项目一金属材料的结构与力学性能课件.ppt

1、1-11-1金属的晶体结构金属的晶体结构1-21-2纯金属的结晶纯金属的结晶1-31-3金属材料的损坏与塑性变形金属材料的损坏与塑性变形1-41-4金属的力学性能金属的力学性能1-51-5金属的工艺性能金属的工艺性能第一章第一章 金属材料的结构与力学性能金属材料的结构与力学性能 1-11-1金属的晶体结构金属的晶体结构一、金属的三大特点一、金属的三大特点1、 外观特征：金属光泽和不透明性；外观特征：金属光泽和不透明性；2、 正的电阻温度系数；正的电阻温度系数；3、 良好的机械性能，良好的导电性、导热性。良好的机械性能，良好的导电性、导热性。二、固态物质存在的形式二、固态物质存在的形式 1、 晶

2、体：原子呈规则排列的物体晶体：原子呈规则排列的物体 。如：铜、铝，钢铁等。如：铜、铝，钢铁等。2、 非晶体：原子成不规则排列的物体。如：玻璃、松香等。非晶体：原子成不规则排列的物体。如：玻璃、松香等。三、晶体相关概念三、晶体相关概念1、 空间点阵：阵点排列形成的空间阵列。空间点阵：阵点排列形成的空间阵列。2、 晶格：阵点用直线连接起来形成的空间格子。晶格：阵点用直线连接起来形成的空间格子。3、 晶面：晶格中各种方位的原子。晶面：晶格中各种方位的原子。4、 晶胞：晶格中选取一个能够反映晶格特征的最小几何单元。晶胞：晶格中选取一个能够反映晶格特征的最小几何单元。四、晶体的特点四、晶体的特点1、 具

3、有一定的熔点；具有一定的熔点；2、 各向异性；各向异性；3、 具有特定的几何形状（天然晶体）。具有特定的几何形状（天然晶体）。五、三种典型的金属晶体结构五、三种典型的金属晶体结构1、 体心立方晶格：体心立方晶格：8个顶点各有一个原子，在体心处还有一个顶点各有一个原子，在体心处还有一个原子。个原子。2、 面心立方晶格：面心立方晶格：8个顶点各有一个原子，立方体的每个面个顶点各有一个原子，立方体的每个面的中心还各有一个原子。的中心还各有一个原子。3、 密排六方晶格：六方体的密排六方晶格：六方体的12个顶点各有一个原子，上下底个顶点各有一个原子，上下底面的面中心各有一个原子，晶胞内还有面的面中心各有

4、一个原子，晶胞内还有3个原子。个原子。六、单晶体的各向异性六、单晶体的各向异性 晶体在不同方向上性能不同，称之为晶体的各向异性晶体在不同方向上性能不同，称之为晶体的各向异性; 单晶体：由一个晶粒所组成（结晶方位完全一致的晶体）表单晶体：由一个晶粒所组成（结晶方位完全一致的晶体）表现各向异性特征。现各向异性特征。 但各向异性在实际工业生产中使用的金属材料中一般并不表但各向异性在实际工业生产中使用的金属材料中一般并不表现，因为实际工业生产中使用的金属材料为多晶体。现，因为实际工业生产中使用的金属材料为多晶体。七、多晶体结构七、多晶体结构1 1、晶粒：每个小晶体都具有的不规则的颗粒状外外形。、晶粒：

5、每个小晶体都具有的不规则的颗粒状外外形。2 2、单晶体：由一个晶粒所组成。、单晶体：由一个晶粒所组成。3 3、多晶体：由许多晶粒所组成，实际金属就属于这种情、多晶体：由许多晶粒所组成，实际金属就属于这种情况。况。4 4、晶界：晶粒与晶粒之间的界面，称为晶界。一般在铜、晶界：晶粒与晶粒之间的界面，称为晶界。一般在铜材中，晶粒的尺寸在材中，晶粒的尺寸在10-1 10-1 10-3mm 10-3mm左右。在金相显左右。在金相显微镜下可以观察。微镜下可以观察。八、晶体缺陷八、晶体缺陷 通常将实际金属中原子排列的不完整性区域叫做晶通常将实际金属中原子排列的不完整性区域叫做晶体缺陷。体缺陷。晶体缺陷按几何

6、特点可分为以下三种：晶体缺陷按几何特点可分为以下三种：1 1、点缺陷：晶体中在点缺陷：晶体中在X,Y,ZX,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子体缺陷。常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子。（1 1）空位：当晶格中的原子由于某种原因，脱离原来）空位：当晶格中的原子由于某种原因，脱离原来的平衡位置，在原处出现了一个空结点的平衡位置，在原处出现了一个空结点。（2 2）间隙原子：处于晶格间隙中的原子。）间隙原子：处于晶格间隙中的原子。（3 3）置换原子：正常节点处的原子被其他金属种类的）置换原子：正常节点处的原子被其他金属种类的原子所

7、代替。原子所代替。点缺陷造成的后果：点缺陷造成的后果： 造成晶格畸变，使性能发生变化。造成晶格畸变，使性能发生变化。 晶格上的结点偏离其平衡位置，出现几个甚至更晶格上的结点偏离其平衡位置，出现几个甚至更多的原子间距范围的弹性畸变区。多的原子间距范围的弹性畸变区。2 2、线缺陷：就是各种类型的位错，即晶体已滑移部分与、线缺陷：就是各种类型的位错，即晶体已滑移部分与未滑移部分的交界线。晶体中的线缺陷就是各种类型未滑移部分的交界线。晶体中的线缺陷就是各种类型的位错。的位错。 位错：在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律位错：在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。最基本的类型有的错

8、排现象。最基本的类型有“刃型位错刃型位错”和和“螺型螺型位错位错”。3 3、 面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在其它两个方向面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在其它两个方向上尺寸很大，也叫二维缺陷上尺寸很大，也叫二维缺陷 ，主要有金属中的晶界，主要有金属中的晶界和亚晶界。和亚晶界。（1 1）晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界）晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面。面。（2 2）亚晶界：在金属晶体的每一个晶粒内部，其晶格）亚晶界：在金属晶体的每一个晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完整，它是由许多位向很位向也并不像理想晶体那样完整，它是由许多位向很小的小晶块组成，这些小晶块称为亚

9、晶粒，亚晶粒之小的小晶块组成，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。间的界面叫做亚晶界。一、结晶相关术语一、结晶相关术语1 1、 凝固：金属由液态转变为固态的过程。凝固：金属由液态转变为固态的过程。2 2、 结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。排列的晶体状态的过程。 通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。次结晶或重

10、结晶。 1-2 1-2 纯金属的结晶纯金属的结晶二、金属结晶的现象二、金属结晶的现象 金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度T0 T0 （熔点）时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到（熔点）时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到T0 T0 之下的某一之下的某一温度温度T1T1，液态金属才开始结晶。金属的实际结晶温度，液态金属才开始结晶。金属的实际结晶温度T1T1与理论结晶温与理论结晶温度度T0T0之差，称为过冷度，以之差，称为过冷度，以TT表示，表示，T=T0-T1T=T0-T1。 纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷

11、却曲线 a a）理论结晶）理论结晶 b b）实际结晶）实际结晶 三、金属结晶的过程三、金属结晶的过程金属结晶的微观过程是形核和长大的过程。金属结晶的微观过程是形核和长大的过程。1 1、 晶核的形成晶核的形成（1 1）均匀晶核）均匀晶核 （2 2）非均匀晶核）非均匀晶核 2 2、 晶核的长大晶核的长大 1-3金属材料的损坏与塑性变形金属材料的损坏与塑性变形一、载荷及其分类一、载荷及其分类 金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷1、 根据载荷作用性质分类：根据载荷作用性质分类： (1)静载荷静载荷(2)冲击载荷冲击载荷(3)交变载荷交变载荷 2、根

12、据载荷作用形式分类：、根据载荷作用形式分类：(1)拉伸载荷拉伸载荷(2)压缩载荷压缩载荷(3)扭转载荷扭转载荷(4)弯曲载荷弯曲载荷(5)剪切载荷剪切载荷 二、内力及应力二、内力及应力1 1、 内力：工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形内力：工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为内力。，在材料内部产生的一种与外力相对抗的力，称为内力。2 2、 应力：单位横截面面积上的内力称为应力。应力：单位横截面面积上的内力称为应力。 RR应力，应力，PaPa。 FF外力，外力，N N。 SS横截面面积，横截面面积，m m2 2SFR 三、金属的变形三

13、、金属的变形1 1、 金属变形分类金属变形分类(1)(1)弹性变形：外力消失后变形消失，金属恢复到原来的形状。弹性变形：外力消失后变形消失，金属恢复到原来的形状。(2)(2)弹弹塑性变形：一部分发生弹性变形，一部分发生塑性变形。塑性变形：一部分发生弹性变形，一部分发生塑性变形。(3)(3)断裂：破坏，不能再恢复。断裂：破坏，不能再恢复。 2 2、 影响金属塑性变形的因素影响金属塑性变形的因素(1)(1)晶粒位向的影响；晶粒位向的影响；(2)(2)晶界的作用；晶界的作用；(3)(3)晶粒大小的影响。晶粒大小的影响。 四、金属材料的冷塑性变形与加工硬化四、金属材料的冷塑性变形与加工硬化 金属材料的

14、冷塑性变形对金属组织结构的影响有两个方面：金属材料的冷塑性变形对金属组织结构的影响有两个方面：1 1、 产生纤维组织：在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变产生纤维组织：在外形变化的同时，晶粒的形状也会发生变化。通常晶粒会沿变形的方向压扁或拉长化。通常晶粒会沿变形的方向压扁或拉长. .2 2、 形变加强（加工硬化）：冷塑性变形除了使晶粒外形发生变形变加强（加工硬化）：冷塑性变形除了使晶粒外形发生变化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使化外，还会使晶粒内部的位错密度增加，晶格畸变加剧，从而使金属随着变形量的增加，其强度、硬度提高，而塑性、韧性下降金属随着变形量的增加，其强度、硬

15、度提高，而塑性、韧性下降。 1-4金属的力学性能金属的力学性能一、力学性能概念及指标一、力学性能概念及指标1 1、 概念概念金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能2 2、 力学性能指标力学性能指标强度、塑性、硬度、强度、塑性、硬度、 冲击韧性等。冲击韧性等。 二、强度二、强度 金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。强度大小用应力表示。强度大小用应力表示。 根据载荷作用方式不同分类：抗拉强度、

16、抗压强度、抗剪根据载荷作用方式不同分类：抗拉强度、抗压强度、抗剪强度、抗扭强度和抗弯强度。强度、抗扭强度和抗弯强度。 抗拉强度通过拉伸实验测定。抗拉强度通过拉伸实验测定。 1 1、拉伸试样、拉伸试样 圆形、矩形、六方形。圆形、矩形、六方形。 L L0 0=5d =5d 短试样，短试样，L L0 0=10d =10d 长试样长试样2 2、强度指标、强度指标（1 1）屈服强度）屈服强度 ReLReL试样的下屈服强度，试样的下屈服强度，MPaMPa。 FeLFeL试样屈服时的最小载荷，试样屈服时的最小载荷，N N。 S0S0试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mmmm2 2 。 0SFReLeL

17、（2 2）抗拉强度）抗拉强度 RmRm抗拉强度，抗拉强度，MPaMPa。 FmFm试样在屈服阶段后所能抵抗的最打载荷，试样在屈服阶段后所能抵抗的最打载荷，N N。 S0S0试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mmmm2 2 。0SFRmm二、塑性二、塑性材料受力后在断裂之前产生塑性变形的材料受力后在断裂之前产生塑性变形的 能力称为塑性能力称为塑性。衡量塑性的常见指标有断后伸长率和断面收缩率。衡量塑性的常见指标有断后伸长率和断面收缩率，也用拉伸试验法测定。，也用拉伸试验法测定。1 1、 断后伸长率断后伸长率 L L0 0试样原始标距长度，试样原始标距长度，mmmm。 LuLu试样拉断后的标距

18、长度，试样拉断后的标距长度，mmmm。%10000LLLAu2 2、 断面收缩率断面收缩率 S S0 0试样原始横截面面积，试样原始横截面面积，mmmm2 2 。 SuSu试样拉断后缩颈处的横截面面积，试样拉断后缩颈处的横截面面积，mmmm2 2 。 金属材料的断后伸长率和断面收缩率越高，其塑性金属材料的断后伸长率和断面收缩率越高，其塑性越好。越好。%10000SSSZu三三、硬度硬度 材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。痕的能力称为硬度。 常用的硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度常用的硬度实验法有布氏硬度实验法、洛氏硬度实验

19、法、维氏硬度实验法。实验法、维氏硬度实验法。1 1、 布氏硬度布氏硬度(1(1）布氏硬度的定义）布氏硬度的定义 使用一定直径的硬质合金球体，以规定的实验力使用一定直径的硬质合金球体，以规定的实验力压入试样表面，并保持规定时间后卸去实验力，然后压入试样表面，并保持规定时间后卸去实验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。用测量表面压痕直径来计算硬度。 布氏硬度值是用球面压痕单位面积上所承受的平布氏硬度值是用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位均压力来表示，单位MPaMPa。用符号。用符号HBWHBW）表示。）表示。 SS球面压痕表面积，球面压痕表面积，mm2mm2； FF实验力，实验力，

20、N N； DD压头直径，压头直径，mmmm； DD压痕平均直径，压痕平均直径，mmmm。)(2102. 022dDDDFSFHBW布氏硬度的表示方法布氏硬度的表示方法 符号符号HBWHBW之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺之前的数字为硬度值，符号后面按以下顺序用数字表示实验条件。序用数字表示实验条件。1 1）球体直径）球体直径2 2）实验力）实验力3 3）实验力保持的时间（）实验力保持的时间（101015s15s不标注）不标注） 例如：例如：170HBW10/1000/30170HBW10/1000/30表示用直径表示用直径10mm10mm的钢球的钢球，在，在9807N9807N的实验力作用

21、下，保持的实验力作用下，保持30s30s时测得的布氏硬时测得的布氏硬度值为度值为170170。（3 3）应用范围及优缺点）应用范围及优缺点 布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、有色金属、各种软钢等硬度不是很高的材料。种软钢等硬度不是很高的材料。 优点：试验力大、球体直径大，压痕直径大，能优点：试验力大、球体直径大，压痕直径大，能准确反映出金属材料的平均性能。准确反映出金属材料的平均性能。 缺点：操作时间长，不宜于测量成品及薄件。缺点：操作时间长，不宜于测量成品及薄件。2 2、洛氏硬度、洛氏硬度 （1 1）洛氏硬度的定义）洛氏硬度的定义：洛氏硬度实验是目前应用

22、范围洛氏硬度实验是目前应用范围最广的硬度实验方法。它是采用直接测量压痕深度来最广的硬度实验方法。它是采用直接测量压痕深度来确定硬度值的。确定硬度值的。 采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表采用金刚石圆锥体或淬火钢球压头，压入金属表面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压面后，经规定保持时间后卸除主试验力，以测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。痕深度来计算洛氏硬度值。 （2 2）洛氏硬度的表示方法）洛氏硬度的表示方法 符号符号HRHR前面的数字表示硬度值。前面的数字表示硬度值。HRHR后面的字母表后面的字母表示不同的洛氏硬度标尺。示不同的洛氏硬度标尺。（3 3）常用洛氏硬度标尺及其适用范

23、围：）常用洛氏硬度标尺及其适用范围： HRA HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；HRBHRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；适用于测量有色金属和退火、正火钢等；HRCHRC适用于测量调质钢、淬火钢等。适用于测量调质钢、淬火钢等。洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。二、冲击韧性二、冲击韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性。材料的冲击

24、韧性用一次摆锤冲击弯曲实验冲击韧性。材料的冲击韧性用一次摆锤冲击弯曲实验来测定。来测定。 试样规格：试样规格：U U形或形或V V形缺口的式样。形缺口的式样。 试样从一定高度被击断后，缺口处单位横截面面试样从一定高度被击断后，缺口处单位横截面面积上吸收的功，即表示冲击韧度值。积上吸收的功，即表示冲击韧度值。 k k冲击韧度，冲击韧度，J/cmJ/cm2 2，kk值越大，材料的冲击韧值越大，材料的冲击韧性越好；性越好； A Ak k冲击吸收功，冲击吸收功，J J； S S0 0试样缺口处的横截面面积，试样缺口处的横截面面积，cmcm2 2 。0SAkk1-5 金属的工艺性能金属的工艺性能工艺性能

25、：金属材料对不同加工工艺方法的适应能工艺性能：金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削力。包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能。加工性能。一、铸造性能一、铸造性能 金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力金属及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力，叫铸造性能。，叫铸造性能。 主要指标：主要指标： 1 1、流动性、流动性 2 2、收缩性、收缩性 3 3、偏析倾向、偏析倾向二、锻造性能二、锻造性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。能。 锻造性能的好坏同金属的塑性和变形抗力有关。塑性锻造性

26、能的好坏同金属的塑性和变形抗力有关。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。 三、焊接性能三、焊接性能 焊接性能：指金属材料对焊接加工的适应性，也焊接性能：指金属材料对焊接加工的适应性，也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。难易程度。 焊接性能主要同金属材料的化学成分有关（碳的焊接性能主要同金属材料的化学成分有关（碳的影响最大）。一般来说，含碳量越多，焊接性能越差影响最大）。一般来说，含碳量越多，焊接性能越差。 四、切削加工性能四、切削加工性能 切削加工金属材料的难易程度。切削加工金属

27、材料的难易程度。 衡量指标：工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命。衡量指标：工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命。 影响因素：工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性影响因素：工件的化学成分、组织状态、硬度、塑性、导热性、形变强化。、导热性、形变强化。 一般认为：金属材料具有适当硬度和足够的脆性时较一般认为：金属材料具有适当硬度和足够的脆性时较易切削。易切削。五、热处理性能五、热处理性能 金属材料在进行热处理时反映出来的能力，称金属材料在进行热处理时反映出来的能力，称为热处理性能。如淬透性、淬硬性、淬火变形开为热处理性能。如淬透性、淬硬性、淬火变形开裂的倾向、氧化脱碳的倾向等。裂的倾向、氧化脱碳的倾向等。 热处理是改善钢切削加工性能的重要途径，也热处理是改善钢切削加工性能的重要途径，也是改善材料力学性能的重要途径。是改善材料力学性能的重要途径。 热处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性热处理性能包括淬透性、淬硬性、过热敏感性、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向、变形开裂倾向、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向等。等。