金属材料的结构与性能ppt课件

1、1 金属的晶体结构 2 金属材料的性能分类 3 金属的力学性能指标 4 金属的塑性变形 5 金属的回复与再结晶,内容提纲,晶体： 金属、金刚石、NaCl、雪和冰 等,晶体的概念,晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列,非晶体 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”,非晶体： 蜂蜡、松香、玻璃、塑料、橡胶等,1金属的晶体结构,原子（离子）的刚球模型,晶体结构,点阵（晶格）模型,讨论：、如何用最简便的方法表达晶格的特征,晶胞（一般为平行六面体）的形状由哪些参数决定,三种常见的金属晶体结构,1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp,1）体心立方晶

2、格 bcc,Fe、W、V、Mo 等,思考： 1、体心立方晶胞的晶格常数满足什么样的要求？ 2、一个体心立方晶胞包含几个原子？ （注意：放在整个点阵空间中考虑,体心立方晶胞,晶格常数：a=b=c； =90,晶胞原子数：2,原子半径,致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3,密排方向,2）面心立方晶格 fcc,Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag、Pb 等,面心立方晶胞,晶格常数：a=b=c； =90,晶胞原子数,原子半径,致密度：0. 74,4,3）密排六方晶格 hcp,Mg、Zn 等,晶格常数 底面边长a 底面间距c c/a= 1.633 侧

3、面间角120 侧面与底面夹角90,晶胞原子数,原子半径,致密度： 0.74,6个,a/2,各向异性,不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能（如强度、塑性、电阻率、导热性）不同的现象,问题：为什么常见的金属材料没有显示各向异向性,3. 金属中的实际晶体结构,实际金属晶体结构与理想结构的偏离,单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。 如钻石、单晶Si半导体。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。如大冰块、常见的金属材料,晶粒（单晶体,晶体缺陷类型,1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界,1）点缺陷,如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂

4、质原子,2）线缺陷 刃位错与螺位错,刃型位错移动,螺旋位错,螺旋位错移动,3）面缺陷,大角晶界 亚晶界 小角晶界,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,晶格畸变,小原子置换引起的 晶格畸变,间隙原子引起的 晶格畸变,物理性能,化学性能,工艺性能,力学性能 （机械性能,经济性能,材料性能,有没有足够强度、硬度和韧性，满足使用要求,好不好进行加工（变形、切削、焊接等,是否满足特殊要求导电、导热等,有时候考虑耐腐蚀等问题,价格怎么样，考虑效益,小时候用铁丝做弹弓，纠结用粗铁丝还是细铁丝,2金属材料的性能分类,一）金属的物理性能 1、密度 重金属: 指比重大于4或5的金属

5、，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。 轻金属：指比重小于5（又有一说是 密度小于4.5克/ 立方厘米），包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡 。 2、熔点 低熔点金属及合金难熔金属及合金 3、导电性 4、导热性 5、热膨胀性 6、磁性,金属之最,二）材料的化学性能 1、耐腐蚀性 （1）化学腐蚀 （2）电化学腐蚀 防止腐蚀的途径： 形成钝化保护膜、减少电位差、不接触电解质 常用方法 ： 选择耐腐蚀材料、表面处理 2、高温抗氧化性

6、高温下抵抗氧化和腐蚀的能力,三）金属的力学性能（机械性能） 常用的力学性能指标有： 强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等,四）金属的工艺性能 铸造性能（可铸性）流动性、收缩性、偏析 锻造性能（可锻性）塑性、变形抗力 切削加工性能（可切削性）表面粗糙度、刀具寿命 焊接性能（可焊性）焊接性、碳当量,二、金属的力学性能 常用的力学性能指标有： 强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等,1、强度和塑性 采用拉伸试验法测定,标准拉伸试样,低碳钢的拉伸曲线,应力： 单位：MPa 应变,拉伸试样变形的三个阶段： （1）弹性变形 应力与应变成正比，符合胡克定律 （2）塑性变形 材料屈服后的变形 （3）断裂分离

7、,F= kL,强度： 材料在外力作用抵抗塑性变形和断裂的能力。 （1）弹性极限（se ）：卸力后不产生塑性变形的最大应力； （2）屈服点（屈服强度） （ss） 拉伸过程中力不变，试样仍然伸长时的应力； 没有明显屈服点的以产生0.2%残余应变时的应力值表示 （3）抗拉强度（sb） 拉伸过程中最大力所对应的应力,塑性： 断裂前材料发生不可逆永久变形的能力； 判据是材料断裂时的最大相对塑性变形； （1）伸长率 （ d ） （2）断面收缩率 （ y,2、 硬度 指金属表面一个很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种能力； （1）布氏硬度（HB,应用 ： 主要用于铸铁、非铁金属、经退火、正火和

8、调质处理的钢材的硬度测定,3）维氏硬度 (HV) 可以测试任何金属材料的硬度，但最常用于测定显微硬度,2）洛氏硬度 (HR) 可以用于硬度很高的材料，操作简便迅速，是最常用的一种硬度测量法。 数值可以直接从表盘上读出，有三种刻度即HRC、HRA、HRB，HRC最常用,三种硬度的换算表,3、冲击韧度 材料抵抗冲击载荷的能力 摆锤式冲击试验,4、疲劳极限 当应力低于某值时，应力循环无数次也不会发生断裂，此应力值称为材料的疲劳极限,4 金属的塑性变形,金属的塑性变形 金属在外力作用下的变形分为弹性变形和塑性变形,单晶体的塑性变形,实际上，晶体内部存在大量的线缺陷位错。理论和实验研究都证明，晶体的滑移

9、是通过晶体中的位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果,单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向）产生剪切变形,多晶体的塑性变形,在多晶体中，晶粒越小，单位体积上晶粒的数量就越多，晶界的总面积增大，因而晶界变形抗力越大，所以整个金属的强度较高,晶粒的细化是金属的一种非常重要的强韧化手段，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化,取决于材料本身原子结合力,常数,晶粒直径,塑性变形对金属组织和性能的影响,1)塑性变形对金属组织的影响,使晶粒变形，产生纤维组织,产生织构,金属塑性变形到很大程度（70%以

10、上）时，由于晶粒发生转动，使晶粒位向趋近一致，形成特殊的择优取向，多晶体金属形变后具有的这种择优取向的晶体结构，称为形变织构。形变织构一般分为两种：一种是大多数晶粒的某个晶向平行于拉拔方向，称为丝织构；另一种大多数晶粒的某个晶面和晶向平行于轧制方向，称为板织构,因形变织构形成的冲压制耳,2）塑性变形对金属性能的影响 塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的变化。其显著的影响为随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性和韧性明显下降，这种现象称为形变强化，也称加工硬化,3）塑性变形使金属产生残余应力,把一根软铁丝敲扁之后，再去弯曲，有什么变化,加工后的工件如果有残余应力，将影

11、响其精度和寿命,五、 金属的回复与再结晶,a)加热前b) 625加热（不完全再结晶,c) 670加热（完全再结晶）d) 750加热（晶粒长大） 图2-26 经70%塑性变形工业纯铁加热时的组织变化,冷塑性变形金属的组织性能随温度变化示意图,1回复 变形后的金属在较低温度进行加热时，原子活动能力有所增加，原子已能作短距离的运动，其晶格畸变程度显著减轻，内应力有所降低，这个阶段称为回复,在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种热处理方法称为去应力退火,2再结晶 冷变形金属加热至一定温度之后，由于原子活动能力增强，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀细小的等轴晶，其力学性能发生了明显的变化，恢复到完全软化状态。这种冷变形组织在加热时重新彻底改变而