課件第一部分金屬材料的基本知識

1、 2 一、金屬材料的工藝性能一、金屬材料的工藝性能 二、二、 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷 三、三、 金屬的塑性變形與再結(jié)晶金屬的塑性變形與再結(jié)晶 3 l金屬材料適應(yīng)冷熱加工的能力，稱為加工工藝性能，簡稱金屬材料適應(yīng)冷熱加工的能力，稱為加工工藝性能，簡稱工工 藝性能。藝性能。工藝性能好的材料易于承受加工，生產(chǎn)成本低；工工藝性能好的材料易于承受加工，生產(chǎn)成本低；工 藝性能差的材科在承受加工時工藝復(fù)雜、困難，不易達到頂藝性能差的材科在承受加工時工藝復(fù)雜、困難，不易達到頂 期的效果，加工成本也高。期的效果，加工成本也高。 一、金屬材料的工藝性能一、金屬材料的工藝性能 (一一)鑄造

2、性能鑄造性能 金屬材料的生產(chǎn)，多數(shù)是通過冶煉、鑄造而得到的，如各金屬材料的生產(chǎn)，多數(shù)是通過冶煉、鑄造而得到的，如各 種機械設(shè)備的底座，汽輪機、發(fā)電機的機殼、閥門、磨煤種機械設(shè)備的底座，汽輪機、發(fā)電機的機殼、閥門、磨煤 機的耐磨件等。機的耐磨件等。液體金屬澆注成型的能力，稱為金屬的鑄液體金屬澆注成型的能力，稱為金屬的鑄 造性能。造性能。它包括流動性、收縮率和偏析傾向等。它包括流動性、收縮率和偏析傾向等。 4 流動性流動性是指金屬對鑄型填充的能力。金屬的流動性好，是指金屬對鑄型填充的能力。金屬的流動性好， 可以澆注成外觀整齊、薄而形狀復(fù)雜的零部件。可以澆注成外觀整齊、薄而形狀復(fù)雜的零部件。 在常見

3、的金屬材料中，鑄鐵的流動性優(yōu)于鋼，青銅的流動性比黃銅好，可在常見的金屬材料中，鑄鐵的流動性優(yōu)于鋼，青銅的流動性比黃銅好，可 以容易地制造各種零件。以容易地制造各種零件。 5 6 7 8 9 收縮率收縮率是指鑄件冷凝過程中體積的減少率，稱為體積收是指鑄件冷凝過程中體積的減少率，稱為體積收 縮率?？s率。 金屬自液態(tài)凝結(jié)成固態(tài)時體積都要減少，使鑄件形成縮孔和疏松，即形成集金屬自液態(tài)凝結(jié)成固態(tài)時體積都要減少，使鑄件形成縮孔和疏松，即形成集 中或分散的孔洞，嚴重影響金屬零件的質(zhì)量。中或分散的孔洞，嚴重影響金屬零件的質(zhì)量。 鑄件冷凝時，由于種種原因會造成化學(xué)成分的不均勻，叫鑄件冷凝時，由于種種原因會造成化

4、學(xué)成分的不均勻，叫 做做偏析偏析。偏析使整體沖擊韌性降低，質(zhì)量變壞。偏析使整體沖擊韌性降低，質(zhì)量變壞。 縮孔、疏松和偏析等鑄造缺陷都是不允許產(chǎn)生的，在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以消除?？s孔、疏松和偏析等鑄造缺陷都是不允許產(chǎn)生的，在生產(chǎn)過程中應(yīng)予以消除。 10 鋼和鐵的定義：以含碳量的多少劃分鋼和鐵的定義：以含碳量的多少劃分 亞共析鋼，共析鋼，過共析鋼，鑄鐵亞共析鋼，共析鋼，過共析鋼，鑄鐵 鑄鐵的分類：以碳的存在形式不同來定義鑄鐵的分類：以碳的存在形式不同來定義 白口鑄鐵白口鑄鐵 灰口鑄鐵灰口鑄鐵 球墨鑄鐵球墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵 11 （二）鍛造性能（二）鍛造性能 l重要零件的毛坯往往

5、要經(jīng)過鍛造工序，如汽輪機、發(fā)電機的主重要零件的毛坯往往要經(jīng)過鍛造工序，如汽輪機、發(fā)電機的主 軸，輪轂，葉片，大型水泵和磨煤機的主軸、齒輪等。材料承軸，輪轂，葉片，大型水泵和磨煤機的主軸、齒輪等。材料承 受鍛壓成型的能力，稱為受鍛壓成型的能力，稱為可鍛性可鍛性。 l金屬的鍛造性能可用金屬的金屬的鍛造性能可用金屬的塑性和變形抗力塑性和變形抗力( (強度強度) )來衡量。金來衡量。金 屬承受鍛壓時變形程度大而不產(chǎn)生裂紋，其鍛造性能就好。屬承受鍛壓時變形程度大而不產(chǎn)生裂紋，其鍛造性能就好。 金屬的鍛造性能取決于材料的成分、組織及加工條件。金屬的鍛造性能取決于材料的成分、組織及加工條件。 通常低碳鋼具有

6、較好的可鍛性，低碳鋼的可鍛性最好。隨著含碳量的增通常低碳鋼具有較好的可鍛性，低碳鋼的可鍛性最好。隨著含碳量的增 加，鋼的可鍛性降低。合金鋼的可鍛性略遜于碳鋼。一般情況下，合金加，鋼的可鍛性降低。合金鋼的可鍛性略遜于碳鋼。一般情況下，合金 鋼中合金元素含量越多，其可鍛性越差。鑄鐵則不能承受鍛造加工。鋼中合金元素含量越多，其可鍛性越差。鑄鐵則不能承受鍛造加工。 12 金屬的冷熱彎曲性能也取決于材料的塑性和強度。材料承受 彎曲而不出現(xiàn)裂紋的能力，稱為彎曲性能。一般用彎曲角度 或彎心直徑與材料厚度的比值來衡量彎曲性能。 比如鍋爐管道彎頭和輸粉管道彎頭是經(jīng)過冷熱彎曲成型的。比如鍋爐管道彎頭和輸粉管道彎頭

7、是經(jīng)過冷熱彎曲成型的。 (三三)焊接性能焊接性能 l金屬材料采用一定的焊接工藝、焊接材料及結(jié)構(gòu)形式，獲得金屬材料采用一定的焊接工藝、焊接材料及結(jié)構(gòu)形式，獲得 優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力，稱為金屬的焊接性。優(yōu)質(zhì)焊接接頭的能力，稱為金屬的焊接性。 在電廠中有大量金屬結(jié)構(gòu)件是用焊接方法連接的，如鍋爐管在電廠中有大量金屬結(jié)構(gòu)件是用焊接方法連接的，如鍋爐管 道、支架、蒸汽導(dǎo)管、管道、風(fēng)管、汽包、聯(lián)箱等。道、支架、蒸汽導(dǎo)管、管道、風(fēng)管、汽包、聯(lián)箱等。 13 (四四)切削性能切削性能 金屬材料承受切削加工的難易程度，稱為金屬材料承受切削加工的難易程度，稱為切削性能切削性能。 金屬的切削性能與材料及切削條件有關(guān)，如純

8、鐵很容易切削，金屬的切削性能與材料及切削條件有關(guān)，如純鐵很容易切削， 但難以獲得較高的光潔度；不銹鋼可在普通車床上加工，但但難以獲得較高的光潔度；不銹鋼可在普通車床上加工，但 在自動車床上，卻難以斷屑，屬于難加工材料。在自動車床上，卻難以斷屑，屬于難加工材料。 通常，材料硬度低時切削性能較好，但是對于碳鋼來說，硬通常，材料硬度低時切削性能較好，但是對于碳鋼來說，硬 度如果太低時，容易出現(xiàn)度如果太低時，容易出現(xiàn)“粘刀粘刀”現(xiàn)象，光潔度也較差。一現(xiàn)象，光潔度也較差。一 般情況下金屬承受切削加工時的硬度在般情況下金屬承受切削加工時的硬度在HB170HB170一一230230之間為宜。之間為宜。 14

9、 l力學(xué)性能力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下，所表現(xiàn)出來的抵抗變形是指金屬材料在外力作用下，所表現(xiàn)出來的抵抗變形 和破壞的能力以及接受變形的能力。和破壞的能力以及接受變形的能力。 （一）強度和塑性（一）強度和塑性 強度強度是衡量材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。是衡量材料在外力作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力。塑性塑性 是衡量材料在外力作用下接受變形的能力。是衡量材料在外力作用下接受變形的能力。 拉伸試驗是測定強度和塑性的最普遍方法拉伸試驗是測定強度和塑性的最普遍方法，該試驗依據(jù)國家標準，該試驗依據(jù)國家標準 （目前通用的標準為（目前通用的標準為GB/T 228GB/T 228200220

10、02）進行，將材料制作成標準）進行，將材料制作成標準 試樣或比例試樣，在萬能實驗機上沿試樣軸向緩慢地施加拉力，試樣或比例試樣，在萬能實驗機上沿試樣軸向緩慢地施加拉力， 試樣隨拉力的增加而變形，直至斷裂。測得材料的彈性極限、屈試樣隨拉力的增加而變形，直至斷裂。測得材料的彈性極限、屈 服極限、強度極限及塑性等主要力學(xué)性能指標。服極限、強度極限及塑性等主要力學(xué)性能指標。 15 1 1拉伸試樣拉伸試樣 16 1 1拉伸試樣拉伸試樣 17 1 1拉伸試樣拉伸試樣 管材拉伸試驗件 18 1 1拉伸試樣拉伸試樣 TA18鈦合金導(dǎo)管141.35拉伸試樣 19 1 1拉伸試樣拉伸試樣 拉斷后的管材試樣(TA18

11、,TA16) 20 2 2拉伸曲線拉伸曲線 l拉伸曲線表示試樣拉伸過程中力和變形關(guān)系，可用應(yīng)力延伸率曲線表拉伸曲線表示試樣拉伸過程中力和變形關(guān)系，可用應(yīng)力延伸率曲線表 示，縱坐標為應(yīng)力示，縱坐標為應(yīng)力R R，R R= =F F/ /S S0 0，橫坐標為延伸率，橫坐標為延伸率，L L/ /L L0 0。 拉伸曲線的形狀與材料有關(guān)，拉伸曲線的形狀與材料有關(guān)， 由圖可見，在載荷小的由圖可見，在載荷小的oaoa階階 段，試樣在載荷段，試樣在載荷F F的作用下的作用下 均勻伸長，伸長量與載荷的均勻伸長，伸長量與載荷的 增加成正比。如果此時卸除增加成正比。如果此時卸除 載荷，試樣立即回復(fù)原狀，載荷，試樣

12、立即回復(fù)原狀， 即試樣產(chǎn)生的變形為即試樣產(chǎn)生的變形為彈性變彈性變 形形。當載荷超過當載荷超過b b點以后，點以后， 試樣會進一步產(chǎn)生變形，此試樣會進一步產(chǎn)生變形，此 時若卸除載荷，試樣的彈性時若卸除載荷，試樣的彈性 變形消失，而另一部分變形變形消失，而另一部分變形 則保留下來，這種不能恢復(fù)則保留下來，這種不能恢復(fù) 的變形稱為的變形稱為塑性變形塑性變形。 21 l 強度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力強度是材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。通過拉伸試。通過拉伸試 驗所測得的常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。驗所測得的常用的強度指標有屈服強度和抗拉強度。 l屈服強度是材料產(chǎn)生屈服時對應(yīng)的應(yīng)力值屈服強度

13、是材料產(chǎn)生屈服時對應(yīng)的應(yīng)力值。用符號。用符號R Re e 表示，單位是表示，單位是N/mmN/mm2 2或或MPaMPa，大小為載荷與試樣原始橫，大小為載荷與試樣原始橫 截面積的比值，即：截面積的比值，即： 式中：式中： Fs材料屈服時的載荷（材料屈服時的載荷（N）；）； S0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mm2）。）。 3.3.強度強度 )N/mm( 2 0 S F R s e 22 屈服強度可分為上屈服強度和下屈服強度屈服強度可分為上屈服強度和下屈服強度，上屈服強度是指試樣發(fā)生屈 服而外力首次下降前的最高應(yīng)力，用符號ReH表示；下屈服強度是指試樣屈服 期間，不計初始瞬時的最低應(yīng)力值，

14、用符號ReL表示。 一般機械零件和工程構(gòu)件都不允許在使用中產(chǎn)生塑性變形，否則會因失 效而發(fā)生事故，所以ReL屈服強度是機械設(shè)計和工程設(shè)計中的重要依據(jù)。 抗拉強度是材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力值。用符號Rm表示，單位是 N/mm2或MPa，其大小為材料最大載荷與試樣原始橫截面積的比值表示，即： )N/mm( 2 0 b m S F R 式中： Fb材料屈服時的載荷（N）； S0試樣原始橫截面積（mm2）。 23 %100 0 0u L LL A 4 4塑性塑性 金屬材料的塑性指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力金屬材料的塑性指金屬材料產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。拉伸試驗所測得的。拉伸試驗所測得的

15、 塑性指標有塑性指標有斷后伸長率斷后伸長率和和斷面收縮率斷面收縮率。 斷后伸長率，又稱延伸率，標準試樣的斷后伸長率用斷后伸長率，又稱延伸率，標準試樣的斷后伸長率用A A表示，指試樣被拉斷后，表示，指試樣被拉斷后， 其標距部分所增加的長度與原標距比值的百分率。即：其標距部分所增加的長度與原標距比值的百分率。即： 式中： Lu試樣被拉斷后標距的長度。 L0試樣原始標距。 斷面收縮率指試樣拉斷后截面積的收縮量與原截面積之比的百斷面收縮率指試樣拉斷后截面積的收縮量與原截面積之比的百 分率分率，叫金屬材料的斷面收縮率，用符號，叫金屬材料的斷面收縮率，用符號Z Z表示。表示。 24 （二）硬度（二）硬度

16、金屬材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物體壓入時所引起局金屬材料的硬度通常是指材料表面抵抗更硬物體壓入時所引起局 部塑性變形的能力。部塑性變形的能力。 常見的硬度指標有常見的硬度指標有布氏硬度（布氏硬度（HBHB）、洛氏硬度）、洛氏硬度(HR)(HR)、維氏硬度、維氏硬度 (HV)(HV)和里氏硬度和里氏硬度(HL)(HL)等。等。 1布氏硬度（布氏硬度（HB） 布氏硬度布氏硬度( (起始于起始于 19001900年年) )是用一定壓是用一定壓 力將淬火鋼球或硬質(zhì)力將淬火鋼球或硬質(zhì) 合金球壓入試樣表面，合金球壓入試樣表面， 保持規(guī)定的時間后卸保持規(guī)定的時間后卸 除壓力，所留下的單除壓力，所留下

17、的單 位壓痕表面積位壓痕表面積A A上所上所 承受的平均壓力定義承受的平均壓力定義 為布氏硬度值為布氏硬度值 HBHB。 單位為單位為MPa (kgf.mm-MPa (kgf.mm- 2)2)，通常不標出單位。，通常不標出單位。 25 壓頭的材質(zhì)有淬火鋼球或硬質(zhì)合金兩種，當壓頭材質(zhì)為淬火鋼球時，布氏硬壓頭的材質(zhì)有淬火鋼球或硬質(zhì)合金兩種，當壓頭材質(zhì)為淬火鋼球時，布氏硬 度用度用HBSHBS表示，適用于測量布氏硬度表示，適用于測量布氏硬度450450的材料；當壓頭材質(zhì)為硬質(zhì)合金時，的材料；當壓頭材質(zhì)為硬質(zhì)合金時， 布氏硬度用布氏硬度用HBWHBW表示，適用于測量布氏硬度在表示，適用于測量布氏硬度在

18、450450650650范圍內(nèi)的材料。范圍內(nèi)的材料。 布氏硬度值的表示方法為布氏硬度值的表示方法為：硬度值：硬度值+ +硬度符號硬度符號+ +球體直徑球體直徑/+/+載荷載荷/+/+載荷保持時載荷保持時 間（間（10101515秒不標注）秒不標注）。 例如，例如，180HBS10/1000/30,180HBS10/1000/30,表示直徑表示直徑10mm10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf1000kgf作用下，保持作用下，保持3030秒測得秒測得 的布氏硬度值為的布氏硬度值為180180。 )kgf/mm( S F HB 2 )dDD(DS 22 26 2洛氏硬度洛氏硬度(HR) 用一定載荷

19、將壓頭壓入材料表面，根據(jù)壓痕深度表示硬度值。根據(jù)壓頭和載荷用一定載荷將壓頭壓入材料表面，根據(jù)壓痕深度表示硬度值。根據(jù)壓頭和載荷 的不同，洛氏硬度分的不同，洛氏硬度分HRAHRA，HRBHRB和和HRCHRC。 27 符號符號壓頭類型壓頭類型 總載荷總載荷 （kgfkgf） 適用范圍適用范圍 HRCHRC 120120金剛石圓金剛石圓 錐錐 150150 一般淬火鋼等硬度較大材料一般淬火鋼等硬度較大材料 HRBHRB1.588mm1.588mm鋼球鋼球100100 退火鋼和有色金屬等軟材料退火鋼和有色金屬等軟材料 HRAHRA 120120金剛石圓金剛石圓 錐錐 6060 硬而薄的硬質(zhì)合金或表面

20、淬硬而薄的硬質(zhì)合金或表面淬 火鋼火鋼 試驗規(guī)范試驗規(guī)范 28 表面洛氏硬度計 29 3維氏硬度（維氏硬度（HV） 維氏硬度是用一定的載荷將錐面夾角為維氏硬度是用一定的載荷將錐面夾角為136136的正四棱錐金剛石壓頭壓的正四棱錐金剛石壓頭壓 入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，試樣表面就留下壓痕，測量壓痕對入試樣表面，保持一定時間后卸除載荷，試樣表面就留下壓痕，測量壓痕對 角線的長度，計算壓痕表面積，載荷角線的長度，計算壓痕表面積，載荷F F除以壓痕面積除以壓痕面積S S所得值即為維氏硬度。所得值即為維氏硬度。 維氏硬度用符號維氏硬度用符號HVHV表示，計算公式如下：表示，計算公式如下： )(k

21、gf/mm d F 1.8544 S F HV 2 2 30 維氏硬度試驗示意圖維氏硬度試驗示意圖 維氏硬度也可按對角維氏硬度也可按對角 線的線的d d值從表中查出，值從表中查出，d d 值為兩對角線的算術(shù)平值為兩對角線的算術(shù)平 均值。維氏硬度的結(jié)果均值。維氏硬度的結(jié)果 表示方法為：表示方法為： 硬度值硬度值+HV+HV+試驗載荷試驗載荷 + +載荷保持時間載荷保持時間 （10151015秒不標注）。秒不標注）。 例如，例如，640HV3020 表示在試驗力表示在試驗力30kgf作作 用下保持載荷用下保持載荷20秒測秒測 定的維氏硬度值為定的維氏硬度值為640。 31 維氏維氏顯微硬度計顯微硬

22、度計 32 4里氏硬度（里氏硬度（HL） 里氏硬度用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度里氏硬度用規(guī)定質(zhì)量的沖擊體在彈力作用下以一定的速度 沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面沖擊試樣表面，用沖頭在距試樣表面1mm1mm處的回彈速度與沖擊處的回彈速度與沖擊 速度的比值計算硬度值。計算公式如下：速度的比值計算硬度值。計算公式如下： 式中：式中：vRvR沖擊體回彈速度；沖擊體回彈速度； vAvA沖擊體沖擊速度。沖擊體沖擊速度。 根據(jù)沖擊體質(zhì)量和沖擊能量的不同，根據(jù)沖擊體質(zhì)量和沖擊能量的不同，里氏硬度分里氏硬度分HLDHLD，HLDCHLDC， HLGHLG和和HLCHLC。表示方法為：。表示方法為

23、：硬度值硬度值+ +沖擊裝置類型沖擊裝置類型 例如例如700HLD700HLD表示用表示用D D型沖擊裝置測定的里氏硬度值為型沖擊裝置測定的里氏硬度值為700700。 A R v v 1000HL 33 布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度各有優(yōu)缺點：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和里氏硬度各有優(yōu)缺點： 布氏硬度由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)的平均硬度，所以布氏硬度由于壓痕面積較大，能反映較大范圍內(nèi)的平均硬度，所以 測量結(jié)果具有較高的精度和穩(wěn)定性。但操作費時，對試樣表面有一測量結(jié)果具有較高的精度和穩(wěn)定性。但操作費時，對試樣表面有一 定破壞。定破壞。 洛氏硬度操作簡單，可以直接讀出硬度值，且

24、壓痕小，不傷工件。洛氏硬度操作簡單，可以直接讀出硬度值，且壓痕小，不傷工件。 缺點是所測硬度值的離散性較大。缺點是所測硬度值的離散性較大。 維氏硬度的載荷小、壓痕淺，廣泛用于測定薄工件表面硬化層。里維氏硬度的載荷小、壓痕淺，廣泛用于測定薄工件表面硬化層。里 氏硬度操作簡單，便攜性好，廣泛用于現(xiàn)場硬度測量。氏硬度操作簡單，便攜性好，廣泛用于現(xiàn)場硬度測量。 34 各種硬度試驗因其試驗條件的不同而各種硬度試驗因其試驗條件的不同而不能直接換算不能直接換算，需要查閱，需要查閱 專門的表格進行換算比較。專門的表格進行換算比較。 硬度是材料的重要性能之一，一般情況下，材料的硬度高，其硬度是材料的重要性能之一

25、，一般情況下，材料的硬度高，其 耐磨性能也較好。材料的硬度與強度之間也有一定的關(guān)系，例耐磨性能也較好。材料的硬度與強度之間也有一定的關(guān)系，例 如，對于未淬硬鋼，布氏硬度與抗拉強度間存在如下的近似換如，對于未淬硬鋼，布氏硬度與抗拉強度間存在如下的近似換 算關(guān)系：算關(guān)系： Rm0.362HBS （當HBS175） Rm0.345HBS （當HBS175） 35 ）（ 2k k cmJ/ S A 36 （三）沖擊韌性（三）沖擊韌性（k） l沖擊韌性沖擊韌性是衡量材料抵抗沖擊載荷能力大小的指標，是衡量材料抵抗沖擊載荷能力大小的指標， 常用沖擊實驗測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單常用沖擊實驗測定。沖擊

26、韌性是試樣缺口處截面上單 位面積所消耗的沖擊功。沖擊韌性用位面積所消耗的沖擊功。沖擊韌性用kk表示，計算表示，計算 公式如下：公式如下： 式中：式中： kk試樣沖斷時所消耗的沖擊功（試樣沖斷時所消耗的沖擊功（J J）；）； SS試樣缺口處截面積（試樣缺口處截面積（cm2cm2）。）。 ）（ 2k k cmJ/ S A 37 影響沖擊韌性值大小的因素有材料的化學(xué)成份、冶金質(zhì)量、 組織狀態(tài)、表面質(zhì)量和內(nèi)部缺陷等。另外，金屬材料的沖擊 韌性隨溫度的降低而下降。 金屬材料的強度、塑性、硬度、韌性四者中真正獨立的是強 度和塑性，硬度與強度有極為密切的關(guān)系，韌性是受強度和 塑性的綜合影響；因此，在鑒別金屬

27、材料的力學(xué)性能時，常 常是以強度和塑性為主要指標。 38 39 （四）疲勞強度（四）疲勞強度 金屬材料在遠低于其屈服極限的交變應(yīng)力長期作用下發(fā)生的斷金屬材料在遠低于其屈服極限的交變應(yīng)力長期作用下發(fā)生的斷 裂現(xiàn)象，稱為金屬的疲勞。裂現(xiàn)象，稱為金屬的疲勞。 1疲勞失效的特點疲勞失效的特點 疲勞失效的斷口有明顯的特征，一般由兩個明顯的部分組成。圖中疲勞失效的斷口有明顯的特征，一般由兩個明顯的部分組成。圖中A A為疲勞源；為疲勞源； D D區(qū)為疲勞裂紋發(fā)展區(qū)；區(qū)為疲勞裂紋發(fā)展區(qū)；G G區(qū)為瞬時斷裂區(qū)。疲勞裂紋發(fā)展區(qū)的特征表面較光滑，區(qū)為瞬時斷裂區(qū)。疲勞裂紋發(fā)展區(qū)的特征表面較光滑， 另外，裂紋向前擴展時

28、，表面形成類似年輪的貝殼紋。瞬時脆性破斷區(qū)特征是另外，裂紋向前擴展時，表面形成類似年輪的貝殼紋。瞬時脆性破斷區(qū)特征是 斷口較粗糙。斷口較粗糙。 汽輪機的軸和葉片等零部件的損壞，多以金屬疲勞損壞的方式失效。汽輪機的軸和葉片等零部件的損壞，多以金屬疲勞損壞的方式失效。 40 材料疲勞斷口宏觀形貌材料疲勞斷口宏觀形貌 疲勞宏觀斷口特征疲勞宏觀斷口特征 典型疲勞斷口具有三個形貌典型疲勞斷口具有三個形貌 不同的區(qū)域不同的區(qū)域疲勞源、疲疲勞源、疲 勞區(qū)及瞬斷區(qū)。勞區(qū)及瞬斷區(qū)。 (1)(1)疲勞源疲勞源 是疲勞裂紋萌生的策是疲勞裂紋萌生的策 源地，在斷口上，疲勞源一般在機源地，在斷口上，疲勞源一般在機 件表

29、面，常和缺口、裂紋、刀痕、件表面，常和缺口、裂紋、刀痕、 蝕坑等缺陷相連。蝕坑等缺陷相連。 材料內(nèi)部存在嚴重冶金缺陷也會在機件內(nèi)部產(chǎn)生疲勞源材料內(nèi)部存在嚴重冶金缺陷也會在機件內(nèi)部產(chǎn)生疲勞源 42 疲勞宏觀斷口特征疲勞宏觀斷口特征 (2)(2)疲勞區(qū)疲勞區(qū) 疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展所形成的斷口區(qū)域，該區(qū)是判疲勞區(qū)是疲勞裂紋亞穩(wěn)擴展所形成的斷口區(qū)域，該區(qū)是判 斷疲勞斷裂的重要特征證據(jù)。斷疲勞斷裂的重要特征證據(jù)。 宏觀特征是：斷口比較光滑并分布有貝紋線宏觀特征是：斷口比較光滑并分布有貝紋線( (或海灘花樣或海灘花樣) )。 (3)(3)瞬斷區(qū)瞬斷區(qū) 是裂紋最后失穩(wěn)快速擴展所形成的斷口區(qū)域。是裂紋最后

30、失穩(wěn)快速擴展所形成的斷口區(qū)域。 43 2疲勞失效的測定疲勞失效的測定 金屬材料可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力值稱為金屬材料可經(jīng)無限次應(yīng)力循環(huán)而不破壞的最大應(yīng)力值稱為 材料的材料的疲勞極限（強度）疲勞極限（強度）。它反映材料抗疲勞斷裂的能力在一。它反映材料抗疲勞斷裂的能力在一 定條件下，當應(yīng)力的最大值低于某一定值時，材料可能經(jīng)受無定條件下，當應(yīng)力的最大值低于某一定值時，材料可能經(jīng)受無 限次循環(huán)仍然不會發(fā)生疲勞斷裂。這個最大應(yīng)力值，就叫金屬限次循環(huán)仍然不會發(fā)生疲勞斷裂。這個最大應(yīng)力值，就叫金屬 材料的疲勞強度。當交變應(yīng)力循環(huán)對稱時，疲勞強度用符號材料的疲勞強度。當交變應(yīng)力循環(huán)對稱時，疲勞強度

31、用符號-1 -1 表示。表示。 通常規(guī)定，鋼經(jīng)過107次應(yīng)力循環(huán)仍不破壞，就認為它可以經(jīng)受無限次循環(huán)，此時的最大 應(yīng)力值就定為其疲勞極限；有色金屬則規(guī)定應(yīng)力循環(huán)數(shù)為108次或更多次才能確定其疲勞 強度。 44 45 46 3影響金屬材料疲勞強度的因素影響金屬材料疲勞強度的因素 材料本身的強度、塑性、組織和材質(zhì)等影響材料的疲勞強度，材料本身的強度、塑性、組織和材質(zhì)等影響材料的疲勞強度， 另外，疲勞強度還與零部件的幾何形狀、加工光潔度和工作環(huán)境另外，疲勞強度還與零部件的幾何形狀、加工光潔度和工作環(huán)境 等有關(guān)。等有關(guān)。 由于疲勞失效的微裂紋絕大多數(shù)是先從表面產(chǎn)生和發(fā)展的，由于疲勞失效的微裂紋絕大多數(shù)

32、是先從表面產(chǎn)生和發(fā)展的， 因而采用表面強化的處理，可以提高疲勞強度。因而采用表面強化的處理，可以提高疲勞強度。 47 n R R T e R T e R （五）斷裂韌性（五）斷裂韌性 關(guān)于斷裂力學(xué)關(guān)于斷裂力學(xué) 在工程上選擇金屬材料的傳統(tǒng)方法，是根據(jù)零部件的工作條件，對塑性和在工程上選擇金屬材料的傳統(tǒng)方法，是根據(jù)零部件的工作條件，對塑性和 韌性提出一定的要求，并根據(jù)該材料的屈服程度韌性提出一定的要求，并根據(jù)該材料的屈服程度R Rel el或抗拉強度 或抗拉強度R Rm m來計算許用應(yīng)來計算許用應(yīng) 力值：力值： 式中 許用應(yīng)力，即該材料的最大工作應(yīng)力； 工作溫度T時材料的屈服強度； n安全系數(shù)。

33、48 1)型或張開型型或張開型 2)型或滑開型型或滑開型 3)型或撕開型型或撕開型 裂紋在外力作用下擴展的形式可分為三類裂紋在外力作用下擴展的形式可分為三類，如圖所示。這三種類，如圖所示。這三種類 型的脆性破壞，以張開型又稱為型的脆性破壞，以張開型又稱為I I型的擴展斷裂較為常見，且在型的擴展斷裂較為常見，且在 外力作用下也較為危險，故大量研究的是外力作用下也較為危險，故大量研究的是I I型這種裂紋的擴展及型這種裂紋的擴展及 破壞。破壞。 49 2.斷裂韌性的評定斷裂韌性的評定 金屬材料的斷裂韌性是材料固有的性能，也是通過一定的實驗金屬材料的斷裂韌性是材料固有的性能，也是通過一定的實驗 方法測

34、定出來的。由于實驗的方法不同，裂紋在外力作用下失穩(wěn)擴方法測定出來的。由于實驗的方法不同，裂紋在外力作用下失穩(wěn)擴 展、脆性斷裂的形式也不同，目前常用的斷裂韌性計算公式為：展、脆性斷裂的形式也不同，目前常用的斷裂韌性計算公式為： ）（ 2 3 1C mMNKYa c 50 c a c 1 aY c 1 脆斷應(yīng)力也和裂紋形狀及加力方式有關(guān)，即：脆斷應(yīng)力也和裂紋形狀及加力方式有關(guān)，即： 構(gòu)件中的裂紋越長（構(gòu)件中的裂紋越長（a a越大），則裂紋前端應(yīng)力集中越大，使裂越大），則裂紋前端應(yīng)力集中越大，使裂 紋擴展的外加應(yīng)力，即脆斷應(yīng)力紋擴展的外加應(yīng)力，即脆斷應(yīng)力 越小，即：越小，即： 當當a a和和Y Y已

35、知時，可根據(jù)一定的實驗方法測出脆斷應(yīng)力已知時，可根據(jù)一定的實驗方法測出脆斷應(yīng)力 代入上式，即可代入上式，即可 計算出計算出k k1C 1C值顯然，材料的 值顯然，材料的k k1C 1C值越高，則材料阻止裂紋擴展的能力越強。因 值越高，則材料阻止裂紋擴展的能力越強。因 此，此，k k1C 1C是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的指標，是材料抵抗低應(yīng)力脆斷的韌 是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的指標，是材料抵抗低應(yīng)力脆斷的韌 性參數(shù)。性參數(shù)。 斷裂韌性在電廠金屬材斷裂韌性在電廠金屬材 料中有相當重要的作用。料中有相當重要的作用。 由于電廠的大型、重要由于電廠的大型、重要 構(gòu)件，如鍋爐汽包，氣構(gòu)件，如鍋爐汽包，氣

36、 輪機轉(zhuǎn)子、主軸、葉片輪機轉(zhuǎn)子、主軸、葉片 等，是在高溫及復(fù)雜的等，是在高溫及復(fù)雜的 應(yīng)力狀態(tài)下運行的，對應(yīng)力狀態(tài)下運行的，對 于這些在特殊狀態(tài)下工于這些在特殊狀態(tài)下工 作的金屬材料斷裂韌性作的金屬材料斷裂韌性 的研究，就顯得非常必的研究，就顯得非常必 要。要。 51 一、金屬鍵與晶體結(jié)構(gòu)一、金屬鍵與晶體結(jié)構(gòu) l金屬原子的結(jié)構(gòu)特點金屬原子的結(jié)構(gòu)特點是：價電子數(shù)目較少（是：價電子數(shù)目較少（1-31-3個），電個），電 子層數(shù)較多，原子核對價電子的引力較弱，價電子極易脫子層數(shù)較多，原子核對價電子的引力較弱，價電子極易脫 離原子核形成自由電子，金屬原子成為離原子核形成自由電子，金屬原子成為正離子。正

37、離子。自由電子自由電子 在正離子之間做高速運動，形成帶負電的電子氣在正離子之間做高速運動，形成帶負電的電子氣。 l金屬金屬原子間這種正離子與自由電子的電性引力結(jié)合，稱為原子間這種正離子與自由電子的電性引力結(jié)合，稱為 金屬鍵。金屬鍵。 第二章第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷金屬的晶體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷 52 l 金屬鍵與非金屬原子間的結(jié)合鍵（離子鍵和共價鍵）不同。金屬鍵與非金屬原子間的結(jié)合鍵（離子鍵和共價鍵）不同。 金屬離子間的鍵合力很大，且由大量原子結(jié)合成整體金屬，金屬離子間的鍵合力很大，且由大量原子結(jié)合成整體金屬， 故故金屬的強度高；金屬的強度高； l自由電子在電場力作用下作定向運動，使自由電子

38、在電場力作用下作定向運動，使金屬具有導(dǎo)電性金屬具有導(dǎo)電性； l金屬離子周圍的鍵是等價的、對稱的，因而金屬原子在空間金屬離子周圍的鍵是等價的、對稱的，因而金屬原子在空間 的位置必須有規(guī)則地排列且勢能最低，即的位置必須有規(guī)則地排列且勢能最低，即呈晶體結(jié)構(gòu)呈晶體結(jié)構(gòu)。 l金屬離子在平衡位置上作高速振動，溫度越高，振幅越大。金屬離子在平衡位置上作高速振動，溫度越高，振幅越大。 金屬的這種結(jié)構(gòu)決定了其金屬的這種結(jié)構(gòu)決定了其具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性。 53 常見的晶體結(jié)構(gòu)有三種，常見的晶體結(jié)構(gòu)有三種，即體心立方晶格、面心立方即體心立方晶格、面心立方 晶格和密排六方晶格。晶格和密排六方晶格。 54

39、二、晶體的缺陷二、晶體的缺陷 金屬晶體的缺陷依照其幾何形狀，分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。金屬晶體的缺陷依照其幾何形狀，分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。 點缺陷點缺陷是指晶格中三維尺寸都較小的點狀缺陷，主要包括晶格是指晶格中三維尺寸都較小的點狀缺陷，主要包括晶格 空位、間隙原子和異質(zhì)原子?？瘴弧㈤g隙原子和異質(zhì)原子。 空位和間隙原子空位和間隙原子：空位指晶格中某些結(jié)點處沒有原子，而間隙：空位指晶格中某些結(jié)點處沒有原子，而間隙 原子指晶格間隙中出現(xiàn)多余原子。產(chǎn)生空位和間隙原子的主要原子指晶格間隙中出現(xiàn)多余原子。產(chǎn)生空位和間隙原子的主要 原因是由于原子熱運動使其逃離晶體結(jié)點位置或轉(zhuǎn)移到晶格間原因是由于原子

40、熱運動使其逃離晶體結(jié)點位置或轉(zhuǎn)移到晶格間 隙中。隙中。 異質(zhì)原子異質(zhì)原子：一般是其他金屬或非金屬原子置換原晶格中原子或：一般是其他金屬或非金屬原子置換原晶格中原子或 存在原晶格間隙中?？瘴?、間隙原子和異質(zhì)原子缺陷均會引起存在原晶格間隙中?？瘴弧㈤g隙原子和異質(zhì)原子缺陷均會引起 晶格局部變形，即晶格畸變。晶格畸變引起能量升高，使金屬晶格局部變形，即晶格畸變。晶格畸變引起能量升高，使金屬 的強度、硬度和電阻升高。的強度、硬度和電阻升高。 55 56 線缺陷又稱位錯線缺陷又稱位錯，是指晶體中一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。，是指晶體中一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 位錯有兩種類型，最簡單

41、的是刃形位錯。位錯有兩種類型，最簡單的是刃形位錯。 位錯的存在對金屬的性能有很大影響，隨著位錯數(shù)目的增加，金屬強度先位錯的存在對金屬的性能有很大影響，隨著位錯數(shù)目的增加，金屬強度先 降低后增加，所以金屬晶體中不含位錯或含有大量位錯均能使強度提高。降低后增加，所以金屬晶體中不含位錯或含有大量位錯均能使強度提高。 57 l面缺陷面缺陷是晶體中二維尺寸較大，一維尺寸較小的呈面狀分布的缺是晶體中二維尺寸較大，一維尺寸較小的呈面狀分布的缺 陷，如晶界、亞晶界等。陷，如晶界、亞晶界等。 在晶界上原子的無規(guī)則排列，使得晶界在晶界上原子的無規(guī)則排列，使得晶界 的性能與晶內(nèi)差別很大：晶界原子比晶的性能與晶內(nèi)差別

42、很大：晶界原子比晶 內(nèi)原子易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而內(nèi)原子易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而容易被容易被 腐蝕腐蝕； 晶界原子近于液態(tài)結(jié)構(gòu)，致使晶界原子近于液態(tài)結(jié)構(gòu)，致使晶界熔點晶界熔點 低于晶內(nèi)低于晶內(nèi)； 異類原子和雜質(zhì)在晶界上存在時能量低，異類原子和雜質(zhì)在晶界上存在時能量低， 所以所以晶界是雜質(zhì)原子易于聚集的地方晶界是雜質(zhì)原子易于聚集的地方； 由于晶界處原子排列無規(guī)則，金屬的塑由于晶界處原子排列無規(guī)則，金屬的塑 性變形（滑移）受到阻礙，致使性變形（滑移）受到阻礙，致使晶界的晶界的 強度比晶內(nèi)高強度比晶內(nèi)高。 因此，金屬晶粒的大小對金屬的性能有因此，金屬晶粒的大小對金屬的性能有 很大影響。很大影響。 58

43、晶體塑性變形的主要形式是晶體塑性變形的主要形式是滑移和孿生滑移和孿生。 l一部分晶體相對于另一部分晶體的相對滑動，即為滑移。一部分晶體相對于另一部分晶體的相對滑動，即為滑移。 l對滑移后的晶體進行對滑移后的晶體進行x x射線分析表明，晶體發(fā)生相對移動后仍然射線分析表明，晶體發(fā)生相對移動后仍然 是完整的晶體，且晶格位向不變，滑動的距離是晶格常數(shù)的整數(shù)是完整的晶體，且晶格位向不變，滑動的距離是晶格常數(shù)的整數(shù) 倍。倍。 l這種由整個晶體沿著一個滑移的平面發(fā)生的整體滑動，稱為這種由整個晶體沿著一個滑移的平面發(fā)生的整體滑動，稱為“剛剛 性滑移性滑移”。發(fā)生滑移的晶面，叫做滑移面。發(fā)生滑移的晶面，叫做滑移

44、面。 晶體在產(chǎn)生滑移變形時，不是沿著任何晶面都能滑移的，只有在晶體在產(chǎn)生滑移變形時，不是沿著任何晶面都能滑移的，只有在 原子最密排的晶面上才能發(fā)生滑移。晶體中原子排列最密的品面，原子最密排的晶面上才能發(fā)生滑移。晶體中原子排列最密的品面， 稱為密排面。這些密排面往往就是滑移變形的滑移面。稱為密排面。這些密排面往往就是滑移變形的滑移面。 實驗證明，滑移變形的真正機理是由位錯的移動來完成的。實驗證明，滑移變形的真正機理是由位錯的移動來完成的。 59 其微觀過程，是由位錯的移動來完成的。金屬中存在著大量位其微觀過程，是由位錯的移動來完成的。金屬中存在著大量位 錯，位錯沿著滑移面運動，在宏觀上引起金屬的

45、塑性變形。錯，位錯沿著滑移面運動，在宏觀上引起金屬的塑性變形。 60 l孿生是晶體的另一種塑性變形方式孿生是晶體的另一種塑性變形方式。 l在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿晶面）和晶向在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面（孿晶面）和晶向 （攣晶方向）相對于另一部分所發(fā)生的切變稱為孿生。（攣晶方向）相對于另一部分所發(fā)生的切變稱為孿生。 l與滑移變形相比，孿生變形很少發(fā)生。因為孿生所需要的剪切應(yīng)與滑移變形相比，孿生變形很少發(fā)生。因為孿生所需要的剪切應(yīng) 力很大，孿生變形往往只在低溫的體心六方晶格金屬中發(fā)生，或力很大，孿生變形往往只在低溫的體心六方晶格金屬中發(fā)生，或 在滑核系很少的密排六

46、方晶格金屬中發(fā)生，或受到?jīng)_擊變形的金在滑核系很少的密排六方晶格金屬中發(fā)生，或受到?jīng)_擊變形的金 屬中發(fā)生。屬中發(fā)生。 61 多晶體塑性變形時，每個晶粒的塑性變形與單晶體塑性變形基本多晶體塑性變形時，每個晶粒的塑性變形與單晶體塑性變形基本 相同，但由于晶界的作用及相鄰晶粒之間位向不同，多晶體的塑相同，但由于晶界的作用及相鄰晶粒之間位向不同，多晶體的塑 性變形與單晶體相比又有所不同。性變形與單晶體相比又有所不同。 實際使用的金屬材料幾乎都是多晶體。實際使用的金屬材料幾乎都是多晶體。 62 多晶體金屬存在著晶界，各晶粒的取向也不相同，塑性變形 具有如下一些特點： 1、各晶粒變形的不同時性和不均勻性 變

47、形的不同時性和不均勻性常常是相互聯(lián)系的。金屬組 織越不均勻，則起始塑性變形不同時性就越嚴重。 2、各晶粒變形的相互協(xié)調(diào) 63 l金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部的組織和力學(xué)性能、物理、金屬材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，其內(nèi)部的組織和力學(xué)性能、物理、 化學(xué)性能也發(fā)生一系列的變化，主要的變化是加工硬化，同時在金屬內(nèi)部化學(xué)性能也發(fā)生一系列的變化，主要的變化是加工硬化，同時在金屬內(nèi)部 產(chǎn)生形變內(nèi)應(yīng)力。產(chǎn)生形變內(nèi)應(yīng)力。 在電力工業(yè)中，碎煤機錘頭、磨煤機襯板、斗輪機斗齒、冷卷彈簧等都是利用加工硬化進一步提高強度的。在電力工業(yè)中，碎煤機錘頭、磨煤機襯板、斗輪機斗齒、冷卷彈簧等都是利用加工硬化進一步提

48、高強度的。 金屬在受外力作用屈服后，如繼續(xù)變形則需要金屬在受外力作用屈服后，如繼續(xù)變形則需要 增加應(yīng)力，即隨著塑性變形的增加金屬不斷強化、增加應(yīng)力，即隨著塑性變形的增加金屬不斷強化、 硬化，直至達到強度極限。硬化，直至達到強度極限。 低碳鋼加工硬化后強度可提高低碳鋼加工硬化后強度可提高8080以上。以上。 金屬的顯微組織金屬的顯微組織：會發(fā)現(xiàn)金屬的晶粒逐漸被拉：會發(fā)現(xiàn)金屬的晶粒逐漸被拉 長，甚至?xí)兂杉殫l狀、纖維狀，這說明晶粒發(fā)長，甚至?xí)兂杉殫l狀、纖維狀，這說明晶粒發(fā) 生碎化，亞晶的數(shù)量增加。晶界和亞晶界數(shù)量的生碎化，亞晶的數(shù)量增加。晶界和亞晶界數(shù)量的 增加，使位錯運動受阻，形變抗力加大，導(dǎo)致強增加，使位錯運動受阻，形變抗力加大，導(dǎo)致強 度和硬度增加。度和硬度增加。 性能性能：隨著塑性變形量的增加，位錯密度增加，：隨著塑性變形量的增加，位錯密度增加， 使運動中的位錯發(fā)生復(fù)雜的交互作用，位錯線相使運動中的位錯發(fā)生復(fù)雜的交互作用，位錯線相 互纏結(jié)、堆積，阻礙了位錯的運動，也會使強度、互纏結(jié)、堆積，阻礙了位錯的運動，也會使強度、 硬度