金属材料的力学性能.docx
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金属材料的力学性能
模块1汽车材料
单元1材料的力学性能
定义：
材料在承受外力作用时所表现出来的性能称为材料的力学性能。
一、材料变形的过程
三个阶段：
弹性变形、弹塑性变形、断裂。
二、刚度
定义：
工程上，指构件或零件在受力时抵抗弹性变形的能力。
计算：
等于材料弹性模量E与零构件截面积A的乘积。
弹性模量E：
材料在弹性变形范围内，应力与应变成正比，其比值为弹性模量E=σ/ε（MPa）。
它表示的是材料抵抗弹性变形的能力，反映了材料发生弹性变形的难易程度。
二、强度、塑性、硬度——材料在静载荷下的性能指标
1．强度
定义：
在外力作用下，材料抵抗变形或断裂的能力。
物理意义：
材料在每个变形阶段的应力极限值。
（1）弹性极限σe
材料在外力作用下发生纯弹性变形的最大应力值为弹性极限σe，即A点对应的应力值，表征材料发生微量塑性变形的抗力。
（2）屈服强度σs
试样发生屈服现象时的应力值，屈服点S的应力值称为屈服强度σS，表征材料开始发生明显的塑性变形。
没有明显的屈服现象发生的材料，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，用σ0.2表示，称为条件屈服强度。
意义同σS。
（3）抗拉强度σb
材料在拉伸载荷作用下所能承受的最大应力值σb称为抗拉强度或强度极限，表征材料的断裂抗力。
强度是零件设计和选材的主要依据。
2．塑性
定义：
材料在外力作用下，产生塑性变形而不破断的能力称为塑性。
指标：
工程上常用延伸率δ和断面收缩率ψ作为材料的塑性指标。
材料的δ和ψ值越大，塑性越好。
3．硬度
定义：
指材料表面抵抗局部塑性变形的能力，是表征材料软硬程度的一种性能。
通常材料的强度越高，硬度也越高，耐磨性也越好。
硬度指标：
与试验方法有关。
生产上，常用静载压入法，常用方法有：
布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
布氏硬度HBS：
淬火钢球压头，压痕大，不能测太硬度的材料，适用于测量退火和正火钢、铸铁、有色金属等材料的硬度。
洛氏硬度HRC：
锥角为120°的金刚石圆锥体压头，适用于调质钢、淬火钢、渗碳钢等硬度的测量。
洛氏硬度HRB：
Φ1.59mm淬火钢球压头，适用于测量有色金属、铸铁、退火态和正火态钢等。
洛氏硬度与布氏硬度相比压痕小，软硬材料都可以测量，但同样不同标尺之间不可相互比较硬度值的大小。
维氏硬度HV：
锥面角为136°的金刚石四棱锥体为压头，适于测定薄件和经表面处理零件的表面层的硬度，如渗碳层、表面淬硬层、电镀层等，以及微观组织的硬度。
维氏硬度测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压痕小，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，并统一比较。
刚度：
刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。
主要力学性能是材料的弹性模量。
如精密机床主轴等零构件。
弹性指标：
在设计弹性零件时，需考虑弹性极限和弹性模量是的性能指标。
如汽车板簧和各类弹簧等。
屈服强度和塑性：
一般零件的抗断裂设计。
硬度：
在耐磨零件中必须考虑的性能指标。
如滚动轴承等。
三、冲击韧性
定义：
指在冲击载荷作用下，材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，是材料强度和塑性的综合表现。
衡量指标：
冲击韧度ak（ak＝Ak/Fk）
aK值测定方法：
一次弯曲冲击实验法，
物理意义：
试样在冲断时单位横截面积上所消耗的冲击功AK，单位为J/cm2。
aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。
应用：
（1）评价材料冶金质量和锻造及热处理的缺陷（因其对材料中的缺陷比较敏感），与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。
（2）低温冲击试验，测量材料的韧脆转变温度TK﹥T〉TK为韧性断裂，不希望材料在TK温度以下工作。
四、疲劳强度—交变载荷
交变载荷：
载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。
疲劳断裂：
零件在交变载荷下经过长时间工作而发生低应力断裂的现象成为疲劳断裂。
疲劳断裂过程：
裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。
疲劳抗力指标：
疲劳极限，又称疲劳强度，用σ－1表示。
材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力，即疲劳曲线上水平部分对应的应力值。
疲劳断裂的原因：
一般认为是，由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。
随应力循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以致于最后承受不起所加载荷而突然断裂。
提高材料疲劳抗力的措施：
通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷；提高零件表面光洁度；对表面进行强化，喷丸处理等，可以提高材料的疲劳抗力。
单元2金属的晶体结构与结晶
课题1晶体结构的基本知识
一、晶体结构的基本概念
晶体结构：
指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。
晶体结构不同，其性能往往相差很大。
晶格：
为了便于分析研究，通常把将晶体中实际存在的原子、离子或原子集团等物质质点，抽象为空间中纯粹的几何点，而完全忽略它的物质性，这些抽象的几何点称为阵点。
用假想的直线把这些阵点连接起来，得到周期性规则排列的三维空间格子称为晶格。
晶胞：
组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元，称为晶胞。
晶格可以看作是由许多大小和形状完全相同的晶胞紧密地堆垛在一起而成的。
晶格常数：
晶胞各棱边的长度用a、b、c表示，称为晶格常数或点阵常数，其大小通常以埃为计量单位。
晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。
a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。
在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。
配位数和致密度：
表示晶格中原子排列的紧密程度。
配位数：
指晶格中与任一原子处于相距最近并距离相等的原子数目；
致密度（K）：
指晶胞中原子排列的致密程度，即晶胞中原子所占的体积与晶胞体积（V）的比值，比值K越大，致密度越大。
二、金属中常见的晶体结构类型
三种典型晶体结构特征：
特征
晶格
晶胞内原子数
r与a的关系
配位数
致密度
最密排
原子面
最密排原子方向
典型金属
体心立方（bcc）
2
r=
a/4
8
0.68
110
<111>
-Fe,W,
Cr,Mo,V
面心立方（fcc）
4
r=
a/4
12
0.74
111
<110>
Al、Cu、Ag、Au、Ni、Pb、－Fe
密排六方（hcp）
6
r=a/2
12
0.74
0001
<11
0>
Ti、Zr、Mg、Zn
晶体结构与材料性能：
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。
三、金属的实际晶体结构
晶粒：
实际上，金属是由许多小晶体组成，通常把这种小晶体叫做晶粒。
晶界：
晶粒与晶粒之间的交界区称为晶界。
晶界的厚度为2～3个原子厚度，晶界上原子的排列为不同取向晶粒之间的过渡状态，因而排列较不规则。
晶体缺陷：
在实际的晶体中，由于原子的热振动，杂质原子的渗入，以及气体外界因素的影响，原子排列并非完整无缺，而是存在着各种各样的、偏离规则排列的不完整区域。
通常称这些不完整区域为晶体缺陷。
根据晶体缺陷的几何特征，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
亚晶界：
金属每一个晶粒内晶格的位向并非完全一致，这些位向相差很小，形成亚晶界，亚晶界实质上是由一系列的位错所构成的，其特性与晶界相似。
细晶强化原理：
晶格畸变，造成金属强度、硬度增高而塑性变形困难，晶粒细则晶界增多，金属的强度、硬度也较高。
课题2纯金属的结晶
一、结晶的概念
凝固：
是物质由液态变为固态的过程。
结晶：
是金属由液态凝固为固态晶体的过程。
金属的结晶：
是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。
一次结晶：
是金属从液态转变为固态晶体的过程。
铸态组织：
液态金属结晶后得到的组织。
二次结晶：
金属从固态晶体到另一种固态晶体的过程。
二、液态金属的结构
液态金属结构的特点是：
“近程有序，远程无序”。
在液态金属中，近程规则排列的原子集团处于时聚时散、此起彼伏的变化状态，为金属结晶提供了重要的结构条件。
三、纯金属的结晶过程
1．从宏观角度看结晶规律：
（1）金属的结晶是在一定的过冷度下完成的，即存在过冷现象。
（2）结晶过程是在恒温下完成的。
过冷：
实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。
过冷度：
理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差。
2．从微观的角度：
包括晶核的形成和长大两个基本过程。
液态金属冷却到凝固温度时，首先形成晶核，在继续冷却的过程中，晶核吸收周围的原子而长大成小的晶粒，与此同时，又有新的晶核不断形核和长大，直至相邻晶粒彼此接触，液态金属完全消失，结晶成金属晶体。
大多数金属为多晶体。
金属结晶的过程就是晶核不断形成和不断长大的过程。
晶核长大的实质就是晶核的固体界面向母相内不断的推进。
所需的原子由母相不断地提供，通过原子本身的迁移和扩散来完成。
（1）形核方式
自发形核：
液态金属中时聚时散的原子集团是自发形核的核心，形核均匀，但形核速度慢。
非自发形核：
依靠容器壁、金属液体中的未熔颗粒和杂质形核，形核率高，速度快。
（2）长大方式：
过冷度较小时，以平面方式长大；过冷度较大时，以树枝晶形式长大。
四、晶粒大小的控制
1．晶粒度
晶粒度是表示晶粒大小的指标。
工业上，通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。
标准晶粒度一般分为八级，一级最粗，八级最细。
晶粒度级别越高，晶粒越细。
工业中常用的细晶粒是7～8级，晶粒尺寸为0.022mm。
2.晶粒大小对力学性能的影响
一般地，金属的晶粒越细，常温下的力学性能越好。
通常是晶粒愈小材料强度、韧度、塑性愈好。
3．晶粒大小的控制
形核率（N）：
单位时间单位体积内形成晶核的数目。
长大速率（G）：
晶核在单位时间内生长的长度。
在长大速率相同的情况下，形核越多，晶粒越细。
比值N/G越大，晶粒越细小。
如下图就是成核率和长大率与力学性能之间的关系图。
铸造生产中，常用控制晶粒度的方法有：
a）控制过冷度
b）变质处理
c）附加振动、搅拌等
单元3铁碳合金
课题1合金的结构
一、基本概念
1．合金。
两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。
合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料。
2．相：
指系统中具有同一聚集状态、同一物理化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。
二、合金的相的基本结构
两大类：
固溶体和金属化合物。
1．固溶体
定义：
就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，并保持溶剂元素的晶体结构。
结构：
同溶剂的晶格结构。
分类：
置换固溶体和间隙固溶体
（1）置换固溶体：
溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。
例如：
Fe与Mn、Si、Al、Cr、Ti、Nb等形成置换固溶体。
（2）间隙固溶体：
溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。
例如：
Fe与C、N、O、H形成间隙固溶体。
（3）固溶体的晶格畸变及对其性能的影响：
在固溶体中，由于溶质原子的溶入，导致晶格畸变。
置换固溶体在溶质原子直径较大时形成正畸变（晶格常数增加），原子较小时形成负畸变（晶格常数减小）；间隙固溶体的晶格都形成正畸变。
固溶体的性能：
与基体金属相比，强度硬度增加，塑性韧性降低，电阻、矫顽力增加。
固溶强化：
通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为固溶强化。
强化材料的方法之一。
2．金属化合物
定义：
合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。
分类：
分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三大类型。
对合金性能的影响：
金属化合物具有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性，是合金中的强化相。
它的出现可提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低塑韧性。
课题2铁碳合金中的基本组织
一、机械混合物
是由两种单相固溶体或固溶体与化合物组成的一种复相物，两相各自保持独立的晶格结构，不互溶，不化合，作为一种金相组织出现在合金中。
机械混合物的性能取决于两相的相对含量及组成相的大小和形状。
二、铁碳合金的组元
铁：
熔点1538℃，塑性好，强度硬度极低，在结晶过程中存在着同素异晶转变。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体。
由于纯铁具有同素异构转变，在生产上可以通过热处理对钢和铸铁改变其组织和性能。
碳：
在Fe－Fe3C相图中，碳有两种存在形式：
一是以化合物Fe3C形式存在；二是以间隙固溶体形式存在。
三、铁碳合金中的基本相
相：
指系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面隔开的均匀组成部分。
铁碳合金系统中，铁和碳相互作用形成的相有两种：
固溶体和金属化合物。
固溶体是铁素体和奥氏体；金属化合物是渗碳体。
这也是碳在合金中的两种存在形式。
1．铁素体
碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用α或者F表示，为体心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度低。
2．奥氏体
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用γ或者A表示，为面心立方晶格结构。
塑性好，强度硬度略高于铁素体，无磁性。
3．渗碳体Fe3C：
晶体结构复杂，含碳量6.69％，熔点高，硬而脆，几乎没有塑性。
渗碳体对合金性能的影响：
（1）渗碳体的存在能提高合金的硬度、耐磨性，使合金的塑性和韧性降低。
（2）对强度的影响与渗碳体的形态和分布有关：
a、以层片状或粒状均匀分布在组织中，能提高合金的强度；
b、以连续网状、粗大的片状或作为基体出现时，急剧降低合金的强度、塑性韧性。
四、机械混合物
珠光体：
铁素体与渗碳体的两相混合物，强度、硬度及塑性适中。
莱氏体：
奥氏体与渗碳体的混合物；室温下为珠光体与渗碳体的混合物，又硬又脆。
莱氏体又分为：
1）高温莱氏体：
由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。
2）低温莱氏体：
由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld’表示。
铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体为铁碳合金中的基本组织，是铁碳合金中的组织组成物。
组织组成物：
指构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可以是两相或多相混合物。
显微组织：
指在金相显微镜下所观察到的金属及合金内部的微观形貌，包括相和晶粒的形态、大小、分布等。
如表3-1，表示纯铁晶粒尺寸与力学性能的关系。
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