材料的组织结构与性能的关系

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1、第三章材料的组织结构与性能的关系在第一章，我们特别强调指出微观结构不同性能会不同。上一章，我们进一步明确了微观结构的具体物理意义。微观结构具体怎样影响性能，有哪些客观规律，就是这一章大家要学习的内容。掌握了这些知识，将会为大家选用材料，研制新材料提供理论依据。结构材料和功能材料的区分在于人们对于材料主要要求的性能不同。对于结构材料，材料的强度、韧性是主要要求的性能，这种性能对材料的组织、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能，它们往往对组织不那么敏感，而对材料中的电子分布与运动敏

2、感。所以本章分成结构材料和功能材料二部分来介绍。结构材料在工业文明中发挥了巨大作用。大到海洋平台，小到一枚螺丝钉，它们所用材料都要考虑承载能力，都是用结构材料。面向２１世纪，进一步发展空间技术、核能、海洋开发、石油、化工、建筑建材及交通运输等等仍然要依赖于结构材料。其中金属材料以前是，现代仍然是占主导地位；在一些关键部位或特殊环境下如高温、腐蚀条件下要用到结构陶瓷；高分子材料重量轻、耐腐蚀的优点使人们在一些承载低的工况下用它做结构材料；复合材料由于可利用各种材料之长，正成为大家关注的热点，其作为结构材料使用的场合不断增加。

3、总之，这几类材料都可以作结构材料，但各有优缺点，通过学习大家要掌握这几类结构材料的特点和一些典型材料微观结构对性能的影响规律。功能材料是当代新技术，如信息技术、生物工程技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术、先进防御技术……的物质基础，是新技术革命的先导，它的用量不大，但作用不小。金属材料、无机非金属材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的复合更有可能开发出多功能的功能材料。由于这几类材料的声、光、电、热、磁各物理性质在本质上有共同的地方，所以功能材料部分我们按电、光、磁的顺序来介绍。这三种物理性质用的较多

4、。对于电、光、磁本质的了解可以使我们容易理解形形色色的功能材料。第一节结构材料1.材料在承载时发生的变化1.1.1弹性、塑性、强度、韧性无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些变化，我们管它叫变形。最明显的是，一根橡皮筋受拉会变长，去除拉力后又恢复了原样；但若是一根铁丝，我们可以很容易将其弯曲，但卸载后，弯曲形状还会保持。能恢复的变形称之为弹性变形，不能恢复的变形称之为塑性变形。显然，不同材料，发生弹性变形、塑性变形的难易程度不同。载荷与绝对变形的关系可用来评价材料的变形能力，但其中含有尺寸因素的影响。工程上，是用应力

5、与应变间的关系来衡量材料的变形能力。应力σ=P/A0。式中P为载荷。A0为试件的起始横截面积；应变ε=△L/L0，即试件相对变形的大小。L0为试件的长度，△L为在载荷作用下试件的伸长。当材料发生弹性变形的时候，应力与应变呈线性关系，即σ＝Eε20，这就是著名的虎克定律，E被称为杨氏模量，一般称为弹性模量，是材料弹性性能的表征。从微观上讲，材料弹性变形是外力作用所引起的原子间距离发生可逆变化的结果。因此，材料对弹性变形的抗力取于原子间作用力的大小，也就是说，与原子间结合键类型、原子大小、原子间距离有关。在工程上，绝大部分结构

6、件和机器零件，都是在弹性状态下工作，不允许发生塑性变形。因此人们十分关注材料抵抗塑性变形的能力，表征这种能力的是一些强度指标。图3-1是低碳钢、陶瓷、橡皮的拉伸应力-应变曲线。从中我们可以看出，陶瓷只有弹性变形阶段且弹性变形量很小，即只有应力－应变间呈直线关系段；橡皮的弹性变形所需载荷很小，弹性变形量很大；低碳钢弹性变形量小，塑性变形量较大。下面我们以合金钢的拉伸应力－应变曲线（图3-2）来进一步介绍材料的强度、塑性、韧性。σ-ε间关系－旦偏离线性就表示材料的塑性变形开始了，如加载至图3-2的A点后卸载，应变沿AB线变化，

7、当载荷降至零时应变不为零，这残余的应变就是塑性变形。通常将发生0.2%残余应变时的应力作为屈服强度，记作σ0.2或σy，用以表示材料发生明显塑性变形的抗力，这是一个很重要的衡量结构材料性能的指标。在图3-2中，还可以看到有一最大的应力值，称之为抗拉强度或叫强度极限σb。与图3-2的应力应变曲线对应的材料的实际变形情况见图3-3，发现屈服后随应力增加材料均匀变细，当应力出现最大值，材料的变形就开始集中在某一局部区域，好象人的脖子局部变细，称之为出现了“颈缩“。一旦颈缩出现，材料的完全断裂就为期不远了。但从图3-2可见，颈缩后

8、应力是减小的，为什么应力小还能将材料拉断呢？问题出在应力的计算上。你能想出具体的原因在哪儿吗？答案在习题一栏中。根据变形情况可知，σb是材料发生最大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件下所能承受的最大负荷的应力值。这个值是设计和选材的主要依据之一，也是材料主要机械性能指标之一，尤其对于象陶瓷那样的没有塑性变