金属材料的基础知识

第1章金属材料的基础知识,第1章金属材料的基础知识,第一节金属材料的力学性能第二节金属材料的物理性能第三节金属材料的化学性能第四节金属材料的工艺性能第五节金属材料的晶体结构第六节纯金属的结晶第七节合金的基本结构第八节合金的结晶,第一节金属材料的力学性能,金属材料的性能包含使用性能和工艺性能。使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能。如：力学性能、物理性能、化学性能。工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性。,力学性能：是指金属材料在外力作用时表现出来的性能。指标包括：强度、刚度、硬度、塑性、韧性和疲劳强度等。,第一节金属材料的力学性能,金属材料在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。强度的大小通常用应力来表示，符号为，单位为兆帕（MPa）。金属材料受到外力作用时，为了保持其形状不变，在材料内部产生与外力相对抗的力，这个力称为内力。应力就是单位面积上所承受的内力。,一、强度,金属材料在使用过程中所受的外力也称为载荷。根据载荷作用性质的不同，载荷分为静载荷、冲击载荷及交变载荷三种。静载荷：是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。冲击载荷：是指在短时间内以较高速度作用在零件上的载荷。交变载荷：是指大小和方向随时间作周期性变化的载荷。,一、强度,根据载荷作用方式的不同，载荷又可分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上应力按下列公式计算：式中F外力，单位为N；S横截面积，单位m2。,一、强度,一、强度拉伸试验,E=tga,B(ss下),A(ss上),低碳钢拉伸应力应变曲线,一、强度拉伸曲线,低碳钢的应力-应变曲线,1.弹性变形阶段,2.屈服阶段,3.强化阶段,4.缩颈阶段,一、强度衡量指标,屈服点：,用符号s表示，计算公式为s=,式中：Fb试样断裂前所承受的最大拉力，单位为N；So试样原始横截面积，单位为mm2。,抗拉强度:,在拉断前试样所能承受的最大应力为该试样的抗拉强度，用符号b表示，计算公式为。,b=,一、强度衡量指标,概念塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久性变形而不断裂的能力。衡量指标伸长率：试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率，用符号表示。计算公式为：,二、塑性,=,100%,断面收缩率：试样被拉断后，断口处横截面积的减小量与试样原始横截面积之比的百分数，用符号表示。计算公式为：,100%,二、塑性,=,式中S0试样原始横截面积，单位mm2；S1试样拉断处断口的横截面积，单位mm2。,硬度是指金属材料抵抗局部弹性变形、塑性变形、压痕、划痕或破裂的能力。,三、硬度,硬度测试方法很多，最常用的硬度测试方法有三种，即布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。,三、硬度布氏硬度（HB）,布氏硬度计,布氏硬度测试动画,三、硬度布氏硬度（HB）,压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。,布氏硬度压痕,三、硬度布氏硬度（HB）,三、硬度洛氏硬度（HR）,根据压头类型和主载荷不同，分为三个标尺，分别为A、B、C。,符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。,HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。,三、硬度洛氏硬度（HR）,三、硬度维氏硬度（HV）,维氏硬度,三、硬度维氏硬度（HV）,冲击韧度是指金属材料抵抗冲击载荷的能力，其指标以冲击韧度k表示。,四、冲击韧度,冲击试验机,四、冲击韧度,冲击试验,五、疲劳强度,交变应力：大小和方向随时间作周期性变化的应力称为交变应力，用符号“”表示。,金属疲劳：在交变应力的作用下，在一处或几处产生局部永久性积累损伤经一定循环次数后产生裂纹或突发完全断裂的过程称为金属疲劳。,疲劳破坏可分为微观裂纹、宏观裂纹和瞬时断裂三个过程。,五、疲劳强度,疲劳曲线：疲劳曲线是指交变应力与循环次数N的关系曲线，如下图所示。,五、疲劳强度,常用金属材料的力学性能指标及其含义,第二节金属材料的物理性能,密度：指单位体积中材料的质量。,熔点：指材料的熔化温度。,热膨胀性：材料在不同温度的热膨胀性通常用线胀系数表示。,磁性：材料能导磁的性能称为磁性。,导热性,导电性,第三节金属材料的化学性能,化学性能是指金属在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。,第四节金属材料的工艺性能,铸造性能：金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。,锻造性能：用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。,焊接性能：焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应能力。,第四节金属材料的工艺性能,切削加工性能：切削加工性能是指切削加工金属的难易程度。,热处理性能,第五节金属材料的晶体结构,晶体：晶体是指物体中的原子在三维空间按一定几何规律重复排列的有序结构。,非晶体：指物体中的原子在三维空间无序排列的结构。,一、晶体结构的基本概念,一、晶体结构的基本概念,晶体结构示意图代表：金刚石、NaCl、冰等。,非晶体结构示意图代表：蜂蜡、玻璃、沥青等,晶格：表示原子在晶体中排列规律的空间几何格架称为晶格。晶胞：指组成晶格的最小几何单位。,一、晶体结构的基本概念,一、晶体结构的基本概念,晶格,晶胞,晶面：晶体中由一系列原子所组成的平面称为晶面。,一、晶体结构的基本概念,晶向：通过二个或二个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。,一、晶体结构的基本概念,晶面,晶向,体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp,二、常见的三种晶格类型,二、常见的三种晶格类型,体心立方晶格：在立方体晶胞的八个顶角上和晶胞中心各有一个原子。这种晶格类型的金属有-铁（-Fe）、钨（W）、铬（Cr）、钼（Mo）、钒（V）等。,二、常见的三种晶格类型,二、常见的三种晶格类型,面心立方晶格：在立方体晶胞的八个顶角和立方体六个面的中心各排列一个原子，这种晶格类型的金属有-铁（-Fe）、铜（Cu）、铝（Al）、铅（Pb）、金（Au）、镍(Ni)等，,二、常见的三种晶格类型,二、常见的三种晶格类型,二、常见的三种晶格类型,密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，在六棱柱的各个棱角和上、下两个六边形底面的中心各有一个原子，此外在棱柱体中间还有三个原子。这种晶格类型的金属有锌（Zn）、镁（Mg）、铍（Be）、镉(Cd)。,二、常见的三种晶格类型,二、常见的三种晶格类型,二、常见的三种晶格类型,三、晶体结构的三种缺陷,单晶体：金属晶体其内部晶格位向是一致的。,多晶体：一块金属晶体由许多晶格位向不同的微小晶体组成的称为多晶体。,单晶体,多晶体,三、晶体结构的三种缺陷,晶粒：单晶体内部的晶格位向是一致的，多晶体中彼此相邻的小晶体间位向都不同，这种不规则的小晶体称为晶粒。,晶界：晶粒与晶粒之间的界面称为。,点缺陷：点缺陷是指在三维空间的三个方向上尺寸都很小的晶体缺陷，常见的有晶格空位和间隙原子。,三、晶体结构的三种缺陷,晶格空位,间隙原子,大置换原子,小置换原子,三、晶体结构的三种缺陷,空位和间隙原子引起的晶格畸变,三、晶体结构的三种缺陷,线缺陷：在三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷称为线缺陷。常见为刃形位错和螺形位错等。,三、晶体结构的三种缺陷,刃型位错,螺型位错,刃形位错：,三、晶体结构的三种缺陷,在这个晶体ABCD面的上方，多出一个垂直的半原子面EFGH，象刀刃一样切入晶体与ABCD面交于EF线（位错线），使晶体中上下两部分的原子产生了错排现象，称为刃形位错。,三、晶体结构的三种缺陷,刃型位错：,刃型位错的形成,面缺陷：在三维空间的一个方向上尺寸很小而呈面状的晶体缺陷称为面缺陷。主要指晶界、亚晶界（镶嵌块边界）。,三、晶体结构的三种缺陷,晶界,亚晶界,面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。,三、晶体结构的三种缺陷,晶界,第六节纯金属的结晶,纯金属或合金由液态变为固态的过程也是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，这个过程为金属的结晶过程。,一、纯金属的冷却曲线及过冷现象,冷却曲线热分析法,T0,Tn,理论结晶温度T0,实际结晶温度Tn,T,过冷度,T=T0-Tn,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度,结晶过程形核和晶核长大的过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,二、纯金属的结晶过程,晶核的生成,二、纯金属的结晶过程,自发晶核:由液体金属内部原子聚集，超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发晶核:液态金属依附在一些未熔微粒表面所形成的晶核为非自发晶核。,二、纯金属的结晶过程,长大过程平面生长与树枝状生长,平面生长示意图,三、晶粒大小对金属力学性能的影响,衡量金属的晶粒大小常用晶粒度（即单位体积或面积内晶粒的数量）表示。细晶粒的金属不仅强度高，而且塑性和韧性也好。在实际生产中，通常采用适当的方法来获得细小的晶粒，这种强化金属材料的方法称为细晶强化。,四、细化晶粒的措施,增加过冷度变质处理振动或搅拌,四、细化晶粒的措施,增加过冷度,过冷度对N、G的影响,变质处理：,四、细化晶粒的措施,在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。,作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。,变质处理前,变质处理后,振动或搅拌：可使生长中的枝晶破碎细化，而破碎的枝晶起到新生晶核的作用，增加了形核率，从而达到细化晶粒的目的。,四、细化晶粒的措施,合金：由二种以上金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本的独立物质。相：相是合金中成分、结构相同并以界面相互分开的各个均匀组成部分。相变：金属或合金的一种相在一定条件下，可以变为另一种相。,第七节合金的基本结构,一、合金的基本概念,二、合金的相结构,根据合金中各组元之间结合方式的不同，合金的基本结构可分为固溶体和金属化合物两大类。,固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相称为固溶体。,二、合金的相结构,溶入的原子称为溶质原子，而基体原子称为溶剂原子，根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。,置换固溶体：溶质原子置换了溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体，称为置换固溶体。,二、合金的相结构,间隙固溶体：当溶质原子嵌入溶剂晶格各结点之间的空隙内形成的固溶体称为间隙固溶体。,二、合金的相结构,金属化合物:合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时，合金元素间发生相互作用而生成具有金属性质的一种新相，称为金属化合物。,二、合金的相结构,金属化合物的特点是熔点高、性能硬而脆。,铁碳合金中的Fe3C,第八节合金的结晶一、二元匀晶相图的建立,两组元不但在液态可无限互溶，在固态下也可无限互溶的二元合金系所形成的相图称为二元匀晶相图。,这类二元合金相图的合金主要有Ca-Ni、Cr-Mo、Fe-Ni等。,一、二元匀晶相图的建立,液相线以上为液相区（L），固相线以下为固相区（），在液、固相线之间为液固二相共存区（L+）。,二、二元共晶相图,在二元合金中，两组元在液态下完全互溶，在固态下只能有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变，形成两种成分与结构完全不同的固相的相图称为二元共晶相图。,Pb-Sb合金共晶相图,Pb-Sb合金的结晶过程示意图,二、二元共晶相图,Pb-Sb合金的结晶过程示意图,Pb-Sb合金的