金屬材料的基礎(chǔ)知識2015

1、工程材料工程材料設(shè)計制造教研室設(shè)計制造教研室:丁海民丁海民金屬及金屬學(xué)金屬及金屬學(xué)金屬學(xué)成分成分組織組織性能性能 引言：引言：1 1、金屬材料的性能、金屬材料的性能使用性能使用性能： 指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學(xué)性指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：工藝性能： 指在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加指在制造機(jī)械零件的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能。工和熱處理的性能。2 2、金屬材料金屬材料力學(xué)性能力學(xué)性能 包括包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖

2、壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能加工性能和熱處理工藝性能等。等。 指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強(qiáng)度、塑性、強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度硬度、沖擊韌度和和疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度等。等。 第一節(jié) 金屬材料的性能金屬材料的工藝性能 金屬的金屬的工藝性能工藝性能（一）鑄造性能 鑄造：液態(tài)金屬澆入鑄型型腔凝固后得到所需形狀的毛坯或零件的成形工藝 鑄造性能：獲得尺寸精確、結(jié)構(gòu)完整的鑄件的能力 1、合金的流動性 2、收縮率 3、成分偏析（二）鍛造性能n鍛造成形：固態(tài)金屬在外力作用下所產(chǎn)生的塑性變形來獲得所需毛坯或零件的工藝n可鍛性：材料承受鍛壓成形的能力（塑性

3、、變形抗力）n 材料本身：晶體結(jié)構(gòu)、成分、組織n加工條件：溫度、變形速度等(三) 焊接性能n可焊性：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n影響因素：焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式等。(四) 切削性能n金屬承受切削加工的難易程度n表面光潔度、表面質(zhì)量等n一、金屬的變形和斷裂一、金屬的變形和斷裂n金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能：材料在材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如性，如彈性、塑性、強(qiáng)度、彈性、塑性、強(qiáng)度、硬度和韌性硬度和韌性等。等。 表征和判定金屬力學(xué)性能表征和判定金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)稱為金所用的指標(biāo)和依據(jù)稱為金屬力學(xué)性能的

4、判據(jù)。屬力學(xué)性能的判據(jù)。彈性彈性強(qiáng)度強(qiáng)度韌性韌性硬度硬度剛度剛度塑性塑性金屬金屬力學(xué)性能力學(xué)性能 金屬的金屬的機(jī)械性能機(jī)械性能1、強(qiáng)度n 金屬在外力作用下，抵抗變形和破壞的能金屬在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力：力：抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲、抗壓強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等。勞強(qiáng)度等。n拉伸試驗是測定強(qiáng)度和塑性的最普遍方法拉伸試驗是測定強(qiáng)度和塑性的最普遍方法，該試驗依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（目前通用的標(biāo)準(zhǔn)為該試驗依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)（目前通用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 2282002）進(jìn)行，將材料制作成標(biāo)）進(jìn)行，將材料制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣或比例試樣，在萬能實驗機(jī)上沿試準(zhǔn)試樣或比例試樣，在萬能實驗機(jī)上沿試樣軸向緩慢

5、地施加拉力，試樣隨拉力的增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。測得材料的加而變形，直至斷裂。測得材料的彈性極彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限及塑性限、屈服極限、強(qiáng)度極限及塑性等主要力等主要力學(xué)性能指標(biāo)。學(xué)性能指標(biāo)。 n拉伸試驗拉伸試驗： 即靜拉伸力對試樣軸向拉伸即靜拉伸力對試樣軸向拉伸, ,測量力和相測量力和相應(yīng)的伸長應(yīng)的伸長, ,一般拉至斷裂以測定其力學(xué)性一般拉至斷裂以測定其力學(xué)性能的試驗。能的試驗。拉伸試驗機(jī)低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線隨所受外力的增加，金屬相繼產(chǎn)生三種行為：彈性隨所受外力的增加，金屬相繼產(chǎn)生三種行為：彈性變形、塑性變形、斷裂變形、塑性變形

6、、斷裂（1）彈性變形）彈性變形 即物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當(dāng)外力卸即物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又回復(fù)到原始形狀和尺寸的特性。彈性的除后物體又回復(fù)到原始形狀和尺寸的特性。彈性的判據(jù)可通過拉伸試驗來測定。判據(jù)可通過拉伸試驗來測定。彈性變形階段有兩個彈性變形階段有兩個重要的力學(xué)性能指標(biāo)：重要的力學(xué)性能指標(biāo)：彈性極限和材料剛度。彈性極限和材料剛度。 彈性和剛度彈性和剛度n彈性：彈性：指標(biāo)為彈性極限指標(biāo)為彈性極限 e e，即，即材料承受最大彈材料承受最大彈性變形時的應(yīng)力。性變形時的應(yīng)力。n剛度：剛度：材料受力時抵抗材料受力時抵抗彈性變形的能力。彈性變形的能力。指標(biāo)指標(biāo)為

7、彈性模量為彈性模量E E。 （MPa）tgE e彈性極限n彈性的指標(biāo)為彈性的指標(biāo)為彈性極限彈性極限 e e，是，是材料承受材料承受最最大彈性變形大彈性變形時的應(yīng)力。即金屬材料不產(chǎn)生時的應(yīng)力。即金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應(yīng)力。拉伸曲塑性變形時所能承受的最大應(yīng)力。拉伸曲線線e e點對應(yīng)的應(yīng)力點對應(yīng)的應(yīng)力 e e為彈性極限：為彈性極限： e= Fe/S0 式中式中 e 彈性極限（彈性極限（MPa）；）； F e 試樣產(chǎn)生完全彈性變形時的最大試樣產(chǎn)生完全彈性變形時的最大外（外（N）；）； S0 試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mm 2）。）。剛度n即材料抵抗彈性變形的能力。即材料抵抗彈

8、性變形的能力。 剛度的大?。ㄖ笜?biāo)）以剛度的大?。ㄖ笜?biāo)）以彈性模量彈性模量來衡量，彈性模來衡量，彈性模量在拉伸曲線上表現(xiàn)為量在拉伸曲線上表現(xiàn)為oeoe段的斜率，即：段的斜率，即： E=/E=/式中式中 E E彈性模量（彈性模量（MPMPa a）；）； 應(yīng)力（應(yīng)力（MPMPa a）；）； 應(yīng)變。應(yīng)變。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形對彈性模量的影響很小。可以通過增

9、加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。狀來提高零件的剛度。（2 2）塑性變形）塑性變形1. 1. 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度n屈服點屈服點：即試樣在拉伸過程中力不再增加（保持恒：即試樣在拉伸過程中力不再增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長（變形）時的應(yīng)力。在拉伸曲線定）仍能繼續(xù)伸長（變形）時的應(yīng)力。在拉伸曲線上上s s點對應(yīng)的應(yīng)力為屈服點。點對應(yīng)的應(yīng)力為屈服點。 s s=F=Fs s/S/S0 0 式中式中 s s屈服點（屈服點（ MPa MPa ）；）； F Fs s試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的力（試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的力（N N）；）； S S0 0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（ mm mm 2 2

10、）。）。n即試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。即試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。 如圖如圖2-12-1所示，拉伸曲線上所示，拉伸曲線上b b點對應(yīng)的應(yīng)力為抗點對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度。拉強(qiáng)度。 b b=F=Fb b/S/S0 0 式中式中 b b抗拉強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度（MPaMPa）；）； F Fb b試樣斷裂前所能承受的最大拉力（試樣斷裂前所能承受的最大拉力（N N）；）； S S0 0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mmmm2 2 ）。）。2.2.抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度3.3.塑性塑性n即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。n常用的塑性判據(jù)是伸長率和斷面收縮率。常

11、用的塑性判據(jù)是伸長率和斷面收縮率。l伸長率伸長率 即試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。即試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。 =(L=(L1 1 - L - L0 0)/ L)/ L0 0 100%100% 式中式中 伸長率（伸長率（%）；）； L L1 1試樣拉斷后標(biāo)距（試樣拉斷后標(biāo)距（mm)mm)； L L0 0 試樣原始標(biāo)距（試樣原始標(biāo)距（mm)mm)。l 斷面收縮率n 即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始的橫截面積的百分比。與原始的橫截面積的百分比。 =（S S0 0-S-S1 1）/S/S0 0100%100%式中式中 斷面

12、收縮率（斷面收縮率（%）；）； S S1 1試樣的原始截面積（試樣的原始截面積（mmmm2 2） S S0 0試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積（mmmm2 2）2、疲勞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度n材料在低于屈服極限材料在低于屈服極限 s的重復(fù)交變應(yīng)力長期作用下的重復(fù)交變應(yīng)力長期作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。n疲勞失效的測定疲勞失效的測定n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)力值稱為材料的值稱為材料的疲勞極限（強(qiáng)度）疲勞極限（強(qiáng)度）。它反映材料抗疲。它反映材料抗疲勞斷裂的能力在一定條件下，當(dāng)應(yīng)力的最大值低于勞斷裂的能力在一

13、定條件下，當(dāng)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)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，就叫金屬材料的疲生疲勞斷裂。這個最大應(yīng)力值，就叫金屬材料的疲勞強(qiáng)度。當(dāng)交變應(yīng)力循環(huán)對稱時，疲勞強(qiáng)度用符號勞強(qiáng)度。當(dāng)交變應(yīng)力循環(huán)對稱時，疲勞強(qiáng)度用符號-1表示。表示。n鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖影響金屬材料疲勞強(qiáng)度的因素影響金屬材料疲勞強(qiáng)度的因素材料本身的強(qiáng)度、塑性、組織和材質(zhì)等影響材料的疲勞材料本身的強(qiáng)度、塑性、組織和材質(zhì)等影響材料的疲勞強(qiáng)度

14、，另外，疲勞強(qiáng)度還與零部件的幾何形狀、加工光潔強(qiáng)度，另外，疲勞強(qiáng)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)。度和工作環(huán)境等有關(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，因而采用表面強(qiáng)化的處理，可以提高疲勞強(qiáng)度。的，因而采用表面強(qiáng)化的處理，可以提高疲勞強(qiáng)度。3 3、硬度、硬度n 即材料抵抗局部變形的能力。即材料抵抗局部變形的能力。 硬度是材料抵抗塑性變形、壓痕的能力，是衡量硬度是材料抵抗塑性變形、壓痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)，也是表征力學(xué)性能的一項綜合指金屬軟硬的判據(jù)，也是表征力學(xué)性能的一項綜合指標(biāo)。標(biāo)。布氏硬度布氏硬度維氏

15、硬度維氏硬度肖氏硬度肖氏硬度莫氏硬度莫氏硬度洛氏硬度洛氏硬度硬度硬度試驗方法試驗方法n材料抵抗表面局部塑性變形材料抵抗表面局部塑性變形的能力。的能力。n布氏硬度布氏硬度HBHB)(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計布氏硬度計1）布氏硬度）布氏硬度 n壓頭為鋼球時壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號，布氏硬度用符號HBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。n壓頭為硬質(zhì)合金球時壓頭為硬質(zhì)合金球時，用符號，用符號HBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符號符號HBS或或HBW之前的數(shù)字表示之前的數(shù)字表示硬度值硬度值

16、, 符號后面的數(shù)字按順序分符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑別表示球體直徑、載荷及載荷保載荷及載荷保持時間。持時間。如如 120HBS10/1000/30 表表 示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷）載荷作用下保持作用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕n布氏硬度的優(yōu)點：布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。n缺點：缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。還硬的材料。n適于測量適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, 鑄鐵及有色

17、金屬的硬度。鑄鐵及有色金屬的硬度。n材料的材料的 b與與HB之間的經(jīng)驗關(guān)系：之間的經(jīng)驗關(guān)系： 對于低碳鋼對于低碳鋼: b(MPa)3.6HB 對于高碳鋼：對于高碳鋼： b(MPa)3.4HB 對于鑄鐵：對于鑄鐵： b(MPa)1HB或或 b(MPa) 0.6(HB-40)HB b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵2）洛氏硬度）洛氏硬度n洛氏硬度用符號洛氏硬度用符號HR表示，表示，HR=k-(h1-h0)/0.002n根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為標(biāo)尺為A、B、C。 h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計洛氏硬度計符號符

18、號壓頭類型壓頭類型總載荷總載荷（kgf）適用范圍適用范圍HRC120金剛石圓金剛石圓錐錐150一般淬火鋼等硬度較大材料一般淬火鋼等硬度較大材料HRB1.588mm鋼球鋼球100退火鋼和有色金屬等軟材料退火鋼和有色金屬等軟材料HRA120金剛石圓金剛石圓錐錐60硬而薄的硬質(zhì)合金或表面淬硬而薄的硬質(zhì)合金或表面淬火鋼火鋼試驗規(guī)范試驗規(guī)范n符號符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如有色如有色金屬和退火金屬和

19、退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點：洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。小，適用范圍廣。l缺點：缺點：測量結(jié)果分散度大。測量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕3 3）維氏硬度）維氏硬度（HV）維氏硬度計維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕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136的正四棱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，錐金剛石壓頭壓入試樣表面

20、，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，載荷痕表面積，載荷F除以壓痕面積除以壓痕面積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HV表示，計算公式如下：表示，計算公式如下： )(kgf/mmdF1.8544SFHV22n維氏硬度維氏硬度用符號用符號HV表示，表示，符號前的數(shù)字為硬度值，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。n根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法維氏硬維

21、氏硬度試驗度試驗 、小負(fù)荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗、小負(fù)荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。n維氏硬度保留了布氏硬度和維氏硬度保留了布氏硬度和 洛氏硬度的優(yōu)點。洛氏硬度的優(yōu)點。 小負(fù)荷維氏硬度計小負(fù)荷維氏硬度計顯微維氏硬度計顯微維氏硬度計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值從表中查出，值從表中查出，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+試驗載荷試驗載荷+載荷保持時間載荷保持時間（1015秒不標(biāo)注）。秒不標(biāo)注）。例如，例如，640HV3020表示在試驗力表示

22、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。n沖擊韌性沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。常用常用沖擊實驗測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單位面積所消沖擊實驗測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單位面積所消耗的沖擊功。耗的沖擊功。l指標(biāo)為沖擊指標(biāo)為沖擊韌性值韌性值ak(通通過沖擊實驗過沖擊實驗測得測得)。 4 4、韌性、韌性n即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。 常采用夏比沖擊試驗來測定材料的韌性。常采用夏比沖擊試驗來測定材料的韌性。 (h1-h2)/A 式中式

23、中 沖擊韌度（沖擊韌度（J/cmJ/cm2 2） 試樣的沖擊吸收功（試樣的沖擊吸收功（J)J) 缺口底部橫截面積缺口底部橫截面積(mm(mm2 2 ) ) 擺錘重量擺錘重量(Kg) (Kg) h h1 1擺錘舉起高度擺錘舉起高度(m)(m) h h2 2擊斷試樣后升起高度擊斷試樣后升起高度(m)(m) 夏比沖擊試驗夏比沖擊試驗韌脆轉(zhuǎn)變溫度韌脆轉(zhuǎn)變溫度n材料的沖擊韌性隨溫材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。度下降而下降。在某在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象性值急劇下降的現(xiàn)象稱稱韌脆轉(zhuǎn)變。韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變韌脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。材

24、料材料的使用溫度應(yīng)高于韌的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)變溫度，而大多數(shù)面心立面心立方金屬方金屬沒有。沒有。TITANIC建造中的建造中的Titanic 號號TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)Titanic 號鋼板號鋼板（左圖）（左圖）和和近代船用鋼板（右圖）近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果的沖擊試驗結(jié)果Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板影響沖擊韌性值大小的因素影響沖擊韌性值大小的因素有材料的化學(xué)成份、冶金有材料的化學(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，金質(zhì)量

25、、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。屬材料的沖擊韌性隨溫度的降低而下降。5、斷裂韌性n材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力aYkcIc金屬材料的物理、化學(xué)性能金屬材料的物理、化學(xué)性能 金屬材料的物理、金屬材料的物理、化學(xué)性能包括密度、化學(xué)性能包括密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨熱性、磁性、熱膨脹性、耐熱性和耐脹性、耐熱性和耐蝕性等。蝕性等。 機(jī)械零件的用途不機(jī)械零件的用途不同，對材料的物理、同，對材料的物理、化學(xué)性能要求也不化學(xué)性能要求也不同同 。導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性磁性磁性耐熱性耐熱性熱膨脹性熱膨脹性導(dǎo)電性導(dǎo)電性熔點熔點密度密度金屬的金屬的物理、化學(xué)

26、性能物理、化學(xué)性能第二節(jié)第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 材料結(jié)構(gòu)的層次材料結(jié)構(gòu)的層次 晶體:金剛石、NaCl、冰 等。非晶體: 蜂蠟、玻璃 等。液體晶體的特性n組成晶體的基本原子在三維空間上周期性排列n晶體具有確定的熔點n晶體性能具有各向異性原子（離子）的剛球模型原子（離子）的剛球模型原子中心位置原子中心位置 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)結(jié)點結(jié)點晶胞晶胞點陣（晶格）模型點陣（晶格）模型晶胞晶胞:每個晶胞有六個晶格常數(shù)每個晶胞有六個晶格常數(shù)(a,b,c;,） XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)a，b，c cmAAoo81011（埃）a = = b = c且且= 90o簡單立方晶胞簡單立方晶胞具有簡單立方晶胞

27、的晶格具有簡單立方晶胞的晶格簡單立方晶格簡單立方晶格（1 1）體心立方晶格）體心立方晶格 bccbcc -Fe-Fe、W W、V V、MoMo 等等二、三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)二、三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 晶胞中原子位于正方體的八個頂角和立方體中心，由于每個頂角上的原子同時屬于周圍八個晶胞共有，所以體心立方晶胞中含有的原子數(shù)為2體心立方體心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：原子半徑：原子半徑：致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va/Vc=Va/Vc，其中，其中Vc:Vc:晶胞體積晶胞體積a a3 3Va:Va:

28、原子總體積原子總體積2 2 4 4 r r3 3/3/3體心立方晶格：體心立方晶格：最大原子密度晶面是最大原子密度晶面是110110晶面晶面最大原子密度晶向是最大原子密度晶向是晶向晶向XYZabc2r2raa2 2（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fccfcc -Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等等面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：原子半徑：原子半徑：致密度：致密度：0.740.74面心立方晶格：面心立方晶格：最大原子密度晶面是：最大原子密度晶面是：111111晶面晶面最

29、大原子密度晶向是：最大原子密度晶向是：晶向晶向XYZabc密排方向密排方向4 4（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 hcphcpMgMg、Zn Zn 等等晶格常數(shù)晶格常數(shù)底面邊長底面邊長a a底面間距底面間距c c側(cè)面間角側(cè)面間角120120 側(cè)面與底面夾角側(cè)面與底面夾角9090 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：6 6原子半徑：原子半徑：a/2致密度：致密度：0.0. 7474 晶向指數(shù)的求法晶向指數(shù)的求法 a a、以晶胞的晶軸為坐標(biāo)軸，以晶胞的邊長為坐標(biāo)軸的、以晶胞的晶軸為坐標(biāo)軸，以晶胞的邊長為坐標(biāo)軸的 長度單位長度單位 b b、使待定晶向的直線通過坐標(biāo)原點或通過原點作一直線平行于待、使待定晶向的

30、直線通過坐標(biāo)原點或通過原點作一直線平行于待 定晶向定晶向 c c、在通過原點的直線上選出距原點最近的一個結(jié)點，確定該結(jié)、在通過原點的直線上選出距原點最近的一個結(jié)點，確定該結(jié) 點的坐標(biāo)值點的坐標(biāo)值 d d、將三個坐標(biāo)值化為互質(zhì)整數(shù)，再加上方括號，即為該待定晶向、將三個坐標(biāo)值化為互質(zhì)整數(shù)，再加上方括號，即為該待定晶向 的晶向指數(shù)。如果其中某一數(shù)值為負(fù)，則將負(fù)號標(biāo)注在該數(shù)值的晶向指數(shù)。如果其中某一數(shù)值為負(fù)，則將負(fù)號標(biāo)注在該數(shù)值 上方。上方。 晶面指數(shù)的求法：晶面指數(shù)的求法： 1 1、在晶格中設(shè)置坐標(biāo)軸、在晶格中設(shè)置坐標(biāo)軸X X、Y Y、Z Z，坐標(biāo)原點應(yīng)位于待定指數(shù)的晶面，坐標(biāo)原點應(yīng)位于待定指數(shù)的晶

31、面之外之外 2 2、求出待定晶面在各個坐標(biāo)軸上的截距，并用晶軸的單位長度（晶、求出待定晶面在各個坐標(biāo)軸上的截距，并用晶軸的單位長度（晶胞的晶格常數(shù)）作為截距的單位，胞的晶格常數(shù)）作為截距的單位， 2 2-2-2，3b-33b-3，1c-11c-1 3 3、取截距的倒數(shù)，然后化為最小的簡單整數(shù)，加上小括號，即得、取截距的倒數(shù)，然后化為最小的簡單整數(shù)，加上小括號，即得晶面指數(shù)。若晶面與晶軸相截于負(fù)方向，則將負(fù)號標(biāo)于該數(shù)的上方。晶面指數(shù)。若晶面與晶軸相截于負(fù)方向，則將負(fù)號標(biāo)于該數(shù)的上方。 三、金屬晶格的基本類型三、金屬晶格的基本類型晶格類型體心立方晶格 bcc面心立方晶格 fcc密排六方晶格 hcp

32、晶胞結(jié)構(gòu)晶胞常數(shù)abc 90abc 90ab c/a1.633 90 120晶胞內(nèi)原子數(shù)原子半徑致密度0.680.740.74典型金屬-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nb-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb、Ca、SrMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Co四、晶體的各向異性四、晶體的各向異性晶面晶面100110111bccfcc晶向晶向 bccfcc由于晶體中不同由于晶體中不同晶面、晶向上的晶面、晶向上的原子密度不同，原子密度不同，故晶體在不同方故晶體在不同方向上的性能也不向上的性能也不同，呈現(xiàn)各向異同，呈現(xiàn)各向異性，這是晶體區(qū)性，這是晶體區(qū)別于非晶體的重別于非晶體的重要

33、標(biāo)志之一。要標(biāo)志之一。 如：體心立方的如：體心立方的鐵晶體鐵晶體: : 在在晶向上晶向上, , E=290000MN/mE=290000MN/m2 2； 在在晶向上晶向上, , E=1350000MN/mE=1350000MN/m2 2一一. .單晶體與多晶體的基本概念單晶體與多晶體的基本概念 1. 1. 單晶體的特征單晶體的特征: : 晶體由一個晶格排列方位完全一致的晶粒組成。晶體由一個晶格排列方位完全一致的晶粒組成。 * * 晶體具有各向異性晶體具有各向異性 例如例如: :單晶硅、單晶鍺等。單晶硅、單晶鍺等。 2. 2. 多晶體的特征多晶體的特征 晶體是由許多顆晶格排列方位不相同的晶粒組成

34、。晶體是由許多顆晶格排列方位不相同的晶粒組成。 * *晶體具有各向同性晶體具有各向同性 例如例如: : 常用的金屬等。常用的金屬等。 3.3.晶粒晶粒 組成金屬晶體的小晶體，因其外型呈不規(guī)格的顆粒狀故稱晶粒組成金屬晶體的小晶體，因其外型呈不規(guī)格的顆粒狀故稱晶粒 4.4.晶界晶界 晶粒之間的界面。晶粒之間的界面。實際晶體的結(jié)構(gòu)實際晶體的結(jié)構(gòu) 晶界的特性晶界的特性： a.a.晶界處能量高，雜質(zhì)多。晶界處能量高，雜質(zhì)多。 b.b.晶界易被腐蝕。晶界易被腐蝕。 c.c.晶界熔點比晶內(nèi)低。晶界熔點比晶內(nèi)低。 d.d.相變首先在晶界處發(fā)生。相變首先在晶界處發(fā)生。 e.e.晶界阻礙位錯的運(yùn)動，因此晶界不易發(fā)

35、晶界阻礙位錯的運(yùn)動，因此晶界不易發(fā) 生塑性變形。生塑性變形。 亞晶：亞晶： 每個晶粒內(nèi)部，存在晶格位向有微小差異的小每個晶粒內(nèi)部，存在晶格位向有微小差異的小區(qū)域，位向差很小區(qū)域，位向差很小, ,最多最多 1-21-2，這些小區(qū)域稱為亞晶。，這些小區(qū)域稱為亞晶。 1 1、點缺陷（零維缺陷）、點缺陷（零維缺陷） 晶格空位：晶格中的原子脫離晶格結(jié)點，形成空位。晶格空位：晶格中的原子脫離晶格結(jié)點，形成空位。 間隙原子：從晶格結(jié)點上脫離的原子轉(zhuǎn)移到晶格間隙。間隙原子：從晶格結(jié)點上脫離的原子轉(zhuǎn)移到晶格間隙。 置換原子：晶格中晶格空位，間隙原子的存在，會改變其周圍置換原子：晶格中晶格空位，間隙原子的存在，會

36、改變其周圍 原子的平衡，造成晶格畸變。原子的平衡，造成晶格畸變。二二. . 晶體缺陷晶體缺陷 2. 2. 線缺陷線缺陷-位錯位錯n位錯是晶體中普遍存在的，也是最重要的一種缺陷。位錯是晶體中普遍存在的，也是最重要的一種缺陷。位錯包括：位錯包括：n刃型位錯刃型位錯n螺旋型位錯螺旋型位錯n混合位錯混合位錯n位錯線周圍的原子不同程度地偏離了平衡位置，使周圍的位錯線周圍的原子不同程度地偏離了平衡位置，使周圍的晶格發(fā)生了畸變。晶格發(fā)生了畸變。位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。移，滑移面上滑移區(qū)與

37、未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。刃型位錯刃型位錯 刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。是刃型位錯。n半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“ “ ”表示。表示。n半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯，用半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯，用“ ”“ ”表示。表示。正刃型位錯正刃型位錯負(fù)刃型位錯負(fù)刃型位錯n位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。 = S/V

38、= S/V(cm/cm(cm/cm3 3或或1/cm1/cm2 2) )n金屬的位錯密度為金屬的位錯密度為10104-4-10101212/cm/cm2 2n位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運(yùn)動引起，金屬的塑性變形主要由位錯運(yùn)動引起，因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。n減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。 3.3.面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界 晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5-105-10個原子間距，位向差一個原子間距，位向差一般為般

39、為20-4020-40。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁n亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小也很小(1 (1 -2 -2 ) )的小晶塊。的小晶塊。n亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯壁。也可看作位錯壁。 晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界第三節(jié)第三節(jié) 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶一、一、 凝固與結(jié)晶的概念凝固與結(jié)晶的概念1.1.凝固凝固 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。2.2.結(jié)晶結(jié)晶 晶體

40、物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。物質(zhì)中的原子由近程有晶體物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠(yuǎn)程有序排列的過程。序排列向遠(yuǎn)程有序排列的過程。金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程形核與長大過程形核與長大過程二、二、 結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律結(jié)晶的現(xiàn)象與規(guī)律金屬液形成晶核晶核長大形成晶體 形核、長大。液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時聚時散，形核、長大。液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時聚時散，稱為晶坯。在結(jié)晶溫度經(jīng)一段時間后稱為晶坯。在結(jié)晶溫度經(jīng)一段時間后( (即孕育期即孕育期), ), 一些大尺寸的晶坯將會長大，一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。稱為晶核。三、結(jié)晶的過

41、冷現(xiàn)象三、結(jié)晶的過冷現(xiàn)象n冷卻曲線與過冷冷卻曲線與過冷n1 1、冷卻曲線、冷卻曲線n金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線金屬結(jié)晶時溫度與時間的關(guān)系曲線稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對稱冷卻曲線。曲線上水平階段所對應(yīng)的溫度稱實際結(jié)晶溫度應(yīng)的溫度稱實際結(jié)晶溫度T T1 1。n曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出曲線上水平階段是由于結(jié)晶時放出結(jié)晶潛熱引起的結(jié)晶潛熱引起的. . 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線n2 2、過冷與過冷度、過冷與過冷度n純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度純金屬都有一個理論結(jié)晶溫度T T0 0( (熔點或平衡結(jié)晶溫度熔點或平衡結(jié)晶溫度) )。在該溫度下。在該溫度下, , 液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。液體和晶體處于動平衡狀態(tài)。n結(jié)晶只有在結(jié)晶只有在T T0 0以下的實際結(jié)晶溫度下才能進(jìn)