工程材料和成型技術分析—材料性能

1、工程材料和成型技術分析材料性能1.2 晶體材料的原子排列一、晶體的基本知識 （一）、晶體與非晶體 固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為體和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列 。非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）自然界中晶瑩剔透的金剛石和水晶屬于晶體，但普通玻璃光亮透明，但它屬于非晶體。而金屬和合金雖然不透明，但它們在通常條件下都是晶體。 （二）、晶格、晶胞、晶格常數(shù) 1、晶格 為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個原子看成是固定不動的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個空間格架，各原子的中心

2、就處在格架的幾個結(jié)點上，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。 2、晶胞 由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點，為了便于討論 通常只從晶格中，選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞 ，整個晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復堆積而成的。 3、晶格常數(shù) 在晶體學中，通常取晶胞角上某一結(jié)點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標原點的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以棱邊長度 和棱面夾角 來表示晶胞的形狀和大小 。（三）、金屬中常見晶格 由于金屬鍵結(jié)

3、合力較強，是金屬原子總趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。 1、體心立方晶格bcc 體心立方晶格的晶胞它是一個立方體。在晶胞的中心和八個角上各有一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，每個晶胞實際上只占有18個原子。而中心的原子為該晶胞所獨有。故晶胞中實際原子數(shù)為81812（個）。具有體心立方晶格的金屬有 、 等。 2、面心立方晶格 面心立方晶格也是一個立方體，在晶胞的每個角上和晶胞的六個面的中心都排一個原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個晶胞所共有，而每個面中心的原子為兩個晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為8186124（個）。 具有面心立方晶格的金屬有 、 等。

4、3、密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，有六個呈長方形的側(cè)面和兩個呈六邊形的底面所組成。因此，要用兩個晶格常數(shù)表示。一個是柱體的高度c，另一個是六邊形的邊長，在晶胞的每個角上和上、下底面的中心都排列一個原子，另外在晶胞中間還有三個原子。 密排六方晶胞每個角上的原子為相鄰的六個晶胞所共有，上、下底面中心的原子為兩個原子所共有，晶胞中三個原子為該晶胞獨有。所以，密排六方晶胞中原子數(shù)為121621236（個）。具有密排六方晶格的金屬有Mg 、Zn 。（四）、晶體結(jié)構(gòu)的致密度 晶體結(jié)構(gòu)的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，可用來原子排列的緊密程度進行定量比較。 在體心立方晶胞中，

5、含有2個原子。這2個原子的體積為2（43）r3，式中r為原子半徑 。故體心立方晶格的致密度為： 2個原子的體積與晶胞體積之比等于。 這表明在體心立方晶格中，有68的體積被所占據(jù)，其余為空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度為。顯然，致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。所以，當鐵由面心立方晶格變?yōu)轶w心立方晶格時，由于致密度減小而使體積膨脹。三、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu) （一）、金屬材料都是多晶體 我們把晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。單晶體只有經(jīng)過特殊制作才能獲得。實際上，常使用的金屬材料，由于受結(jié)晶條件和其它因素的限制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是由許多尺寸很小，各自結(jié)晶方位都不同的小單晶體組合在一起的

6、多晶體構(gòu)成。這些小晶體就是晶粒，它們之間的交界即為晶界。在一個晶粒內(nèi)部其結(jié)晶方位基本相同，但也存在著許多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。 （二）、晶體的缺陷 晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學性能、機械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得數(shù)值。 根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類： 點缺陷 線缺陷 面缺陷 1、點缺陷空位和間隙原子 在實際晶體結(jié)

7、構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在個別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。 由于空位和間隙原子的存在 ，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度和電阻增加。 晶體中的空位和間隙原子處于不斷地運動和變化之中，在一定溫度下，晶體內(nèi)存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運動，是金屬中原子擴散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。 2、線缺陷位錯 晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，稱為位錯。其特征是在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。晶體中位錯的數(shù)量

8、通常用位錯密度表示，位錯密度是指單位體積內(nèi)，位錯線的總長度。 位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的塑性變形與位錯的移動有關。冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是由于位錯密度的增加所致。 3、面缺陷晶界和亞晶界 實際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實際上是一個原子排列不規(guī)則的區(qū)域（如圖223、224），該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。總結(jié) 1、金屬的晶格有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)，由于致密度的不同，

9、從一種晶格到另一種的變化會引起體積的變化。 2、合金的相結(jié)構(gòu)有固溶體和化合物。彌散強化和固溶強化可以提高金屬材料的力學性能，所以，合金化是提高金屬性能的方法之一。 3、實際金屬是由很多晶粒組成，金屬內(nèi)部存在著點缺陷、位錯、晶界和亞晶界。點缺陷對金屬材料的熱處理過程極為重要。位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。金屬冷變形加工后的加工硬化，就是由于位錯密度的增加所致。點缺陷、晶界和亞晶界也與材料的力學性能有關。 第一章 金屬的力學性能教學目標: 了解材料的主要力學性能指標：屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率、硬度、沖擊韌性、疲勞強度、斷裂韌性等力學性能

10、及其測試原理；強調(diào)各種力學性能指標的生產(chǎn)實際意義；了解工程材料的物理性能、化學性能及工藝性能。金屬的力學性能定義 : 金屬材料的力學性能是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應力等）時所表現(xiàn)出的力學特征。 指標 : 彈性 、剛度、強度、塑性 、 硬度、沖擊韌性 、斷裂韌度和疲勞強度等。材料的其他性能物理性能：密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性等；化學性能：耐腐蝕性、抗氧化性、化學穩(wěn)定性等；工藝性能：鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性、熱處理工藝性等。 2 材料的靜態(tài)力學性能材料的力學性能的各項指標是在一系列規(guī)定條件下力學行為的

11、反映。 一 強度和塑性1.拉伸過程拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗機沿試樣軸向以一定速度施加載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。通過力與位移傳感器可獲得載荷(P)與試樣伸長量(L)之間的關系曲線，稱為拉伸曲線或P-L曲線（圖2-5）。 op段：比例彈性變形階段；pe段：非比例彈性變形階段；平臺或鋸齒（s段）：屈服階段；sb段：均勻塑性變形階段，是強化階段。b點：形成了“縮頸”。bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點斷裂。斷裂總伸長為Of，其中塑形變形Og(試樣斷后測得的伸長)，彈性伸長gf。 l Fl bl ul Fbbk Fss o g fe Fep Fp3.拉伸曲線圖2-5 拉伸曲線（位移曲線）和

12、應力-應變曲線若將縱坐標以應力(= P/A0, A0 為試樣原始截面積，圖2-3)表示，橫坐標以應變(=(L/ L0, L0為試樣標距)表示，則這時的曲線與試樣的尺寸無關，稱為應力-應變曲線或-曲線（圖2-5）。2.應力-應變曲線可以確定材料的強度指標(圖2-6)： 圖2-6 從應力-應變曲線上確定強度指標退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼不同材料的拉伸曲線材料在拉伸過程中要發(fā)生彈性變形、均勻塑性變形、非均勻塑性變形（頸縮）和最后的斷裂。材料在外力作用下產(chǎn)生變形，若外力去除后變形完全消失，材料恢復原狀，則這種可逆的變形就叫彈性變形。若外力去除后變形不能完全恢復，不能恢復的變形部分稱為

13、塑性變形。 1）彈性極限 e 是材料只發(fā)生彈性變形所能承受的最大應力，記為e（圖2-5，2-6），可用下式求出: e = Pe / A0 式中Pe （圖2-5左圖e點）- 彈性極限載荷，通常很難確定。在國家標準中把產(chǎn)生0.01%殘余伸長所需的應力作為規(guī)定彈性極限，記為。 2） 比例極限 p 比例極限p （圖2-5，2-6 ）略低于彈性極限，是材料所受應力與應變成正比關系的最大應力，可用下式求出: p = Pp / Ao 式中Pp （圖2-5左圖p點）- 應力與應變成正比關系的最大載荷。3）屈服強度 s、 在拉伸過程中，出現(xiàn)載荷不增加而試樣還繼續(xù)伸長的現(xiàn)象稱為屈服。屈服時所對應的應力稱為屈服強度

14、，記為s,可由下式求出: s = Ps / F0 式中Ps-屈服時的外載荷。 屈服強度表征材料發(fā)生明顯塑性變形時的抗力。大多數(shù)工程材料都沒有明顯的屈服現(xiàn)象，因此，通常規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余伸長所對應的應力，作為條件屈服強度，記為。 4）抗拉強度 b 當拉伸試樣屈服以后，欲繼續(xù)變形，必須不斷增加載荷。當載荷達到最大值Pb后，試樣的某一部位截面開始急劇縮小，出現(xiàn)了頸縮，致使載荷下降，直到最后斷裂。試樣能承受的最大載荷除以試樣原始截面積所得的應力，稱為抗拉強度，記為b, 即: b = Pb/ F0 抗拉強度是材料在拉伸條件下能夠承受最大載荷時的相應應力值, 表征了材料對最大均勻變形的抗力。 5）剛度彈

15、性模量 E 材料在受力時抵抗產(chǎn)生彈性變形的能力稱為剛度。通常用材料在彈性范圍內(nèi)，應力應變的比值（圖2-5，2-6直線段部分的斜率）即彈性模量（記為E）來作為衡量材料剛度的指標。 6）塑性 斷裂前材料發(fā)生塑性變形的能力叫塑性。常用塑性指標有伸長率（）和斷面收縮率（）。其數(shù)值可由下式求出(圖2-7)： = ( L1 L0 )/ L0 100% = ( A0 A1 )/A0100% 式中L0-試樣原始標距長度；L1-試樣斷裂后標距 的長度；A0-試樣原始截面積；A1-試樣斷裂處截面積。 試驗結(jié)果表明，對同一材料制成的幾何形狀相似 的試樣，均勻變形伸長率和試樣尺寸無關，集中變形 伸長率和 F0/ L0

16、比值有關。所以, 通常用L0 = 5d0 和L0 = 10d0 兩種比例試樣來測定伸長率，分別 記為5和10。 10% 屬塑性材料 從圖2-8中可以看出,塑性好的試樣斷口呈韌窩花樣,塑性較差的試樣斷口呈冰糖狀或舌狀花樣。圖2-8 拉伸試樣斷口（掃描電鏡照片） 二. 硬度試驗和硬度 硬度是材料抵抗局部變形的能力。通常采用靜載壓入法試驗。這種試驗方法不需要專門制作試樣，而且不破壞零件。常用的硬度指標如下: 布氏硬度HB 洛氏硬度HR 維氏硬度HV硬度( hardness ):是指材料抵抗其他硬物體壓入其表面的能力(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計 布氏硬度(物

17、理意義：壓痕表面上單位面積所承受的壓力） 在力P的作用下把直徑為D的鋼球壓入被測材料，布氏硬度值是載荷P除以壓痕(球冠)的面積F(圖)，用HB表示。即:HB=P/F= 2P/D-(D2-d2)1/2 這種方法只適合于測量HB 450的材料。 布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ) 符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如:120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（）載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness )h1-h0洛氏

18、硬度測試示意圖洛氏硬度計10HRCHBS洛氏硬度 用壓痕深度表征（每的深度為一個單位）。因所用壓頭和載荷不同又分為：HRC、HRB和HRA三種(見表2-1)。洛氏硬度主要測較硬的材料，但不宜測定硬而脆的薄層，硬薄層工件常用維氏硬度衡量。 表2-1 (3)維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )適用范圍: 測量薄板類 ; HVHBS ;維氏硬度 (物理意義：壓痕表面上單位面積所承受的壓力） 壓頭是136金剛石四棱錐體，測量出壓痕對角線(圖2-16)，用此值查表得硬度值，用HV表示。它可以對由高到低的較寬的硬度范圍進行測量。 （4）另外，還有一種叫做顯微硬度，用來測量組織中某一相 硬度。壓頭和表示符號同上，但所用載荷更小，只有幾克至幾十克。 說明： 硬度和強度由有一定關系，可以從有關手冊上進行換算 通過容易的硬度測量來估算材料強度，比用拉伸法要快捷。3 材料的動態(tài)力學性能 一、沖擊韌性( notch toughness )1靜載荷與動載荷 應變速率在10-2 毫米 / 秒以上的載荷屬于動載荷（即沖擊載荷）。2韌性 金屬抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。沖擊試驗機沖擊試樣