应力一应变曲线图，确定（a）弹性模量；（b）屈服强度（残余应变

0.002时；（c）拉伸强度；（d）估算延伸百分比。

（a）弹性模量E=o/£（b）屈服强度TSo

（c）拉伸强度TS（d）估算延伸百分比£=纽

5.对于一个延性柱体样品的拉伸形变，描述样品直至断裂的剖面的变化过程。

（弹性阶段一屈服阶段一强化阶段一局部变形阶段）先弹性变形后塑性变形，

最后拉断

6.对于一个承受张力并直至断裂的材料，根据其延展百分比与面积还原率来计

算材料的延展度。

%EL=d--）x100%RA=（—^-）x100

'oA

7.根据三点负荷法，计算陶瓷棒弯曲至断裂的弯曲强度。

McIa矩形截面力,=一

'Ibd2

Rectangular等,卷券

3KL

圆形截面07,=——

Circular朱R昨多fs2派3

44击

8.描绘出聚合物材料中所观察到的三种典型应力一应变特性的示意图。

ABrittle脆性高分子

材料

BPlastic塑性高分子

材料

9.给出两种最常见的硬度测量技术，并指出二者

CHighlyelastic完全

的不同。

弹性高分子材料

洛氏硬度洛氏硬度试验采用三种试验力，三种压

完全弹性体,人造橡

头，它们共有9种组合，对应于洛氏硬度的9个

胶

标尺。这9个标尺的应用涵盖了儿乎所有常用的

金属材料。最常用标尺是HRC、HRB和HRF,其

中HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行

业应用最多的硬度试验方法。HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、

部分不锈钢及较硬的铜合金。HRF标尺用于测试纯铜、较软的铜合金和硬铝合

金。HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试

硬质合金和薄硬钢带材料。

布氏硬度用一定直径的淬硬钢球，在一定的载荷（p）作用下，压入试件表面,

停留一段时间，然后除去载荷，测量压痕的面积，压痕越小表示抵抗塑性变形

能力（即硬度）越大，越大硬度越小，用“HB”来表示。

Importanttermsandconcepts

Anelasticity:滞弹性应力施加后，大多数工程材料弹性形变都会持续，并且撤

去加载，样品的完全回复也需要一定的时间。这种与时间相关的弹性行为称为

滞弹性。

Designstress:设计应力对于静态条件以及延展性材料的情况下，设计应力ad

是计算的应力GC（即估算的最大载荷）乘以一个设计因子N）即od=N*oc,其

中N大于1。

Ductility:延伸度延伸度是指材料在断裂时发生的塑性形变程度的量度。

Elasticdeformation:弹性形变应力与应变成正比关系的形变称为弹性形变。弹

性形变是非永久性的，即撤去加载后，样品可恢复初始的形状。

Elasticrecovery：弹性回复弹性回复是指当样品所受应力撤销后，其完全回复

到初始形状的现象。

Elastomer:弹性体弹性体是聚合物的一个种类，它的应力一应变曲线表明其变

形是完全弹性的，即很低的应力变化就会产生很大的可回复应变。

Engineeringstrain:工程应变工程应变£由方程s=（li-10）/10=A1/10定义，这里

10是样品加载前的初始长度，H是加载瞬间的长度，有时li-10也用AI来表示，

即代表与初始长度相比较，某一时刻样品形变的延长率或长度的变化。工程应

变是没有单位的。

Engineeringstress:工程应力工程应力o的定义为o=F/A0,这里F是加载在

垂直样品横截面的瞬间载荷，单位为牛顿,A0是加载前样品的初始横截面积（单

位m2）,工程应力单位为MPa0

Flexuralstrength:抗弯强度对脆性陶瓷材料来说，抗弯强度即为横向弯曲试验

中样品断裂时的应力。

Hardness:硬度硬度是材料抵抗局部塑性形变的量度。

Modulusofelasticity:弹性模量大多数金属在较低的拉力作用下，应力和应变

成正比关系，可表达为。=E&这就是胡克定理，比例常数E(GPa)就是弹性

模量，或杨氏模量。

Plasticdeformation:塑性形变当材料的形变超出弹性形变发生的范围，其应力

将不再与应变成正比，永久的、不可回复的形变发生，即为塑性形变。

Resilience:弹性弹性是指材料在弹性形变中吸收能量的能力。

Tensilestrength:抗拉强度抗拉强度是指样品可能承受的最大拉伸应力。

Toughness:韧性韧性是指材料在断裂前所能吸收能量的量度.

Truestrain:真应变真应变sT的定义为£T=ln(Ii/10),其中10是样品加载前的

初始长度，li是瞬间长度。

Truestress:真应力真应力oT定义为形变发生时，载荷F与瞬间横截面积Ai

的比值，或者oT=F/Ai。

Yielding:屈服金属的屈服是指塑性或者永久形变开始发生的现象。

Yieldstrength:屈服强度屈服强度是指塑性形变开始发生时的应力。

QuestionsandProblems

7.24Acylindricalrod380mmlong,havingadiameterof10.0mm,istobesubjected

toatensileload.Iftherodistoexperienceneitherplasticdeformationnoran

elongationofmorethan0.9mmwhentheappliedloadis24,500N,whichofthe

fourmetalsoralloyslistedbelowarepossiblecandidates?Steel

FF245007V

ModulusYieldTensile解:=311.94MPa

b=—=--r32

ofElasticityStrengthStrengthAQnd'zr(10.0xl0-w)/4

Material(GPa)(MPa)(MPa)4

Ahiminuin70255420

alloyA/_0.9mm

()=2.368x10-3

Brassalloy100345420

l0380mm

Copper110250290

Steelalloy207450550

_cr_311.94A/Pa

£=131.73GPa

-2.368xlO-3

b<bg,E<&应故选steel

7.35(a)Makeaschematicplotshowingthe

tensiletruestress-strainbehaviorfora

typicalmetalalloy.

(b)Superimposeonthisplotaschematic

curveforthecompressivetrue

stress-strainbehaviorforthesamealloy.

Explainanydifferencebetweenthiscurveandtheoneinparta.

(c)Nowsuperimposeaschematiccurveforthecompressiveengineeringstress-strain

behaviorforthissamealloy,andexplainanydifferencebetweenthiscurveand

theoneinpartb.

7.D1Alargetoweristobesupposedbyaseriesofsteelwires.Itisestimatedthatthe

loadoneachwirewillbe11,100N.Determinetheminimumrequiredwire

diameterassumingafactorofsafetyof2andayieldstrengthof1030MPa.

解：5.=1030A^=515Mpfl

”N2

AQ=(d/2)2TV=

%,

d=2x=5.2x10*=5.2mm

”'高焉m

Chaptereight变形与强化机理

Learningobjectives

1.从原子的角度描述刃型位错和螺型位错的运动。

刃型位错运动是在施加切应力作用下，半原子面的沿切应力方向重组和断裂发

生移动

螺型位错运动是在施加切应力作用下，沿切应力垂直方向发生移动

2.施加切应力会使刃型位错和螺型位错运动，描述塑性变形是怎样由位错运动

产生的。

刃型位错运动半原子面的沿切应力方向重组和断裂发生移动

螺型位错运动沿切应力垂直方向发生移动

3.定义滑移系，并举例说明。

滑移系滑移面和该面上一个滑移方向的组合称为一个滑移系，晶体滑移（如位

错的移动）可以沿该系统发生。FCC:{lll}<110>BCC:{11O}<111>

HCP:{0001}<1120>所以不同晶体结构的金属，其滑移系的数目不同，如体心立

方12个，面心立方12个，密排六方3,且滑移系的数目越多则金属的塑性愈好,

反之滑移系数愈少，塑性不好，且相同滑移系数目相同时，滑移方向数越多，

越易滑移，塑性越好。

4.描述多晶金属材料发生塑性变形时，它的晶粒结构是如何变化的。

多晶体金属的变形过程

多晶体金属在外力的作用下，处于软取向的晶粒优先产生滑移变形，处于硬取

向的相邻晶粒尚不能滑移变形，只能以弹性变形相平衡。由于晶界附近点阵畸

变和相邻晶粒位向的差异，使变形晶粒中位错移动难以穿过晶界传到相邻晶粒,

致使位错在晶界处塞积。只有进一步增大外力变形才能继续进行。随着变形加

大，晶界处塞积的位错数目不断增多，应力集中也逐渐提高。当应力集中达到

一定程度后，相邻晶粒中的位错源开始滑移，变形就从一批晶粒扩展到另一批

晶粒。同时、一批晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取向，其变形愈来

愈困难，另一批晶粒又从硬取向转动到软取向，参加滑移变形。多晶体的塑性

变形，是在各晶粒互相影响，互相制约的条件下，从少量晶粒开始，分批进行,

逐步扩大到其它晶粒，从不均匀的变形逐步发展到均匀的变形。

冷塑性变形对金属组织和性能的影响经过塑性变形，可使金属的组织和性能发

生一系列重大的变化，这些变化大致可以分为如下四个方面。1.晶粒沿变形方向

拉长，性能趋于各向异性2.晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化3•织构现

象的产生4.残余内应力

5.说明晶界是如何阻碍位错运动的，并解释一个有着小晶粒的金属为什么比有

着大晶粒的金属强度大。

晶界的存在会增大滑移抗力，而且因多晶体中各晶粒晶格位向的不同，也会增

大其滑移抗力，因此多晶体金属的变形抗力总是高于单晶体。金属的晶粒愈细，

金属的强度便愈高，而且塑性与韧性也较高

6.从晶格拉伸与位错相互作用的方面解释置换不同原子的固溶体强化原理。

在置换固溶体中，溶质原子部分占据了溶剂原子格点的位置，如图（b）所示。当

溶质元素与溶剂元素在原子半径、电负性以及晶格类型等因素都相近时，形成

置换固溶体。例如电凡、格、

镒、银和钻等元素与铁都能

形成置换固溶体。在间隙固

溶体中，溶质原子占据了溶（a）纯金属G）置换固溶体（c）间隙固溶体

剂原子格点的间隙之中，如图⑹所示。氢、硼、碳和氮等一些原子半径特别小

的元素与许多副族金属元素能形成间隙固溶体。

应当指出，当溶剂原子格点溶入溶质原子后，多少能使原来的格点发生畸变，

它们能阻碍外力对材料引起的形变，因而使固溶体的强度提高，同时其延展性

和导电性将会下降。固溶体的这种普遍存在的现象称为固溶强化。固溶体的强

化原理对钢的性能和热处理具有重大意义。

固溶强化纯金属经适当的合金化后强度、硬度提高的现象根据强化机理可分

为无序固溶体和有序固溶体固溶强化的特点：（1）溶质原子的原子数分数越

大，强化作用越大；（2）溶质原子与基体金属原子尺寸相差越大，强化作用越

大（3）间隙型溶质原子比置换原子有更大的固溶强化作用；（3）溶质原子与

基体金属的价电子数相差越大，固溶强化越明显。

7.从位错和应变场相互作用的方面描述解释应变强化（冷加工）现象。

应变硬化即是位错在运动过程中由于遇到晶界、第二相质点以及位错间相互作

用，如位错交割、扭折、增殖等各种障碍，使运动受阻，需要不断增加外应力

才能使位错继续运动。其表现为应力不断增加，塑性变形才能继续进行。金属

晶粒拉长,其位错密度随冷加工变形量的增加，冷加工中位错密度增加也能强化

材料

8.从材料的微观结构和机械特性改变的方面描绘再结晶。

Recrystallization:再结晶在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程

叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。

通过回复，虽然金属中的点缺陷大为减少，晶格畸变有所降低，但整个变形金

属的晶粒破碎拉长的状态仍未改变，组织仍处于不稳定的状态。

当它被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始

变化。从破碎拉长的晶粒变成新的

等轴晶粒。和变形前的晶粒形状相

似，晶格类型相同，把这一阶段称

为“再结晶”。

再结晶过程同样是通过形核和长

大两个过程进行的。

再结晶结束后，金属中内应力全部消除，显微组织恢复到变形前的状态，其所

有性能也恢复到变形前的数值，消除了加工硬化。

所以再结晶退火主要用于金属在变形之后或在变形的过程中，使其硬度降低,

塑性长高，便于进一步加工。

11.描绘半结晶聚合物塑性变形的各个阶段。

弹性形变-屈服-应变软化-冷拉-应变硬化-断裂

12.讨论下列因素对聚合物抗张模量和抗张强度的影响：(a)分子量(b)结晶度(c)

预变形(d)不变形材料的热处理。

(1)化学结构链刚性增加的因素(比如主链芳环、侧基极性或氢键等)都有

助于增加抗张强度5。极性基团过密或取代基过大，反而会使材料较脆，抗冲

击强度区下降。

(2)相对分子质量在临界相对分子质量标。(缠结相对分子质量)之前，相对

分子质量增加5增加，越过标，后⑦不变。5随相对分子质量增加而增加，不存

在临界值。

(3)支化和交联交联使6和巴都提高。但支化使区提高，而5下降。

(4)结晶和取向结晶度增加，/提高，但区降低。结晶尺寸减小，6和弓均

提高。取向使5提高。

总之以上各因素在讨论区时主要考虑分子间作用力的大小，而讨论5时主要考

虑自由体积的大小。

(5)应力集中物裂缝、银纹、杂质等缺陷在受力时成为应力集中处，断裂首

先在此处发生。

纤维的直径越小，强度越高，这是由于纤维越细，纤维皮芯差别就越小，缺陷

出现的几率越小。根据这个原理，用玻璃纤维增强塑料可以得到高强度的玻璃

钢。

(6)添加剂增塑剂、增量剂(又称填料)、增强剂和增韧剂都可能改变材料的

强度。增塑使分子间作用力减小，从而降低了强度。惰性填料(如CaCO3)只

降低成本，强度也随着降低；活性填料有增强作用，如炭黑对天然橡胶的补强

效果。纤维状填料有明显的增强作用。塑料增韧的方法是共混或共聚，用少量

橡胶作为增韧剂去改进塑料的脆性。

(7)外力作用速度和温度在拉伸试验中提高拉伸速度和降低温度都会使强度

降低。在冲击试验中提高温度会增加冲击强度。由于外力作用速度和温度的改

变，甚至会使材料从脆性变为韧性，或反过来。

Importanttermsandconcepts

Coldworking:冷加工、冷变形金属在再结晶温度以下进行的塑性变形。

Criticalresolvedshearstress（xcrss）:临界剪切分切应力使得晶体开始滑移所

需要的纯剪切应力，在某一特定滑移面和滑移方向上的分量。

Dislocationdensity:位错密度材料单位体积内的位错线的总长度，或者在一^f*

随机切面上的单位面积内切断的位错根数。

Graingrowth:晶粒长大多晶体材料中晶粒尺寸的增大，对大多数材料来说，

晶粒长大只在升高温度加热的时候发生。

Recovery:回复冷塑性变形金属释放其部分应变能的过程叫回复，通常采用热

处理的方法。

Recrystallization:再结晶在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程

叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。

Recrystallizationtemperature:再结晶温度对于某种合金，在大约一小时的时

间里，完成再结晶所需的最低温度.

Slip:滑移位错移动导致的塑性变形或两个相邻原子面的剪切位移。

Slipsystem:滑移系滑移面和该面上一个滑移方向的组合称为一个滑移系，晶

体滑移（如位错的移动）可以沿该系统发生。

Solid-solutionstrengthening:固溶强化由于合金化形成固溶体而导致的材料

硬化和强化，实质在于溶质原子对位错运动的阻碍作用。

Strainhardening:加工硬化塑性材料于再结晶温度以下进行塑性变形引起的

硬度和强度升高现象。

Viscosity（T］）：粘性剪切应力数值与其产生应变速率的比值叫粘性，用来衡量非

晶材料抵抗永久变形的能力。

QuestionsandProblems

8.7.OneslipsystemfortheBCCcrystalstructureis{110}<l11>.Inamanner

similartoFigure8.6bsketcha{110}-typeplanefortheBCCstructure,

representingatompositionswithcircles.Now,usingarrows,indicatetwo

different<11l>slipdirectionswithinthisplane.

8.8OneslipsystemfortheHCPcrystalstructureis{0001}<1120>.Inamanner

similartoFigure8.6bsketcha{0001}-typeplanefortheHCPstructure,

representingatompositionswithcircles.Now,usingarrows,indicatetwo

different<1120>slipdirectionswithinthisplane.

8.18Describeinyourownwordsthethreestrengtheningmechanismsdiscussedin

thischapter(i.e.,grainsizereduction,solidsolutionstrengthening,andstrain

hardening).Besuretoexplainhowdislocationsareinvolvedineachofthe

strengtheningtechniques.

晶粒细化强化grainsizereduction：细化后晶粒有较多的晶界来阻碍位错的移

动，而使材料硬化和强化

固溶强化solidsolutionstrengthening：由于合金化形成固溶体而导致的材料硬

化和强化，实质在于溶质原子对位错运动的阻碍作用。

加工硬化Strainhardening：塑性材料于再结晶温度以下进行塑性变形引起的

硬度和强度升高现象。

8.30Brieflycitethedifferencesbetweenrecoveryandrecrystallizationprocesses.

Recovery:回复冷塑性变形金属释放其部分应变能的过程叫回复，通常采用热

处理的方法。

Recrystallization:再结晶在冷塑性变形材料的内部生成等轴状新晶粒的过程

叫再结晶，通常发生于再结晶退火热处理过程中。

8.36Theaveragegraindiameterforabrassmaterialwasmeasuredasafunctionof

timeat650℃,whichistabulatedbelowattwodifferenttimes.

(a)Whatwastheoriginalgraindiameter?

(b)Whatgraindiameterwouldyoupredictafter150minat650℃.d=0.085mm

解：由公式：dn-d,^=Kt（取n=2）

TimeGrain

(min)Diameter

片-4=心2

(mm)

303.9XIO2

906.6XIO2

v/-d；(6.6X10-2)2-(3.9x102)2..,,.

K=----L=--------——--------=4.725xi1oA5mnr/min

T]90—30

d°=Jd；-Kt、=1.02x10%〃机

d,=J"：+Kg=8.48x10'2/z?/n=0.085丽

8.D6Acylindricalrodofcopperoriginally16.0mm

indiameteristobecoldworkedbydrawing;

thecircularcrosssectionwillbemaintained

0

Percentcoldwork

0)

duringdeformation.A