材料的組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系

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1、第三章材料的組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系在第一章，我們特別強(qiáng)調(diào)指出微觀結(jié)構(gòu)不同性能會不同。上一章，我們進(jìn)一步明確了微觀結(jié)構(gòu)的具體物理意義。微觀結(jié)構(gòu)具體怎樣影響性能，有哪些客觀規(guī)律，就是這一章大家要學(xué)習(xí)的內(nèi)容。掌握了這些知識，將會為大家選用材料，研制新材料提供理論依據(jù)。結(jié)構(gòu)材料和功能材料的區(qū)分在于人們對于材料主要要求的性能不同。對于結(jié)構(gòu)材料，材料的強(qiáng)度、韌性是主要要求的性能，這種性能對材料的組織、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的聲、電、熱、光、磁等物理性能和化學(xué)性能，它們往往對組織不那么敏感，而對材料中的電子分布與運(yùn)動敏

2、感。所以本章分成結(jié)構(gòu)材料和功能材料二部分來介紹。結(jié)構(gòu)材料在工業(yè)文明中發(fā)揮了巨大作用。大到海洋平臺，小到一枚螺絲釘，它們所用材料都要考慮承載能力，都是用結(jié)構(gòu)材料。面向２１世紀(jì)，進(jìn)一步發(fā)展空間技術(shù)、核能、海洋開發(fā)、石油、化工、建筑建材及交通運(yùn)輸?shù)鹊热匀灰蕾囉诮Y(jié)構(gòu)材料。其中金屬材料以前是，現(xiàn)代仍然是占主導(dǎo)地位；在一些關(guān)鍵部位或特殊環(huán)境下如高溫、腐蝕條件下要用到結(jié)構(gòu)陶瓷；高分子材料重量輕、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)使人們在一些承載低的工況下用它做結(jié)構(gòu)材料；復(fù)合材料由于可利用各種材料之長，正成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)，其作為結(jié)構(gòu)材料使用的場合不斷增加。

3、總之，這幾類材料都可以作結(jié)構(gòu)材料，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過學(xué)習(xí)大家要掌握這幾類結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)和一些典型材料微觀結(jié)構(gòu)對性能的影響規(guī)律。功能材料是當(dāng)代新技術(shù)，如信息技術(shù)、生物工程技術(shù)、航空航天技術(shù)、能源技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、先進(jìn)防御技術(shù)……的物質(zhì)基礎(chǔ)，是新技術(shù)革命的先導(dǎo)，它的用量不大，但作用不小。金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的復(fù)合更有可能開發(fā)出多功能的功能材料。由于這幾類材料的聲、光、電、熱、磁各物理性質(zhì)在本質(zhì)上有共同的地方，所以功能材料部分我們按電、光、磁的順序來介紹。這三種物理性質(zhì)用的較多

4、。對于電、光、磁本質(zhì)的了解可以使我們?nèi)菀桌斫庑涡紊墓δ懿牧?。第一?jié)結(jié)構(gòu)材料1.材料在承載時發(fā)生的變化1.1.1彈性、塑性、強(qiáng)度、韌性無論是何種材料，在載荷的作用下，都要產(chǎn)生一些變化，我們管它叫變形。最明顯的是，一根橡皮筋受拉會變長，去除拉力后又恢復(fù)了原樣；但若是一根鐵絲，我們可以很容易將其彎曲，但卸載后，彎曲形狀還會保持。能恢復(fù)的變形稱之為彈性變形，不能恢復(fù)的變形稱之為塑性變形。顯然，不同材料，發(fā)生彈性變形、塑性變形的難易程度不同。載荷與絕對變形的關(guān)系可用來評價材料的變形能力，但其中含有尺寸因素的影響。工程上，是用應(yīng)力

5、與應(yīng)變間的關(guān)系來衡量材料的變形能力。應(yīng)力σ=P/A0。式中P為載荷。A0為試件的起始橫截面積；應(yīng)變ε=△L/L0，即試件相對變形的大小。L0為試件的長度，△L為在載荷作用下試件的伸長。當(dāng)材料發(fā)生彈性變形的時候，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，即σ＝Eε20，這就是著名的虎克定律，E被稱為楊氏模量，一般稱為彈性模量，是材料彈性性能的表征。從微觀上講，材料彈性變形是外力作用所引起的原子間距離發(fā)生可逆變化的結(jié)果。因此，材料對彈性變形的抗力取于原子間作用力的大小，也就是說，與原子間結(jié)合鍵類型、原子大小、原子間距離有關(guān)。在工程上，絕大部分結(jié)構(gòu)

6、件和機(jī)器零件，都是在彈性狀態(tài)下工作，不允許發(fā)生塑性變形。因此人們十分關(guān)注材料抵抗塑性變形的能力，表征這種能力的是一些強(qiáng)度指標(biāo)。圖3-1是低碳鋼、陶瓷、橡皮的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從中我們可以看出，陶瓷只有彈性變形階段且彈性變形量很小，即只有應(yīng)力－應(yīng)變間呈直線關(guān)系段；橡皮的彈性變形所需載荷很小，彈性變形量很大；低碳鋼彈性變形量小，塑性變形量較大。下面我們以合金鋼的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線（圖3-2）來進(jìn)一步介紹材料的強(qiáng)度、塑性、韌性。σ-ε間關(guān)系－旦偏離線性就表示材料的塑性變形開始了，如加載至圖3-2的A點(diǎn)后卸載，應(yīng)變沿AB線變化，

7、當(dāng)載荷降至零時應(yīng)變不為零，這殘余的應(yīng)變就是塑性變形。通常將發(fā)生0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度，記作σ0.2或σy，用以表示材料發(fā)生明顯塑性變形的抗力，這是一個很重要的衡量結(jié)構(gòu)材料性能的指標(biāo)。在圖3-2中，還可以看到有一最大的應(yīng)力值，稱之為抗拉強(qiáng)度或叫強(qiáng)度極限σb。與圖3-2的應(yīng)力應(yīng)變曲線對應(yīng)的材料的實(shí)際變形情況見圖3-3，發(fā)現(xiàn)屈服后隨應(yīng)力增加材料均勻變細(xì)，當(dāng)應(yīng)力出現(xiàn)最大值，材料的變形就開始集中在某一局部區(qū)域，好象人的脖子局部變細(xì)，稱之為出現(xiàn)了“頸縮“。一旦頸縮出現(xiàn)，材料的完全斷裂就為期不遠(yuǎn)了。但從圖3-2可見，頸縮后

8、應(yīng)力是減小的，為什么應(yīng)力小還能將材料拉斷呢？問題出在應(yīng)力的計(jì)算上。你能想出具體的原因在哪兒嗎？答案在習(xí)題一欄中。根據(jù)變形情況可知，σb是材料發(fā)生最大均勻變形的抗力，是材料在拉伸條件下所能承受的最大負(fù)荷的應(yīng)力值。這個值是設(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一，也是材料主要機(jī)械性能指標(biāo)之一，尤其對于象陶瓷那樣的沒有塑性變