金属的热性能等

1、 2-3 导导热性热性 一、热一、热的概念的概念 什么是热、热量和热平衡什么是热、热量和热平衡 热热 组成物质的大量微观粒子组成物质的大量微观粒子(分子、原分子、原 子、正离子和自由电子子、正离子和自由电子)无规则运动无规则运动 产生能量的一种表现称。产生能量的一种表现称。 产生热的原因：产生热的原因： 自由电子的移动自由电子的移动 分子、原子、正离子的振动分子、原子、正离子的振动 产生能量产生能量 (内能内能) (热能热能) 动能动能 势能势能 2-3 导导热性热性 一、热一、热的概念的概念 什么是热、热量和热平衡什么是热、热量和热平衡? a.热热 组成物质的大量微观粒子组成物质的大量微观粒

2、子(分子、原分子、原 子、正离子和自由电子子、正离子和自由电子)无规则运动无规则运动 产生能量的一种表现称。产生能量的一种表现称。 产生热的原因：产生热的原因： 自由电子的移动自由电子的移动 分子、原子、正离子的振动分子、原子、正离子的振动 产生能量产生能量 (内能内能) (热能热能) 动能动能 势能势能 内能：物体内部所有分子热运动的动能与分子内能：物体内部所有分子热运动的动能与分子 势能的总和。势能的总和。 分子动能：由于分子热运动而具有的能。分子动能：由于分子热运动而具有的能。 分子势能：由于分子间存在着相互作用而具有分子势能：由于分子间存在着相互作用而具有 的能。的能。 b. 热量热量

3、任何物体任何物体(系统系统)都具有内能都具有内能, ,可以通可以通 过热传递与做功过热传递与做功(摩擦生热就是指这个，摩擦生热就是指这个， 机械能转化为热能机械能转化为热能)来来提高物体内能，而提高物体内能，而 通过热传递所产生的热能就称为热量通过热传递所产生的热能就称为热量。 用用Q表示热量，热量的国际单位是表示热量，热量的国际单位是焦耳焦耳(J)， 但习惯上常用但习惯上常用卡卡(cal)。 一一 切切 物物 体体 金属材料金属材料 高分子材料高分子材料 电磁线漆电磁线漆 电缆油等等电缆油等等 T T 吸收热量吸收热量 放出热量放出热量 吸热吸热(放热放热)或做功包括对内对外：或做功包括对内

4、对外： 对内做功对内做功(吸热吸热)，内能，内能 温度温度 对外做功对外做功(放热放热)，内能，内能 温度温度 在热传递过程中，因存在温度差，所以物在热传递过程中，因存在温度差，所以物 体体(系统系统)吸收吸收或或放出放出能量即热量。能量即热量。 c. 热平衡热平衡 当两个当两个(或两个以上或两个以上)不同温度的物质处于热不同温度的物质处于热 接触时，它们便交换内能，直至双方接触时，它们便交换内能，直至双方(或各方或各方)温温 度达致完全相等的状态称热平衡。度达致完全相等的状态称热平衡。 即：即： Q吸 吸 = Q放放 在表示在表示“热热”时的区别：时的区别： “今天天气热今天天气热”中的中的

5、“热热”是指温度；是指温度； “摩擦生热摩擦生热”中的中的“热热”是指内能；是指内能； “融化吸热融化吸热”中的中的“热热”是指热量。是指热量。 什么是热函什么是热函(比热比热) 热函热函单位质量单位质量(m)的某种物质，当温度的某种物质，当温度(T) 升高升高(或降低或降低)1时时，吸收吸收(或放出或放出)的的 热量热量(Q)称为这种物质的热函称为这种物质的热函(比热比热)。 比热的表达式比热的表达式 c = Q m(T2-T1) 式中：式中：T1 初温初温(K)，T2 末温末温(K) Q 从从T1升高到升高到T2所需的热量所需的热量(能量能量)(J) Q0时为吸热，时为吸热，Q d 拉力拉

6、力内力内力 a d P P a d a=d 引力引力=斥力斥力 弹性变形弹性变形 恢复到变形恢复到变形 前的状态前的状态 2. 弹性变形特点弹性变形特点 具有可逆性，即外力去除后，变形完全消失具有可逆性，即外力去除后，变形完全消失; 弹性变形量小，一般不超过弹性变形量小，一般不超过1%； 应力和应变成线性关系。应力和应变成线性关系。 即虎克定律：即虎克定律： EB=F 试中：试中： F金属变形时所受到的外力金属变形时所受到的外力(应力应力) B变形变形(应变应变) E弹性模量弹性模量(弹性系数弹性系数) a d a=d 引力引力=斥力斥力 变形前变形前变形后变形后 a d 拉力拉力内力内力 a

7、 d P P a d 引力引力=斥力斥力 a d 去除外力后变形去除外力后变形 (一一)金属的塑性变形金属的塑性变形 塑性变形塑性变形当金属受到外力作用发生变形当金属受到外力作用发生变形, 去除外去除外 力后，不能立即恢复原状的变形称。力后，不能立即恢复原状的变形称。 塑性塑性金属发生塑性变形而未引起破裂的性能称。金属发生塑性变形而未引起破裂的性能称。 三、塑性三、塑性 1. 塑性变形的特点塑性变形的特点 金属在外力作用下，金属晶体中各层原子金属在外力作用下，金属晶体中各层原子(正正 离子离子)发生相对位移发生相对位移(滑移滑移)； 位移前后，原子位移前后，原子(正离子正离子) 与自由电子仍保

8、持与自由电子仍保持 着金属键的结合力；着金属键的结合力； 金属发生变形金属发生变形(永久变形永久变形)后不受到破坏。后不受到破坏。 a d 变形前变形前变形后变形后 a d P P a d 去除外力后变形去除外力后变形 2. 塑性变形的力学基础塑性变形的力学基础 外力外力 在金属材料的压力加工过程中，如忽略被加在金属材料的压力加工过程中，如忽略被加 工金属物体的重量和惯性力工金属物体的重量和惯性力, 则金属物体所受外则金属物体所受外 力作用有三种：力作用有三种： 第一种力称第一种力称 作用力作用力一般是由运动机械的作用而产生的。一般是由运动机械的作用而产生的。 例如：拉线机中拉线轮的旋转例如：

9、拉线机中拉线轮的旋转 拉制力拉制力(作用力作用力)是靠线材与拉线轮间的滑动是靠线材与拉线轮间的滑动 摩擦力产生的摩擦力产生的 线的运动方向线的运动方向 拉线轮的运动方拉线轮的运动方 向产生的力向产生的力 滑动式拉线机简单示意图滑动式拉线机简单示意图 拉线模拉线模 第二种力称第二种力称 反作用力反作用力这是由于工具阻碍金属向某个方这是由于工具阻碍金属向某个方 向运动而产生的力。向运动而产生的力。 滑动式拉线机简单示意图滑动式拉线机简单示意图 反拉力反拉力(反作用力反作用力) 拉线模拉线模 反作用方向产反作用方向产 生的反作用力生的反作用力 第三种力称第三种力称 摩擦力摩擦力在任何压力在任何压力加

10、工中，变形金属和工加工中，变形金属和工 具之间都存在着摩擦而产生的力称。具之间都存在着摩擦而产生的力称。 金属受到外力作用示意图金属受到外力作用示意图 摩擦力摩擦力 拉制力拉制力 内力内力在外力作用下，当物体的内部的原子在外力作用下，当物体的内部的原子 被迫离开平衡位置时物体内各原子之被迫离开平衡位置时物体内各原子之 间就会产生相互作用力称。间就会产生相互作用力称。 a d a=d 引力引力=斥力斥力 变形前变形前变形后变形后 a d 拉力拉力内力内力 a d P P a d 引力引力=斥力斥力 a d 去除外力后变形去除外力后变形 外力示意图外力示意图 当某一物体受外力当某一物体受外力F1、

11、F2 作用作用, ,处于处于 平衡状态时，即：平衡状态时，即： 外力外力 = = 内力内力 外力外力(F)是是 F1、F2 、F3、 F4、F5、F6、F7 的合力的合力 2 1 N(法线方向的分力法线方向的分力) A(平面平面) T(平行方向的分力平行方向的分力) F1 F2 F3 F4F5 F6 F7 内力内力物体内物体内 各原子之间的各原子之间的 相互作用力相互作用力 应力应力单位面积上的内力称为。单位面积上的内力称为。 外力和应力示意图外力和应力示意图 = F / S (全应力全应力) n = N / S (正应力正应力) = T / S (切应力切应力) 全应力及其各分量的表达式：全

12、应力及其各分量的表达式： 式中：式中： S物体的某一切面面积物体的某一切面面积 F作用于该切面上内力作用于该切面上内力 的合力的合力 N切面法线方向的分力切面法线方向的分力 T沿平行切面方向的分力沿平行切面方向的分力 2 1 N(法线方向的分力法线方向的分力) A(平面平面) T(平行方向的分力平行方向的分力) F1 F2 F3 F4F5 F6 F7 3. 金属单晶体塑性变形金属单晶体塑性变形 滑移滑移在晶体中，某一平面上的原子在晶体中，某一平面上的原子(晶面晶面)与另与另 一平面上的原子沿一定方向发生相对位移一平面上的原子沿一定方向发生相对位移 的现象称。的现象称。 以简单立方晶体结构以简单

13、立方晶体结构(单晶体单晶体)为例：为例： 单晶体中的滑移单晶体中的滑移 a)滑移前滑移前b)沿密集方向滑移沿密集方向滑移 a a a mn q r mn为密集方向排列为密集方向排列 qr为非密集方向排列为非密集方向排列 a) b) c) a a a c c c ccc mn q r 图图a)滑移前，代表一个晶体的密集滑移前，代表一个晶体的密集 晶面，晶面，mn为密集方向为密集方向; qr为非密集方向。为非密集方向。 图图b)沿密集方向滑移。沿密集方向滑移。 若晶体上下两半沿若晶体上下两半沿mn切变一切变一 个原子间距个原子间距a 滑移，且并没有改变滑移，且并没有改变 晶体结构的对称关系。晶体结

14、构的对称关系。 图图c)沿非密集方向滑移。沿非密集方向滑移。 qr产生切变产生切变, 则切变量必须则切变量必须 达到达到c，才能保持晶体结构不变，才能保持晶体结构不变， 而而ca(c=1.414a)，所需能量要，所需能量要 大。大。 滑移首先沿原子排列密集方向进行滑移首先沿原子排列密集方向进行 金属单晶体试样金属单晶体试样 表面抛光表面抛光 质点质点 金属的单晶体滑移变形金属的单晶体滑移变形 滑移方向滑移方向 切应力切应力 表面光洁度下降表面光洁度下降 滑移面滑移面 滑移面滑移面晶体内产生相对位移的晶面称。晶体内产生相对位移的晶面称。 它是原子排列密度最大、最紧凑的晶面。它是原子排列密度最大、

15、最紧凑的晶面。 滑移方向滑移方向晶格中原子排列紧密的方向。晶格中原子排列紧密的方向。 金属的单晶体滑移变形金属的单晶体滑移变形 a) b) c) 切应力切应力 滑移面滑移面 切应力切应力 滑移带滑移带 滑移带滑移带试样表面上可以见到许多互相平行的线条试样表面上可以见到许多互相平行的线条 (滑移线滑移线)称。称。 滑移的特点滑移的特点 晶体的滑移大多优先发生在原子密度最大的晶晶体的滑移大多优先发生在原子密度最大的晶 面上；面上； 即即: 原子排列密度原子排列密度， 沿晶面的移动阻力沿晶面的移动阻力； 切应力切应力 ，做功能量做功能量； 易产生滑移易产生滑移 b. 滑移后，晶体结构类型没有变化，滑

16、移方向滑移后，晶体结构类型没有变化，滑移方向 也也 没有改变；没有改变； c. 具有面心立方晶格金属材料在外力作用下，易具有面心立方晶格金属材料在外力作用下，易 产生滑移。产生滑移。 滑移面滑移面 滑移面滑移面 滑移面滑移面 面心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格 密排六方立方晶格密排六方立方晶格 滑移系滑移系 滑移面滑移面滑移方向滑移方向=滑移系滑移系 面心面心 4 3 = 12个个 体心体心 6 2 = 12个个 密排密排 1 3 = 3个个 如：如：Fe、Cu、Al 塑性好塑性好 金属的常见晶格的滑移面及滑移方向金属的常见晶格的滑移面及滑移方向 4. 金属多晶体塑性变形金属多晶

17、体塑性变形 实际金属是多晶体，它由形状、大小、实际金属是多晶体，它由形状、大小、 位向不同位向不同(位向不同的晶粒处于不同的应力状位向不同的晶粒处于不同的应力状 态态)的单晶体随机排列而成。的单晶体随机排列而成。 这些小单晶体称为晶粒，这些小单晶体称为晶粒， 不规则部分称为晶界不规则部分称为晶界(晶晶 间间)。 这样多晶体塑性变这样多晶体塑性变 形就存在晶内变形和晶形就存在晶内变形和晶 界界(晶间晶间)变形。变形。多晶体示意图多晶体示意图 晶内晶内 晶界晶界 晶粒内部变形晶粒内部变形 晶粒内部变形是滑移晶粒内部变形是滑移 和双晶和双晶(产生在体心立方晶产生在体心立方晶 格中格中)。 晶粒间的变

18、形晶粒间的变形 多晶体晶粒间的变形是多晶体晶粒间的变形是 移动和转动。移动和转动。 原因：在多晶体中，原因：在多晶体中，各晶各晶 粒位相不同，移动的方向粒位相不同，移动的方向 也可能不同也可能不同; 晶晶粒间由晶粒间由晶 界相互联系，由此，晶间界相互联系，由此，晶间 就可能出现转动的力矩。就可能出现转动的力矩。 多晶体受力示意图多晶体受力示意图 P P 转动的结果可以转动的结果可以 使原来不易变形的晶使原来不易变形的晶 粒改变位相，从而有粒改变位相，从而有 利于变形；利于变形； 随变形的深入，随变形的深入， 当切应力达到晶粒移当切应力达到晶粒移 动阻力时，晶粒间就动阻力时，晶粒间就 产生移动。

19、产生移动。 多晶体受力示意图多晶体受力示意图 P P 晶间变形的特点：晶间变形的特点： 晶间的移动和转动，常常造成晶粒间的联系晶间的移动和转动，常常造成晶粒间的联系 破坏，出现微裂纹，导致金属的破坏破坏，出现微裂纹，导致金属的破坏; b. 在低温下，晶间的移动在低温下，晶间的移动 和转动发生的可能性较和转动发生的可能性较 小，对塑性变形的贡献小，对塑性变形的贡献 不大。一旦发生，则是不大。一旦发生，则是 破坏的先兆破坏的先兆; c. 在在高温下，晶间的移动高温下，晶间的移动 和转动发生的可能性较和转动发生的可能性较 大，对塑性变形的贡献大，对塑性变形的贡献 也大。也大。 多晶体示意图多晶体示意

20、图 原因：原因： 晶间晶格易产生歪扭，其原子位能比晶内晶间晶格易产生歪扭，其原子位能比晶内 大，晶间的熔点比晶内低。在高温下大，晶间的熔点比晶内低。在高温下, ,易产生易产生 移动和转动。同时，由移动和转动。同时，由 于温度高于温度高, ,原子位能大原子位能大, , 能及时修补变形产生的能及时修补变形产生的 微裂纹。故微裂纹。故热加工比冷热加工比冷 加工塑性大得多加工塑性大得多。 多晶体示意图多晶体示意图 晶界处原子排列不规整晶界处原子排列不规整 a. 有的晶粒变形大有的晶粒变形大 (滑移方向与外力方滑移方向与外力方 向一致向一致)； b. 有的晶粒变形小有的晶粒变形小 (滑移方向与外力方滑移

21、方向与外力方 向相差一定的角度向相差一定的角度); c. 有的晶粒尚处于弹性有的晶粒尚处于弹性 变形阶段变形阶段 (滑移方向与外力方滑移方向与外力方 向垂直并阻碍其它晶向垂直并阻碍其它晶 粒滑移粒滑移)。 位向位向 晶粒晶粒 多晶体受力示意图多晶体受力示意图 P P 晶界晶界 5. 多晶体塑性变形的特点多晶体塑性变形的特点 变形的不均匀性变形的不均匀性 因此，多晶体中的因此，多晶体中的 各各晶粒是在彼此相互制晶粒是在彼此相互制 约下发生着不同程度的约下发生着不同程度的 变形变形, 故称多晶体变形故称多晶体变形 的不均匀性。的不均匀性。 多晶体受力示意图多晶体受力示意图 位向位向 晶粒晶粒 P

22、P 晶界晶界 内部存在残余应力内部存在残余应力 变形的不均匀性将变形的不均匀性将 造成晶粒间及晶粒内部造成晶粒间及晶粒内部 残余应力的存在。残余应力的存在。 多晶体受力示意图多晶体受力示意图 位向位向 晶粒晶粒 P P 晶界晶界 6. 晶界的作用晶界的作用 多晶体塑性多晶体塑性变形中某滑变形中某滑 移面移动到晶界处停止，一移面移动到晶界处停止，一 般不能直接穿越晶界。般不能直接穿越晶界。 原因：原因： 晶界处原子排列不规则和晶界处原子排列不规则和 晶界处聚集着杂质原子使晶界处聚集着杂质原子使 变形阻力大变形阻力大; 晶界可以使晶界可以使滑移方向突然滑移方向突然 改变改变(晶界两边的晶粒滑晶界两

23、边的晶粒滑 移的方向不同发生转动移的方向不同发生转动 时，可改变滑移方向时，可改变滑移方向)。 7. 多晶体变形后组织的改变多晶体变形后组织的改变 多晶粒变形后，除在每个晶粒多晶粒变形后，除在每个晶粒 内部出现滑移带和双晶组织外，还内部出现滑移带和双晶组织外，还 可能有如下组织变化。可能有如下组织变化。 纤维组织纤维组织 多晶体拉伸变形后，晶粒显著多晶体拉伸变形后，晶粒显著 地沿同一方向拉长，被拉长呈纤维地沿同一方向拉长，被拉长呈纤维 状的晶粒组织称。状的晶粒组织称。 变形机构变形机构 多晶粒拉伸变形程度很大时，多晶粒拉伸变形程度很大时， 各个晶粒的位向逐渐趋于一致的组各个晶粒的位向逐渐趋于一

24、致的组 织称。织称。 多晶体受力示意图多晶体受力示意图 P P 亚组织亚组织 在单晶体和多晶在单晶体和多晶 体的变形晶粒内部会体的变形晶粒内部会 形成亚晶粒称为形成亚晶粒称为 这是一这是一 些位相差些位相差 别较小的组织，它是别较小的组织，它是 由于复杂滑移和晶界由于复杂滑移和晶界 的约束作用，使变形的约束作用，使变形 晶粒分裂而造成的。晶粒分裂而造成的。 晶粒越细，塑性晶粒越细，塑性 越好，变形抗力越大。越好，变形抗力越大。 多晶体受力示意图多晶体受力示意图 晶界晶界 P P 亚晶粒亚晶粒 (二二) 塑性指标塑性指标 金属材料的塑性往往用伸长率金属材料的塑性往往用伸长率()这一指这一指 标来

25、表示。标来表示。 伸长率伸长率 金属材料受拉力直至拉断，所以金属材料受拉力直至拉断，所以 伸长的长度与原有长度之比称，伸长的长度与原有长度之比称， 用百分率表示。用百分率表示。 = 100% L1L0 L0 L0试样原标距长度试样原标距长度(mm) L1试样拉断后的标距长度试样拉断后的标距长度(mm) (三三)影响塑性的因素影响塑性的因素 1. 影响金属塑性的内因影响金属塑性的内因 化学成分化学成分 金属越纯，塑性金属越纯，塑性 如：纯铜和铝等如：纯铜和铝等 组织结构组织结构 面心立方晶格塑性面心立方晶格塑性 如：铜和铝等如：铜和铝等 b. 体心立方晶格塑性体心立方晶格塑性 如：铁等如：铁等

26、c. 密排六方晶格塑性密排六方晶格塑性 如：镁和钛等如：镁和钛等 d. 晶粒越细，塑性晶粒越细，塑性 2. 影响金属塑性的外部因素影响金属塑性的外部因素 变形温度变形温度 变形温度对金属的塑性有很大的影响。变形温度对金属的塑性有很大的影响。 一般规律是：一般规律是： 温度温度 ， 塑性塑性 原因：原因： 在变形过程中，随着温度的上升，发生了在变形过程中，随着温度的上升，发生了 消除硬化的回复和再结晶过程，从而使那些由消除硬化的回复和再结晶过程，从而使那些由 于塑性变形造成破坏和显微缺陷得到修复，随于塑性变形造成破坏和显微缺陷得到修复，随 着温度的升高，还可能出现新的滑移系，故塑着温度的升高，还

27、可能出现新的滑移系，故塑 性上升。性上升。 变形速度变形速度 随变形速度的增加，金属塑性的变化如下图：随变形速度的增加，金属塑性的变化如下图： 当变形速度不很高时，当变形速度不很高时， 塑性随变形速度的增塑性随变形速度的增 加而下降。加而下降。 原因：原因： 这是由于变形速度这是由于变形速度 上升，产生微裂纹的可上升，产生微裂纹的可 能性上升，而微裂纹又能性上升，而微裂纹又 a.来不及修复所致。来不及修复所致。 塑性指标塑性指标 变形速度变形速度 变形速度对塑性的影响变形速度对塑性的影响 b. 当变形速度很高时，塑性随变形速度的增加当变形速度很高时，塑性随变形速度的增加 而增加。而增加。 原因

28、：原因： 这是由于变形速度这是由于变形速度 上升，产生的变形能来上升，产生的变形能来 不及散失，而转变成物不及散失，而转变成物 体的内能，使物体的温体的内能，使物体的温 度升高，原子位能增大，度升高，原子位能增大， 修复微裂纹的能力上升修复微裂纹的能力上升 所致。所致。 塑性指标塑性指标 变形速度变形速度 变形速度对塑性的影响变形速度对塑性的影响 变形程度变形程度 a. 冷塑性加工中，塑性随变形程度增加而下降冷塑性加工中，塑性随变形程度增加而下降; 原因：在冷加工中的变形量达到一定程度时，原因：在冷加工中的变形量达到一定程度时， 金属内部会产生明显的加工硬化现象，并金属内部会产生明显的加工硬化

29、现象，并 伴有微裂纹产生的现象，塑性下降伴有微裂纹产生的现象，塑性下降 。在实。在实 际生产中为使后续加工能顺利进行，需要际生产中为使后续加工能顺利进行，需要 将硬化材料进行退火处理将硬化材料进行退火处理(又称热处理又称热处理)。 b. 热塑性加工中，塑性随变形程度的增加变化热塑性加工中，塑性随变形程度的增加变化 不大或几乎不变。不大或几乎不变。 原因：变形程度与适当的加工速度、温度条件原因：变形程度与适当的加工速度、温度条件 相配合，可以消除硬化和修补微裂纹，相配合，可以消除硬化和修补微裂纹， 使变形可以继续进行使变形可以继续进行。 应力状态应力状态 拉应力个数越多，数值越大，金属塑性越差；

30、拉应力个数越多，数值越大，金属塑性越差； 压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好。压应力个数越多，数值越大，金属塑性越好。 原因：原因： a. 拉应力促进晶间变形，加速晶间破坏，而压拉应力促进晶间变形，加速晶间破坏，而压 应力阻碍晶间变形；应力阻碍晶间变形； b. 压应力能有利消除由塑性变形引起的各种破压应力能有利消除由塑性变形引起的各种破 坏（微裂纹），而拉应力能促进各种破坏。坏（微裂纹），而拉应力能促进各种破坏。 (四四) 变形抗力变形抗力 1. 基本概念基本概念 变形抗力变形抗力在塑性加工过程中，金属抵抗塑性在塑性加工过程中，金属抵抗塑性 变形的能力称。变形的能力称。 在实际生产条件下，

31、实际测得的变形抗力值在实际生产条件下，实际测得的变形抗力值 包括金属真实抵抗变形的抗力和附加抗力两部分包括金属真实抵抗变形的抗力和附加抗力两部分, 即：即： = +qF S 真实变形抗力真实变形抗力 (工作应力工作应力) 附加抗力值附加抗力值 (外部因素即外部因素即 加工类型、工加工类型、工 具与变形物体具与变形物体 表面及其形状表面及其形状) 材料在线应力状材料在线应力状 态下产生屈服强态下产生屈服强 度时的变形抗力度时的变形抗力 2. 影响金属变形抗力的因素影响金属变形抗力的因素 影响金属变形抗力的内因影响金属变形抗力的内因 a. 化学成分化学成分 金属不同，变形抗力也不同。铜大于铝。金属

32、不同，变形抗力也不同。铜大于铝。 同一金属，纯度同一金属，纯度 含杂质量含杂质量 变形抗力变形抗力 b. 组织结构组织结构 晶粒越小，变形抗力晶粒越小，变形抗力 晶粒越细，单位体积晶界区晶粒越细，单位体积晶界区晶界面积晶界面积 晶粒受晶界的影响晶粒受晶界的影响 晶粒表面晶格歪扭加剧晶粒表面晶格歪扭加剧 难变形区难变形区 滑移滑移 晶界变形困难晶界变形困难 影响金属变形抗力的外因影响金属变形抗力的外因 a. 变形温度变形温度 一般来说随变形温度升高，金属的变形抗力一般来说随变形温度升高，金属的变形抗力 下降。下降。 原因：原因： 温度温度 金属原子的动能金属原子的动能 使临界剪切应力使临界剪切应

33、力 滑移滑移 使一些晶格的畸变和歪扭减轻或消失使一些晶格的畸变和歪扭减轻或消失 使变形抗力使变形抗力 但随温度但随温度 有些金属变形抗力也可能出现波动，有些金属变形抗力也可能出现波动， 可能是金属发生了物理、化学或晶相变化。可能是金属发生了物理、化学或晶相变化。 b. 变形速度变形速度 变形速度变形速度的增加的增加对变形抗力的影响很复杂。对变形抗力的影响很复杂。 、变形速度变形速度 变形时间变形时间 使变形机构不利于充分发展，使变形机构不利于充分发展， 晶格畸变又来不及修复，晶格畸变又来不及修复， 变形抗力变形抗力 、变形速度变形速度单位时间发热单位时间发热 物体温度物体温度 原子位能原子位能

34、 这又使变形抗力这又使变形抗力 、变形速度变形速度变形机构也会改变。变形机构也会改变。 但一般规律是：变形速度但一般规律是：变形速度 变形抗力变形抗力 到一定程度就较缓慢或无影响。到一定程度就较缓慢或无影响。 c. 变形程度变形程度 不论在何种变形条件下，只要回复和再结不论在何种变形条件下，只要回复和再结 晶过程来不及完成。晶过程来不及完成。 、变形程度变形程度 加工硬化加工硬化 变形抗力变形抗力 、通常变形程度在通常变形程度在30%30%以下时以下时 变形抗力变形抗力 、变形程度变形程度( (增加到一定程度时增加到一定程度时) ) 变形抗力变形抗力 原因：原因： 变形程度进一步增加，会使晶格

35、畸变能增变形程度进一步增加，会使晶格畸变能增 加，促进了回复与再结晶过程的发生与发展，加，促进了回复与再结晶过程的发生与发展， 以及变形热效应的作用，使变形温度提高所致。以及变形热效应的作用，使变形温度提高所致。 四、耐冲击性四、耐冲击性(韧性韧性) 韧性韧性表示金属材料在破断前单位面积内所能吸收表示金属材料在破断前单位面积内所能吸收 的能量称。的能量称。 表征金属材料耐冲击性能的指标表征金属材料耐冲击性能的指标 表达式：表达式： ak = Ak / F Ak 冲击试样所消耗的总功冲击试样所消耗的总功(kgm) F 试样缺口处的单位面积试样缺口处的单位面积(mm2) ak 单位面积上所消耗的功

36、单位面积上所消耗的功(kgm/mm2) Ak 消耗于弹性变形的弹性功消耗于弹性变形的弹性功 消耗于塑性变形的塑性功消耗于塑性变形的塑性功 消耗于裂纹出现至断裂的撕裂功消耗于裂纹出现至断裂的撕裂功 硬度硬度金属材料抵抗刚硬的物体压馅表面的金属材料抵抗刚硬的物体压馅表面的 能力称。硬度不是个单纯的物理量能力称。硬度不是个单纯的物理量 五、硬度五、硬度 硬度由硬度由 弹性弹性 塑性塑性 强度强度 韧性等韧性等 组合的综合性指标组合的综合性指标 硬度用硬度用 布氏硬度布氏硬度 HB 洛氏硬度洛氏硬度 HR 维氏硬度维氏硬度 HV 肖氏硬度肖氏硬度 HS 表示表示 六、疲劳六、疲劳 疲劳破坏疲劳破坏金属

37、材料在交变应力长期作用下金属材料在交变应力长期作用下, 所发生的破坏现象称。所发生的破坏现象称。 1. 疲劳破坏的特点：疲劳破坏的特点： 突然破坏；突然破坏； 没有显著的塑性变形，与材料拉伸时受到没有显著的塑性变形，与材料拉伸时受到 的断裂完全不同。的断裂完全不同。 破坏应力较低；破坏应力较低； 低于静负荷下的屈服强度低于静负荷下的屈服强度(S)和弹性极限和弹性极限。 对应力集中特别敏感。对应力集中特别敏感。 工作环境、材料的形状与尺寸和表面状态工作环境、材料的形状与尺寸和表面状态 的微小变化均对疲劳破坏有影响。的微小变化均对疲劳破坏有影响。 2. 疲劳破坏使材料性能变化：疲劳破坏使材料性能变

38、化： 物理性能物理性能 磁感应强度磁感应强度 电阻电阻 内耗有变化内耗有变化 力学性能力学性能 疲劳过程中产生疲劳过程中产生 集中滑移集中滑移 硬化和软化硬化和软化 断裂韧性的冲击值的变化等断裂韧性的冲击值的变化等 3. 产生疲劳破坏的原因：产生疲劳破坏的原因： 内部缺陷内部缺陷 原始微裂纹原始微裂纹 非金属夹杂物、夹渣非金属夹杂物、夹渣 气孔、缩孔气孔、缩孔 较硬的第二相质点附近的应力集中较硬的第二相质点附近的应力集中 4. 疲劳破坏的过程：疲劳破坏的过程： 裂纹裂纹 裂纹扩展裂纹扩展 材料破坏材料破坏 在材料内部的缺陷处，易发生局部应力现在材料内部的缺陷处，易发生局部应力现 象产生裂纹，裂

39、纹出现后不马上发生破坏，而象产生裂纹，裂纹出现后不马上发生破坏，而 是在循环应力作用下缓慢扩展，导致最后材料是在循环应力作用下缓慢扩展，导致最后材料 的破坏。的破坏。 疲劳破坏示意图疲劳破坏示意图 疲劳疲劳(瞬时断裂瞬时断裂)破坏区破坏区 疲劳疲劳(裂纹裂纹)扩展扩展 疲劳疲劳(裂纹裂纹)源源 5. 疲劳极限疲劳极限(疲劳强度疲劳强度)： 疲劳极限疲劳极限金属材料抵抗疲劳破坏的能力称金属材料抵抗疲劳破坏的能力称 即表示：金属材料长期受到应力无限次反复作即表示：金属材料长期受到应力无限次反复作 用而使材料在不断裂时的最大应力。用而使材料在不断裂时的最大应力。 实际应用中：实际应用中： 应力反复作

40、用次数达到应力反复作用次数达到107108次时的应力次时的应力 可作为这种金属材料的疲劳极限。可作为这种金属材料的疲劳极限。 七、蠕变性七、蠕变性 蠕变性蠕变性金属材料在一定温度和应力作用下金属材料在一定温度和应力作用下, 随着时间的增加，发生缓慢的塑性变随着时间的增加，发生缓慢的塑性变 形的现象称。形的现象称。 蠕变现象蠕变现象 蠕变不会是单纯的形变方式，它一定是扩蠕变不会是单纯的形变方式，它一定是扩 散散 形变、滑移、再结晶和晶粒与晶粒间沿着晶界形变、滑移、再结晶和晶粒与晶粒间沿着晶界 发发 生位移等现象的综合结果。生位移等现象的综合结果。 金属导线在长期拉力作用下产生的蠕变伸金属导线在长

41、期拉力作用下产生的蠕变伸 长，是永久变形的一种形式。长，是永久变形的一种形式。 例如：例如： a. 铜、铝铜、铝(合金合金)绞线作为架空线使用时，绞线作为架空线使用时， 由于自重和其它外力由于自重和其它外力(冰雪融化和大风吹动冰雪融化和大风吹动)的影的影 响，使其长期受到较大的拉应力的作用将发生蠕响，使其长期受到较大的拉应力的作用将发生蠕 变，使绞线伸长。变，使绞线伸长。 b. 铅和锡等软金属材料在室温就会发生蠕变变形。铅和锡等软金属材料在室温就会发生蠕变变形。 2. 蠕变变形的基本规律蠕变变形的基本规律(蠕变曲线蠕变曲线) t 0 a a b c d 蠕变曲线示意图蠕变曲线示意图 蠕变曲线四

42、个阶段：蠕变曲线四个阶段： 初始加载阶段初始加载阶段 0a 段段 金属材料表现金属材料表现 为弹性变形为弹性变形(0a)和和 塑性塑性(aa)变形，变变形，变 形与时间无关；形与时间无关； 变形为瞬时伸长变形为瞬时伸长 t 表示时间表示时间 表示变形表示变形 v 表示蠕变速度表示蠕变速度 阶段阶段 ab 段段 随随 t ， v t 0 a a b c d 蠕变曲线示意图蠕变曲线示意图 阶段阶段 bc 段段 随随 t ， v 恒定恒定 阶段阶段 cd 段段 随随 t ， ， v 蠕变机理蠕变机理(三种变形机理三种变形机理) 滑移、晶界变形和亚晶结构的形成滑移、晶界变形和亚晶结构的形成 亚晶结构亚

43、晶结构 亚晶亚晶在多晶体中，每一个晶粒内的晶格在多晶体中，每一个晶粒内的晶格 位位 向并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、向并非完全一致，而是存在着许多尺寸很小、 位向差也很小的小晶块，它们互相镶嵌而成位向差也很小的小晶块，它们互相镶嵌而成 晶晶 粒，这些小晶块又称为亚晶。粒，这些小晶块又称为亚晶。 特点：特点： 比晶粒更细小，在电子显微镜下可以观察到比晶粒更细小，在电子显微镜下可以观察到 但在光学显微镜下很难观察到；但在光学显微镜下很难观察到； b. 晶粒大小一定时，亚晶越细小，强度越高。晶粒大小一定时，亚晶越细小，强度越高。 蠕变曲线的类型蠕变曲线的类型(与温度与温度 T 有关有关) 形

44、成这三种变形机理的过程即：滑移、晶形成这三种变形机理的过程即：滑移、晶 界变形和亚晶结构的形成。界变形和亚晶结构的形成。 a. 金属材料在常温下也可以发生蠕变；金属材料在常温下也可以发生蠕变； 即：温度和应力改变时，蠕变曲线的形状也会即：温度和应力改变时，蠕变曲线的形状也会 发生变化。发生变化。 b. 金属材料在金属材料在作用下发生蠕变现作用下发生蠕变现 象更为明显象更为明显 高温高温 低应力低应力 长时间长时间 蠕变曲线的类型蠕变曲线的类型 t 0 A B C A表示典型曲线表示典型曲线 有有、阶段阶段 B表示低温、低表示低温、低 应力下的曲线应力下的曲线 可能只有可能只有和和阶段阶段 C表

45、示高温、高表示高温、高 应力下的曲线应力下的曲线 和和阶段缩短，甚阶段缩短，甚 至没有至没有阶段，只有阶段，只有 和和阶段阶段 蠕变性能指标蠕变性能指标(高温下高温下) a. 蠕变极限蠕变极限 在一定温度下对应于某一给定在一定温度下对应于某一给定 最低蠕变速率的应力称。最低蠕变速率的应力称。 即：高温下，蠕变变形在这个应力作用下，随即：高温下，蠕变变形在这个应力作用下，随 时间的延长而不变化。时间的延长而不变化。 b. 蠕变强度蠕变强度 在一定温度下，经过一定的时在一定温度下，经过一定的时 间，材料的蠕变速度仍不超过规定的数间，材料的蠕变速度仍不超过规定的数 值，这时材料所能承受的最大应力称。

46、值，这时材料所能承受的最大应力称。 即：高温下，蠕变变形发生，但在这个最大应即：高温下，蠕变变形发生，但在这个最大应 力作用下，材料不致发生破坏。力作用下，材料不致发生破坏。 2-6 耐蚀性耐蚀性 腐蚀腐蚀 金属材料受周围媒质作用而引起的损金属材料受周围媒质作用而引起的损 坏的现象称。坏的现象称。 耐蚀性耐蚀性 金属材料耐受腐蚀破坏的能力称。金属材料耐受腐蚀破坏的能力称。 腐蚀机理可分成腐蚀机理可分成 化学腐蚀化学腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀 一、化学腐蚀一、化学腐蚀 化学腐蚀化学腐蚀 金属材料与媒质作用发生化学作金属材料与媒质作用发生化学作 用而引起的损坏的现象称。用而引起的损坏的现象称。 常

47、见的化学腐蚀是金属的氧化常见的化学腐蚀是金属的氧化 1. 表面氧化表面氧化 表面氧化表面氧化 金属材料在干燥的大气中，表面金属材料在干燥的大气中，表面 总会生产不同程度的氧化现象称。总会生产不同程度的氧化现象称。 表面氧化使金属材料表面生成了不同结构表面氧化使金属材料表面生成了不同结构 和特征的氧化膜和特征的氧化膜T 氧化氧化 a. 铜铜(Cu)氧化后，生成氧化后，生成 氧化铜氧化铜(CuO) 氧化亚铜氧化亚铜(Cu2O) b. 铝铝(Al)氧化后，生成氧化后，生成三氧化二铝三氧化二铝(Al2O3) 生成厚厚的一层黑红色的氧化膜生成厚厚的一层黑红色的氧化膜 生成的氧化膜完整致密，使金属材料与空

48、生成的氧化膜完整致密，使金属材料与空 气隔绝，避免氧化。气隔绝，避免氧化。 例如例如(三种情况三种情况)： c. 铁铁(Fe)氧化后，生成氧化后，生成 三氧化二铁三氧化二铁(Fe2O3) 四氧化三铁四氧化三铁(Fe3O4) 铁生成的氧化膜疏松多孔，则易于剥落或铁生成的氧化膜疏松多孔，则易于剥落或 脱离，将使大气中的氧连续不断地向金属表面脱离，将使大气中的氧连续不断地向金属表面 和内层渗入及扩散，外层氧化膜一层层的剥落和内层渗入及扩散，外层氧化膜一层层的剥落 致使就是材料损坏。致使就是材料损坏。 与金属材料表面氧与金属材料表面氧 化膜起各种化学反化膜起各种化学反 应生成化合物起到应生成化合物起到

49、 腐蚀金属材料的作腐蚀金属材料的作 用。用。 气体气体(氯离子等氯离子等) 液体液体(硫酸等硫酸等) d. 有害有害 铝铝 2. 内氧化内氧化 内氧化内氧化 在在金属材料内部发生的氧化作用而金属材料内部发生的氧化作用而 引起的氧化现象称。引起的氧化现象称。 例如例如(三种情况三种情况)： 铜中含有铜中含有的氧化作用的氧化作用 而铝、铁和硅等比而铝、铁和硅等比 铜铜 更易于氧化的元素更易于氧化的元素 或或 杂质时，扩散进入杂质时，扩散进入 铜铜 中的氧与这些元素中的氧与这些元素 形形 成化合物，致使铜成化合物，致使铜 内内 部的结构发生变化，部的结构发生变化， 使金属材料受到破使金属材料受到破

50、坏。坏。 铜的晶格铜的晶格 杂质杂质 铁铁 氧氧 b. 铜中含氧铜中含氧(以氧化以氧化 亚铜亚铜Cu2O的形式的形式 存在存在)，在还原气，在还原气 氛氛(还原反应还原反应)中使中使 用，氢向铜中扩散用，氢向铜中扩散, 与氧形成水蒸气，与氧形成水蒸气， 以一定压力由铜中以一定压力由铜中 跑出，会造成材料跑出，会造成材料 的显微裂纹的显微裂纹(称氢气称氢气 病病)或气孔，材料受或气孔，材料受 到破坏，所以铜线到破坏，所以铜线 要镀锡。要镀锡。 铜的晶格铜的晶格 氢氢 Cu2O 气孔气孔 裂纹裂纹 c. 铜中含氧铜中含氧(以氧化亚铜以氧化亚铜Cu2O的形式存在的形式存在)，与，与 高聚物中的化学元

51、素反应生成其它的化合物高聚物中的化学元素反应生成其它的化合物 腐蚀铜，材料受到了破坏。腐蚀铜，材料受到了破坏。 绝缘层绝缘层 铜导体铜导体 某化学元素某化学元素 + Cu2O 电缆截面图电缆截面图 二、电化学腐蚀二、电化学腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀当金属与电解质溶液相接触时，由电化当金属与电解质溶液相接触时，由电化 学反应而引起的腐蚀称。学反应而引起的腐蚀称。 1. 金属在下列环境中使用发生的电化学腐蚀形式金属在下列环境中使用发生的电化学腐蚀形式： 在酸、碱、盐溶液和海水中发生的腐蚀；在酸、碱、盐溶液和海水中发生的腐蚀； 地下金属电缆护套在土壤中的腐蚀；地下金属电缆护套在土壤中的腐蚀； 在潮湿

52、空气中的大气腐蚀。在潮湿空气中的大气腐蚀。 2. 电化学腐蚀的的种类电化学腐蚀的的种类(三种三种)： 金属的电极电位金属的电极电位 金属的电极电位金属的电极电位金属与溶液金属与溶液 间产生的电位差称。间产生的电位差称。 为什么为什么金属与溶液间能产生电位差金属与溶液间能产生电位差 双电层示意图双电层示意图 纯金属纯金属 M+ e 过剩电子过剩电子 + + + + + + 溶解在溶溶解在溶 液中的金液中的金 属正离子属正离子 水溶液水溶液 纯金属纯金属 (表面正离子表面正离子) 水溶液水溶液 浸入浸入 (水化作用水化作用) 表面有过剩电子表面有过剩电子-e 与金属接触的溶液与金属接触的溶液+e

53、互相的吸引互相的吸引 形成双电层形成双电层 产生电位差产生电位差 原电池原电池 原电池原电池不同金属放置在电解质溶液中，用导体接通不同金属放置在电解质溶液中，用导体接通 时将由于金属的电极电位不同而形成原电池时将由于金属的电极电位不同而形成原电池, , 其中电位较低部分受到腐蚀破坏称为其中电位较低部分受到腐蚀破坏称为。 两种不同金属在两种不同金属在 电解液中的示意图电解液中的示意图 电位低电位低 电位高电位高 + + + + + 阴阴 极极 阳阳 极极 吸引电子的物质吸引电子的物质 (带正电荷带正电荷) a. 电位低的金属中的电位低的金属中的 正离子被电解液溶正离子被电解液溶 解形成离子电导；

54、解形成离子电导； b. 金属中过剩电子经金属中过剩电子经 导体流向电位高的导体流向电位高的 金属中形成电子导金属中形成电子导 电的电流；电的电流； c. 过剩电子与电位高过剩电子与电位高 的金属表面的物质的金属表面的物质 结合生成其它物质结合生成其它物质 腐蚀阴极。腐蚀阴极。 + 过剩电子过剩电子 电解液电解液 腐蚀电池腐蚀电池 腐蚀电池腐蚀电池 在金属上所形成的原电池中产生在金属上所形成的原电池中产生 的电流将导致阳极金属被腐蚀，的电流将导致阳极金属被腐蚀， 这种原电池称。这种原电池称。 腐蚀电池种类腐蚀电池种类 宏电池宏电池 微电池微电池 a. 宏电池宏电池 凡金属与金属或其它物质之间存凡

55、金属与金属或其它物质之间存 在间隙在间隙(缝隙缝隙)时，因电解质停滞时，因电解质停滞 在缝隙间，并产生腐蚀现象称。在缝隙间，并产生腐蚀现象称。 b.微电池微电池 金属表面含有的杂质和化学成分不均匀金属表面含有的杂质和化学成分不均匀 现象、组织差异、温度不同及以内应力差等，现象、组织差异、温度不同及以内应力差等， 这些现象均导致电位不等同时形成微电池引起这些现象均导致电位不等同时形成微电池引起 的腐蚀现象称。的腐蚀现象称。 阳极金属腐蚀示意图阳极金属腐蚀示意图 电位低电位低电位低电位低 金金 属属 电位低电位低 (电位高电位高) 化学成分化学成分 不均匀不均匀 (电位高电位高) 金属表面金属表面

56、 的杂质的杂质 金金 属属 金金 属属 (电位高电位高) 氧化层氧化层 (镀层镀层) 破损处破损处 (a)(b)(c) 三、影响腐蚀的因素三、影响腐蚀的因素 1. 合金成分合金成分 合金成分合金成分 耐蚀性耐蚀性 例如：例如： 在不够稳定金属中加入贵金属或不易起化在不够稳定金属中加入贵金属或不易起化 学变化的金属可以提高耐蚀性。学变化的金属可以提高耐蚀性。 如：银铜合金如：银铜合金(加入贵金属加入贵金属) 铍铜合金铍铜合金(加入不易起化学变化的加入不易起化学变化的 铍元素铍元素) 2. 应力和机械作用应力和机械作用 应力腐蚀开裂应力腐蚀开裂 应力作用下应力作用下 腐蚀速度腐蚀速度 开裂开裂 氢

57、脆和氢裂氢脆和氢裂 氢气病氢气病 腐蚀速度腐蚀速度 氢裂氢裂 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 长期在变动应力作用下发生疲劳使长期在变动应力作用下发生疲劳使 腐蚀速度腐蚀速度 开裂开裂 磨损磨损 长期在摩擦作用下，磨损处易腐蚀长期在摩擦作用下，磨损处易腐蚀 微动腐蚀微动腐蚀 3. 杂散电流杂散电流 直流电源直流电源 电焊机电焊机 电解槽电解槽 阴极保护系统阴极保护系统 电气机车电气机车 有轨电车等有轨电车等 漏失电流漏失电流 接接 地地 对埋地的对埋地的 金属构件金属构件 ( (铅套、铅套、 铝套等铝套等) ) 电路电路 严重的严重的 腐蚀作用腐蚀作用 杂散电流杂散电流 4. 电解质溶液电解质溶液 一般情况下

58、：一般情况下： 电解液浓度电解液浓度 电解液导电能力电解液导电能力 腐蚀腐蚀 酸碱度不同腐蚀情况也不同：酸碱度不同腐蚀情况也不同： ( (pH=7 中性；中性； pH7 碱性；碱性； pH7 酸性酸性) 如：钢如：钢 a. 在在pH 升至升至4的过程中腐蚀速度的过程中腐蚀速度； b. 当当pH升至升至14时，由于腐蚀产物溶解度而时，由于腐蚀产物溶解度而 起保护作用，使腐蚀速度起保护作用，使腐蚀速度 ； c. 当碱度再提高时腐蚀速度当碱度再提高时腐蚀速度。 5. 微生物微生物 一种情况：一种情况： 在缺氧土壤在缺氧土壤 不通气地下水不通气地下水 金属腐蚀速度金属腐蚀速度厌氧细菌生长厌氧细菌生长 另一种情况：另一种情况： 硫酸还原菌生长在硫酸还原菌生长在pH5.58.5 范围内，使范围内，使 硫酸盐还原为硫化物，同时使钢铁腐蚀加速。硫酸盐还原为硫化物，同时使钢铁腐蚀加速。 4Fe+2H2O+Na2SO4+2H2CO3 3Fe(OH)2+FS+2NaHCO3 铁铁 + + 水水 + + 硫酸钠硫酸钠 + + 碳酸碳酸 氢氧化铁氢氧化铁+ +硫化铁硫化铁+ +碳酸钠碳酸钠 6. 温度温度 7. 压力压力 对于吸氧