金屬材料結構性能

1、第二部分：金屬材料殲10 (中國) 太行發(fā)動機（中國）材 料 學 科金屬材料與熱處理鋼鐵冶金有色金屬冶金冶金物理化學金屬壓力加工無機非金屬材料硅酸鹽工程高分子材料與工程粉末冶金復合材料腐蝕與防護材料科學與工程復合材料鑄造焊接金屬材料課程內容2、金屬材料的力學性能 3、金屬合金相圖1、金屬晶體結構、金屬固溶體和晶體缺陷 4、新型金屬材料 金屬材料 金屬材料是由化學元素周期表中的金屬元素組成的材料?？煞譃橛梢环N金屬元素構成的單質（純金屬）；由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素構成的合金。合金又可分為固溶體和金屬間化合物。 在103種元素中，除He,Ne,Ar等6種惰性元素和C、Si、N等1

2、6種非金屬元素外，其余81種為金屬元素。除Hg之外，單質金屬在常溫下呈現固體形態(tài)，外觀不透明，具有特殊的金屬光澤及良好的導電性和導熱性。在力學性質方面，具有較高的強度、剛度、延展性及耐沖擊性。單質金屬 合金是由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起形成的具有金屬特性的新物質。合金的性質與組成合金的各個相的性質有關，同時也與這些相在合金中的數量、形狀及分布有關。合 金合 金組元：組成材料的最基本的獨立的物質稱為“組元”，組元可以是金屬元素或非金屬元素（例如：普通碳鋼的組元是Fe與C)，也可以是穩(wěn)定的化合物。相：材料中成份、性能、結構相同并以界面互相分開的均勻的組成部分稱為“相

3、”。金屬的結構1、體心立方結構（a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數圖1 體心立方晶胞 （a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數金屬的結構2、面心立方結構（a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數圖2 面心立方晶胞 金屬的結構3、密排六方結構圖3 密排六方晶胞 （a）剛球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數金屬的實際晶體結構實際上，金屬是一個多晶體結構，這種原子排列方位基本一致，但外形不規(guī)則的小晶體，稱為晶粒。由于金屬是多晶體結構，單個晶粒的各向異性彼此相互抵消，金屬就顯示出各向同性，若對金屬進行單方向的塑性變形（如冷扎、冷拉等），使各個晶粒的晶格趨向一致，則多晶體金屬又會顯示出各向

4、異性。圖4 金屬的多晶體結構示意圖 金屬間化合物合金的分類固溶體合金的結構按其組元在結晶時彼此作用的不同，可以分為固溶體、金屬化合物、機械混合物三種類型。合金固溶體 當金屬的晶體結構保持溶劑組元的晶體結構時，這種合金稱為一次固溶體或端際固溶體，簡稱為固溶體。合金金屬間化合物 金屬元素與其它金屬元素或非金屬元素之間形成合金時，除固溶體外，還可能形成金屬間化合物。 合金金屬間化合物 A、B兩組元相互溶解后所形成的新的物質既不是A組元的結構，也不是B組元的結構，而是自身的一種獨立的結構。 例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一種典型的金屬化合物。合金中的固溶體固溶體的分類根據溶質原子在溶劑晶

5、體結構中的位置，固溶體可分為：置換固溶體（代位固溶體）間隙固溶體置換固溶體特點 置換固溶體：A組元的原子取代了B組元的原子。 當A、 B兩個組元的原子直徑相差不大時，兩個組元可以以任何比例溶解，形成無限固溶體，反之則為有限固溶體。 在置換固溶體中，溶質原子位于溶劑晶體結構的晶格格點上。置換固溶體置換固溶體置換固溶體4（a）隨機置換固溶體（b）有序置換固溶體特點間隙固溶體 間隙固溶體：A組元溶入B組元的的間隙中。只能形成有限固溶體。 例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成的鐵素體、奧氏體。 在間隙固溶體中，溶質原子位于溶劑晶體結構的晶格間隙。溶質原子在固溶體中的分布可以是隨機的，即呈統計分布；也可以

6、是部分有序或完全有序，在完全有序固溶體中，異類原子趨于相鄰，這種結構亦稱為超點陣或超結構。間隙固溶體間隙固溶體間隙固溶體隨機間隙固溶體固溶體中的溶質叢聚 固溶體的電學、熱學、磁學等物理性質也隨成分而連續(xù)變化，但一般都不是線性關系。固溶體的強度與硬度往往高于各組元，而塑性則較低。 合金中的固溶體合金中的固溶體實際應用：鉑、銠單獨做熱電偶材料使用，熔點為1450，而將鉑銠合金做其中的一根熱電偶，鉑做另一根熱電偶，熔點為1700，若兩根熱電偶都用鉑銠合金而只是鉑銠比例不同，熔點達2000以上。 金屬間化合物特點金屬間化合物可分為三類，即由負電性決定的原子價化合物（簡稱價化合物）、由電子濃度決定的電子

7、化合物（亦稱為電子相）以及由原子尺寸決定的尺寸因素化合物。除了這三類由單一元素決定的典型金屬間化合物外，還有許多金屬間化合物，其結構由兩個或多個因素決定，稱之為復雜化合物。晶體結構缺陷缺陷的含義：通常把晶體點陣結構中周期性勢 場的畸變稱為晶體的結構缺陷。理想晶體：質點嚴格按照空間點陣排列。實際晶體：存在著各種各樣的結構的不完整性。 由于缺陷的存在，才使晶體表現出各種各樣的性質，使材料加工、使用過程中的各種性能得以有效控制和改變，使材料性能的改善和復合材料的制備得以實現。因此，了解缺陷的形成及其運動規(guī)律，對材料工藝過程的控制，對材料性能的改善，對于新型材料的設計、研究與開發(fā)具有重要意義。研究缺陷

8、的意義缺陷的類型點缺陷線缺陷面缺陷熱缺陷雜質缺陷非化學計量缺陷缺陷的成因晶體結構缺陷點缺陷（零維缺陷） Point Defect缺陷尺寸處于原子大小的數量級上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy） 間隙質點（interstitial particle） 錯位原子或離子 外來原子或離子（雜質質點）（foreign particle） 雙空位等復合體點缺陷與材料的電學性質、光學性質、材料的高溫動力學過程等有關。Now What Do You See?VacancyInterstitial 空位:-結構中存在空位原子。 間隙質點:-原子間存在特殊原子。發(fā)生概率高發(fā)生概率低點缺陷

9、（零維缺陷） Point Defect點缺陷（零維缺陷） Point DefectOR替位合金（Substitutional alloy）(如： Cu in Ni)間隙合金（Interstitial alloy）(如： C in Fe)線缺陷指在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長，另外二維方向上很短。如各種位錯（dislocation），如圖所示。 線缺陷的產生及運動與材料的韌性、脆性密切相關。 線缺陷刃型位錯 晶體在大于屈服值的切應力作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移。EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位

10、錯（或棱位錯）。幾何特征：位錯線與原子滑移方向相垂直；滑移面上部位錯線周圍原子受壓應力作用，原子間距小于正常晶格間距；滑移面下部位錯線周圍原子受張應力作用，原子間距大于正常晶格間距。分類：正刃位錯， “” ；負刃位錯， “T” 。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。線缺陷刃型位錯 G H E F刃型位錯示意圖：(a)立體模型;(b)平面圖 晶體局部滑移造成的刃型位錯面缺陷螺型位錯 晶體在外加切應力作用下，沿ABCD面滑移，圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。由于位錯線周圍的一組原子面形成了一個連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺位錯。幾何特征：位錯線與原子滑移方向相平行；位錯線周圍原子的配

11、置是螺旋狀的。分類：有左、右旋之分，分別以符號“”和“”表示。其中小圓點代表與該點垂直的位錯，旋轉箭頭表示螺旋的旋轉方向。它們之間符合左手、右手螺旋定則。面缺陷螺型位錯 螺型位錯示意圖:（a）立體模型 ；（b）平面圖CBADABCD(a )(b)螺型位錯示意圖面缺陷 面缺陷又稱為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、表面、堆積層錯、鑲嵌結構等。 面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關。面缺陷晶界 晶界示意圖 亞晶界示意圖面缺陷晶界 晶界: 晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故

12、晶界處的原子排列與晶內不同，它們因同時受到相鄰兩側晶粒不同位向的綜合影響，而做無規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。 亞晶界: 實驗表明，在實際金屬的一個晶粒內部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過2)。這些小晶塊稱為亞結構。亞結構之間的界面稱為亞晶界。面缺陷晶界金屬材料的力學性能 金屬材料的力學性能又稱機械性能，是材料在力的作用下所表現出來的性能。力學性能對金屬材料的使用性能和工藝性能有著非常重要的影響。金屬材料的主要力學性能有：強度、塑性、硬度、韌性、疲勞強度等。金屬材料的力學性能測試方法和儀器 金屬材料的強度和塑性是

13、通過拉伸試驗測定出來的。實驗樣件(b)矩形截面標準試件(截面積為A）： 標距l(xiāng)0(a)圓截面標準試件：l0=10d0 ， l0=5d0標距l(xiāng)0d0壓縮試件常采用圓形截面或方形截面的短試件。試件高度與截面尺寸的比例關系為圓形截面試件：l0 /d0 =1.5 3 ；方形截面試件：l0 /b =1 3 。力一伸長曲線 低碳鋼力-伸長曲線在開始的Fe階段，載荷F與伸長量l為線性關系，并且，去除載荷，試樣將恢復到原始長度。在此階段試樣的變形稱為彈性變形。載荷超過Fe之后，試樣除發(fā)生彈性變形外還將發(fā)生塑性變形。當載荷增大到Fe之后，拉伸圖上出現了水平線段，這表示載荷雖未增加，但試樣繼續(xù)發(fā)生塑性變形而伸長，

14、這種現象稱為“屈服”，s點稱為屈服點。4、當載荷超過Fb以后，試樣上某部分開始變細，出現了縮頸”，由于其截面縮小，使繼續(xù)變形所需載荷下降。5、載荷到達Fk時，試樣在縮頸處斷裂。1強度 強度是金屬材料在力的作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。強度有多種判據，工程上以屈服點和抗拉強度最為常用。(1)屈服點 它是指拉伸試樣產生屈服現象時的應力。它可按下式計算：Fs試樣發(fā)生屈服時所承受的最大載荷，N；Ao試樣原始截面積，mm2 ?？估瓘姸龋褐附饘俨牧显诶瓟嗲八艹惺艿淖畲髴?，以b表示。它可按下式計算：Fb試樣在拉斷前所承受的最大載荷，N；Ao試樣原始截面積，mm2 。2抗拉強度3塑性塑性是指金屬材料產

15、生塑性變形而不被破壞的能力，通常以伸長率來表示：lo試樣原始標距長度，mm；L1試樣拉斷后的標距長度，mm。=L1-loloX100% 必須指出，伸長率的數值與試樣尺寸有關，因而試驗時應對所選定的試樣尺寸作出規(guī)定，以便進行比較如lo =10do時，用 10或 表示； lo =5do時，用 5表示。金屬材料的塑性也可用斷面收縮率表示：=A0-A1A0X100% Ao試樣的原始截面積，mm2 ； A1試樣拉斷后，斷口處截面積，mm2 。 和值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不僅是金屬材料進行軋制、鍛造、沖壓、焊接的必要條件，而且在使用時萬一超載，由于產生塑性變形，能夠避免突然斷裂。4、硬 度 金屬

16、材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕的能力，稱為硬度。硬度是衡量金屬軟硬的判據。硬度直接影響到材料的耐磨性及切削加工性，因為機械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都應具有足夠高的硬度，才能保證其使用性能和壽命。若所加工的金屬坯料的硬度過高時，則給切削加工帶來困難。顯然，硬度也是重要的力學性能指標，應用十分廣泛。 金屬材料的硬度是在硬度計上測定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有時還采用維氏硬度法。4.1 布氏硬度(HB)以直徑為D的淬火鋼球或硬質合金球為壓頭，在載荷F的靜壓力下，將壓頭壓人被測材料的表面(圖13a)；停留若干秒后，卸去載荷(圖13b)。然后，采用帶刻度的專用放大鏡測出

17、壓痕直徑d，并依據d的數值從專門的硬度表格中查出相應的HB值。 4.2 洛氏硬度(HR) 洛氏硬度的測試原理是以頂角為120金剛石圓錐體(或 1.588mm淬火鋼球)為壓頭，在規(guī)定的載荷下，垂直地壓人被測金屬表面，卸載后依據壓人深度九，由刻度盤上的指針直接指示出HR值(圖14)。5、疲勞強度 機械上的許多零件，如曲軸、齒輪、連桿、彈簧等是在周期性或非周期性動載荷(稱為疲勞載荷)的作用下工作的。這些承受疲勞載荷的零件發(fā)生斷裂時，其應力往往大大低于該材料的強度極限，這種斷裂稱作疲勞斷。金屬材料所承受的疲勞應力()與其斷裂前的應力循環(huán)次數(N)，具有圖15所示的疲勞曲線關系。當應力下降到某值之后，疲勞曲線成為水平線，這表