01 力学性能试验 第一章

包雪鹏2013.04.07,力学性能试验第一章金属材料基础知识,一、金属与合金的晶体结构与结晶固体物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体和非晶体两大类。原子按一定的几何形式周期性地重复排列而成的固态物质称之为晶体，原子无规则地堆积在一起的固态物质称为非晶体。也即晶体的原子（基本质点）在空间排列是有一定规律的。固体金属均是晶体（有规则的外形、固定的熔点，有各向异性）。“力学性能试验”的对象金属材料（晶体）,第一节金属学与热处理基础知识,（一）晶体结构的基础知识,晶格的概念：晶体内部原子按一定的几何规律排列。为了便于理解，把原子看成是一个小球，则金属晶体就是由这些小球有规律堆积而成的物体。为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可以将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规律性的空间架构。这种表示原子在晶体中排列规律的空间架构叫做晶格。,1晶体中原子排列2晶格3晶胞,晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（最小的周期性变化单元），它有很高的对称性。晶格常数,金属中三种典型的晶格：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。,体心立方晶格：-Fe面心立方晶格：Al、Cu、Pb、-Fe密排六方晶格：Mg、Zn,晶格类型不同，原子排列方式、致密度、晶格常数等就不同，金属力学性能也将随之发生变化。,以色列科学家舍特曼获得2011年诺贝尔化学奖舍特曼在1982年发现了准晶体，称这一发现从根本上改变了科学家看待固体物质的方式。“与此前人们认为的原子在晶体内呈对称模式分布的理论不同，舍特曼揭示出原子在晶体内的堆积形态可以不重复（有规则但绝不重复）。”这一发现在当时极具争议，然而，他的发现最终迫使科学家们重新审视他们对物质本质的观念。根据舍特曼的发现，科学家们随后创造了其他种类的准晶体，并在俄罗斯一条河流内的矿物样品中发现了自然生成的准晶体。一家瑞典公司也在一种钢材中发现了准晶体，晶体使得这一材料像盔甲般坚硬。目前，科学家正在试验将准晶体应用于煎锅和柴油发动机等多项产品中。,（二）金属实际的晶体结构,在金属晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其他各种因素的影响，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整，通常把这种区域称为晶体缺陷。因此，金属的实际性能较理想晶体结构的低。,实际金属多晶体结构,金属中缺陷的种类很多，根据晶体缺陷的几何特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。(1)点缺陷：缺陷呈点状分布，常见的有晶格空位、间隙原子等，使得周围原子发生撑开或靠拢，晶格畸变。,点缺陷示意图,(2)线缺陷：缺陷呈线状，主要是位错，常见的是刃型位错。,刃型位错螺形位错,电子显微镜下的位错,面缺陷：缺陷呈面状分布，通常是晶界和亚晶界。,晶界亚晶界,金属晶体缺陷对性能的影响1点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。2线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很高；位错密度越大，金属强度也会提高。3面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑变的能力越大，塑性越好。（细晶强化）,（三）金属的结晶,1结晶的概念从状态看：结晶通常是指金属自液态转变为固态的过程。从金属学观点：结晶则是指物质的原子从近程有序过度到远程有序结构的过程。,过冷现象：金属的实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度(T0)的现象，即在T0以下金属仍处于液态的现象。理论结晶温度和实际结晶温度的差称为过冷度T。冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度就越低。,2纯金属的结晶过程,金属的结晶包括晶核的产生和晶核长大两个基本过程，并且是这两个过程同时进行的。纯金属的结晶过程：液态金属中存在有序排列的原子小集团，随原子的热运动，这些小集团时聚时散，当温度低于T0时，这些原子小集团成为有规则排列的小晶体，称为“晶核”。晶核通过吸附周围的原子，沿各个方向以不同的速度长大，同时又有新的晶核形成，在晶核的棱角处长大速度最快，生成晶体的主干，又称一次晶轴。金属的结晶过程就是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。,实际金属结晶:主要以树枝状长大,负温度梯度,晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。形核率N愈高，晶核长大速度G愈小，晶粒愈细小，材料的力学性能愈好。铸造生产中，常用以下方法细化液态金属结晶的晶粒。(1)增加过冷度(2)变质处理(3)附加振动晶粒大小对金属力学性能的影响：在一般情况下，晶粒愈小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。为了提高金属力学性能，需要细化晶粒。,（四）合金的结构和结晶,1合金的相组织固态时合金形成固溶体、金属化合物和机械混合物三类组织。(1)固溶体定义：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，并保持溶剂元素的晶体结构。置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。例如：Fe与Mn、Si、Al、Cr、Ti、Nb等形成置换固溶体。间隙固溶体：溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。例如：Fe与C、N、O、H形成间隙固溶体。,固溶体的性能：与基体金属相比，强度、硬度增加，塑性、韧性降低，电阻、矫顽力增加。固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加，强化材料的方法之一。(2)金属化合物定义：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。对合金性能的影响：金属化合物具有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性，是合金中的强化相。它的出现可提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低塑韧性。（如Fe3C）,(3)机械混合物是由两种单相固溶体或固溶体与化合物组成的一种复相物，两相各自保持独立的晶格结构，不互溶，不化合，作为一种金相组织出现在合金中。（珠光体）机械混合物的性能取决于两相的相对含量及组成相的大小和形状。,铁碳合金中的Fe3C,二、金属热处理简介,（一）概述金属热处理是将金属放在一定的介质中，以预定的速度加热到预定的温度，保温预定的时间后，以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。,与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能，改善工件的内在质量。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，要合理选用材料和各种成形工艺，同时需要适当的热处理工艺。热处理工艺只适用于固态发生相变的材料，钢铁应用得最广泛。,（二）热处理工艺,普通热处理：是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁普通热处理：退火、正火、淬火、回火,退火：将工件加热至适当温度保温，再缓慢冷却（一般随炉冷却），获得的组织接近平衡组织。目的：调整硬度，便于切削加工；消除内应力，减少变形；细化晶粒，为最终热处理做准备。,正火：将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却。目的：改善切削性能，要求不高零件的最终热处理。淬火：将工件加热到临界点以上，保温后快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。为了获得较快的冷却速度，冷却介质通常有：水、油、有机水溶液等。目的：获得马氏体组织，提高强度、硬度。回火：将淬火的钢加热到A1以下的温度，保温后冷却的热处理工艺。（高温回火、中温回火、低温回火）目的：降低脆性，减少或消除淬火应力，防止变形和开裂，获得所需要的力学性能。,时效处理：对于某些合金，如铝合金，在其淬火过程中形成过饱和固溶体后（固溶处理），在室温或稍高的温度下保持较长的时间，就可以太高合金的硬度和强度。,调质处理：淬火和高温回火结合，称为调质处理。获得良好的综合力学性能。,第二节结构材料对力学性能的要求,材料的性能从技术角度上讲主要分为材料的使用性能和工艺性能。使用性能包括力学性能（如强度、韧性、塑性等）、化学性能（如抗氧化性、耐腐蚀性等）、物理性能（密度、导电性等）。工艺性能是材料实现其使用性能的可能性和可行性，对金属材料其包括铸造性、成形性、焊接性、切削加工性、热处理工艺性等。金属材料按使用性能可分为结构材料（主要利用材料的力学性能）和功能材料（主要利用材料的物理和化学性能）。“力学性能试验”力学性能、成形性,一、强度：强度是结构材料，尤其是结构钢最基本的性能要求。结构钢一般按屈服强度或抗拉强度来划分等级。零件用材料的屈服强度作为衡量材料承载和安全的主要判据，并以屈服强度进行强度设计。通常，材料是不允许在超过其屈服强度的载荷下工作的，因为这会引起零件或构件的永久变形。从某种意义上讲，材料的屈服强度高，可以减重，使其不易产生塑性变形而失效；但另一方面，材料的屈服强度高，屈强比大，不利于某些应力集中部位应力的重新分布，易引起脆性断裂。二、塑性：钢一般要求具有一定的延展能力，即塑性，以保证加工的需要和结构的安全使用。塑性良好的材料有利于成形。良好的塑性可使零件在使用时万一超载，能由于塑性变形使材料强度提高而避免突然断裂。断后伸长率和断面收缩率是材料最重要的塑性指标。,三、硬度：硬度是材料表面抵抗另一种物体压入时所产生的塑性变形抗力的大小。常用的有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。硬度高，耐磨性好。硬度与强度间存在近似的对应关系。四、韧性：为防止结构材料在使用状态下脆性断裂，要求材料在弹性变形、塑性变形和断裂过程中吸收较大的能量，即韧性。五、成形性：材料的塑性和成形性都是表征其在外力作用下连续性不被破坏，或不导致不可逆的永久变形的能力，它取决于材料本身的性能和具体的变形条件。评价成形性的试验有：顶锻、弯曲、反复弯曲、杯突，管子的扩口、缩口、压扁、卷边，线材的扭转；钢板的n值、r值。,金属材料包括纯金属和以金属为基所构成的合金，通常分为二类：黑色金属和有色金属。黑色金属：钢和铁（如碳素钢、合金钢、铸钢、铸铁以及以铁为基的粉未冶金件）有色金属：轻有色金属（如铝、镁及其合金）、重有色金属（如铜、镍、锌、铅及其合金）、贵金属（如铂、铑和银）和稀有金属等。,第三节金属材料的分类,一、有色金属分类按合金系统分：轻有色金属（如铝、镁及其合金）、重有色金属（如铜、镍、锌、铅、锡及其合金）、贵金属（如铂、铑和银）和稀有金属等。按用途分：变形合金（压力加工用合金）、铸造合金、轴承合金、硬质合金、焊料、中间合金等。,二、铸铁分类按化学成分分：普通铸铁；合金铸铁。按生产方式和组织性能分：灰铸铁；可锻铸铁；球墨铸铁；特殊性能铸铁（耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁）。,三、钢分类钢的分类方法很多，按国际惯例，主要有按化学成分分类和按主要质量等级和主要性能或使用性能分类两种。按化学成分钢分：非合金钢、低合金钢和合金钢。GB/T13304.1-2008钢分类第1部分：按化学成分分类（主要内容保持与GB/T13304-1991中第一部分一致的前提下，修改采用ISO4948-1：1982钢分类第1部分：按化学成分分为非合金钢和合金钢）GB/T13304.2-2008钢分类第2部分：按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类（主要内容保持与GB/T13304-1991中第二部分一致的前提下，修改采用ISO4948-2：1981钢分类第2部分：非合金钢和合金钢按主要质量级别和主要性能或使用特性的分类（原标准：GB/T13304-1991钢分类）,第四节常用金属材料牌号表示方法,一、钢铁产品牌号表示方法（一）基本原则钢铁产品牌号的表示，一般采用汉字拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。GB/T221-2008钢铁产品牌号表示方法GB/T17616-1998钢铁及合金牌号统一数字代号体系,（二）、常用钢铁产品牌号表示方法GB/T699-1999优质碳素结构钢GB/T700-2006碳素结构钢GB/T1591-2009低合金高强度结构钢GB/T3077-1999合金结构钢GB/T1220-2007不锈钢棒GB/T1221-2007耐热钢棒GB/T1222-2007弹簧钢GB/T9943-2008高速工具钢GB/T20878-2007不锈钢和耐热钢牌号和化学成分,1碳素结构钢和低合金结构钢：Q235AF、Q345D、Q345R、Q390q、Q420g2优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢：45、45E、50Mn3合金结构钢和合金弹簧钢：40Cr、35CrMoA4工具钢：T9、T8Mn5轴承钢：GCr156不锈钢和耐热钢：,GB/T2100-2002一般用途耐蚀钢铸件GB/T5680-1998高锰钢铸件GB/T8492-2002一般用途耐热钢和合金铸件GB/T14408-1993低合金钢铸件,二、铸钢牌号表示方法GB/T5613-1995铸钢牌号表示方法（一）以强度表示（二）以化学成分表示,GB/T11352-2009一般工程用铸造碳钢件,GB/T11352-2009一般工程用铸造碳钢件,三、铸铁牌号表示方法GB/T5612-2008铸铁牌号表示方法,GB/T9437-1988耐热铸铁GB/T9439-2010灰铸铁件GB/T9440-1988可锻铸铁件GB/T1348-2009球墨铸铁件GB/T8263-1999抗磨白口铸铁