金属材料与模具材料

第1章金属材料的性能1.1金属材料的力学性能1.2金属材料的物理性能1.3金属材料的化学性能1.4金属材料的工艺性能1.1金属材料的力学性能设计零件时大多以其力学性能为主要依据，因此掌握金属材料的力学性能是非常重要的。所谓金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的性能可以通过一系列标准试验来测定。力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。返回下一页1.1金属材料的力学性能1.1.1强度1.强度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。金属受到外力作用时，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的内力。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能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，载荷可分为静载荷、冲击载荷及交变载荷。静载荷是指大小方向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。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。如图1-1所示。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能金属受拉伸载荷或压缩载荷作用时，其横截面积上的应力按下列公式计算式中，σ为应力，单位帕(Pa),1Pa=1N/m2。当面积用mm2时，则应力的单位为兆帕(MPa),1MPa=1N/mm2=106Pa。F为外力，单位为牛顿(N)。S为横截面积，单位为平方米(m2)根据外力作用方式的不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等5种。通常情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。抗拉强度是通过拉伸试验测得的。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能2.拉伸试验拉伸试验是在拉伸试验机上进行的，拉伸试样的形状按国家标准制成圆柱形标准拉伸试样，拉伸试样的材料为低碳钢。形状如图1-2所示。拉伸试验前先将试样装夹在拉伸试验机上，然后缓慢增加拉力，试样标距的长度将逐渐增加，增加到一定程度后，标距的某一横截面突然变细，直至断裂。图1-2中d0为试样的直径，l0为标距长度。根据l0与d0的关系，试样分为长试样(l0=10d0)和短试样(l0=5d0)两种。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能3.拉伸曲线拉伸试验时测得的拉力与伸长量之间的关系曲线称为拉伸曲线。如图1-3所示。曲线的纵坐标表示外力，用F表示，单位为N。横坐标表示试样的伸长量，用△l表示，单位为mm。从拉伸曲线看出，在拉伸过程中，试样表现出以下几个变形阶段:(1)弹性变形阶段(O-e)Oe为一直线，即外力与伸长成正比，此时如果卸载，变形立即消失，试样恢复原来形状。这种随载荷的消失而消失的变形称为弹性变形。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(2)屈服阶段(e-s)弹性变形阶段之后，当外力继续增加时，试样将产生塑性变形，在s点附近曲线上出现了平台或锯齿形状，此时外力不增加变形仍在进行，这一现象称为屈服。(3)强化阶段(s-b)屈服之后因材料产生了加工硬化现象，若要试样继续变形就必须增大外力。此阶段试样的变形是均匀的，Fb为拉伸试验的最大外力。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(4)缩颈阶段(b-z)当外力达到最大值Fb之后，试样的某一截面处发生收缩，称为缩颈。由于缩颈处横截面积的减少，试样承受外拉力的能力迅速减小，直至断裂。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能4.强度指标(1)屈服点在拉伸曲线上s点处的水平线表明外力不增加而变形却仍在进行，这时的应力称为材料的屈服点，用符号σs表示。计算公式为

式中，σs为材料的屈服点，单位为兆帕(MPa)。Fs是材料屈服时的最小拉力，单位为牛顿(N)。SO为拉伸试样的最小横截面积，单位为平方毫米(mm2)。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能有些材料(如铸铁等)的拉伸曲线上没有明显的屈服平台，工程上规定试样产生0.2%残余伸长时的应力值为该材料的条件屈服强度，用σ0.2表示。机械零件在工作时是不允许发生塑性变形的，即零件所受的外加应力不应大于该材料的屈服点数值，否则零件就会因过量的塑性变形而失效。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(2)抗拉强度试样在拉断前所能承受的最大应力为该试样的抗拉强度，用符号σb表示。计算公式为式中，σb为抗拉强度，单位为兆帕(MPa)。Fb为试样断裂前所承受的最大拉力，单位为牛顿(N)。SO为试样原始横截面积，单位为平方毫米(mm2)返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能1.1.2塑性金属材料在断裂前产生永久变形的能力称为塑性。塑性指标也是通过拉伸试验测得的，塑性大小用塑性的两个指标来表示。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能1.伸长率试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率，用符号δ表示。计算公式为式中，δ为伸长率。l1为试样拉断后的标距，mm。l0为试样的原始标距，mm。长试样的伸长率用δ10表示，常简写成δ。短试样的伸长率用δ5表示。伸长率的数值与试样的标距长短有关，也就是说δ的大小受试样尺寸的影响。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能2.断面收缩率试样拉断后，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ψ表示。计算公式为式中，必为断面收缩率。S0为试样原始横截面积，mm2,S1为试样拉断处断口的横截面积，mm2。断面收缩率的数值不受试样尺寸的影响，用断面收缩率表示材料的塑性更接近材料的真实塑性变形情况。伸长率和断面收缩率的数值越大，材料的塑性越好，塑性变形能力越强。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能1.1.3硬度金属材料抵抗局部塑性变形、弹性变形、压痕、划痕或破裂的一种能力，称为硬度。硬度是金属材料主要的力学性能之一，是衡量材料软硬的度量，能够反映出金属材料内部的化学成分、金相组织和热处理状态上的差异，是各种零件及工具、量具、模具等必备的性能指标。硬度测试方法很多，最常用的硬度测试方法有3种，即布氏硬度测试法、洛氏硬度测试法和维氏硬度测试法。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能1.布氏硬度(1)测试原理用一定的载荷F，将直径为D的球体压入被测材料的表面，保持一定时间后卸除载荷，如图1-4所示。用专用的刻度放大镜测出压痕直径d,根据d的大小，从硬度对照表中查出相应的布氏硬度，见附录1。当载荷F与球体直径D不变时，被测材料越硬，d值越小，布氏硬度值越大。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能根据规定布氏硬度用HB符号表示，布氏硬度单位用Kgf/mm2耐表示，但一般不用标注。当布氏硬度值小于450时，用淬火钢球压头，硬度符号用HBS表示;当布氏硬度值为450~650时，用硬质合金压头，硬度符号用HBW表示。常用的压头球体直径有1mm,2mm,2.5mm,5mm,10mm5种，其中以直径10mm的压头球体最为常用。试验载荷在9807~29420N范围内，试验力的保持时间，一般黑色金属为10~15s，有色金属为30s，HB小于35时为60s。根据金属材料种类，试样硬度范围和厚度不同，参照表1-1的规范，选择试验压头球体直径D、试验力F及保持时间。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(2)表示方法符号前的数字为硬度值，符号后的数字按球体压头的直径、试验载荷、试验载荷保持时间的顺序标注。试验时间在10~15s时不标注。例如120HBS10/1000/30，式中测得布氏硬度为120，试验条件表示用直径为10mm的淬火钢球，在9807N试验力作用下，保持30s时所测结果。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(3)应用范围及优缺点布氏硬度主要适用于铸铁，非铁金属或经退火、正火和调质处理的钢材及非金属材料等的硬度测定。由于布氏法测定硬度时，材料表面压痕大，故能较准确地反映材料的平均硬度，数据重复性好，在工程上应用广泛。缺点是操作时间较长，同时，因球体压痕较大故不宜测定太小、太薄及表面不允许有较大压痕的成品工件。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能2.洛氏硬度(1)测试原理用一个顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，先施加一个初始载荷，然后在主载荷压力下将压头压入被测材料表面，经规定的保持时间，卸除主载荷，根据压痕的深度，直接从硬度计上的显示器读取硬度值。如图1-5所示。0-0为压头没有与试样接触;1-1为压头受到初始载荷后压入试样的位置，2-2为压头在主载荷压力下，压入试样的位置;3-3为卸除主载荷后试样弹性变形的恢复使压头上升的位置，图中h值越小，金属越硬。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(2)表示方法我国常用的洛氏硬度表示法有三种，见表1-2，洛氏硬度用HR符号表示。硬度数值写在符号的前面，HR后面写使用的标尺。常用的洛氏硬度标尺有A、B、C三种。例如，40HRC，表示用C标尺测定的洛氏硬度值为40;60HRA，表示用A标尺测定的洛氏硬度值为60。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(3)应用范围及优缺点可以用同一台洛氏硬度计测定由软到硬的不同金属的洛氏硬度，与布氏硬度相比，试验操作简单、迅速，能直接从刻度盘上显示硬度值。样品表面压痕小，适用性广，可直接用于测定零件的成品或半成品及较薄的工件。其缺点是与布氏硬度相比，此法受材质结构不均匀影响较大，其数据重复性差，硬度值的准确性较差，所以测洛氏硬度时，至少要在不同位置的3个点测试，再计算出平均算数值作为洛氏硬度值。不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，可在实验测定的换算表中相互比较，见附录2。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能3.维氏硬度(1)测试原理维氏硬度的测试原理基本与布氏硬度的测试原理相同，区别在于压头采用锥面夹角为136°的正四棱锥体金刚石。压痕为四方锥型，如图1-6所示测压痕对角线长度d值，对照专用表直接查出硬度值。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(2)表示方法维氏硬度用HV符号表示，HV符号前面的数值为硬度值，HV后面的数值，按试验载荷、载荷保持时间的顺序标注，用时10~15s则不用标注，例如640HV30表示维氏硬度值为640，实验载荷为294.2N，保持时间为10~15s。640HV30/20表示维氏硬度值为640，实验载荷为294.2N，保持时间为20s。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(3)应用范围及优缺点由于维氏硬度值可测10~1000HV，压入深度较浅，故可测很薄的材料，如表面硬化层、金属镀层的硬度，可测面较广，从较软到很硬的金属材料均可测定，且准确性高于布氏、洛氏硬度测试法，连续性好，缺点是测试方法较繁，对被测件表面质量要求较高。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能1.1.4冲击韧度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ak表示，材料冲击韧度值用一次摆锤冲击试验法测定。金属材料在断裂前吸收变形能量的能力称为韧性。冲击试验如图1-7所示。将待测的金属材料加工成标准试样，试样缺口背向摆锤冲击方向，安放在试验机的机架上，将具备一定重量W的摆锤举至一定高度H1，使其获得势能(WH1)。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能然后使摆锤自由下落，试样断裂后摆锤上摆到H2高度，剩余势能为(WH2)，试样断裂所吸收的能量称为冲击吸收功，以Ak表示。即Ak=WH1-WH2=W(H1-H2)。冲击吸收功Ak除以试样缺口处横截面积S0,即冲击韧度，用符号ak表示。由于标准试样缺口分为V形和U形两种缺口，所以用不同缺口的标准试样进行试验时，其冲击吸收功应分别标注为AKV或AKU，其冲击韧度标注为aKV或aKU，单位为J/cm2公式为

返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能在同一温度下，由不同材料制成的相同冲击试样，所测冲击吸收功Ak越大，材料的韧性越好，同时，试验还表明，随温度的降低，冲击吸收功(Ak)或冲击韧度(ak)总的变化趋势是随温度降低而降低，当温度降至某一数值时，冲击韧度值急剧下降。钢材由韧性断裂变为脆性断裂，材料由韧性状态向脆性状态转变的温度称为韧脆转变温度，如图1-8所示。韧脆转变温度愈低，材料的低温冲击韧度愈好。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能所以，碳素结构钢的韧脆转变温度为-20℃。因此，在南、北方地区使用的桥梁、输送管道、钢架等碳素结构钢构件时，必须考虑其周围环境的最低温度要高于材料的韧脆转变温度。以避免在寒冷季节发生金属脆断事故，韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆变化的指标。在实际生产中，选用制造冲模的冲头、发动机的活塞销等零件材料时，其性能除考虑静载荷作用下材料的塑性、硬度指标外，还必须考虑冲击载荷作用下的强度、材料抵抗冲击载荷的能力，在承受冲击载荷的零件中，很少因一次大能量冲击而损坏，绝大多数是小能量多次冲击损伤的积累导致裂纹的产生和扩展而损坏的。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能因此，这类零件材料需用小能量多次冲击试验来检验其抗冲击性能，如图1-9所示。材料抵抗大能量一次冲击的能力取决于材料的塑性，而抵抗小能量多次冲击的能力则取决于材料的强度。例如，球墨铸铁曲轴其冲击韧度仅为15J/cm2，塑性差(δ=2%)，但强度较大(σb=700~800MPa)，故使用性能好。所以，在设计零件时，不能片面地追求高的ak值，ak值过高必然要降低强度，从而导致零件在使用过程中因强度不足而导致零件的破坏。对于韧性很低的脆性材料，如陶瓷等不采用一次摆锤冲击法作为韧性的量度。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能1.1.5疲劳强度1.疲劳概念(1)交变应力(循环应力)应力大小和方向随时间作周期性变化的应力，用符号“σ”表示。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(2)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。疲劳现象产生之前多无明显塑性变形。在金属零件损坏中，大约有80%以上属于金属疲劳现象引起的。2.疲劳破坏过程疲劳破坏的过程可分为微观裂纹、宏观裂纹和瞬时断裂三个过程。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能在材料的实际加工及成品应用过程中，由于应力循环特性，材料的本质、残余应力及表面质量等因素的影响，在交变应力作用下，在材料的表面缺陷点(如大块状碳化物、机加工刀痕、截面突变处等)，这些零件的局部应力大于屈服点，从而导致局部塑性变形而形成裂纹，即“疲劳源”，这种策源区裂纹非常细小，为10-9~10-4m，故称为“微观裂纹”。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能由于裂纹处形成应力集中和在交变应力的反复作用下，细小裂纹不断扩展，相互融合，形成长度大于10-4m，裸眼可见的扩展区的“宏观裂纹”，在继续工作的过程中，宏观裂纹继续扩展，而零件的有效截面减少，设计疲劳强度下降，结果在正常交变应力作用下，零件发生突然疲劳断裂，从零件突然断裂的宏观断口可见疲劳断裂的策源区、扩展区(常显贝纹状或海滩状花样)和最后断裂区(瞬间区)三部分组成，如图1-10所示。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能3.疲劳曲线与疲劳强度(1)疲劳曲线疲劳曲线是交变应力σ与循环次数N的关系曲线。如图1-11所示，金属承受的交变应力越大，则断裂前的应力循环次数越小，反之越大。当应力低于一定值时，试样可以经受无限次交变应力的作用而不被破坏。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能(2)疲劳强度(疲劳极限)材料在无限次交变应力作用下而不损坏的最大应力称为疲劳强度。当应力呈对称循环时，疲劳强度用符号σ-1表示，单位为MPa疲劳曲线和疲劳强度是通过疲劳试验机，模拟零件在机械中实际工作的情况测试出来的，由疲劳曲线看出材料的疲劳强度，由于实际上不可能进行无数次循环，并且有的材料不出现图1-11中出现的趋于水平的疲劳曲线，所以，一般规定一个应力循环基数，测试中，循环次数超过这个基数就认为该材料不再发生疲劳破坏。返回下一页上一页上一页下一页上一页返回下一页上一页1.1金属材料的力学性能根据零件的使用寿命和工作条件来确定其疲劳强度，例如，火车车轴循环基数为5×107次;汽车发动机的曲轴循环基数为12×107次;汽轮机叶片循环基数为25×1010次;有色金属循环基数为108次;腐蚀疲劳时循环基数为106次等。所以为提高疲劳抗力，在设计、制造这类零件时，应尽量减小截面突变，防止表面损伤，采用各种材料表面强化作用，如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸等，使金属的表层获得有利于提高材料疲劳强度的残余压应力分布。此外，减少零件表面粗糙度也可以显著地提高材料的疲劳强度，合理的结构形状也能有效避免应力集中。金属材料力学性能的基本指标及其含义见表1-3。返回上一页返回1.2金属材料的物理性能1.密度单位体积中材料的质量为材料密度。一般将密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属，密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属，对于飞机、快艇、发动机活塞等需选用密度小的材料制造，以减轻重量返回下一页1.2金属材料的物理性能2.熔点材料的熔化温度为熔点。一般陶瓷的熔点高于金属的熔点，高分子材料没有固定的熔点，金属都有固定的熔点，合金的熔点决定于它的化学成分。熔点低的金属及合金可用来制造焊锡或保险丝，而熔点高的金属及合金(如钨、钼、钒)可以制造耐高温零件。熔点对金属与合金的冶炼、铸造和焊接等是一个重要的工艺参数。返回下一页上一页1.2金属材料的物理性能3.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，线胀系数是一个非常重要的性能指标。陶瓷的线胀系数最低，金属次之，高分子材料最高。在活塞与缸套的材料匹配及异种金属焊接等都需要考虑材料的热膨胀性。4.磁性材料能导磁的性能称为磁性。许多金属(如铁、镍、钴等)具有较高的磁性，也有许多金属如铝、铜、铅等是无磁性的，非金属材料一般无磁性。返回下一页上一页1.2金属材料的物理性能5.导热性材料的导热性用导热率λ来表示，导热率越大，说明导热性越好。导热性是金属材料的重要性能之一，金属及合金的导热率远高于非金属材料。导热性好的材料可用来作热交换器等传热设备的零件。同时在不同材料匹配过程中，也必须考虑不同材料的不同导热性。返回下一页上一页1.2金属材料的物理性能6.导电性材料的导电性一般用电阻率ρ表示，通常金属的电阻率随温度升高而增加，纯金属材料的导电性比合金好，高分子材料不导电，但部分高分子复合材料也有良好的导电性。陶瓷材料不导电，但某些含有特殊成分的陶瓷都是具有一定导电性的半导体。常用金属的物理性能见表1-4。返回上一页1.3金属材料的化学性能化学性能是金属在常温或高温时抵抗各种化学作用的能力。据相关资料介绍，全世界每年由于腐蚀而报废的金属材料和设备，约相当于全年金属产量的1/3。此外，设备因腐蚀而需要进行检修或停工减产的损失及采取各种防腐措施的费用等，则是更为可观的费用。所以采取合理有效的措施防止或减少腐蚀的发生具有重大的实际意义。返回下一页1.3金属材料的化学性能1.金属腐蚀的基本过程金属与周围介质(水电解质)接触时，由于化学作用而引起的腐蚀为化学腐蚀。如金属与空气中的O2、H2S、SO2形成氧化物、硫化物、氯化物等，从而使金属零件因腐蚀而损坏金属与电解质溶液(如酸、碱、盐)等构成原电池而引起的腐蚀，为电化学腐蚀，如金属在海水中或土壤中的腐蚀均属于电化学腐蚀。返回下一页上一页1.3金属材料的化学性能2.防止金属腐蚀的途径主要采用的方法是合理选择防腐材料，如不锈钢，采用覆盖法，如电镀或使用电化学保护，如阴极保护法等方法来防止或减少腐蚀的发生。返回上一页1.4金属材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料适应某种加工的难易程度，材料工艺性能的好坏，将直接影响制造零件的工艺方法、质量及制造成本。常用金属材料的工艺性能包括以下内容。1.铸造性能包括流动性、收缩性、热裂倾向、偏析及吸气性等不同金属材料其铸造性能差异很大，灰铸铁铸造性能最好。返回下一页1.4金属材料的工艺性能2.锻造性能包括可锻性、冷镦性、锻后冷却要求等。低碳钢、铝合金、铜合金锻造性较好，高碳钢、合金钢锻造性差、铸铁则不能锻造。3.焊接性能焊接性能是指金属材料对焊接加工的适应能力。焊接性能与金属材料的化学成分有关，低碳钢焊接性好，高碳钢、铸铁、铜合金、铝合金焊接性差。返回下一页上一页1.4金属材料的工艺性能4.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。当硬度在160~230HBS和足够的脆性时较易切削。马氏体、奥氏体切削加工性能差，所以铸铁比钢容易切削，一般碳钢比高合金钢容易切削加工。5.热处理性能热处理工艺性能是金属材料工艺性能中非常重要的性能，在后续相关章节中将详细讲解。返回上一页图1-1载荷的作用方式返回图1-2拉伸试样返回图1-3低碳钢的拉伸曲线返回图1-4布氏硬度试验原理图返回表1-1布氏硬度试验规范返回图1-5洛氏硬度试验原理图返回表1-2洛氏硬度试验规范返回图1-6维氏硬度试验原理图返回图1-7一次摆锤冲击试验原理图返回图1-8钢的脆性转化温度示意图返回图1-9小能量多次冲击示意图返回图1-10疲劳曲线断口示意图返回图1-11疲劳曲线示意图返回表1-3常用金属材料的力学性能指标及其含义返回表1-4常用金属的物理属性返回第2章金属材料的基础知识2.1金属材料的晶体结构2.2合金的基础结构2.3纯金属的结晶2.4合金的结晶第2章金属材料的基础知识金属材料的主要性能即力学性能，从本质上说是由其组织结构所决定的，而组织结构以原子的排列方式和空间分布来体现，绝大多数金属材料是在固体状态下被应用的。固体物质是以晶体和非晶体两种结构状态存在。所以，掌握金属材料的内部结构及其对金属材料的影响因素，对于生产、加工、使用金属材料具有重要的意义。金属材料是应用最广泛的一种机械工程材料，对金属的固体结构及其形成过程的分析、了解及掌握是非常必要的。当同一金属由液态转变为固态时，由于结晶条件的不同，同一金属所表现的力学性能也各异，所以，本章从金属的结晶过程及组织结构开始研究。返回2.1金属材料的晶体结构2.1.1晶体结构1.晶体晶体是原子在三维空间按一定几何规律重复排列的有序结构。如通常固态下的金属及其合金等都是晶体。返回下一页2.1金属材料的晶体结构2.非晶体非晶体是原子在三维空间无序排列的结构。如玻璃、沥青、绝大多数塑料等。由于原子在物质内部排列方式的不同，通常将固态物质分为晶体和非晶体两类。晶体的性能具有各向异性的特点。非晶体的性能在各个方向上是相同的，具有各向同性的特点。返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构3.晶格与晶胞为了便于理解，通常把原子看成一个固定的小球，这些固定的小球按一定几何形式有序排列组成晶体，如图2-1所示。(1)晶格为了便于研究，将每个原子视为一个几何质点，用假想的线将各质点连接起来，构成有明显规律的空间格架，这种表示原子在晶体中排列规律的空间几何格架称为晶格。如图2-2(a)所示。(2)晶胞晶胞是组成晶格的最小几何单位，如图2-2(b)所示返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构4.晶面晶体中由一系列原子所组成的平面称为晶面，如图2-3所示。5.晶向通过两个或两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，如图2-4所示。返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构2.1.2常见的3种晶格类型因为晶胞是从晶格中取出来的，它能够代表晶格特性，所以要想研究晶格特性只要研究晶胞特性就可以了。现以3种晶格的晶胞为例，说明3种晶格类型的特性。1.体心立方晶格在立方体晶胞的8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。α-铁(α-Fe)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)等，如图2-5所示返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构2.面心立方晶格在立方体晶胞的8个顶角和立方体6个面的中心各排列一个原子，这种晶格类型的金属有铜(Cu)、铝(Al)、铅(Pb)、金(Au)、镍(Ni)、γ-铁(γ-Fe)等，如图2-6所示。3.密排六方晶格在六棱柱的各个棱角和上、下两个6边形底面的中心各有一个原子，此外在棱柱体中间还有3个原子。这种晶格类型的金属有锌(Zn)、镁(Mg)、铍(Be)、镉(Cd)等，如图2-7所示。返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构2.1.3晶体结构的3种缺陷一块金属晶体其内部晶格位向是一致的，称为单晶体。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，如图2-8所示。当多个单晶体组成单个晶体时，单晶体内部的晶格位向是一致的，而各个单晶体彼此间位向都不同，这种不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。金属的单晶体只能靠特殊的方法制得，实际应用的金属材料是多晶体结构，由于冶炼后在凝固过程中受到多种因素的影响，在晶体内部的局部区域原子的规则排列往往受到干扰而被破坏，这种原子排列无序的区域称为晶体缺陷，常见的缺陷有3种类型。返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构1.点缺陷点缺陷指在三维空间的3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。晶格空位缺陷是晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点。间隙原子是指晶体的晶格间隙处出现的多余原子，如图2-9所示。晶格中原子偏离平衡位置，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变，晶格畸变将使晶体性能发生变化，可使金属的强度、硬度升高和电阻增大，塑性降低。返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构2.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。位错是晶体中一列或数列原子发生有规律的错排现象，如图2-10所示，在这个晶体ABCD面的上方，多出一个垂直的半原子面EFGH，像刀刃一样切入晶体与ABCD面交于EF线(位错线)称为刃形位错。在位错线周围引起晶格畸变，离位错线越近，畸变越严重金属材料的塑性变形就是通过位错来实现的。冷变形加工的金属，由于位错密度增加，从而提高了金属的强度。返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构3.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(镶嵌块界)如图2-11(a)所示。晶界是晶粒与晶粒之间的过渡层。在多晶体中，相邻晶粒之间位向差可达20°~40°，所以晶界处原子排列是不规则的，即使在一个晶粒内部也存在许多更小晶格位向差小于2°~3°的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面为亚晶界，如图2-11(b)所示。而亚晶界处的原子排列与晶界一样，原子排列是不规则的。所以，常态下，晶界处硬度和强度均高于晶粒内部，晶粒越细小，晶界则越多，金属的强度和硬度就越高返回下一页上一页2.1金属材料的晶体结构综上所述，晶体的各种结构缺陷，造成晶格畸变，引起晶体内部产生内应力，直接影响金属的力学性能。所以在生产中，利用形变强化的方法，如压力加工工艺，通过对金属的塑性变形使晶体产生缺陷，达到金属强化的目的。返回上一页2.2合金的基本结构2.2.1合金的基本概念由于纯金属材料的力学性能较差，而且价格较高，所以使用的金属材料中绝大多数材料是合金。1.合金合金是由两种以上金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。如铁碳合金、铜锌合金等。返回下一页2.2合金的基本结构2.组元组元是组成合金的最基本的独立物质。可以是金属元素、非金属元素和稳定化合物。根据组元数目的多少，合金分为二元合金、三元合金或多元合金等。例如普通黄铜是由铜和锌两个组元组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁或铝、铜、锰组成的三元合金。3.相合金中成分、结构相同并以界面相互分开的各个均匀组成部分。返回下一页上一页2.2合金的基本结构4.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。如纯铜在熔点温度以上或以下，分别为液相或固相，在熔点温度则为液、固两相共存。5.单相组织由单一相组成的组织为单相组织。6.多相组织由两种或两种以上相组成的组织为多相组织。返回下一页上一页2.2合金的基本结构2.2.2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。1.固溶体溶质原子溶入溶剂晶格中仍保持溶剂晶格类型的合金相称为固溶体。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。返回下一页上一页2.2合金的基本结构(1)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，如图2-12所示。在生产中加入铬(Cr)、锰(Mn)、硅(Si)、镍(Ni)和钼(Mo)等金属元素都能与铁形成置换固溶体，形成合金钢。在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度取决于两者的原子半径、晶格类型及在化学元素周期表中的位置，若两者晶格类型相同、电子结构相似、原子半径差别小、在元素周期表中的位置接近，则溶解度就大，甚至可以形成无限固溶体。返回下一页上一页2.2合金的基本结构(2)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。如图2-13所示。能够作为间隙固溶体的溶质原子多为原子半径小于0.1nm的非金属元素，如氮、硼、碳等。由于溶剂晶格的空隙有限，所以间隙固溶体能溶解的溶质原子数量也是有限的。固溶体的溶解度与温度有关，一般来说，温度越高溶解度越大。返回下一页上一页2.2合金的基本结构如图2-14所示，由于固溶体中溶质原子的溶入，导致溶剂晶格的畸变，使金属材料的强度、硬度得到提高，生产中称为固溶强化。所以铜中加入19%的镍，可使铜合金的强度极限σb由220MPa提高到380~400MPa;硬度由44HBS提高到70HBS;而伸长率仍然保持在50%左右。所以，通过不同溶质原子溶入溶剂晶格的方法，使固溶体的强度、塑性和韧性之间达到较好的配合。在生产中，为满足设计时机械性能要求较高的结构材料，多以固溶体为基本相，在辅以其他强化方法来满足对结构材料的要求。返回下一页上一页2.2合金的基本结构2.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。其晶格类型及性能不同于组成化合物的任意组元。一般具有较复杂的晶格结构，如Fe3C的晶体结构如图2-15所示。返回下一页上一页2.2合金的基本结构金属化合物的特点是熔点高、性能硬而脆。因此，当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑性和韧性。以金属化合物作为强化相强化金属材料的方法，称为第二相强化。多数合金都是由固溶体和少量金属化合物组成的混合物，通过调整固溶体的溶解度和分布在其中的化合物的形状、数量、大小及分布来调整合金的性能，满足不同性能对材料的要求。返回上一页2.3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，这个过程即为金属的结晶过程。金属从液态过渡为固态的结晶过程称为一次结晶，而金属从一种固态过渡为另一种固体的转变称为二次结晶，了解金属结晶过程及变化规律，对改变和控制材料的内部组织和性能是非常重要的。返回下一页2.3纯金属的结晶2.3.1纯金属的冷却曲线及过冷现象1.冷却曲线纯金属的结晶是在一定温度下进行的，这个温度称为结晶温度。金属的结晶温度可通过热分析试验的方法测定。如图2-16所示，将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却，在冷却过程中每隔一段时间测量记录一次温度并以温度为纵坐标，时间为横坐标，作出“温度一时间”的关系曲线，即纯金属结晶时的冷却曲线。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶如图2-17所示从该曲线可以看出，当液态金属从高温开始冷却时，由于周围环境的吸热，温度均匀下降，状态保持不变，当温度下降到a点后，金属开始结晶，释放结晶潜热，当释放的结晶潜热补偿了周围空气从金属吸收的热量时，温度停止了下降，保持恒定，在冷却曲线上出现一个平台，等到b点，结晶完成后，设备继续向外散热，温度继续下降，直至室温。a、b两点间的水平线段为结晶阶段，它们对应的温度称为金属的实际结晶温度，用Tn表示。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶2.过冷度理论上，纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下结晶，所得到的结晶温度为理论结晶温度，用T0表示。当温度高于T0时，金属处于液态;当温度低于T0时，金属处于固态。在T0温度时，金属处于液固平衡状态。但在实际生产中，金属自液态向固态结晶时，都有较快的冷却速度，液态金属只有冷却到低于T0温度，直到Tn，温度时才开始结晶。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷，理论结晶温度与实际结晶温度的差值△T称为过冷度，过冷度△T=T0-Tn。金属结晶时过冷度与冷却速度是正比关系，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。在生产中，正是利用改变冷却速度的方法来控制金属的结晶。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶2.3.2纯金属的结晶过程金属的结晶过程是晶体在液体中从无到有，即晶核形成和晶核长大两个过程组成的，如图2-18所示。1.晶核的生成实验表明，在液态金属中存在两种晶核，自发晶核与非自发晶核返回下一页上一页2.3纯金属的结晶(1)自发晶核在液态金属从高温冷却到结晶温度的过程中，液体内部存在一些微小体积中原子由不规则排列向晶体结构中原子规则排列逐渐过渡，不断产生许多类似晶体中原子规则排列的小集团，其特点是极不稳定，时聚时散，尺寸越大，稳定性越低，这种原子不稳定排列的小集团是产生晶核的基础，当液体温度降到实际结晶温度后，一些尺寸较大的原子小集团逐渐稳定，并能够自发地成长，形成结晶，这种晶核称为自发晶核。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶(2)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。这些未熔颗粒可以是液态金属中原来就存在的杂质，也可以是人为加入的物质。当未熔微粒的晶体结构和晶格参数与金属的晶体结构相似和相当时，才能成为非自发核心的基底，生长出晶核在实际金属的结晶过程中，自发晶核与非自发晶核同时并存，但非自发晶核往往起优先和主导作用。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶2.晶核的长大由于结晶条件的不同，晶体主要以两种方式生长。在过冷度较小情况下，纯金属晶体主要以其结晶表面向前平移的方式长大，即平面式长大，当过冷度较大，特别是液态金属内部存在非自发晶核时，在晶核长大的早期，其内部原子排列规则，但随着晶核的长大，晶体棱角的形成，棱角处的散热条件优于其他部位，因而得到优先生长，如长出树枝状枝干，在枝干上再长出分枝称为枝晶，如图2-19所示，当相邻枝晶的骨架相遇时，就停止了扩展。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶在生产中，金属的结晶多为枝晶，在结晶过程中，如果金属液体供应不充分，金属最后凝固的枝晶之间的间隙则不能被填满，晶体的树枝状结构就很容易显露出来，在实际生产中，我们很容易在金属的铸锭表面见到树枝状的浮雕。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶2.3.3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。在单位体积中，晶粒越细，则数量越多。在同样变形条件下，变形量被分散到更多的晶粒内进行，各晶粒的变形比较均匀而不致产生过分的应力集中现象，同时由于晶粒多，不规则的晶界也多，所以细晶粒的金属不仅强度高，而且塑性和韧性也好，见表2-1。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶2.3.4细化晶粒的措施1.增加过冷度金属的形核率和长大速度均随过冷度增大而加快，但两者加快速率不相同，在很大范围内形核率的增长速率比晶核长大速率增长的更快。如图2-20所示，金属的形核率N和长大速度v与过冷度变化的关系。因此提高过冷度可以增加单位体积内晶粒的数目，使晶粒细化。但过冷度过大或温度过低时，由于原子的扩散能力降低，形核的速率反而减小。在铸造生产中，为了提高铸件的冷却速度，用导热系数大的金属铸型代替砂型，以提高铸件的力学性能。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶2.变质处理当金属体积过大或形状复杂的铸件，在冷却速度不能过快，无法增大过冷度时，可采用向金属液中加入一些能起非自发形核的变质剂以增加形核率，细化晶粒，如在液化铝中加入少量的硼，形成AlB2质点，增加晶粒数，使晶粒细化。此外，可在金属液中加入某种可溶物质，吸附在晶核表面，阻碍晶核长大，如在铸造铝硅合金时，加入钠盐，使钠附着在硅的表面，阻碍粗大片状硅结晶的生成，也可起到细化晶粒的效果。生产中常见的如在钢中加入硼、铝;铸铁中加入硅、钙等，这些都是变质处理的典型实例。返回下一页上一页2.3纯金属的结晶3.振动或搅拌当金属结晶时，对液态金属进行机械、超声或电磁振动。机械搅拌等措施，可使生长中的晶核破碎，破碎的晶核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。返回上一页2.4合金的结晶由于纯金属的力学性能不能满足机械工程材料的性能需要，因此在工业生产中应用的金属材料绝大多数都是以合金形式存在的金属材料。合金相图是合金成分、温度和组织状态三者之间关系的一个简明图表，是表示合金在平衡条件下，在不同温度和成分时各相关系的图解，所以又称合金状态图或合金平衡图。它是制定合金熔炼、锻造及热处理工艺的主要依据。返回下一页2.4合金的结晶2.4.1二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，具备这类二元合金相图的合金主要有Ca-Ni,Cr-Mo,Fe-Ni等。返回下一页上一页2.4合金的结晶现以铜镍二元合金为例，说明绘制匀晶相图的方法，如图2-21所示。首先配制一系列不同成分的Cu-Ni二元合金，然后用热分析方法测定这些不同成分合金的冷却曲线，将每组冷却曲线上的相变临界点(温度)标注在“温度一成分”坐标图上，再把相同意义的点连接成线，即绘成Cu-Ni合金的匀晶相图，图中上面一条曲线为液相线，下面一条曲线为固相线，两条线把匀晶相图分为三个相区，液相线以上为液相区(L),固相线以下为固相区(a)，在液、固相线之间为液固二相共存区(L+a)。返回下一页上一页2.4合金的结晶从相图中可以看出，与纯金属冷却曲线不同的是，合金的冷却曲线有两个相变点，上相变点是结晶的开始点，下相变点是结晶的终了点，结晶放出的潜热使结晶时的温度下降缓慢，所以合金的结晶是在一定温度范围内进行的，在冷却曲线上表现为两个相变点之间的部分。返回下一页上一页2.4合金的结晶2.4.2二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。所以，在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。共晶转变的产物称为共晶体，所构成的相图为共晶相图，具有这类相图的合金有Pb-Sn,Pb-Sb,Ag-Cu、Al-Si、Zn-Sn等。返回下一页上一页2.4合金的结晶如图2-22所示为铅锑二元合金相图，图中A点是铅的熔点(327℃);B点是锑的熔点(631℃);C点是共晶点，(温度是252℃，此点的成分是11%Sb+89%Pb),ACB连线为合金开始结晶温度的上相变点连线，称为液相线，DCE连线是液态合金结晶终止温度的下相变点连线，称为固相线，同时，二个相线把相图分成几个区域。返回下一页上一页2.4合金的结晶典型的Pb-Sb合金结晶过程，如图2-22中的合金I(成分11%Sb+89%Pb)，在C点以上，合金处于液体状态，当缓慢冷却到C点时，发生共晶转变，在恒温条件下，从液相中同时结晶出Pb和Sb的共晶体，继续冷却共晶体不再发生变化，这种合金称为共晶合金，它的转换过程如图2-23所示，并可用公式表示

返回下一页上一页2.4合金的结晶从图2-22中可以看出，凡是成分在C点以左(Sb<11%)的合金称为亚共晶合金，如图2-22中的合金II。合金成分在C点以右(Sb>11%)的合金称为过共晶合金，如图2-22中的合金Ⅲ。亚共晶和过共晶合金的结晶过程与共晶合金结晶过程不同的是从液相线到共晶转变温度之间，亚共晶合金要先结晶出Pb晶体，过共晶合金要先结晶出Sb晶体，因而它们的室温组织分别为Pb+(Pb+Sb)和Sb+(Pb+Sb)。合金II、Ⅲ的冷却曲线及组织转换过程如图2-24、图2-25所示返回下一页上一页2.4合金的结晶2.4.3合金性能与相图的关系合金的使用性能取决于合金的化学成分和内部组织，而合金的工艺性能取决于结晶特点，因此，通过相图可以判断合金的使用性能和工艺性能，为正确地配制合金、选材和制定相应的工艺提供依据。返回下一页上一页2.4合金的结晶1.合金使用性能与相图的关系二元合金室温平衡组织主要有两种类型即单相固溶体与两相混合物，单相固溶体合金相图为匀晶相图。固溶体的性能与溶质元素溶入量有关，对一定的溶剂和溶质来说，溶质的溶入量越多，则合金的强度、硬度越高，电阻越大，电阻温度系数越小，并在某一成分下达到最大或最低值，如图2-26所示。因固熔强化对强度和硬度的提高有限，不能满足工程结构件对金属材料性能的要求，所以在生产中经常将固溶体作为合金的基底。返回下一页上一页2.4合金的结晶在两相混合物共晶相图中，成分在两相区内的合金结晶后，形成两相混合物。两相组织的力学性能和物理性能，随合金的成分变化而呈直线变化，由于共晶合金形成的是致密组织，其强度、硬度均显著提高，组织越致密，合金的性能提高的越显著，如图2-26所示。返回下一页上一页2.4合金的结晶2.合金的工艺性能与相图的关系

图2-27表示合金的铸造性能与相图的关系，纯组元或共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线与固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利，合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析倾向也大，同时先结晶的树枝晶阻碍未结晶液体的流动，增加分散缩孔，所以，铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，如发动机活塞多采用wsi=11%~13%铝硅铸造合金的共晶合金单相固溶体合金具有较好的塑性，其压力加工性能良好，但切削性能较差，当合金形成两相混合物时，合金的加工性能好于单相合金，但压力加工性能却不如单相固溶体。返回上一页图2-1晶体内部原子排列示意图返回图2-2晶体与晶胞示意图返回图2-3立方晶格中的晶面返回图2-4立方晶格中的晶向返回图2-5体心立方晶胞返回图2-6面心立方晶胞返回图2-7密排立方晶胞返回图2-8体及多晶体结构示意图返回(a)结构(b)多晶体结构图2-9点缺陷示意图返回图2-10刃型位错示意图返回图2-11面缺陷示意图返回图2-12转换固溶体结构示意图返回图2-13间隙固溶体结构示意图返回图2-14固溶体的晶格畸变返回图2-15碳体的晶体结构返回图2-16热分析装置示意图返回图2-17纯金属的冷却曲线返回图2-18纯金属结晶过程示意图返回图2-19枝晶生长示意图返回表2-1晶粒大小对纯铁力学性能的影响返回图2-20形核率和长大速度与过冷度的关系示意图返回图2-21Cu-Ni合金匀晶相图的绘制返回图2-22Pb-Sb合金共晶相图返回图2-23b合金I的结晶过程示意图返回图2-24PB-SB合金Ⅱ的结晶示意图返回图2-25PB-SB合金Ⅲ的结晶示意图返回图2-26合金使用性能与相图的关系返回图2-27合金的铸造性能与相图的关系返回第3章金属的塑性变形与再结晶3.1金属的塑性变形3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化3.4金属的热塑性变形加工3.1金属的塑性变形各种金属材料的板材、棒材、线材和型材都是经过轧制、挤压、冷拔、锻造、冲压等压力加工方法制成的，如图3-1所示，这些加工方法的特点是金属材料在外力的作用下，按一定设计要求发生永久性变形，同时在外力的作用下，金属的内部组织和性能也产生了变化。因此，利用金属材料的塑性变形原理，对于选择金属材料的加工工艺，提高产品强度、硬度要求，合理使用材料都有重大意义。下一页返回3.1金属的塑性变形3.1.1单晶体的塑性变形金属在外力作用下的变形可分为弹性变形、塑性变形和断裂3个连续过程。弹性变形的本质是外力克服了晶体原子间的作用力，使晶体原子间距发生了改变，当外力消除后，晶体原子间的作用力又使它们回到原来的平衡位置。金属恢复原来的形状，金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形当单晶体试样受拉力时，作用在晶体内一定的晶面上的外力F可分解为正应力σN和切应力τN，如图3-2所示，正应力σN可使晶格产生弹性伸长，如图3-3(b)所示，晶体在正应力σN作用下，原子间距c增大，由于原子间的引力抵抗拉力，所以，当撤除外力，原子在引力的作用下，恢复原来的位置。如果正应力超过原子间的引力，则晶体就产生断裂，如图3-3(c)所示，故正应力的作用只能使晶体产生弹性变形，并直接过渡到脆性断裂，而小能产生塑性变形。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形如图3-4所示，当单晶体在切应力τN的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面上的晶向，相对另一部分发生滑动，产生滑动的现象称为滑移。能够产生滑移的晶面称为滑移面，能够产生滑移的晶向称为滑移方向，从图3-4可以看出，要使某一晶面滑动，作用在该晶面上的力必须是相互平行，方向相反的切应力，晶体滑移时，并不是整个滑移面上的全部原子一起移动，滑移面总是原子排列最密的晶面，而滑移方向也总是原子排列最密的方向，这是因为晶体中原子密度最大的晶面上，原子的结合力最强。而面与面之间的距离却最大，所以，面与面之间的结合力最弱，最容易滑动，同理，沿原子密度最大的方向滑动时，阻力也最小。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形滑移实质上是位错在滑移面上运动的结果。在外力作用下，晶体中出现位错，如图3-4(b)所示，位错的原子面受到前后两边原子的排斥，处于不稳定状态，只需加上很小的力就可以打破力的平衡，使位错及原子面移动很小的距离，如图3-4(c)(d)所示，在切应力的作用下，位错继续移动到晶体表面时，就形成了一个原子间距的滑移量，如图3-4(e)所示。大量位错移出晶体表面，就产生了宏观的塑性变形，不同晶格类型的金属其滑移面和滑移方向的数目是不同的。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形晶体中的一个滑移面和这个面上的一个滑移方向构成一个滑移系，如图3-5为锌单晶体滑移变形时的情况。一般来说，滑移面和滑移方向越多，即滑移系越多，滑移越容易进行，金属的塑性就越好。实验证明，在外力一定的条件下，滑移面与外力F的夹角ψ呈45°角时，滑移最容易产生，这种位向称为软位向，如图3-2所示，当滑移面与外力平行(ψ=0°)或垂直(ψ=90°)时，晶体不可能滑移，这种位向称为硬位向，使晶体开始滑移的最小应力，也就是滑移面内一定数量的位错移动时所需的切应力，称为临界切应力。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形临界切应力的大小取决于位错滑动时所要克服的阻力，即由晶体内位错的密度及分布特征决定的。如果晶体内存在少量适当的位错，晶体的强度、硬度就较低，滑移就易于进行，但是，当位错数量超过一定范围后，由于位错密度增加，位错之间及位错与其他缺陷之间构成的相互牵制作用反而增大，造成位错运动受阻，结果晶体的强度和硬度反而增大，金属材料的冷加工硬化现象就是在加工过程中，金属晶体内位错密度增大导致金属材料硬化，影响晶体临界切应力的因素还有金属的类型、成分、温度和变形速度等。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形3.1.2多晶体的塑性变形大多数金属材料是由多晶体组成的，多晶体是由大量位相不同的晶粒组成的，所以多晶体变形除了具有单晶体塑性变形的特征外，晶粒间的相互作用等因素，使塑性变形变得更加复杂。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形1.晶粒位向对变形的影响由于多晶体中各晶粒的位向不同，其滑移系与外力的取向也各不相同，不同位向的晶粒和同一晶粒内不同的滑移系获得的应力状态和应力大小也各不相同，所以变形的先后顺序和变形量也是不同的，由于相邻晶粒之间存在位向差，当一个晶粒发生变形时，周围的晶粒如果不发生塑性变形，则必须产生弹性变形与之协调，使多晶体的塑性变形呈逐步扩展和不均匀形式，其结果之一就是产生内应力。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形2.晶界对变形的影响多晶体是通过晶界结合成一个整体，晶界原子排列比较紊乱，阻碍位错的移动，因而阻碍了滑移，如图3-6所示为两个晶粒试样进行拉伸变形时，变形后的试样呈竹节状，这说明晶界附近抵抗变形阻力大，所以，晶界越多，晶体的塑性变形抗力越大。下一页返回上一页3.1金属的塑性变形3.晶粒大小的影响在单位体积的晶体内，晶粒的数目越多，晶粒就越细小，不同位向的晶粒也越多，晶界就越多，因而塑性变形抗力也越大。在同样变形条件下，变形量分散在更多的晶粒内进行，使各晶粒的变形比较均匀。同时，晶粒越细，晶界越多、越曲折，则有利于阻碍裂纹的传播，从而在断裂前承受较大的塑性变形。所以细晶粒金属具有较好的强度、塑性和韧性。综上所述，多晶体的塑性变形是在各晶粒相互影响、相互制约的条件下，从少量晶粒开始，分批进行，逐步扩大到其他晶粒，以不均匀的变形逐步发展到均匀变形的过程。返回上一页3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响3.2.1金属组织和结构的变化1.晶粒变形金属在外力作用下，产生塑性变形，同时，内部晶粒的形状也发生变化，通常是晶粒沿变形方向被拉长或压扁，如图3-7所示。金属变形度与晶粒变形度成正比，当金属变形到一定程度时，晶粒则沿着变形方向被拉成长条形组织，被称为纤维组织，同时，由于晶粒的变形，金属的性能产生各向异性，其沿纤维方向的强度和塑性明显大于垂直方向。下一页返回3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响2.亚结构的形成在金属少量变形时，位错的分布尚均匀，当变形量增大时，由于位错运动和相互牵制作用，有的晶粒内部破碎成许多位向差小于1°的小晶块称为亚晶粒，这种结构称为亚结构亚晶粒的边界是晶格畸变区，堆集有大量的位错，所以亚结构越多，形成的亚晶界也越多，亚结构的多少决定着晶体的变形抗力的大小，这是导致加工硬化的主要原因。如图3-8所示。下一页返回上一页3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响3.产生形变织构在多晶体金属变形量大于70%时，原来位向不同的各个晶粒的取向会大致趋于一致，这种现象称为择优取向，形成的有序化结构称为形变织构，如图3-9所示。拔丝时形成的织结构为丝织构，其特征是各个晶粒的某一晶向平行于拉拔方向。轧制时形成的织结构为板织构，其特征是不仅某一晶面平行于轧制平面，而且某一晶向也平行于轧制方向。金属中形变织构的形成，使其性能呈现出明显的各向异性，如用有形变织构的板材冲制桶形零件时，由于板材各个方向上的塑性差别很大，深冲后零件的边缘参差不齐，产生制耳现象，如图3-10所示。下一页返回上一页3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响4.加工硬化加工硬化也称形变强化或冷作硬化，它主要是金属在塑性变形过程中，亚晶粒增多，位错密度增加，晶格畸变加剧，因而增加了滑移阻力，使金属强度提高，而塑性、韧性下降，如图3-11所示。例如18-8型奥氏体不锈钢，变形前强度σ0.2=196MPa，经40%轧制变形后σ0.2=784~980MPa，抗拉强度也提高了一倍。此外，加工硬化还能使金属各部分相继发生塑性变形，使变形更加均匀，如图3-12所示冷冲压过程中，由于r处变形最大，当金属在r处变形到一定程度时，首先产生形变强化，使随后的变形转移到其他部分，这样就可得到壁厚均匀的冲压件。下一页返回上一页3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响加工硬化还会使金属某些物理、化学性能发生变化，如电阻增大，化学活性增大，耐蚀性降低及加工件继续变形困难等，因此在冷加工过程中，必须进行中间热处理来消除加工硬化现象。下一页返回上一页3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响3.2.2冷塑性变形引起的残余内应力当除去外力后，大约有10%的能量转化为内应力残留在金属内部，这些残留于金属内部且平衡于金属内部的应力称为残余内应力，内应力分三种类型。下一页返回上一页3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响(1)宏观内应力(第一类内应力)金属在塑性变形时，由于各部分变形不均匀，使整个工件或在较大的宏观范围内(如表层或心部)产生的残余内应力，其应力只占残余内应力的1%,该类残留内应力比例虽然不大，但当放置一段时间后，因其松弛或应力重新分布而引起自动变形，严重时引起工件开裂。下一页返回上一页3.2冷塑性变形对金属组织与性能的影响(2)微观内应力(第二类内应力)金属在塑性变形后，由于晶粒间或晶粒内各亚晶粒之间因变形不均匀而形成的微观内应力，占残余内应力的10%以内，这类内应力可使金属产生晶间腐蚀，所以塑性变形后用退火处理来消除或降低这部分内应力。(3)晶格畸变(第三类内应力)冷塑性变形后，晶体内产生大量的位错和空位及晶格畸变，由晶格畸变产生的内应力为晶格畸变应力，占残留内应力的90%左右，它使金属的强度、硬度升高，塑性下降。返回上一页3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化金属冷塑性变形后，组织结构发生了变化，残留内应力使金属处于不稳定状态，为了恢复和改善金属的物理、化学和力学性能，对金属进行加热，随着加热温度的提高，金属原子活动能力的增强就会发生一系列组织与性能的变化，这种变化可分为回复、再结晶及晶粒长大三个阶段，如图3-13所示。下一页返回3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化3.3.1回复回复阶段指加热温度不高时，由于原子扩散能力不很大，只能作短距离扩散，使晶格畸变程度大为减轻，这个阶段称为回复。当冷塑性变形后的金属经加热到一定温度后，通过空位与间隙原子化合，异号刃型位错的结合等过程使晶格缺陷数目减少，这些缺陷也可能扩散到位错、晶界或表面等处然后消失。下一页返回上一页3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化随着温度的升高，回复出现了多边化，冷塑性变形后由于同号刃型位错在滑移面上塞积而导致点阵弯曲的晶体，如图3-14(a)所示，在加热过程中通过位错的攀移和滑移，如图3-14(b)所示，使同号刃型位错沿垂直于滑移面的方向排列成小角度的亚晶界的过程称为多边化，如图3-14(c)所示。下一页返回上一页3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化经过回复处理的冷塑性变形后的金属，显微组织不发生明显变化，仅强度和硬度略有降低，塑性略有增大，而残余应力则显著下降。如经深冲工艺制成的黄铜(含30%Zn)弹壳，放置一段时间后会自动发生晶间开裂(称季裂)，经研究发现是冷加工后残余应力的作用，而解决的办法就是在加工后用加热260℃进行去应力退火的方法予以解决。冷拔钢丝弹簧加热到250℃~300℃，青铜丝弹簧加热到120℃~1500C，就是进行回复处理，使弹簧的弹性增强，同时消除加工带来的内应力。下一页返回上一页3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化3.3.2再结晶当冷塑性变形后的金属加热到比回复阶段更高的温度后，由于原子活动能力的增强，使被拉长成纤维状或破碎的晶粒全部转变成均匀而细小的等轴晶粒，这个过程称为再结晶，当再结晶的晶粒全部变成均匀而细小的等轴晶粒后，再结晶过程即结束。再结晶过程首先是在晶粒碎化最严重的地方产生新晶粒的核心，通过生核和晶核长大方式进行的，再结晶生成的新晶粒的晶格类型与冷塑性变形前金属的晶格类型完全一样。下一页返回上一页3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化再结晶温度为冷塑性变形金属开始产生再结晶现象的最低温度。生产上常规定金属经过大于70%的冷塑性变形后，在1h内能完成再结晶的最低温度称为再结晶温度T再。影响再结晶温度有下列因素。变形度越大，金属畸变能越高，再结晶的驱动力就越大，所以，再结晶温度就越低，如图3-15所示。当变形量达到一定值后，再结晶温度就趋于某一恒定值，称为最低再结晶温度。见表3-1为几种金属与合金的再结晶温度。下一页返回上一页3.3冷变形金属在加热时组织与性能的变化大量实验结果表明，各种纯金属再结晶温度T再与该纯金属熔点之间存在如下关系，T再=(0.35~0.40)T熔，当金属中含有少量合金元素或微量杂质时，会阻碍原子的扩散和晶界的迁移，显著提高再结晶温度，如高纯度铝(99.999%)的T再是是80℃，而工业纯铝(99.0%)的T再提高到了290℃。由于再结晶后晶粒内部晶格畸变消失，位错密度下降，残余应力与加工硬化现象也完全消失，金属性能恢复到冷塑性变形前的状态。在