第一章金属材料的性能

1、第一章 金属材料的性能 金属材料的性能 第一节 金属的力学性能 第二节 金属的物理化学性能 第三节 金属的工艺性能 学习要求 1、准确理解各种性能指标的含义、试验方法、 适用范围； 2、学会利用掌握的理论知识对遇到的实际问 题或现象进行科学的解释； 3、要学会对所学的知识进行分类、归纳和整 理。提高学习效率； 4、该课程具有很强的实践性。在学习时应尽 量将自己的感性认识与教学内容相联系，帮助 理解和掌握有关术语的含义； 5、金工实习时，应尽量熟悉金属材料的性能 特点为学习该课程做准备。 第一节 金属的力学性能 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。 包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性

2、能：材料在加工过程中所表现的性能。 包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性 能等。 材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化， 称为变形。 外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。 一、强度与塑性 在静载荷作用下，材料抵抗变形与开裂的能力 称为强度。 静载荷是指：载荷的大小由缓慢增加到最大值 或大小保持不变的载荷，如钢索的拉力。 在静载荷作用下，材料产生塑性变形但不发生 破坏的能力称为材料的塑性。 金属材料的强度和塑性指标可以通过静拉伸试 验测得。 （一）静拉伸试验 缓慢地在试样两端施加载荷，使试样的工 作部分受轴向拉力，引起试样沿轴向伸长， 试验一般进行到试

3、样被拉断为此。测定试 样对外加载荷的抗力，可以求出材料的强 度指标；测定试样在破断后塑性变形的大 小，可以求出材料的塑性指标。 （加图：拉伸试样、拉伸曲线 拉伸试样断口、试验机） （二）强度指标 弹性极限公式：拉力/原始截面积 材料开始发生塑性变形时的应力值。 屈服强度公式：拉力/原始截面积 材料发生微量塑性变形时的应力值。 抗拉强度公式：拉力/原始截面积 材料断裂前所承受的最大应力值。 工作条件下不允许产生微量塑性变形的零件， 设计时应该根据弹性极限来选材。如弹簧。 大多数金属合金没有屈服点。 要求不十分严格的零件与结构，则要以材料的 屈服强度（屈服点）作为设计和选材的主要依 据。 塑性差的

4、材料（脆性材料）一般不产生缩颈， 其抗拉强度就是断裂强度。在这种情况下，抗 拉强度是设计的主要依据。 （三）刚度 材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。 指标为弹性模量E。 弹性模量的大小主要取决于材料的本性， 除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材 料的手段如热处理、冷热加工、合金化等 对弹性模量的影响很小。可以通过增加横 截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 （四）塑性指标 材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。 指标为：伸长率公式、断面收缩率。 伸长率：断后长度原始长度/原始长度 收缩率：原始面积断后面积/原始面积 通过塑性变形所伴随的硬化过程可使材料强度获得 提高，试样塑性变形是改善

5、金属材料性能的一个重 要手段。另一方面，材料具有一定的塑性可以提高 零件使用的可靠性，防止突然断裂。 说明： 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变 形。 无颈缩，为脆性材料；有颈缩为塑性材料。 二、硬度 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。 布氏硬度HB 图 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。 压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于 布氏硬度在650以下的材料。 符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号 后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及 载荷保持时间。 如：120H的钢球在BS10/1000/30表示直径为 10mm1000kg(9.80

6、7KN)载荷作用下保持30s测得 的布氏硬度值为120。 、 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 布氏硬度的缺点：压痕大，不能用于太薄件、 成品件及比压头还硬的材料。 适用范围：适于测量退火、正火、调质钢、铸 铁及有色合金的硬度。 材料的强度与HB之间的经验关系： 对于低碳钢：强度=3.6HB 对于高碳钢：强度=3.4HB 对于铸铁：强度=1HB或者=0.6HB 洛氏硬度HR 根据压头类型和主载荷不同，分为九个标 尺，常用的标尺为A、B、C。 图 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

7、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。 洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。 缺点：测量结果分散度大 维氏硬度 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为 硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷 及载荷保持时间。 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法： 1、维氏硬度试验；2、小负荷维氏硬度试 验；3、显微维氏硬度试验 维氏硬度保留布氏硬度和洛氏硬度的优点。 三、冲击韧性 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能 力。 指标为冲击韧性值ak（通过冲击实验测得） 图 试样上开缺口的目的是：在缺口附近造成 应力集中，使塑性变形局限在缺口附近， 并保证在缺口处发生破断，以

8、便正确测定 材料承受冲击载荷的能力。同一种材料， 试样冲击韧性缺口越深、越尖锐，冲击功 越小，材料表现脆性越显著。因此，不同 类型的冲击试样，冲击韧性值不能直接比 较。 冲击韧性指标： ak=Ak/F 韧脆转变温度 材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某 一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象 称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称 韧脆转变温度。材料使用温度应高于韧脆 转变温度。 对于承受大能量冲击一次或次数多而破坏的构 件， ak值可作为材料的冲击抗力指标。但在实 际生产中，机件很少是因一次大能量冲击而损 毁，大多数是在小能量多次冲击载荷（如凿岩 机风镐上的活塞、冲模冲头等）下工作的，在 这种情

9、况，不能再以ak值作为选材和设计的依 据，应进行小能量多次冲击试验。 多次冲击抗力指标一般是以被测材料在一定冲 击功作用下，开始出现裂纹和最后断裂的冲击 次数来表示的。 四、金属的疲劳 疲劳现象：构件在交变应力作用下经过较长时 间的工作，在工作应力远小于屈服强度的情况 下发生断裂的现象称作金属疲劳。 交变应力：是指载荷大小或大小方向都随时间 发生周期性变化的一类载荷。 疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，无论在静载 荷下显示脆性或韧性的材料，在疲劳断裂时都 不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的， 具有很大的危险性。 疲劳强度：材料在规定次数应力循环后仍 不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。 钢铁材

10、料规定循环次数为10的7次方，有色 金属合金为10的8次方。 金属所受的最大交变应力越大，则断裂前 所经受的循环周次越少；反之.。 疲劳断口 通过改善材料的形状结构，减少表面缺陷， 提高表面光洁度，进行表面强化等方法可 提高材料疲劳抗力。 第二节金属的物理化学性能 一、金属的物理性能 密度：单位体积物质的质量称为物质的密度。密度小的 金属为轻金属，如铝、镁、钛及其合金；密度大的金属 称为重金属，如铁、铅、钨等。 熔点：熔点是指材料的融化温度。陶瓷的熔点一般都显 著高于金属及合金的熔点，而高分子材料一般不是完全 晶体，所以没有固定的熔点。 热膨胀性：金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性 称为热

11、膨胀性。 选用金属材料时应考虑温度对零件或构件尺寸和形状的 影响。如轴与轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制其间隙 尺寸；在热加工和热处理时也要考虑材料的热膨胀影响， 以减少工件的变形和开裂。 磁性：金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的 性能称为磁性。 铁磁性材料-在外加磁场中能强烈地被磁化，如 铁、钴等 顺磁性材料-在外加磁场中能微弱地被磁化，如 锰、铬等。 抗磁性材料-能抗拒或减弱外加磁场磁化作用 的金属，如铜、锌等。 导热性：材料除传导热量的性能称为导热性。导热 性好的材料（如铜、铝及合金）查常用来制造热交 换器等传热设备的零件。导热性差的材料（如陶瓷、 木材）常用来制造绝热材料。 导电性：

12、金属能够传导电流的性能称为导 电性。电阻率越小，金属材料的导电性越 好。电阻率小的金属（如纯铜、纯铝）适 于制造导电零件和电线；电阻率大的金属 （如钨、铁、铬）适于制造电热元件。 二、金属的化学性能 耐腐蚀性：金属材料在常温下抵抗氧、水及其 他化学介质腐蚀破坏的能力称为耐腐蚀性。腐 蚀不仅会使结构发生破坏，也会降低产品的使 用寿命。 抗氧化性：金属材料在加热时抵抗氧化作用的 能力称为抗氧化性。金属材料的氧化随温度升 高而加速，如钢材在锻造、热处理等热加工时， 氧化比较严重。氧化不仅造成材料过量的损耗， 也会形成各种缺陷。 第三节金属的工艺性能 焊接性能：焊接性能是指材料在限定的施工条件下 焊接

13、成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要 求的能力。好的焊接接头应满足两点：一是超出技 术要求的焊接缺陷；二是焊接接头满足预定的使用 性能的要求。低碳钢具有良好的焊接性能，而高碳 钢、铸铁的焊接性能则较差。 锻造性能：技术材料利用锻压加工方法成型的难易 程度称为锻造性能。锻造性能的好坏取决于材料的 塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，材料 的锻造性能越好。如黄铜、变形铝合金在室温下就 有良好的锻造性能，碳钢在加热状态下锻造性能良 好，铸铁则不能锻造。 铸造性能：金属在铸造成型过程中获得外形准 确、内部健全逐渐的能力称为铸造性能。铸造 性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析性等。 在金属材料中

14、铸铁和青铜具有良好的铸造性能。 切削加工性能：材料接受切削加工的难易程度 称为切削加工性能。切削加工性能好的金属对 使用的刀具磨损小，可以选用较大的切削用量， 加工表面也比较光滑。铸铁比钢切削加工性能 好，碳钢比高合金钢切削性能好。 热处理：热处理是通过加热、保温、冷却 方法使材料在固态下组织结构发生改变， 从而获得所需性能的一种加工工艺。在实 际生产中，通常利用热处理来提高材料的 力学性能、耐磨性及消除残余应力，亦可 用于改善材料的加工工艺性能，如改善切 削加工性能、拉拔挤压性等。常用的热处 理方法有退火、正火、淬火、回火及表面 热处理等。 第二章金属的晶体结构与结晶 金属的晶体结构与结晶

15、第一节 金属的理想晶体结构 第二节 金属的实际晶体结构 第三节 纯金属的结晶 学习要求 1、正确认识不同金属的晶体结构特征，要善 于利用微表现进行分析。如活性炭、石墨和金 刚石三种物质，虽然均由碳元素构成，但它们 所表现出的 宏观性能却截然不同，其差别的 主要原因在于它们的晶体结构不同。 2、学会对日常生活中的现象进行思考和分析， 理解结晶的过程和现象。如雪花是如何形成的？ 3、学习本章后，希望能在材料的微观知识方 面奠定一定的基础，今后能更好地使用“纳米 材料”、“功能材料”等。 物质由原子组成。原子的结合方式和排列 方式决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间的结合力称为结合 键。它们的具

16、体组合状态称为结构。 第一节 金属的理想晶体结构 一、晶体与非晶体 晶体：是指原子呈现规则排列的固体。常态下 金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体：是指原子呈无序排列的固体。在一定 的条件下晶体和非晶体可互相转化。 二、金属的特性 金属晶体中，金属原子以“金属键”的方式结 合。金属键的特点是没有饱和性和方向性。 三、晶体结构的基本概念 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来 所形成的三维空间格架。 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几 何单元。 四、常见金属的晶格类型 1、体心立方晶格 原子数：2个 常见金属：铁、铬、钨、钼、钒、铌等。 2、面心立方晶格 原子数：4个 常见金属：铁

17、、镍、铝、铜、铅、金等。 3、密排六方晶格 原子数：6个 常见金属：镁、锌、铍、镉等 第二节金属的实际晶体结构 一、单晶体与多晶体 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体：由很多晶粒组成的晶体。通常用的金属都是多 晶体。 晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类， 即点、线、面缺陷。 (1)点缺陷：尺寸很小的缺陷。 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙的原子。（可以是金属原子， 也可以使外来原子） 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷的特点：点缺陷破坏了原子的平衡 状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从 而使强

18、度、硬度提高、塑性、韧性下降。 （2）线缺陷：空间一个方向尺寸大，另一 个方向尺寸很小的缺陷。 位错：晶格中一部分晶体对另一部分晶体 发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移 区的交界线称作位错。两种类型位错（刃 型和螺型位错） 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的 某处多出半个原子面，该晶面像刀刃一样 切入晶体，这个多余的原子面的边缘就是 刃型位错。 位错对性能的影响：就是的塑性变形主要 由位错运动引起因此阻碍位错运动是强化 金属的主要途径。（减少或增加位错密度 都可以提高金属的强度） （3）面缺陷晶界与亚晶界。 晶界：是不同位向晶粒的过度部位。 亚晶界：亚晶粒之间的交界面称亚晶界。 晶界的特点

19、： （1）原子排列不规则。 （2）熔点低。 （3）易产生吸附，外来原子易在晶界偏聚。 （4）耐腐蚀性差。 （5）阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用 的金属力求获得细晶粒。 （6）是相变的优先部位。 第三节纯金属的结晶 一、结晶的概念 1、晶体的结晶 一切物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”， 如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为结晶。因 金属是晶体，所以金属有液态转变为固态的过程就 是结晶。金属这种由液态转变为固态的过程，实际 上就是原子由短程有序状态过度为长程有序状态的 过程。 2、非晶体的凝固 若物质由液态转变为固态是非晶体，则称为“凝 固”。非晶态物质是一种长程无序、短程有序的混

20、 合结构，所以非晶体具有各向同性。 二、金属的结晶过程 1、过冷现象：结晶就是原子由不规则排列 状态（液态）过度到规则排列状态（凝固） 的过程。金属结晶时的这种现象称为过冷， 二者温度之差称为过冷度。 2、金属结晶的一般规律 （1）晶核的形成 （2）晶核的长大 说明：若在金属结晶过程中液态补充不足， 金属最后凝固的树枝晶之间的空隙不能被 填满，将形成缩孔和疏松等缺陷。同时树 枝间最后结晶的液态，其成分与已结晶体 有明显的不同，出现了偏析，降低了铸件 的力学性能。若金属很纯，结晶过程中又 能不断地补充因体积收缩而需要的液体， 则凝固后的金属就看不出树枝状晶的痕迹， 而只能看到一个个多边形的晶粒。

21、 三、影响晶核的形成和长大的因素 1、过冷度的影响 2、未熔杂质的影响 四、晶粒大小的控制 1、晶粒度的概念; 晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数 目或者单位面积上晶粒的数目表示，也可以用晶粒 的平均直径表示。 金属结晶时形核率越大，长大速率越小，结晶后单 位体积内的晶粒数目就越多，晶粒越细小。 2、晶粒大小对性能的影响 常温下工作的零件，往往晶粒越细小，其强度、硬 度越高；塑性、韧性越好。 3、控制晶粒大小的方法 （1）增加过冷度 （2）变质处理 五、金属铸锭的组织 1、表面细晶粒区 过冷度大，形成细小等轴晶粒，力学性能好。 2、柱状晶粒区 过冷度较小，晶粒沿垂直于模壁散热反方向长 大，彼此平行，粗大而密集。 3、中心等轴晶