金屬材料的基礎知識

工程材料1精選ppt金屬及金屬學2精選ppt3精選ppt4精選ppt金屬學成分組織性能5精選ppt

引言：1、金屬材料的性能使用性能：指材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能，主要包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：指在制造機械零件的過程中，材料適應各種冷、熱加工和熱處理的性能。2、金屬材料力學性能包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、沖壓性能、切削加工性能和熱處理工藝性能等。

指材料在外力作用下表現(xiàn)出來的性能，主要有強度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強度等。

第一節(jié)金屬材料的性能6精選ppt金屬材料的工藝性能金屬的工藝性能7精選ppt〔一〕鑄造性能鑄造：液態(tài)金屬澆入鑄型型腔凝固后得到所需形狀的毛坯或零件的成形工藝

8精選ppt

鑄造性能：獲得尺寸精確、結構完整的鑄件的能力

1、合金的流動性

2、收縮率

3、成分偏析9精選ppt〔二〕鍛造性能鍛造成形：固態(tài)金屬在外力作用下所產生的塑性變形來獲得所需毛坯或零件的工藝可鍛性：材料承受鍛壓成形的能力〔塑性、變形抗力〕材料本身：晶體結構、成分、組織加工條件：溫度、變形速度等10精選ppt(三)焊接性能可焊性：金屬材料采用一定的焊接工藝、焊接材料及結構形式，獲得優(yōu)質焊接接頭的能力影響因素：焊接方法、焊接材料、工藝參數(shù)、結構形式等。11精選ppt(四)切削性能金屬承受切削加工的難易程度外表光潔度、外表質量等12精選ppt一、金屬的變形和斷裂金屬的力學性能：材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如彈性、塑性、強度、硬度和韌性等。

表征和判定金屬力學性能所用的指標和依據(jù)稱為金屬力學性能的判據(jù)。彈性強度韌性硬度剛度塑性金屬力學性能金屬的機械性能13精選ppt1、強度金屬在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力：抗拉強度、抗壓強度、扭轉強度、疲勞強度等。拉伸試驗是測定強度和塑性的最普遍方法，該試驗依據(jù)國家標準〔目前通用的標準為GB/T228－2002〕進行，將材料制作成標準試樣或比例試樣，在萬能實驗機上沿試樣軸向緩慢地施加拉力，試樣隨拉力的增加而變形，直至斷裂。測得材料的彈性極限、屈服極限、強度極限及塑性等主要力學性能指標。14精選ppt拉伸試驗：

即靜拉伸力對試樣軸向拉伸,測量力和相應的伸長,一般拉至斷裂以測定其力學性能的試驗。15精選ppt拉伸試驗機16精選ppt低碳鋼的應力-應變曲線隨所受外力的增加，金屬相繼產生三種行為：彈性變形、塑性變形、斷裂17精選ppt〔1〕彈性變形即物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當外力卸除后物體又回復到原始形狀和尺寸的特性。彈性的判據(jù)可通過拉伸試驗來測定。彈性變形階段有兩個重要的力學性能指標：彈性極限和材料剛度。18精選ppt彈性和剛度彈性：指標為彈性極限

e，即材料承受最大彈性變形時的應力。剛度：材料受力時抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量E。

e19精選ppt彈性極限彈性的指標為彈性極限e，是材料承受最大彈性變形時的應力。即金屬材料不產生塑性變形時所能承受的最大應力。拉伸曲線e點對應的應力σe為彈性極限：σe=Fe/S0式中σe——彈性極限〔MPa〕；Fe——試樣產生完全彈性變形時的最大外〔N〕；S0——試樣原始橫截面積〔mm2〕。20精選ppt剛度即材料抵抗彈性變形的能力。剛度的大小〔指標〕以彈性模量來衡量，彈性模量在拉伸曲線上表現(xiàn)為oe段的斜率，即：E=σ/ε式中E——彈性模量〔MPa〕；σ——應力〔MPa〕；ε——應變。彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。21精選ppt〔2〕塑性變形1.屈服強度屈服點：即試樣在拉伸過程中力不再增加〔保持恒定〕仍能繼續(xù)伸長〔變形〕時的應力。在拉伸曲線上s點對應的應力為屈服點。σs=Fs/S0式中σs——屈服點〔MPa〕；Fs——試樣開始產生屈服現(xiàn)象時的力〔N〕；S0——試樣原始橫截面積〔mm2〕。22精選ppt即試樣拉斷前承受的最大標稱拉應力。如圖2-1所示，拉伸曲線上b點對應的應力為抗拉強度。σb=Fb/S0

式中σb——抗拉強度〔MPa〕；Fb——試樣斷裂前所能承受的最大拉力〔N〕；S0——試樣原始橫截面積〔mm2〕。2.抗拉強度23精選ppt3.塑性即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。常用的塑性判據(jù)是伸長率和斷面收縮率。24精選ppt伸長率即試樣拉斷后標距的伸長與原始標距的百分比。δ=(L1-L0)/L0×100%式中δ——伸長率〔%〕；L1——試樣拉斷后標距〔mm)；L0——試樣原始標距〔mm)。25精選ppt斷面收縮率即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始的橫截面積的百分比。Ψ=〔S0-S1〕/S0×100%式中Ψ——斷面收縮率〔%〕；S1——試樣的原始截面積〔mm2〕S0——試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積〔mm2〕26精選ppt27精選ppt2、疲勞強度材料在低于屈服極限s的重復交變應力長期作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞失效的測定金屬材料可經無限次應力循環(huán)而不破壞的最大應力值稱為材料的疲勞極限〔強度〕。它反映材料抗疲勞斷裂的能力在一定條件下，當應力的最大值低于某一定值時，材料可能經受無限次循環(huán)仍然不會發(fā)生疲勞斷裂。這個最大應力值，就叫金屬材料的疲勞強度。當交變應力循環(huán)對稱時，疲勞強度用符號σ-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。28精選ppt疲勞應力示意圖疲勞曲線示意圖29精選ppt影響金屬材料疲勞強度的因素材料本身的強度、塑性、組織和材質等影響材料的疲勞強度，另外，疲勞強度還與零部件的幾何形狀、加工光潔度和工作環(huán)境等有關。由于疲勞失效的微裂紋絕大多數(shù)是先從外表產生和開展的，因而采用外表強化的處理，可以提高疲勞強度。30精選ppt3、硬度

即材料抵抗局部變形的能力。

硬度是材料抵抗塑性變形、壓痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)，也是表征力學性能的一項綜合指標。布氏硬度維氏硬度肖氏硬度莫氏硬度洛氏硬度硬度試驗方法31精選ppt32精選ppt材料抵抗外表局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計1〕布氏硬度33精選ppt

壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質合金球時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值,符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。如120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf〔9.807kN〕載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕34精選ppt布氏硬度的優(yōu)點：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測量退火、正火、調質鋼,

鑄鐵及有色金屬的硬度。材料的

b與HB之間的經驗關系：

對于低碳鋼:

b(MPa)≈3.6HB

對于高碳鋼：

b(MPa)≈3.4HB

對于鑄鐵：

b(MPa)≈1HB或

b(MPa)≈0.6(HB-40)HB

b(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵35精選ppt2〕洛氏硬度洛氏硬度用符號HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標尺，常用的標尺為A、B、C。

h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計36精選ppt37精選ppt38精選ppt符號壓頭類型總載荷（kgf）適用范圍HRC120°金剛石圓錐150一般淬火鋼等硬度較大材料HRBΦ1.588mm鋼球100退火鋼和有色金屬等軟材料HRA120°金剛石圓錐60硬而薄的硬質合金或表面淬火鋼試驗標準39精選ppt符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標尺。HRA用于測量高硬度材料,如硬質合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測量中等硬度材料，如調質鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。缺點：測量結果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕40精選ppt3〕維氏硬度〔HV〕維氏硬度計維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕41精選ppt維氏硬度是用一定的載荷將錐面夾角為136°的正四棱錐金剛石壓頭壓入試樣外表，保持一定時間后卸除載荷，試樣外表就留下壓痕，測量壓痕對角線的長度，計算壓痕外表積，載荷F除以壓痕面積S所得值即為維氏硬度。維氏硬度用符號HV表示，計算公式如下：42精選ppt維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法—維氏硬度試驗、小負荷維氏硬度試驗、顯微維氏硬度試驗。維氏硬度保存了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點。小負荷維氏硬度計顯微維氏硬度計43精選ppt維氏硬度試驗示意圖維氏硬度也可按對角線的d值從表中查出，d值為兩對角線的算術平均值。維氏硬度的結果表示方法為：硬度值+HV+試驗載荷／+載荷保持時間〔10~15秒不標注〕。例如，640HV30／20表示在試驗力30kgf作用下保持載荷20秒測定的維氏硬度值為640。44精選ppt沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。常用沖擊實驗測定。沖擊韌性是試樣缺口處截面上單位面積所消耗的沖擊功。指標為沖擊韌性值ak(通過沖擊實驗測得)。4、韌性45精選ppt即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。常采用夏比沖擊試驗來測定材料的韌性。αＫ＝ＡＫ／Ａ＝Ｇ(h1-h2)/A式中αＫ——沖擊韌度〔J/cm2〕ＡＫ——試樣的沖擊吸收功〔J)Ａ——缺口底部橫截面積(mm2)Ｇ——擺錘重量(Kg)h1——擺錘舉起高度(m)h2——擊斷試樣后升起高度(m)

夏比沖擊試驗46精選ppt韌脆轉變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉變。發(fā)生韌脆轉變的溫度范圍稱韌脆轉變溫度。材料的使用溫度應高于韌脆轉變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬沒有。47精選pptTITANIC建造中的Titanic號TITANIC的漂浮與船體材料的質量直接有關48精選pptTitanic號鋼板〔左圖〕和近代船用鋼板〔右圖〕的沖擊試驗結果Titanic近代船用鋼板49精選ppt影響沖擊韌性值大小的因素有材料的化學成份、冶金質量、組織狀態(tài)、外表質量和內部缺陷等。另外，金屬材料的沖擊韌性隨溫度的降低而下降。50精選ppt5、斷裂韌性材料阻止裂紋擴展的能力51精選ppt金屬材料的物理、化學性能

金屬材料的物理、化學性能包括密度、熔點、導電性、導熱性、磁性、熱膨脹性、耐熱性和耐蝕性等。機械零件的用途不同，對材料的物理、化學性能要求也不同。導熱性磁性耐熱性熱膨脹性導電性熔點密度金屬的物理、化學性能52精選ppt第二節(jié)金屬的晶體結構

材料結構的層次53精選ppt

晶體:金剛石、NaCl、冰等。非晶體:蜂蠟、玻璃等。液體54精選ppt晶體的特性組成晶體的根本原子在三維空間上周期性排列晶體具有確定的熔點晶體性能具有各向異性55精選ppt原子〔離子〕的剛球模型原子中心位置●晶體結構結點56精選ppt晶胞點陣〔晶格〕模型57精選ppt晶胞:每個晶胞有六個晶格常數(shù)(a,b,c;α,β,γ〕XYZabc晶格常數(shù)a，b，c

a=b=c且α=β=γ=90o

簡單立方晶胞具有簡單立方晶胞的晶格

簡單立方晶格58精選ppt〔1〕體心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo

等二、三種常見的金屬晶體結構晶胞中原子位于正方體的八個頂角和立方體中心，由于每個頂角上的原子同時屬于周圍八個晶胞共有，所以體心立方晶胞中含有的原子數(shù)為259精選ppt體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：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積2

4r3/3體心立方晶格：最大原子密度晶面是{110}晶面最大原子密度晶向是<111>晶向XYZabc2r2raa260精選ppt〔2〕面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等61精選ppt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：0.74面心立方晶格：最大原子密度晶面是：{111}晶面最大原子密度晶向是：<110>晶向XYZabc密排方向462精選ppt〔3〕密排六方晶格hcpMg、Zn等晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側面間角120側面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.

7463精選ppt晶向指數(shù)的求法

a、以晶胞的晶軸為坐標軸Ｘ，Ｙ，Ｚ，以晶胞的邊長為坐標軸的

長度單位

b、使待定晶向的直線通過坐標原點或通過原點作一直線平行于待

定晶向

c、在通過原點的直線上選出距原點Ｏ最近的一個結點，確定該結

點的坐標值

d、將三個坐標值化為互質整數(shù)，再加上方括號，即為該待定晶向

的晶向指數(shù)。如果其中某一數(shù)值為負，那么將負號標注在該數(shù)值

上方。

64精選ppt晶面指數(shù)的求法：1、在晶格中設置坐標軸X、Y、Z，坐標原點應位于待定指數(shù)的晶面之外2、求出待定晶面在各個坐標軸上的截距，并用晶軸的單位長度〔晶胞的晶格常數(shù)〕作為截距的單位，2ａ-2，3b-3，1c-13、取截距的倒數(shù)，然后化為最小的簡單整數(shù)，加上小括號，即得晶面指數(shù)。假設晶面與晶軸相截于負方向，那么將負號標于該數(shù)的上方。65精選ppt三、金屬晶格的根本類型晶格類型體心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞結構晶胞常數(shù)a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃晶胞內原子數(shù)原子半徑致密度0.680.740.74典型金屬α-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nbγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb、Ca、SrMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Co66精選ppt四、晶體的各向異性晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc由于晶體中不同晶面、晶向上的原子密度不同，故晶體在不同方向上的性能也不同，呈現(xiàn)各向異性，這是晶體區(qū)別于非晶體的重要標志之一。

如：體心立方的鐵晶體:

在<111>晶向上,E=290000MN/m2；

在<110>晶向上,

E=1350000MN/m267精選ppt一.單晶體與多晶體的根本概念1.單晶體的特征:晶體由一個晶格排列方位完全一致的晶粒組成。*晶體具有各向異性例如:單晶硅、單晶鍺等。2.多晶體的特征晶體是由許多顆晶格排列方位不相同的晶粒組成。*晶體具有各向同性例如:常用的金屬等。3.晶粒組成金屬晶體的小晶體，因其外型呈不規(guī)格的顆粒狀故稱晶粒4.晶界晶粒之間的界面。實際晶體的結構68精選ppt69精選ppt

晶界的特性：

a.晶界處能量高，雜質多。

b.晶界易被腐蝕。

c.晶界熔點比晶內低。

d.相變首先在晶界處發(fā)生。

e.晶界阻礙位錯的運動，因此晶界不易發(fā)

生塑性變形。

亞晶：每個晶粒內部，存在晶格位向有微小差異的小區(qū)域，位向差很小,最多1-2°，這些小區(qū)域稱為亞晶。

70精選ppt1、點缺陷〔零維缺陷〕

晶格空位：晶格中的原子脫離晶格結點，形成空位。

間隙原子：從晶格結點上脫離的原子轉移到晶格間隙。

置換原子：晶格中晶格空位，間隙原子的存在，會改變其周圍

原子的平衡，造成晶格畸變。

二.晶體缺陷71精選ppt

2.線缺陷----位錯位錯是晶體中普遍存在的，也是最重要的一種缺陷。

位錯包括：刃型位錯螺旋型位錯混合位錯位錯線周圍的原子不同程度地偏離了平衡位置，使周圍的晶格發(fā)生了畸變。位錯：晶格中一局部晶體相對于另一局部晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。72精選ppt刃型位錯

刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。73精選ppt半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“┴〞表示。半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“┬〞表示。正刃型位錯負刃型位錯74精選ppt位錯密度：單位體積內所包含的位錯線總長度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯密度為104-1012/cm2位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。

75精選ppt3.面缺陷—晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5-10個原子間距，位向差一般為20-40°。76精選ppt亞晶粒大角度和小角度晶界位錯壁亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1

-2

)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯壁。77精選ppt

晶界與亞晶界結構示意圖大角度晶界---晶界小角度晶界---亞晶界78精選ppt第三節(jié)金屬的結晶一、凝固與結晶的概念1.凝固物質由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。2.結晶晶體物質由液態(tài)轉變成固態(tài)的過程。物質中的原子由近程有序排列向遠程有序排列的過程。79精選ppt金屬的結晶過程→形核與長大過程二、結晶的現(xiàn)象與規(guī)律金屬液形成晶核晶核長大形成晶體80精選ppt形核、長大。液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)那么的小原子團，它們時聚時散，稱為晶坯。在結晶溫度經一段時間后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯將會長大，稱為晶核。81精選ppt三、結晶的過冷現(xiàn)象冷卻曲線與過冷