金屬材料及機(jī)械制造工藝目一改變材料性能的方法

1、項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 項(xiàng)目一項(xiàng)目一 改變材料性能的方法改變材料性能的方法 任務(wù)任務(wù)1 金屬材料的性能金屬材料的性能 任務(wù)任務(wù)2 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu) 任務(wù)任務(wù)3 鋼的熱處理鋼的熱處理 任務(wù)任務(wù)4 金屬的塑性變形與強(qiáng)化金屬的塑性變形與強(qiáng)化 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 【知識目標(biāo)【知識目標(biāo)】1. 熟悉并掌握金屬材料的常用力學(xué)性能，了解材料的物理、化學(xué)及工藝性能；2. 理解鐵碳相圖及鐵碳合金成分、組織、性能之間的關(guān)系；3. 掌握一般金屬材料的熱處理方法；4. 了解金屬材料的塑性變形及強(qiáng)化方法?！灸芰δ繕?biāo)【能力目標(biāo)】1. 具備金屬材料常用力學(xué)性能的檢測能力；2. 具備通過熱處理及其他強(qiáng)化

2、方法改善金屬材料力學(xué)性能及工藝性能的能力。 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 任務(wù)任務(wù)1 金屬材料的性能金屬材料的性能在機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、國防工業(yè)、石油化工和日常生活各個領(lǐng)域需要使用大量的工程材料。生產(chǎn)實(shí)踐中，往往由于選材不當(dāng)造成機(jī)械達(dá)不到使用要求或過早失效，因此了解和熟悉材料的性能成為合理選材、充分發(fā)揮工程材料內(nèi)在性能潛力的重要依據(jù)。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 金屬材料的性能包括使用性能和工藝性能。使用性能是指材料在使用過程中表現(xiàn)出來的性能，它包括力學(xué)性能和物理、化學(xué)性能等；工藝性能是指材料對各種加工工藝適應(yīng)的能力，它包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。項(xiàng)目一 改變

3、材料性能的方法 1.1 力力 學(xué)學(xué) 性性 能能在機(jī)械制造領(lǐng)域選用材料時(shí)，大多以力學(xué)性能為主要依據(jù)。力學(xué)性能范圍較廣，按試驗(yàn)溫度區(qū)分，可分為高溫力學(xué)性能、常溫力學(xué)性能和低溫力學(xué)性能，這里主要介紹常溫力學(xué)性能。材料在加工及使用過程中所受的外力稱為載荷。根據(jù)載荷作用性質(zhì)不同，可分為靜載荷、沖擊載荷和疲勞載荷三種。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (1) 靜載荷：大小不變或變動很慢的載荷，例如床頭箱對機(jī)床床身的壓力。(2) 沖擊載荷：突然增加或消失的載荷，例如空氣錘錘頭下落時(shí)錘桿所承受的載荷。(3) 疲勞載荷：周期性的動載荷，例如機(jī)床主軸在機(jī)床加工過程中承受的交變載荷。力學(xué)性能是指材料在各種載荷作用下表現(xiàn)出

4、來的抵抗能力。常用的力學(xué)性能指標(biāo)有剛度及強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度等。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.1.1 剛度及強(qiáng)度剛度及強(qiáng)度金屬材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為強(qiáng)度，強(qiáng)度愈高的材料，所承受的載荷愈大。按照載荷作用方式不同，強(qiáng)度可分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度等。工程上常以屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度作為強(qiáng)度指標(biāo)。強(qiáng)度指標(biāo)一般可以通過金屬拉伸試驗(yàn)來測定。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，把標(biāo)準(zhǔn)試樣裝夾在試驗(yàn)機(jī)上，然后對試樣逐漸施加拉伸載荷的同時(shí)連續(xù)測量力和相應(yīng)的伸長量，直至把試樣拉斷為止，依據(jù)測出的拉伸曲線，即可求出相關(guān)的力學(xué)性能。圖1-1所示為標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣通常分為長試樣

5、和短試樣兩種。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-1 標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 在gb/t 228.12010金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法中，對拉伸試樣進(jìn)行了規(guī)定，試樣的形狀可以多樣，試樣標(biāo)距也分為比例標(biāo)距和非比例標(biāo)距兩種，因而有比例試樣和非比例試樣之分。 (1) 比例試樣。凡試樣標(biāo)距與試樣原始橫截面積有以下關(guān)系的，稱為比例標(biāo)距，試樣稱為比例試樣。 式中：l0為原始標(biāo)距；k為比例系數(shù)；s0為原始橫截面積。 (1-1) 2100/ksl 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (2) 非比例試樣。非比例試樣的標(biāo)距與試樣原始橫截面積不滿足式(1-1)的關(guān)系。如果采用比例試樣，一般應(yīng)采用短

6、試樣，即比例系數(shù)k值為5.65，此時(shí)l0=10d0；如采用此比例系數(shù)時(shí)不滿足最小標(biāo)距15 mm，則一般采用長試樣，即比例系數(shù)k值為11.3，此時(shí)l0=10d0。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 根據(jù)材料的性質(zhì)不同，拉伸曲線形狀也不盡相同。圖1-2為退火低碳鋼的拉力延伸曲線。圖中縱坐標(biāo)表示拉伸力f，單位為n；橫坐標(biāo)表示試樣標(biāo)距的絕對伸長l，單位為mm。如果我們將延伸率e，(又稱應(yīng)變)定義為試樣原始標(biāo)距的增量l與原始試樣的標(biāo)距l(xiāng)0之比，將應(yīng)力r定義為拉伸力f與試樣原始橫截面積s0之比，將會得到如圖1-3所示的退火低碳鋼的應(yīng)力延伸率曲線，又稱應(yīng)力應(yīng)變曲線。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 下面以退火低碳鋼的拉力

7、拉伸曲線為例說明拉伸過程中的幾個變形階段。(1) oe彈性變形階段：試樣的伸長量與載荷成正比增加，此時(shí)若卸載，試樣能完全恢復(fù)原狀。(2) esc屈服階段：當(dāng)載荷超過一定數(shù)值后，試樣除產(chǎn)生彈性變形外，開始出現(xiàn)塑性變形，此時(shí)若卸載，試樣的伸長部分只能部分回彈恢復(fù)。當(dāng)載荷增加到feh時(shí)以后，圖形上出現(xiàn)水平或鋸齒形線段，表示載荷不增加，試樣繼續(xù)伸長，材料喪失了抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象叫屈服。我們把試樣發(fā)生屈服而載荷首次下降前的最高載荷定義為上屈服載荷feh，把在屈服期間不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)的最低載荷定義為下屈服載荷fel。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-2 退火低碳鋼的拉力延伸曲線 項(xiàng)目一 改變材料性能

8、的方法 圖1-3 退火低碳鋼的應(yīng)力延伸率曲線 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (3) cb均勻塑性變形階段：屈服階段后，試樣隨載荷增加而繼續(xù)伸長，此時(shí)開始產(chǎn)生明顯的塑性變形，試樣伸長量隨載荷增加而增大。fm為試樣拉伸試驗(yàn)的最大載荷。(4) bk縮頸階段：載荷達(dá)到最大值fm后，試樣伸長量迅速增大而橫截面局部開始急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”現(xiàn)象，由于截面積減小，試樣變形所需載荷也隨之降低，在k點(diǎn)時(shí)試樣發(fā)生斷裂。工程上使用的金屬材料，并不是都有明顯的四個階段，對于脆性材料，彈性變形后馬上發(fā)生斷裂，沒有明顯的屈服階段，如圖1-4所示的鑄鐵的應(yīng)力延伸率(又稱應(yīng)力應(yīng)變)曲線。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-4 鑄

9、鐵的應(yīng)力延伸率曲線 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1剛度指標(biāo)剛度指標(biāo)在彈性變形階段oe段，若卸掉載荷，試驗(yàn)可以恢復(fù)到原來的尺寸。材料在彈性變形階段內(nèi)，應(yīng)力與延伸率的比值為一定值，其值大小反映了材料彈性變形的難易程度，稱為彈性模量e，單位為n/mm2，即e=tan (1-2)彈性模量e體現(xiàn)了材料抵抗彈性變形的能力。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力稱為剛度，其指標(biāo)為彈性模量e。彈性模量是材料最穩(wěn)定的性質(zhì)之一，主要取決于材料內(nèi)部的原子間的作用力，除了隨溫度升高而逐漸降低之外，一般的材料強(qiáng)化手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響極小。因此，要想改變一個零件或構(gòu)件的剛度，

10、可以通過增加其橫截面積或改變截面形狀的方法獲得。 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)度指標(biāo) 金屬材料的強(qiáng)度是用應(yīng)力來度量的，即材料受載荷作用后內(nèi)部產(chǎn)生一個與載荷相平衡的內(nèi)力。單位截面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。1) 屈服強(qiáng)度材料在拉伸試驗(yàn)的屈服階段，拉力不增加(即保持恒定)而試樣仍能繼續(xù)伸長時(shí)的應(yīng)力，稱為屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度分為上屈服強(qiáng)度reh和下屈服強(qiáng)度rel，單位為n/mm2，即0elel0ehehsfrsfr(1-3) (1-4) 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 式中：reh為上屈服強(qiáng)度(n/mm2)；feh為試樣在發(fā)生屈服而力首次下降前的最高載荷(n)；re

11、l為下屈服強(qiáng)度(n/mm2)，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的屈服強(qiáng)度指標(biāo)s(mpa)含義相同；feh為在屈服期間不計(jì)瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最低載荷(n)；s0為試樣原始橫截面積(mm2)。由于許多材料(如鑄鐵、高碳鋼等)無明顯屈服現(xiàn)象，屈服載荷測定困難，工程技術(shù)上通常規(guī)定試樣標(biāo)距產(chǎn)生0.2%殘余延伸率時(shí)對應(yīng)的載荷f所產(chǎn)生的應(yīng)力為屈服強(qiáng)度，稱為“規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度”，用rr0.2(n/mm2)來表示(如圖1-4所示)，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的條件屈服強(qiáng)度0.2相同。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 屈服強(qiáng)度表征金屬發(fā)生明顯塑性變形的抗力，由于金屬零件和結(jié)構(gòu)在工作中一般不允許產(chǎn)生塑性變形，因此設(shè)計(jì)零件、結(jié)構(gòu)時(shí)，屈服強(qiáng)度是機(jī)械設(shè)計(jì)的主

12、要依據(jù)，也是評定金屬材料優(yōu)劣的重要指標(biāo)。例如，機(jī)械零件在工作時(shí)如受力過大，會因過量變形而失效。2) 抗拉強(qiáng)度材料在拉斷前所承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用符號rm表示，單位為n/mm2，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的抗拉強(qiáng)度b(mpa)相同。0mmsfr (1-5)項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 式中：rm為抗拉強(qiáng)度(n/mm2)；fm為試樣拉斷時(shí)的最大載荷(n)；s0為試樣原始橫截面積(mm2)?？估瓘?qiáng)度表示材料抵抗均勻塑性變形和破壞的最大能力，也是設(shè)計(jì)機(jī)械零件和選材的主要依據(jù)。由于抗拉強(qiáng)度的測試數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，因此有關(guān)手冊和資料提供的設(shè)計(jì)、選材的強(qiáng)度指標(biāo)往往是抗拉強(qiáng)度。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.1.2 塑

13、性塑性金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力稱為塑性。塑性指標(biāo)也是通過拉伸試驗(yàn)測定的。常用塑性指標(biāo)是斷后伸長率和斷面收縮率。1斷后伸長率斷后伸長率a斷后伸長率又稱延伸率，是指拉伸試驗(yàn)試樣拉斷后標(biāo)距長度的相對伸長值，即標(biāo)距增長量與原始標(biāo)距長度之比，用符號a表示，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的符號相同。式中：l0為試樣原始標(biāo)距長度(mm)；lu為試樣被拉斷后的標(biāo)距長度(mm)。 %llla10000u(1-6) 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 必須注意，被測標(biāo)準(zhǔn)試樣長度不同，測得的斷后伸長率是不同的，所以同種材料用不同標(biāo)準(zhǔn)試樣測定的斷后伸長率的值也不一樣。因此，不同材料進(jìn)行比較時(shí)，必須采用相同的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

14、對于比例試樣，若采用短試樣即k值為5.65，符號a不用附腳注說明；如采用長試樣即k值為11.3，符號a應(yīng)附腳注說明，即a11.3。對于非比例試樣，符號a應(yīng)附腳注說明所使用的原始標(biāo)距，以毫米(mm)表示，例如a80表示原始標(biāo)距為80 mm的斷后伸長率。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2斷面收縮率斷面收縮率z斷面收縮率是指試樣拉斷處截面面積的收縮率，即拉斷處截面面積的最大縮減量與原始橫截面積之比，用符號z表示，其含義與舊標(biāo)準(zhǔn)中的符號相同。 式中，s0為拉伸試樣原始橫截面面積(mm2)；su為試樣被拉斷時(shí)縮頸處的最小面積(mm2)。%sssz1000u0(1-7)項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 斷面收縮率不

15、受試樣尺寸的影響，因此斷面收縮率比斷后伸長率更接近材料的真實(shí)應(yīng)變。因此在塑性指標(biāo)中，斷面收縮率比斷后伸長率更為合理、可靠，更能可靠地反映材料的塑性大小。但由于斷后伸長率比斷面收縮率易于測量，因此現(xiàn)有的材料塑性指標(biāo)往往仍較多地采用斷后伸長率。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 斷后伸長率和斷面收縮率數(shù)值愈大，表明材料的塑性變形能力愈強(qiáng)、塑性愈好，良好的塑性對機(jī)械零件的加工和使用都具有重要意義。例如，塑性良好的材料易于進(jìn)行壓力加工(軋制、沖壓、鍛造等)，如果過載，由于產(chǎn)生塑性變形而不會突然斷裂，可以避免事故發(fā)生。因此，大多數(shù)機(jī)械零件，除滿足強(qiáng)度要求外，還必須滿足一定的塑性要求，才能保證工作的安全可靠。對于

16、如鑄鐵、陶瓷等脆性材料，其塑性極低，拉伸時(shí)幾乎不產(chǎn)生明顯的塑性變形，超載時(shí)會突然斷裂，在機(jī)械的設(shè)計(jì)、使用時(shí)必須注意。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.1.3 硬度硬度硬度是材料力學(xué)性能的一個重要指標(biāo)，是材料表面上局部體積內(nèi)抵抗塑性變形和破壞的能力，即硬度體現(xiàn)了材料的軟硬程度。硬度試驗(yàn)方法很多，大體上可分為壓入法、刻畫法和彈性回跳法三大類。金屬材料主要用壓入法進(jìn)行硬度試驗(yàn)。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 用壓入法測得的硬度值是表征材料表面局部體積內(nèi)抵抗另一物體壓入時(shí)變形的能力，它又可間接反映出材料強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等性能特點(diǎn)。壓入法操作簡單，可直接在零件或工具上進(jìn)行而不破壞工件。在產(chǎn)品半成品和成品性能檢驗(yàn)

17、中，硬度是標(biāo)志成品質(zhì)量的重要依據(jù)之一，因此它經(jīng)常作為熱處理工件質(zhì)量檢驗(yàn)的主要指標(biāo)。目前，應(yīng)用最為廣泛的是布氏硬度試驗(yàn)法、洛氏硬度試驗(yàn)法和維氏硬度試驗(yàn)法。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1布氏硬度試驗(yàn)法布氏硬度試驗(yàn)法1) 布氏硬度試驗(yàn)原理布氏硬度試驗(yàn)是1900年由瑞典工程師布利涅爾(j.b.brinell)提出的，是目前最常用的硬度試驗(yàn)方法之一。圖1-5為布氏硬度試驗(yàn)原理圖。它是用一定直徑d的淬火鋼球(或硬質(zhì)合金鋼)做壓頭，以相應(yīng)試驗(yàn)力f壓入被測材料表面，經(jīng)規(guī)定的保持時(shí)間后卸載，測量鋼球(或硬質(zhì)合金鋼)在被測試材料表面上所形成的壓痕直徑d，由此計(jì)算出壓痕面積，進(jìn)而得到壓痕單位面積上所受平均試驗(yàn)力的大

18、小，即用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商，稱為布氏硬度值，用符號hb表示：項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 式中：f為試驗(yàn)力(n)；s為壓痕球面積(mm2)；d為球體直徑(mm)；d為壓痕平均直徑(mm)；h為壓痕深度(mm)。在實(shí)際測量中，可由測出的壓痕平均直徑d直接查表得到布氏硬度值。從式(1-8)可看出，當(dāng)外載荷f和壓頭球體直徑d一定時(shí)，布氏硬度值僅與壓痕直徑d有關(guān)。d越小，布氏硬度值越大，硬度愈高，材料越硬；d越大，布氏硬度值越小，硬度也越小，則材料越軟。)(210201020hb22ddddf.dhf.sf(1-8) 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-5 布氏硬度試驗(yàn)原理圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的

19、方法 2) 布氏硬度的符號及表示方法由于壓頭使用材料的不同，布氏硬度符號可用hbs或hbw表示。當(dāng)試驗(yàn)壓頭為淬火鋼球時(shí)，硬度符號為hbs；當(dāng)試驗(yàn)壓頭為硬質(zhì)合金鋼球時(shí)，硬度符號為hbw。布氏硬度的表示方法規(guī)定：符號hbs或hbw之前數(shù)字為硬度值，符號后面按球體直徑d/試驗(yàn)力f/試驗(yàn)力保持時(shí)間(10 s15 s時(shí)可不標(biāo)注)用數(shù)字來表示試驗(yàn)條件。例如，120hbs10/1000/30表示用直徑10 mm的淬火鋼球在9.8103 kn(1000 kgf)試驗(yàn)力作用下保持30 s測得的布氏硬度值為120；450hbw5/750表示用直徑5 mm的淬火鋼球在7.35103 kn(750 kgf)試驗(yàn)力作用

20、下保持10 s15 s測得的布氏硬度值為450。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 3) 布氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于由于壓痕面積較大，能反映出較大范圍內(nèi)被測材料的憑據(jù)硬度，不受個別組成相和微小不均勻性的影響，能較真實(shí)地反映出材料的平均性能，并具有較高的測量精度。布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是對不同的材料需更換壓頭和改變試驗(yàn)力，壓痕測量較復(fù)雜，操作繁瑣；因壓痕較大，布氏硬度不適宜檢驗(yàn)薄件或成品。對于某些材料，例如鋼、黃銅和鑄鐵等，其抗拉強(qiáng)度與布氏硬度值之間存在著大致的比例關(guān)系，可近似換算出金屬的強(qiáng)度，因而在工程上應(yīng)用廣泛。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 布氏硬度試驗(yàn)主要用來測量灰鑄鐵、有色金屬以及

21、經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等材料，特別是對于材料組織比較粗大且不均勻的材料，更是其他硬度試驗(yàn)方法所不能替代的。日常生產(chǎn)試驗(yàn)中，hbs適于測量布氏硬度值小于450的材料，hbw適于測量布氏硬度值小于650的材料。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2洛氏硬度試驗(yàn)法洛氏硬度試驗(yàn)法1) 洛氏硬度試驗(yàn)原理洛氏硬度試驗(yàn)法是由美國的洛克威爾(s.p.rockwell)于1921年提出的，也是目前最常用的硬度試驗(yàn)方法之一。洛氏硬度試驗(yàn)的原理與布氏硬度試驗(yàn)方法不同，它不是測定壓痕的面積，而是測量壓痕的深度，以深度的大小來表示材料的硬度值。洛氏硬度試驗(yàn)是用頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588 mm的淬火鋼球作

22、為壓頭，試驗(yàn)時(shí)先施加初載荷，目的是使壓頭與試樣表面接觸良好，保證測量結(jié)果準(zhǔn)確，然后施加主載荷，保持規(guī)定時(shí)間后卸除主載荷，依據(jù)壓痕深度確定硬度值。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-6為洛氏硬度試驗(yàn)原理圖。00為120金剛石壓頭沒有與試件表面接觸時(shí)的位置；1l為加初載p0后的位置，此時(shí)壓頭壓入深度為ab；22為壓頭加主載p1后的位置，此時(shí)壓頭壓入深度為ac；卸除主載后，由于恢復(fù)彈性變形，壓頭位置提高到33位置。最后，壓頭受主載后實(shí)際壓入表面的深度為bd，洛氏硬度即用bd的大小來衡量。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，洛氏硬度可直接從硬度計(jì)表盤中讀出。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-6 洛氏硬度試驗(yàn)原理圖項(xiàng)目一 改變材

23、料性能的方法 2) 洛氏硬度的符號及表示方法洛氏硬度用符號hr表示。為了擴(kuò)大硬度測定的范圍，以便測定不同金屬材料從硬到軟的各種硬度值，常采用不同的壓頭和主試驗(yàn)力組成不同的洛氏硬度標(biāo)尺來測定不同硬度的材料，常用a、b、c三種標(biāo)度對不同硬度材料進(jìn)行試驗(yàn)，硬度分別用符號hra、hrb、hrc表示，其中hrc應(yīng)用最為廣泛。三種洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍見表1-1。需要注意的是各種不同標(biāo)尺的洛氏硬度值不能直接進(jìn)行比較，只有查表轉(zhuǎn)換為同一標(biāo)尺后，才能有一定的可比性。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 表表1-1 常用洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍常用洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和適用范圍 項(xiàng)目一 改變材料性能的

24、方法 洛氏硬度的表示方法為：符號hr的前面為硬度值數(shù)字，后面為適用的標(biāo)尺字母。例如，59 hrc表示用c標(biāo)尺測得的洛氏硬度值為59。3) 洛氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍洛氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單迅速，能直接從刻度盤上讀出硬度值；測試的硬度值范圍較大，既可測定較軟的金屬材料，也可測定較硬的金屬材料；試樣表面壓痕較小，可直接測量成品或薄工件。洛氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是由于壓痕小，對內(nèi)部組織和硬度不均勻的材料，硬度波動較大，重復(fù)性差，為提高測量精度，通常要測定三個不同點(diǎn)取平均值。洛氏硬度試驗(yàn)的典型應(yīng)用范圍見表1-1。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 3維氏硬度試驗(yàn)法維氏硬度試驗(yàn)法維氏硬度試驗(yàn)法是英國的史密斯(r.l

25、.smith)和桑德蘭德(g.e.sandland)于1925年提出的。由于按照此種試驗(yàn)方法第一次試制成功的是英國的維克斯阿姆斯特朗(vickers-armstrong)公司，所以人們稱之為維氏硬度試驗(yàn)法。由于布氏硬度試驗(yàn)法和洛氏硬度試驗(yàn)法的載荷大且壓痕深，所以不能測量很薄工件的硬度，而維氏硬度試驗(yàn)法可以解決這個問題。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1) 維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)法的試驗(yàn)原理與布氏硬度試驗(yàn)相同，也是根據(jù)壓痕單位面積所承受的載荷來計(jì)算硬度值的。所不同的是維氏硬度試驗(yàn)的壓頭不是球體而是兩相對面間夾角為136的金剛石四棱錐體。圖1-7為維氏硬度試驗(yàn)原理圖。將兩相對面間夾角為136的金

26、剛石四棱錐體壓頭用試驗(yàn)力f壓入試驗(yàn)表面，保持規(guī)定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測量試樣表面壓痕對角線的長度。試驗(yàn)力除以壓痕表面積所得的商就是維氏硬度值，即2218910)2136sin(21020hvdf.d/f.(1-9) 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-7 維氏硬度試驗(yàn)原理圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 式中：f為試驗(yàn)力(n)；d為壓痕兩對角線長度d1、d2的算術(shù)平均值(mm)。在實(shí)際測量中，可由測量壓痕對角線的平均長度d直接查表得到維氏硬度值。2) 維氏硬度的符號及表示方法維氏硬度用符號hv表示，符號之前為硬度值數(shù)字，符號后面的數(shù)字按順序分別表示試驗(yàn)力及試驗(yàn)力保持時(shí)間(10 s15 s不標(biāo)注)。

27、例如，640hv30/20表示在試驗(yàn)力為294.2 n(30 kgf)下保持20 s測定的維氏硬度值為640。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 3) 維氏硬度的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍與布氏硬度和洛氏硬度試驗(yàn)相比，維氏硬度試驗(yàn)保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)，既可測量由極軟到極硬材料的硬度，又能互相比較；既可測量大塊材料、表面硬化層的硬度，又可測量金相組織中不同相的硬度。維氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是硬度值測定較為麻煩，需要在顯微鏡下測量壓痕尺寸，操作不如洛氏硬度試驗(yàn)法簡便，工作效率低，不宜用于成批生產(chǎn)的常規(guī)檢驗(yàn)。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.1.4 沖擊韌度沖擊韌度許多機(jī)械零件是在沖擊載荷下工作的，如鍛錘的錘桿、沖床

28、的沖頭、火車掛鉤、活塞等。沖擊載荷比靜載荷的破壞力大，對于承受沖擊載荷的材料，不僅要求具有高的強(qiáng)度和一定的塑性，還必須具備足夠的沖擊韌度。金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力稱為沖擊韌度，沖擊韌度通常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來測定。1擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)擺錘式一次沖擊試驗(yàn)是目前最普遍的一種試驗(yàn)方法。為了使試驗(yàn)結(jié)果可以相互比較，按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，將金屬材料做成沖擊試樣。擺錘沖擊試驗(yàn)原理如圖1-8所示。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-8 擺錘沖擊試驗(yàn)示意圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 將標(biāo)準(zhǔn)試樣安放在擺錘式試驗(yàn)機(jī)的支座上，試樣缺口背向擺錘，將具有一定重力g的擺錘舉至一定高度h1，使其獲

29、得一定勢能gh1，然后由此高度落下將試樣沖斷，擺錘剩余勢能為gh2。沖擊吸收功ak除以試樣缺口處的截面積s0，即可得到材料的沖擊韌度k，其計(jì)算公式如下：式中：ak為沖擊吸收功(j)；g為擺錘的重力(n)；h1為擺錘舉起的高度(m)；h2為沖斷試樣后擺錘的高度(m)；s0為試樣缺口處的截面積(cm2)；k為沖擊韌度(j/cm2)，工程中其單位也可換算成mj/m2。0210kk)(shhgsa (1-10) 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 需要說明一點(diǎn)，使用不同類型的標(biāo)準(zhǔn)試樣(u型缺口或v型缺口)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，沖擊韌度分別以ku或kv表示。沖擊韌度k值愈大，表明材料的韌性愈好，受到?jīng)_擊時(shí)愈不易斷裂。k值

30、的大小受很多因素影響，不僅與試樣形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織有關(guān)，還與試驗(yàn)時(shí)的溫度密切相關(guān)。因此沖擊韌度值一般只作為選材時(shí)的參考，而不能作為計(jì)算依據(jù)。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)k值發(fā)生急劇下降的現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，如圖1-9所示。經(jīng)常在低溫下服役的船舶、橋梁等結(jié)構(gòu)材料的使用溫度必須高于其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-9 韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線示意圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2小能量多次沖擊抗力小能量多次沖擊抗力工程實(shí)際中，在沖擊載荷作用下工作的機(jī)械零件，很少因受大能量一次沖擊而破壞，大多數(shù)是經(jīng)千百萬次的小能量多次重復(fù)沖擊

31、，最后導(dǎo)致斷裂的，例如，沖模的沖頭、鑿巖機(jī)上的活塞等，所以用k值來衡量材料的沖擊抗力，不符合實(shí)際情況，應(yīng)采用小能量多次重復(fù)沖擊試驗(yàn)來測定。因此材料的多次沖擊抗力是一項(xiàng)取決于材料強(qiáng)度和塑性的綜合性指標(biāo)。 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.1.5 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度許多機(jī)械零件，例如軸、齒輪、軸承、彈簧等，在工作中承受的是交變載荷。所謂交變載荷，是指大小或方向隨時(shí)間而變化的載荷。在這種載荷作用下，雖然零件所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點(diǎn)，但在長期使用中往往會突然發(fā)生斷裂，這種破壞過程稱為疲勞斷裂。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 工程上規(guī)定，材料經(jīng)無數(shù)次重復(fù)交變載荷作用而不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力稱為疲勞強(qiáng)度。圖1-1

32、0是通過試驗(yàn)測定的材料交變應(yīng)力和斷裂前應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n之間的關(guān)系曲線(疲勞曲線)。該曲線表明，材料受的交變應(yīng)力越大，則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n越小，反之，則n越大。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí)，試樣經(jīng)無限周次循環(huán)也不破壞，此應(yīng)力值稱為材料的疲勞強(qiáng)度，用r表示。對稱循環(huán)r=-1，疲勞極限用-1表示。工程運(yùn)用上，黑色金屬規(guī)定循環(huán)周次一般為106107，有色金屬和某些高強(qiáng)度鋼規(guī)定循環(huán)周次為107108。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-10 疲勞曲線示意圖項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 金屬產(chǎn)生疲勞斷裂同許多因素有關(guān)，目前普遍認(rèn)為是由于材料內(nèi)部有缺陷，如夾雜物、氣孔、疏松等；表面劃痕、殘余應(yīng)力及其他能引起應(yīng)力集中的缺陷

33、也會導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，這種微裂紋隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展，致使零件突然斷裂。由于疲勞破壞時(shí)事先沒有明顯的塑性變形而很難觀察到，因此具有很大的危險(xiǎn)性。針對上述原因，可采取以下措施來有效提高零件的疲勞強(qiáng)度：改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以避免應(yīng)力集中；提高加工工藝以減少內(nèi)部組織缺陷；通過降低零件表面粗糙度來提高表面加工質(zhì)量；采用表面強(qiáng)化方法(如表面淬火、表面滾壓、噴丸處理等)使零件表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，等等。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.1.6 磨損磨損機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，任何零件在接觸狀態(tài)下的相對運(yùn)動都會產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致零件磨損，最后失效。按磨損的破壞機(jī)理，磨損可分為粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和接觸疲勞。(1) 粘著

34、磨損：又稱咬合磨損，相對運(yùn)動的兩個零件的表面微觀上總是凸凹不平的，在接觸壓力作用下，由于凸起部分首先接觸，有效接觸面很小，當(dāng)壓力較大時(shí)，凸起部分便會發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，從而使材料表面接觸點(diǎn)發(fā)生粘著(冷焊)，隨后，在相對滑動時(shí)粘著點(diǎn)又被剪切而斷掉，造成粘著磨損。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (2) 磨粒磨損：當(dāng)摩擦副一方的硬度比另一方的硬度大得多或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)所產(chǎn)生的磨損，其特征是接觸面上有明顯的切削痕跡。(3) 腐蝕磨損：由于外界環(huán)境引起金屬表面的腐蝕產(chǎn)物剝落，與金屬磨面之間的機(jī)械磨損(磨粒、粘著)相結(jié)合而出現(xiàn)的磨損。(4) 接觸疲勞：滾動軸承、齒輪等一類機(jī)件的接觸表面在接觸壓

35、應(yīng)力的反復(fù)長期作用后所引起的一種表面疲勞剝落損壞現(xiàn)象，其損壞形式是在光滑的接觸面上分布有若干深淺不同的針尖或豆?fàn)畎伎踊蛘咻^大面積的表層壓碎。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.2 物理與化學(xué)性能物理與化學(xué)性能1. 物理性能物理性能金屬材料的物理性能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、光性能、熱膨脹性和磁性等，這些性能多數(shù)取決于材料的原子結(jié)構(gòu)、原子排列和晶體結(jié)構(gòu)。由于各種機(jī)械零件的用途不同，對材料的物理性能要求也有所不同。例如，飛機(jī)零件常選用密度小的鋁、鎂、鈦合金；設(shè)計(jì)電極、磁極時(shí)要考慮材料的導(dǎo)電性和磁性等。金屬材料的物理性能有時(shí)也會對其加工工藝有一定的影響。例如，高速鋼的導(dǎo)熱性能較差，因此在鍛造時(shí)加熱

36、速度不能太快，以免產(chǎn)生裂紋；刀具材料的導(dǎo)熱性對刀具的壽命有一定的影響等。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2. 化學(xué)性能化學(xué)性能金屬材料的化學(xué)性能主要指在室溫或高溫時(shí)，材料抵抗各種介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力，主要有耐腐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性等。在高溫下工作的熱能設(shè)備(鍋爐、汽輪機(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)等)上的零件應(yīng)選擇熱穩(wěn)定性好的材料制造；在海水、酸、堿等腐蝕環(huán)境中工作的零件，必須采用化學(xué)穩(wěn)定性良好的材料。例如，化工設(shè)備通常采用不銹鋼來制造。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1.3 工工 藝藝 性性 能能金屬材料的工藝性能是指在零件的生產(chǎn)制造過程中，為了能順利地進(jìn)行成型加工，金屬材料應(yīng)具備的適應(yīng)某種加工工藝的能力，它包

37、括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、切削加工性能及熱處理性能。金屬材料工藝性能的好壞會直接影響零件的制造方法、質(zhì)量和制造成本。在設(shè)計(jì)零、部件和選擇工藝方法時(shí)，為了使工藝簡單，產(chǎn)品質(zhì)量好，成本低，必須要考慮金屬材料工藝性能好壞的問題。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 1. 鑄造性能鑄造性能鑄造性能主要是指液態(tài)金屬的流動性和凝固過程中的收縮和偏析傾向。流動性好的金屬或合金易充滿型腔，宜澆鑄薄而復(fù)雜的鑄件，溶渣和氣體容易上浮，不易形成夾渣和氣孔。如果收縮小，則鑄件中縮孔、縮松、變形及裂紋等缺陷較少。如果偏析少，則各部分成分較均勻，從而使鑄件各部分的機(jī)械性能趨于一致。合金鋼偏析傾向大，高碳鋼偏析傾向又比低碳鋼大

38、，因此，合金鋼鑄造后要用熱處理來清除偏析。常用金屬材料中，灰鑄鐵和錫青銅的鑄造性較好。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2. 鍛造性能鍛造性能鍛造性能是指金屬材料在受外力鍛打變形而不破壞自身完整性的能力。鍛造性能包含金屬材料的可塑性和變形抗力兩個概念。塑性好，變形抗力小，則可鍛性好。低碳鋼的可鍛性比中、高碳鋼好，而碳鋼又比合金鋼好。鑄鐵是脆性材料，不能進(jìn)行鍛造。3. 焊接性能焊接性能焊接性能是指金屬材料是否適宜通常的焊接方法與工藝的性能。焊接性能好的金屬材料易于用一般的焊接方法和工藝施焊，且焊時(shí)不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊后接頭強(qiáng)度與母材相近。低碳鋼有優(yōu)良的焊接性能，高碳鋼和鑄鐵則較差。項(xiàng)目一

39、 改變材料性能的方法 4. 切削加工性能切削加工性能切削加工性能是指金屬材料是否易于切削。切削加工性好的金屬材料切削時(shí)消耗的動力小，切屑易于排除，刀具壽命長，切削后表面粗糙度小。需切削加工的金屬材料，硬度要適中，太硬則難以切削，且刀具壽命短；太軟則切屑不易斷開，表面粗糙度大。故通常要求金屬材料的硬度為180 hbs250 hbs。金屬材料太硬或太軟時(shí)，可通過熱處理來進(jìn)行調(diào)整。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 5. 熱處理性能熱處理性能熱處理是改變金屬材料性能的主要手段。在熱處理過程中，金屬材料的成分、組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起金屬材料的機(jī)械性能變化。熱處理性能是指金屬材料熱處理的難易程度和產(chǎn)生熱處

40、理缺陷的傾向，其衡量的指標(biāo)或參數(shù)很多，如淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化與脫碳傾向及熱處理變形與開裂傾向等。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 任務(wù)任務(wù)2 金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料與非金屬材料相比，不僅具有良好的力學(xué)性能和某些物理、化學(xué)性能，而且工藝性能在多方面也較優(yōu)良。即使都是金屬材料，不同成分和不同狀態(tài)下性能也會有很大差異。例如，鋼強(qiáng)度比鋁合金高，但其導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性不如鋁。造成上述性能差異的原因，主要是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，因此掌握金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和結(jié)晶規(guī)律，對于合理選材具有重要意義。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)自然界的固態(tài)物質(zhì)，根據(jù)原子在內(nèi)部的排列特征

41、可分為晶體與非晶體兩大類。固態(tài)下原子在物質(zhì)內(nèi)部作有規(guī)則排列，即為晶體。絕大多數(shù)金屬和合金固態(tài)下都屬于晶體，例如純鋁、純鐵、純銅等。固態(tài)下物質(zhì)內(nèi)部原子呈現(xiàn)無序堆積狀況，則稱為非晶體，例如松香、玻璃、瀝清等。2.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識在金屬晶體中，原子是按照一定的幾何規(guī)律周期性地排列的。為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似地設(shè)想為剛性小球，這樣就可將金屬看成是由剛性小球按一定的幾何規(guī)律緊密堆積而成的晶體，如圖1-11(a)所示。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (1) 晶格。為了形象地描述晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，將原子抽象為幾何點(diǎn)，并用一些假想連線將幾何點(diǎn)在三維方向上連接起來，

42、這樣構(gòu)成的空間格子稱為晶格，如圖1-11(b)所示。(2) 晶胞。晶體中原子排列具有周期性變化的特點(diǎn)，通常從晶格中選取一個能夠完整反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞，如圖1-11(c)所示，它具有很高的對稱性。(3) 晶胞表示方法。不同元素結(jié)構(gòu)不同，晶胞的大小和形狀也有差異。結(jié)晶學(xué)中規(guī)定，晶胞的大小以其各棱邊尺寸a、b、c表示，稱為晶格常數(shù)。晶胞各棱邊之間的夾角分別項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 以、表示。當(dāng)棱邊a=b=c，棱邊夾角=90時(shí)，這種晶胞稱為簡單立方晶胞，如圖1-11(c)所示。(4) 原子半徑。金屬晶體中最鄰近的原子間距的一半稱為原子半徑，它主要取決于晶格類型和晶格常數(shù)。(5) 致密

43、度。金屬晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)稱為致密度，它用來表示原子在晶格中排列的緊密程度。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-11 簡單立方晶格與晶胞示意圖項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.1.2 典型金屬晶格典型金屬晶格常用的金屬材料中，金屬的晶格類型很多，但大多數(shù)金屬屬于體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三種結(jié)構(gòu)。1體心立方晶格體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞是一個立方體，如圖1-12(a)所示，立方體的8個頂角和晶胞各有一個原子，其單位晶胞原子數(shù)為2個，原子半徑r=a，致密度是0.68，表明體心立方晶格中有68%的體積被原子所占有，其余為空隙。屬于體心立方晶格類型的常見金屬有鉻(cr)

44、、鎢(w)、鉬(mo)、釩(v)、-鐵(-fe)等。43項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，如圖1-12(b)所示原子位于立方體的八個頂角和立方體的六個面中心，故面心立方晶格的單位晶胞原子數(shù)為4個，原子半徑r=a，致密度是0.74，表明面心立方晶格中原子排列較緊密。屬于該晶格類型的常見金屬有鋁(al)、銅(cu)、鉛(pb)、金(au)、-鐵(-fe)等。42項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-12 常見金屬晶格的晶胞 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 3密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一個正六方柱體，如圖1-12(c)所示。原子排列

45、在柱體的每個頂角和上、下底面的中心，另外三個原子排列在柱體內(nèi)。其單位晶胞原子數(shù)為6個，原子半徑r=a，致密度也是0.74。它與面心立方晶格原子排列密集程度相同，只是原子堆垛方式不同。屬于密排六方晶格類型的常見金屬有鎂(mg)、鋅(zn)、鈹(be)、鎘(cd)、-鈦(-ti)等。21項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.1.3 金屬實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)及缺陷金屬實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)及缺陷1多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu) 我們研究金屬的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，把晶體看成是原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成的，即晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的，這種晶體稱為單晶體。目前，只有采用特殊方法才能獲得單晶體。實(shí)際使用的金屬材料大都是多晶體結(jié)構(gòu)，

46、即它是由許多不同位向的小晶體組成的，每個小晶體內(nèi)部晶格位向基本上是一致的，而各小晶體之間位向卻不相同，如圖1-13所示。這種外形不規(guī)則，呈顆粒狀的小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。實(shí)踐表明，在每個晶粒內(nèi)部，晶格方位也有位向差，這些位向差很小的小晶塊相互鑲嵌成一顆晶粒。這些小晶塊稱為亞晶或亞結(jié)構(gòu)，亞晶之間的邊界稱為亞晶界。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-13 金屬多晶體結(jié)構(gòu)項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2晶體缺陷晶體缺陷 在金屬晶體中，由于晶體形成條件、原子的熱運(yùn)動及其他各種因素的影響，原子規(guī)則排列在局部區(qū)域受到破壞，呈現(xiàn)出不完整的原子排列，通常把這種

47、區(qū)域稱為晶體缺陷。晶體缺陷對金屬的性能有重要影響。根據(jù)幾何特征，可將晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。(1) 點(diǎn)缺陷。最常見的點(diǎn)缺陷有晶格空位、置換原子和間隙原子等，如圖1-14所示。由于點(diǎn)缺陷的出現(xiàn)，使周圍原子發(fā)生“撐開”或“靠攏”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變。晶格畸變的存在，使金屬產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，晶體性能發(fā)生變化，使金屬的強(qiáng)度、硬度和電阻率增加，塑性、韌性下降。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-14 點(diǎn)缺陷示意圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (2) 線缺陷。線缺陷主要指的是位錯。當(dāng)晶體中一部分晶體相對于另一部分晶體沿著某一晶面發(fā)生局部滑移時(shí)，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱為位錯。常見的

48、位錯有刃型位錯和螺型位錯兩種。這里我們主要介紹刃型位錯，如圖1-15所示。這種位錯的表現(xiàn)形式是晶體的某一晶面上多出一個半原子面，它如同刀刃一樣插入晶體，故稱刃型位錯。發(fā)生位錯時(shí)，在位錯線附近一定范圍內(nèi)，晶格發(fā)生了畸變。位錯的存在對金屬的力學(xué)性能有很大影響。例如，金屬材料處于退火狀態(tài)時(shí)，位錯密度較低，強(qiáng)度較差；經(jīng)冷塑性變形后，材料的位錯密度增加，故提高了強(qiáng)度。位錯在晶體中易于移動，金屬材料的塑性變形是通過位錯運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑之一。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-15 刃型位錯晶體結(jié)構(gòu)示意圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (3) 面缺陷。這種缺陷通常發(fā)生在晶界和亞

49、晶界。實(shí)際金屬材料都是多晶體結(jié)構(gòu)，多晶體中兩個相鄰晶粒之間晶格位向是不同的，所以晶界是不同位向晶粒原子排列無規(guī)則的過渡層，如圖1-16所示。晶界原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，能量較高，因此晶界與晶粒內(nèi)部有著一系列不同特性。例如，常溫下晶界有較高的強(qiáng)度和硬度；晶界原子擴(kuò)散速度較快；晶界容易被腐蝕，熔點(diǎn)低等。亞晶界原子排列也是不規(guī)則的，其作用與晶界相似。晶界對位錯運(yùn)動有阻礙作用，因此金屬的晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度也越高。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-16 晶界示意圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.2 金金屬屬的的結(jié)結(jié)晶晶金屬的組織與結(jié)晶過程關(guān)系密切，結(jié)晶后形成的組織對金屬的使用性能和工藝性能有直接影響，因

50、此了解金屬和合金的結(jié)晶規(guī)律非常必要。2.2.1 金屬結(jié)晶的概念金屬結(jié)晶的概念1結(jié)晶的概念結(jié)晶的概念 絕大多數(shù)金屬制件都是經(jīng)過熔化、冶煉和澆注而獲得的，這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。一般金屬固態(tài)下是晶體，所以金屬的凝固過程可稱為結(jié)晶。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線 純金屬都有一個固定的熔點(diǎn)(或結(jié)晶溫度)，高于此溫度會熔化，低于此溫度才能結(jié)晶成為晶體。金屬的結(jié)晶溫度通常用熱分析等實(shí)驗(yàn)方法來測定。圖1-17為純金屬的冷卻曲線，其原理是在液態(tài)純金屬的緩慢冷卻過程中，每隔一定時(shí)間測量一次溫度，直到冷卻至室溫，將測量結(jié)果

51、繪制在溫度時(shí)間坐標(biāo)上，便得到純金屬的冷卻曲線，即溫度隨時(shí)間而變化的曲線。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-17 純金屬的冷卻曲線 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨著冷卻時(shí)間的延長，它所含的熱量不斷散失，溫度也不斷下降，但是當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，溫度隨時(shí)間延長并不變化，在冷卻曲線上出現(xiàn)了“平臺”，“平臺”對應(yīng)的溫度就是純金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度。出現(xiàn)“平臺”的原因，是結(jié)晶時(shí)放出的潛熱正好補(bǔ)償了金屬向外界散失的熱量。結(jié)晶完成后，由于金屬繼續(xù)向外界散熱，溫度又重新下降。需要指出的是，圖1-17中t0為理論結(jié)晶溫度，金屬實(shí)際結(jié)晶溫度(tn)總是低于理論結(jié)晶溫度(t0)的現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象

52、。理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度，以t表示，即t=t0-tn。金屬結(jié)晶時(shí)過冷度的大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.2.2 純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程純金屬的結(jié)晶過程發(fā)生在冷卻曲線上平臺所經(jīng)歷的這段時(shí)間。液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)，都是首先在液態(tài)中出現(xiàn)一些微小的晶體晶核，它不斷長大，同時(shí)新的晶核又不斷產(chǎn)生并相繼長大，直至液態(tài)金屬全部消失為止，如圖1-18所示。因此金屬的結(jié)晶包括晶核的形成和晶核的長大兩個基本過程，并且這兩個過程是同時(shí)進(jìn)行的。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-18 純金屬結(jié)晶過程示意圖 項(xiàng)目一 改變材料性能的

53、方法 1晶核的形成晶核的形成 由圖1-18可見，當(dāng)液態(tài)金屬冷至結(jié)晶溫度以下時(shí)，某些類似晶體原子排列的小集團(tuán)便成為結(jié)晶核心，這種由液態(tài)金屬內(nèi)部自發(fā)形成結(jié)晶核心的過程稱為自發(fā)形核。而在實(shí)際金屬中常有雜質(zhì)存在，這種依附于雜質(zhì)或型壁而形成的晶核在形成時(shí)具有擇優(yōu)取向，這種形核方式稱為非自發(fā)形核。自發(fā)形核和非自發(fā)形核在金屬結(jié)晶時(shí)是同時(shí)進(jìn)行的，但非自發(fā)形核常起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2晶核的長大晶核的長大 晶核形成后，當(dāng)過冷度較大或金屬中存在雜質(zhì)時(shí)，金屬晶體常以樹枝形式長大。在晶核形成初期，外形一般比較規(guī)則，但隨著晶核的長大，形成了晶體的頂角和棱邊，此處散熱條件優(yōu)于其他部位，因此在頂角和

54、棱邊處以較大成長速度形成枝干。同理，在枝干的長大過程中，又會不斷生出分支，最后填滿枝干的空間，結(jié)果形成樹枝狀晶體，簡稱枝晶。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.2.3 金屬結(jié)晶與晶粒大小金屬結(jié)晶與晶粒大小金屬結(jié)晶后晶粒大小對金屬的力學(xué)性能有重大影響，一般來說，細(xì)晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)也具有較高的塑性和韌性。為了提高金屬的力學(xué)性能，希望得到細(xì)晶組織，就必須了解影響晶粒大小的因素及控制方法。結(jié)晶后的晶粒大小主要取決于形核率(單位時(shí)間、單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目)與晶核的長大速率(單位時(shí)間內(nèi)晶核向周圍長大的平均線速度)的相對大小。顯然，凡能促進(jìn)形核率及抑制晶核長大速率的因素，均能對晶粒起細(xì)化

55、作用。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 工業(yè)生產(chǎn)中，為了細(xì)化晶粒，改善其性能，常采用以下方法：(1) 控制過冷度。形核率和長大速率都隨過冷度增大而增大，但在很大范圍內(nèi)形核率比晶核長大速率增長得更快。故過冷度越大，單位體積中晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)化。實(shí)際生產(chǎn)中，通過加快液態(tài)金屬的冷卻速度來增大過冷度，這對于大型零件顯然不易辦到，因此這種方法只適用于中、小型鑄件。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (2) 變質(zhì)處理。在液態(tài)金屬結(jié)晶前加入一些細(xì)小變質(zhì)劑，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來細(xì)化晶粒，這種細(xì)化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理。有些變質(zhì)劑雖不能提供結(jié)晶核心，但能阻止晶粒長大，因此又稱其為長大抑制劑。例如，向鋼液中加入鋁、

56、釩、硼；向鑄鐵中加入si-fe、si-cu；向鋁液中加入鈦、鋯等。變質(zhì)處理在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。此外，采用機(jī)械振動、超聲波振動和電磁振動等，增加結(jié)晶動力，使枝晶破碎，也會間接增加形核核心，同樣可細(xì)化晶粒。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.3 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)純金屬雖然具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，但其品種少，力學(xué)性能較低，因此在使用上受到很大限制。機(jī)械制造領(lǐng)域中廣泛使用的金屬材料是合金，如鋼和鑄鐵等。合金與純金屬比較，具有一系列優(yōu)越性：通過調(diào)整成分，可在相當(dāng)大范圍內(nèi)改善材料的使用性能和工藝性能，從而滿足各種不同的需求；改變成分可獲得具有特定物理性能和化學(xué)性能的材料，即功能材料；多數(shù)情況

57、下，合金價(jià)格比純金屬低，如碳鋼和鑄鐵比工業(yè)純鐵便宜，黃銅比純銅經(jīng)濟(jì)等。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.3.1 合金的基本概念合金的基本概念(1) 合金。一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。例如，碳鋼就是鐵和碳組成的合金。(2) 組元。組成合金的最基本的獨(dú)立物質(zhì)稱為組元，簡稱元。組元可以是金屬元素或非金屬元素，也可以是穩(wěn)定化合物。由兩個組元組成的合金稱為二元合金，由三個組元組成的合金稱為三元合金。(3) 合金系。由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，稱為合金系。例如，銅和鎳組成的一系列不同成分的合金，稱為銅鎳合金系。

58、項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (4) 相。金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有界面分開的均勻組成部分稱為相。例如，液態(tài)物質(zhì)稱為液相，固態(tài)物質(zhì)稱為固相，同樣是固相，有時(shí)物質(zhì)是單相的，而有時(shí)是多相的。(5) 組織。用肉眼或借助顯微鏡觀察到材料具有獨(dú)特微觀形貌特征的部分稱為組織。組織反映材料的相組成、相形態(tài)、大小和分布狀況，因此組織是決定材料最終性能的關(guān)鍵。在研究合金時(shí)通常用金相方法對組織加以鑒別。 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 2.3.2 合金的組織結(jié)構(gòu)合金的組織結(jié)構(gòu)多數(shù)合金組元液態(tài)時(shí)都能互相溶解，形成均勻液溶體。固態(tài)時(shí)由于各組分之間相互作用不同，因此形成不同的組織。通常固態(tài)時(shí)合金中會形

59、成固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物三類組織。1固溶體固溶體合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，一組元溶解在另一組元中，形成均勻的相稱為固溶體。固溶體的晶格類型保持著其中某一組元的晶格類型，那么這一組元就稱為溶劑，其他組元即為溶液。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。(1) 置換固溶體。溶劑結(jié)點(diǎn)上的部分原子被溶質(zhì)原子所替代而形成的固溶體，稱為置換固溶體，如圖1-19(a)所示。項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 圖1-19 固溶體的兩種類型 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 溶質(zhì)原子溶于固溶體中的量稱為固溶體的溶解度，通常用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)或原子百分?jǐn)?shù)來表示。按

60、固溶體溶解度不同，置換固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩類。例如，在銅鎳合金中，銅與鎳組成的為無限固溶體；而鋅溶解在銅中所形成的固溶體為有限固溶體，當(dāng)鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于39%時(shí)，組織中除了固溶體外，還出現(xiàn)了銅與鋅的化合物。置換固溶體中溶質(zhì)在溶劑中的溶解度主要取決于兩組元的晶格類型、原子半徑和原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。通常兩組元原子半徑差別較小，晶格類型相同，原子結(jié)構(gòu)相似，固溶體溶解度較大。事實(shí)上，大多數(shù)合金都為有限固溶體，并且溶解度隨溫度升高而增大。 項(xiàng)目一 改變材料性能的方法 (2) 間隙固溶體。溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格之中而形成的固溶體，稱為間隙固溶體，如圖1-19(b)所示。由于溶劑晶格的間隙有限，因此