金属材料的结构与性能

金属材料的结构与性能P.21金属的晶体结构2金属材料的性能分类3金属的力学性能指标4金属的塑性变形5金属的回复与再结晶内容提纲P.3晶体：金属、金刚石、NaCl、雪和冰等。液体●晶体的概念晶体——材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体——原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。非晶体：蜂蜡、松香、玻璃、塑料、橡胶等1金属的晶体结构P.4原子（离子）的刚球模型原子中心位置●晶体结构P.5点阵（晶格）模型讨论：１、如何用最简便的方法表达晶格的特征？２、晶胞（一般为平行六面体）的形状由哪些参数决定？晶胞P.6XYZabc棱边长度a，b，c及棱边夹角a,b,g称为晶格常数agbP.7３.三种常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcpP.8（1）体心立方晶格bcca-Fe、W、V、Mo等思考：1、体心立方晶胞的晶格常数满足什么样的要求？2、一个体心立方晶胞包含几个原子？（注意：放在整个点阵空间中考虑）P.9体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；a=b=g=90晶胞原子数：2原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3YZabc2raaP.10（2）面心立方晶格fccg-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag、Pb等P.11面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；a=b=g=90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.744XYZabcP.12（3）密排六方晶格hcpMg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距cc/a=≈1.633侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.746个密排方向aa/2P.13各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能（如强度、塑性、电阻率、导热性）不同的现象XYZXYZ问题：为什么常见的金属材料没有显示各向异向性？P.143.金属中的实际晶体结构实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如钻石、单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。如大冰块、常见的金属材料晶粒（单晶体）P.15晶体缺陷类型：（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界P.16（1）点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子P.17（2）线缺陷——刃位错与螺位错刃型位错移动P.18螺旋位错螺旋位错移动P.19（3）面缺陷晶粒（单晶体）晶界大角晶界亚晶界小角晶界P.20亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。P.21晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变P.22物理性能化学性能工艺性能力学性能（机械性能）经济性能材料性能有没有足够强度、硬度和韧性，满足使用要求好不好进行加工（变形、切削、焊接等）是否满足特殊要求导电、导热等有时候考虑耐腐蚀等问题价格怎么样，考虑效益2金属材料的性能分类P.23（一）金属的物理性能1、密度重金属:指比重大于4或5的金属，约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。轻金属：指比重小于5（又有一说是密度小于4.5克/立方厘米），包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。2、熔点低熔点金属及合金难熔金属及合金3、导电性4、导热性5、热膨胀性6、磁性P.24（二）材料的化学性能1、耐腐蚀性（1）化学腐蚀（2）电化学腐蚀防止腐蚀的途径：形成钝化保护膜、减少电位差、不接触电解质常用方法：选择耐腐蚀材料、表面处理2、高温抗氧化性高温下抵抗氧化和腐蚀的能力P.25（三）金属的力学性能（机械性能）常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等（四）金属的工艺性能铸造性能（可铸性）流动性、收缩性、偏析锻造性能（可锻性）塑性、变形抗力切削加工性能（可切削性）表面粗糙度、刀具寿命焊接性能（可焊性）焊接性、碳当量P.26二、金属的力学性能常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳极限等1、强度和塑性采用拉伸试验法测定标准拉伸试样低碳钢的拉伸曲线应力：单位：MPa应变：0/SF0/LLP.27拉伸试样变形的三个阶段：（1）弹性变形应力与应变成正比，符合胡克定律（2）塑性变形材料屈服后的变形（3）断裂分离F=kLP.28强度：材料在外力作用抵抗塑性变形和断裂的能力。（1）弹性极限（e）：卸力后不产生塑性变形的最大应力；（2）屈服点（屈服强度）（s）拉伸过程中力不变，试样仍然伸长时的应力；没有明显屈服点的以产生0.2%残余应变时的应力值表示（3）抗拉强度（b）拉伸过程中最大力所对应的应力；P.29%100001LLL塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力；判据是材料断裂时的最大相对塑性变形；（1）伸长率（）（2）断面收缩率（y）%100010SSSyP.302、硬度指金属表面一个很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种能力；（1）布氏硬度（HB）应用：主要用于铸铁、非铁金属、经退火、正火和调质处理的钢材的硬度测定P.31（3）维氏硬度(HV)可以测试任何金属材料的硬度，但最常用于测定显微硬度；（2）洛氏硬度(HR)可以用于硬度很高的材料，操作简便迅速，是最常用的一种硬度测量法。数值可以直接从表盘上读出，有三种刻度即HRC、HRA、HRB，HRC最常用P.32维氏HV布氏HBS洛氏HRS25023822.230028529.835033335.540038040.845042845.3500(475)49.1550(523)52.3600(570)55.2650(618)57.870060.180064.090067.0三种硬度的换算表P.333、冲击韧度材料抵抗冲击载荷的能力摆锤式冲击试验NKkSAaP.344、疲劳极限当应力低于某值时，应力循环无数次也不会发生断裂，此应力值称为材料的疲劳极限。P.354金属的塑性变形P.36１金属的塑性变形金属在外力作用下的变形分为弹性变形和塑性变形。（１）单晶体的塑性变形P.37实际上，晶体内部存在大量的线缺陷——位错。理论和实验研究都证明，晶体的滑移是通过晶体中的位错在切应力的作用下沿着滑移面逐步移动的结果P.38单晶体的另一种塑性变形方式是孪生。孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（孪晶面）及晶向（孪生方向）产生剪切变形。P.39（２）多晶体的塑性变形在多晶体中，晶粒越小，单位体积上晶粒的数量就越多，晶界的总面积增大，因而晶界变形抗力越大，所以整个金属的强度较高。210sKd晶粒的细化是金属的一种非常重要的强韧化手段，工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。取决于材料本身原子结合力常数晶粒直径P.40２.塑性变形对金属组织和性能的影响(1)塑性变形对金属组织的影响使晶粒变形，产生纤维组织P.41产生织构金属塑性变形到很大程度（70%以上）时，由于晶粒发生转动，使晶粒位向趋近一致，形成特殊的择优取向，多晶体金属形变后具有的这种择优取向的晶体结构，称为形变织构。形变织构一般分为两种：一种是大多数晶粒的某个晶向平行于拉拔方向，称为丝织构；另一种大多数晶粒的某个晶面和晶向平行于轧制方向，称为板织构因形变织构形成的冲压制耳P.42（2）塑性变形对金属性能的影响塑性变形改变了金属内部的组织结构，引起了金属力学性能的变化。其显著的影响为随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性和韧性明显下降，这种现象称为形变强化，也称加工硬化。（3）塑性变形使金属产生残余应力加工后的工件如果有残余应力，将影响其精度和寿命P.43五、金属的回复与再结晶a)加热前b)625℃加热（不完全再结晶）c)670℃加热（完全再结晶）d)750℃加热（晶粒长大）图2-26经70%塑性变形工业纯铁加热时的组织变化P.44冷塑性变形金属的组织性能随温度变化示意图P.451．回复变形后的金属在较低温度进行加热时，原子活动能力有所增加，原子已能作短距离的运动，其晶格畸变程度显著减轻，内应力有所降低，这个阶段称为回复。在工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留了加工硬化，这种热处理方法称为去应力退火。2．再结晶冷变形金属加热至一定温度之后，由于原子活动能力增强，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀细小的等轴晶，其力学性能发生了明显的变化，恢复到完全软化状态。这种冷变形组织在加热时重新彻底改变而恢复至变形前状态的过程称为再结晶。T再＝（0.35～0.4）T熔P.46六、金属的热加工１、冷加工与热加工的区别金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。２、热加工对金属组织和性能的影响消除金属的组织缺陷、细化晶粒、形成锻造流线、形成带状组织