材料科学基础-第八章

材料特性

硬度(Hardness)

-是材料抵抗外物刺入的一种能力。用硬度试验器来试验是现代试验硬度常用的方法。最常用的试验法有洛氏硬度试验洛氏硬度试验机利用钻石冲入金属的深度来测定金属的硬度,冲入深度愈大,硬度愈小。钻石冲入金属的深度,可从指针指出正确的数字,该数字称为洛氏硬度数。

脆性-表示物质受拉力或冲击时容易破裂破碎的性质,比如铸铁的脆性大,甚至跌落地上亦会破裂。脆性与硬度有密切关系,硬度高的材料通常脆性亦大。

韧性是物体受外力作用时，产生形变而不易折断的性质，柔软而结实，与“脆”相对。是抵受震动或冲击的能力。

延性-

(又称柔软性)，是物质受外力永久变形而不碎裂的性质,即可以拉成细丝而不断裂的性质。例如某些金属可抽拉成细线。

展性-（又称可锻性）,是物质接受锤锻或滚轧而变形时不致破裂的一种性质，即可以压成片状而不断裂的性质。

延性最好的是铂，展性最好的是金。

弹性-是物质受外力变形,当外力消除之后又恢复其原有形状的一种性质。

§8.1金属中的应力与应变Figure8.1金属棒在单轴拉伸外力F作用下的伸长横截面积为A0、长度为l0的圆棒受到单轴拉伸外力F作用时的情况。圆棒所承受的应力σ等于加在圆棒的外力F除以其原始横截面积A0，即σ=F/A0（8.1）当图8.1中的圆棒受到单轴拉伸外力F作用时,就会沿外力方向伸长,所产生的应变e就是试样沿外力方向的长度变化与试样原始长度的比值,即(8.2)式中，

为试样的原始长度;为试样变形后的长度。工程应用中,常常把应变转换为应变百分数或伸长百分数:

§8.2拉伸试验和应力—应变图1．弹性模量2．规定非比例伸长应力通常在应力一应变图的弹性变形范围内,应变呈线性关系,可以用虎克定律来描述,即或(8.6)式中，E为弹性模量或杨氏模量。规定非比例伸长应力是工程结构设计中使用的一个非常重要的数据,因为这是金属材料有明显塑性变形时的强度。由于在应力—应变曲线上没有一个明确的点代表弹性应变的终止和塑性应变的开始,因此就以产生一定量的塑性应变所对应的应力定义为规定非比例伸长应力,其符号为。力—伸长曲线FesbkLFsFbO屈服弹性变形缩颈断裂塑性变形拉伸试样的颈缩现象3.抗拉强度4．断后伸长率抗拉强度(σb)是应力—应变曲线上所能达到的最大应力,金属的延性愈好,试样断裂前产生的颈缩愈多,因此在应力一应变曲线最大应力以后,应力的下降也愈大。对于延性好的合金，在工程设计中不大使用抗拉强度。因为在达到抗拉强度以前已经进行了太多的塑性变形。但是抗拉强度可以说明某些缺陷的存在,如果金属中含有孔隙或夹杂物,就会使值抗拉强度低于正常值。拉伸试验时,试样能够进行的伸长量可以说明该金属材料的延性大小。金属的延性通常都是用在一定标距长度(通常为50mm)内的断后伸长率(δ)来表示。一般说来,延性愈好,断后伸长率愈高。例如,厚度为16mm的工业纯铝板在退火状态下的断后仲长率可以高达35％,而同样厚度的高强度铝合金在充分强化状态的断后伸长率只有11％。测定断后伸长率时,可将拉断的试样在断口处对紧,用卡尺测量标距的最终长度,然后根据下式计算出断后伸长率：(8.7)式中,为标距原始长度;为标距最终长度。5．断面收缩率金属材料的延性还可以用断面收缩率(4)来表示。这个数值通常是用直径为10mm的试样进行拉伸试验后得到的,在测出了试样的原始直径和拉断后在断口处的直径后，断面收缩率就可以用下式计算出：(8.8)式中,A0为原始横截面积;Af为最终横截面积。8.3

金属的塑性加工

8.3.1金属的塑性变形

概述金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工获得型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。

塑性加工:锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压塑性加工方法示意图

塑性加工时，金属产生塑性变形，对金属的组织结构和性能会产生重要的影响。问题1：塑性变形对金属的组织结构和性能有什么重要影响？问题2：塑性变形后的金属再加热时组织结构和性能有什么变化？

一、单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形基本方式有2种：

滑移孪生

1.滑移

晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动叫滑移。滑移

（2）滑移是晶体内部位错运动的结果。滑移特点

（1）滑移只能在切应力作用下才会发生。滑移临界切应力产生滑移的最小切应力。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。

（3）总变形量是滑移方向上的原子间距的整数倍。

滑移在表面形成滑移带。滑移带观察

金属三种常见晶格的滑移系1×3=34×3=126×2=12滑移系

3个

<110>

3个<111>

2个

每个滑移面上的滑移方向{0001}

1个{111}

4个{110}

6个滑移面密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格晶格滑移系：由一个滑移面与其上的一个滑移方向组成。

（4）滑移沿着晶体中密排面和其上密排方向进行。

密排面、密排方向上原子排列紧密，结合力强。密排面是滑移面，密排方向是滑移方向。

老师提示

滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面作用大。面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。

（5）滑移时晶体发生转动。

2.孪生在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变的变形过程叫孪生。发生切变后位向改变的一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布对称。

孪生所需的临界切应力比滑移的大得多。孪生只在滑移很难进行的情况下才发生。滑移系较少的密排六方晶格金属如镁、锌、镉等,容易发生孪生。体心立方晶格金属（如铁）在低温或受冲击时才发生孪生。滑移的机理：

①刚性滑移模型：②位错模型：

刚性滑移；滑移距离为原子间距的整数倍。

二、多晶体的塑性变形

工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。多晶体材料中，各个晶粒位向不同，存在许多晶界，变形要复杂得多。

多晶体的塑性变形1.晶界阻碍位错运动

晶界上原子排列不很规则,阻碍位错的运动,使变形抗力增大。金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。

2.晶粒分批逐步变形软位向晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向。硬位向晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大。老师提示

细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。滑移时，软位向晶粒先开始，硬位向晶粒后滑移。变形分散在材料各处。晶粒越细，变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹形成和发展，金属塑性提高。

晶粒细，金属的强度高，塑性好，断裂时需要消耗较大的功，因而韧性好。

三、塑性变形对金属组织和性能的影响

☆老师提示：重点内容

1.塑性变形对金属组织结构的影响

（1）晶粒发生变形

晶粒沿形变方向被拉长或压扁。变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。变形前变形后

（2）亚晶粒形成

金属经大的塑性变形时,位错密度增大,大量位错堆积在局部地区,相互缠结,形成不均匀的分布,使晶粒分化成许多位向略有不同的小晶块,产生亚晶粒。

金属经变形后的亚晶粒

（3）形变织构产生

金属塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致，这种结构叫做形变织构。形变织构示意图

●丝织构

各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向。低碳钢经大变形量冷拔后,其<100>平行于拔丝方向;

●板织构

各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向。低碳钢的板织构为{001}<110>。

2.塑性变形对金属性能的影响

（1）加工硬化

金属发生塑性变形,随变形度增大,金属的强度和硬度显著升高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化，也叫形变强化。工程应用：在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。

产生加工硬化的原因:塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,位错运动阻力增大,塑性变形抗力提高。同时晶粒破碎细化,强度提高。加工硬化

（2）产生各向异性

纤维组织和形变织构的形成,使金属的性能产生各向异性。沿纤维方向的强度和塑性高于垂直方向。各向异性有织构的板材冲制筒形零件时,由于各方向上塑性差别很大,零件的边缘出现“制耳”。因形变织构造成深冲制品的制耳示意图

在某些情况下,织构的各向异性有用。制造变压器铁芯的硅钢片,沿<100>方向最易磁化,采用这种织构可使铁损减小,变压器的效率大大提高。

（3）物理、化学性能变化

塑性变形可影响金属的物理、化学性能。

电阻增大,耐腐性降低。

残余内应力使金属的耐蚀性降低，较大时使零件变形或开裂。（4）产生残余内应力

残余内应力

外力去除后，金属内部残留下来的应力。

塑性变形时，金属内部变形不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，产生残余内应力。

喷丸强化齿轮表面通过喷丸处理，产生较大的残余压应力，提高疲劳强度。喷丸强化

8.3.2塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。

一、回复

变形后的金属在较低温度进行加热，会发生回复过程。

回复温度：

T回复=(0.25～0.3)T熔点

T熔点为金属熔点,单位为绝对温度(K)。晶粒内部位错等缺陷减少，晶粒仍保持变形后的形态，显微组织不发生明显变化。材料的强度和硬度略有降低，塑性有增高，残余应力大大降低。

工程应用：对变形金属进行去应力退火、降低残余内应力，保留加工硬化效果。

二、再结晶

1.再结晶对金属组织、性能的影响

变形后的金属在较高温度加热时，被拉长（或压扁）、破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。这个过程称为再结晶。

变形金属再结晶后，强度、硬度明显降低，塑性、韧性大大提高，加工硬化现象被消除，内应力全部消失。物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。老师提示再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。

2.再结晶温度

发生再结晶的温度是一个温度范围，并非一恒定温度。再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再)。用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经1小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度：

T再=(0.35～0.4)T熔点

式中的温度单位为绝对温度(K)。

最低再结晶温度影响因素：

（1）预先变形度

预先变形度金属再结晶前塑性变形的相对变形量。预先变形度越大,金属的晶体缺陷就越多,组织越不稳定,最低再结晶温度也就越低。当预先变形度达到一定大小后,最低再结晶温度趋于某一稳定值。

（2）金属的熔点

熔点越高,最低再结晶温度也就越高。

（3）杂质和合金元素

杂质和合金元素（高熔点元素）阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。

高纯度铝(99.999%)的最低再结晶温度为80℃；

工业纯铝(99.0%)的最低再结晶温度提高到290℃。（4）加热速度和保温时间

再结晶是一个扩散过程,需要一定时间才能完成。提高加热速度会使再结晶在较高温度下发生。保温时间越长,再结晶温度越低。

3.再结晶后晶粒的晶粒度

（1）加热温度

加热温度越高,原子扩散能力越强,则晶界越易迁移,晶粒长大也越快。加热温度对再结晶后晶粒大小的影响

（2）预先变形度

变形度的影响主要与金属变形的均匀度有关。变形越不均匀,再结晶退火后的晶粒越大。

预先变形度对再结晶后晶粒大小的影响●变形度很小时，不足以引起再结晶，晶粒不变。●变形度达到2～10%时，少数晶粒变形，变形不均匀，再结晶时生成的晶核少，得到极粗大的晶粒。

塑性变形后的金属再结晶时，晶粒发生异常长大的变形度称作临界变形度。

●变形度继续增大，晶粒变形厉害、均匀，再结晶核心越多，再结晶后的晶粒越细小。

●当变形度过大（约≥90%)时,晶粒可能再次出现异常长大,由形变织构造成。

再结晶的工程应用

再结晶退火消除塑性变形产生的加工硬化现象，恢复金属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工。如生产铁铬铝电阻丝时，在冷拔到一定的变形度后，要进行氢气保护再结晶退火，以便继续冷拔获得更细的丝材。

为了缩短处理时间，实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高。

再结晶退火温度=T再+（100℃～200℃）

三、晶粒长大

加热温度过高或保温时间过长，晶粒会长大，得到粗大晶粒，使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能显著降低。

这种不均匀的长大过程称为二次再结晶,一般情况下应当避免。

变形金属加热时组织和性能变化

8.3.3金属材料的热加工与冷加工

金属塑性变形加工方法：

热加工：热锻、热轧、热挤压、热拔冷加工：冷镦、冷轧、冷挤压、冷冲、切削热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于金属的再结晶温度以上还是以下来划分的。热加工：在再结晶温度以上的塑性变形加工。

冷加工：在再结晶温度以下的塑性变形加工。

一、金属的热加工及其对组织、性能影响

钢材的热锻和热轧，温度处于再结晶温度以上，金属塑性变形后，随即发生再结晶。塑性变形引起的加工硬化随即消除，使材料保持良好的塑性状态。老师提示

热加工提高金属的强度、塑性和韧性，使金属的机械性能全面提高。（1）热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻或消除枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等。（2）热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒。

二、金属的冷加工及其对组织、性能的影响

冷轧、冷拔、冷冲等属于冷加工。加工温度处于再结晶温度以下,金属材料发生塑性变形时不发生再结晶过程。冷加工发生塑性变形，金属晶粒变形、组织细化、缺陷增加。与冷加工前相比，金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。加工硬化具有极重要的实际意义。想一想

:加工硬化在实际工程中有什么重要的应用？

8.6、金属的断裂

1.韧（塑）性断裂

断裂前有明显的塑性变形。

(1)宏观特征

宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉伸轴大致成45角。

韧性（塑性）断裂实物(2)微观特征

韧窝是金属韧性断裂的微观主要特征，是塑性变形产生的显微空洞生成、长大、聚集、相互连结导致断裂留下的痕迹。韧性断裂断口（韧窝）

2.脆性断裂

断裂前无塑性变形。脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又称为低应力脆断。脆性断裂以零件内部存在的宏观裂纹(如肉眼可见的0.1mm～1mm)作为源开始的。中、低强度钢在10℃～15℃以下会由韧性状态转变为脆性状态（韧-脆转变）。

脆性断裂

(1)宏观特征断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切“唇口”(或很小)。脆性断裂实物(2)微观特征

脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶断口形态。脆性断裂断口(解理花样)沿晶断口(冰糖花样)解理断裂因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂。断裂速度快，一般钢中的解理速度大约是1030m/s，在低温和三向应力状态时更快；沿着特定的晶面(称为解理面)发生，这些晶面一般是属于低指数的。在不同高度的平行解理面之间产生解理台阶。裂纹扩展过程中，台阶相互汇合，形成河流花样，河流的流向与裂纹扩展方向一致。3.其它断裂失效形式

(1)疲劳断裂

在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。

疲劳断裂实物疲劳断裂显微形貌(2)

蠕变断裂

在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用时，变形量随时间而逐渐增大的过程，这种过程叫蠕变，产生的断裂叫做蠕变断裂。蠕变断裂

引起零件断裂的因素多而复杂，对材料的性能需要综合考虑。如屈服强度、塑性、断裂韧性、疲劳强度等。

防止断裂的措施：

采用材质好、强度高、韧性好的材料。

防止超载。

注意环境的影响。§8.7金属的疲劳金属零件在工作中经常要承受周期应力,这种零件会在比承受单一静负荷低得多的应力下失效,这种失效称为疲劳失效。机器零件中常见的疲劳失效例子是一些运动件,如轴、连杆、齿轮等。据信大约80％的机器失效是由疲劳失效直接造成的。测定材料疲劳寿命的试验有许多种,最常用的一种是旋转梁试验,试样在旋转时交替承受大小相等的交变拉压应力。试验所得数据可绘成SN曲线,S为产生失效的应力,N为应力循环次数。图8.25所示为高碳钢和高强度铝合金的典型SN曲线。对于碳钢,随着应力循环次数的增加,疲劳强度逐渐降低,然后曲线逐渐变平,即循环次数再增加时,疲劳强度也不降低。SN曲线的水平部分称为疲劳极限,它所对应的循环次数在和至之间。金属的疲劳强度除了与其化学成分有关外,还受其它一些因素的影响,其中最重要的一些列举如下：(2)表面粗糙度(1)应力集中(3)表面状态(4)环境Figure8.25中碳钢和铝合金的SN曲线300400100200500045钢分散带疲劳极限铝合金应力/MPa§8.8金属的蠕变和持久强度1.金属的蠕变当金属承受恒定负荷或恒定应力时,经过一段时间后,它可能进行递增的塑性变形。这种与时间有关的应变,称为蠕变。现在看一多晶体金属退火拉伸试样在其熔点一半(即0.5TM,K)时的蠕变试验,试样承受的恒定负荷足以产生较大的应变。可根据试验结果绘成蠕变曲线,即应变随时间的变化(见图8.26)。在图8.26所示的理想蠕变曲线中,试样首先有一个瞬时快速伸长ε0。接着,试样进行第一阶段蠕变,此时应变率随时间的增长而减小.经过第一阶段蠕变后,一个蠕变速率基本恒定的第二阶段蠕变开始,又称稳态蠕变。最后,蠕变速率随时间的增长而迅速增加直到断裂,这就是第三阶段蠕变。蠕变曲线的形状与外加负荷(应力)和温度密切有关。应力和温度愈高,蠕变速率也愈高。第二阶段蠕变时,蠕变曲线的斜率()就是最小蠕变速率,此时金属的蠕变抗力最大。最后,在蠕变的第三阶段,由于试样产生颈缩以及孔洞的形成,特别是其沿晶界形成时,蠕变速率加快,直到断裂。2.持久强度试验持久强度试验与蠕变试验基本相同,只是所用的负荷要大一些,同时试验要一直进行到试样破断。持久强度试验的数据可以绘制成以应力为纵坐标,破断时间为横坐标的曲线(对数标尺),如图8.29所示。一般说来,持久强度试验时,试样破断所需时间随着所加应力和温度的增加而减少。图8.29中曲线斜率的改变是由于再结晶、氧化、腐蚀或相变等因素引起的。在蠕变的第一阶段,金属由于应变产生的加工硬化能抵抗所受的外力,使得继续蠕变更加困难,因此蠕变速率逐渐减小。在较高温度(大于0.5TM)进行第二阶段蠕变时,回复过程抵消了加工硬化,使金属以稳态速率继续伸长(即进行蠕变)。第三阶段第一阶段第二阶段断裂瞬时延长ε0tε斜率=Figure8.26金属的典型蠕变曲线示意图§8.9金属的硬度硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。金属的硬度1、布氏硬度

布氏硬度布氏硬度当试验力P的单位为kgf:当试验力P的单位为N

:布氏硬度（1）对同一种材料而言，所得到的HB值要一样。（2）对不同的材料，得到的HB值要可以进行比较。要求：P/D2应为一定值。布氏硬度试验规范材料硬度范围P/D2材料硬度范围P/D2钢、镍合金、钛合金30轻金属及合金＜3535～80＞802.55，10，1510，15铸铁＜140≥1401030铜及铜合金＜3535～200＞20051030铅、锡1布氏硬度几点说明1、试验力保持时间通常为10～15s。2、布氏硬度的符号用HBW表示。500HBW

5/7503、压痕中心距试样边缘的距离≥2.5d，相邻压痕中心的距离≥3d。4、压痕直径应从相互垂直的两个方向测量，取其算术平均值。2、洛氏硬度初始试验力F0主试验力F1卸除F1后洛氏硬度金属在F0作用下的残余压痕深度hHR=k-h/0.002

金刚石圆锥体压头，k为100淬火钢球压头，k为130洛氏硬度实际测定洛氏硬度时，由于在硬度计的压头上方装有百分表，可直接测出压痕深度，并按上式换算出相应的硬度值。金属的洛氏硬度值可直接读出。洛氏硬度

为了测定软硬不同的金属材料的硬度,应选配不同的压头与试验力。洛氏硬度试验规范

标尺压头类型初试验力/kgf(N)主试验力/kgf(N)硬度值测量范围应用实例HRA金刚石圆锥体10(98)50(490)20～88高硬度的薄件、表面处理钢件、硬质合金等HRC140(1372)20～70硬度大于100HRB的淬火及回火钢、钛合金等HRBΦ1.588mm淬火钢球90(882)20～100铜合金、铝合金、退火钢材、可锻铸铁等洛氏硬度几点说明1、总试验力保持时间为4s±2s。2、洛氏硬度值写在其硬度符号之前，如：

61.5HRC、90.0HRB。3、相邻两压痕中心之间的距离至少应为压痕直径的4倍，且≥2mm；任一压痕中心距试样边缘的距离至少应为压痕直径的2.5倍，且≥1mm。§8.10陶瓷材料力学性能的特点和变形机制作为一类材料,陶瓷是比较脆的。不同陶瓷材料抗拉强度的差别很大,低的可以小于0.69MPa,高的可达7GPa(例如在仔细控制条件下制备的AL2O3陶瓷晶须)。然而,作为一类材料,只有少数陶瓷的抗拉强度超过172MPa。陶瓷材料的抗拉强度与抗压强度的差别也很大,一般情况下,后者约为前者的5-10倍。此外,许多陶瓷材料由于具有离子键和共价键而比较硬并具有低的冲击抗力。然而也有不同于以上一般规律的许多例外情况。例如增塑粘土在强离子--共价键的原子层之间为弱的二次键合力,因此是一种软而容易变形的陶瓷材料。晶态陶瓷缺乏塑性是由于其离子键和共价键造