工程材料及成型技术基础第1章材料的性能.

1.2晶体材料的原子排列一、晶体的基本知识（一）、晶体与非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）自然界中晶莹剔透的金刚石和水晶属于晶体，但普通玻璃光亮透明，但它属于非晶体。而金属和合金虽然不透明，但它们在通常条件下都是晶体。（二）、晶格、晶胞、晶格常数1、晶格为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。2、晶胞由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。3、晶格常数在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。cb、、ar、、（三）、金属中常见晶格由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。1、体心立方晶格bcc体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。具有体心立方晶格的金属有、等。eFarC2、面心立方晶格面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。具有面心立方晶格的金属有、等。eFrAl3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn。（四）、晶体结构的致密度晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2×（4／3）πr3，式中r为原子半径。故体心立方晶格的致密度为：2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。三、实际金属的晶体结构（一）、金属材料都是多晶体我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。多晶体示意图（二）、晶体的缺陷晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷线缺陷面缺陷1、点缺陷——空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。由于空位和间隙原子的存在，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。•2、线缺陷——位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。刃型位错示意图a)晶格立体模型b)平面图•3、面缺陷——晶界和亚晶界•实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图2－23、2－24），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。晶界的过渡结构示意图亚晶界结构示意图总结•1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。•2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。•3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。第一章金属的力学性能•教学目标:•１．了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理；•２．强调各种力学性能指标的生产实际意义；•３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。金属的力学性能定义:金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。指标:弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧度和疲劳强度等。材料的其他性能•物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等；•化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等；•工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性、热处理工艺性等。§2材料的静态力学性能•材料的力学性能的各项指标是在一系列规定条件下力学行为的反映。一强度和塑性1.拉伸过程拉伸试样的颈缩现象拉伸试验机•沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。通过力与位移传感器可获得载荷(P)与试样伸长量(ΔL)之间的关系曲线，称为拉伸曲线或P-ΔL曲线（图2-5）。•op段：比例弹性变形阶段；•pe段：非比例弹性变形阶段；•平台或锯齿（s段）：屈服阶段；•sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。•b点：形成了“缩颈”。•bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。•断裂总伸长为Of，其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长)，弹性伸长gf。ΔlFΔlbΔluΔlFbbkFssogfeFepFp3.拉伸曲线图2-5拉伸曲线（位移曲线）和应力-应变曲线•若将纵坐标以应力σ(σ=P/A0,A0为试样原始截面积，图2-3)表示，横坐标以应变ε(ε=(L/L0,L0为试样标距)表示，则这时的曲线与试样的尺寸无关，称为应力-应变曲线或σ-ε曲线（图2-5）。2.应力-应变曲线可以确定材料的强度指标(图2-6)：图2-6从应力-应变曲线上确定强度指标退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢不同材料的拉伸曲线•材料在拉伸过程中要发生弹性变形、均匀塑性变形、非均匀塑性变形（颈缩）和最后的断裂。•材料在外力作用下产生变形，若外力去除后变形完全消失，材料恢复原状，则这种可逆的变形就叫弹性变形。若外力去除后变形不能完全恢复，不能恢复的变形部分称为塑性变形。1）弹性极限σe是材料只发生弹性变形所能承受的最大应力，记为σe（图2-5，2-6），可用下式求出:σe=Pe/A0式中Pe（图2-5左图e点）--弹性极限载荷，通常很难确定。在国家标准中把产生0.01%残余伸长所需的应力作为规定弹性极限，记为σ0.01。2）比例极限σp比例极限σp（图2-5，2-6）略低于弹性极限，是材料所受应力与应变成正比关系的最大应力，可用下式求出:σp=Pp/Ao式中Pp（图2-5左图p点）--应力与应变成正比关系的最大载荷。3）屈服强度σs、σo.2在拉伸过程中，出现载荷不增加而试样还继续伸长的现象称为屈服。屈服时所对应的应力称为屈服强度，记为σs,可由下式求出:σs=Ps/F0式中Ps--屈服时的外载荷。屈服强度表征材料发生明显塑性变形时的抗力。大多数工程材料都没有明显的屈服现象，因此，通常规定产生0.2%残余伸长所对应的应力，作为条件屈服强度，记为σ0.2。4）抗拉强度σb当拉伸试样屈服以后，欲继续变形，必须不断增加载荷。当载荷达到最大值Pb后，试样的某一部位截面开始急剧缩小，出现了颈缩，致使载荷下降，直到最后断裂。试样能承受的最大载荷除以试样原始截面积所得的应力，称为抗拉强度，记为σb,即:σb=Pb/F0抗拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷时的相应应力值,表征了材料对最大均匀变形的抗力。5）刚度弹性模量E材料在受力时抵抗产生弹性变形的能力称为刚度。通常用材料在弹性范围内，应力应变的比值（图2-5，2-6直线段部分的斜率）即弹性模量（记为E）来作为衡量材料刚度的指标。6）塑性断裂前材料发生塑性变形的能力叫塑性。常用塑性指标有伸长率（δ）和断面收缩率（ψ）。其数值可由下式求出(图2-7)：δ=[(L1–L0)/L0]×100%ψ=[(A0–A1)/A0]×100%式中L0-试样原始标距长度；L1--试样断裂后标距的长度；A0--试样原始截面积；A1--试样断裂处截面积。试验结果表明，对同一材料制成的几何形状相似的试样，均匀变形伸长率和试样尺寸无关，集中变形伸长率和F0/L0比值有关。所以,通常用L0=5d0和L0=10d0两种比例试样来测定伸长率，分别记为δ5和δ10。δ2~5%属脆性材科δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料从图2-8中可以看出,塑性好的试样断口呈韧窝花样,塑性较差的试样断口呈冰糖状或舌状花样。图2-8拉伸试样断口（扫描电镜照片）二.硬度试验和硬度硬度是材料抵抗局部变形的能力。通常采用静载压入法试验。这种试验方法不需要专门制作试样，而且不破坏零件。常用的硬度指标如下:布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV•硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力(1)布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计布氏硬度(物理意义：压痕表面上单位面积所承受的压力）在力P的作用下把直径为D的钢球压入被测材料，布氏硬度值是载荷P除以压痕(球冠)的面积F(图)，用HB表示。即:HB=P/F=2P/π[D-(D2-d2)1/2]这种方法只适合于测量HB450的材料。布氏硬度HB(Brinell-hardness)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