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第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识1.1 金属材料的性能金属材料的性能1.2 金属材料的结构金属材料的结构1.3 金属材料的结晶金属材料的结晶1.4 铁碳合金相图铁碳合金相图本章小结本章小结习题习题第1章 金属材料基础知识1.1 金属材料的性能金属材料的性能材料是人类生产和生活的物质基础。材料的种类很多,其中用于机械制造的各种材料 为机械工程材料。机械工程材料是用以制造各种机械零件的材料的统称,通常分为金属材 料和非金属材料两大类。第1章 金属材料基础知识金属材料包括黑色金属(铁金属)材料和有色金属(非铁金属)材料。有色金属用量虽只占金属材料的5%,但由于它具有良好的导热性、导电性,以及优异的化学稳定性和高的 比强度等,因而在机械工程中占有重要的地位。非金属材料又可分为无机非金属材料、有 机高分子材料和复合材料。其中,属于无机非金属材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石 墨材料、石棉等;属于有机高分子材料的有合成橡胶、合成树脂、合成纤维等;此外,还有 由两种或多种不同材料组合而成的复合材料,这种材料由于复合效应具有比单一材料优越 的综合性能,现已成为一类新型的工程材料。第1章 金属材料基础知识1.1.1 材料的力学性能材料的力学性能 材料常用的力学性能指标有强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳极限等。1.材料的强度材料的强度 强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。工程上常用的静拉伸强度判据 有比例极限p(弹性极限e)、屈服点极限s和强度极限b等。材料在外力作用下其强度和变形方面所表现出的力学性能,是强度计算和材料选用的 重要依据。在不同的温度和加载速度下,材料的力学性能将发生变化。第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识图11 拉伸试件第1章 金属材料基础知识低碳钢是工程上应用最广泛的材料,同时,低碳钢试件在拉伸试验中所表现出来的力 学性能最为典型。将试件装上试验机后,缓慢加载,直至拉断,试验机的绘图系统可自动 绘出试件在试验过程中工作段的变形和拉力之间的关系曲线图。以 和 分别为横坐标与 纵坐标,这样得到的曲线称为应力 应变图或曲线。图12为 Q235钢的 曲线,从图中可见,整个拉伸过程可分为以下四个阶段:第1章 金属材料基础知识图12 低碳钢拉伸应力 应变图第1章 金属材料基础知识第1阶段 弹性阶段。在试件拉伸的初始阶段,与的关系表现为直线OA,与成正比,直线的斜率为所以有这就是著名的胡克定律,式中E 为弹性模量,为材料的刚度性能指标。第1章 金属材料基础知识第2阶段 屈服阶段。当应力超过弹性极限时,曲线上将出现一个近似水平的锯齿形线段(见图12中 的BC 段),这表明应力在此阶段基本保持不变,而应变却明显增加。此阶段称为屈服阶段 或流动阶段。若试件表面光滑,则可看到其表面有与轴线大约呈45的条纹,称为滑移线,如图13(a)所示。在屈服阶段中,对应于曲线最高点与最低点的应力分别称为上屈服点 应力和下屈服点应力。通常,下屈服点应力值较稳定,故一般将下屈服点应力作为材料的 屈服点极限,用s表示。Q235钢的屈服点极限s240MPa。第1章 金属材料基础知识图13 屈服阶段缩颈阶段第1章 金属材料基础知识第3阶段 强化阶段。经过屈服阶段后,图12中CD 段曲线又逐渐上升,表示材料恢复了抵抗变形的能 力,且变形迅速加大,这一阶段称为强化阶段。强化阶段中的最高点D 对应的是材料所能 承受的最大应力,称为强度极限,用b 表示。强化阶段中,试件的横向尺寸明显缩小。Q235钢的强度极限b400MPa。第1章 金属材料基础知识第4阶段 缩颈阶段。在强化阶段,试件的变形基本是均匀的。过D 点后,变形集中在试件的某一局部范围 内,横向尺寸急剧减少,形成缩颈现象,如图13(b)所示。由于在缩颈部分横截面面积明 显减少,使试件继续伸长所需要的拉力也相应减少,故在曲线中,应力由最高点下降 到E 点,最后试件在缩颈段被拉断,这一阶段称为缩颈阶段或局部变形阶段。第1章 金属材料基础知识上述拉伸过程中,材料经历了弹性、屈服、强化和缩颈四个阶段。对应前三个阶段的 三个特征点,其相应的应力值依次为比例极限p、屈服点极限s和强度极限b。对低碳钢 来说,屈服点极限和强度极限是衡量材料强度的主要指标。第1章 金属材料基础知识2.材料的塑性材料的塑性 试件拉断后,材料的弹性变形消失,塑性变形则保留下来,试件长度由原长l变为l1,试件拉断后的塑性变形量与原长之比以百分比表示,即式中:为断后伸长率;l为试件原始标距;l1为试件拉断后的标距。第1章 金属材料基础知识衡量材料塑性变形程度的另一个重要指标是断面收缩率。设试件拉伸前的横截面面 积为A,拉断后断口横截面面积为A1,以百分比表示的比值,即称为断面收缩率。断面收缩率越大,材料的塑性越好,Q235钢的断面收缩率约为50%。第1章 金属材料基础知识3.材料的硬度材料的硬度 硬度实际上是指一个小的金属表面或很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或破裂的 一种抗力。因此,硬度不是一个单纯的确定的物理量,不是基本的力学性能指标,而是一 个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标,所以硬 度所表示的量不仅取决于材料本身,而且取决于试验方法和试验条件。第1章 金属材料基础知识硬度试验方法很多,一般可分为三类,有:压入法,如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、显微硬度;划痕法,如莫氏硬度;回跳法,如肖氏硬度等。目前机械制造生产 中应用最广泛的硬度试验方法是布氏硬度、洛氏硬度和 维氏硬度。第1章 金属材料基础知识1)布氏硬度 布氏硬度的测定原理是用一定大小的试验力F(N),把直径为D(mm)的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属 的表面(见图14),保持规定时间后卸除试验力,用读数 显微镜测出压痕平均直径d(mm),然后按公式求出布氏 硬度 HB值,或者根据d 从已备好的布氏硬度表中查出 HB值。布氏硬度的计算公式为第1章 金属材料基础知识由于金属材料有硬有软,被测工件有厚有薄、有大有小,如果只采用一种标准的试验 力F 和压头直径D,就会出现对某些材料和工件不适应的现象。因此,在生产中进行布氏 硬度试验时,要求能使用不同大小的试验力和压头直径。当对同一种材料采用不同的F 和 D 进行试验时,能否得到同一布氏硬度值,关键在于压痕几何形状的相似性,即可建立F 和D 的某种选配关系,以保证布氏硬度的不变性。第1章 金属材料基础知识用淬火钢球作压头测得的硬度值以符号 HBS表示,用硬质合金球作压头测得的硬度 值以符号 HBW 表示。符号 HBS和 HBW 之前的数字为硬度值,符号后面依次用相应数值注明压头球体直径(mm)、试验力(0.102N)、试验力保持时间(s)(1015s不标注)。例 如:500HBW5/750表示用直径5mm 硬质合金球在7355N 试验力作用下保持1015s 测得的布氏硬度值为500;120HBS10/1000/30表示用直径10mm 的钢球压头在9807N 试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度试验规范见表11。第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识2)洛氏硬度 洛氏硬度试验是目前应用最广的性能试验方法,它是采用直接测量压痕深度来确定硬 度值的方法。洛氏硬度试验原理如图15所示。它是用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm(1/16英寸)的淬火钢球作压头,先施加初试验力F F2,其总试验力为F=F1+F2(588N、980N、1471N)。第1章 金属材料基础知识图 15 洛氏硬度试验原理示意图第1章 金属材料基础知识为了能用一种硬度计测定从软到硬的材料硬度,采用了不同的压头和总试验力组成几种不同的洛氏硬度标度,每一个标度用一个字母在洛氏硬度符号 HR 后加以注明。我国常 用的洛氏硬度是 HRA、HRB、HRC三种,试验条件(GB/T230.1-2004)及应用范围见表 12。洛氏硬度值标注方法为在硬度符号前面注明硬度数值,例如52HRC、70HRA 等。第1章 金属材料基础知识第1章 金属材料基础知识洛氏硬度 HRC可以用于硬度很高的材料,操作简便迅速,而且压痕很小,几乎不损伤 工件表面,故在钢件热处理质量检查中应用最多。但由于它的压痕小,因此硬度值代表性 差些。若材料有偏析或组织不均匀的情况,则所测硬度值的重复性较低,故需在试样不同 部位测定三点,取其算术平均值。第1章 金属材料基础知识4.材料的冲击韧度材料的冲击韧度 机械零部件在使用过程中不仅受到静载荷或变动载荷的作用,而且会受到不同程度的 冲击载荷作用,如锻锤、冲床、铆钉枪等。在设计和制造受冲击载荷的零件和工具时,还必 须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。目前最常用的冲击试验方法是摆锤式一次冲击试验,其试验原理如图16所示。第1章 金属材料基础知识图 16 冲击试验原理图第1章 金属材料基础知识将待测定的材料先加工成标准试样,然后放在试验机的机架上,试样缺口背向摆锤冲 击方向;将具有一定重量W 的摆锤举至一定高度H1,使其具有势能(WH1),然后摆锤落 下冲击试样;试样断裂后摆锤上摆到 H2高度。在忽略摩擦和阻尼等条件下,摆锤冲断试样 所做的功,称为冲击吸收功,以AK表示,则有AK=WH1-WH2=W(H1-H2),用试样 的断口处截面积SN去除AK即得到冲击韧度,用aK表示,单位为J/cm2,表达式为第1章 金属材料基础知识试验表明,对一般常用钢材来说,所测冲击吸收功AK越大,材料的韧性越好。试验还表明,冲击韧度值aK随温度的降低而减小,在某一温度范围内材料的aK值急剧下降。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。长期生产实践证明AK、aK 值对材料的组织缺陷十分敏感,能灵敏地反映材料品质、宏观缺陷和显微组织方面的微小变化,因而冲击试验是生产上用来检验冶炼和热加工质量 的有效办法之一。第1章 金属材料基础知识5.材料的疲劳极限材料的疲劳极限 许多机械零件(如轴、齿轮、弹簧等)和许多工程结构都是在交变应力作用下工作的,它们工作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。材料在循环应力和应变作用下,在 一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的 过程称为材料的疲劳。第1章 金属材料基础知识在交变载荷下,金属材料承受的交变应力()和断裂时应力循环次数(N)之间的关系,通常用疲劳曲线来描述,如图1 7所示。若金属材料承受的最大交变应力越大,则断裂 时应力循环次数 N 越小;反之若越小,则 N 越大。当应力低于某值时,应力循环到无数 次也不会发生疲劳断裂,此应力值称为材料的疲劳极限,以D表示。第1章 金属材料基础知识图 17 疲劳曲线示意图第1章 金属材料基础知识常用钢铁材料的疲劳曲线形状有明显的水平部分,如图18(a)所示。其他大多数金 属材料的疲劳曲线上没有水平部分,如图18(b)所示,在这种情况下,规定某一循环次数 N0断裂时所对应的应力作为条件疲劳极限,以N 表示。图 18 两种类型疲劳曲线第1章 金属材料基础知识通常材料疲劳性能的测定是在旋转弯曲疲劳实验机上进行的,具体试验方法请参阅 GB/T4337-2008金属材料疲劳试验旋转弯曲方法。试验规范规定各种金属材料指定寿 命(循环基数)N0(如合金钢的循环基数为107,低碳钢的循环基数为5106),应力循环次 数达到 N0次仍不发生疲劳破坏,此时的最大应力可作为疲劳极限。通常这种在对称应力 循环条件下的纯弯曲疲劳极限用-1表示。第1章 金属材料基础知识由于疲劳断裂通常是从机件最薄弱的部位或内、外部缺陷所造成的应力集中处发生 的,因此疲劳断裂对许多因素很敏感。例如,循环应力特性、环境介质、温度、机件表面状 态、内部组织缺陷等,这些因素导致疲劳裂纹的产生或加速裂纹扩展而降低疲劳寿命。为了提高机件的疲劳抗力,防止疲劳断裂事故的发生,在进行机件设计和加工时,应 选择合理的结构形状,防止表面损伤,避免应力集中。由于金属表面是疲劳裂纹易于产生 的地方,而实际零件大部分都承受交变弯曲或交变扭转载荷,表面处应力最大,因此,表 面强化处理就成为提高疲劳极限的有效途径。第1章 金属材料基础知识1.1.2 材料的物理性能材料的物理性能 金属材料的物理性能主要包括比重、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、磁性等。由于 机械零件的用途不同,因此对金属材料的物理性能要求也有所不同。例如,飞机零件是用 比重小、强度高的铝合金制造而成的,这样可以增加有效载重量;制造内燃机的活塞,要 求材料具有较小的热膨胀系数;制造变压器用的硅钢片,要求具有良好的磁性。第1章 金属材料基础知识金属材料的一些物理性能,对热加工工艺也有一定的影响。例如,导热性对热加工具 有十分重要的意义。在进行铸造、锻造、焊接或热处理时,由于导热性的缘故,金属材料在 加热或冷却过程中产生内外温度差,导致各部位不同的膨胀或收缩量,产生内应力,从而 引起金属材料的变形和裂纹。因此,对于导热性差的金属材料(如合金钢,尤其是高合金 钢),应采取适当的措施,避免急剧的加热或冷却,防止材料产生裂纹;在铸造中,对于熔 点不同的材料,所选择的浇注温度也应有所不同。第1章 金属材料基础知识1.1.3 材料的化学性能材料的化学性能 化学性能是指金属材料在常温或高温条件下,抵抗外界介质对其化学侵蚀的能力。它 主要包括耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。一般金属材料的耐酸性、耐碱性和抗氧化性都是很差的,为了满足化学性能的要求,必须使用特殊的合金钢及某些有色金属,或者使之与介质隔离。例如,化工设备、医疗器 械等采用不锈钢,工业用的锅炉、喷气发动机、汽轮机叶片等选用耐热钢。第1章 金属材料基础知识1.1.4 材料的工艺性能材料的工艺性能 金属材料加工成形常用的四种基本加工方法是:铸造、锻压、焊接和切削加工。通常 前三种加工方法称为热加工,而切削加工称为冷加工。金属材料的工艺性能包括加工工艺性能和热处理工艺性能。其中,加工工艺性能是指 材料加工成形的难易程度。按照加工工艺的不同,加工工艺性能又分为铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性等。工艺性能往往是由物理性能、化学性能和力学性能综合作用所决 定的,不能简单用一个物理参数来表示。第1章 金属材料基础知识1.铸造性铸造性 铸造性是指金属熔化成液态后,在铸造成形时所具有的特性。衡量金属铸造性的指标 有:流动性、收缩性和偏析倾向。金属材料中,铝合金、青铜的铸造性优于铸铁和铸钢,铸 铁的铸造性优于铸钢;铸铁中,灰铸铁的铸造性能最好。第1章 金属材料基础知识2.锻造性锻造性 锻造性是指金属材料在锻压加工时的难易程度。若材料的塑性好,变形抗力小,则锻 造性好;反之,则锻造性差。锻造性不仅与金属材料的塑性和塑性变形抗力有关,而且与 材料的成分和加工条件有关。如铜合金和铝合金在冷态下具有很好的锻造性;钢在高温下 的锻造性也比较好,碳钢比合金钢的锻造性好,低碳钢比高碳钢的锻造性好;青铜、铸铝、铸铁等几乎不能锻造。第1章 金属材料基础知识3.焊接性焊接性 焊接性是指金属材料是否容易用焊接的方法形成优良接头的性能。焊接性好的金属易 获得没有裂纹、气孔、夹渣等缺陷的焊缝,并且焊接接头具有一定的力学性能。导热性好、收缩小的金属材料焊接性都比较好,低碳钢和低合金高强度钢具有良好的焊接性,碳与合 金元素含量越高,焊接性越差。第1章 金属材料基础知识4.切削加工性切削加工性 切削加工性是指金属材料在切削加工时的难易程度。切削加工性好的金属材料对切削 刀具的磨损量小,切削用量大,加工表面的粗糙度数值小。切削加工性能的好坏与金属材 料的成分、硬度、导热性、内部组织结构、加工硬化等因素有关,尤其与硬度关系较大。材 料的硬度值在170230HBS最容易进行切削加工。一般铸铁、铜合金、铝合金及中碳钢 都具有较好的切削加工性,而高合金钢的切削加工性差。第1章 金属材料基础知识5.热处理工艺性热处理工艺性 材料的热处理工艺性是指材料的淬透性、淬硬性、变形开裂倾向、热处理介质的渗透 能力等。热处理能够提高和改善钢的力学性能,因此应充分利用热处理技术来发挥材料的 潜力。一般碳钢的淬透性差,淬火时易变形开裂,而合金钢的淬透性优于碳钢。第1章 金属材料基础知识1.2 金属材料的结构金属材料的结构工程材料的各种性能,尤其是力学性能,与其微观结构关系密切。物质都是由原子组 成的,原子的排列方式和空间分布称为结构。物质由液态转变为固态的过程称为凝固。大固体物质根据其原子排列情况分为两种形式,即晶体与非晶体。物质的结构可以通过 外界条件加以改变,这种改变为改善材料的性能提供了可能。第1章 金属材料基础知识1.2.1 金属材料的结合方式金属材料的结合方式1.结合键结合键 组成物质的质点(原子、分子或离子)之间通过某种相互作用而联系在一起,这种作用 力称为键。结合键对物质的性能有重大影响。通常结合键分为结合力较强的离子键、共价 键、金属键和结合力较弱的分子键与氢键。第1章 金属材料基础知识绝大多数金属元素是以金属键结合的。金属原子 结构的特点是外层电子少,金属中容易失去。当金属 原子相互靠近时,这些外层电子就脱离原子,成为自 由电子,为整个金属所共有。它们在整个金属内部运 动,形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间 相互作用而结合的方式称为金属键,其模型如图19 所示。第1章 金属材料基础知识图 19 金属键模型第1章 金属材料基础知识2.晶体与非晶体晶体与非晶体 当原子或分子通过结合键结合在一起时,依键性的不同以及原子或分子的大小可在空 间组成不同的排列,即形成不同的结构。化学键相同而结构不同时,材料的性能可以有很 大差别。原子或分子在空间有秩序地排列即形成晶体,而无序排列就是非晶体。第1章 金属材料基础知识1)晶体 几乎所有的金属、大部分陶瓷以及一些聚合物在其凝固时都要发生结晶,形成原子本 身在三维空间按一定几何规律重复排列的有序结构,这种结构称为晶体。晶体具有固定熔 点、各向异性等特性。2)非晶体 某些工程上常用的材料,包括玻璃、绝大多数的塑料和少数从液态快速冷却下来的金 属,还包括人们所熟悉的松香、沥青等,其内部原子无规则地堆垛在一起,这种结构为非 晶体。非晶体材料的共同特点是:结构无序,物理性质表现为各向同性;没有固定的熔点;导热率和热膨胀性均小;塑性形变大。第1章 金属材料基础知识3)晶体与非晶体的转化 非晶体结构从整体上看是无序的,但在有限的小范围内观察,还具有一定的规律性,即近程有序的;而晶体尽管从整体上看是有序的,但由于有缺陷,在很小的尺寸范围内也 存在着无序性。所以,两者之间尚有共同特点且可互相转化。物质在不同条件下,既可形 成晶体结构,又可形成非晶体结构。例如,金属液体在高速冷却下可以得到非晶态金属,玻璃经适当热处理可形成晶体玻璃。有些物质,可看成是有序和无序的中间状态,如塑料、液晶等。第1章 金属材料基础知识1.2.2 金属材料的结构特点金属材料的结构特点 1.晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念 实际晶体中的各类质点(包括离子、电子等)虽然都是在不停地运动着,但是通常在讨 论晶体结构时,把构成晶体的原子看成是一个个固定的小球,这些原子小球按一定的几何 形式在空间紧密堆积,如图110(a)所示。第1章 金属材料基础知识图 110 简单立方晶格与晶胞示意图第1章 金属材料基础知识为了便于描述晶体内部原子排列的规律,将每个原子视为一个几何质点,并用一些假 想的几何线条将各质点连接起来,便形成一个空间几何格架。这种抽象的用于描述原子在 晶体中排列方式的空间几何格架称为晶格,如图110(b)所示。由于晶体中原子做周期性 规则排列,因此可以在晶格内取一个能代表晶格特征的、由最少数目的原子构成的最小结 构单元来表示晶格,称为晶胞,如图110(c)所示,并用棱边长度a、b、c 和棱边夹角、来表示晶胞的几何形状及尺寸。不难看出,晶格可以由晶胞不断重复堆砌而成。通过 对晶胞的研究可找出该种晶体中原子在空间的排列规律。晶格类型不同,呈现出的力学性 能、物理性能和化学性能也就不同。第1章 金属材料基础知识2.三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构 在金属晶体中,约有90%属于三种常见的晶格类型,即体心立方晶格、面心立方晶格 和密排六方晶格。体心立方晶格的晶胞是一个立方体,在立方体的八个角上和晶胞中心各 有一个原 子,如 图 111 所 示,属 于 这 种 晶 格 类 型 的 金 属 有Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。第1章 金属材料基础知识图 111 体心立方晶胞示意图第1章 金属材料基础知识面心立方晶格和密排六方晶格示意图如图112和图113所示,属于面心立方晶格 类型的金属有Fe、Cu、Al、Ni、Ag、Pb等,属于密排六方晶格类型的金属有 Mg、Zn、Be等。第1章 金属材料基础知识图112 面心立方晶胞示意图第1章 金属材料基础知识图113 密排六方晶胞示意图第1章 金属材料基础知识1.2.3 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 1.单晶体和多晶体单晶体和多晶体如果一块金属晶体,其内部的晶格位向完全一致,则称 为单晶体。金属的单晶体只能靠特殊的方法制得。实际使用 的金属材料都是由许多晶格位向不同的微小晶体组成的,称 为多晶体,如图114所示。第1章 金属材料基础知识图114 多晶体的晶粒与 晶界示意图第1章 金属材料基础知识2.晶体缺陷晶体缺陷 根据晶体缺陷 存 在 形 式 的 几 何 特 点,通 常 将 它 们 分 为 点 缺 陷、线 缺 陷 和 面 缺 陷 三 大类。1)点缺陷点缺陷 点缺陷是指在空间三个方向上晶格尺寸都很小的缺陷。最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子,如图115所示。晶格中某个原子脱离了平衡位置,形成了空结点,称为空位。某个晶格间隙中挤进了原子,称为间隙原子。缺陷的出现,破坏了原子间的平衡状态,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改变,如强度、硬度和电阻增加。第1章 金属材料基础知识图115 晶格点缺陷示意图第1章 金属材料基础知识2)线缺陷 线缺陷的特征是在晶体空间两个方向上晶格尺寸很小,而第三个方向的晶格尺寸很 大。属于这一类缺陷的主要是各种类型的位错。位错是一种很重要的晶体缺陷,它是晶体 中一列或数列原子发生有规律错排的现象。第1章 金属材料基础知识图116为简单立方晶体中的刃形位错几何模型,在晶体的 ABC 平面以上,多出一 个垂直半原子面,这个多余半原子面像刀刃一样垂直切入晶体,使晶体中刃部周围上下的 原子产生了错排现象。多余半原子面底边(EF 线)称为位错线。在位错线周围引起晶格畸 变,离位错线越近,畸变越严重。晶体中的位错不是固定不变的。当晶体中的原子发生热 运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时,位错在晶体中能够进行不同形式的运动,致使 位错密度及组态发生变化。位错的存在及其密度的变化对金属很多性能会产生重大影响。第1章 金属材料基础知识图116 刃形位错几何模型第1章 金属材料基础知识图117定性地表达了金属强度与位错密度之间 的关系。图中的理论强度是根据原子结合力计算出的 理想晶体的强度值。如果用特殊方法制成几乎不含位 错的晶须,其强度接近理论计算值。一般金属的强度 由于位错的存在较理论值约低两个数量级,此时金属 易于进行塑性变形。但随着位错密度的增加,位错之 间的相互作用和制约使位错运动变得困难起来,金属 的强度会逐步提高。当缺陷增至趋近百分之百时,金 属将失去规则排列的特征,而成为非晶态金属,这时 金属也显示出很高的强度。可见,增加或降低位错密度都能有效提高金属的强度。目前,在生产中一般是采用增加位错密度的方法(如冷塑性 变形)等来提高金属强度的。第1章 金属材料基础知识图117 金属强度与位错密度的关系第1章 金属材料基础知识3)面缺陷 面缺陷特征是在一个方向上晶格尺寸很小,而另两个方向上晶格尺寸很大,主要指晶 界和亚晶界。晶界处的原子排列与晶内是不同的,晶界处的原子要同时受到其两侧晶粒不 同位向的综合影响,所以晶界处原子排列是不规则的,是从一种取向到另一种取向的过渡 状态,如图 118(a)所示。在一个晶粒内部,还可能存在许多更细小的晶块,它们之间晶 格位向差很小,通常小于23,这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界,如图118(b)所示。第1章 金属材料基础知识图118 面缺陷示意图第1章 金属材料基础知识1.2.4 合金的晶体结构合金的晶体结构 由于纯金属的力学性能较低,所以工程上应用最广泛的是各种合金。合金是由两种或 两种以上的金属元素,或金属和非金属元素组成的具有金属性质的物质。如黄铜是铜和锌 的合金,钢是铁和碳等的合金。对合金而言,其结构及影响性能的因素更为复杂。下面以 合金中的基本相为重点介绍合金的结构。组成合金的最基本的独立物质称为组元。组元可以是金属元素、非金属元素和稳定的 化合物。根据组元数的多少,可分为二元合金、三元合金等。第1章 金属材料基础知识所谓相,是金属或合金中具有相同成分、相同结构,并以界面相互分开的各个均匀组 成部分。若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的,则各晶粒虽由界面分开,却 属于同一种相;若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒所构成的,则它们将属于不同 的几种相。金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相,叫做相变。例如,纯铜 在熔点温度以上或以下,分别为液相或固相,而在熔点温度时为液、固两相共存。第1章 金属材料基础知识用金相观察方法,在金属及合金内部看到的组成相的种类、大小、形状、数量、分布及 相间结合状态称为组织。只有一种相组成的组织为单相组织;由两种或两种以上相组成的 组织为多相组织。合金的基本相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。第1章 金属材料基础知识1.固溶体固溶体 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。根据溶质原子在 溶剂晶格中占据的位置,可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体,如图119所示。由于溶质原子的溶入,会引起固溶体晶格发生畸变,使合金的强度、硬度提高。这种 通过溶入原子,使合金强度和硬度提高的方法叫固溶强化。固溶强化是提高材料力学性能 的重要强化方法之一。第1章 金属材料基础知识图1 19 固溶体结构示意图第1章 金属材料基础知识2.金属化合物金属化合物金属化合物是合金元素间发生相互作用而生成 的具有金属性质的一种新相,其晶格类型和性能不 同于合金中的任一组成元素,一般可用分子式来表 示。金属化合物一般具有复杂的晶体结构,熔点高,硬而脆。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。金属化合物是各种合金钢、硬质合 金及许多非铁金属的重要组成相。金属化合物也可 以溶入其他元素的原子,形成以金属化合物为基的 固溶体。Fe3C是铁与碳相互作用形成的一种金属化 合物,称为渗碳体。图120是渗碳体的晶体结构,碳质量分数wC=6.69%。第1章 金属材料基础知识图120 渗碳体结构示意图第1章 金属材料基础知识合金组织可以是单相的固溶体组织,但由于其强度不高,应用受到了一定的限制,因此 多数合金是由固溶体和少量金属化合物组成的混合物。人们可以通过调整固溶体的溶解度和 分布于其中的化合物的形状、数量、大小和分布来调整合金的性能,以满足不同的需要。第1章 金属材料基础知识1.3 金属材料的结晶金属材料的结晶1.3.1 结晶的基本概念结晶的基本概念 物质由液态转变为固态的过程称为凝固,如果通过凝固形成晶体结构,则又称为结 晶。晶体物质都有一个平衡结晶温度(熔点),液体低于这一温度时才能结晶,固体高于这 一温度时便发生熔化。在平衡结晶温度,液体与晶体同时共存,处于平衡状态。非晶体物质无固定的凝固温度,凝固总是在某一温度范围内逐渐完成。第1章 金属材料基础知识纯金属的实际结晶过程可用冷却曲线来描述。冷却曲线是温度随时间而变化的曲线,是 用热分析法测绘的。从图121冷却曲线可以看出,液态金属随时间冷却到某一温度时,在 曲线上出现一个平台,这个平台所对应的温度就是纯金属的实际结晶温度。因为结晶时放出 结晶潜热,补偿了此时向环境散发的热量,使温度保持恒定,结晶完成后,温度继续下降。第1章 金属材料基础知识图121 纯金属结晶时的冷却曲线第1章 金属材料基础知识由热力学第二定律可以证明,在等温等容(体积不变)条件下,一切自发变化过程都是 朝着自由能降低的方向进行。自由能是受温度、压力、容积多因素影响的物质状态函数,从其物理意义来说,是指在一定条件下物质中能够自动向外界释放做功的那一部分能量。由于液体和晶体的结构不同,同一物质的液体和晶体在不同温度下的自由能变化是不同 的,如图122所示。当温度为T0时,液体和晶体自由能相等,二者处于平衡状态。T0就 是平衡结晶温度,即理论结晶温度。当温度低于T0时,即有一定过冷度,晶体的自由能低 于液体,这时结晶可以自发进行。过冷度 T 越大,液体和晶体的自由能差的绝对值 E 越大,结晶倾向越大。第1章 金属材料基础知识图122 液体和晶体自由能E 随温度变化曲线第1章 金属材料基础知识1.3.2 晶核的形成及长大过程晶核的形成及长大过程 科学实验证明,结晶是晶体在液体中从无到有(晶核形成),由小变大(晶核长大)的过程。在从高温冷却到结晶温度的过程中,液体内部在一些微小体积中原子由不规则排列向 晶体结构的规则排列逐渐过渡,即随时都在不断产生许多类似晶体中原子排列的小集团。这些小集团的特点是尺寸较小、极不稳定、时聚时散;温度越低,尺寸越大,存在的时间越 长。这种不稳定的原子排列小集团是结晶中产生晶核的基础。第1章 金属材料基础知识如图123所示,当第一批晶核形成后,晶核的形成与长大这两个过程是同时进行着 的,直至每个晶核长大到互相接触,而每个长大了的晶核也就成为一个晶粒。第1章 金属材料基础知识图123 金属结晶过程示意图第1章 金属材料基础知识晶核长大受过冷度影响,当过冷度较大时,金属晶体常以树枝状方式长大。在晶核开 始成长初期,因其内部原子规则排列的特点,故外形大多是比较规则的。但随着晶核的长 大,形成了棱角,棱角处的散热条件优于其他部位,因而可以优先长大,如树枝一样先长 出枝干,称此为一次晶轴。在一次晶轴伸长和变粗的同时,在其侧面棱角处会长出二次晶 轴,随后又可出现三次晶轴、四次晶轴。图124示意地表示树枝状晶体的形状。相邻的树 枝状骨架相遇时,树枝骨架停止扩展,每个晶轴不断变粗,长出新的晶轴,直到枝晶间液 体全部消失,每一枝晶成长为一个晶粒。第1章 金属材料基础知识图124 树枝状晶体示意图第1章 金属材料基础知识1.3.3 晶粒大小晶粒大小 金属结晶后,获得由许多晶粒组成的多晶体组织。晶粒的大小对金属的力学性能、物 理性能和化学性能均有很大影响。细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好,而粗晶粒金 属的耐蚀性好。作为软磁材料的纯铁,其晶粒越粗大,则磁导率越大,磁滞损耗减少。为了提高金属材料的力学性能,必须了解晶粒大小的影响因素及控制方法。第1章 金属材料基础知识在实际生产中,对于铸锭或大铸件,由于散热慢,要获得较大的过冷度很困难,而且 过大的冷却速度往往导致铸件开裂而造成废品。为了获得细晶粒组织,浇注前在液态金属 中加入少量的变质剂,促使形成大量非自发晶核,提高形核率 N,这种细化晶粒的方法称 为变质处理。变质处理在冶金和铸造生产中应用十分广泛,如钢中加入铝、钛、钒、硼等,铸铁中加入硅钙等,铸造铝硅合金中加入钠盐等。另外,在金属结晶时,对液态金属采取机械振动、超声波振动、电磁波振动等措施,造 成枝晶破碎,使晶核数量增大,也能使晶核细化。第1章 金属材料基础知识1.4 铁碳合金相图铁碳合金相图钢铁材料是工业生产和日常生活中应用最广泛的金属材料,钢铁材料的主要组元是铁 和碳,故称铁碳合金。铁碳相图是研究在平衡状态下铁碳合金成分、组织和性能之间的关 系及其变化规律的重要工具。掌握铁碳相图对于制订钢铁材料的加工工艺具有重要的指导 意义。第1章 金属材料基础知识1.4.1 铁碳合金的基本组元与基本相铁碳合金的基本组元与基本相 1.纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 大多数金属在结晶后晶格类型不再发生变化,但少数金属,如铁、钛、钴等在结晶后 晶格类型会随温度的变化而发生变化。这种同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结 构,当温度等外界条件变化时晶格类型发生转变的现象称为同素异构转变。同素异构转变 是一种固态转变。图125是纯铁在常压下的冷却曲线及晶体结构变化。第1章 金属材料基础知识图125 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化第1章 金属材料基础知识2.铁碳合金的基本相及其性能铁碳合金的基本相及其性能 在液态下,铁和碳可以互溶成均匀的液体。在固态下,碳可有限地溶于铁的各种同素 异构体中,形成间隙固溶体。当含碳量超过相应温度固相的溶解度时,会析出具有复杂晶 体结构的金属化合物渗碳体。铁碳合金的相结构及性能介绍如下:(1)液相。铁碳合金在熔化温度以上形成的均匀液体称为液相,常以符号 L表示。第1章 金属材料基础知识(2)铁素体。碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体,通常以符号 F表示。碳 在Fe中 的 溶 解 度 很 低,在 727 时 溶 解 度 最 大,为 0.0218%,在 室 温 时 几 乎 为 零(0.0008%)。铁素体的力学性能几乎与纯铁相同,其强度和硬度很低,但具有良好的塑性 和韧性。其力学性能为:b=180280MPa,=30%50%,k=160200J/cm2,50 80HBS。工业纯铁(wC0.02%)在室温时的组织即由铁素体晶粒组成。第1章 金属材料基础知识(3)奥氏体。碳溶于Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体,通常以符号 A 表示。碳 在Fe中的溶解度也很有限,但比在Fe中的溶解度大得多。在1148时,碳在奥氏 体中的溶解度最大,可达2.11%,随着温度的降低,溶解度也逐渐下降,在727时,奥氏 体的含碳量wC=0.77%。奥氏体的硬度不高,易于塑性变形。第1章 金属材料基础知识(4)渗碳体。渗碳体是一种具有复杂晶体结构的金属化合物。它的分子式为 Fe3C,渗 碳体的含碳量为6.69%。在Fe Fe3 C相图中,渗碳体既是组元,又是基本相。渗碳体的硬 度很高,约为800HBW,而塑性和韧性几乎等于零,是一个硬而脆的相。渗碳体是铁碳合 金中主要的强化相,它的形状、大小与分布对钢的性能有很大影响。第1章 金属材料基础知识1.4.2 FeFe3C合金相图分析合金相图分析 FeFe3C 相图如图126所示。图中左上角部分实际应用较少,为了便于研究和分 析,将此部分作以简化。简化的 FeFe3 C相图如图127所示。第1章 金属材料基础知识图126 FeFe3 C相图第1章 金属材料基础知识简化的 FeFe3 C相图可视为由两个简单相图组合而成。图127中的右上半部分为 共晶转变(在一定条件下,一种液相同时结晶出两种固相的转变)类型的相图,左下半部分 为共析转变(在一定条件下,一种固相同时析出两种固相的转变)类型的相图。第1章 金属材料基础知识图127 简化后的 Fe Fe3 C相图第1章 金属材料基础知识1.主要特点主要特点(1)A 点和D 点。A 点是铁的熔点(1538);D 点是渗碳体的熔点(1227)。(2)G 点。G 点是铁的同素异构转变点,温度为912。铁在该点发生面心立方晶格与 体心立方晶格的相互转变。(3)E 点 和 P 点。E 点 是 碳 在Fe 中 的 最 大 溶 解 度 点,wC=2.11%,温 度 为 1148;P 点是碳在Fe中的最大溶解度点,wC=0.0218%,温度为727。(4)Q 点。Q 点是室温下碳在Fe中的溶解度,wC=0.0008%。第1章 金属材料基础知识(5)C 点。C 点为共晶点,液相在1148同时结晶出奥氏体和渗碳体,此转变称为共 晶转变。共晶转变的表达式为共晶转变的产物称为莱氏体,它是奥氏体和渗碳体组成的机械混合物,用符号 Ld 表示。第1章 金属材料基础知识(6)S 点。S 点为共析点,奥氏体在727同时析出铁素体和渗碳体,此转变称为共析 转变。共析转变的表达式
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