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金属材料的性能使用性能：材料在使用过程中所表现出来的性能。工艺性能：材料在制成零件过程中所表现出的性能。即材料对于零件制造工艺的适应性。使用性能工艺性能物理性能化学性能机械性能铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能热处理性能第一章金属材料的主要性能§1.1金属材料的机械性能机械性能：材料受外力作用时所反映出来的性能。（力学性能）即在各种载荷作用下其抵抗变形的性能。一、弹性、塑性和强度1.弹性:是指金属材料受力外力作用时产生变形，当外力除去后能恢复原来形状的性能。金属材料的弹性指标是弹性极限（σe），表示：金属材料在发生永久变形之前单位面积上所能承受的最大外力。常用的塑性指标：①延伸率②断面收缩率2.塑性：是金属材料受力外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能。其中：l为变形后的长度；l0为变形前的长度。其中：F为变形后的断面面积；F0为变形前的断面面积。常用指标：①屈服强度：σs材料在外力作用下开始屈服时的应力。3.强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。测定方法：拉伸试验②抗拉强度σb：材料在拉断前所能承受的最大应力。σ0.2──产生0.2%塑性变形时的应力。几种常见金属材料的拉伸曲线一般情况下材料的变形随应力的增加而增加,但应力达到某一值时,在应力没有增加而变形大量产生时,就叫材料发生了屈服。二、硬度：材料抵抗更硬物体压入能力，也可以看作是材料对局部塑性变形的抗力。1.布氏硬度HB①只适于测量硬度不高的材料HBS450HBW650；②不适于测量成品和薄件。2.洛氏硬度HRCHRB──测量有色金属，退火钢和铸铁等硬度较低材料。HRC──测量经过热处理后的硬度。（一般用1490N的力）HRA──测量经过化学热处理后的表面。①测量硬度高的薄件3.维氏硬度HV②测量过程比较麻烦是机械零件生产过程中对零件性能进行检测的一个重要指标，与材料的强度有相应对应关系。＊不能直接用于设计计算，只能作为抵抗冲击能力的参考性指标。三、冲击韧性:材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力。测量方法：一次摆锤冲击试验四、疲劳强度(σ-1)2.疲劳强度：材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力。1.疲劳破坏：材料在σσs(σb)的情况下由于受交变载荷作用而断裂的现象。测量方法：弯曲疲劳试验钢材:N＝107色金属:N＝108§2.1金属的晶体结构一、晶体概念晶体是指其原子（原子团或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体。晶格：通常把晶体中的原子假想为几何结点，并用直线从其中心连接起来，使之构成一个空间格子。晶面：晶格中各种方位的原子面。晶向：晶格中由原子（结点）所组成的任一直线，都能代表晶体空间的一个方向。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆聚在一起的。晶胞：能代表晶格特征的最小几何单元。第二章晶体结构与结晶晶格常数：晶胞的各边尺寸a、b、c表示，(长度单位为10-10m)及各边之间的夹角分别以α、β及γ表示。在立方晶格情况下，其晶格常数a=b=c，而夹角α=β=γ=90°，因此，在立方晶格中只取一个晶格常数a便足以表征其尺寸及形状。各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，则呈现出不同的物理、化学及力学性能：金属晶体：大多数金属是通过金属键结合使金属构成晶体。非金属晶体：是通过离子键或共价键结合使其构成晶体。二、金属晶体与非金属晶体由于金属与非金属构成晶体的方式不同，则金属晶体与非金属晶体呈现出不同的物理、化学及力学性能：2.面心立方晶格致密度：0.74原子数：8*1/8＋6*1/2=4具有面心立方晶格的金属有：r-Fe、(912～1394℃的纯铁）、铜（Cu）、铝(AI）、镍（Ni）等3.密排六方晶格致密度：0.74原子数：12*1/3＋2*1/2+3=6具有密排六方的晶格的金属有：铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、镉（Cd）等三、常见的金属晶格具有体心立方晶格的金属有：α－Fe、Cr、Mo、W等1.体心立方晶格原子数：8*1/8+1=2致密度：晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比，0.68。铁的单晶体及在其各方向上的弹性模量示意图单晶体具有各向异性的特征，即在晶体的各个晶向上具有不同的物理、化学和力学性能。四、单晶体及单晶体的各向异性单晶体：结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”一、多晶体结构晶粒：具有不规则外形颗粒状的小晶体。晶界：晶粒与晶粒之间的界面。多晶体：由多个晶粒组成的晶体。多晶体金属不显示各向异性。晶粒大小对材料性能影响很大，在常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性愈好。§2.2实际金属结构二、晶体缺陷1、点缺陷点缺陷是指“空位”、“置换原子”和“间隙原子”。空位是指在正常的晶格结点上出现原子空缺；置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换；间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子。点缺陷对材料的机械性能会产生一定的影响，但更主要的是影响材料的物理与化学性能2、线缺陷(位错)线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷。实际金属晶粒内存在着大量的位错，晶体中的位错密度以单位体积中位错线的总长度来表示，单位是cm/cm3或cm/cm2。在退火状态下，位错密度通常在l06~108cm/cm3范围内。位错的密度对材料的机械性能会产生极大的影响。3、面缺陷面缺陷主要指金属中的晶界、亚晶界等。亚晶粒：晶粒内还存在着许多小尺寸和小位向差（一般几十分到1°～2°)的小晶块。亚晶界：两相邻的亚晶粒间的边界。面缺陷数量的增加能提高金属材料的综合机械性能。一、结晶的概念凝固：由液态转变为固态的过程。结晶：由液态转变为晶体的过程。金属凝固→金属结晶结晶过程：是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程。结晶理论结晶温度的测定：测定方法为热分析法结晶时的温度曲线（冷却曲线）将熔化后的金属放入冷却速度较小的体系中，在T0温度以上为液体金属，随着热量向外界散失，温度不断下降，当降至T0温度时，液体金属开始结晶，由于结晶潜热的放出，补偿了冷却时散失的热量，所以冷却曲线出现水平台阶，即结晶在恒温下进行。待结晶终止，固体金属的温度继续下降，直至室温。过冷度△T：理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差。§2.4金属的结晶二、金属的结晶过程②非自发形核：在一定过冷度下，液体中的原子依靠外来质点形成结晶核心（外来晶核）。2.长大：一般以树枝方式长大单晶体：由一个晶核长成的晶体（整块晶体内部晶格排列位向完全一致的晶体)。多晶体：由外形不规则，大小不一,排列方位各不相同的小单晶体组成的晶体。晶粒：多晶体中每个小单晶体。晶界：晶粒间的界面。1.形核：①自发形核：在一定过冷度下，液体中的原子自发地聚集在一起按照一定的几何形状排列起来形成结晶的核心（自发晶核）。三、晶粒大小及其影响因素②长大率Ｇ：单位时间内晶核长大的长度。①形核率Ｎ：单位时间内单位体内形成的晶核数。2.影响因素②变质处理（孕育处理）：增加外来晶核细化晶粒的方法①增大过冷度3.细化晶粒的方法③振动结晶：将技晶打碎，成为新的晶粒。1.晶粒度的概念晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目Z、或单位面积上晶粒的数目Z、表示，也可以用晶粒的平均线长度（或直径）表示。四、金属的同素异晶转变1.同素异晶转变──在固态下金属的晶格类型发生变化的现象。2.主要特点①也是一个结晶的过程。（由一种排列方式转变为另一种排列方式）遵循结晶的基本规律（二次结晶，重结晶）。②形核只能在一定的地方形成（晶界、特定的晶面）③过冷倾向大④伴随体积的变化──引起较大的内应力（组织应力）五、金属铸锭的组织特点1.表面细晶粒层2.柱状晶粒层3.中心粗大等轴晶粒层第三章金属的塑性变形§3.1单晶体、多晶体的塑性变形一、塑性变形的基本形式1.滑移：在切应力的作用下，晶体的一部分相对另一部分沿着一定的晶面发生一定距离的移动，应力去除后不能恢复原状。2.孪生：在切应力的作用下，晶体的一部分相对另一部分，沿着一定的晶面（孪生面）产生一定角度的切变，应力去除后不能恢复原状。二、单晶体的塑性变形1.滑移面：是原子排列密度最大的晶面。2.滑移方向：是沿着原子密度最大方向。3.滑移系：是由一个滑移面和其上的一个滑移方向构成。4.滑移系数愈多，金属的塑性愈好，特别是其中的滑移方向的作用更大。5.正应力（与滑移系相垂直的分力）只使晶体产生弹性变形，切应力（与滑移系相平行的分力）使晶体产生塑性变形。6.单晶体的塑性变形实质是位错的运动。7.塑性变形的过程也是位错增殖的过程。三、多晶体的塑性变形1.晶界的影响：晶界使位错运动受到较大的阻力，难以发生变形。2.晶粒愈细愈晶界愈多，则金属的强度就愈高。3.晶粒愈细，在单位体积内的晶粒数愈多，金属的总变形量可分散到更多的晶粒中，使变形愈均匀。4.晶粒愈细，晶界曲折愈多，可阻碍裂纹的扩展。5.细晶粒的金属材料具有较高的强度和良好的韧性与塑性。即良好的综合性能。6.多晶体的塑性变形分为晶粒内塑性变形和晶粒间转动两部分。§3.2金属的塑性变形一、变形强化（加工硬化）随着金属塑性变形的进行，其强度硬度增加而塑性韧性下降的现象。二、织构（加工硬化）随着金属塑性变形量的增加，各晶粒的位向也沿着变形的方向发生转变，当变形量达到足够大的程度(70％～90%）时，绝大部分晶粒的某一位向将与外力方向大体趋向一致的现象。三、回复把变形金属在较低的温度加热时，虽然不会引起金属内的显微组织发生明显的变化，但点缺陷、位错将会运动并发生重新分布，从而使晶体内的某些空位和间隙原子合并，位错相消，缺陷数量减少，晶格畸变程度降低，残余内应力部分消失。回复后，变形金属的晶粒大小和形态不会发生明显的变化。因此，变形金属的强度、硬度及塑性等性能亦变化不大，但其内应力、电阻等则明显降低。四、再结晶1.概念：当经冷变形的金属加热到再结晶温度以上时，金属以一些碎晶、杂质为核心，形成细小的等轴晶粒,使加工硬化彻底消除，塑性完全恢复的现象。2.再结晶温度：3.影响再结晶晶粒度的因素1)加热条件的影响：加热温度升高或加热时间延长都使晶粒增大；2)变形度的影响：当变形度达到某一值（一般金属为2％一10%)时，由于金属变形度不大而且不均匀，再结晶时形核数目少，故获得的晶粒特别粗大。这种获得异常粗大晶粒的变形度，称为临界变形度。§3.4金属的热加工一、热加工──在再结晶温度以上进行的加工。二、热加工对金属组织和性能影响机械性能得的提高a.晶粒得到细化缺陷被消除b.形成纤维组织──性能是方向性三、纤维组织的合理利用a.零件最大正应力方向与纤维方向平行。b.零件最大切应力方向与纤维方向垂直。C.纤维沿零件轮廓形状分布不被切断。第四章二元合金按组元数二元合金钢铁Fe-C黄铜Cu-Zn三元合金硬铝Al－Cu－Mg四元合金保险丝Sn－Bi－Cd－Pb组元：组成合金的元素，或独立的基本单元。合金：以一种金属为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合而成的具有金属特性的物质。基本概念相：合金中具有相同成分和相同结构（相同聚集状态）的均匀部分。§4.1合金的相结构一、固溶体合金在固态时，组元间会互相溶解，形成一种在某一组元晶格中包含有其他组元的新相，这种新相称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：置换固溶体──B置换了晶格中A的位置。间隙固溶体──B存在A晶格的间隙中。固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高的现象。例：Cu──Ni合金、α——Fe，ν——Fe都是固容体。1.置换固溶体根据溶质原子在晶格中的位置可分为有序和无序固溶体。根据溶质的溶解度可分为有限和无限固溶体。影响溶质溶解度的因素有：晶格类型组元原子直径的相对大小电负性的差别电子浓度的影响溶质的原子百分比每个溶剂原子贡献的价电子数每个溶质原子贡献的价电子数2.间隙固溶体间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。3.金属化合物：合金组元在固态下相互作用而形成的一种具有金属性质的新相。②具有高的熔点和硬度、脆性大作为合金的强化相。①晶体结构不同于组元1)特点：2)分类：①正常价化合物是指符合一般化合物的原子价规律的化合物②电子化合物主导因素是合金的电子浓度③间隙化