機(jī)械工程材料教材課件匯總完整版ppt全套課件最全教學(xué)教程整本書電子教案全書教案合集最新課件匯編

1、1 機(jī)械工程材料Mechanical Engineering Materials2 第1章 材料的結(jié)構(gòu)與凝固 本章目錄1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 1.1.2 三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 1.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征 1.1.4 晶面、晶向及晶體的各向異性 1.1.5 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.2.1 合金概述 1.2.2 固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)1.3 非金屬材料的結(jié)構(gòu) 1.3.1 高分子材料的結(jié)構(gòu) 1.3.2 陶瓷材料的結(jié)構(gòu)3 1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體內(nèi)部原子（或離子）按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體。如天然金剛石、鉆石

2、、水晶、氯化鈉、明礬等。 固體金屬均為晶體。 非晶體原子排列無規(guī)則的固體。如玻璃、松香、石臘、棉花、木材等?？臻g點(diǎn)陣（晶格） 將構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）抽象為純粹的幾何陣點(diǎn)，并用直線連接起來構(gòu)成的三維空間格架。晶胞能夠反映晶格特征的最小組成單元。圖1-1 晶體中的原子堆垛剛球模型（a）、晶格（b）和晶胞（c）示意圖4晶格參數(shù)晶格的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角、 六個(gè)參數(shù)來描述 晶格常數(shù)a、b、c。1.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念圖1-2 晶格參數(shù)5體心立方晶格-金屬中如Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等屬此種晶格。面心立方晶格-金屬中如Al、Mn、Ni、Cu

3、、Ag、Pt、Au、Pb 及-Fe等屬此種晶格。密排六方晶格-金屬中如Zn、Mg、Be、Cd、 -Ti及 -Co等等屬此種晶格。1.1.2 三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)(a)體心立方（b）面心立方（c）密排六方61.1.3常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征（1）晶胞中的原子數(shù)面心立方晶格密排六方晶格體心立方晶格71.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征（2）原子半徑面心立方晶格密排六方晶格體心立方晶格8 配位數(shù)晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子周圍最近鄰的且等距離的原子數(shù)。 配位數(shù)越大，晶體中原子排列就越緊密。（3）配位數(shù)和致密度面心立方晶格：12密排六方晶格：12體心立方晶格：89致密度-晶胞中所含原子的體積與晶胞體積的比值，即

4、 K=nU/V 配位數(shù)大，則致密度亦大。式中：K-晶體的致密度； n-晶胞中所含原子的數(shù)目； U-每個(gè)原子的體積； V-晶胞的體積。 （3）配位數(shù)和致密度面心立方晶格密排六方晶格體心立方晶格10表11 三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征晶格類型晶胞中的原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度體心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.74111) 晶面-通過晶體中原子中心的平面。 晶面指數(shù)-用以表示晶面的數(shù)字符號稱為晶面指數(shù)（hkl） 晶面指數(shù)的確定 晶面族 HKL1.1.4 晶面、晶向及晶體的各向異性122) 晶向-是晶體中原子列所表示的方向。晶向指數(shù)-表示晶向的數(shù)字符號稱為晶向指數(shù)uvw晶向指數(shù)

5、的確定晶向族 133）金屬晶體的各向異性定義金屬晶體沿不同方向性能不相同的現(xiàn)象。晶體與非晶體最根本的差別之一是單晶體具有明顯的方向性。這與晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它們之間的結(jié)合力大小不同有關(guān)。14 2.3 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)及晶體缺陷（1） 實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 單晶體金屬內(nèi)部的晶格方位完全一致。 多晶體多晶粒組成的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)。 晶粒組成多晶體的外形不規(guī)則的小晶體。 晶界晶粒與晶粒間的界面。 組織用金相的方法，在金屬及合金內(nèi)部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系的構(gòu)造情況。 顯微組織顯微鏡所觀察到的組織。 亞晶粒晶粒內(nèi)存在的、相互間晶格位向差很小的晶塊。 亞晶界亞晶

6、粒之間的界。15（2） 晶體缺陷1） 點(diǎn)缺陷：包括：晶格空位、間隙原子和異類原子。 危害：點(diǎn)缺陷的存在會(huì)使晶格發(fā)生畸變，金屬的性能發(fā)生變化。16 2） 線缺陷：即位錯(cuò)，或稱為位錯(cuò)線。 位錯(cuò)是晶體中某處有一列或若干列原子，發(fā)生了規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 包括：刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)17 3）面缺陷： 晶體中的面缺陷是晶界和亞晶界。 面缺陷是晶體中不同區(qū)域之間，由于晶格方位的過渡所造成。位向差較小的亞晶界，可看成是位錯(cuò)線的堆積。18結(jié)晶概述：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。凝固后的物質(zhì)可以是晶體，也可以是非晶體。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則這種凝固成為結(jié)晶。 結(jié)晶是一個(gè)自發(fā)過程，但必須具備一定條件，即需要

7、驅(qū)動(dòng)力。自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程，總是由一種較高的能量狀態(tài)趨向較低的能量狀態(tài)。通常在凝固條件下，金屬及其合金凝固后都是晶體，故也稱其為結(jié)晶。金屬材料的成形，除粉末冶金材料外，一般要經(jīng)過熔煉和澆注，即經(jīng)過一個(gè)結(jié)晶過程。金屬結(jié)晶時(shí)形成的組織鑄態(tài)組織，不僅影響其鑄態(tài)的性能，而且也影響其經(jīng)冷、熱加工后材料的組織與性能。 1.4 凝固的基本概念 19結(jié)晶是一個(gè)自發(fā)過程，但必須具備一定條件，即需要驅(qū)動(dòng)力。理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差稱為過冷度，即T=T0Tn。只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到一定程度時(shí)，液態(tài)金屬才能開始結(jié)晶。可見結(jié)晶的必要充分條件是液態(tài)金屬具有一定的過冷度。20凝固產(chǎn)物液態(tài)物質(zhì)凝固成固態(tài)時(shí)，凝固

8、的產(chǎn)物并非都是晶 體，也可能是非晶體。凝固時(shí)形成晶體還是非晶體，主要取決于熔融液體的黏度和凝固的速度。冷卻速度是影響凝固過程的最主要外部因素從能量觀點(diǎn)看，若熔體在凝固時(shí)能完全釋放內(nèi)能，它將轉(zhuǎn)變成晶體；若部分釋放內(nèi)能，則轉(zhuǎn)化成非晶體。所以，非晶體是處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)。21 金屬的結(jié)晶都要經(jīng)歷晶核的形成和晶核的長大兩個(gè)過程。 （1）晶核的形成：在過冷液體中形成固態(tài)晶核，有兩種形核方式：一種是均勻形核，又稱為均質(zhì)形核；另一種稱為非均勻形核，又稱為異質(zhì)形核（也稱雜質(zhì)形核）。1.5 金屬的結(jié)晶22均質(zhì)形核是純凈的過冷液態(tài)金屬依靠自身原子的規(guī)則排列形成晶核的過程。它形成的具體過程是液態(tài)金屬過冷到某一溫度

9、時(shí)，其內(nèi)部尺寸較大的近程有序原子集團(tuán)達(dá)到某一臨界尺寸后成為晶核。異質(zhì)形核是液態(tài)金屬原子，依附于模壁或液相中未熔固相質(zhì)點(diǎn)表面，優(yōu)先形成晶核的過程。由形核的討論可知過冷是結(jié)晶的必要條件，但過冷后還需通過能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，使近程有序的原子集團(tuán)達(dá)到某一臨界尺寸后才能形成晶核。23 （2）晶核的長大 一旦晶核形成，晶核就繼續(xù)長大而形成晶粒。晶體的長大過程可以看作是液相中的原子向晶核表面遷移、液固相界面向液相不斷推進(jìn)的過程。晶體的生長有2種常見的形態(tài)。一種是平面狀態(tài)生長；另一種是樹枝狀態(tài)生長。24 通常把實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象，理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差稱為過冷度。只有當(dāng)溫度

10、降到T0以下某一溫度T1時(shí)，固態(tài)原子的自由能低于保持液態(tài)原子的自由能低，結(jié)晶才能有效進(jìn)行。金屬的冷卻曲線25 結(jié)晶后的晶粒大小及其控制金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。晶粒的大小可用晶粒度來表示，晶粒的大小是形核率N和長大速度的函數(shù)，影響形核率和長大速度的重要因素是冷卻速度和難熔雜質(zhì)。結(jié)晶后的晶粒大小及其控制26 晶粒大小對金屬的機(jī)械性能有很大的影響，在常溫下，金屬的晶粒度越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性韌性也越好。 通常把通過細(xì)化晶粒來提高材料性能的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。 細(xì)化晶粒的方法主要有如下幾種： （1）增大過冷度 （2）變質(zhì)處理 （3）振動(dòng)和攪拌影響晶粒大小的因素和細(xì)化晶粒的措施

11、27金屬鑄錠的組織特點(diǎn)：（1）表層細(xì)晶區(qū)；（2）柱狀晶區(qū)；（3）中心等軸晶區(qū)。金屬鑄錠的結(jié)晶組織28金屬晶體的同素異構(gòu) 金屬的晶格因溫度改變而發(fā)生晶格類型變化的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是原子重新排列的過程，與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程相似，故稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。1.6 材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象29有機(jī)高分子的同分異構(gòu) 化學(xué)上具有同一種相同化學(xué)式，同樣的化學(xué)鍵但原子排列不同的現(xiàn)象，稱為同分異構(gòu)現(xiàn)象；有機(jī)物中的同分異構(gòu)體有旋光異構(gòu)、幾何異構(gòu)和鍵接異構(gòu)三種。無機(jī)非金屬晶體的同素異構(gòu) 無機(jī)非金屬的同素異構(gòu)又稱為同質(zhì)異構(gòu)，是指同一種化學(xué)成分而具有不同的晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。 相同成分的物質(zhì)，常?？赡苡幸?/p>

12、種以上的原子排列。成分相同而結(jié)構(gòu)不同的物質(zhì)稱為異構(gòu)體。結(jié)構(gòu)不同會(huì)使材料的性能不同。30有機(jī)高分子的旋光異構(gòu) 正四面體的中心原子（如C、Si、P、N）上四個(gè)取代基或原子如果是不對稱的，則可能產(chǎn)生異構(gòu)體，常稱為旋光異構(gòu) 。 31有機(jī)高分子的旋光異構(gòu) 由旋光異構(gòu)體的中心原子鏈接而成的高分子就有三種鍵接方式。以CC鏈為例，若取代基全部處于主鏈一側(cè)時(shí)，稱為全同立構(gòu)；當(dāng)取代基交替位于主鏈兩側(cè)時(shí)稱為間同立構(gòu)；當(dāng)取代基在主鏈兩側(cè)作不規(guī)則分布時(shí)，則稱為無規(guī)立構(gòu)。 32有機(jī)高分子的幾何異構(gòu) 組成雙鍵的兩個(gè)碳原子同時(shí)被兩個(gè)不同原子或基團(tuán)取代時(shí)，由于內(nèi)雙鍵上的基團(tuán)在雙鍵兩側(cè)排列方式不同而形成順式和反式構(gòu)型之分，稱為幾

13、何異構(gòu)。 不同的制備方法或不同催化體系得到不同的幾何異構(gòu)體，對該聚合物的性能起決定性作用。 33有機(jī)高分子的鍵接異構(gòu) 鍵接異構(gòu)是指結(jié)構(gòu)單元在高分子中的連接方式，有頭頭鍵接、頭尾鍵接、尾尾鍵接三種方式。 單體單元的鍵合方式不同，對聚合物的性能特別是化學(xué)性能有很大的影響。例如，用作合成纖維的聚合物，一般都要求分子鏈中單體單元排列規(guī)整，以提高聚合物的結(jié)晶性能。 34 機(jī)械工程材料Materials For Mechanical Engineering 35 第2章 材料的性能與力學(xué)行為本章目錄2.1 材料的靜態(tài)力學(xué)性能 2.1.1 材料的強(qiáng)度與塑性 2.1.2 材料的硬度2.2 材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

14、2.2.1 材料的沖擊韌度 2.2.2 材料的多沖抗力 2.2.3 材料的疲勞強(qiáng)度 2.2.4 材料的斷裂韌度2.3 材料的物理、化學(xué)性能 2.3.1 材料的物理性能 2.3.2 材料的化學(xué)性能2.4 材料的工藝性能 2.4.1 材料的鑄造性能 2.4.2 材料的鍛造性能 2.4.3 材料的焊接性能 2.4.4 材料的切削加工性能 2.4.5 材料的熱處理性能2.5 金屬的塑性變形及強(qiáng)化 2.5.1 單晶體的塑性變形及強(qiáng)化 2.5.2 實(shí)際金屬的塑性變形及強(qiáng)化 2.5.3 冷變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響 2.5.4 冷變形對金屬性能的影響2.6 金屬的再結(jié)晶與變形加工 2.6.1 冷變形金屬在加熱

15、時(shí)的組織和性能變化 2.6.2 金屬的熱變形加工2.7 高聚物的力學(xué)狀態(tài) 2.7.1 線型無定行高聚物的力學(xué)狀態(tài) 2.7.2 線性結(jié)晶型高聚物的力學(xué)狀態(tài) 2.7.3 體型高聚物的力學(xué)狀態(tài)2.8 高聚物的力學(xué)行為 2.8.1 高彈性 2.8.2 黏彈性 2.8.3 塑性與受迫彈性 2.8.4 強(qiáng)度與斷裂材料的性能36使用性能工藝性能力學(xué)性能 物理性能化學(xué)性能鑄造性能 可鍛性能可焊性能切削加工性能熱處理性工藝性 工程材料的性能使用性能：為保證機(jī)械零件或工具正常工作，材料應(yīng)具備的性能，它包括物理性能（如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等）、化學(xué)性能（如抗腐蝕性、抗氧化性等）和力學(xué)性能。工藝性能：在制造機(jī)械零

16、件或工具的過程中，材料適應(yīng)各種冷、熱加工和熱處理的性能，它包括鑄造、鍛造、焊接、切削加工等工藝性能以及熱處理工藝性等。力學(xué)性能：材料在外力作用下所顯示的性能，又稱機(jī)械性能，如強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、抗疲勞性等。3738 2.1 材料的靜態(tài)力學(xué)性能2.1.1 材料的強(qiáng)度與塑性一、拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸試樣GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法,規(guī)定有圓形、矩形、多邊形、環(huán)形等試樣。常用標(biāo)準(zhǔn)圓截面試樣。長試樣：L0=10d0短試樣：L0=5d0圓形標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣39拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試驗(yàn)將標(biāo)準(zhǔn)圓形拉伸試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢地加載（靜載荷），隨著載荷的增加，試樣逐漸伸長，直至拉斷。

17、在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄每一瞬間載荷和伸長量，并繪出它們之間的關(guān)系曲線，稱為拉伸曲線。拉伸曲線op段：比例彈性變形階段pe段：非比例彈性變形階段s段（平臺(tái)或鋸齒）：屈服階段sb段：均勻塑性變形階段，是強(qiáng)化階段b點(diǎn)：形成了“縮頸”bk段：非均勻變形階段，承載下降，到k點(diǎn)斷裂40L Fopes bk()（） 低碳鋼的拉伸曲線（外力F-變形量L曲線及應(yīng)力 -應(yīng)變曲線）41強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。比例極限：是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值，用p表示，單位為MPa。彈性極限：是試樣加載后再卸載，以不出現(xiàn)殘留的永久變形為標(biāo)準(zhǔn)，材料能夠完全彈性恢復(fù)的最高應(yīng)力值，是材料產(chǎn)生完全彈性變

18、形時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值，用e表示，單位為MPa。屈服強(qiáng)度：是材料開始塑性變形時(shí)的應(yīng)力值，它反映了材料抵抗永久變形的能力，是材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的最低應(yīng)力值。常以下屈服強(qiáng)度ReL作為屈服強(qiáng)度的值，單位為MPa。對于高碳鋼、鑄鐵等材料，以試樣拉伸時(shí)產(chǎn)生0.2% 殘余延伸率所對應(yīng)的應(yīng)力為規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度，記為Rr0.2，即所謂的“條件屈服強(qiáng)度”?？估瓘?qiáng)度：是材料的極限承載能力，是試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值，用Rm 表示，單位為MPa。二、強(qiáng) 度三、剛度與塑性剛度：是指材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。彈性模量：是指材料在彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變的比值。用E 表示，單位為MPa。 塑性:是指材料

19、在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力。斷后伸長率：是指試樣拉斷后標(biāo)距長度的殘余伸長（斷后標(biāo)距Lu與原始標(biāo)距L0之差）與原始標(biāo)距長度L0的百分比。用符號A表示（相當(dāng)于舊國家標(biāo)準(zhǔn)的5）。斷面收縮率：是指斷裂后試樣橫截面積的最大縮減量(原始橫截面積So與斷后最小橫截面積Su之差)與原始橫截面積 So之比的百分率，用符號Z表示。422.1.2 材料的硬度硬度：是指材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力，它是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)。特點(diǎn)：硬度是通過硬度試驗(yàn)測得的。硬度試驗(yàn)方法簡單、迅速、不需要專門的試樣、不損壞工件，因此在生產(chǎn)和科研中得到廣泛應(yīng)用。 分類：測定硬度的方法很多，壓入法測定的硬度值表

20、征材料表面抵抗硬物侵入的能力，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度試驗(yàn)方法。431、布氏硬度測定原理：用直徑為D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球做壓頭，在試驗(yàn)力P的作用下壓入被測金屬表面，保持規(guī)定的時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，則在金屬表面留下一壓坑(壓痕)，用讀數(shù)顯微鏡測量其壓痕直徑d，求出壓痕表面積，用試驗(yàn)力P除以壓痕表面積所得的商作為被測金屬的布氏硬度值，用符號HB表示。44布氏硬度試驗(yàn)原理示意圖 表示方法：當(dāng)壓頭為淬火鋼球時(shí),布氏硬度用符號HBS表示，適合于測定布氏硬度值在450以下的材料，如：320HBS；壓頭為硬質(zhì)合金壓頭時(shí)，用HBW表示，適用于布氏硬度大于450且小于650的材料，如：540HBW。4

21、5應(yīng)用范圍：適于測定退火鋼、正火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬的硬度，也用于試驗(yàn)經(jīng)淬火、回火但硬度不高的鋼件。特點(diǎn)：測量誤差小、數(shù)據(jù)穩(wěn)定，適合于測量組織粗大且不均勻的金屬材料的硬度(如鑄鐵、軸承合金等) 。但試驗(yàn)較費(fèi)時(shí)，壓痕較大，不宜用于測太薄件或成品，也不能用來測太硬的材料。2、洛氏硬度測定原理：用一個(gè)頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球?yàn)閴侯^，在規(guī)定載荷F作用下壓入被測試材料表面，通過測定壓頭壓入的深度來確定其硬度值。實(shí)測時(shí)，硬度值的大小由硬度計(jì)的指示器上直接讀出。表示方法：洛氏硬度用符號HR表示，最常用的標(biāo)尺為HRA、 HRB、 HRC;符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面

22、為使用的標(biāo)尺，如55HRC表示用C標(biāo)尺測定的材料洛氏硬度值為55。46洛氏硬度試驗(yàn)原理示意圖表2-1 常用的三種洛氏硬度試驗(yàn)規(guī)范特點(diǎn)：試驗(yàn)操作簡便迅速，測量硬度值范圍大，壓痕小，可直接測量成品或較薄工件的硬度。但測定結(jié)果不夠準(zhǔn)確。硬度符號壓頭類型載荷/N(kgf)硬度值有效范圍使用范圍HRA120金剛石圓錐558.4(60)70(相當(dāng)350HB以上)適用于測量硬質(zhì)合金、表面淬火層或滲碳層HRB1.588mm鋼球980.7(100)25100(相當(dāng)60230HB)適用于測量有色金屬、退火、正火鋼等HRC120金鋼石圓錐1471(150)2067(相當(dāng)230700HB)適用于調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等473

23、、維氏硬度將頂部兩相對面具有規(guī)定角度（136）的正四棱錐體金剛石壓頭，在載荷P的作用下壓入試樣表面，保持一定時(shí)間后卸除載荷，在試樣表面壓出一個(gè)四方錐形壓痕，試驗(yàn)載荷P除以壓痕表面積所得的商即為維氏硬度,用符號HV表示。 48維氏硬度試驗(yàn)原理示意圖 維氏硬度49維氏硬度計(jì)維氏硬度原理維氏硬度壓痕2.2 材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能2.2.1 材料的沖擊韌度韌性：材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。一次沖擊彎曲試驗(yàn) ：試驗(yàn)在專門的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，把試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支承面上，試樣的缺口背向擺錘沖擊方向。將質(zhì)量為G的擺錘安放到規(guī)定的高度H，然后下落將試樣打斷，并擺過支點(diǎn)升到某一高度h，試樣在沖擊試

24、驗(yàn)力一次作用下，折斷時(shí)所吸收的功為沖擊吸收功為Ak ，AK數(shù)值在試驗(yàn)機(jī)的刻度盤上直接讀出。50擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)原理示意圖 沖擊韌度：材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。沖擊韌度值就是試樣缺口處單位橫截面積上的沖擊吸收功，即將沖擊吸收功Ak除以試樣斷口處的橫截面積。沖擊韌度用符號k 表示，單位為Jcm2。5152韌脆轉(zhuǎn)變溫度：在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌度值發(fā)生急劇下降的現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變（或冷脆），發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線示意圖解理斷口韌窩斷口2.2.2 材料的多沖抗力多次沖擊彎曲試驗(yàn)是將材料制成專用試樣，放在多沖擊試驗(yàn)機(jī)上，試樣受到試驗(yàn)機(jī)錘頭較小能量（1500J）多次

25、沖擊，測定在一定沖擊能量下材料斷裂前的沖擊次數(shù)（N），經(jīng)受的沖擊次數(shù)N代表金屬的抗沖擊能力。53金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時(shí)，其沖擊抗力主要取決于沖擊韌度的大小，而在小能量多次沖擊條件下，其多沖抗力主要取決于材料的強(qiáng)度和塑性。2.2.3 材料的疲勞強(qiáng)度交變載荷：載荷大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期變化的載荷。疲勞斷裂：零件在交變載荷下經(jīng)過長時(shí)間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展、斷裂。54一個(gè)疲勞源兩個(gè)疲勞源斷口示意圖疲勞極限-1：材料可經(jīng)受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不失效的應(yīng)力值。單位為MPa。通常規(guī)定鋼鐵材料的循環(huán)基數(shù)N=107；非鐵金屬的循環(huán)基數(shù)N=108；腐蝕介質(zhì)

26、作用下的循環(huán)基數(shù)N=106。55 疲勞曲線示意圖 提高疲勞抗力的方法：設(shè)計(jì)上減小應(yīng)力集中；強(qiáng)化表面。2.2.4 材料的斷裂韌度斷裂韌度KIC: 是評定材料抵抗脆性斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。單位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2。應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材） KI KIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件應(yīng)用場合：主要用于高強(qiáng)度鋼制造的飛機(jī)、導(dǎo)彈和火箭的零件，或者是用中低強(qiáng)度鋼制造氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等。562.3 材料的物理、化學(xué)性能2.3.1 材料的物理性能密度 熔點(diǎn) 熱膨脹性導(dǎo)電性導(dǎo)熱性磁性2.3.2 材料的化

27、學(xué)性能耐腐蝕性抗氧化性化學(xué)穩(wěn)定性572.4 材料的工藝性能2.4.1 材料的鑄造性能2.4.2 材料的鍛造性能2.4.3 材料的焊接性能2.4.4 材料的切削加工性能2.4.5 材料的熱處理性能58塑性變形及隨后的加熱對金屬材料組織和性能有顯著影響。了解塑性變形的本質(zhì)、塑性變形及加熱時(shí)組織的變化,有助于發(fā)揮金屬的性能潛力，正確確定加工工藝。595萬噸水壓機(jī)2.5 金屬的塑性變形及強(qiáng)化金屬在外力作用下會(huì)發(fā)生塑性變形。塑性變形是強(qiáng)化金屬的重要手段之一。金屬材料在熔煉澆注成鑄錠后，通常要進(jìn)行各種壓力加工，如軋制、擠壓、冷拔、鍛造及沖壓等。如圖所示。60通過壓力加工既可將金屬材料加工成各種形狀和尺寸的

28、制品，還可改變材料的組織和性能。經(jīng)過冷塑性變形的金屬會(huì)產(chǎn)生組織和性能的變化，在加熱過程中，又會(huì)使其組織發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大等一系列變化。了解上述過程的實(shí)質(zhì)，了解各種影響因素及規(guī)律，對掌握和改進(jìn)金屬材料的壓力加工工藝，控制材料的組織和性能，具有重要意義。612.5.1 單晶體的塑性變形及強(qiáng)化外力使金屬發(fā)生兩類變形：彈性變形：可逆，外力去除后 變形可完全恢復(fù)。塑性變形：不可逆，為永久變形。單晶體受力后，外力在任何晶面上都可分解為正應(yīng)力和切應(yīng)力。正應(yīng)力：只能引起彈性變形及 解理斷裂。切應(yīng)力：使金屬晶體塑性變形。62外力在晶面上的分解切應(yīng)力作用下的變形鋅單晶的拉伸照片63韌性斷口脆性解理斷口 塑

29、性變形的形式：滑移和孿生。 金屬常以滑移方式發(fā)生塑性變形。 滑 移滑移:晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生滑動(dòng)位移的現(xiàn)象。64 1、滑移變形的特點(diǎn) ： 滑移只能在切應(yīng)力的作用下發(fā)生。產(chǎn)生滑移的最小切應(yīng)力稱臨界切應(yīng)力。65 滑移常沿晶體中原子密度最大的晶面和晶向發(fā)生。因原子密度最大的晶面和晶向之間原子間距最大，結(jié)合力最弱，產(chǎn)生滑移所需切應(yīng)力最小。66 沿其發(fā)生滑移的晶面和晶向分別叫做滑移面和滑移方向。通常是晶體中的密排面和密排方向。 滑移面滑移方向FF一個(gè)滑移面和其上的一個(gè)滑移方向構(gòu)成一個(gè)滑移系。67體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格1106111110111晶格滑移面滑移方向滑

30、移系三種典型金屬晶格的滑移系21114362=1243=12六方底面1底面對角線313=3六方底面底面對角線 滑移系越多，金屬發(fā)生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向?qū)λ苄缘呢暙I(xiàn)比滑移面更大。因而金屬的塑性，面心立方晶格好于體心立方晶格, 體心立方晶格好于密排六方晶格。68（面心立方）（密排六方）滑移時(shí)，晶體兩部分的相對位移量是原子間距的整數(shù)倍?；频慕Y(jié)果在晶體表面形成臺(tái)階，稱滑移線，若干條滑移線組成一個(gè)滑移帶。 69銅拉伸試樣表面滑移帶 滑移的同時(shí)伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)有兩種：滑移面向外力軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)和滑移面上滑移方向向最大切應(yīng)力方向轉(zhuǎn)動(dòng)。70 切應(yīng)力作用下的變形和滑移面向外力方向的轉(zhuǎn)動(dòng)

31、 71轉(zhuǎn)動(dòng)的原因：晶體滑移后使正應(yīng)力分量和切應(yīng)力分量組成了力偶。72當(dāng)滑移面、滑移方向與外力方向都呈45角時(shí)，滑移方向上切應(yīng)力最大，因而最容易發(fā)生滑移. 滑移后，滑移面兩側(cè)晶體的位向關(guān)系未發(fā)生變化。 A0AA1FF滑移面滑移方向最大切應(yīng)力方向鋁的杯狀和錐狀韌性斷口73 2、滑移的機(jī)理把滑移設(shè)想為剛性整體滑動(dòng)所需的理論臨界切應(yīng)力值比實(shí)際測量臨界切應(yīng)力值大3-4個(gè)數(shù)量級?；剖峭ㄟ^滑移面上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。74多 腳 蟲 的 爬 行75晶體通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生滑移時(shí)，只在位錯(cuò)中心的少數(shù)原子發(fā)生移動(dòng)，它們移動(dòng)的距離遠(yuǎn)小于一個(gè)原子間距，因而所需臨界切應(yīng)力小，這種現(xiàn)象稱作位錯(cuò)的易動(dòng)性。刃位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)76 孿

32、生 孿生是指晶體的一部分沿一定晶面和晶向相對于另一部分所發(fā)生的切變。77 發(fā)生切變的部分稱孿生帶或?qū)\晶，沿其發(fā)生孿生的晶面稱 孿生面。孿生的結(jié)果使孿生面兩側(cè)的晶體呈鏡面對稱。 78孿晶組織孿生示意圖 與滑移相比： 孿生使晶格位向發(fā)生改變； 所需切應(yīng)力比滑移大得多, 變形速度極快, 接近聲速; 孿生時(shí)相鄰原子面的相對位移量小于一個(gè)原子間距。79密排六方晶格金屬滑移系少，常以孿生方式變形。體心立方晶格金屬只有在低溫或沖擊作用下才發(fā)生孿生變形。面心立方晶格金屬，一般不發(fā)生孿生變形，但常發(fā)現(xiàn)有孿晶存在，這是由于相變過程中原子重新排列時(shí)發(fā)生錯(cuò)排而產(chǎn)生的，稱退火孿晶。80奧氏體不銹鋼中退火孿晶鈦合金六方相

33、中的形變孿晶 2.5.2 實(shí)際金屬的塑性變形及強(qiáng)化 單個(gè)晶粒變形與單晶體相似,多晶體變形比單晶體復(fù)雜。1、多晶體塑性變形的特點(diǎn)（1）、晶界的影響當(dāng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)到晶界附近時(shí)，受到晶界的阻礙而堆積起來,稱位錯(cuò)的塞積。要使變形繼續(xù)進(jìn)行, 則必須增加外力, 從而使金屬的變形抗力提高。81 晶界對塑性變形的影響82Cu-4.5Al合金晶界的位錯(cuò)塞積 (2)、晶粒位向的影響 由于各相鄰晶粒位向不同，當(dāng)一個(gè)晶粒發(fā)生塑性變形時(shí)，為了保持金屬的連續(xù)性，周圍的晶粒若不發(fā)生塑性變形，則必以彈性變形來與之協(xié)調(diào)。這種彈性變形便成為塑性變形晶粒的變形阻力。由于晶粒間的這種相互 約束，使得多晶體金屬 的塑性變形抗力提高。 （3

34、)、各晶粒變形不同時(shí) 83 2、多晶體金屬的塑性變形過程 多晶體中首先發(fā)生滑移的是滑移系與外力夾角等于或接近于45的晶粒。當(dāng)塞積位錯(cuò)前端的應(yīng)力達(dá)到一定程度，加上相鄰晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰晶粒中原來處于不利位向滑移系上的位錯(cuò)開動(dòng)，從而使滑移由一批晶粒傳遞到另一批晶粒，當(dāng)有大量晶粒發(fā)生滑移后，金屬便顯示出明顯的塑性變形。 84銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶 3、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響（細(xì)晶強(qiáng)韌化）金屬的晶粒越細(xì)，其強(qiáng)度和硬度越高。因?yàn)榻饘倬ЯＴ郊?xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使金屬塑性變形的抗力越高。85晶粒大小與金屬強(qiáng)度關(guān)系Cu-Zn合金86金屬的晶粒越細(xì)，其

35、塑性和韌性也越高。 因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越多，參與變形的晶粒數(shù)目也越多，變形越均勻，使在斷裂前發(fā)生較大的塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加,金屬在斷裂前消耗的功也大，因而其韌性也比較好。應(yīng)變應(yīng)力塑性材料脆性材料通過細(xì)化晶粒來同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性的方法稱細(xì)晶強(qiáng)化。 87 4、合金的塑性變形與強(qiáng)化 合金可根據(jù)組織分為單相固溶體和多相混合物兩種。合金元素的存在，使合金的變形與純金屬顯著不同。88珠光體奧氏體 1、單相固溶體合金的塑性變形與固溶強(qiáng)化 單相固溶體合金組織與純金屬相同，其塑性變形過程也與多晶體純金屬相似。但隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降，稱固溶

36、強(qiáng)化。89產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)相互作用。溶質(zhì)原子不僅使晶格發(fā)生畸變，而且易被吸附在位錯(cuò)附近形成柯氏氣團(tuán)，使位錯(cuò)被釘扎住，位錯(cuò)要脫釘，則必須增加外力，從而使變形抗力提高。 90Cu-Ni合金成分與性能關(guān)系2、多相合金的塑性變形與彌散強(qiáng)化當(dāng)合金的組織由多相混合物組成時(shí)，合金的塑性變形除與合金基體的性質(zhì)有關(guān)外，還與第二相的性質(zhì)、形態(tài)、大小、數(shù)量和分布有關(guān)。第二相可以是純金屬、固溶體或化合物，工業(yè)合金中第二相多數(shù)是化合物。 91+鈦合金中的固溶體第二相DD398高溫合金中的化合物第二相 當(dāng)在晶界呈網(wǎng)狀分布時(shí)，對合金的強(qiáng)度和塑性不利;當(dāng)在晶內(nèi)呈片狀分布時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度，但會(huì)降低塑性和韌

37、性；92珠光體 當(dāng)在晶內(nèi)呈顆粒狀彌散分布時(shí)，第二相顆粒越細(xì)，分布越均勻，合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑性、韌性略有下降，這種強(qiáng)化方法稱彌散強(qiáng)化或沉淀強(qiáng)化。93彌散強(qiáng)化的原因：硬的顆粒不易被切變，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高了變形抗力。顆粒釘扎作用的電鏡照片高溫合金中的顆粒狀第二相94位錯(cuò)切割第二相粒子電鏡觀察切割進(jìn)入第二相粒子的位錯(cuò)示意圖2.5.3 冷變形對金屬組織結(jié)構(gòu)的影響塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響 金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，不僅外形發(fā)生變化，而且其內(nèi)部的晶粒也相應(yīng)地被拉長或壓扁。當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒將被拉長為纖維狀，晶界變得模糊不清。95塑性變形還使晶粒破碎為亞晶粒。變形前變形后工業(yè)純鐵在塑性變形前后的組織變

38、化965%冷變形純鋁中的位錯(cuò)網(wǎng)(a) 正火態(tài)(c) 變形80%(b) 變形40%由于晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)塑性變形達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與變形方向趨于一致，這種現(xiàn)象稱織構(gòu)或擇優(yōu)取向。97形變織構(gòu)使金屬呈現(xiàn)各向異性，在深沖零件時(shí)，易產(chǎn)生“制耳”現(xiàn)象，使零件邊緣不齊，厚薄不勻。但織構(gòu)可提高硅鋼片的導(dǎo)磁率。板織構(gòu)絲織構(gòu)形變織構(gòu)示意圖各向異性導(dǎo)致的銅板 “制耳”有無軋制鋁板的“制耳”現(xiàn)象982.5.4 冷變形對金屬性能的影響 1、加工硬化隨冷塑性變形量增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱加工硬化。99冷塑性變形量，%屈服強(qiáng)度，MPa1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形量，

39、%伸長率，%1040鋼(0.4%C)黃銅銅冷塑性變形與性能關(guān)系100 產(chǎn)生加工硬化的原因是: 1、隨變形量增加, 位錯(cuò)密度增加，由于位錯(cuò)之間的交互作用(堆積、纏結(jié))，使變形抗力增加。 101Si中的位錯(cuò)源晶體中的位錯(cuò)源位錯(cuò)密度與強(qiáng)度關(guān)系2. 隨變形量增加，亞結(jié)構(gòu)細(xì)化3. 隨變形量增加, 空位密度增加4. 幾何硬化：由晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)引起由于加工硬化, 使已變形部分發(fā)生硬化而停止變形, 而未變形部分開始變形。沒有加工硬化, 金屬就不會(huì)發(fā)生均勻塑性變形。加工硬化是強(qiáng)化金屬的重要手段之一，對于不能熱處理強(qiáng)化的金屬和合金尤為重要。102變形20%純鐵中的位錯(cuò)未變形純鐵三、殘余內(nèi)應(yīng)力 內(nèi)應(yīng)力是指平衡于金屬內(nèi)部的

40、應(yīng)力。是由于金屬受力時(shí),內(nèi)部變形不均勻而引起的。103金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，外力所做的功只有10%轉(zhuǎn)化為內(nèi)應(yīng)力殘留于金屬中。內(nèi)應(yīng)力分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力平衡于表面與心部之間 (宏觀內(nèi)應(yīng)力).第二類內(nèi)應(yīng)力平衡于晶粒之間或晶粒內(nèi)不同區(qū)域之間 (微觀內(nèi)應(yīng)力)。第三類內(nèi)應(yīng)力是由晶格缺陷引起的畸變應(yīng)力。 曲軸中內(nèi)應(yīng)力的模擬第三類內(nèi)應(yīng)力是形變金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力，也是金屬強(qiáng)化的主要原因。而第一、二類內(nèi)應(yīng)力都使金屬強(qiáng)度降低。104內(nèi)應(yīng)力的存在，使金屬耐蝕性下降，引起零件加工、淬火過程中的變形和開裂。因此，金屬在塑性變形后，通常要進(jìn)行退火處理，以消除或降低內(nèi)應(yīng)力。晶界位錯(cuò)塞積所引起的應(yīng)力集中 2.6 金屬的再結(jié)晶

41、與熱變形加工2.6.1 冷變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能變化 金屬經(jīng)冷變形后, 組織處于不穩(wěn)定狀態(tài), 有自發(fā)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。但在常溫下，原子擴(kuò)散能力小，不穩(wěn)定狀態(tài)可長時(shí)間維持。加熱可使原子擴(kuò)散能力增加，金屬將依次發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大。 105加熱溫度 黃銅 1、回復(fù) 回復(fù)是指在加熱溫度較低時(shí)，由于金屬中的點(diǎn)缺陷及位錯(cuò)近距離遷移而引起的晶內(nèi)某些變化。如空位與其他缺陷合并、同一滑移面上的異號位錯(cuò)相遇合并而使缺陷數(shù)量減少等。106 由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使其由冷塑性變形時(shí)的無序狀態(tài)變?yōu)榇怪狈植?，形成亞晶界，這一過程稱多邊形化。 在回復(fù)階段，組織變化不明顯，其強(qiáng)度、硬度略有下降，塑性略有提高，但內(nèi)應(yīng)力

42、、電阻率等顯著下降。工業(yè)上常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留加工硬化，這種熱處理方法稱去應(yīng)力退火。10780%冷變形Al合金回復(fù)后的TEM明場像 2、 再結(jié)晶當(dāng)變形金屬被加熱到較高溫度時(shí)，由于原子活動(dòng)能力增大，晶粒的形狀開始發(fā)生變化，由破碎拉長的晶粒變?yōu)橥暾牡容S晶粒。這種冷變形組織在加熱時(shí)重新徹底改組的過程稱再結(jié)晶。108鐵素體變形80%670加熱650加熱再結(jié)晶也是晶核形成和長大的過程，但不是相變過程，再結(jié)晶前后晶粒的晶格類型和成分完全相同。109Al合金再結(jié)晶晶粒在原變形組織晶界上形核冷變形奧氏體不銹鋼加熱時(shí)再結(jié)晶晶粒形核于高密度位錯(cuò)基體上由于再結(jié)晶后組織的復(fù)原，因而金

43、屬的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高，加工硬化消失。110冷變形黃銅組織性能隨溫度的變化 冷變形(變形量為38%)黃銅580C保溫15分后的的再結(jié)晶組織 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶不是一個(gè)恒溫過程，它是自某一溫度開始，在一個(gè)溫度范圍內(nèi)連續(xù)進(jìn)行的過程，發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度稱再結(jié)晶溫度。111580C保溫8秒后的組織580C保溫3秒后的組織580C保溫4秒后的組織冷變形(變形量為38%)黃銅的再結(jié)晶影響再結(jié)晶溫度的因素為：（1）、金屬的預(yù)先變形程度：金屬預(yù)先變形程度越大, 再結(jié)晶溫度越低。當(dāng)變形度達(dá)到一定值后，再結(jié)晶溫度趨于某一最低值，稱最低再結(jié)晶溫度。112T再與的關(guān)系純金屬的最低再結(jié)晶溫度與其熔點(diǎn)之間的近

44、似關(guān)系： T再（K）0.4T熔（K） 其中T再、T熔為絕對溫度.金屬熔點(diǎn)越高, T再也越高.T再 = (T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451 （ 2）、金屬的純度 金屬中的微量雜質(zhì)或合金元素，尤其高熔點(diǎn)元素起阻礙擴(kuò)散和晶界遷移作用，使再結(jié)晶溫度顯著提高.113合金元素對工業(yè)純鐵再結(jié)晶溫度的影響純度對鋁再結(jié)晶溫度的影響 （3）、再結(jié)晶加熱速度和加熱時(shí)間提高加熱速度會(huì)使再結(jié)晶推遲到較高溫度發(fā)生，延長加熱時(shí)間，使原子擴(kuò)散充分，再結(jié)晶溫度降低。生產(chǎn)中，把消除加工硬化的熱處理稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火溫度比再結(jié)晶溫度高100200。 114黃銅580C保溫8

45、秒后的組織黃銅580C保溫15分后的組織3、再結(jié)晶后的晶粒長大再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升溫或延長保溫時(shí)間，將發(fā)生晶粒長大，這是一個(gè)自發(fā)過程。115黃銅再結(jié)晶后晶粒的長大580C保溫8秒后的組織580C保溫15分后的組織700C保溫10分后的組織 晶粒的長大是通過晶界遷移進(jìn)行的，是大晶粒吞并小晶粒的過程。晶粒粗大會(huì)使金屬的強(qiáng)度，尤其是塑性和韌性降低 。116原子穿過晶界擴(kuò)散晶界遷移方向黃銅再結(jié)晶和晶粒長大各個(gè)階段的金相照片117冷變形量為38的組織580C保溫3秒后的組織580C保溫4秒后的組織580C保溫8秒后的組織580C保溫15分后的組織700C保溫10分后的組織 影響再結(jié)晶晶粒大小的因素 1

46、、加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長，金屬的晶粒越粗大，加熱溫度的影響尤為顯著。118再結(jié)晶退火溫度對晶粒度的影響 2、預(yù)先變形度 預(yù)先變形度的影響，實(shí)質(zhì)上是變形均勻程度的影響。當(dāng)變形度很小時(shí)，晶格畸變小，不足以引起再結(jié)晶。當(dāng)變形達(dá)到210%時(shí)，只有部分晶粒變形，變形極不均勻,再結(jié)晶晶粒大小相差懸殊，易互相吞并和長大,再結(jié)晶后晶粒特別粗大，這個(gè)變形度稱臨界變形度。119預(yù)先變形度對再結(jié)晶晶粒度的影響當(dāng)超過臨界變形度后，隨變形程度增加，變形越來越均勻，再結(jié)晶時(shí)形核量大而均勻，使再結(jié)晶后晶粒細(xì)而均勻，達(dá)到一定變形量之后，晶粒度基本不變。 120對于某些金屬，當(dāng)變形量相當(dāng)大時(shí)(90%),再

47、結(jié)晶后晶粒又出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，一般認(rèn)為這與形成織構(gòu)有關(guān)。再結(jié)晶全圖121系關(guān)的間之度溫及度形變預(yù)與度粒晶晶結(jié)再 2.6.2 金屬的熱變形加工 一、冷加工與熱加工的區(qū)別在金屬學(xué)中，冷熱加工的界限是以再結(jié)晶溫度來劃分的。冷加工：低于再結(jié)晶溫度的加工熱加工：高于再結(jié)晶溫度的加工122軋制模鍛拉拔如 Fe 的再結(jié)晶溫度為451，其在400 以下的加工仍為冷加工。而 Pb (熔點(diǎn)為327) 的再結(jié)晶溫度為-33，則其在室溫下的加工為熱加工。熱加工時(shí)產(chǎn)生的加工硬化很快被再結(jié)晶產(chǎn)生的軟化所抵消，因而熱加工不會(huì)帶來加工硬化效果。123巨型自由鍛件自由鍛124金屬的冷熱加工125模鍛自由鍛軋制正擠壓反擠壓拉拔沖壓冷

48、軋與熱軋126 二、熱加工對金屬組織和性能的影響 熱加工可使鑄態(tài)金屬與合金中的氣孔焊合，使粗大的樹枝晶或拄狀晶破碎，從而使組織致密、成分均勻、晶粒細(xì)化，力學(xué)性能提高。 127鍛壓熱軋粗晶粒材料變形拉長的晶粒再結(jié)晶晶粒形核再結(jié)晶晶粒長大再結(jié)晶完成晶粒細(xì)而均勻材料熱加工動(dòng)態(tài)再結(jié)晶示意圖熱加工使鑄態(tài)金屬中的非金屬夾雜沿變形方向拉長，形成彼此平行的宏觀條紋，稱作流線，由這種流線體現(xiàn)的組織稱纖維組織。它使鋼產(chǎn)生各向異性，在制定加工工藝時(shí)，應(yīng)使流線分布合理，盡量與拉應(yīng)力方向一致。 128滾壓成型后螺紋內(nèi)部的纖維分布吊鉤中的纖維組織在加工亞共析鋼時(shí),發(fā)現(xiàn)鋼中的 F 與 P呈帶狀分布，這種組織稱帶狀組織。12

49、9帶狀組織與枝晶偏析被沿加工方向拉長有關(guān)?？赏ㄟ^多次正火或擴(kuò)散退火消除。正火組織帶狀組織熱加工能量消耗小，但鋼材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、變形量大、在室溫下加工困難的工件。冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光潔度要求高的工件。130蒸汽-空氣錘3熱加工過程的控制（1）控軋控冷技術(shù)控制軋制是通過熱軋工藝參數(shù)（加熱溫度、道次軋制溫度、壓下量）的最佳化，使奧氏體(A)變成為細(xì)晶組織的技術(shù)?？刂评鋮s是在奧氏體相變的溫度區(qū)間進(jìn)行某種程度的快速冷卻，使相變組織比單純控制軋制更加微細(xì)化，它是在A狀態(tài)的基礎(chǔ)上再對被控制的A進(jìn)行相變控制。組織的控制軋制和控制冷卻技術(shù)稱為熱控制機(jī)械技術(shù)TMCP

50、(Thermo Mechanical Controlled Processing)。運(yùn)用控軋控冷技術(shù)能使鋼材獲得強(qiáng)度與低溫韌性均高的優(yōu)良性能，這已在軋鋼生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用。 131（2）控軋控冷工藝參數(shù)控制特點(diǎn)控軋和控冷工藝參數(shù)控制與普通熱軋工藝比有如下特點(diǎn)：1）控制鋼坯加熱溫度。根據(jù)對鋼材性能的要求來確定鋼坯加熱溫度，對于要求溫度高而韌性可以稍差的微合金鋼，加熱溫度可以高于1200。對于韌性為主要性能指標(biāo)的鋼材，則必須控制其加熱溫度在1150以下。2）控制最后幾個(gè)軋制道次的軋制溫度。一般要求終軋道次的軋制溫度接近溫度，有時(shí)也將終軋溫度控制在（+）兩相區(qū)內(nèi)。1323）要求在A未再結(jié)晶區(qū)域給予

51、足夠的變形量。對于微合金鋼要求在900950以下的總變形量大于50，對于普通碳鋼通過多道次變形累計(jì)達(dá)到A發(fā)生再結(jié)晶。4）要求控制軋后的鋼材冷卻速度、開始快冷速度、快冷終了溫度或卷取溫度，以便獲得必要的顯微組織。通常要求軋后第一冷卻階段冷速要大，第二階段冷速根據(jù)鋼材性能要求不同而不同。133表2-6 提高控軋、控冷鋼材強(qiáng)韌性的因素 因 素 控制途徑及其行為 晶粒細(xì)化 發(fā)生A的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶；在未再結(jié)晶區(qū)軋制變形，使晶內(nèi)產(chǎn)生變形帶，促使相變細(xì)化；控制軋后相變時(shí)的冷卻速度，防止晶粒長大析出強(qiáng)化 鈮、釩、鈦元素碳氮化物應(yīng)變誘導(dǎo)析出 加工硬化 在（）兩相區(qū)軋制變形時(shí)變形鐵素體的回復(fù)和再結(jié)晶 相變

52、強(qiáng)化 針狀鐵素體鋼、貝氏體鋼的單相強(qiáng)化；二相分離型相變 134我國有豐富的鈮、釩、鈦和稀土資源，具有發(fā)展微合金鋼控制軋制、控制冷卻技術(shù)的廣闊前途。目前每年采用控軋控冷工藝生產(chǎn)的鋼材已應(yīng)用到造船、石油、天然氣輸送管線、鍋爐及壓力容器、汽車大梁、螺紋鋼筋、軸承及鋼絲繩等方面.2.7 高聚物的力學(xué)狀態(tài)高分子是指分子量很高并由共價(jià)鍵連接的一類化合物。高分子的分子量一般高達(dá)幾萬、幾十萬，甚至上百萬，范圍在104106。天然高分子與人工合成的高分子（通常稱為高聚物）高聚物按其長鏈分子結(jié)構(gòu)可分為：線型和體型線型高聚物又分為非結(jié)晶型（無定型）和結(jié)晶型兩種 2.7.1線型無定型高聚物的力學(xué)狀態(tài)材料的力學(xué)狀態(tài)由其

53、呈現(xiàn)的力學(xué)特性來確定，如彈性很高的狀態(tài)稱高彈態(tài)等。在一定溫度，不同的高聚物會(huì)呈現(xiàn)不同的力學(xué)狀態(tài)；同一高聚物在不同溫度，或在一定溫度下隨外力作用時(shí)間的延長，也會(huì)呈現(xiàn)不同的力學(xué)狀態(tài)。（大分子鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致）1351大分子鏈的運(yùn)動(dòng)方式線型無定型高聚物中，大分子鏈的運(yùn)動(dòng)方式具有多重性，主要有：(1) 整鏈的運(yùn)動(dòng) 指大分子鏈作為一個(gè)整體作質(zhì)量中心的移動(dòng)，即發(fā)生原子鏈間的相對移動(dòng)。反映在性能上是高聚物呈現(xiàn)延性，會(huì)出現(xiàn)由粘性流動(dòng)引起的永久變形。(2) 鏈段的運(yùn)動(dòng) 因主鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使大分子鏈具有柔順性，在整鏈質(zhì)量中心不移動(dòng)的情況下，一部分鏈段相對另一部分鏈段而運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)可逆伸縮，反映在性能上是高聚物呈現(xiàn)獨(dú)有的

54、高彈性。(3) 鏈節(jié)的運(yùn)動(dòng) 鏈節(jié)、原子團(tuán)、原子在平衡位置作小范圍運(yùn)動(dòng)，反映在性能上是高聚物呈現(xiàn)普彈性（應(yīng)力與應(yīng)變成正比）。 1362高聚物力學(xué)狀態(tài)隨溫度的變化 線型無定型高聚物三態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)、粘流態(tài)。玻璃化溫度Tg：高彈態(tài)與玻璃態(tài)之間的轉(zhuǎn)變溫度； Tg 決定塑料的最高使用溫度，粘流溫度Tf：由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度。 Tf 決定高聚物加工成型的難易程度。137圖2-38 線型無定型高聚物溫度形變曲線2.7.2線型結(jié)晶型高聚物的力學(xué)狀態(tài) 在結(jié)晶型高聚物內(nèi)，非晶區(qū)溫度升至Tg后，由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)。至Tf后變?yōu)檎沉鲬B(tài)。而分子鏈呈規(guī)整、緊密排列的晶區(qū)，則一直保持堅(jiān)硬的晶態(tài)，直至一定溫度Tm

55、（TmTg）后，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型態(tài)，稱晶區(qū)熔點(diǎn)。（）低于Tg溫度，晶態(tài)高聚物處于玻璃態(tài)，性剛硬， 如-70以下的聚乙烯。（）在TgTm溫度范圍，晶區(qū)仍處于堅(jiān)硬的晶態(tài)，而非晶區(qū)已轉(zhuǎn)變?yōu)槿犴g的高彈態(tài)。所以，高聚物在整體上表現(xiàn)為既硬且韌的力學(xué)狀態(tài)，稱皮革態(tài)。如室溫下的聚乙烯，隨結(jié)晶度的提高，皮革態(tài)剛硬性，柔韌性。138（3）Tm溫度以上，晶態(tài)高聚物處于橡膠或粘流態(tài)。若高聚物聚合度很大，則非晶區(qū)的Tf會(huì)高于晶區(qū)的Tm，故TmTf間，高聚物呈現(xiàn)高彈態(tài)，至Tf以上才呈粘流態(tài)。若高聚物的聚合度低時(shí)，Tf會(huì)低于Tm，故Tm以上高聚物呈粘流態(tài)。隨著溫度升高，高聚物的力學(xué)狀態(tài)發(fā)生變化（圖2-39） ：在脆化溫度Tb以

56、下，高聚物處于硬玻璃態(tài)；在TbTg之間處于軟玻璃態(tài)；略高于Tg時(shí)處于皮革態(tài)；高于Tg時(shí)處于橡膠態(tài)；接近于Tf時(shí)處于半固態(tài)。高聚物性能由硬脆逐漸變?yōu)閺?qiáng)韌、柔軟。有機(jī)玻璃具有這典型變化規(guī)律。溫度低強(qiáng)度較，溫度高強(qiáng)度較。139140圖2-39 溫度對高聚物的力學(xué)狀態(tài)的影響結(jié)晶型高聚物的分子量通常要控制得低一些，分子量只要能滿足機(jī)械強(qiáng)度要求即可。圖2-40將非晶態(tài)與晶態(tài)聚合物的溫度形變曲線總結(jié)在下一張圖上。141高度結(jié)晶輕度結(jié)晶非晶態(tài)溫度變形圖2-40 非晶態(tài)與晶態(tài)聚合物的溫度-形變曲線匯總2.7.3體型結(jié)晶型高聚物的力學(xué)狀態(tài) 體型高分子即交聯(lián)鏈高分子。當(dāng)卷曲的長分子鏈間輕度交聯(lián)時(shí)，偶有的交聯(lián)點(diǎn)并不妨

57、礙其間大量鏈段的運(yùn)動(dòng)，故在Tg以上很寬度范圍，高聚物仍呈高彈性。但交聯(lián)點(diǎn)的存在可阻止分子鏈之間在力的作用下產(chǎn)生相對移動(dòng)，防止了高聚物因粘性流動(dòng)產(chǎn)生永久變形，從而形成具有工程使用價(jià)值的高彈體。如聚異戊二烯（天然橡膠）是一種乳膠液體，必須通過硫化形成硫橋交聯(lián)（如圖2-41），才能獲得既具有高彈性，又不會(huì)產(chǎn)生“冷流”的具有使用價(jià)值的硫化橡膠。隨分子鏈交聯(lián)密度增加，鏈段運(yùn)動(dòng)變困難，Tg溫度，彈性區(qū)范圍縮小。在彈性區(qū)，彈性降低，而強(qiáng)度提高。如硫化橡膠可通過含硫量的改變，形成不同密度的硫橋交聯(lián)；獲得不同硬度，彈性的橡膠。142交聯(lián)密度增至一定程度，形成密網(wǎng)型分子鏈，鏈段運(yùn)動(dòng)完全被阻止，高聚物不再出現(xiàn)高彈態(tài)

58、，而只存在剛硬的玻璃態(tài)，直至很高溫度發(fā)生分解。如酚醛塑料（電木）、環(huán)氧樹脂等。143圖2-41 體型高分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意圖 2.8 高聚物的力學(xué)行為2.8.1 高彈性與黏彈性高分子力學(xué)性能的最大特點(diǎn)是高彈性和黏彈性。1高彈性與黏彈性大分子鏈特有的鏈段運(yùn)動(dòng)，使高聚物出現(xiàn)獨(dú)有的高彈性。高分子極大的相對分子量使得高分子鏈出現(xiàn)了小分子化合物所不具備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即由于大分子鏈的構(gòu)象改變所呈現(xiàn)的柔性。高分子鏈柔性在性能上的表現(xiàn)，就是高分子所獨(dú)有的高彈性。橡膠在室溫就呈現(xiàn)高彈性（伸長率可大到l 000），塑料在較高的溫度也會(huì)表現(xiàn)出高彈性。與一般材料的普彈性的根本區(qū)別在于高分子的高彈性主要起因于構(gòu)象的改變。1

59、442力學(xué)狀態(tài)與外力作用時(shí)間的關(guān)系高聚物在不同外力作用時(shí)間下與不同溫度下顯示出一樣的三種力學(xué)狀態(tài)和兩個(gè)轉(zhuǎn)變，表明時(shí)間與溫度對高聚物力學(xué)狀態(tài)的影響有某種等效作用，這是時(shí)間與溫度對大分子鏈運(yùn)動(dòng)具有等效影響的反映。如：用作飛機(jī)輪胎的橡膠在室溫下處于高彈態(tài)，具有高彈性。但當(dāng)飛機(jī)猛然著落，輪胎接觸地面的瞬間，鏈段運(yùn)動(dòng)來不及作出響應(yīng)，輪胎就不顯示出高彈性，而顯示出玻璃態(tài)的普彈性。這種時(shí)間依賴關(guān)系不是由于材料性能的改變而引起的，而是由于它們的分子響應(yīng)與外力不能立刻達(dá)到平衡，是一個(gè)速率過程，另外，高分子的力學(xué)行為有很大的溫度依賴性，正是高分子的這種力學(xué)松弛本質(zhì)及其隨溫度的變化造成了高分子獨(dú)特的力學(xué)行為。145

60、2.8.2 黏彈性2.8.3 塑性與受迫彈性2.8.4 強(qiáng)度與斷裂根據(jù)高分子應(yīng)力一應(yīng)變曲線的特點(diǎn)大致可以把高分子分為5種類型：硬而脆；硬而韌；硬而強(qiáng)；軟而韌；軟而弱。146147圖2-42 高分子應(yīng)力一應(yīng)變曲線148 機(jī)械工程材料Mechanical Engineering Materials149 第3章 二元合金相圖與鐵碳合金 本章目錄3.1 二元合金相圖的建立及意義3.2 二元合金相圖的基本類型3.3 合金性能與相圖之間的關(guān)系3.4 鐵碳合金的基本組織3.5 Fe-Fe3C相圖3.6 鋼鐵材料生產(chǎn)簡介3.7 碳鋼150 3.1 二元合金相圖的建立及意義3.1.1 二元合金相圖的建立相合金