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2 1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。

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。

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，是用应力与应变间的关系来衡量材料的变形能力。

应力(T = P/A o。

式中P为载荷。

A o为试件的起始横截面积；应变 & = △ L / L o,即试件相对变形的大小。

L o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(7= E & ,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一应变曲线(图3-2 )来进一步介绍材料的强度、塑性、韧性。

(T- &间关系一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，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 d 0.2或厅y,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 d b o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， d b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形的材料。

材料的塑性是以断裂后的塑性变形大小来表示的。

拉伸条件下，可用延伸率S和断面收缩率2表示,请自己分析一下该怎样求•实际实验中3 =(L f-L o)/ L o X 100%, ® =(A o-A f)/A o X 100%,其中L f、A分别表示断裂时试样的伸长与横载面积。

虽然在材料承受载荷的能力上是靠强度，但塑性这个指标也很重要。

因为若是强度高、塑性低，则材料在最终断裂前无任何征兆出现，这是相当危险的。

如自行车高速转弯时，车轮可能会撞击人行道边缘，受到一个超过屈服强度的应力，若所用材料塑性好，则轮箍会弯曲，有可能还能修复，若材料塑性差，则车轮就会破碎，可以想象的出，造成的后果要严重的多。

一般来讲强度高的材料塑性低，塑性高的材料强度低。

真正好的材料应该是强度和塑性都高，也就是 d - &曲线下所包围的面积应该大。

这个面积反映了材料发生断裂时外界做功的大小，这个量称之为韧性。

与韧性相对的是脆性，实际表现是材料在很低的应力下(常常低于屈服应力)发生突然的断裂。

特别注意脆性和塑性不互为反义词，尽管脆性材料往往塑性很差，如玻璃。

1.1.2硬度日常生活中，人们对材料的评价往往爱用“软” 、“硬”来描述，如铅就被认为软，钢就被认为硬。

实际上，“软”、“硬”与前面我们所讲的材料的强度密切相关。

在工程上，为了在不破坏工件的情况下，方便地成批检验产品的质量，在对结构材料的性能评价上，还确定了“硬度”这样一个性能指标。

本质上一般可以认为，硬度是指材料表面上不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。

根据不同的实验方法，硬度值的物理意义有所不同。

如压入法的硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形抗力；刻划法硬度值表示材料表面局部破裂的能力。

在生产上使用最广泛的是静负荷压入法试验，根据压头形状、材料及加载大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度，它们适用于不同的材料。

各种硬度的压头形状、材料、载荷、运用范围等见表3-1 o实践证明材料的强度越高，硬度值也越高。

材料的各硬度值之间、硬度和强度之间有近似的对应关系。

我们简单介绍一些，对大家今后检验材料也许是有用的。

非淬火钢 d b=0.362HB HB>175d b=0.345HB HB <175碳钢 d b=2.5HS2d b=51.32 X 104/(100-HRC) HRC<10铸钢 d b=(0.3-0.4)HB3d b=8.61 X 10/(100-HRC) HRC>401.1.3断裂韧性机械零件的脆性断裂和材料的脆性检测是工程技术中必须解决的一个重要问题。

在工程设计中，是用屈服强度d 0.2并考虑一定的安全系数来确定结构材料的许用应力[d ] 的，即[d ] < d 0.2/n , n>1, n就是安全系数。

按图3-2，机械零件在[d ]下工作不仅不会发生塑性变形，更不会断裂，然而事实并非如此。

大量事例的实验分析表明，低应力脆断总是由材料中缺陷引发的裂纹扩展引起的。

这些缺陷可能是在材料制备过程中产生的，也可能是在加工过程中产生的，还可能是在使用中形成的，因而是难以避免的。

这就是说，在实际应用中，材料在承受载荷后，还可能导致已有微裂纹的扩展，当裂纹尺寸到达某个临界值时突然断裂。

这个引起破坏的临界裂纹长度和相对应的应力大小对于不同材料是不同的。

二十世纪六十年代发展的断裂力学对此给出了规律性的解释。

其中最重要的是应力强度因子的概念。

这个应力强度因子表示了裂纹在外界名义应力作用下，处于弹性平衡状态时，裂纹尖端附近应力场的强弱，也就是说，应力强度因子确定了裂纹尖端附近各点的应力大小。

对于含有裂纹的机械另件，在外力作用下裂纹扩展有三种类型：张开型、滑移型和剪切型（图3-4 ）,对于这三种不同类型的裂纹扩展，其应力强度因子不同，分别用Ki、K n、心表示，其中张开型裂纹扩展是最常见、最危险的情况，我们重点介绍这种类型。

断裂力学的分析计算表明K I二* a，式中Y是裂纹的形状因子，表示不同几何形状的裂纹尖端前的应力分布是不同的，d是外界施加的名义应力，a是裂纹长度。

从K i的表达式中可以看出，当名义应力确定时，随着裂纹a的增加K i也增加，我们把裂纹扩展至产生突然断裂的裂纹长度叫作临界值裂纹长度a c,与这个临界裂纹长度a c 对应的临界应力强度因子就叫做断裂韧性，记作K c,它是一个材料常数，既对于某种特定的材料，在一定条件下它有确定的值。

另外，我们还可以发现，如果要使材料能承受高的名义应力，则材料内的微裂纹尺寸就必须尽可能短。

在此特别要注意应力强度因子和断裂韧性是二个完全不同的概念，一定要把他们分清楚。

现在，重要的机件，特别是航空航天所用机件设计，其强度指标除考虑屈服强度外都必须根据断裂韧性进行进一步的核准，明确所允许的临界裂纹尺寸。

1.2 金属材料1.2.1 金属材料在国民经济中的作用金属材料是人类发展和应用的最古老的材料，可以上溯至5000年的“青铜器时代”。

近半个世纪来，金属材料从原来几乎一统天下的地位部分地为其他新材料取代，但这并非是“夕阳西下”，而是正朝着高性能化、复合化、多功能化和智能化方向发展。

可以预见，至少在二^一个世纪，金属材料在现代社会材料消费中仍占主导地位。

在金属材料中，钢的用量最大，目前全球年消耗达八亿多吨。

尤其对我们国家更是如此。

国家科技部主任宋健同志说过：中国的工程建设才刚刚拉开序幕，其高潮将发生在21 世纪上半叶，根据我国国情，中国的建设起码还要半个世纪。

以我国高速建设为例，现在总长度也不过 1 万多公里，试想若把各省间大城市都联结起来，得需要多钢、多少水泥，还不要说大桥、港口、码头等。