金属材料-结构性能.ppt

第二部分 金属材料 梁玉军材料科学与化学工程学院 歼10 中国 太行发动机 中国 材料学科 金属材料 课程内容 2 金属材料的力学性能 3 金属合金相图 1 金属晶体结构 金属固溶体和晶体缺陷 4 新型金属材料 金属材料 金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料 可分为由一种金属元素构成的单质 纯金属 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金 合金又可分为固溶体和金属间化合物 在103种元素中 除He Ne Ar等6种惰性元素和C Si N等16种非金属元素外 其余81种为金属元素 除Hg之外 单质金属在常温下呈现固体形态 外观不透明 具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性 在力学性质方面 具有较高的强度 刚度 延展性及耐冲击性 单质金属 合金是由两种或两种以上的金属元素 或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质 合金的性质与组成合金的各个相的性质有关 同时也与这些相在合金中的数量 形状及分布有关 合金 合金 组元 组成材料的最基本的独立的物质称为 组元 组元可以是金属元素或非金属元素 例如 普通碳钢的组元是Fe与C 也可以是稳定的化合物 相 材料中成份 性能 结构相同并以界面互相分开的均匀的组成部分称为 相 金属的结构 1 体心立方结构 图1体心立方晶胞 a 刚球模型 b 质点模型 c 晶胞原子数 金属的结构 2 面心立方结构 图2面心立方晶胞 金属的结构 3 密排六方结构 图3密排六方晶胞 a 刚球模型 b 质点模型 c 晶胞原子数 金属的实际晶体结构 实际上 金属是一个多晶体结构 这种原子排列方位基本一致 但外形不规则的小晶体 称为晶粒 由于金属是多晶体结构 单个晶粒的各向异性彼此相互抵消 金属就显示出各向同性 若对金属进行单方向的塑性变形 如冷扎 冷拉等 使各个晶粒的晶格趋向一致 则多晶体金属又会显示出各向异性 图4金属的多晶体结构示意图 金属间化合物 合金的分类 固溶体 合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同 可以分为固溶体 金属化合物 机械混合物三种类型 合金 固溶体 当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时 这种合金称为一次固溶体或端际固溶体 简称为固溶体 合金 金属间化合物 金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时 除固溶体外 还可能形成金属间化合物 合金 金属间化合物 A B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构 也不是B组元的结构 而是自身的一种独立的结构 例如 Fe和C所形成的化合物Fe3C 就是一种典型的金属化合物 合金中的固溶体 固溶体的分类 根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置 固溶体可分为 置换固溶体 代位固溶体 间隙固溶体 置换固溶体 特点 置换固溶体 A组元的原子取代了B组元的原子 当A B两个组元的原子直径相差不大时 两个组元可以以任何比例溶解 形成无限固溶体 反之则为有限固溶体 在置换固溶体中 溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上 置换固溶体 置换固溶体 置换固溶体4 a 随机置换固溶体 b 有序置换固溶体 特点 间隙固溶体 间隙固溶体 A组元溶入B组元的的间隙中 只能形成有限固溶体 例如 C溶入 Fe或 Fe所形成的铁素体 奥氏体 在间隙固溶体中 溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙 溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的 即呈统计分布 也可以是部分有序或完全有序 在完全有序固溶体中 异类原子趋于相邻 这种结构亦称为超点阵或超结构 间隙固溶体 间隙固溶体 间隙固溶体 随机间隙固溶体 固溶体中的溶质丛聚 固溶体的电学 热学 磁学等物理性质也随成分而连续变化 但一般都不是线性关系 固溶体的强度与硬度往往高于各组元 而塑性则较低 合金中的固溶体 合金中的固溶体 实际应用 铂 铑单独做热电偶材料使用 熔点为1450 而将铂铑合金做其中的一根热电偶 铂做另一根热电偶 熔点为1700 若两根热电偶都用铂铑合金而只是铂铑比例不同 熔点达2000 以上 金属间化合物 特点 金属间化合物可分为三类 即由负电性决定的原子价化合物 简称价化合物 由电子浓度决定的电子化合物 亦称为电子相 以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物 除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外 还有许多金属间化合物 其结构由两个或多个因素决定 称之为复杂化合物 晶体结构缺陷 缺陷的含义 通常把晶体点阵结构中周期性势场的畸变称为晶体的结构缺陷 理想晶体 质点严格按照空间点阵排列 实际晶体 存在着各种各样的结构的不完整性 由于缺陷的存在 才使晶体表现出各种各样的性质 使材料加工 使用过程中的各种性能得以有效控制和改变 使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现 因此 了解缺陷的形成及其运动规律 对材料工艺过程的控制 对材料性能的改善 对于新型材料的设计 研究与开发具有重要意义 研究缺陷的意义 缺陷的类型 点缺陷线缺陷面缺陷 热缺陷杂质缺陷非化学计量缺陷 缺陷的成因 晶体结构缺陷 点缺陷 零维缺陷 PointDefect 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上 即三维方向上缺陷的尺寸都很小 包括 空位 vacancy 间隙质点 interstitialparticle 错位原子或离子外来原子或离子 杂质质点 foreignparticle 双空位等复合体点缺陷与材料的电学性质 光学性质 材料的高温动力学过程等有关 NowWhatDoYouSee Vacancy Interstitial 空位 结构中存在空位原子 间隙质点 原子间存在特殊原子 发生概率高 发生概率低 点缺陷 零维缺陷 PointDefect 点缺陷 零维缺陷 PointDefect OR 替位合金 Substitutionalalloy 如 CuinNi 间隙合金 Interstitialalloy 如 CinFe 线缺陷 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性 规则性排列所产生的缺陷 即缺陷尺寸在一维方向较长 另外二维方向上很短 如各种位错 dislocation 如图所示 线缺陷的产生及运动与材料的韧性 脆性密切相关 线缺陷 刃型位错 晶体在大于屈服值的切应力 作用下 以ABCD面为滑移面发生滑移 EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线 犹如砍入晶体的一把刀的刀刃 即刃位错 或棱位错 几何特征 位错线与原子滑移方向相垂直 滑移面上部位错线周围原子受压应力作用 原子间距小于正常晶格间距 滑移面下部位错线周围原子受张应力作用 原子间距大于正常晶格间距 分类 正刃位错 负刃位错 T 符号中水平线代表滑移面 垂直线代表半个原子面 线缺陷 刃型位错 刃型位错示意图 a 立体模型 b 平面图 晶体局部滑移造成的刃型位错 面缺陷 螺型位错 晶体在外加切应力 作用下 沿ABCD面滑移 图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处 由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面 故称为螺位错 几何特征 位错线与原子滑移方向相平行 位错线周围原子的配置是螺旋状的 分类 有左 右旋之分 分别以符号 和 表示 其中小圆点代表与该点垂直的位错 旋转箭头表示螺旋的旋转方向 它们之间符合左手 右手螺旋定则 面缺陷 螺型位错 螺型位错示意图 a 立体模型 b 平面图 b 螺型位错示意图 面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷 是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性 规则性排列而产生的缺陷 即缺陷尺寸在二维方向上延伸 在第三维方向上很小 如晶界 表面 堆积层错 镶嵌结构等 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关 面缺陷 晶界 晶界示意图 亚晶界示意图 面缺陷 晶界 晶界 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面 由于相邻晶粒间彼此位向各不相同 故晶界处的原子排列与晶内不同 它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响 而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列 这就形成了晶体中的重要的面缺陷 亚晶界 实验表明 在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致 而是存在一些位向略有差异的小晶块 位向差一般不超过2 这些小晶块称为亚结构 亚结构之间的界面称为亚晶界 面缺陷 晶界 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能又称机械性能 是材料在力的作用下所表现出来的性能 力学性能对金属材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响 金属材料的主要力学性能有 强度 塑性 硬度 韧性 疲劳强度等 金属材料的力学性能 测试方法和仪器 金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定出来的 实验样件 b 矩形截面标准试件 截面积为A 标距l0 压缩试件常采用圆形截面或方形截面的短试件 试件高度与截面尺寸的比例关系为圆形截面试件 l0 d0 1 5 3 方形截面试件 l0 b 1 3 力一伸长曲线 低碳钢力 伸长曲线 在开始的Fe阶段 载荷F与伸长量 l为线性关系 并且 去除载荷 试样将恢复到原始长度 在此阶段试样的变形称为弹性变形 载荷超过Fe之后 试样除发生弹性变形外还将发生塑性变形 当载荷增大到Fe之后 拉伸图上出现了水平线段 这表示载荷虽未增加 但试样继续发生塑性变形而伸长 这种现象称为 屈服 s点称为屈服点 4 当载荷超过Fb以后 试样上某部分开始变细 出现了 缩颈 由于其截面缩小 使继续变形所需载荷下降 5 载荷到达Fk时 试样在缩颈处断裂 1 强度 强度是金属材料在力的作用下 抵抗塑性变形和断裂的能力 强度有多种判据 工程上以屈服点和抗拉强度最为常用 1 屈服点它是指拉伸试样产生屈服现象时的应力 它可按下式计算 Fs 试样发生屈服时所承受的最大载荷 N Ao 试样原始截面积 mm2 抗拉强度 指金属材料在拉断前所能承受的最大应力 以 b表示 它可按下式计算 Fb 试样在拉断前所承受的最大载荷 N Ao 试样原始截面积 mm2 2 抗拉强度 3 塑性 塑性是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力 通常以伸长率来表示 lo 试样原始标距长度 mm L1 试样拉断后的标距长度 mm 必须指出 伸长率的数值与试样尺寸有关 因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定 以便进行比较如lo 10do时 用 10或 表示 lo 5do时 用 5表示 金属材料的塑性也可用断面收缩率 表示 A0 A1 A0 X100 Ao 试样的原始截面积 mm2 A1 试样拉断后 断口处截面积 mm2 和 值愈大 材料的塑性愈好 良好的塑性不仅是金属材料进行轧制 锻造 冲压 焊接的必要条件 而且在使用时万一超载 由于产生塑性变形 能够避免突然断裂 4 硬度 金属材料抵抗局部变形 特别是塑性变形 压痕的能力 称为硬度 硬度是衡量金属软硬的判据 硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性 因为机械制造中的刃具 量具 模具及工件的耐磨表面都应具有足够高的硬度 才能保证其使用性能和寿命 若所加工的金属坯料的硬度过高时 则给切削加工带来困难 显然 硬度也是重要的力学性能指标 应用十分广泛 金属材料的硬度是在硬度计上测定的 常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法 有时还采用维氏硬度法 4 1布氏硬度 HB 以直径为D的淬火钢球或硬质合金球为压头 在载荷F的静压力下 将压头压人被测材料的表面 图1 3a 停留若干秒后 卸去载荷 图1 3b 然后 采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d 并依据d的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值 4 2洛氏硬度 HR 洛氏硬度的测试原理是以顶角为120 金刚石圆锥体 或 1 588mm淬火钢球 为压头 在规定的载荷下 垂直地压人被测金属表面 卸载后依据压人深度九 由刻度盘上的指针直接指示出HR值 图1 4 5 疲劳强度 机械上的许多零件 如曲轴 齿轮 连杆 弹簧等是在周期性或非周期性动载荷 称为疲劳载荷 的作用下工作的 这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时 其应力往往大大低于该材料的强度极限 这种断裂称作疲劳断 金属材料所承受的疲劳应力 与其断裂前的应力循环次数 N 具有图1 5所示的疲劳曲线关系 当应力下降到某值之后 疲劳曲线成为水平线 这表示该材料可经受无