金属材料学基础理论知识

金属材料学基础理论知识金属学基本知识金属是指具有良好的导电性和导热性、有一定的强度和韧性、并具有特殊金属光泽的物质。金属材料是由金属元素或以金属元素为主，其它金属或非金属元素为辅构成的，并具有金属特性的工程材料，它包括纯金属和合金。第一节金属材料及分类1按其最高价氧化物的颜色分黑色金属---包括铁、铬、锰三种。有色金属---除黑色金属以外的其它金属称为有色金属。如铜、铝和镁等。2按密度大小分重金属---密度大于每立方厘米4.5克。轻金属---密度小于每立方厘米4.5克。3---按储量和价值分稀有金属和贵重金属。二炼铁与炼钢炼铁----现代钢铁工业生产生铁的主要方法是高炉炼铁。1---炼铁炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较多的并且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素的过程。高炉炼铁的炉料高炉炼铁的主要原料是铁矿石、燃料和熔剂。炼铁示意图炼铁过程炉料从受料斗进入炉腔，高炉底部的炉缸和炉腹中装满焦碳。炉腰和炉身中则是铁矿石、焦碳和石灰，层层相间，一直装到炉喉。焦碳在1000ºC---1200ºC高温下，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心温度高达1800ºC以上，由于底部焦碳很厚，燃烧不完全。因次，炉气中存在大量一氧化碳气体，在炉内造成了良好的还原性气氛。铁矿石在570ºC---1200ºC之间受到一氧化碳气体和红热焦碳的还原，形成了海棉状铁，这种铁在1000ºC---1200ºC的高温下会从一氧化碳和焦碳中溶入大量的碳---含碳量可达百分之四。因而铁的熔点下降，于是就形成了生铁。生铁的熔点约为1200ºC。因次经过溶碳作用之后，生铁以液体状态滴入炉缸。高炉产品铸造生铁---这类生铁断口呈暗灰色。含硅量较高，用于机械制造厂生产铸件。炼钢生铁---这类生铁断口呈暗灰色。含硅量较低(1.5%),用于在炼钢炉中炼钢。高炉冶炼的副产品是煤气和炉渣。煤气有很高的经济价值。高炉炉渣主要成分是氧化钙、二氧化硅。可以用来制造水泥渣棉、渣砖等建筑材料。2---炼钢现代炼钢方法是以生铁为主要原料。首先把生铁熔化成液态利用氧化作用将碳及其它元素的含量调整到规定的范围之内，就得到了钢。炼钢过程炼钢的基本过程是氧化。向铁液中吹入纯氧或加入铁矿石，在炼钢炉内氧与铁发生作用使铁被氧化。生成的氧化铁溶解在铁液中，与铁液中其它元素产生一系列氧化反应。碳被氧化生成一氧化碳气体，直接从铁液中逸出，硅和锰被氧化生成二氧化硅和氧化锰。铁液中的含碳量降低到一定程度时，氧化即告完成铁液炼成了钢液。炼钢方法现代炼钢方法主要有转炉炼钢、电炉炼钢和平炉炼钢。转炉、平炉的主要产品是碳素钢和低合金钢，电弧炉的主要产品是合金钢。炼钢炉产品根据成品钢脱氧程度的不同，可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三种。第二节金属的性能一金属的物理性能和化学性能1金属的物理性能密度熔点热膨胀性（线膨胀、体积膨胀）导热性导电性磁性（铁磁性、顺磁性、抗磁性）2金属的化学性能耐腐蚀性抗氧化性二金属的工艺性能1铸造性2锻压性3焊接性4切削加工性三金属的力学性能•金属材料的力学性能是指金属在外加载荷(外力或能量)作用下或载荷与环境因素(温度、介质和加载速率)联合作用下所表现的行为。由于载荷施加的方式多种多样，而环境、介质的变化又十分复杂，所以金属在这些条件下所表现的行为就会大不相同，致使金属材料力学性能所研究的内容非常广泛，它已发展成为介于金属学和材料力学之金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。C:\DocumentsandSettings\Owner\桌面•金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。因为金属构件的承载条件一般用各种力学参量(如应力、应变和冲击能量等)来表示，因此，人们便将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为金属材料力学性能指标，如强度指标、塑性指标、韧性指标等等。按载荷的作用性质分为•静载荷•冲击载荷•交变载荷按载荷的作用方式分为拉伸载荷拉伸变形抗拉强度压缩载荷压缩变形抗压强度弯曲载荷弯曲变形抗弯强度剪切载荷剪切变形抗剪强度扭转载荷扭转变形抗扭强度弹性变形---指金属受到载荷作用时产生变形，当外力去除后，随即消失的变形。塑性变形---指外力去除后，不可消失的变形，也叫永久变形。金属在受到外力作用时，在材料内部会产生与外力相对抗的力，这种力称为内力。单位面积上的内力大小称为应力。强度---金属在静载荷作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。用应力表示。第一节拉伸曲线和应力应变曲线拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一。试验时在拉伸机上对圆柱试样或板状试样两端缓慢地施加载荷，使试样受轴向拉力沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。一般试验机都带有自动汜录装置，可把作用在试样上的力和所引起的试样伸长自动记录下来，绘出载荷—伸长曲线，称拉伸曲线或拉伸图。P图1—1为退火低碳钢拉伸曲线示意图。曲线的纵坐标为载荷(P)，横坐标是绝对伸长(△L)，由图可见，载荷比较小时，试样伸长随载荷增加成正比例增加，保持直线关系。载荷超过户。后，拉伸曲线开始偏离直线。载荷在Pe以下阶段，试样在加载时发生变形，卸载后变形能完全恢复，该阶段为弹性变形阶段。当载荷超过Pe后，试样在继续产生弹性变形的同时，将产生塑性变形，进入弹塑性变形阶段。此时，若在作用下试样的变形为ac，则弹性变形和塑性变形分别为ab和bc(如图1—2所示)。若卸载，弹性变形ab将恢复，塑性变形6c被保留，使试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形OD。当载荷达到ps时，在拉伸曲线上出现锯齿或平台。即载荷虽然保持不变或发生波动，而试样继续伸长(变形量继续增加)，这种现象称为屈服。由于在弹塑性变形阶段有塑性变形的产生，因此试样要继续变形，就必须不断增加载荷。随着塑性变形增大，载荷升高。当到最大载荷Pb时，试样的某一部位横截面开始缩小，出现了颈缩。随着伸长量的增加，试样的变形主要集中在颈缩处而使试样的颈缩越来越明显。由于颈缩处试样截面急剧缩小，继续变形所需的载荷下降。载荷达Pk时，试样产生断裂。由此可知，金属材料在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段，即弹性变形、弹塑性变形和断裂。用试样原始横截面积(F0)去除载荷得到应力(σ)，即，σ=P／F0。以试样的原始标距长度(L。)去除绝对伸长，得到相对伸长(应变c)，即ε=△L／L。，单位为百分数(％)。故可由金属材料的拉伸曲线得到材料的应力应变曲线，金属材料的拉伸曲线除了低碳钢这种类型以外，还有其他不同类型的拉伸曲线(图1—3)。图1—3(a)为塑性材料的拉伸曲线，它由弹性变形过渡到弹塑性变形是逐渐发生的，没有屈服现象，而存在有颈缩现象。图1—3(L)为脆性材料的拉伸曲线，它不仅没有屈服现象，而且也没有颈缩现象，最大载荷就是断裂载荷。金属的塑性变形的现象,又称金属范性形变伸长率断面收缩率固体金属在外力作用下产生非断裂的永久硬度布氏硬度洛氏硬度维氏硬度韧性材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫冲击韧性疲劳强度金属疲劳试验是指通过金属材料实验测定金属材料的σ-1，绘制材料的S-N曲线，进而观察疲劳破坏现象和断口特征，进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法。实验设备一般有疲劳试验机和游标卡尺。在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，第三节金属晶体学基本知识一金属的晶体结构晶体与非晶体---在物质内部，凡是原子呈无规则堆积的，称为非晶体。单晶体和多晶体单晶体指晶体由一个晶粒组成，在晶粒内部原子的排列方向完全相同。多晶体多晶体是指晶体由多个晶粒组成，实际的金属晶体多数为多晶体。晶格与晶胞为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子当成一个点，再用假想的线段将这些代表原子的各点连接起来，就绘成了像图中所表示的格架式空间结构。这种用来描述原子在晶体中排列的几何空间格架，称为晶格。由于晶体中原子的排列是有规律的，可以从晶格中拿出一个完全能够表达晶格结构的最小单元，这个最小单元就叫作晶胞。许多取向相同的晶胞组成晶粒。晶格是原子有规律的用线条连起来，组成象魔方那样的形状晶胞可以理解成“细胞”晶格常数金属在组成晶胞后，晶胞的大小和形状是不一样的，大小可用棱边长度来表示，形状可用棱边之间的夹角来表示，它们统称为晶格常数。晶面与晶向金属晶体中通过三个以上原子中心的平面叫作晶面，通过两个以上原子中心的直线叫晶向。二金属的晶格类型体心立方晶格属于这种晶体结构的金属有α-FeCrVNbWMo等。面心立方晶格属于这种晶体结构的金属有α-FeNiCuAlAg等。密排六方晶格属于这种晶体结构的金属有BeMgZnα-Ti等。原子个数计算三金属晶体缺陷金属材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来该有规律的原子堆积方式受到干扰，使得原子排布过程中出现了不规则现象，称为晶体缺陷。点缺陷点缺陷主要包括空位与间隙原子1空位2间隙原子从图中可以看到，在空位和间隙原子存在的地方，由于在缺陷处原子之间的张力相对正常时产生了变化，从而导致晶格常数和晶格形状有所改变，这种现象叫作晶格畸变。1空位2间隙原子线缺陷线缺陷是指位错。如果在晶体中某处有一列和若干列原子发生有规律的错排现象叫作位错。位错有刃形位错和螺形位错。右面为刃形位错螺形位错面缺陷面缺陷是指晶界和亚晶界。实际晶体多为多晶体，是由大量外形不规则的小晶体组成的，这些小晶体的晶体结构完全相同，但彼此之间的排布取向不同，称为位向差（一般为几度或几十度）晶粒之间的接触面称为晶界。实践证明，即使是在一个晶粒内部，其晶格位向也不像理想晶体那样完全相同，而是分割成许多尺寸很小，位向差也很小的小晶块，它们组成了一个大的晶粒，这种小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列也是不规则的。由于金属晶体内部存在着空位、间隙原子、位错、晶界和亚晶界等缺陷，都会造成晶格畸变，引起塑性变形抗力增大，从而使金属的强度增加。纯金属的结晶晶粒大小对力学性能的影响金属内部晶粒越细小，晶界就越多，晶格畸变也多。一般来讲，在常温下，金属的晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。常用细化晶粒的方法1增加过冷度2变质处理3附加振动金属的同素异构转变有些金属在固态下具有两种以上的晶体形式，这种现象叫同素异构现象。金属在固态下随温度的变化，由一种晶格转变为另一种晶格的现象叫同素异构转变。具有这种性质的金属有铁、鈷、锡、锰等。按其存在的温度，由低到高用希腊字母α、β、γ、δ表示。纯铁在1538ºC进行结晶，得到体心立方晶格δ-Fe，1394ºC时转变成面心立方晶格γ-Fe,912ºC又转变成体心α-Fe。金属的铸态组织金属的铸态组织有三个不同特征的晶粒区表面细晶粒区柱状晶粒区中心等轴晶粒区合金组元---组成合金的最基本的独立组织称为组元，简称元。合金有二元合金、三元合金和多元合金。相---在合金中具有相同的晶体结构、相同物理和化学性能并能以界面形式与其它部分分开的一种物质叫作相。在合金中，由数量、形态、大小和分布方式不同的各相组成了合金的组织。合金的组织（一）固溶体间隙固溶体置换固溶体（二）金属化合物金属化合物---组成合金的组元，按一定比例相互作用而形成的一种具有金属特性的固体物质。是一种晶体结构较为复杂的新相。