金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能課件

1、1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)2 金屬材料的性能分類(lèi)3 金屬的力學(xué)性能指標(biāo)4 金屬的塑性變形5 金屬的回復(fù)與再結(jié)晶 內(nèi)容提綱晶體：金屬、金剛石、NaCl、雪和冰 等。液體 晶體的概念 晶體 材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。 非晶體 原子無(wú)規(guī)則堆積，也稱(chēng)為 “過(guò)冷液體” 。非晶體：蜂蠟、松香、玻璃、塑料、橡膠等1金屬的晶體結(jié)構(gòu) 原子（離子）的剛球模型原子中心位置 晶體結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣（晶格）模型討論：、如何用最簡(jiǎn)便的方法表達(dá)晶格的特征？、晶胞（一般為平行六面體）的形狀由哪些參數(shù)決定？晶胞XYZabc棱邊長(zhǎng)度a ，b ，c及棱邊夾角a , b , g稱(chēng)為晶格常數(shù).三種常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體

2、心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp（1）體心立方晶格 bcc-Fe、W、V、Mo 等思考： 1、體心立方晶胞的晶格常數(shù)滿(mǎn)足什么樣的要求？ 2、一個(gè)體心立方晶胞包含幾個(gè)原子？（注意：放在整個(gè)點(diǎn)陣空間中考慮）體心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：2原子半徑：致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3YZabc2r2raa密排方向（2）面心立方晶格 fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag、Pb 等面心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0. 744XYZabc密排方向（3）

3、密排六方晶格 hcpMg、Zn 等晶格常數(shù)底面邊長(zhǎng)a底面間距cc/a= 1.633側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度： 0.746個(gè)密排方向aa/2各向異性 不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能（如強(qiáng)度、塑性、電阻率、導(dǎo)熱性）不同的現(xiàn)象XYZXYZ問(wèn)題：為什么常見(jiàn)的金屬材料沒(méi)有顯示各向異向性？3. 金屬中的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)的偏離單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體（理想晶體）。如鉆石、單晶Si半導(dǎo)體。多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。如大冰塊、常見(jiàn)的金屬材料晶粒（單晶體）晶體缺陷類(lèi)型：（1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類(lèi)原子 （2）線缺陷：位

4、錯(cuò) （3）面缺陷：晶界與亞晶界（1）點(diǎn)缺陷如果間隙原子是其它元素就稱(chēng)為異類(lèi)原子 （雜質(zhì)原子）空位 間隙原子（2）線缺陷 刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃型位錯(cuò)移動(dòng)螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)移動(dòng)（3）面缺陷晶粒（單晶體）晶界大角晶界 亞晶界 小角晶界 亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變物理性能化學(xué)性能工藝性能力學(xué)性能（機(jī)械性能）經(jīng)濟(jì)性能材料性能有沒(méi)有足夠強(qiáng)度、硬度和韌性，滿(mǎn)足使用要求好不好進(jìn)行加工（變形、切削、焊接等）是否滿(mǎn)足特殊要求導(dǎo)電、導(dǎo)熱等有時(shí)候考慮耐腐蝕等問(wèn)題價(jià)格怎么樣，考慮效益小時(shí)候用鐵絲做彈弓，糾結(jié)用粗鐵絲還是細(xì)鐵絲？2

5、金屬材料的性能分類(lèi) （一）金屬的物理性能 1、密度 重金屬: 指比重大于4或5的金屬，約有45種，如銅、鉛、鋅、鐵、鈷、鎳、錳、鎘、汞、鎢、鉬、金、銀等。盡管錳、銅、鋅等重金屬是生命活動(dòng)所需要的微量元素，但是大部分重金屬如汞、鉛、鎘等并非生命活動(dòng)所必須，而且所有重金屬超過(guò)一定濃度都對(duì)人體有毒。 輕金屬：指比重小于5（又有一說(shuō)是 密度小于4.5克/ 立方厘米），包括鋁、鎂、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇 。 2、熔點(diǎn) 低熔點(diǎn)金屬及合金難熔金屬及合金 3、導(dǎo)電性 4、導(dǎo)熱性 5、熱膨脹性 6、磁性金屬之最？（二）材料的化學(xué)性能1、耐腐蝕性 （1）化學(xué)腐蝕 （2）電化學(xué)腐蝕 防止腐蝕的途徑： 形成鈍化保護(hù)膜、減

6、少電位差、不接觸電解質(zhì) 常用方法 ：選擇耐腐蝕材料、表面處理 2、高溫抗氧化性 高溫下抵抗氧化和腐蝕的能力（三）金屬的力學(xué)性能（機(jī)械性能） 常用的力學(xué)性能指標(biāo)有： 強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞極限等（四）金屬的工藝性能 鑄造性能（可鑄性）流動(dòng)性、收縮性、偏析鍛造性能（可鍛性）塑性、變形抗力切削加工性能（可切削性）表面粗糙度、刀具壽命焊接性能（可焊性）焊接性、碳當(dāng)量二、金屬的力學(xué)性能 常用的力學(xué)性能指標(biāo)有： 強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌性和疲勞極限等1、強(qiáng)度和塑性 采用拉伸試驗(yàn)法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣低碳鋼的拉伸曲線應(yīng)力： 單位：MPa應(yīng)變：拉伸試樣變形的三個(gè)階段： （1）彈性變形 應(yīng)力與應(yīng)變成正比，

7、符合胡克定律 （2）塑性變形 材料屈服后的變形 （3）斷裂分離F= kL強(qiáng)度： 材料在外力作用抵抗塑性變形和斷裂的能力。 （1）彈性極限（se ）：卸力后不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力； （2）屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度） （ss） 拉伸過(guò)程中力不變，試樣仍然伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力； 沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的以產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值表示 （3）抗拉強(qiáng)度（sb） 拉伸過(guò)程中最大力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；塑性： 斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力； 判據(jù)是材料斷裂時(shí)的最大相對(duì)塑性變形； （1）伸長(zhǎng)率 （ d ） （2）斷面收縮率 （ y ）2、 硬度 指金屬表面一個(gè)很小的體積內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或抵抗破裂的一種能力； （1）布氏

8、硬度（HB）應(yīng)用 ： 主要用于鑄鐵、非鐵金屬、經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材的硬度測(cè)定 （3）維氏硬度 (HV) 可以測(cè)試任何金屬材料的硬度，但最常用于測(cè)定顯微硬度； （2）洛氏硬度 (HR) 可以用于硬度很高的材料，操作簡(jiǎn)便迅速，是最常用的一種硬度測(cè)量法。 數(shù)值可以直接從表盤(pán)上讀出，有三種刻度即HRC、HRA、HRB，HRC最常用 維氏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

9、三種硬度的換算表3、沖擊韌度 材料抵抗沖擊載荷的能力 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)4、疲勞極限 當(dāng)應(yīng)力低于某值時(shí)，應(yīng)力循環(huán)無(wú)數(shù)次也不會(huì)發(fā)生斷裂，此應(yīng)力值稱(chēng)為材料的疲勞極限。4 金屬的塑性變形 金屬的塑性變形金屬在外力作用下的變形分為彈性變形和塑性變形。 （）單晶體的塑性變形 實(shí)際上，晶體內(nèi)部存在大量的線缺陷位錯(cuò)。理論和實(shí)驗(yàn)研究都證明，晶體的滑移是通過(guò)晶體中的位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下沿著滑移面逐步移動(dòng)的結(jié)果 單晶體的另一種塑性變形方式是孿生。孿生是指在切應(yīng)力作用下，晶體的一部分相對(duì)于另一部分沿一定的晶面（孿晶面）及晶向（孿生方向）產(chǎn)生剪切變形。（）多晶體的塑性變形在多晶體中，晶粒越小，單位體積上晶粒的數(shù)量就越多，

10、晶界的總面積增大，因而晶界變形抗力越大，所以整個(gè)金屬的強(qiáng)度較高。 晶粒的細(xì)化是金屬的一種非常重要的強(qiáng)韌化手段，工業(yè)上將通過(guò)細(xì)化晶粒以提高材料強(qiáng)度的方法稱(chēng)為細(xì)晶強(qiáng)化。 取決于材料本身原子結(jié)合力常數(shù)晶粒直徑. 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響(1)塑性變形對(duì)金屬組織的影響使晶粒變形，產(chǎn)生纖維組織 產(chǎn)生織構(gòu)金屬塑性變形到很大程度（70%以上）時(shí)，由于晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使晶粒位向趨近一致，形成特殊的擇優(yōu)取向，多晶體金屬形變后具有的這種擇優(yōu)取向的晶體結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為形變織構(gòu)。形變織構(gòu)一般分為兩種：一種是大多數(shù)晶粒的某個(gè)晶向平行于拉拔方向，稱(chēng)為絲織構(gòu)；另一種大多數(shù)晶粒的某個(gè)晶面和晶向平行于軋制方向，稱(chēng)為板織構(gòu) 因形變

11、織構(gòu)形成的沖壓制耳 （2）塑性變形對(duì)金屬性能的影響塑性變形改變了金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，引起了金屬力學(xué)性能的變化。其顯著的影響為隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性和韌性明顯下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為形變強(qiáng)化，也稱(chēng)加工硬化。（3）塑性變形使金屬產(chǎn)生殘余應(yīng)力把一根軟鐵絲敲扁之后，再去彎曲，有什么變化？加工后的工件如果有殘余應(yīng)力，將影響其精度和壽命五、 金屬的回復(fù)與再結(jié)晶a)加熱前b) 625加熱（不完全再結(jié)晶）c) 670加熱（完全再結(jié)晶）d) 750加熱（晶粒長(zhǎng)大）圖2-26 經(jīng)70%塑性變形工業(yè)純鐵加熱時(shí)的組織變化 冷塑性變形金屬的組織性能隨溫度變化示意圖 1回復(fù)變形后的金屬在較低溫度進(jìn)行加熱時(shí)，原子活動(dòng)能力有所增加，原子已能作短距離的運(yùn)動(dòng)，其晶格畸變程度顯著減輕，內(nèi)應(yīng)力有所降低，這個(gè)階段稱(chēng)為回復(fù)。在工業(yè)上，常利用回復(fù)現(xiàn)象將冷變形金屬低溫加熱，既穩(wěn)定組織又保留了加工硬化，這種熱處理方法稱(chēng)為去應(yīng)力退火。 2再結(jié)晶冷變形金屬加熱至一定溫度之后，由于原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，被拉長(zhǎng)（或壓扁）、破碎的晶粒通過(guò)重新生核、長(zhǎng)大變成新的均勻細(xì)小的等軸晶，其力學(xué)性能發(fā)生了明顯的變化，恢復(fù)到完全軟化狀態(tài)。這種冷變形組織在加熱