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工程材料学第二讲-2009


第一章、 第一章、材料的结构和性能
绪言 金属材料的结构与组织 金属材料的性能 高分子材料的结构与性能 陶瓷材料的结构与性能





物理化学和统计力学对于系统的定义较为简明,系统的一般定义: 物理化学和统计力学对于系统的定义较为简明,系统的一般定义: “研究的对象叫做系 统,宇宙中系统以外的部分叫做环境”。根据系统与环境之间有无能量转换、物质交换,系 宇宙中系统以外的部分叫做环境” 根据系统与环境之间有无能量转换、物质交换, 统 划分为隔绝的、封闭的和开放的三类。 划分为隔绝的、封闭的和开放的三类。 钱学森老先生对系统提出了如下的定义: 钱学森老先生对系统提出了如下的定义: “系统是相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。” 系统是相互依赖的若干组成部分结合而成的具有特定功能的有机整体。 若材料是一个“系统” 则这个系统的功能便是材料的性能,分析材料的性能时, 若材料是一个“系统”,则这个系统的功能便是材料的性能,分析材料的性能时,要注意 环 境的作用; 相互依赖的” 相互联系的”组元便构成了材料或者说系统的结构。 境的作用;“相互依赖的”、“相互联系的”组元便构成了材料或者说系统的结构。 在材料科学与工程领域内,人们应用了不同的名词来表示材料的内部结构,例如成分、 在材料科学与工程领域内,人们应用了不同的名词来表示材料的内部结构,例如成分、组 显微组织” 晶体结构” 织、结构、相等。习惯上,我们使用“宏观组织”、“显微组织”、“晶体结构”、“原子 结构、相等。习惯上,我们使用“宏观组织” 结构” 结构”、 “原子核结构”等名词来逐步深入地表征材料的结构。 原子核结构”等名词来逐步深入地表征材料的结构。 同一般的建筑相似,木结构是由木组成的,钢结构是由钢组成的, 同一般的建筑相似,木结构是由木组成的,钢结构是由钢组成的,而材料的结构也包括构 成它的各种组元。因此,我们将成分也并入材料的结构。如此,惯用的成分、组织和结构, 成它的各种组元。因此,我们将成分也并入材料的结构。如此,惯用的成分、组织和结构,

我们可以用理想气体的成分和运动特点来表明它的结构: 我们可以用理想气体的成分和运动特点来表明它的结构: (1)理想气体是由一些极小的粒子(分子和原子)组成,这 )理想气体是由一些极小的粒子(分子和原子)组成, 些粒子间的距离很大,可以略去它们之间的引力或者斥力; 些粒子间的距离很大,可以略去它们之间的引力或者斥力; (2)同类气体粒子的大小、形状、质量和作用是相同的; )同类气体粒子的大小、形状、质量和作用是相同的; (3)气体粒子在不停地运动,其方向是杂乱的、在各个方向 )气体粒子在不停地运动,其方向是杂乱的、 运动的机会是均等的; 运动的机会是均等的; (4)理想气体粒子是完全弹性的削球,在彼此碰撞时,动量 )理想气体粒子是完全弹性的削球,在彼此碰撞时, 及能量均守恒; 及能量均守恒; (5)理想气体粒子的体积很小,可以忽略不计。 )理想气体粒子的体积很小,可以忽略不计。

对于结构,我们采用如下的定义: 对于结构,我们采用如下的定义: 材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。 材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。 对于这个定义,作如下三点说明: 对于这个定义,作如下三点说明: (1)组元 ) A、化学组元:一般用材料中原子的种类和数量来说明成分。原子的种类便是 、化学组元:一般用材料中原子的种类和数量来说明成分。 各种化学元素。例如, 二元合金中, 和 叫做化学组元 叫做化学组元。 各种化学元素。例如,Fe-C二元合金中,Fe和C叫做化学组元。 二元合金中 化学组元之间可以在材料中形成各种相,例如钢中的 化学组元之间可以在材料中形成各种相,例如钢中的Fe3C、Mn、Al2O3等, 、 、 B、在实际材料中,由于原子排列出现了不规则性,因而有晶体缺陷。这些晶 、在实际材料中,由于原子排列出现了不规则性,因而有晶体缺陷。 体缺陷在热力学上可以是稳定的,例如热平衡的空位,又可以是不稳定的,如位错。 体缺陷在热力学上可以是稳定的,例如热平衡的空位,又可以是不稳定的,如位错。 这些缺陷可以用各种特定符号来表示: 空位; 位错; 晶界; 这些缺陷可以用各种特定符号来表示:□--- 空位;⊥--- 位错;Y--- 晶界;⊕-- 电子空位;∥--- 栾晶界等,这些晶体缺陷组元叫做几何学组元。 电子空位; 栾晶界等,这些晶体缺陷组元叫做几何学组元。 几何学组元是普遍存在的。将相的概念扩大,化学组元与几何学组元之间以及 几何学组元是普遍存在的。将相的概念扩大, 几何学组元之间也可以形成各种广义的相。将组元的概念扩大到几何学组元, 几何学组元之间也可以形成各种广义的相。将组元的概念扩大到几何学组元,是近 代金属或材料学的一个重要进展。 代金属或材料学的一个重要进展。

(2)排列方式 ) 组元的排列方式取决于组元间的结合种类。 组元的排列方式取决于组元间的结合种类。这是因为当自由原子凝 聚而形成固体时,邻近原子之间将会发生化学交互作用, 聚而形成固体时,邻近原子之间将会发生化学交互作用,外层电子将发 生变化,形成如下表所示的各种结合健以及对应的晶体结构。 生变化,形成如下表所示的各种结合健以及对应的晶体结构。
各种结合健以及对应的晶体结构

晶体类型 金属键晶体 共价键晶体 离子键晶体 分子键晶体

形成晶体时价电子变化 价电子公有化 无 价电子迁移 无

价电子所有制 公有 公有 私有 私有

(3)运动方式 ) 对于材料的结构, 对于材料的结构,主要考虑原子或分子及电子的 运动。表示的方法一般有两种,或者用文字来描述, 运动。表示的方法一般有两种,或者用文字来描述, 或者用参量来表达。 或者用参量来表达。 在本节的开始, 在本节的开始,我们就用文字描述了理想气体的运 动特点。 动特点。

结构的测定 材料的结构起初是靠肉眼来确定的。例如,用肉眼观察断口, 材料的结构起初是靠肉眼来确定的。例如,用肉眼观察断口,可以确定工具钢 的晶粒度,结晶断裂的百分数等等。 的晶粒度,结晶断裂的百分数等等。 为了扩大人眼的分辨力, 到原子的10E-7mm以及更小的点子,人们 以及更小的点子, 为了扩大人眼的分辨力,从10E-1mm到原子的 到原子的 以及更小的点子 需要借助于仪器和思维。更重要的是思维,人们依据已知的现象, 需要借助于仪器和思维。更重要的是思维,人们依据已知的现象,对于结构模型进 借助于仪器和思维 行假说的推断,然后设计试验,从试验结果的图像、 行假说的推断,然后设计试验,从试验结果的图像、图谱等去验证所提出的结构模 型。人类就是这样“看”到物质和材料的结构的。 人类就是这样“ 到物质和材料的结构的。 在这里,有两个系统在工作,一个是材料,一个是人。对于材料来说, 在这里,有两个系统在工作,一个是材料,一个是人。对于材料来说,输入是可 见光及环境干扰,输出是反射波构成的图像。对于人来说, 见光及环境干扰,输出是反射波构成的图像。对于人来说,输入是材料输出的图 像,人脑要调出它所储存的知识进行判断,做出结论而输出。这是结构测量的共性: 人脑要调出它所储存的知识进行判断,做出结论而输出。这是结构测量的共性: (1)对于材料来说,我们是应用黑箱法,从所测定的输入和输出的关系,来推测 )对于材料来说,我们是应用黑箱法,从所测定的输入和输出的关系, 未知的(漆黑的)材料结构; 未知的(漆黑的)材料结构; (2)对于人来说,需要运用思维,调出储存的知识,作出关于结构的正确判断; )对于人来说,需要运用思维,调出储存的知识,作出关于结构的正确判断; (3)每一种测量方法都有分辨力和环境干扰的存在。 )每一种测量方法都有分辨力和环境干扰的存在。

材料科学与工程以及相关学科研究对象的结构尺寸示意地表示在下图中。 材料科学与工程以及相关学科研究对象的结构尺寸示意地表示在下图中。只是在 20世纪 年代中期以后,一方面,较为广泛地运用电子显微技术和固体物理的成 世纪50年代中期以后 一方面, 世纪 年代中期以后, 就,另一方面,研究对象从金属材料扩展到有机的高分子化合物(或者叫聚合物) 另一方面,研究对象从金属材料扩展到有机的高分子化合物(或者叫聚合物) 时,才开始从物理冶金学扩展到材料科学,结构尺寸约从10E-2扩展到 才开始从物理冶金学扩展到材料科学,结构尺寸约从 扩展到10E-8cm的 的 扩展到 数量级。 数量级。学科的边缘从来都是模糊 的,学科的领域也是在变化的,从 学科的领域也是在变化的, 图B13-B15就可以看出学科边缘和 就可以看出学科边缘和 领域的变化。 领域的变化。学科对象的结构尺寸 相差太远、较难结合, 相差太远、较难结合,例如研究宏 观现象(> 观现象(>10-1cm)的材料工程, (> )的材料工程, 就很难与核物理(< 就很难与核物理(<10-8cm)联 (< ) 系起来。 系起来。
材料科学与工程的结构尺寸及发展示意图

第一节、 第一节、金属材料的结构和组织
固态物质按其原子/离子 分子的聚集状态可分为两大类:晶 固态物质按其原子 离子/分子的聚集状态可分为两大类: 离子 分子的聚集状态可分为两大类 体和非晶体。 体和非晶体。 原子/离子 分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体, 原子 离子/分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体 离子 分子在三维空间有规则的周期性重复排列的物体, 称为晶体。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。 称为晶体。如天然金刚石、水晶、氯化钠、固态金属等。 原子/离子 分子在空间无规则排列的物体 称为非晶体。 原子 离子/分子在空间无规则排列的物体,称为非晶体。如 离子 分子在空间无规则排列的物体, 松香、石蜡、玻璃等。 松香、石蜡、玻璃等。

晶体结构是指晶体中原子 离子/分子规则排列的方式。 晶体结构是指晶体中原子/离子 分子规则排列的方式。 是指晶体中原子 离子 分子规则排列的方式 晶格是假设通过金属原子 离子的中心划出许多空间直线 晶格是假设通过金属原子/离子的中心划出许多空间直线,这些之先将形 是假设通过金属原子 离子的中心划出许多空间直线, 成空间格架,这种假想的格架称为晶格。晶格的结点为金属原子/离子平衡 成空间格架,这种假想的格架称为晶格。晶格的结点为金属原子 离子平衡 为金属原子 位置的中心。 位置的中心。 把能够反映某种金属晶格特征的最小组成单元成为晶胞。 把能够反映某种金属晶格特征的最小组成单元成为晶胞。 晶胞 晶胞在三维空间的重复排列就会构成晶格,晶胞的基本特性反映了其晶 晶胞在三维空间的重复排列就会构成晶格, 体结构的特点。 体结构的特点。 晶胞的几何特征表征: 晶胞的几何特征表征: 一般用三条棱边长a, 一般用三条棱边长 b, c和三条棱边之间的夹角 和三条棱边之间的夹角

α,β,γ等六个参数来描
述。其中,把a, b, c叫 其中, 叫 做晶格常数。 做晶格常数。

原子半径:是指在晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半, 原子半径:是指在晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半,也就是晶胞中 原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半, 原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半,写作

ratom 。

致密度:是指晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 致密度:是指晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。致密度越 大,原子排列紧密程度越大。 原子排列紧密程度越大。 空隙半径:若在晶胞空隙中放入刚性球,则能放入球的最大半径就是空隙半径。 空隙半径:若在晶胞空隙中放入刚性球,则能放入球的最大半径就是空隙半径。 配位数:就是晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。 配位数:就是晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越 大,原子排列的紧密程度就越大。 原子排列的紧密程度就越大。 晶面:是指通过晶体中原子中心的平面。晶面用晶面指数来表示。 晶面:是指通过晶体中原子中心的平面。晶面用晶面指数来表示。 晶向:在晶体中,通过原子中心的直线为原子列,其所代表的方向就是晶向。 晶向:在晶体中,通过原子中心的直线为原子列,其所代表的方向就是晶向。 晶向用晶向指数来表示。 晶向用晶向指数来表示。 密排面:不同晶体结构中不同晶面、 密排面:不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列密度不 一样,我们把原子密度最大的晶面,叫做密排面。 一样,我们把原子密度最大的晶面,叫做密排面。 密排方向:是指原子密度最大的晶向,则叫做密排方向。 密排方向:是指原子密度最大的晶向,则叫做密排方向。

(一)晶体结构和结合键
(1)离子键晶体 ) NaCl晶体是典型的离子键晶体,碱元素Na易于失去外层一个电子形成 晶体是典型的离子键晶体,碱元素 易于失去外层一个电子形成 晶体是典型的离子键晶体 钠离子Na+,而卤族元素Cl却易接受钠原子所失去的电子形成 ,这种 ,而卤族元素 却易接受钠原子所失去的电子形成 却易接受钠原子所失去的电子形成Cl-, 钠离子 正负离子之间的静电的库伦引力作用便形成了如图所示的晶体结构。 正负离子之间的静电的库伦引力作用便形成了如图所示的晶体结构。 离子键的晶体结构是由如下三个因素确定的: 离子键的晶体结构是由如下三个因素确定的: 1)阳离子和阴离子的含量必须满足定比定律,才能保证电荷的中性。如 )阳离子和阴离子的含量必须满足定比定律,才能保证电荷的中性。 CaF2晶体中,Ca++:F-=1:2。 晶体中, : : 。 2)每一类粒子的周围有尽可能多的异类离子,这样可使结合键尽可能多, )每一类粒子的周围有尽可能多的异类离子,这样可使结合键尽可能多, 即内能U尽可能低,则晶体更稳定。 即内能 尽可能低,则晶体更稳定。 尽可能低 3)同一类离子球不能相切,这种相切导致的斥力使晶体不稳定。 )同一类离子球不能相切,这种相切导致的斥力使晶体不稳定。

NaCl晶体结构示意图

Na+Cl-

(2)共价键晶体 )
我们知道,惰性气体是稳定的电子结构,原子接近时, 我们知道,惰性气体是稳定的电子结构,原子接近时,可以通过共有电子对形 成共价键的方式获得( 成共价键的方式获得(ns+np)全填满的稳定结构。典型的共价键是 2的共价键。 )全填满的稳定结构。典型的共价键是H 的共价键。 每一个H原子贡献出一个价电子,它们围绕这两个氢核运动,形成所谓电子云。 每一个 原子贡献出一个价电子,它们围绕这两个氢核运动,形成所谓电子云。电 原子贡献出一个价电子 子云在两个氢核之间的密度最大, 子云在两个氢核之间的密度最大,因而可以简单地认为两个价电子集中在两个原子 核之间,为两个原子核共有,形成一个共价键。用电子式表示为: 核之间,为两个原子核共有,形成一个共价键。用电子式表示为:

H ?+?H → H :H = H ?H
共价键有如下几个重要性质: 共价键有如下几个重要性质: 1)键长:是指组成键的两个原子核之间的距离,随着杂化轨道的状态而变化。 )键长:是指组成键的两个原子核之间的距离,随着杂化轨道的状态而变化。 2)键能:将组成共价键的原子分开所需要的能量叫键能。 )键能:将组成共价键的原子分开所需要的能量叫键能。 3)极性键:各个元素吸引电子的能力(即电负性)不同,因而电子云的分布是 )极性键:各个元素吸引电子的能力(即电负性)不同, 不均匀的,电子云较为向电负性高的元素集中,形成极性键。 不均匀的,电子云较为向电负性高的元素集中,形成极性键。

金刚石晶体结构中共价键数最多,结合最强,因而熔点、 金刚石晶体结构中共价键数最多,结合最强,因而熔点、强度和 硬度都很高。与离子晶体相似,外层电子均用于结合键, 硬度都很高。与离子晶体相似,外层电子均用于结合键,因而也是 绝缘体。 绝缘体。 而石墨中的碳,只有三个电子用于形成共价键,余下的一个电子 而石墨中的碳,只有三个电子用于形成共价键, 游离在层间,可以参加导电,因而是一种导体,并且是沿层间进行 游离在层间,可以参加导电,因而是一种导体, 导电的。 导电的。 石墨结构的这种特点, 石墨结构的这种特点,启示人们发展以石墨为基的或其他的层间 化合物。 化合物。 金刚石和石墨的晶体结构示意图如下所示: 金刚石和石墨的晶体结构示意图如下所示:

金刚石晶体结构示意图

C原子

正四面体结构单元

石墨晶体结构示意图

C原子

正六边形结构单元

(3)金属键化合物 )
元素周期表中,金属大约占了三分之二。当金属原子凝聚而形成晶体时, 元素周期表中,金属大约占了三分之二。当金属原子凝聚而形成晶体时, 外层的电子脱离原来的原子,失去价电子的原子形成离子。 外层的电子脱离原来的原子,失去价电子的原子形成离子。离子占据晶 体的点阵,并不停地振动,而脱离原子的价电子为整个晶体所公有, 体的点阵,并不停地振动,而脱离原子的价电子为整个晶体所公有,在 离子之间运动,形成电子云。 离子之间运动,形成电子云。 这种公有化的电子云能够导电,说明了金属是良好的导体; 这种公有化的电子云能够导电,说明了金属是良好的导体;金属间的结 合是由于公有化电子和离子之间的静电吸引力。 合是由于公有化电子和离子之间的静电吸引力。正是有电子公有化的特 点,结合键便没有方向性;为了增加晶体的稳定性,既降低体系的内能 结合键便没有方向性;为了增加晶体的稳定性, U,都是选择密堆程度高、对称性高、配位数大的晶体结构。 ,都是选择密堆程度高、对称性高、配位数大的晶体结构。

金属晶体

金属原子

自由电子

在金属晶体中,金属键使原子 离子的排列趋于尽可能地紧密 离子的排列趋于尽可能地紧密, 在金属晶体中,金属键使原子/离子的排列趋于尽可能地紧密,构成 高度对称性的简单的晶体结构。最常见的金属晶体结构有三种典型, 高度对称性的简单的晶体结构。最常见的金属晶体结构有三种典型, 即面心立方结构( ),体心立方结构( ), ),体心立方结构 ),密排六方结构 即面心立方结构(A1),体心立方结构(A2),密排六方结构 )。除少数例外 (A3)。除少数例外,绝大多数仅数都趋于这三类结构。 )。除少数例外,绝大多数仅数都趋于这三类结构。 金属原子/离子的堆垛方式不同,就会产生不同的晶体结构。 金属原子 离子的堆垛方式不同,就会产生不同的晶体结构。面心立 离子的堆垛方式不同 方(A1)结构原子最密排面是 )结构原子最密排面是{111},密排六方结构的最密排面是 , 这两个镜面上的原子排列情况是一样的。如下图所示: (0001)面,这两个镜面上的原子排列情况是一样的。如下图所示: )

A1 型最密堆积 A1 型是将密堆积层的相对位置按照 型是将密堆积层的相对位置按照ABCAB C……方式作最密堆积, 方式作最密堆积, 方式作最密堆积 重复的周期为3层 这种堆积方式堆积出来的就是面心立方晶胞。 重复的周期为 层。这种堆积方式堆积出来的就是面心立方晶胞。

立方密堆积方式: 立方密堆积方式:面心立方 ABCABC…, 配位数 :12。 Al, Cu, Ag, Au等金属就是面心立方结构。 等金属就是面心立方结构。 。 等金属就是面心立方结构

A3型六方最密堆积图片 A3型六方最密堆积图片 将密堆积层的相对位置按照ABABAB 方式作最密堆积 将密堆积层的相对位置按照ABABAB…方式作最密堆积,这 ABABAB 方式作最密堆积, 时重复的周期为两层。 时重复的周期为两层。

密排六方结构的金属晶体

排列方式:ABABAB… 配位数:12。 实例: Mg and Zn、Ti

体心立方密堆积( ) 体心立方密堆积(A2) A2不是最密堆积。每个球有八个最近的配体(处于边长为a 不是最密堆积。每个球有八个最近的配体(处于边长为 不是最密堆积 的立方体的8个顶点) 个稍远的配体, 的立方体的 个顶点)和6个稍远的配体,分别处于和这个立 个顶点 个稍远的配体 方体晶胞相邻的六个立方体中心。故其配位数是8,空间利 方体晶胞相邻的六个立方体中心。故其配位数是 , 用率为68.02%. 用率为

3 每个球与其8个相近的配体距离 每个球与其 个相近的配体距离 d = a 2 与6个稍远的配体距离 d ' = 2 d = 1.15d = a 个稍远的配体距离 3

A2型密堆积图片 型密堆积图片

体心立方结构的金属有: 、 等 体心立方结构的金属有:Mo、V等

(4)分子键晶体 ) 惰性气体He、 、 、 、 等在自由原子状态已形成 惰性气体 、Ne、Ar、Xe、Rn等在自由原子状态已形成 稳定的电子壳( 已满),它们凝聚而形成晶体时, 稳定的电子壳(ns+np已满),它们凝聚而形成晶体时,不 已满),它们凝聚而形成晶体时 会再给出电子或者接受电子,这便是惰性的根源。 会再给出电子或者接受电子,这便是惰性的根源。 惰性气体He、 、 、 、 等靠 等靠凡德瓦尔斯力或者叫 惰性气体 、Ne、Ar、Xe、Rn等靠凡德瓦尔斯力或者叫 做分子间力进行结合。 做分子间力进行结合。 进行结合

分子键 (Van der Waals' Bond) ) 分子键是电中性的分子之间的长程作用力。 分子键是电中性的分子之间的长程作用力。所有惰性气体原子在低 温下就是通过范氏力而结合成晶体的。 温下就是通过范氏力而结合成晶体的。N2,O2,CO,Cl2,Br2 和 I2 等 , 由共价键结合而成的双原子分子在低温下聚集成所谓分子晶体, 由共价键结合而成的双原子分子在低温下聚集成所谓分子晶体,此时每个 结点上有一个分子,相邻结点上的分子之间就存在着范德瓦尔斯力。 结点上有一个分子,相邻结点上的分子之间就存在着范德瓦尔斯力。正是 此种范氏力使分子结合成分子晶体(分子键的名称即由此而来)。 此种范氏力使分子结合成分子晶体(分子键的名称即由此而来)。 范德华键是一种次价键,没有方向性和饱和性 它比化学键的键能小 它比化学键的键能小1范德华键是一种次价键,没有方向性和饱和性,它比化学键的键能小 2个数量级,远不如化学键牢固。 个数量级,远不如化学键牢固。 个数量级 在高分子材料中总的范德华力超过化 学键的作用, 学键的作用,故在去除所有的范德华力作 用前化学键早已断裂了, 用前化学键早已断裂了,所以高分子往往 没有气态,只有固态和液态。 没有气态,只有固态和液态。

(二) 合金相结构 虽然纯金属在工业上获得了一定的应用,但由于其性能的局限性, 虽然纯金属在工业上获得了一定的应用,但由于其性能的局限性,不能 满足各种使用场合的要求,如纯金属的强度度较低,不宜作结构材料。 满足各种使用场合的要求,如纯金属的强度度较低,不宜作结构材料。如 何改变和提高金属材料的性能,实践证明,合金化是主要的途径。 何改变和提高金属材料的性能,实践证明,合金化是主要的途径。 由两种或者两种以上的金属、或者金属与非金属,经熔炼、 由两种或者两种以上的金属、或者金属与非金属,经熔炼、烧结或者其 他方法组合而成并具有金属特性的物质,称之为合金。如碳钢和铸铁等。 他方法组合而成并具有金属特性的物质,称之为合金。如碳钢和铸铁等。 要了解合金中合金元素的加入如何起到改变和提高金属性能的作用, 要了解合金中合金元素的加入如何起到改变和提高金属性能的作用,首 先要知道合金元素加入后的去向,即合金中各组元之间相互作用的情况, 要知道合金元素加入后的去向,即合金中各组元之间相互作用的情况, 可能形成的合金相及其成分、结构类型和性能特点等。然后再分析和金的 可能形成的合金相及其成分、结构类型和性能特点等。然后再分析和金的 组织特征:各组成相的形态、大小、数量和分布, 组织特征:各组成相的形态、大小、数量和分布,并进一步探讨组织和性 能的关系。 能的关系。

相:相是合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。 相是合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。 合金在固态下可以形成均匀的单相合金, 合金在固态下可以形成均匀的单相合金,也可能是由几种不同的相所组成 的多相合金。 的多相合金。 或者说,在金属或者合金中,凡化学成分相同、 或者说,在金属或者合金中,凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面 与其他部分分开的均匀组成部分就叫做相。 与其他部分分开的均匀组成部分就叫做相。如,液相物质为液相,固态物 液相物质为液相, 质为固相。 质为固相。 虽然, 虽然,在各种合金中的组成相是 多种多样的, 多种多样的,但可以把它们归纳为 固溶体和中间相这两种基本类型。 固溶体和中间相这两种基本类型。 这两大类合金相又可按其成分和结 构特点进一步分为若干具体类型。 构特点进一步分为若干具体类型。

1、固溶体 、 固溶体是指合金组元通过溶解形成一种成份和性能均匀的、 固溶体是指合金组元通过溶解形成一种成份和性能均匀的、且结构与组元之一 相同的固相。 把与固溶体晶格相同的组员叫做溶剂,另一组元则叫做溶质。 相同的固相。 把与固溶体晶格相同的组员叫做溶剂,另一组元则叫做溶质。 (1)固溶体的分类 ) 按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 置换固溶体中,溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子。 置换固溶体中,溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子。而间隙固溶体 所示。 中,溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。如图1-21、1-22所示。 溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。如图 、 所示 按溶质原子在溶剂中的溶解度,固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。 按溶质原子在溶剂中的溶解度,固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。 按溶质原子在固溶体中分配是否有规律,固溶体分为无序固溶体和有序固溶体 按溶质原子在固溶体中分配是否有规律, 两种。 两种。 溶质原子有规则分布的叫做有序 固溶体、 固溶体、无规则分布的叫做无序固溶 体。在一定的条件(如成分、温度 在一定的条件(如成分、 等)下,一些合金的无序固溶体可 转变为有序固溶体,这种转变叫做有序化。 转变为有序固溶体,这种转变叫做有序化。

2、金属化合物 、 金属化合物是指合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。 金属化合物是指合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。金 属化合物也叫做中间相。 属化合物也叫做中间相。 金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。合金中含有金属化合物时,硬度、 金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。合金中含有金属化合物时,硬度、强度和耐 磨性提高,而塑性和韧性降低。 磨性提高,而塑性和韧性降低。 金属化合物主要有以下几类: 金属化合物主要有以下几类: (1)正常价化合物:是指严格遵守化合价规律的化合物。一般是由元素周期表中相距较 )正常价化合物:是指严格遵守化合价规律的化合物。 远、电负性相差较大的两元素组成,可用确定的化学式表示。这类化合物一般硬度大、脆性 电负性相差较大的两元素组成,可用确定的化学式表示。这类化合物一般硬度大、 高。 (2)电子化合物:是指不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度(化合物中价电子数与 )电子化合物:是指不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度( 原子数之比)的化合物。一般由Ⅰ 族或者过渡元素与 族或者过渡元素与Ⅱ 族 原子数之比)的化合物。一般由ⅠB族或者过渡元素与ⅡB族、ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族元素所 族 族 族元素所 组成。 组成。 电子化合物主要以金属键结合,具有明显的金属特性,可以导电。 电子化合物主要以金属键结合,具有明显的金属特性,可以导电。他们的熔点和硬度较 高,塑性较差,在许多有色金属中作为重要的强化相。 塑性较差,在许多有色金属中作为重要的强化相。 (3)间隙化合物 ) 由过渡族元素与碳、 硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物, 由过渡族元素与碳、氧、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物,就叫做 间隙化合物。根据结构特点,间隙化合物分为间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。 间隙化合物。根据结构特点,间隙化合物分为间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。

(三)材料的组织 材料的显微组织是材料中各相的含量及形貌所构成的图像。简言之, 材料的显微组织是材料中各相的含量及形貌所构成的图像。简言之,显微组织 是各相组织而成的显微图像。在这里,显微是相较于肉眼的分辨力而言的。 是各相组织而成的显微图像。在这里,显微是相较于肉眼的分辨力而言的。 在金相显微镜下观察,可以看到金属材料内部的微观形貌。 在金相显微镜下观察,可以看到金属材料内部的微观形貌。 “材料的显微组织是材料中各相及更微观组元(化学的或者几何学的)的形貌 材料的显微组织是材料中各相及更微观组元(化学的或者几何学的) 及 含量所构成的图像“ 含量所构成的图像“。 这样的话,显微组织和结构便难于区分了,区别是:前者较为直观, 这样的话,显微组织和结构便难于区分了,区别是:前者较为直观,外行人教 易理解,而后者的图谱,则需要专门的知识,才能理解他们所表达的、 易理解,而后者的图谱,则需要专门的知识,才能理解他们所表达的、关于材料结 构的信息。 构的信息。 组织是由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。 组织是由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。金属材料的组织可 以由单相组成,也可以由多相组成。 以由单相组成,也可以由多相组成。

组织和性能的关系 金属材料的性能是由金属内部的组织结构所决定。如书中图 金属材料的性能是由金属内部的组织结构所决定。如书中图1-26。 。 在研究组织和性能之间的关系时,需要注意两种情况: 在研究组织和性能之间的关系时,需要注意两种情况: 其一、在有些情况下,金属的组织名称相同、组成相也相同, 其一、在有些情况下,金属的组织名称相同、组成相也相同,但晶粒形 状和大小不同,那么它们的性能也不同。 状和大小不同,那么它们的性能也不同。 其二、在某些合金中,在显微镜下观察它们的组织相同,组成相也相 其二、在某些合金中,在显微镜下观察它们的组织相同, 同,且形状和大小无明显差异,只是其成分有所不同,此时,则表现出来 且形状和大小无明显差异,只是其成分有所不同,此时, 的性能也不相同。 的性能也不相同。 由此可见,金属材料的成分、工艺、 由此可见,金属材料的成分、工艺、组织结构和性能之间有密切的关 系,了解他们之间的关系,掌握材料中各种组织的形成和各种因素的影响 了解他们之间的关系, 规律,对于合理使用金属材料有着十分重要的指导意义。 规律,对于合理使用金属材料有着十分重要的指导意义。

(三)金属晶体的缺陷 前面介绍的是理想晶体的结构情况。在实际晶体中, 前面介绍的是理想晶体的结构情况。在实际晶体中,原子的排列不可能这样规 则和完整,而是或多或少存在着偏离列理想结构的区域,出现了不完整性, 则和完整,而是或多或少存在着偏离列理想结构的区域,出现了不完整性,通常把 这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。 这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。 此外,通常情况下,金属都是多晶体,在晶粒的晶界处,原子的规则排列也必 此外,通常情况下,金属都是多晶体,在晶粒的晶界处, 然破坏,这些都导致晶体的不完整性,从而产生了晶体缺陷。 然破坏,这些都导致晶体的不完整性,从而产生了晶体缺陷。 根据晶体缺陷的几何形状特征,可以将它们分为三大类: 根据晶体缺陷的几何形状特征,可以将它们分为三大类: 1)点缺陷:其特点是在X、Y、Z三向上的尺寸都很小 相当于原子的尺寸), 三向上的尺寸都很小( (1)点缺陷:其特点是在X、Y、Z三向上的尺寸都很小(相当于原子的尺寸), 如空位、间隙原子和溶质原子等。 如空位、间隙原子和溶质原子等。 (2)线缺陷:其特点是在两个方向上的尺寸都很小,另一个方向上的尺寸相对很 )线缺陷:其特点是在两个方向上的尺寸都很小, 也称作一维缺陷,如位错。 长,也称作一维缺陷,如位错。 (3)面缺陷:其特点是在一个方向上的尺寸很小,另外两个方向上的尺寸很大, )面缺陷:其特点是在一个方向上的尺寸很小,另外两个方向上的尺寸很大, 也称作二维缺陷,如晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等。 也称作二维缺陷,如晶界、相界、孪晶界和堆垛层错等。 在晶体中,缺陷并不是静止的、稳定不变地存在着, 在晶体中,缺陷并不是静止的、稳定不变地存在着,而是随着各种条件的改变 而不断地变动的,他们可以产生、发展、运动和相互作用,而且能合并和消失。 而不断地变动的,他们可以产生、发展、运动和相互作用,而且能合并和消失。

(1)点缺陷 ) 有以下几类: 有以下几类: A、空位:在晶体晶格中,若某节点上没有原子,则这结点就叫做空位。 、空位:在晶体晶格中,若某节点上没有原子,则这结点就叫做空位。 造成的原因:原子热运动挣脱;塑性变形、 造成的原因:原子热运动挣脱;塑性变形、高能粒子辐射和热处理等促使空位 的形成。 的形成。 B、间隙原子:是指位于晶格间隙之中的原子。 、间隙原子:是指位于晶格间隙之中的原子。 形成间隙原子是非常困难的,在纯金属中,主要的缺陷是空位而不是间隙原子。 形成间隙原子是非常困难的,在纯金属中,主要的缺陷是空位而不是间隙原子。 C、异类原子:任何纯金属中都或多或少会存在杂质(即其它元素),这些其 、异类原子:任何纯金属中都或多或少会存在杂质(即其它元素),这些其 ), 它元素的原子就叫做异类原子或者杂 质原子。 质原子。 间隙原子和异类原子在金属晶体 中的存在,都会导致附近晶格的畸变。 中的存在,都会导致附近晶格的畸变。

(2)线缺陷 ) 位错有两种: 位错有两种: A、刃型位错:在金属晶体中,晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的 、刃型位错:在金属晶体中, 半原子面,这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀刃片,刀口的刃口线就是位错线。 半原子面,这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀刃片,刀口的刃口线就是位错线。 刃型位错又分为正刃型位错和负刃型位错。 刃型位错又分为正刃型位错和负刃型位错。 B、螺型位错:有时金属晶体中还会出现如图1-15中的线缺陷。晶体右边的上 、螺型位错:有时金属晶体中还会出现如图 中的线缺陷。 中的线缺陷 部原子相对于下部原子向后错动一个原子间距,既右边上部相对于下部晶面发生错 部原子相对于下部原子向后错动一个原子间距, 动。如果将错动区的原子用线连接起来,则具有螺旋性特征,这种缺陷叫螺型位错。 如果将错动区的原子用线连接起来,则具有螺旋性特征,这种缺陷叫螺型位错。 C、位错密度 、 晶体中位错的量可以用位错 线长度来表示。 线长度来表示。位错密度是指单位 体积中位错线的总长度, 体积中位错线的总长度,位错密度

ρ可以表示为, ρ = ∑ L 可以表示为,
V

(3)面缺陷 ) 金属晶体中的面缺陷主要有: 金属晶体中的面缺陷主要有: A、晶界 、 实际的金属是多晶体, 实际的金属是多晶体,是由大量外形不规则的小晶体 我们叫做晶粒)组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体, (我们叫做晶粒)组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体, 尺寸大小不一。在纯金属中,所有晶粒的结构完全相同, 尺寸大小不一。在纯金属中,所有晶粒的结构完全相同, 但彼此间的位向不同。位向差也大小不一。 但彼此间的位向不同。位向差也大小不一。 晶界:就是指晶粒与晶粒之间的接触界面。随相邻晶粒位向差的不同, 晶界:就是指晶粒与晶粒之间的接触界面。随相邻晶粒位向差的不同,其晶界宽度为 5~10个原子间距。晶界在空中呈网状;晶界上原子的排列不是非晶体式混乱排列,但规则性 个原子间距。 个原子间距 晶界在空中呈网状;晶界上原子的排列不是非晶体式混乱排列, 较差。晶界上原子排列的总特点是,采取相邻两晶粒的折衷为止, 较差。晶界上原子排列的总特点是,采取相邻两晶粒的折衷为止,使晶格由一个晶粒的位 通过晶界的协调,逐步过渡为相邻晶粒的位向。如图1-19所示。 所示。 向,通过晶界的协调,逐步过渡为相邻晶粒的位向。如图 所示 B、亚晶界 、 晶粒也不是完全理想的晶体, 晶粒也不是完全理想的晶体,而是有许多位向相差很小的所谓亚 晶粒组成,如图1-20。晶粒内的亚晶粒有叫做晶块。亚晶界尺寸比晶 晶粒组成,如图 。晶粒内的亚晶粒有叫做晶块。 粒小2~3个数量级。亚晶粒的结构如果不考虑点缺陷,可以认为是理 个数量级。 粒小 个数量级 亚晶粒的结构如果不考虑点缺陷, 想的。亚晶粒之间的位向差最多只有1~2°。 想的。亚晶粒之间的位向差最多只有 ° 把亚晶粒之间的边界,就叫做亚晶界。 把亚晶粒之间的边界,就叫做亚晶界。亚晶界是位错规则排列的 结构。例如,亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。 结构。例如,亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。 晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大, 晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑 性越好。 性越好。

第二节 金属材料的性能
金属材料的一般加工过程

液态成形(铸造) 塑性成形(压力加工) 连接成形(焊接) 毛坯 型材 切削 加工 装配 零件

形状、尺寸、性能 热处理

钢材

锻造 锻 件 铸造 铸 件 粉末冶 金烧结 粉末冶金 件 热处理
机械加工 部件装配

铸铁 铸钢 铝锭 辅助材 料 铁粉 碳粉

缸体 曲轴 变速箱壳 体 齿轮 ┊

发动机 变速器 转向器 驱动桥 ┊

协作件、 协作件、 电器系统 轮胎 其它部件

总装配

试车

钢板

冲压

铆、焊 接

装配

油漆

汽车

图例: 图例:汽车的一般生产过程

工程材料的主要加工方法有: 工程材料的主要加工方法有: (1)金属的液态成型(铸造生产); )金属的液态成型(铸造生产); (2)金属的塑性成型(压力加工); )金属的塑性成型(压力加工); (3)材料的连接成型(焊接生产); )材料的连接成型(焊接生产); ( 4)切削加工成型。 )切削加工成型。 产品的生产加工过程包括以下环节: 产品的生产加工过程包括以下环节: 原材料的运输、 原材料的运输、保管和准备 制造 零件的机械加工与热处理 量检查及运行试验 零件装配成机器 机器的质 生产的准备工作 毛坯的

机器的油漆、包装和入库。 机器的油漆、包装和入库。

工艺过程主要有: 工艺过程主要有: (1) 毛坯制造工艺过程 (2) 机械加工工艺过程 (3) 热处理工艺过程 (4) 装配工艺过程 可以把加工分为冷加工和热加工两种。 可以把加工分为冷加工和热加工两种。

材料的表征
现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能及其成分及显微组织关系 的理解。因此,对材料性能的各种测试技术, 的理解。因此,对材料性能的各种测试技术,对材料组织从宏观到微观 不同层次的表征构成了材料科学与工程的一个重要部分, 不同层次的表征构成了材料科学与工程的一个重要部分,也是联系材料 设计与制造工艺直到获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。 设计与制造工艺直到获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。 在公认的材料科学与工程四大要素---合成与制备、组成与结构、性质、 在公认的材料科学与工程四大要素 合成与制备、组成与结构、性质、 合成与制备 使用性能---之中,性能检测与表征技术通过组成与结构在化学、 使用性能 之中,性能检测与表征技术通过组成与结构在化学、物理学 之中 和环境科学基础上与其它三大要素相互联系与反馈, 和环境科学基础上与其它三大要素相互联系与反馈,同样构成材料科学 与工程的关键共性技术。 与工程的关键共性技术。

1、性能检测 、 材料的性能是指材料在给定的一套条件下,当某一条件发生变化时, 材料的性能是指材料在给定的一套条件下,当某一条件发生变化时,材 料所产生的反应。 料所产生的反应。 对材料的性能测定需要建立一种广义力和广义位移的关系, 对材料的性能测定需要建立一种广义力和广义位移的关系,在关系为线 性时,材料性能有线性常数表征,如弹性模量、热容等。 性时,材料性能有线性常数表征,如弹性模量、热容等。在关系偏离线 性时,材料的性能需要由高阶常数来描述, 性时,材料的性能需要由高阶常数来描述,如光学晶体在强光照射下的 极化率。材料的传输性能与材料内部参数的梯度所产生的流有关, 极化率。材料的传输性能与材料内部参数的梯度所产生的流有关,由广 义力与所产生的流之间的比例常数来表征,如热导率、扩散系数等。 义力与所产生的流之间的比例常数来表征,如热导率、扩散系数等。 新材料的发展还提出了一些难以用单项性能进行评价的材料特征。 新材料的发展还提出了一些难以用单项性能进行评价的材料特征。如金 属材料的可焊性,材料的可加工性,高温熔盐气氛下的腐蚀性能等。 属材料的可焊性,材料的可加工性,高温熔盐气氛下的腐蚀性能等。

2、显微结构表征 、 显微结构表征包括观察组织的形貌、 显微结构表征包括观察组织的形貌、确定其原子排列方式和分析化 学祖分。 学祖分。 分析方法可按照观察形貌的显微镜、 分析方法可按照观察形貌的显微镜、测定结构的衍射仪及分析成分 的各种谱仪进行分类。 的各种谱仪进行分类。 1)形貌观察 ) 2)结构测定 ) 3)化学组分分析 )

一、工程材料的主要性能
1、概述 、 材料的性能是指材料的性质和功能。 材料的性能是指材料的性质和功能。 是指材料的性质和功能 性质是本身所具有的特质或本性; 性质是本身所具有的特质或本性; 是本身所具有的特质或本性 功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效, 功能是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效,以及承担该 是人们对材料的某种期待与要求种可以承担功效 功效下的表现或能力。 功效下的表现或能力。 材料的性能一般分为以下几种:力学性能、物理性能、 材料的性能一般分为以下几种:力学性能、物理性能、化学性能和 一般分为以下几种 工艺性能。 工艺性能。

2、材料的物理性能 、 材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量(热 材料的物理性能是指材料本身的具有各种物理量 热、电、光、磁等) 磁等 以及环境变化时它们的变化程度。 以及环境变化时它们的变化程度。 密度 密度是指单位体积物质的质量,单位是kg/m3; 密度是指单位体积物质的质量,单位是kg/m3; ρ=M/V = M:金属的质量(kg); :金属的体积(m?) :金属的质量( );V:金属的体积 );

一般将密度小于5.0× 的金属称为轻金属; 一般将密度小于 ×10? kg/m?的金属称为轻金属;密度大于 的金属称为轻金属 5.0×10? kg/m?的金属称为重金属。 × 的金属称为重金属。 的金属称为重金属

比容是指单位质量的物质所占的体积,单位是 比容是指单位质量的物质所占的体积,单位是m3/kg。 。 是指物体内温度梯度为1℃ 时 在单位时间、 导热性λ是指物体内温度梯度为 ℃/M时,在单位时间、单位面积内传递 的热量,单位是 的热量,单位是W/(m.K)。 。 导热率越大,导热性越好。 导热率越大,导热性越好。 热膨胀性: 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。 热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。 热膨胀性用线胀系数αl和体胀系数 V来表示。 热膨胀性用线胀系数 和体胀系数α 来表示。 线膨胀系数α是指温度上升 ℃ 单位长度的伸长量, 线膨胀系数 是指温度上升1℃时,单位长度的伸长量,单位是 是指温度上升 mm/(℃.mm)或℃-1。 ℃ 或 。

αl =

L2 ? L1    αV = 3α l L1?t

式中, 为线胀系数( );L 式中,αl为线胀系数(1/K或1/℃); 1为膨胀前长度(m); 2为膨胀 或 ℃);L 为膨胀前长度( ); 后长度( ); 为温度变化量( 或 );?t为温度变化量 后长度(m); 为温度变化量(K或℃)。

熔点是指物质由固态转变为液态的温度,反映固态下原子间的结合力。 熔点是指物质由固态转变为液态的温度,反映固态下原子间的结合力。 易熔金属:熔点低( 易熔金属:熔点低(锡、铅等)如保险丝材料;难熔金属:熔点高(钨、 铅等)如保险丝材料;难熔金属:熔点高( 铬等)如白炽灯的灯丝材料。 铬等)如白炽灯的灯丝材料。 电阻与电导: 为单位长度和单位截面积导体的电阻,单位是??m, 单位是?? 电阻与电导:电阻率ρ为单位长度和单位截面积导体的电阻 单位是?? , 其倒数称为电导率。 其倒数称为电导率。 金属传导电流的能力。用电阻率来衡量金属的导电性能导电性。 金属传导电流的能力。用电阻率来衡量金属的导电性能导电性。 金属材料能够传导电流的能力称导电性,通常用电导率来衡量, 金属材料能够传导电流的能力称导电性,通常用电导率来衡量,电导率 越大,金属材料导电性越好。 越大,金属材料导电性越好。 电阻温度系数:温度上升 ℃ 电阻率ρ 的变化系数,单位℃ 电阻温度系数:温度上升1℃时,电阻率ρ 的变化系数,单位℃-1 。 导磁率:金属所具有的导磁能力。是用于表征铁合金、化合物 铁氧体 铁氧体) 导磁率:金属所具有的导磁能力。是用于表征铁合金、化合物(铁氧体 的特有性能。 的特有性能。

常用金属的物理性能
金属名称 符号 密度 熔点 热导率 线膨胀 系数 铝 铜 铁 锡 钨 Al Cu Fe Sn Wu 2.6984 8.96 7.87 7.298 19.3 660.1 1083 1538 231.91 3380 221.9 393.5 75.4 62.8 166.2 23.8 17 11.76 2.3 4.6 2.655 1.67 9.7 11.5 5.1 电阻率

3、材料的化学性能 、 材料的化学性能是指材料在常温或高温时抵抗各种化学作用的能 力。反映了材料与各种化学试剂发生化学反应的可能性和反应速度大小 的相关参数。 的相关参数。 1)耐腐蚀性—金属抵抗氧、水蒸气、酸、碱等介质侵蚀的能力。 )耐腐蚀性 金属抵抗氧 水蒸气、 金属抵抗氧、 碱等介质侵蚀的能力。 2)热安定性—金属在高温下对氧化的抵抗能力。 )热安定性 金属在高温下对氧化的抵抗能力 金属在高温下对氧化的抵抗能力。 根据不同的工况选用不同的材料。 根据不同的工况选用不同的材料。

4、材料的工艺性能 、 我们把材料的工艺性能定义为: 我们把材料的工艺性能定义为:材料的工艺性能是一种 参量, 参量,用于表征材料适应工艺而获得规定性能和外形的 能力。 能力。 为了满足材料性能的要求,就必然要控制材料的成分、 为了满足材料性能的要求,就必然要控制材料的成分、 组织和结构。 组织和结构。 人们总是企图用在实验室测定的一些物理的、 人们总是企图用在实验室测定的一些物理的、化学的或 力学的参量,来表征工艺性能。 力学的参量,来表征工艺性能。人们采用两种思路去表 征,一种是模拟,一种是抽象,即从复杂工艺现象中, 一种是模拟,一种是抽象,即从复杂工艺现象中, 抽出主要的项目在实验室测定。 抽出主要的项目在实验室测定。

材料的工艺性能是材料力学、物理、化学性能的综合表现。 主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。 1)材料可生产性:得到材料可能性和制备方法。 2)铸造性:将材料加热得到熔体,注入较复杂的型腔后冷却 凝固,获得零件的方法。 例如: 流动性:充满型腔能力 收缩率:缩孔数量的多少和分布特征 偏析倾向:材料成分的均匀性

3) 锻造性:材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤 压等)的可能性或难易程度的度量。 例如: 塑性变形能力:材料不破坏的前提下的最大变形量。 塑性变形抗力:发生塑性变形所需要的最小外力。 4) 焊接性:利用部分熔体,将两块材料连接在一起,就是 焊接。在一定焊接工艺条件下,获得优质焊接接头的难易程 度,就是焊接性能。 例如: 连接能力:焊接头部位强度与母材的差别程度。 焊接缺陷:焊接处出现气孔、裂纹可能性的大小或母材变形 程度。

5) 切削加工性:材料进行切削加工的难易程度。它与材料的种 类、成分、硬度、韧性、导热性等有关。 切削抗力 加工表面质量 排屑难易程度 切削刀具的使用寿命 6) 热处理性能:可以实施的热处理方法和材料在热处理时性能 改变的程度。 例如: 淬透性 变形度

5、力学性能 、 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素(温度、介质等)时,在 材料的力学性能是指材料处于特定环境因素 温度、介质等 时 温度 外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征。 外力或能量以及作用下表现出来的变形和破坏的特征。 金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能,称为机械性能或称为力 金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能, 学性能。 学性能。 金属材料的机械性能、物理性能、化学性能统称为金属材料的使 金属材料的机械性能、物理性能、 金属材料使用性能的好坏, 用性能 。金属材料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用 寿命。 寿命。 金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。 金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。

拉伸试验

液压式万能电子材料试验机

拉伸试样

d0 L0
长试样: 长试样:L0=10d0 短试样: 短试样:L0=5d0

力-拉 伸 曲 线
塑性变形: 塑性变形:外力去除后不能 消失的变形

F

b 塑性 变形 s 弹性 变形 e Fs 屈服

缩颈 断裂 k

O L

Fb

拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象

主要力学性能指标: 主要力学性能指标:

强度 韧性 断裂韧度

塑性 硬度 疲劳

弹性 ( elasticity )
金属材料受外力作用时产生变形, 金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到 原来形状及尺寸的性能。 原来形状及尺寸的性能。

弹性变形( 弹性变形 elastic deformation ):
随载荷撤除而消失的变形。 随载荷撤除而消失的变形。 弹性极限( 弹性极限 elastic limit ): Fe σe ( M pa ) = S0 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2) 弹性极限载荷( 弹性极限载荷 N )

抗拉强度 ( tensile strength )

定义: 试样在断裂前所能承受的最大应力。 定义 试样在断裂前所能承受的最大应力。

Fb σb ( M Pa ) = S0

试样断裂前的最大载荷(N) 试样断裂前的最大载荷 试样原始横截面积( 试样原始横截面积 mm2)

根据受力方向不同: 根据受力方向不同
抗拉强度、 抗压强度、 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强度 抗扭强度等。 抗剪强度 、抗扭强度等。

塑性 (plasticity): 指标: 指标
断后伸长率(延伸率 断后伸长率 延伸率) (specific elongation): 延伸率 指试样拉断后的标距伸长量L 与原始标距L 之比。 指试样拉断后的标距伸长量 1与原始标距 0之比。

L 1– L 0 δ = L0
δ < 2 ~ 5% 属脆性材科 δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料 δ > 10% 属塑性材料

× 100%

塑性 (plasticity): 定义: 定义
指材料在载荷作用下产生塑性变形而不 被破坏的能力。 被破坏的能力。

指标: 指标

断面收缩率(percentage reduction in area): 断面收缩率 指试样拉断处横截面积S 指试样拉断处横截面积 1的收缩量与原始横截面 之比。 积S0之比。

S0 - S 1 ψ= S0 × 100%

屈服强度( 屈服强度 yield strength) :屈服点 S 屈服点

Fs σs ( M pa )

试样屈服时的载荷( 试样屈服时的载荷 N )

=
S0 s 试样原始横截面积( mm2) 样原始横截面积 条件屈服强度: 条件屈服强度 规定残余伸长应力: 规定残余伸长应力: σ0.2 =F0.2 /S 0

F0.2

o

0.2%l0

l

硬度( 硬度( hardness )
定义:是指材料抵抗其它更硬物体压入 定义:是指材料抵抗其它更硬物体压入 其表面的能力。 其表面的能力。

常用硬度试验方法: 常用硬度试验方法: 布氏硬度测试法 布氏硬度测试法 洛氏硬度测试法 维氏硬度测试法
布氏硬度计

布 氏 硬 度 试 验 原 理
用一定直径的压头( 用一定直径的压头(球 体),以相应试验力压入待测表 ),以相应试验力压入待测表 面,保持规定时间卸载后,测量 保持规定时间卸载后, 材料表面压痕直径, 材料表面压痕直径,以此计算出 硬度值。 硬度值。

布氏硬度试验原理

压头材质表示方法: 压头材质表示方法:
淬火钢球 硬质合金钢球 HBS HBW

布氏硬度值与压头 布氏硬度值与压头
布氏硬度值<450的材料, 布氏硬度值<450的材料, 的材料 选用淬火钢球压头。 选用淬火钢球压头。 例如: 例如:200HBS 350HBS

布氏硬度值与压头 布氏硬度值与压头
布氏硬度值450 650的材料, 布氏硬度值450~650的材料, 450 650的材料 选用硬质合金球压头。 压头。 选用 压头 例如: 例如:550HBW 600HBW

布氏硬度标注
符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值, 或 之前的数字表示硬度值, 符号 之前的数字表示硬度值 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、 符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载 荷及载荷保持时间。 荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示 表示 直径为10mm的钢球在 的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷 直径为 的钢球在 ( ) 作用下保持30s测得的布氏硬度值为 作用下保持 测得的布氏硬度值为120。 测得的布氏硬度值为 。

布 氏 硬 度 特 点
测量误差小(因压痕大), ),数据稳 优点:测量误差小(因压痕大),数据稳 定,重复性强。 重复性强。 压痕面积较大,测量费时。 缺点:压痕面积较大,测量费时。 常用于测量较软材料、灰铸铁、 常用于测量较软材料、灰铸铁、有 应用: 色金属、退火正火钢材的硬度。 色金属、退火正火钢材的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。 不适于测量成品零件或薄件的硬度。

洛氏硬度 HR ( Rockwill Hardness )

洛 氏 硬 度 试 验 原 理
用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm 用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm 120 的淬火钢球,以相应试验力压入待测表面, 的淬火钢球,以相应试验力压入待测表面,保 持规定时间卸载后卸除主试验力, 持规定时间卸载后卸除主试验力,以测量的残 余压痕深度增量来计算出硬度值。 余压痕深度增量来计算出硬度值。

洛 氏 硬 度 试 验 原 理

0 h3 1 3 2

h1

0 1 3 2
h2

初载10kg 1-1 初载10kg 总载150kg 2-2 总载150kg 3-3 卸载140kg 卸载140kg 最后测得: 最后测得:

h1 h2 h3

h

残余压痕深度增量 h

HR=h/0.002 HR=C-h/0.002

h=h3h=h3-h1

洛氏硬度符号、 洛氏硬度符号、试验条件和应用举例

70~85HRA 20~70HRC 25~100HRB

洛 氏 硬 度 标



HRA、HRB、HRC分别测得的硬度,不 可直接比较大小 例如: 例如: 50HRC<70HRA 50HRB>40HRC 〤 〤

洛 氏 硬 度 特 点
优点: 测量操作简单,方便快捷, 优点: 测量操作简单,方便快捷,压
痕小;测量范围大, 痕小;测量范围大,能测较薄 工件。 工件。

缺点: 测量精度较低,可比性差,不 缺点: 测量精度较低,可比性差,
同标尺的硬度值不能比较。 同标尺的硬度值不能比较。

洛 氏 硬 度 应 用
生产中应用最广泛的硬度试验方法。 生产中应用最广泛的硬度试验方法。 可用于成品检验和薄件表面硬度检验。 可用于成品检验和薄件表面硬度检验。 成品检验和薄件表面硬度检验 不适于测量组织不均匀材料。 不适于测量组织不均匀材料。 测量组织不均匀材料

维氏硬度 HV ( Diamond Penetrator Hardness )

维 氏 硬 度 计

维 氏 硬 度 压 头
锥面夹角为136?的 锥面夹角为136?的 136? 金刚石正四棱锥体

维 氏 硬 度 试 验 原 理

? 与布氏硬度试验原理基本相同。 与布氏硬度试验原理基本相同。
? 只是压头改用了金刚石四棱锥体。 只是压头改用了金刚石四棱锥体。

维 氏 硬 度 试 验 原 理
以一定的试验力将压头 压入试样表面, 压入试样表面,保持规 定时间卸载后, 定时间卸载后,在试样 表面留下一个四方锥形 的压痕, 的压痕,测量压痕两对 角线长度, 角线长度,以此计算出 硬度值。 硬度值。

维 氏 硬 度 试 验 原 理
用压痕两对角

a

线的平均长度 来计算。 来计算。

H V=F/S

维 氏 硬 度 标 注
与布氏硬度基本相同, 与布氏硬度基本相同,在后面要标注试验条 试验力和保持时间( 不标)。 件—试验力和保持时间(10~15S不标)。 试验力和保持时间 不标 表示用30kgf (294.2N)试 实例:580HV30表示用 表示用 试 验力保持10~15S测定的维氏硬度值为 。 测定的维氏硬度值为580。 验力保持 测定的维氏硬度值为

维 氏 硬 度 特 点 优点: 适用范围广,从极软到极硬材料都可测量; 优点: 适用范围广,从极软到极硬材料都可测量;测量
精度高,可比性强;能测较薄工件。 精度高,可比性强;能测较薄工件。

缺点: 测量操作较麻烦,测量效率低。 缺点: 测量操作较麻烦,测量效率低。 应用: 应用:
广泛用于科研单位和高校, 广泛用于科研单位和高校,用于薄件表面硬度检 验。 不适于大批生产和测量组织不均匀材料。 不适于大批生产和测量组织不均匀材料。

疲 劳( Fatigue )
疲劳现象:零件在循环应力的作用, 疲劳现象:零件在循环应力的作用, 即使工作时承受的应力低于材料的屈服点 或规定残余伸长应力, 或规定残余伸长应力,在经受一定的应力 循环后也会发生突然断裂, 循环后也会发生突然断裂,这种现象称为 疲劳。 疲劳。

疲劳极限σ 疲劳极限 -1:表示金属材料在无数次交变载荷作用 而不破坏的最大应力。 而不破坏的最大应力。

疲劳曲线

疲劳极限σ 疲劳极限 -1
钢材的循环次数一般取 N = 10
7 8

有色金属的循环次数一般取 N = 10 提高疲劳极限途径 改善零件的结构形状 降低表面粗糙度值 采取表面强化

韧性 (Toughness ):
定义: 定义:材料在冲击载荷作用下抵抗破坏 的能力。 的能力。

金属的夏比冲击试验

冲击试验机

冲击试样和冲击试验示意图

g

试样冲断时所消耗的冲击功A 试样冲断时所消耗的冲击功 k为: A k = m g H – m g h (J)

冲 击 韧 度 ak
试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击吸 收功。 收功。

AK

a k= S0

(J/cm?)

断裂韧性K1 (J/m)
在实际生产中,有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等, 在实际生产中,有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等,常在其工作应 力远低于σ 的情况下,突然发生低应力脆断。通过大量研究认为, 力远低于 S的情况下,突然发生低应力脆断。通过大量研究认为,这种破坏与制 件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。 件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。 实际使用的材料,不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷,如气孔、夹杂物、 实际使用的材料,不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷,如气孔、夹杂物、 机械缺陷等,它们破坏了材料的连续性,实际上成为材料内部的微裂纹。在服役过 机械缺陷等,它们破坏了材料的连续性,实际上成为材料内部的微裂纹。 程中,裂纹扩展的结果,造成零件在较低应力状态下,即低于材料的屈服强度, 程中,裂纹扩展的结果,造成零件在较低应力状态下,即低于材料的屈服强度,而 材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下,发生低应力脆断。 材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下,发生低应力脆断。 材料中存在的微裂纹,在外加应力的作用下, 材料中存在的微裂纹,在外加应力的作用下,裂纹尖端处存在有较大的应力集 中和应力场。断裂力学分析指出,这一应力场的强弱程度用应力强度因子 来描述。 应力强度因子K 中和应力场。断裂力学分析指出,这一应力场的强弱程度用应力强度因子 1来描述。 随应力的增大, 也随之增大, 增大到一定值时, 随应力的增大,K1也随之增大,当K1增大到一定值时,就可使裂纹前端某一区 域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展,发生脆断。 域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展,发生脆断。 这个K 的临界值称为临界应力强度因子或断裂韧性, 表示,单位为J/m。 这个 1的临界值称为临界应力强度因子或断裂韧性,用K1C表示,单位为 。 它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力。 它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力。 材料的断裂韧性K 与裂纹的形状、大小无关,也和外加应力无关, 材料的断裂韧性 1C与裂纹的形状、大小无关,也和外加应力无关,只决定于 材料本身的特性(成分、热处理条件、加工工艺等), ),是一个反映材料性能的常数 材料本身的特性(成分、热处理条件、加工工艺等),是一个反映材料性能的常数

断 裂 韧 度 K1C
定义: 反映材料有裂纹存在时, 定义 反映材料有裂纹存在时,抵抗脆性断裂的 能力。 能力。
K1c可通过试验来测定,它是材料本身的特性,与材料成分、热处理及 可通过试验来测定,它是材料本身的特性,与材料成分、

加工工艺等有关 为安全设计提供了一个重要的力学性能指标

当K1达到临界值K1C时,零件内裂纹将发生失稳扩展而出 现低应力脆性断裂, 零件安全可靠。 现低应力脆性断裂,而K1<K1C时,零件安全可靠。

常见工程材料的断裂韧度K1C值(MN·M-3/2) 常见工程材料的断裂韧度


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