材料的组织结构与性能的关系Word文档下载推荐.docx
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1.材料在承载时发生的变化
1.1.1弹性、塑性、强度、韧性
无论是何种材料，在载荷的作用下，都要产生一些变化，我们管它叫变形。
最明显的是，一根橡皮筋受拉会变长，去除拉力后又恢复了原样；
但若是一根铁丝，我们可以很容易将其弯曲，但卸载后，弯曲形状还会保持。
能恢复的变形称之为弹性变形，不能恢复的变形称之为塑性变形。
显然，不同材料，发生弹性变形、塑性变形的难易程度不同。
载荷与绝对变形的关系可用来评价材料的变形能力，但其中含有尺寸因素的影响。
工程上，是用应力与应变间的关系来衡量材料的变形能力。
应力σ=P/A0。
式中P为载荷。
A0为试件的起始横截面积；
应变ε=△L/L0，即试件相对变形的大小。
L0为试件的长度，△L为在载荷作用下试件的伸长。
当材料发生弹性变形的时候，应力与应变呈线性关系，即σ＝Eε，这就是著名的虎克定律，E被称为杨氏模量，一般称为弹性模量，是材料弹性性能的表征。
从微观上讲，材料弹性变形是外力作用所引起的原子间距离发生可逆变化的结果。
因此，材料对弹性变形的抗力取于原子间作用力的大小，也就是说，与原子间结合键类型、原子大小、原子间距离有关。
在工程上，绝大部分结构件和机器零件，都是在弹性状态下工作，不允许发生塑性变形。
因此人们十分关注材料抵抗塑性变形的能力，表征这种能力的是一些强度指标。
图3-1是低碳钢、陶瓷、橡皮的拉伸应力-应变曲线。
从中我们可以看出，陶瓷只有弹性变形阶段且弹性变形量很小，即只有应力－应变间呈直线关系段；
橡皮的弹性变形所需载荷很小，弹性变形量很大；
低碳钢弹性变形量小，塑性变形量较大。
下面我们以合金钢的拉伸应力－应变曲线（图3-2）来进一步介绍材料的强度、塑性、韧性。
σ-ε间关系－旦偏离线性就表示材料的塑性变形开始了，如加载至图3-2的A点后卸载，应变沿AB线变化，当载荷降至零时应变不为零，这残余的应变就是塑性变形。
通常将发生0.2%残余应变时的应力作为屈服强度，记作σ0.2或σy，用以表示材料发生明显塑性变形的抗力，这是一个很重要的衡量结构材料性能的指标。
在图3-2中，还可以看到有一最大的应力值，称之为抗拉强度或叫强度极限σb。
与图3-2的应力应变曲线对应的材料的实际变形情况见图3-3，发现屈服后随应力增加材料均匀变细，当应力出现最大值，材料的变形就开始集中在某一局部区域，好象人的脖子局部变细，称之为出现了“颈缩“。
一旦颈缩出现，材料的完全断裂就为期不远了。
但从图3-2可见，颈缩后应力是减小的，为什么应力小还能将材料拉断呢？
问题出在应力的计算上。
你能想出具体的原因在哪儿吗？
答案在习题一栏中。
根据变形情况可知，σb是材料发生最大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件下所能承受的最大负荷的应力值。
这个值是设计和选材的主要依据之一，也是材料主要机械性能指标之一，尤其对于象陶瓷那样的没有塑性变形的材料。
材料的塑性是以断裂后的塑性变形大小来表示的。
拉伸条件下,可用延伸率δ和断面收缩率ψ表示,请自己分析一下该怎样求.实际实验中δ=（Lf-L0）/L0×
100%,ψ=（A0-Af）/A0×
100%,其中Lf、Af分别表示断裂时试样的伸长与横载面积。
虽然在材料承受载荷的能力上是靠强度，但塑性这个指标也很重要。
因为若是强度高、塑性低，则材料在最终断裂前无任何征兆出现，这是相当危险的。
如自行车高速转弯时，车轮可能会撞击人行道边缘，受到一个超过屈服强度的应力，若所用材料塑性好，则轮箍会弯曲，有可能还能修复，若材料塑性差，则车轮就会破碎，可以想象的出，造成的后果要严重的多。
一般来讲强度高的材料塑性低，塑性高的材料强度低。
真正好的材料应该是强度和塑性都高，也就是σ-ε曲线下所包围的面积应该大。
这个面积反映了材料发生断裂时外界做功的大小，这个量称之为韧性。
与韧性相对的是脆性，实际表现是材料在很低的应力下（常常低于屈服应力）发生突然的断裂。
特别注意脆性和塑性不互为反义词，尽管脆性材料往往塑性很差，如玻璃。
1.1.2硬度
日常生活中，人们对材料的评价往往爱用“软”、“硬”来描述，如铅就被认为软，钢就被认为硬。
实际上，“软”、“硬”与前面我们所讲的材料的强度密切相关。
在工程上，为了在不破坏工件的情况下，方便地成批检验产品的质量，在对结构材料的性能评价上，还确定了“硬度”这样一个性能指标。
本质上一般可以认为，硬度是指材料表面上不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。
根据不同的实验方法，硬度值的物理意义有所不同。
如压入法的硬度值是材料表面抵抗另一物体压入时所引起的塑性变形抗力；
刻划法硬度值表示材料表面局部破裂的能力。
在生产上使用最广泛的是静负荷压入法试验，根据压头形状、材料及加载大小的不同，硬度可有布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度，它们适用于不同的材料。
各种硬度的压头形状、材料、载荷、运用范围等见表3-1。
实践证明材料的强度越高，硬度值也越高。
材料的各硬度值之间、硬度和强度之间有近似的对应关系。
我们简单介绍一些，对大家今后检验材料也许是有用的。
非淬火钢σb=0.362HBHB>
175
σb=0.345HBHB<
碳钢σb=2.5HS
σb=51.32×
104/（100-HRC）2HRC<
10
铸钢σb=（0.3-0.4）HB
σb=8.61×
103/（100-HRC）HRC>
40
1.1.3断裂韧性
机械零件的脆性断裂和材料的脆性检测是工程技术中必须解决的一个重要问题。
在工程设计中，是用屈服强度σ0.2并考虑一定的安全系数来确定结构材料的许用应力[σ]的，即[σ]≤σ0.2/n，n>
1，n就是安全系数。
按图3-2，机械零件在[σ]下工作不仅不会发生塑性变形，更不会断裂，然而事实并非如此。
大量事例的实验分析表明，低应力脆断总是由材料中缺陷引发的裂纹扩展引起的。
这些缺陷可能是在材料制备过程中产生的，也可能是在加工过程中产生的，还可能是在使用中形成的，因而是难以避免的。
这就是说，在实际应用中，材料在承受载荷后，还可能导致已有微裂纹的扩展，当裂纹尺寸到达某个临界值时突然断裂。
这个引起破坏的临界裂纹长度和相对应的应力大小对于不同材料是不同的。
二十世纪六十年代发展的断裂力学对此给出了规律性的解释。
其中最重要的是应力强度因子的概念。
这个应力强度因子表示了裂纹在外界名义应力作用下，处于弹性平衡状态时，裂纹尖端附近应力场的强弱，也就是说，应力强度因子确定了裂纹尖端附近各点的应力大小。
对于含有裂纹的机械另件，在外力作用下裂纹扩展有三种类型：
张开型、滑移型和剪切型（图3-4），对于这三种不同类型的裂纹扩展，其应力强度因子不同，分别用KⅠ、KⅡ、KⅢ表示，其中张开型裂纹扩展是最常见、最危险的情况，我们重点介绍这种类型。
断裂力学的分析计算表明
，式中Ｙ是裂纹的形状因子，表示不同几何形状的裂纹尖端前的应力分布是不同的，σ是外界施加的名义应力，a是裂纹长度。
从KⅠ的表达式中可以看出，当名义应力确定时，随着裂纹a的增加KⅠ也增加，我们把裂纹扩展至产生突然断裂的裂纹长度叫作临界值裂纹长度ac，与这个临界裂纹长度ac对应的临界应力强度因子就叫做断裂韧性，记作KIC，它是一个材料常数，既对于某种特定的材料，在一定条件下它有确定的值。
另外，我们还可以发现，如果要使材料能承受高的名义应力，则材料内的微裂纹尺寸就必须尽可能短。
在此特别要注意应力强度因子和断裂韧性是二个完全不同的概念，一定要把他们分清楚。
现在，重要的机件，特别是航空航天所用机件设计，其强度指标除考虑屈服强度外都必须根据断裂韧性进行进一步的核准，明确所允许的临界裂纹尺寸。
1.2金属材料
1.2.1金属材料在国民经济中的作用
金属材料是人类发展和应用的最古老的材料,可以上溯至5000年的“青铜器时代”。
近半个世纪来，金属材料从原来几乎一统天下的地位部分地为其他新材料取代，但这并非是“夕阳西下”，而是正朝着高性能化、复合化、多功能化和智能化方向发展。
可以预见，至少在二十一个世纪，金属材料在现代社会材料消费中仍占主导地位。
在金属材料中，钢的用量最大，目前全球年消耗达八亿多吨。
尤其对我们国家更是如此。
国家科技部主任宋健同志说过：
中国的工程建设才刚刚拉开序幕，其高潮将发生在21世纪上半叶，根据我国国情，中国的建设起码还要半个世纪。
以我国高速建设为例，现在总长度也不过1万多公里，试想若把各省间大城市都联结起来，得需要多钢、多少水泥，还不要说大桥、港口、码头等。
我国调整公路大干线还没有开始，象“横三条、竖二条”等等还都没建，怎么说中国的钢铁工业就成了夕阳工业了呢？
如果没有钢铁工业的支持，中国下一个世纪的现代化建设将没有基础，中国的钢铁工业不是夕阳产业。
因此，在结构材料部分，首先给大家介绍金属材料。
在前面讲结合键的时候，我们曾提到过金属键的特点是无方向性，因此易变形；
而且如果有位错存在，通过位错滑移，变形更容易，所以对于金属材料来说主要要解决的问题是设法提高其强度。
研究发现，金属材料的强度对组织特别敏感，通过组织调整可以提高其强度。
1.2.2金属材料的强化方式
对于金属来说，产生不可恢复的塑性变形主要靠的是位错滑移，因此凡是能使位错运动受阻的方法都能提高其强度，通常有固溶强化、形变强化、晶界强化、第二相强化等。
另外如果完全消除材料中的位错，使其发生整体滑移，屈服强度也会提高，目前已研制出无位错的金属须，但实际应用还有困难。
在此只介绍阻碍位错运动的一些方法。
（1）固溶强化
固溶体和纯金属都是单相组织，但是它们的强度不同，固溶体高于纯金属。
图３－５表示的是碳对α-Fe屈服强度的影响，可以看到很少量的碳（几个ppm）就使屈服强度由50Mpa升到100Mpa，提高了一倍。
图3-6表示的是一些置换式合金元素对α-Fe拉伸强度的影响，纵座标为拉伸强度增加值。
可以看到若要提高50Mpa，大约需要1%（at）的Mo、Ni，而对于Cr、Co、V则就要大约10%（at），这种加入合金元素形成固溶体而使强度增加的现象叫作固溶强化。
由图3-5和图3-6所示结果的比较可知，间隙元素固溶强化的效果大于置换式固溶元素的强化效果。
简单地说，溶质元素可以使材料得到强化的微观机制在于无论是间隙式固溶原子还是置换式固溶原子都会使溶剂金属的晶格产生畸变，产生一内应力场，位错在这内应力场中运动会受到阻力。
应力场的大小一方面与溶质原子和溶剂原子的尺寸差别有关，尺寸相差越大，应力场越强；
另一方面也与它们二者弹性模量的大小有关。
可以说，置换式或间隙式溶质原子对位错的运动，起着原子尺寸障碍的作用。
（2）形变强化
从图3-2的应力－应变曲线上可以看出，材料屈服以后，随着形变量的增加，所需的应力是不断增加的，这种现象叫形变强化，也叫加工硬化。
形变强化手段实际上早就为人类所应用，如古代穴居时代的人，就已采用敲打黄铜块的方法，使其成为具有一定强度和有用形状的物品。
现在，人们更是利用这种特性来制造高强度铜丝、钢丝等。
另外，形变强化也有不利的一面。
因为经过一定变形的材料，它的屈服强度已不是原来的屈服强度，而是增高了，变形量越大，增加的越多，越接近抗伸强度的值，同时，塑性越来越差。
这样的材料使用起来就比较危险。
再有就是继续变形抗力的增加也使其进一步加工遇到困难，如设备加工能力可能不够，或者加工质量不合要求等等。
材料宏观上的塑性变形对应着微观结构发生了什么样的变化呢？
图３－７a表示的是具有等轴晶粒的纯铁，经过变形后晶粒都变成拉长的了（图3-7b）。
如果用透射电子显微镜来观察，可以看到位错密度大幅度增加（图3-8）。
一般没有变形的金属的位错密度为103-105/cm2，而经过塑性变形后，位错密度可达108-1012/cm2。
位错密度对使位错运动的临界切应力有很大影响（图3-9），位错密度越高，所需临界应力越大。
因此对于形变硬化的微观机理我们可以这样来理解：
产生金属变形主要是通过原有位错的运动，在运动过程中会有许多附加位错产生，位错之间要发生相互作用，使得任一个给定位错的运动都受到其他位错的阻碍，因此强度提高了。
另外，微观上还有一个变化就是晶粒的排列取向经变形后由随机分布变成了按某个方向的择优排列，这种晶体的择优取向称之为织构。
择优取向的结果就使得原来各向同性的多晶体变成了各向异性，这种各向异性有时在加工中是需要的。
如漂亮的汽车外壳、装饮料的易拉罐都是用冷轧板冲成的，要求用于深冲的板材在平面各方向的变形能力基本一样，而且在厚度方向的变形要小于在平面内的变形，这靠形成某种特定的织构是可以实现的。
另外，大家知道制做变压器用的硅钢片，为了产生高的磁感应强度，也要求有特定的择优取向。
经过冷变形晶粒被拉长、且得到强化的材料还可以再变回到原来的组织结构，图3-10就展示了这样一个过程。
图3-10a是经33%冷变形后的黄铜的组织照片，从中可以看到晶内有许多滑移台阶和孪晶；
图3-10b是在580℃加热3秒钟后的情况，可以看到在晶内孪晶界上，滑移台阶上，有许多细小的晶粒，随着加热时间的延长，这些小晶粒增多且变大（图3-10c）直到8秒后全部变成细小的等轴晶（图3-10d），再继续在580℃保温，15分钟后可见平均晶粒尺寸由约40μm变成了120μm，长大了三倍（图3-10e），若再把温度增加到700℃保温10分钟，平均晶粒尺寸长大到了约200μm。
这种变形的金属又形成相当完整的基本无位错的新晶粒的过程叫做再结晶。
再结晶需要在一定的温度下进行，也需要一定的时间，而且温度的改变对再结晶过程的影响比在某一恒定温度下时间的影响更显著。
冷加工变形的材料经再结晶以后强度显著降低，几乎又回到了冷加工前的状态（图3-11）。
这种特性在工程应用上非常有意义。
一方面表明使用加工硬化的材料制作的另件其工作温度是有限制的，在这个温度下不能使其发生再结晶；
另一方面也提示人们，当一种合金冷加工成形时，若变得很硬、很难加工，可以将其加热到一定温度，使其产生再结晶变软后再继续冷加工。
我们已可以体会到，对于再结晶来说，再结晶温度十分重要。
应该说这个温度是个温度范围。
为了衡量不同材料的结晶行为，人们将在1小时内可以完成再结晶的温度定义为再结晶温度。
通过大量实验数据的归纳发现这个温度与材料的熔点有一定的相关性，一般在熔点（K）1/2到1/3之间,还与冷加工变形量和材料的纯度有关.变形量越大,再结晶温度越低.对冷变形金属经加热发生再结晶这样一种处理叫做再结晶退火.在退火过程中之所以会发生结晶是因为经过强烈塑性变形的金属和合金,处于一种亚稳的高能量状态.这样的金属力求转变为更稳定的组态.加热使得金属原子更易扩散,进行重新排列,结果冷加工造成的缺陷消失,变成了变形前的稳定状态.
（3）晶界强化
晶粒的大小明显影响材料的强度,一般晶粒越细小材料的强度越高,图3-12给出了纯铁晶粒尺寸对其屈服强度和抗拉强度的影响,可以看出屈服强度及抗拉强度都与晶粒尺寸的负二分之一次方成正比,这样一个关系可写成σ0.2=σ0+Kd-1/2,被称之为Hall-Petch关系,这是一个非常有名又有用的关系,因为用这个关系,人们可以从组织参数来推算性能.近来的研究发现,当晶粒细到纳米尺度时,这个关系不成立.图3-13是晶粒尺寸与延伸率的关系,可以看出,随晶粒尺寸的减少,延伸率增加,表明随着晶粒细化,在强度提高的同时,塑性也是提高的.因此,材料的韧性大幅度提高,这是这种强化手段的最突出的优点.
晶界强化的微观机制在于:
对于多晶体来说,位错运动必须克服晶界的阻力.这是由于晶界二侧晶粒的取向不同,所以在某一个晶粒中滑移的位错不能穿越晶界进入相邻晶粒,只有在晶界处塞积了大量位错后引起应力集中,才可能激发相邻晶粒中已有位错运动，产生滑移,所以晶粒越细、晶界越多,材料的强度就越高.另外由于在塑性变形中,晶界起着协调相邻晶粒变形的作用,所以晶粒细,晶界多，塑性也有改善。
当前我国正在对传统产业实行技术改造、产品升级换代。
在钢铁工业方面正大力研制新一代钢铁材料,一个重要的研究思路就是利用晶粒细化达到既提高强度又提高塑性的目的.已有研究数据表明,通过各种不同的新工艺，平均晶粒尺寸可以达到几个μm或更小.关于这种超纯（指各种有害元素含量极低）、超细、高均匀化的新一代钢铁材料的研究也受到了日本、韩国、德国等世界经济强国的重视。
（4）第二相强化
所谓第二相强化是指在金属基体（通常是固溶体）中还存在另外的一个或几个相，这些相的存在使金属的强度得到提高。
金属中有第二相的方法很多，可以在浇铸时的熔融状态下加入异相颗粒制成复合材料，也可以通过合金化使得冷却过程中有第二相析出，等等。
由于主要是第二相和基体的性质决定材料的性能，所以在研究强化机理时可不考虑材料的加工过程。
我们主要考查第二相的本性，可以将其分成二类，一类是很硬很强的第二相颗粒，它不会由于位错线的作用而变形；
还有一类是第二相颗粒也参与变形。
这二种情况强化的效果不同，微观机制也不一样。
图3-14a是一张ＴＥＭ照片，材料是30%Zn的铜锌合金，其中有一个Al2O3的硬颗粒，可以看到当位错运动滑移到这颗粒周围时，由于这个颗粒很硬，不易变形，所以位错是经过它以后再继续运动，在它周围留下了一个位错环，这个过程的示意图见图3-14b。
与这个颗粒发生作用的位错线越多，留下的位错环越多，材料便得到了强化。
图3-15a是一张Ni基高温合金的ＴＥＭ照片，其中的第二相是一种金属间化合物Ni3Al,它的强度相对Al2O3要低,而且有一定的塑性,这时运动的位错便可以穿过这个第二相,并使这个第二相变形,但所需应力要比没有这种第二相时高,所以合金的屈服应力要为这个第二相变形所限制,关于位错切过第二相的示意图表示在图3-15b。
需要指出的是第二相对强度的影响除与其本性（第二相的成份、结构）有关外,还与第二相颗粒的尺寸、形状、数量、分布有关。
当第二相颗粒本身十分细小，彼此间距离也很小时，这种第二相的强化作用就比较大；
若第二相颗粒尺寸变大，间距也变大，第二相颗粒的强化作用就有所下降了。
材料中位错切过第二相颗粒与绕过第二相颗粒相比，第一种情况材料的屈服强度是比较低的。
概括来说，提高第二相强化的效果有三种途径：
（1）增加材料中第二相量；
（2）获得高度弥散分布的第二相；
（3）选用阻力高的硬质点。
1.2.3金属材料的热处理
热处理是一种加工手段，前面我们介绍的再结晶退火就是热处理的一种。
热处理的目的就是要改变材料的组织状态，进而改变材料的性能。
具体来说，热处理就是将材料在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保温一段时间，然后以一定的速度冷却下来的一种热加工工艺。
是不是所有的金属都能进行热处理呢？
这个问题与合金相图有关。
原则上只有在加热和冷却时发生溶解度显著变化或者类似纯铁能发生同素异构转变的材料，即有固态相变发生的合金才能进行热处理。
热处理工艺很简单，就是控制加热温度、保温时间和冷却速度三个因素，但热处理后的结果则是千变万化，这里的奥秘就在于在热处理过程中原子进行了重排。
下面我们以钢和铝合金为例来介绍热处理的一些基本规律。
（1）钢的热处理
在前面讲相图时，我们已经根据相图分析过不同成份的钢从高温冷却到室温会有什么样的组织。
那么，热处理还会改变材料的组织吗？
答案是会。
关键在于冷却速度，在用相图讨论组织形成时，是用的最慢的理想化的冷却速度，即在每个温度下，都使原子的扩散达到动态平衡。
如果冷却速度变快，得到的组织就会不同，下面我们以共析钢为例进行介绍。
根据相图，共析反应γ→（α＋Fe3C）在727℃可以发生，也叫做奥氏体分解，但实际上钢进行热处理时其组织转变并不按铁－碳相图上所示的平衡温度进行，通常都有不同程度的滞后现象。
加热或冷却速度越快，滞后现象越严重。
图3-16表示的是以0.125℃/min加热或冷却时临界点的变化，A1、A3、Acm是相图上的临界点；
Ac1、Ac3和Acm表示加热时的临界点；
Ar1、Ar3、Arcm表示冷却时的临界点，当冷却速度较快时，得到的不是稳定的平衡组织，而是不稳定的过渡亚稳定组织。
对于含0.8%碳的共析钢来说，以前我们已讲过，缓慢冷却的平衡组织是珠光体。
由于奥氏体转变，变成了结构、成份都不同的两个新相，α-Fe和Fe3C二个相。
可见，相变过程中伴随着铁原子和碳原子的扩散。
由于温度较高，铁原子和碳原子都可以进行较充分的扩散，α-Fe中的碳浓度接近于平衡浓度。
当冷却速度较快时，相变发生的温度较低，若温度低到铁原子扩散困难而碳原子还能扩散时，奥氏体仍然分解为α-Fe和Fe3C二个相，但此时α-Fe中碳浓度比平衡浓度高，而Fe3C的分散度变大，不再是条片状，这种转变产物被称之为贝氏体（图3-17）。
当冷却速度再快，如在水中冷却，则相变发生的温度更低，此时铁原子和碳原子的扩散都很困难，奥氏体不能再分解为α-Fe和Fe3C二个相，只能形成与奥氏体成份相同但结构不同的一个新相αˊ相。
αˊ相中碳浓度远远超过平衡α相的溶解度。
可以说，αˊ相是碳在α相中的过饱和固溶体，被称之为马氏体。
图3-18是马氏体的组织形态，是由细小的不同方向排列的柳针形马氏体片组成。
以上分析表明必须达到一定的临界冷却速度才能形成马氏体。
归纳上述冷却速度的影响可以看出，存在着二大类固态相变，一类是原子相变时存在原子扩散，为扩散型相变，如珠光体、贝氏体转变；
还有一类是不存在原子的扩散，但原子也发生了重排，为非扩散型相变，如马氏体相变。
马氏体转变是在一个温度范围内完成的。
一定成份的合金要过冷到特定温度以下才能发生马氏体转变。
这个温度为马氏体开始转变温度，记作Ms点。
马氏体转变速度很快。
在-20℃-195℃之间，每片马氏体的形成时间约10-5-10-7秒。
在某个温度停留，不能使马氏体量增加。
随温度进一步降低，由于有新的马氏体片形成，马氏体量会增加。
对于镍或有些有色金属，在冷却时奥氏体转变为马氏体，加热时马氏体又能无扩散地转变为奥氏体，这就是马氏体转变的可逆性。
这种现象就是形状记忆合金（又叫智能金属）具有记忆功能的基础，在“知识博览”中有较详细的介绍。
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