工程材料复习

什么是工程材料？

机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。用来
制造工程构件和机械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能的材料。

课程学习内容

1. 晶体学基础
2. 晶体缺陷
3. 固体金属的扩散
4. 金属材料的力学性能
5. 金属材料塑性变形与强化
6. 金属材料的失效

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7. 二元合金相图
8. 相变
9. 金属材料与热处理
10. 高分子材料
11. 陶瓷材料
12. 复合材料
13. 典型先进材料及其应用
14. 材料科学的研究进展及发展趋势

一、晶体学基础

原子的结合方式

结合键：原子结合形成分子或固体时的结合力。本质是原子核和电子间的静电交互作用（库仑力）。可以分为化学键和物理键两种

化学键：

1. 离子键：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键
2. 共价键：由两个或多个电负性相差不大的原子之间通过共用电子对而形成的化学键。
3. 金属键：金属中的自由电子与金属正离子之间相互作用所构成的一种结合键。

物理键：

1. 氢键：一种存在于HF、H₂O、NF₃等分子之间的极性分子键。
2. 分子键：通过相邻原子的瞬时感应电场的交互作用，使原子之间产生静电引力而形成的键。

晶体结构

• 晶体结构：指晶体内部原子（或离子、分子）在三维空间中有规则的、周期性的排列方式。
• ​晶格​：为了形象地描述晶体中原子的排列规律，将构成晶体的原子抽象为一系列几何点，这些点所形成的三维空间格子称为晶格。
• 晶胞​：能够完全反映整个晶格（晶体结构）特征的最小几何单元。通过晶胞在三维空间的重复堆砌，可以构成整个晶格。
• 晶格常数​：用于描述晶胞形状和大小的一组参数。通常用晶胞三条棱边的长度 a, b, c 和三条棱边之间的夹角 \(\alpha\), \(\beta\), \(\gamma\) 来表示
• 原子半径​：定义为晶胞中原子密度最大的方向上，两个相邻原子中心距离的一半
• 晶胞原子数​：指一个晶胞内所实际包含的完整原子的数目。
• 配位数​：在晶格中，与任何一个原子距离最*且距离相等的原子数目。配位数是衡量原子排列紧密程度的重要指标，​配位数越大，原子排列越紧密​。
• ​致密度​：​晶胞中所有原子自身所占体积的总和与整个晶胞体积的比值。

\[K=\frac{nv}{V} \]

$K$：致密度
$V$：一个晶胞的体积
$n$：晶胞的与原子数
$v$：一个原子的体积

常见的晶格类型

体心立方晶格BCC（Body-centered cubic）

八个原子占据立方体八个角，在立方体的体积中心还有一个原子

晶胞原子数：2
原子半径：$r=\frac{\sqrt{3}}{4}a$
配位数：8
致密度：0.68

面心立方晶格FCC（Face-centered cubic）

八个原子占据立方体八个角，在立方体各面中心还有一个原子

晶胞原子数：4
原子半径：$r=\frac{\sqrt{2}}{4}a$
配位数：12
致密度：0.74

密排六方晶格HCP（Hexagonal Close Packed）

以12个原子为顶点构成简单六方柱体，在柱体上下两个底面中心还各有一个原子，另在两个底面之间还有三个原子

晶胞原子数：6
原子半径：$r=\frac{1}{2}a$
配位数：12
致密度：0.74

三种典型的金属晶格所对应的常见金属的离子如下：

晶格类型	常见金属例子
体心立方BCC	α-Fe、Cr、W、Mo、V
面心立方FCC	Cu、Au、Ag、Al、γ-Fe
密排六方HCP	Mg、Zn、α-Ti

晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。

晶体几何性质

晶面：晶格中原子中心所构成晶向：

晶面：晶体中穿过两个以上原子中心的方向（直）线

晶面、晶向指数：表示各种晶面和晶向位向的统一标号的*面。

（1）立方晶体中晶面指数的确定及表示方法

1. ​确定坐标系​：选择原点、坐标轴（a, b, c）和单位长度。
2. ​求截距​：找出待定晶面在三个坐标轴上的截距。
3. ​取倒数​：取这些截距的倒数。
4. ​化简并加括号​：将倒数化为最小整数，加上圆括号“( )”，如（110）。

若截距为负，则在对应指数上方加负号，如（$ 1 \bar 1 1$）表示有一个轴截距为负。

（2）立方晶体中晶向指数的确定及表示方法

1. ​确定坐标系​：同样选择原点、坐标轴和单位长度。
2. ​引*行线​：通过原点作一条与所求晶向*行的直线。
3. ​求坐标​：取该直线上任意一点的坐标值。
4. ​化简并加方括号​：将坐标按比例化为最小整数，加上方括号“[ ]”，如[122]。

（3）六方晶系晶面和晶向表示方法*

（4）晶面族{hkl}及晶向族<uvw>
晶面族{hkl} ：表示位向不同但其原子排列相同的一组晶面
晶向族<uvw>:表示方向不同但其原子排列相同的一组晶向

{100}表示(100)、(010)、(001)等一组晶面
<100>表示[100]、[010]、[001]等一组晶向

密度：
晶面原子密度＝该面积上的原子数/面积
晶向原子密度＝该长度上的原子数/晶向长度

密排面：原子间彼此相接触的晶面，最密排的晶面
密排方向：原子间彼此相接触的晶向，最密排的晶向

晶格类型	密排面	密排面数量	密排方向	密排方向数量
体心立方晶格		6	<111>	4
面心立方晶格		4	<110>	6
密排六方晶格	六方底面	1	底面对角线	3

晶体与非晶体

晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。
非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。

晶体的各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，导致了晶体在不同方向上的性能不同的现象。
各向异性是晶体区别于非晶体所特有的一个重要标志

同素异构：随温度和压力变化，材料呈现出不同的结构

二、固体缺陷

3.1 点缺陷
– 3.1.1 空位和自间隙原子
– 3.1.2 固体中的杂质
– 3.1.3 点缺陷的*衡浓度
3.2 线缺陷
– 3.2.1 位错的类型与特点
– 3.2.2 柏氏矢量（不要求）
– 3.2.3 位错的运动（不要求）
– 3.2.4 位错密度
– 3.2.5 位错的起源与增殖（不要求）
3.3 面缺陷
– 3.3.1 外表面
– 3.3.2 晶界与亚晶界
– 3.3.3 孪晶界与相界
3.4 体缺陷
3.5 微观组织的实验观测（不要求）

晶体缺陷

晶体缺陷（crystal defect）：晶体中各种偏离理想结构的区域
空间点阵周期性规则排列被破坏的区域，显著影响结构敏感材料性能

点缺陷（point defect）——空位、间隙原子、置换原子

三维空间的各个方向均很小，零维缺陷 (zero-dimensional defect）

形成原因：
（1）热运动：强度是温度的函数

能量起伏->原子脱离原来的*衡位置而迁移别处->空位（vacancy）->晶体表面的Schottky空位/晶体间隙的Frenkel空位

（2）冷加工
（3）辐照

造成局部晶格畸变，使金属的电阻率增加；屈服强度增加，体积膨胀，密度减小。

点缺陷的*衡浓度：一定量（通常$ 1 m^3 $）的材料中空位的*衡数量取决于温度，并随温度呈指数型增长。

\[\frac{N_v}{N}=e^{\frac{-Q_v}{kT}} \]

缺陷数$N_v$，绝对温度$T$，波尔兹曼常数$k$
点阵节点总数$N$：原子位置的潜在总数量（通常$ 1 m^3 $的材料）
空位形成能$Q_v$：形成一个空位所需的能量（$J/mol$）
$v$：一个原子的体积

金属中的杂质原子
杂质原子B加入基体金属A得到两种产物：

1. 固溶体(Solid solution) B为溶质，A为溶剂：Cu-Ni置换固溶体、Fe-C间隙固溶体
   保持结构不变、不产生新结构
2. 固溶体(Solid solution) B为溶质，A为溶剂 + 第二相粒子(富B)
   第二相粒子成分不同、结构不同

休姆-罗瑟里（Hume-Rothery）准则（1+2是形成无限固溶体的必要条件！e.g.Ni-Cu 无限互溶）

1. r (原子半径差) < 15%
2. 纯金属具有相同晶体结构
3. 电负性相*
4. 价电子：电子浓度=价电子总数/原子总数，电子浓度越低，越有利于溶入。

线缺陷——位错（dislocation）

位错：它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区，长度可达几百至几万个原子间距，宽仅几个原子间距。晶体在滑移面上已滑移区与未滑移区（或局部位移区与未变形区）的边界线

线缺陷——位错（线）：刃型位错

1. 存在一个多余的半原子面，刃口线为刃型位错线EF。
2. 刃型位错线不一定是直线，可以是折线或曲线。
3. 刃型位错中位错线EF与滑移矢量b互相垂直。
4. 刃型位错线附*既有切应变又有正应变。

线缺陷——位错（线）：螺型位错

1. 螺型位错线EF与滑移方向b*行，因此一定是直线
2. 螺型位错线周围的点阵也发生了弹性畸变
3. 只有*行于位错线的切应变而无正应变，即不会引起体积膨胀和收缩

位错线可以借助于透射电镜观察到，呈一黑线。
位错密度：单位体积中的位错长度/与单位面积的任意截面相交的位错数

\[\rho = \frac{\sum L}{V} \]

位错对材料性能的影响：
1、线缺陷（位错）造成晶格畸变，产生内应力。
2、刃型位错容易吸纳异类原子。
3、位错在外力作用下，能产生移动。
金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度

面缺陷——晶界和亚晶界

晶界：多晶材料中分隔两个具有不同结晶取向的小晶粒或晶体的边界，其几何特征是在一个方向上尺寸很小（通常几个原子层厚），在另两个方向上尺寸很大。可以把它看作是一种位错的堆积或称“位错墙”

孪晶界：孪生晶界是一种特殊类型的晶界，它之间有一个特定的镜像晶格对称。

面缺陷（晶界）对材料性能的影响：

1. 晶界处存在较多空位、位错，容易吸附异类原子。
2. 在相变时，晶界越多，新相晶粒越细。
3. 晶界和亚晶界阻碍位错运动，提高金属的强度。晶粒越细，金属的强度越高。
4. 晶体越细，金属的塑性越好。细化晶粒是提高金属强度及塑性的有效途径。

体缺陷——孔隙、裂纹、夹杂

体缺陷：所有固体材料中都存在其他缺陷，如果在任意方向上缺陷区的尺寸都可以与晶体或晶粒的线度相比拟。

三、固体金属的扩散

扩散（Diffusion）：大量原子的热运动引起的物质的宏观迁移，扩散是固体中原子迁移的唯一方式。
气体/液体扩散：随机（布朗）运动
固态金属扩散：空位扩散或间隙扩散

扩散现象

互扩散

互扩散: 在合金中, 原子倾向于从高浓度区域迁移到低浓度区域。
-下坡扩散：是指沿浓度梯度下降方向进行扩散，其结果使浓度趋于均匀化。
-上坡扩散：则是指沿浓度梯度升高的方向扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，其结果是使浓度发生两极分化。（例如在场力作用下会发生上坡扩散）

自扩散

自扩散: 没有浓度差的扩散。
对性能没有特别的影响，不伴有浓度梯度变化的扩散，这类扩散与浓度梯度无关，只发生在纯金属和均匀固溶体中

按扩散优先发生的部位划分：

1. 晶内扩散（体扩散）
2. 晶界扩散
3. 表面扩散
4. 晶格内面扩散（网格状扩散）
5. 选择性扩散

扩散机理

空位扩散：原子和空位交换，主要适用于置换固溶体
扩散速率取决于：空位的数量、用于交换的活化能

间隙扩散：间隙原子在原子之间扩散
比空位扩散快

扩散的基本定律

扩散通量：量化扩散的量或扩散的速度

\[J \equiv Flux（扩散通量）\equiv \frac{通过的物质的量或质量}{表面积 \times 时间}= \frac{mol}{cm^2s}或 \frac{kg}{m^2s} \]

扩散通量的经验测量方法：制作表面积已知的薄膜->施加浓度梯度->测量原子或分子通过膜扩散的速度

稳态扩散：扩散速率与时间无关

Fick第一定律

\[J_x=-D\frac{dC}{dx} \]

x方向扩散通量$J_x$、扩散系数$D$、浓度梯度$\frac{dC}{dx}$

扩散系数：描述原子扩散能力的基本物理量，不是常数, 随温度升高而增大。

扩散激活能：
晶体中，原子从一个位置移动到另一个位置必须具有一定的能量Q，以便克服周围原子对该原子的作用力。能量Q是原子脱离某位置所必须越过的能垒值，称为原子的激活能。
激活能的值取决于物质本性、晶体点阵类型、激活原子种类等。此外晶体中的缺陷也与激活能有关。一般来说，点缺陷的数量越多，激活能就越小。

银的自扩散激活能的实验值：

扩散机制	激活能 (kJ/mol)
空位机制	185 ～ 193
位错机制	81
晶界机制	84.6
表面机制	43.6

位错扩散与晶界扩散的激活能相*，仅有空位扩散(体扩散)激活能的一半
表面扩散激活能仅有体扩散的1/4

非稳态扩散：扩散浓度是时间和位置的函数

Fick第二定律

\[ \frac{\partial C}{\partial t}=D\frac{\partial ^2 C}{\partial x ^2} \]

简化后用公式：

\[ \frac{C(x,t)-C_0}{C_s-C_0}=1-erf(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}) \]

其中

\[ erf(z)=\frac{2}{\sqrt{\pi}}\int_{0}^{z}e^{-y^2}dy \]

柯肯达尔（kirkendall）效应*
两种不同金属相接触并发生扩散，接触界面要移向熔点低的金属一侧，并在低熔点金属一边形成分散的或集中的空位，其总数超过*衡空位浓度；另一边的空位浓度将减少至低于*衡空位浓度。

\[D=\frac{v \alpha^2}{6} \]

原子跳动频率$v$、原子跳动*均距离$\alpha$

扩散影响因素

外因：温度、杂志、固溶体类型
内因：扩散物质性质、扩散介质结构、位错、晶界、表面晶体结构

基体金属的性质：同一元素在不同基体金属中扩散时，其扩散参数各不相同。一般规律是，基体金属的结合越强，熔点就越高，其扩散激活能就越大，扩散也就越困难。
扩散元素的性质：扩散元素在基体金属中所造成的晶格畸变越大，则扩散就越容易，激活能也越小。所以，扩散元素与基体金属的原子半径相差越大，固溶度越小，扩散就越快。
扩散元素的浓度：扩散系数D与扩散元素的浓度有关，浓度越高，则D值越大，扩散就越快。
合金元素：在基体金属中含有其它合金元素时，会对扩散产生很大影响。例如: 对于碳在γ-Fe中的扩散，Cr、Mo、W强烈阻碍碳的扩散，而Si、Mn、Al的影响则不大。
晶格类型：同一元素在不同晶格的基体金属中扩散时，扩散系数大不相同，并且扩散具有各向异性。这在六方晶格金属中比在立方晶格金属中表现的更为明显。在密排六方金属中*行于Z轴的扩散要比垂直于Z轴的扩散快一些。
晶体缺陷：金属晶体中的空位、位错、晶界和表面等晶体缺陷在扩散过程中起着重要的作用。增加缺陷密度会加速金属原子和置换原子的扩散，而对于间隙原子来说，一方面会加速其扩散，另一方面会促使其偏聚，反而阻碍其扩散，所以变化比较复杂。

利用扩散的加工过程

表面渗碳：将碳原子扩散到材料表面的铁原子中。齿轮的表面硬化利用了间隙扩散。
-难变形：碳原子“锁”住剪切面
-抑制开裂：富碳使得表面产生压应力

扩散焊接：在压力和温度作用下，局部点首先达到塑性变形，形成可靠接触；接触界面原子相互扩散；接触部分形成的结合层，逐渐向体积方向发展，形成可靠连接接头。

summary

扩散在以下条件更快：开放结构、次价键材料、阳离子、低密度材料
扩散在以下条件更慢：密排结构、共价键材料、阴离子、高密度材料

四、金属塑性变形与强化

金属材料的性能，参考链接刚度，强度，硬度，挠度，弹性，韧性，刚性，塑性

刚度（Stiffness）：物体抵抗变形的能力。它描述了在受力情况下物体变形的难易程度。
e.g.一根很难弯曲的钢棒比一根容易弯曲的橡皮管具有更高的刚度。

强度（Strength）：物体在断裂或永久变形前所能承受的最大应力。
e.g.建筑中的钢梁需要很高的强度来支撑大楼的重量。

硬度（Hardness）：物体抵抗局部塑性变形（如刮痕、凿痕）的能力。
e.g.钻石很难被划伤，因此它是非常硬的材料。

挠度（Deflection）：物体在受力后发生的弯曲程度。
e.g.悬臂梁在受力后下垂的程度就是挠度。

弹性（Elasticity）：弹性是物体在去除外力后恢复到原始形状和尺寸的能力。
e.g.橡皮筋拉伸后能够恢复原状，因为它有很好的弹性。

韧性（Toughness）：韧性是材料吸收能量并在断裂前进行塑性变形的能力。
e.g.青铜比陶瓷具有更高的韧性，因为它在断裂前能弯曲和变形。

刚性（Rigidity）：刚性是物体抵抗变形的能力，不仅限于弯曲，也包括扭曲和压缩等。
e.g.钢结构的桥梁需要很高的刚性来确保它不会变形

塑性（Plasticity）：物体在不发生断裂的情况下进行永久变形的能力。
e.g.金属在锻造过程中表现出很好的塑性，因为它们能在不破裂的情况下被拉伸和成型。

弹性变形、塑性变形

可见材料力学整理

泊松比：表征材料在一个方向拉伸变形后其它方向的收缩程度

屈服强度：材料出现明显应变时的应力。
抗拉强度：材料断裂前所承受的最大应力值。

硬度测量*

布氏硬度：一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, 计算硬度值。
优点：压痕面积较大，重复性好
缺点：操作较繁琐、压痕较大（浪费）

洛氏硬度：采用金刚石压头(或钢球压头)， 加预载荷F0 ，压入深度h0 。再加主载荷F1 。卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h, 用h与h0之差△h来计算洛氏硬度值。硬度直接从硬度计表盘上读得。
优点：操作简捷、试验压痕小，测试硬度值范围宽，可测试硬度较高材料
缺点：压痕较小，重复性差

维氏硬度：是将相对面夹角为136°的正四棱锥体金刚石压头，以选定的试验力(49.03～980.7N)压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的压痕对角线长度来计算硬度。
优点：精确载荷小、压痕浅，适用于测量零件表面薄的硬化层、镀层及薄片金属的硬度
缺点：载荷可调范围大，对软硬材料均适用

五、金属塑性变形与强化

塑性变形机制

主要：位错滑移（刃型、螺型和混合位错）
辅助：位错攀移（刃型位错）、位错交滑移（螺型位错）
次要：孪生（当滑移难以进行时的一种塑变形式）

graph TD A[位错滑移] --> B[位错塞积、应力集中] B --> C[断裂] B --> D[障碍物另侧塑变] B --> E[交滑移、攀移] E-->F[继续滑移] G[孪生]-->F C-->H[应力松弛] D-->H F-->H

位错滑移

金属在切应力作用下通过位错滑移产生永久塑性变形，位错滑移是沿滑移面金属间结合键逐次断裂和重新连接的过程，并非整体刚性移动
宏观的塑性变形是在切应力作用下，位错运动（滑移）导致的永久变形。

滑移面：位错线与其滑移方向（伯氏矢量）组成的潜在滑移面

位错攀移

在高温下原子扩散或外加应力（垂直于半原子面的正应力）的作用下，位错的半原子面扩大或缩小，导致位错线沿滑移面法线方向的运动。

位错运动与晶体结构

在切应力作用下，位错倾向于沿密排面（滑移面）上的密排方向（滑移方向）发生滑移，此时位错运动引起的晶格畸变最小。

滑移系：一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。
-滑移面：最容易发生滑移的面，一般为晶体原子的密排面。
-滑移方向：位错滑移的方向，一般为晶体原子的密排方向

位错滑移的条件

其中，\(\phi\)是力的作用面法向量与滑移面法向量之间的夹角，\(\lambda\)是拉应力方向与滑移方向之间的夹角

当切应力大于临界切应力即可发生位错滑移

多晶体的塑性变形

1. 晶界阻碍位错运动：多晶体材料中，存在许多晶界, 阻碍位错的运动, 使变形抗力增大。
2. 晶粒位向的影响：不同晶粒之间的滑移面和滑移方向不一致。
3. 晶粒大小的影响：金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。

通过轧制多晶金属诱导各向异性的屈服强度

金属的强化机理

1. 细晶强化

晶界阻碍位错运动->晶界阻碍随着结构错位的增加而增强->晶粒尺寸越小，晶界阻碍越多

屈服强度与晶粒尺寸的关系：\(\sigma _y=\sigma_0+k_y d^{-\frac{1}{2}}\)

2. 固溶强化

杂质原子扭曲晶格并产生晶格应变。应变可以阻碍位错运动。

小杂质原子倾向于集中在位错（压缩应变区域）位错压缩应变和杂质原子拉伸应变的部分抵消，降低位错的迁移率并提高强度。
大杂质原子倾向于集中在位错（拉伸应变区域）位错拉伸应变和杂质原子压缩应变的部分抵消，降低位错的迁移率并提高强度。

3. 加工硬化

应变强化，指的是在发生塑性变形后，延展性好的材料，其硬度和强度都得到提高的现象。绝大多数金属在室温下都进行应变强化，也被称为加工硬化或冷作硬化。

-位错结构变化：冷加工后的位错相互之间产生纠缠，位错移动变得更加困难
-位错密度增加

->屈服强度提高、抗拉强度提高、延展性降低

热处理1个小时，会降低抗拉强度，提高延展性，加工硬化的效果消失

塑性变形金属的回复、再结晶和晶粒长大

金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。
对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程

回复（回复温度约为0.25~0.3熔点温度）

通过消除位错来降低位错密度

1. 通过原子扩散消除位错
2. 位错相互抵消

塑性变形后的金属在低温加热时，发生回复过程位错和点缺陷大大减少，内应力显著减低，强度、硬度略有降低。

再结晶

变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀细小的等轴晶粒，晶格类型不变，该过程称为再结晶。

发生再结晶的温度是一个温度范围，并非一恒定温度。
再结晶温度指的是最低再结晶温度。用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属，经1小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。
最低再结晶温度约为0.3~0.6熔点温度

对特定的金属或合金，冷作硬化率、金属纯度越高，最低再结晶温度越低
（冷作硬化率：金属在冷变形过程中硬度、强度随变形量增加而上升的速率，是衡量材料冷作硬化效应强弱的核心指标。）

晶粒长大

随着加热温度升高，加热时间增加，晶界迁移、晶粒合并长大
经验公式（n约等于2）：

\[d^n-d_{0}^n=Kt \]

冷加工与热加工

以再结晶温度进行划分：低于再结晶温度的加工为冷加工，高于再结晶温度的加工为热加工。

金属的塑性加工

塑性变形—金属材料在外力作用下产生变形，当外力去除后不能恢复的变形。
特点：金属在外力作用下借助于塑性变形获得一定的形状和尺寸。

六、金属材料的失效

零件的失效形式

变形失效

过量弹性变形失效：零件由于产生过大的弹性变形而失效。

过量塑性变形失效：零件承受的应力超过其材料的屈服强度时发生塑性变形，过量的塑性变形会使零件的相对位置发生变化，使整个机器运转不良。

蠕变变形失效：受长期固定载荷的零件，在工作中尤其是在高温下发生蠕变（即在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加的现象）。

强度失效

韧性断裂失效：零件承受的载荷大于零件材料的屈服强度，断裂前零件有明显的塑性变形，尺寸变化明显，断面缩小，断口呈纤维状。

脆性断裂失效：零件在低于其材料的韧脆转变温度以下工作时，其韧性和塑性大大降低并发生脆性断裂而失效。

疲劳失效：零件在承受交变载荷时，尽管应力的峰值在抗拉强度甚至在屈服强度以下，但经过一定周期后仍会发生断裂。

蠕变失效：在高温下工作的零件，当蠕变变形量超过一定范围时，零件内部产生裂纹而很快断裂，有些材料在断裂前产生颈缩现象。

表面损伤

磨损失效：相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面发生损耗或产生塑变，使金属状态和尺寸改变的现象。

腐蚀失效：零件暴露于活性介质环境中并与环境介质间发生化学和电化学作用而造成零件表面损耗，引起尺寸、性能变化，导致失效。

表面疲劳失效：相互接触的两个运动表面，在工作过程中承受交变接触应力的作用而导致表面层材料发生疲劳而脱落，造成失效。

1. 断裂失效

断裂失效是研究含裂纹结构在载荷作用下的力学行为

韧性断裂：伴随有显著的塑性变形，一个零件、大变形

颈缩->孔洞形核->孔洞扩展并相互连接->表面剪切->断裂

脆性断裂：轻微或没有塑性变形，多块碎片、小变形

缺陷导致的应力集中（Griffith 裂纹）

尖端尖锐的裂纹比尖端钝的裂纹更容易扩展 塑料材料在裂纹尖端变形，使裂纹变“钝”。

裂纹处能量守恒：弹性应变能，应变能是材料弹性变形时储存的能量当裂纹扩展时，这种能量被释放出来创建新的裂纹表面需要能量

裂纹扩展准则

含裂纹结构断裂模式

1. 张开型 Opening mode：断裂面分离
2. 滑开型 Sliding mode：两个断裂面沿垂直于裂纹前缘的方向发生相对滑动
3. 撕开型 Tearing mode：两个断裂面沿*行于裂纹前缘的方向发生相对滑动

抵抗裂纹生长的设计

裂纹生长的条件：裂尖应力强度因子\(K>K_c=Y\sigma \sqrt{\pi \alpha}\)

1. 根据最大的裂纹设计规定应力。
2. 根据规定应力确定最大允许的裂纹尺寸。

冲击试验

温度对材料断裂韧性值的影响

韧脆转变温度 (DBTT）：在脆性转变温度区域以上，金属材料处于韧性状态，断裂形式主要为韧性断裂；在脆性转变温度区域以下，材料处于脆性状态，断裂形式主要为脆性断裂。 脆性转变温度越低，说明钢材的抵抗冷脆性能越高。

2. 疲劳失效

循环载荷->细观损伤微孔洞->微裂纹->宏观裂纹

在应力远低于给定的材料的极限强度时，结构受到重复载荷产生的循环应力可导致相关材料发生微观物理损伤，并不断累积，从而造成构件失效。
关键参数：应力幅值, *均应力, 循环频率

疲劳极限：材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。钢铁材料规定次数为\(10^7\)，有色金属合金为\(10^8\)
并非所有的金属都有疲劳极限，铝没有疲劳极限

疲劳裂纹生长率

提高疲劳寿命

1. 提高表面压应力（抑制表面裂纹的生长）
   -1. 喷丸
   -2. 渗碳
2. 减少或消除应力集中

3. 蠕变失效

而随着时间的推移逐渐发生的进一步变形被称为蠕变变形。

温度对蠕变的影响

对于不同的材料，随温度与应力的变化，由于产生蠕变变形的机理不同，蠕变曲线的形式不同

第二阶段蠕变

蠕变失效

沿着晶粒边界发生失

蠕变断裂寿命的预测

二元合金相图

合金的相结构

组元：构成合金的基本成分，包括纯金属与金属化合物
合金系：指给定组元在不同配比下配制出的一系列合金，这一系列合金构成一个合金系

相：相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。
固溶体：合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体
随溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。

金属化合物：合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物
金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。

组织：显微镜中金属材料内部的微观形貌，由数量、形态、大小和分布方式不同的一种或几种相组成

二元匀晶相图

相图：是表示合金系中合金在*衡条件下各相的存在状态与温度、成分间关系的图解，又称状态图或*衡图。几乎所有的相图都是通过实验得到的。
相*衡：在合金系中，参与结晶或相转变过程中的各相之间相对重量和相的浓度不再改变时所达到的一种*衡。所以，相图上相及组织都是在十分缓慢冷却条件下获得的。

匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的二元合金系所形成的相图。

1. 二元系统，仅有两种组分(如Cu-Ni Cu-Au Au-Ag Fe-Ni)
2. 同构：两组组分可以任意比例互溶

匀晶相图

3. 杠杆定律

杠杆定律

4. 非*衡组织转变（枝晶偏析）：结晶实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散。在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。
   如果冷却较快, 原子扩散不能充分进行, 则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多, 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多。造成在一个晶粒内化学成分分布不均，这种现象称为枝晶偏析。
   生产上为了消除其影响, 常把合金加热到高温(低于固相线100 ℃左右), 并进行长时间保温, 使原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体, 这种处理称为扩散退火。

二元共晶相图

共晶反应：在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定且不相同的两个固相的转变，称为共晶转变（或共晶反应）

共晶相图组织组成物

共晶相图组织组成物确定

组织-性能的关系

两相机械混合物的合金：性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术*均值

1. 固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大, 树枝晶发达, 流动性降低, 补缩能力下降, 分散缩孔增加。
2. 共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中， 偏析小，铸造性能好。

共析反应：恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。
包晶反应：恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。

铁碳相图

相变

相变：在外界条件发生变化的过程中，物相中原来均匀的化学或结构在某一
特定条件下发生突变。
（1） 聚集状态变化 例子：相同化学组成的物质的 气 固 液
（2） 结构变化 例子：纯铁的同素异构转变
（3） 化学成分不连续变化 例子：固溶体的脱溶分解（如高温过饱和固溶体缓慢冷却过程中析出第二相）
（4） 更深层次序结构的变化并引起物理性质的变化 例子：顺磁体-铁磁体、顺电体-铁电体、正常导体-超导体间的转变

形核
晶核(晶胚)作为晶体生长的模板为了使原子核形成，原子向原子核的添加速率必须快于损失速率一旦成核，生长就会进行，直到达到*衡

温度差越大，形核驱动力越大
过冷(共晶、共析)
过热(包晶）

均匀形核：
--晶核在液态金属中形成
--需要相当大的过冷度(通常为80℃~300℃)
非均匀形核：
--更容易，因为已经存在稳定的“成核表面”，例如模具壁、液相中的杂质
--只需要非常小的过冷度(0.1-10ºC)

钢在加热时的转变

钢的实际临界转变温度总是滞后于理论临界转变温度，即加热时需要过热，冷却时需要过冷。

奥氏体晶粒度
实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。
本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。加热930±10℃，保温8h，冷却

影响因素
加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。
加热速度越快，过热度越大, 形核率越高, 晶粒越细。
合金元素

钢在冷却时的转变

过冷奥氏体：奥氏体被过冷至临界温度以下即处于不稳定状态，即将发生分解（即奥氏体转变为其他组织转变）。这种状态的奥氏体称过冷奥氏体。

冷却产物的判断

冷却产物的性能

钢的热处理

钢在固体下通过加热、保温、冷却的方法，改变钢的组织结构，获得所需要的性能的一种加工方法。
三大要素：加热 保温 冷却
主要特点：不改变工件的形状，仅改变钢的内部组织和结构。
关键条件：热处理过程中是否发生组织和结构的转变。

钢的热处理

graph TD A[冶炼、浇铸：成分、结晶] --> B[塑性变形：均匀组织、产生形变强化] B --> C[预备热处理：降低硬度、细化组织] C --> D[切削加工：初步形状、但性能不好] D --> E[最终热处理：调整性能、决定新能] E --> F[精加工：定形，不影响性能]

退火

过共析钢的*衡组织是二次渗碳体+珠光体。二次渗碳体沿着奥氏体晶界析出，包围晶粒呈网状分布，常称“网状渗碳体”。
这是钢材的一种组织缺陷。一般说来，热加工终了温度越高，随后冷却越慢时，网状碳化物也越严重。网状碳化物的存在，削弱了金属间的结合力，使钢的力学性能降低，尤其使冲击韧性下降，脆性增加，它易引起沿晶开裂，并降低钢的耐磨性

完全退火

将亚共析钢加热到Ac3+20~30oC，保温一段时间获得完全均匀奥氏体后，缓慢冷却（随炉或埋入石灰和砂中），以获得接**衡组织。组织产物：F+P
通过重结晶，使铸锻焊后的亚共析钢重新获得**衡组织，使组织均匀化、细化，降低硬度，改善切削加工性能。

球化退火：

将共析钢、过共析钢加热到Ac1+20~30oC，保温一段时间，缓慢冷却，以将网状或片状渗碳体转化为球状渗碳体的热处理工艺。
组织产物：主要用于过共析钢，铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。

加热温度不能过高，否则二次渗碳体易在慢冷时以网状的形式析出。需要2~4h保温时间，以保证二次渗碳体的自发球化。
随炉冷却通过Ar1温度范围时，应足够缓慢，以使
奥氏体进行共析转变时，以未溶渗碳体粒子为核心
形成粒状渗碳体。600oC以下出炉空冷。

降低硬度，改善切削加工性能：球状碳化物比片状碳化物硬度低，利于切削。
细化组织，为淬火做好组织准备：在淬火加热过程中，由于球状碳化物比片状碳化物较难溶于奥氏体，因而可以阻止晶粒长大，减少和防止钢的过热。球化退火后得到的组织均匀，有利于减少淬火畸变和开裂倾向。
提高淬火工件的耐磨性：由于球状碳化物在工件淬火后被完全保留下来，且均匀地分布在马氏体基体上，这些细而硬的小颗粒可以有效地提高工件的耐磨性。

等温退火

工艺路线：钢加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保温一定时间后较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却。
组织产物：类似完全退火产物
目的：与完全退火相同、转变较易控制，获得均匀的预期组织、大大缩短退火时间

再结晶退火：

将变形后晶粒转为均匀细小的等轴晶粒，消除加工硬化。
温度：T再+150~250oC、T再与成分、形变有关。

去应力退火：

钢加热到低于Ac1的某一温度（500-650C)
消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力。

退火

正火

将钢加热到AC3（亚共析钢）和Accm（过共析钢）以上30~50ºC，保温一定时间后，在自由流动的空气中均匀冷却
正火组织产物：亚共析钢—F+S、共析钢—S、过共析钢—S+Fe3CII
目的：使钢的组织正常化，亦称常化处理
正火的应用：最终热处理（细化晶粒、组织均匀化）、预先热处理（消除魏氏组织、带状组织）、改善切削加工性能（提高硬度）

对于过共析钢，正火由于冷却速度快，可以网状二次渗碳体破碎，为球化退火做组织准备。消除网状碳化物的热处理工艺为正火+球化退火。
对于亚共析钢，目的与退火的相同（获得细小均匀组织，调整硬度，改善切削）。受力不大、性能要求不高的普通件，可作为最终热处理。

钢的正火

淬火

工艺路线：将钢加热到Ac1或Ac3以上30~50℃，保温获得均匀细小的奥氏体后，通过冷却介质（水或油等）快速冷却以获得马氏体组织。
目的：为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性。

亚共析钢的淬火温度一般为 Ac₃ + 30 ~ 50°C。当含碳量低于 0.5% 时，淬火组织主要为马氏体；预备热处理组织通常为退火或正火组织。

共析钢的淬火温度一般为 Ac₁ + 30 ~ 50°C，淬火后组织为马氏体与残留奥氏体。

过共析钢的淬火温度为 Ac₁ + 30 ~ 50°C，其淬火组织为马氏体、颗粒状渗碳体及残留奥氏体，预备组织宜为球状珠光体。若淬火温度过高，奥氏体晶粒粗大，且因含碳量高，会导致淬火后马氏体晶粒粗大、残留奥氏体量增多，从而使钢的硬度与耐磨性下降，脆性增大，变形与开裂倾向增加。

钢的淬火

钢的淬透性

淬透性及测定方法
钢接受淬火时形成的马氏体的能力叫淬透性
淬透层深度：从试样表面至半马氏体（马氏体和非马氏体组织各一半）的距离。同样条件下，淬透层深度越大，反映钢的淬透性越好。

影响淬透性的因素
碳质量分数、合金元素、奥氏体化温度

钢的淬硬性

定义：是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。
影响钢的淬硬性的因素：主要取决于马氏体的含碳量。

冷却介质：水、油、盐浴
单液淬火：一种介质冷却，水冷易开裂，油冷速度慢、淬透直径小
双液淬火：减少内应力，降低工件变形和开裂
分级淬火：减少内应力，降低工件变形和开裂
等温淬火：降低内应力、减少变形，适用于弹簧、螺栓等复杂、高精度小部件

回火

工艺路线：将钢加热到AC1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温。

淬火钢回火的原因：
淬火后得到的是性能很脆的马氏体组织，并存在有内应力，容易产生变形和开裂。
淬火马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工作中易分解，导致零件尺寸变化。
为了获得要求的强度、硬度、塑性和韧性，以满足零件的使用要求。

目的：
淬火后，为消除内应力并获得所要求的组织和性能。钢件淬火后必须及时回火才能使用，因此回火作为最终热处理和淬火并用。

低温回火

温度：150~250℃
组织：回火马氏体
作用：降低应力、提高韧性、保持高硬度、耐磨性
用途：刀具、模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件

中温回火

温度：350-500℃
组织：回火屈氏体
作用：
较高的强度、硬度，良好的塑性和韧性、高的弹性极限
用途：弹簧、热锻模具

高温回火

温度：500~650℃
组织：回火索氏体（回火S）
作用：优良的综合机械性能
调质处理：淬火＋高温回火（高温回火索氏体综合机械性能最好，强度、塑性和韧性都比较好。）
用途：冲击和交变载荷

低温回火脆性：
250～400℃，所有钢都存在，不可避免。碳化物薄片沿马氏体晶界析出，破坏马氏体连续性。
高温回火脆性：
450～650℃，慢冷时存在钢的脆性。P等杂质在原奥氏体晶界上的偏聚造成的。
消除方法：快速冷却。

钢的回火

表面热处理

表面淬火

是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。

感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流使工件表面迅速加热的方法。
交流电的趋肤效应，靠*表面的感应电流密度大，而中心几乎为0。电流频率愈大，电流透入深度愈小，加热层也愈薄。
适用钢种：中碳钢、中碳低合金钢

火焰加热: 利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。
设备简单，成本低、生产率低、零件表面存在过热、 质量控制比较困难
适用零件：单件、小批量生产及大型零件（大型模具、轧辊等）

激光相变硬化处理: 利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法，改变表面层的成分和显微结构。效率高，质量好。
加热和冷却速度高、激光淬火层的硬度比常远规淬火层提高15～20%。变形小

化学热处理

是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。
介质(渗剂)的分解 -> 工件表面的吸收 -> 原子向内部扩散

钢的渗碳：钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。
渗碳目的:提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。

钢的渗氮：氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。
提高表面硬度，耐磨性，抗疲劳强度，热硬性和耐蚀性。温度一般在500-600℃

钢的碳氮共渗：同时向钢的表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，俗称氰化。
中温(700~800℃) 碳氮共渗和低温 (500~600℃)气体碳氮共渗的应用较为广泛。
共渗件常选用低碳或中碳钢，共渗后直接淬火和低温回火
渗层组织：细片(针)回火马氏体加少量粒状碳氮化合物和残余奥氏体。

铝合金的时效

可热处理铝合金强化工艺：固溶处理+时效强化
固溶处理：加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。
时效强化：过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，或室温下，析出弥散强化相的热处理。随时间延长，强度升高，塑性下降。
第二相颗粒形成空间障碍，位错滑移时无法直接穿过，需绕行、切过或攀移

金属材料

工业用钢及零件选材

用两位数字表示钢中*均碳的质量分数的万分数。
T（“碳”）+ 两位数字（表示钢中*均碳的质量分数的千分数）。

碳素结构钢

碳素钢的命名

钢的分类

合金钢的命名

典型齿轮选材举例

机床齿轮：一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。
工艺路线为：
下料--锻造--正火--粗加工--调质--精加工--高频淬火及低温回火--精磨。
正火：消除锻造应力，调整硬度以利加工；
调质：具有较高的综合力学性能；
高频淬火：提高表面硬度和耐磨性，增强抗疲劳破坏能力；
低温回火：消除淬火应力。
热处理：正火，840_{860℃调质，硬度160}217HBW；高频淬火+120_{200℃低温回火，硬度50}55HRC。

汽车齿轮：一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。
渗碳齿轮的工艺路线为：
下料--锻造--正火--切削加工--渗碳、淬火及低温回火--喷丸--磨削加工。
热处理工艺：900--950℃渗碳，820-850℃油淬 ，180--200℃低温回火

铸铁

铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。工业铸铁含有一定的合金元素和杂质，尤其是P、S较多。

制作形状复杂的大型铸件、耐磨抗振部件、低负荷无冲击零件等例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造。
优点：熔点低流动性好、具有优良的铸造性能。良好的切削加工性、减震性。生产设备和工艺简单，成本低。
缺点：强度、塑性、韧性都比钢差。

铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。
铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。

石墨化方式：

1. 当液态铁碳合金在极其缓慢冷却时
2. 加入促进石墨化元素时，如 Si

在P’S’K’线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。包括结晶时一次石墨、二次石墨、共晶石墨的析出和加热时一次渗碳体、二次渗碳体及共晶渗碳体的分解。
在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。

铸铁的石墨化

铸铁的分类

铝合金

铝合金的分类

变形铝合金的命名

铸造铝合金的命名

高分子材料

热塑性高分子：线型结构。加热软化，冷却硬化，过程完全可逆，可重复熔融、再加工，且能溶于相应的溶剂。
乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和ABS塑料等。

热固性高分子：体型（立体交联网状）结构。形成固体后（即固化后），永久硬化，不随着温度的升高而软化，不能重复加工成型，且在溶剂中也不溶解。
树脂类（环氧树脂、酚醛树脂），橡胶类（丁苯橡胶）等网状结构高分子都是热固性。

高分子材料的结构性能

大分子链的化学组成

碳链大分子：主链全部由碳原子以共价键相连接，即-C-C-C-。
杂链大分子：主链除有碳原子外，还有氧、氮、硫、磷等，以共价键相连接。
元素链大分子：主链不含碳原子，由硅、氧、硼、硫、磷等元素组成。

大分子链的形态

线型、支化型分子链：线性聚合物，高弹性和热塑性；
体型分子链：体型聚合物，具有较高的强度和热固性；

体形（交联）使聚合物产生老化，丧失弹性，变硬变脆

大分子链的空间构型

全同立构：取代基R有规律在碳链*面同侧。
间同立构：取代基R交替地在碳链*面两侧。
无规立构：取代基R无规律在碳链*面两侧。

大分子链的构象及柔性

内旋转：由于原子热运动,两个原子作相对旋转,即保持键角、键长不变的情况下，单键作旋转。单链内旋转所产生的空间形象为大分子链的构象。

在拉力作用下，线型大分子链伸展拉直。外力去除后，缩回卷曲状和线团状。能伸展、回缩的性能称为分子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。

结晶与非晶态

高分子材料的结晶，是指高分子链整齐地排列成为具有周期性结构地有序状态。这些有序排列的分子链段的长度往往比高分子链的长度短得多。

与分子结构的关系：
线性高分子通常易于结晶，结晶度高，如聚乙烯PE。
网状和交联聚合物通常是纯非晶态，或仅含少量结晶态。

与物理性能的关系：
结晶度高的高分子材料，热稳定性更好，熔点和软化温度更高。
相同结晶度时，晶体尺寸越大，脆性越大。

高分子材料的应力应变曲线

力学性能

线型聚合物：
与金属材料相比——强度(低)，弹性(高)，粘弹性 (蠕变、应力松弛、滞后与内耗)，塑性(热态下)，韧性(好)，减摩、耐磨性(优越)
线型聚合物的力学性能对温度较为敏感。在玻璃化转变温度以下，材料强度高，韧性差。在玻璃化转变温度以上，材料软化，塑性增强

线型聚合物的玻璃化转变温度

体型聚合物：
体型聚合物具有网状分子链。若交联程度较轻，则具有高弹性。若交联程度较重，则没有高弹性，硬而脆。

弹性高、弹性模量低

粘弹性：应变滞后于应力作用时间。
粘弹性产生的原因：链段的运动遇到阻力，调整构象需要时间。应力作用的速度愈快，链段越来不及作出反应，则粘弹性愈显著。
玻璃转变温度之上和热力学熔点温度之下的非晶态材料呈现粘弹性行为，与时间相关。
聚合物的形变与时间有关，但不成线性关系，两者的关系介乎理想弹性体和理想粘性体之间，聚合物的这种性能称为粘弹性。

蠕变：应力保持恒定，应变随时间的增长而增加的现象。发生不可回复的塑性变形。
应力松弛：高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象。
内耗：橡胶重复加载时，分子链构象变化，造成分子间的内摩擦，产生内耗。

断裂行为
热固性聚合物：由于重度交联网络结构，网络中的共价键或交联结构在断裂过程中被切断，断裂通常是脆性断裂。
热塑性聚合物：韧性断裂和脆性断裂都可能，受到温度、应变率等因素的影响。特别是温度。在玻璃化转变温度（Tg）以下，热塑性聚合物是脆性的，随着温度升高至Tg附*，在断裂前发生塑性屈服，表现为韧断裂。

复合材料

两种或两种以上的理化性质不同的材料经过一定加工方法获得的一种新的多相固体材料。
一般由基体组分和增强体组分（功能组分）所组成。

高比强度和比模量：复合材料密度大大减小

基体相：金属、陶瓷、聚合物（连续相）
保持材料的基本特性，如硬度、耐磨、耐热性等，主要作用是将增强相固结成一个整体，起传递和均衡应力的作用。

增强相：纤维、晶须、颗粒、层片（不连续相）
一般具有很高的力学性能（强度、弹性模量）及特殊的功能性，其主要作用是承受载荷或发挥功能性作用。

基体类型分类：聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料
增强体类型分类：颗粒状（均布、各向同性）、纤维状（长、短纤维和晶须，各向异性或同性）、层片状（各向异性）

颗粒增强复合材料的混合法则
两相协同工作，宏观性能既不低于基体，也不超过增强相的性能上限
物理性能按比例串联为上限，并联为下限

纤维增强复合材料
增强纤维的临界长度，是指能够传递相当于纤维断裂应力的载荷所需的长度。
复合材料的力学性能，取决于纤维本身的性能以及基体向纤维传递载荷的效率。 纤维复合材料中，外部载荷首先作用于连续相的基体，基体通过与纤维界面间的剪切力，将载荷传递给分散相的纤维，最终由高强度纤维承担主要载荷（基体仅起粘结、传递载荷和保护纤维的作用）。

临界长度纤维：
增强效率最大化：纤维的高强度性能完全发挥，即载荷达到断裂强度，复合材料强度接*混合法则预测值；
失效过程*稳：纤维从中间逐步断裂，界面无剧烈滑移，复合材料表现出韧性断裂特征；
材料利用率最优：纤维长度无需过长（避免加工难度增加、成本上升），仅需达到临界长度即可实现最优增强效果。

纵向载荷下，纤维与基体的应变完全协调，刚度遵循并联混合法则
计算时应考虑纤维失效时基体的应力

编写日志
2025.10.26 开始施工
2025.10.26 完成期中复习第一版
2025.12.01 开始施工期末复习板块
2025.12.11 完成期末复习复习板块