金属材料的基础知识2015

工程材料设计制造教研室:丁海民金属及金属学金属学成分组织性能

引言：1、金属材料的性能使用性能：指材料在使用过程中所表现的性能，主要包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。2、金属材料力学性能

包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、冲压性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。

指材料在外力作用下表现出来的性能，主要有强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。

第一节金属材料的性能金属材料的工艺性能金属的工艺性能（一）铸造性能铸造：液态金属浇入铸型型腔凝固后得到所需形状的毛坯或零件的成形工艺

铸造性能：获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力

1、合金的流动性

2、收缩率

3、成分偏析（二）锻造性能锻造成形：固态金属在外力作用下所产生的塑性变形来获得所需毛坯或零件的工艺可锻性：材料承受锻压成形的能力（塑性、变形抗力）材料本身：晶体结构、成分、组织加工条件：温度、变形速度等(三)焊接性能可焊性：金属材料采用一定的焊接工艺、焊接材料及结构形式，获得优质焊接接头的能力影响因素：焊接方法、焊接材料、工艺参数、结构形式等。(四)切削性能金属承受切削加工的难易程度表面光洁度、表面质量等一、金属的变形和断裂金属的力学性能：材料在外力作用下表现出来的特性，如弹性、塑性、强度、硬度和韧性等。

表征和判定金属力学性能所用的指标和依据称为金属力学性能的判据。弹性强度韧性硬度刚度塑性金属力学性能金属的机械性能1、强度

金属在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力：抗拉强度、抗压强度、扭转强度、疲劳强度等。拉伸试验是测定强度和塑性的最普遍方法，该试验依据国家标准（目前通用的标准为GB/T228－2002）进行，将材料制作成标准试样或比例试样，在万能实验机上沿试样轴向缓慢地施加拉力，试样随拉力的增加而变形，直至断裂。测得材料的弹性极限、屈服极限、强度极限及塑性等主要力学性能指标。

拉伸试验：

即静拉伸力对试样轴向拉伸,测量力和相应的伸长,一般拉至断裂以测定其力学性能的试验。拉伸试验机低碳钢的应力-应变曲线随所受外力的增加，金属相继产生三种行为：弹性变形、塑性变形、断裂（1）弹性变形

即物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到原始形状和尺寸的特性。弹性的判据可通过拉伸试验来测定。弹性变形阶段有两个重要的力学性能指标：弹性极限和材料刚度。弹性和刚度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。e弹性极限弹性的指标为弹性极限e，是材料承受最大弹性变形时的应力。即金属材料不产生塑性变形时所能承受的最大应力。拉伸曲线e点对应的应力σe为弹性极限：

σe=Fe/S0

式中

σe——弹性极限（MPa）；

Fe——试样产生完全弹性变形时的最大外（N）；

S0——试样原始横截面积（mm2）。刚度即材料抵抗弹性变形的能力。

刚度的大小（指标）以弹性模量来衡量，弹性模量在拉伸曲线上表现为oe段的斜率，即：

E=σ/ε式中E——弹性模量（MPa）；

σ——应力（MPa）；

ε——应变。弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。（2）塑性变形1.屈服强度屈服点：即试样在拉伸过程中力不再增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。在拉伸曲线上s点对应的应力为屈服点。

σs=Fs/S0

式中σs——屈服点（MPa）；

Fs——试样开始产生屈服现象时的力（N）；

S0——试样原始横截面积（mm2）。即试样拉断前承受的最大标称拉应力。

如图2-1所示，拉伸曲线上b点对应的应力为抗拉强度。

σb=Fb/S0

式中σb——抗拉强度（MPa）；

Fb——试样断裂前所能承受的最大拉力（N）；

S0——试样原始横截面积（mm2）。2.抗拉强度3.塑性即断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性判据是伸长率和断面收缩率。伸长率

即试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比。

δ=(L1-L0)/L0×100%

式中δ——伸长率（%）；

L1——试样拉断后标距（mm)；

L0——试样原始标距（mm)。断面收缩率

即试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始的横截面积的百分比。

Ψ=（S0-S1）/S0×100%式中

Ψ——断面收缩率（%）；

S1——试样的原始截面积（mm2）

S0——试样拉断后缩颈处的最小横截面积（mm2）2、疲劳强度材料在低于屈服极限s的重复交变应力长期作用下发生断裂的现象。疲劳失效的测定金属材料可经无限次应力循环而不破坏的最大应力值称为材料的疲劳极限（强度）。它反映材料抗疲劳断裂的能力在一定条件下，当应力的最大值低于某一定值时，材料可能经受无限次循环仍然不会发生疲劳断裂。这个最大应力值，就叫金属材料的疲劳强度。当交变应力循环对称时，疲劳强度用符号σ-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图疲劳曲线示意图影响金属材料疲劳强度的因素材料本身的强度、塑性、组织和材质等影响材料的疲劳强度，另外，疲劳强度还与零部件的几何形状、加工光洁度和工作环境等有关。由于疲劳失效的微裂纹绝大多数是先从表面产生和发展的，因而采用表面强化的处理，可以提高疲劳强度。3、硬度

即材料抵抗局部变形的能力。

硬度是材料抵抗塑性变形、压痕的能力，是衡量金属软硬的判据，也是表征力学性能的一项综合指标。布氏硬度维氏硬度肖氏硬度莫氏硬度洛氏硬度硬度试验方法材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HB布氏硬度计1）布氏硬度

压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW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、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表

示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,

铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：

对于低碳钢:

b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：

b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁2）洛氏硬度洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。

h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计符号压头类型总载荷（kgf）适用范围HRC120°金刚石圆锥150一般淬火钢等硬度较大材料HRBΦ1.588mm钢球100退火钢和有色金属等软材料HRA120°金刚石圆锥60硬而薄的硬质合金或表面淬火钢试验规范符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕3）维氏硬度（HV）维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度是用一定的载荷将锥面夹角为136°的正四棱锥金刚石压头压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，试样表面就留下压痕，测量压痕对角线的长度，计算压痕表面积，载荷F除以压痕面积S所得值即为维氏硬度。维氏硬度用符号HV表示，计算公式如下：维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。

小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计维氏硬度试验示意图维氏硬度也可按对角线的d值从表中查出，d值为两对角线的算术平均值。维氏硬度的结果表示方法为：硬度值+HV+试验载荷／+载荷保持时间（10~15秒不标注）。例如，640HV30／20表示在试验力30kgf作用下保持载荷20秒测定的维氏硬度值为640。冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。常用冲击实验测定。冲击韧性是试样缺口处截面上单位面积所消耗的冲击功。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。4、韧性即金属在断裂前吸收变形能量的能力。

常采用夏比冲击试验来测定材料的韧性。

αＫ＝ＡＫ／Ａ＝Ｇ(h1-h2)/A

式中

αＫ——冲击韧度（J/cm2）ＡＫ——试样的冲击吸收功（J)

Ａ——缺口底部横截面积(mm2)

Ｇ——摆锤重量(Kg)h1——摆锤举起高度(m)h2——击断试样后升起高度(m)

夏比冲击试验韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板影响冲击韧性值大小的因素有材料的化学成份、冶金质量、组织状态、表面质量和内部缺陷等。另外，金属材料的冲击韧性随温度的降低而下降。5、断裂韧性材料阻止裂纹扩展的能力金属材料的物理、化学性能

金属材料的物理、化学性能包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性、热膨胀性、耐热性和耐蚀性等。机械零件的用途不同，对材料的物理、化学性能要求也不同。导热性磁性耐热性热膨胀性导电性熔点密度金属的物理、化学性能第二节金属的晶体结构

材料结构的层次

晶体:金刚石、NaCl、冰等。非晶体:蜂蜡、玻璃等。液体晶体的特性组成晶体的基本原子在三维空间上周期性排列晶体具有确定的熔点晶体性能具有各向异性原子（离子）的刚球模型原子中心位置●晶体结构结点晶胞点阵（晶格）模型晶胞:每个晶胞有六个晶格常数(a,b,c;α,β,γ）

XYZabc晶格常数a，b，ca=b=c且α=β=γ=90o简单立方晶胞具有简单立方晶胞的晶格简单立方晶格（1）体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo

等二、三种常见的金属晶体结构晶胞中原子位于正方体的八个顶角和立方体中心，由于每个顶角上的原子同时属于周围八个晶胞共有，所以体心立方晶胞中含有的原子数为2体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3体心立方晶格：最大原子密度晶面是{110}晶面最大原子密度晶向是<111>晶向XYZabc2r2raa2（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：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4（3）密排六方晶格hcpMg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.

74

晶向指数的求法

a、以晶胞的晶轴为坐标轴Ｘ，Ｙ，Ｚ，以晶胞的边长为坐标轴的

长度单位

b、使待定晶向的直线通过坐标原点或通过原点作一直线平行于待

定晶向

c、在通过原点的直线上选出距原点Ｏ最近的一个结点，确定该结

点的坐标值

d、将三个坐标值化为互质整数，再加上方括号，即为该待定晶向

的晶向指数。如果其中某一数值为负，则将负号标注在该数值

上方。

晶面指数的求法：

1、在晶格中设置坐标轴X、Y、Z，坐标原点应位于待定指数的晶面之外

2、求出待定晶面在各个坐标轴上的截距，并用晶轴的单位长度（晶胞的晶格常数）作为截距的单位，2ａ-2，3b-3，1c-1

3、取截距的倒数，然后化为最小的简单整数，加上小括号，即得晶面指数。若晶面与晶轴相截于负方向，则将负号标于该数的上方。

三、金属晶格的基本类型晶格类型体心立方晶格bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞结构晶胞常数a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃晶胞内原子数原子半径致密度0.680.740.74典型金属α-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nbγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb、Ca、SrMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Co四、晶体的各向异性晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc由于晶体中不同晶面、晶向上的原子密度不同，故晶体在不同方向上的性能也不同，呈现各向异性，这是晶体区别于非晶体的重要标志之一。

如：体心立方的铁晶体:

在<111>晶向上,E=290000MN/m2；

在<110>晶向上,

E=1350000MN/m2一.单晶体与多晶体的基本概念

1.单晶体的特征:

晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。*晶体具有各向异性例如:单晶硅、单晶锗等。

2.多晶体的特征晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。*晶体具有各向同性例如:常用的金属等。

3.晶粒组成金属晶体的小晶体，因其外型呈不规格的颗粒状故称晶粒

4.晶界晶粒之间的界面。实际晶体的结构

晶界的特性：

a.晶界处能量高，杂质多。

b.晶界易被腐蚀。

c.晶界熔点比晶内低。

d.相变首先在晶界处发生。

e.晶界阻碍位错的运动，因此晶界不易发

生塑性变形。

亚晶：每个晶粒内部，存在晶格位向有微小差异的小区域，位向差很小,最多1-2°，这些小区域称为亚晶。

1、点缺陷（零维缺陷）

晶格空位：晶格中的原子脱离晶格结点，形成空位。

间隙原子：从晶格结点上脱离的原子转移到晶格间隙。

置换原子：晶格中晶格空位，间隙原子的存在，会改变其周围

原子的平衡，造成晶格畸变。

二.晶体缺陷

2.线缺陷----位错位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。

位错包括：刃型位错螺旋型位错混合位错位错线周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，使周围的晶格发生了畸变。位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。刃型位错

刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬”表示。正刃型位错负刃型位错位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104-1012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。3.面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5-10个原子间距，位向差一般为20-40°。亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1-2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。

晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界第三节金属的结晶一、凝固与结晶的概念1.凝固物质由液态转变成固态的过程。2.结晶晶体物质由液态转变成固态的过程。物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。金属的结晶过程→形核与长大过程二、结晶的现象与规律金属液形成晶核晶核长大形成晶体

形核、长大。液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在结晶温度经一段时间后(即孕育期),