金属力学性能及其他性能.ppt

8.金属的力学性能及其他性能,81 金属的应力与应变 82 弹性性能 83 金属单晶体的塑性形变 84 金属多晶体的塑性变形 85 合金的塑性变形 86 塑性变形对合金组织和性能的影响 87 金属及合金的回复与再结晶 88 金属的断裂 89 金属的疲劳 810 金属的蠕变和持久强度 811 硬度 812 金属的磨损813 金属的物理和化学性能 814 金属的工艺性能小结,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能两方面。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能；工艺性能是指制造过程中材料适应加工的性能。,金属材料的性能,金属材料的力学性能亦称机械性能，指金属材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，其形式如图所示。,载荷的形式,(a)拉伸载荷(b)压缩载荷(c)弯曲载荷(d)剪切载荷(e)扭转载荷,金属材料的力学性能,81 金属的应力与应变,金属在外力（载荷）作用下，首先发 生弹性变形，载荷增加到一定大小，发生塑性变形，达到一定大小后，便发生断裂。金属在外力作用下的上述表现，可以反映在应力-应变曲线上。,8.1.1 拉伸的应力与应变,将一截面为圆形的低碳钢或铸铁拉伸试样在材料试验机上进行拉伸,可测得应力-应变曲线。,图中 为应力,（MPa）为应变,式中：P为所加载荷,Ao为试样原始截面积,l0为试样的原始标距长度,l为试样变形后的标距长度,l为伸长量。,圆形拉伸试样（a）拉伸前；(b)拉伸后,低碳钢和铸铁的-曲线低碳钢；(b)铸铁,1拉伸变形的几个阶段,Oe:弹性变形阶段 试样变形量与外加载荷成正比,载荷卸掉后试样恢复到原来的尺寸。es:屈服阶段 不仅有弹性变形,还发生了塑性变形。即载荷卸掉后,一部分形变恢复,一部分形变不能恢复,形变不能恢复的变形称为塑性变形。sb:强化阶段 载荷不断增加,塑性变形增大,材料变形抗力也逐渐增加。bz:缩颈阶段 当载荷达到最大值时,试样直径发生局部收缩,称为“缩颈”。此时变形所需的载荷逐渐降低。z点:试样断裂 试样在此点发生断裂。,低碳钢和铸铁的-曲线(a)低碳钢；(b)铸铁,2强度,根据变形特点，强度指标有：（1）弹性极限值 材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力,是弹性零件 的设计依据。（2）屈服极限(屈服强度)金属开始发生明显塑性变形的抗力,有些材料（如铸铁）没有明显的屈服现象,则用条件屈服极限来表示:产生0.2%残余应变时的应力值,用 表示。（3）强度极限(抗拉强度)金属受拉时所能承受的最大应力。,3塑性,断裂前金属材料产生永久变形的能力称为塑性,用延伸率和断面收缩率来表示。（1）延伸率 式中：为试样拉断后的标距(mm),为试样的原始标距(mm),为 最大伸长量。(2)断面收缩率 试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比 称为断面收缩率,用符号 表示。式中：S1为试样拉断后缩颈处最小横截面积(mm2),S0为试样的原始 横断面积(mm2),为试样缩颈处截面积的最大缩减量(mm2)。,8.1.2 压缩的应力与应变,铸铁等脆性材料试样达到最大载荷Pbc时就突然发生断裂。低碳钢等塑性材料，在比例极限负荷Ppc后，开始出现变形增长较快的一小段，表示达到了屈服负荷Psc，但并不象拉伸那样有明显的屈服阶段。此后曲线继续上升，这是因为塑性变形迅速增长，试样截面积也随之增大，增大的面积能承受更大的负荷。其上的虚线表示材料被压扁但不断裂。由压缩曲线可以得出压缩强度指标（抗压强度）和塑性指标（相对压缩率）、（相对断面扩展率），可分别采用下述公式计算：式中：Pbc为压缩断裂载荷；S0、Sk为试样的原始截 面积和破坏时的截面积；h0、hk为试样的原始 高度和破坏时的高度。,铸铁和低碳钢的压缩曲线 1-铸铁；2-低碳钢,8.1.3 弯曲的应力与应变,弯曲试验中的加荷方法（a）三点加载；（b）四点加载 弯曲力矩-挠度曲线,当试验进行到P点时，弯曲力矩M与挠度f仍保持正比关系；进行到e点时，挠度f仍为弹性变形；超过e点，则除弹性变形外同时将产生一定的塑性变形；到达b点时，弯曲力矩为最大值Mb。超过此点，弯曲力矩将逐渐下降，直至试样破断。这一关系曲线和应力-应变曲线及扭矩-扭转角关系曲线颇为相似，只是它们的坐标不相同而已。根据材料力学的弯曲公式并参考图所示各点，可以得到抗弯弹性极限及产生一定微量塑性变形的抗弯屈服强度。当试样发生较大塑性变形时，试样中应力分布趋于复杂，弯曲公式不再有效。材料的塑性可用弯曲最大挠度fmax表示。,8.1.4 剪切的应力与应变,构件在剪切时受力和变形特点,作用在构件两侧面上外力的合力大小相等、方向相反、作用线相距较近，并将各自作用的构件部分沿着与合力作用线平行的受剪面（m-m截面）发生错动。构件在剪切时，受剪面上的内力称为剪力，相应的受剪面上将有剪应力，通常假设受剪面上各点处的剪应力相等，因此，它实际上就是截面上的平均应力，剪应力用 表示。,试样受剪情况及压式剪切器（a）受剪情况；（b）压式剪切器,双剪试验是最常用的剪切试验。双剪试验时，试样在两截面-，-上同时受剪力作用（图中（a）。双剪试验时所用的剪切器有拉式及压式两种。图（b）为压式剪切器示意图。双剪试验时，剪切强度 以下式计算：,式中:P为试样被剪断时的最大负荷，N；d0为试样直径，mm。,8.1.5 扭转的应力与应变,圆柱体受扭矩作用产生扭转角 M-曲线,把一对扭矩M施加于一圆柱体，将产生一扭转角。如把M和相应的 值绘成曲线，则得如图所示的扭矩-扭转角曲线（M-曲线）。它与拉伸试验中的应力-应变曲线极为相似。这是由于在试验过程中，试样形状几乎保持不变，即使进入塑性阶段，扭矩M仍逐步增加，直至试样断裂。,扭转性能,退火低碳钢的扭转图,（1）扭转比例极限 扭转曲线开始偏离直线（ON）时的扭矩Mp与试样的断面系数W之比。对圆柱形试样，（d0为试样直径）。（2）扭转条件强度极限 亦称为抗剪强度，为试样扭断前的最大扭矩Mb与试样断面系数W的比值。（3）扭转屈服强度 其数值为残余扭转切应变为0.3%时的扭矩M0.3与试样断面系数W之比。（4）切变弹性模量G,式中：l0为试样原始标距；为试样在弹性变 形阶段的相对扭转角；M为试样在弹性 变形阶段的扭矩,82 弹性性能,在弹性变形范围内，应力和应变的关系符合虎克定律：=E 或=G式中,为正应力和切应力；,为正应变和切应变；E,G为正弹性模量和切弹性模量。上式可改写为：E=/或 G=/所以，弹性模量E、G是应力应变曲线上的斜率。金属的弹性模量E、G是表示材料对弹性变形的抗力，即表示零件或构件保持原有形状与尺寸的能力，也称为材料的刚度，材料的弹性模量E愈大，它的刚度愈大。单晶体的弹性模数E是有方向性的。多晶体表现出伪无方向性。,8.3 金属单晶体的塑性形变,单晶体塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。8.3.1 滑移 滑移是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。,1.滑移特征,1）滑移线与滑移带 左图中那些相互平行的细线，通常称为滑移带。组成滑移带的那些细线称为滑移线。滑移线及滑移带的示意图如右图所示。,纯铝试样的滑移带,滑移线和滑移带示意图,2）滑移系,金属中的滑移是沿着一定的晶面和一定的晶向进行的。这些晶面和晶向分别称为滑移面和滑移方向。,滑移面和滑移方向往往是金属晶体中 原子面密度最大的晶面（密排面）和其上 线密度最大的晶向（密排方向）。,一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。金属晶体中的滑移系愈多，滑移时可能选择的空间取向愈多，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大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好，而密排六方晶格金属由于滑移系数目少，塑性较差。三种常见晶格的滑移系,三种常见晶格的滑移系,3）滑移的临界分切应力,金属晶体受外力作用时，外力在晶体内部均可分解为垂直某一晶面的正应力与沿此晶面的切应力。滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体开始滑移。,单晶体在滑移变形时的应力分解图,式中：P为外力，F为晶体横截面积，为滑移方向与外力 轴线的夹角，为滑移面的法线与外力轴线的夹角。,当滑移开始时，上页公式中的达到临界值c。这时在宏观上金属开始屈服，P/F应当等于s，将其代入上页公式，即得 式中:c称为金属晶体的临界分切应力；称为取向因子或施密特（Schmid）因子，取 向因子大的称软取向；取向因子小的称硬取 向。,滑移的临界分切应力,4）金属晶体在滑移时的转动,随着滑移的进行，金属晶体还会产生转动，从而使金属晶体的空间取向发生变化。在拉伸时，晶体转动的结果是使其滑移方向逐渐转到与应力轴相平行的方向；而在压缩时，晶体转动是使其滑移面逐渐转到与应力轴相垂直的方向。,金属晶体在滑移时的转动（a）拉伸时；（b）压缩时,在拉伸时金属晶体发生转动的机制示意图,以拉伸为例分析金属晶体在滑移时产生转动的原因,滑移时产生转动的原因,2滑移机理,滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的刚性滑动，而是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动，即位错自左向右移动时，晶体产生滑移。,位错运动造成滑移,位错的运动实质上是原子的运动，它不是整个滑移面上全部原子一齐移动，而是通过位错中原子的逐一递进（像接力赛跑一样），将位错中心由一个平衡位置转移到另一个平衡位置而进行的。通过位错的逐步滑移比整体滑移所需的临界切应力要小得多。正是位错运动的这一特点，使金属晶体具有良好的塑性变形能力。,刃型位错的滑移过程,位错运动与滑移,8.3.2 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称为孪生。发生切变、位向改变的这一部分晶体称为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。,通常认为，孪生是一个发生在晶体内部的均匀切变过程，切变区的宽度较小，在金相显微镜下一般呈带状（有时为透镜状），称为孪晶带。,面心立方晶体是由一系列（111）面沿着111方向按照ABCABCA的规律堆垛而成的。在有切应力作用时，若晶体内局部区域的（111）晶面沿着 方向（即图中的AB方向）产生一个切动距离为 的均匀切变，即可得到如图所示的情况。,面心立方晶体中的孪生面及孪生方向,面心立方晶体中的孪生,在孪生变形中，已发生均匀切变的那部分晶体称为孪晶（或孪晶带），均匀切变区与未切变区的分界面（即二者的镜面对称面）称为孪晶界。发生均匀切变的晶面称为孪生面，在图中为（111）面；孪生面切动的方向则称为孪生方向，在图中为 晶向。在孪生变形中，对应于一定类型的晶体结构有着固定的切变面（孪生面）与切变方向（孪生方向），诸切变面切变移动的距离互不相等，也不是切变方向原子间距的整数倍，而是正比于晶面与孪晶界的距离。,面心立方晶体孪生切变过程示意图,孪生变形的特点,8.4 金属多晶体的塑性变形,8.4.1 多晶体塑性变形的特点 8.4.2 晶粒大小对变形的影响,8.4.1 多晶体塑性变形的特点,(1)首先在那些取向因子m最大，即沿此滑移系的分切应力已优先达到其临界值的晶粒中开始滑移（图中A晶粒）.(2)位错在晶界附近塞积，会使邻近的晶粒B和C中某些滑移系中的位错也开动起来而发生相应的滑移。(3)A中的位错又重新开动，并进而使位错移出这个晶体。这样变形便从一个晶粒传递到另一个晶粒。一批批晶粒如此逐传递下去，可使变形波及整个晶体。(4)多晶体中晶粒的变形要受到邻近晶粒的制约和协调作用。,多晶体的滑移示意图,1.多晶体变形的过程,由于晶界的阻碍和邻近不同位向晶粒的相互制约和协调作用，多晶体的塑性变形抗力通常比单晶体的要高，对具有密排六方结构的锌尤为显著。,单晶体与多晶体的应力应变曲线(a)锌；(b)铝,多晶体与单晶体比较,2.多晶体变形的不均匀性,各个晶粒之间的变形不均匀，每一个晶粒内部（晶界和中心）的变形也不均匀，结果产生了晶体内部的微观内应力。3.多晶体变形时晶粒的转动 多晶体变形中，各个晶粒在滑移的同时，其滑移方向都有着转向与力轴平行（或垂直）的趋势，当变形量很大（70%-80%）时，各晶粒的取向几乎趋于一致。这种由于变形而形成晶粒择优取向排列的组织，称为变形织构。,8.4.2 晶粒大小对变形的影响,晶粒越小，对塑性变形的抗力越大，屈服强度愈高，而且塑性、韧性也好，称为细晶强化。这是一种十分重要的强韧化的手段。晶粒平均直径d与屈服强度（）的关系可表示为 式中：0 和K 皆为常数，前者表示晶内对变形的抗力，约相当于单晶体 的2-3倍左右，后者表示晶界对变形影响的程度，随晶界结构而定。此公式适用于大多数金属材料,低碳钢的晶粒大小与屈服强度的关系,8.5 合金的塑性变形,随着溶质原子的加入，合金的塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度的不断增加，塑性、韧性的不断下降，即产生了“固溶强化”作用。,Cu-Ni固溶体的机械性能与成分的关系,8.5.1 固溶体塑性变形特点,（1）溶质原子的浓度越高，强化作 用越大。（2）溶质原子与基体金属(溶剂)的 原子尺寸相差越大，强化作用 越大。（3）形成间隙固溶体的合金元素一 般要比形成置换固溶体的合金 元素的强化效果大。,溶质对Cu单晶临界分切应力的影响,不同溶质原子所引起的强化规律,固溶强化的主要原因是溶质原子与位错的弹性交互作用，阻碍了位错的运动。由于溶质原子的溶入造成了点阵畸变，其应力场将与位错的应力场发生弹性交互作用，结果使溶质原子趋于聚集在位错的周围，好像形成了一个溶质原子“气团”，称为柯氏气团。柯氏气团对位错有“钉扎”作用，为使位错挣脱“气团”而运动就必须施加更大的外力，因此固溶体合金的塑性变形抗力要比纯金属大。,溶质原子聚集在位错附近的示意图,固溶强化与位错,8.5.2 多相合金的塑性变形特点,其塑性变形不仅取决于基体相的性质，而且还取决于第二相的性质、形状、大小、数量和分布等状况。后者在塑性变形中往往起着决定性的作用。合金中第二相阻碍变形的作用，根据其形状和分布不同而有很大差别。,（1）如果硬而脆的第二相呈连续的网状分布在塑性相的晶界上，合金的塑性将大大下降，而且脆性相数量愈多，网越连续，合金的塑性就越差。甚至强度也随之下降。例如，过共析纲中网状二次Fe3C及高速纲中的骨骼状 一次碳化物皆使纲的脆性增加，强度、塑性降低。（2）如果脆性的第二相呈片状或层状分布在晶内，如铁碳合金中的珠光体组织。这种分布不致使纲脆化,而且由于铁素体的变形受到阻碍，位错的移动被限制在碳化物片层之间的很短距离之内,增加了继续变形的阻力,故提高了合金的强度.珠光体越细,片层间距越小,其强度越高。（3）如果脆性的第二相呈颗粒状均匀分布在晶内，强度降低，塑性，韧性获得显著改善。,第二相阻碍变形作用的差别,若合金中的第二相以细小弥散的微粒均匀分布在基体上，则可显著提高合金的强度，称为弥散强化。如果这种微粒是通过过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出来的，则称为沉淀强化或时效强化。,弥散强化与沉淀强化,8.6 塑性变形对合金组织和性能的影响,8.6.1 塑性变形对组织结构的影响8.6.2 塑性变形对性能的影响,8.6.1 塑性变形对组织结构的影响,1.显微组织的变化 出现大量的滑移带、孪生带，晶粒形状也逐步发生了变化，甚至出现纤维组织。,低碳钢冷变形后的显微组织,左图中：(a)热扎态(b)变形52%(c)变形72%(d)变形95%当金属材料内部组织不均匀，如有枝晶偏析或夹杂物偏析时，塑性变形会使这些区域伸长，这样在热加工后或随后的热处理过程中往往会出现带状组织。,2.亚结构的细化,铸态金属中亚结构的边长约为102cm，经塑性变形后，亚结构将细化到104-106cm。出现“胞状亚结构”。,纯铁变形亚结构的薄膜透射像（a）变形9%；（b）变形20%,3.形变织构,由于各晶粒的转动，当变形量很大时，各晶粒的取向会大致趋于一致，即形成了形变织构。拉拔形成的织构，称丝织构。其特征是各个晶粒的某一晶向与拉拔方向平行或接近平行。轧制形成的织构，称板织构。其特征是各个晶粒的某一晶面平行于轧制平面，而某一晶向平行于轧制方向。,丝织构示意图,板织构示意图,4.残留内应力和点阵畸变,1）残留内应力(1)宏观内应力：由于工件各部分之间变形不均 匀性所产生的。(2)微观内应力：塑性变形时,各晶粒或亚晶粒内 或之间的变形不均匀而产生的。2）点阵畸变 金属和合金经塑性变形后，位错、空位等晶体缺陷大大增加，使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，造成点阵畸变。,8.6.2 塑性变形对性能的影响,随着塑性变形程度的增加，金属材料的强度、硬度显著升高，而塑性、韧性很快下降，即产生了加工硬化现象,1.加工硬化,加工硬化的特点 加工硬化是强化金属的一种重要方法。对一些不能用热处理方法来强化的材料，更具有重要的实用性。例如，某些不锈钢经冷轧后，可能其强度提高将近一倍。产生加工硬化的原因，与位错的运动和交互作用密切相关。随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，其间的相互作用加剧，产生了塞积群、缠结网和胞状亚结构等，阻碍了位错的进一步运动，大大增加了不能移动位错的数量。因此，显著提高了金属继续变形的流变应力。,加工硬化的特点与原因,2.其它物理、化学性能的变化,1）导磁率、导电率和电阻温度系数等下降；2）矫顽力及电阻率等增加；3）比重、导热系数等有一定的下降。,8.7 金属及合金的回复与再结晶,形变后的金属和合金，在组织、结构和性能都发生了复杂的变化。温度较高，原子具有相当的扩散能力时，形变后的金属和合金就会自发地向着自由能降低的方向转变。进行这种转变的过程称为回复与再结晶。前者指在较低温度下、或在较早阶段所发生的转变过程；后者则指在较高温度下、或较晚阶段发生的转变过程。,8.7.1 形变金属或合金加热过程中的一般变化,形变金属在加热过程中会出现回复、再结晶以及晶粒长大的过程。显微组织的基本变化 在0t1阶段，显微组织几乎看不出任何变化，晶粒仍保持伸长状或扁片状，为回复阶段；在t1t2阶段，形变晶粒内发生了新晶粒的生核和长大，形变组织完全为新等轴晶取代，为再结晶阶段；在t2t3阶段，新晶粒逐步合并长大，达到稳定的尺寸，为晶粒长大阶段。,回复、再结晶及晶粒长大过程示意图,2.性能的变化,回复及再结晶过程中性能的变化,8.7.2 回复,1.当加热漫度较低时，首先发生点缺陷的运动和其相互结合而消失。2.当加热温度较高时，原来在变形 晶粒中杂乱分布的位错逐渐集中，相互结合和按照某种规律排列起来。这样在变形晶粒中形成许多较完整的小晶块，称为回复亚晶，这一过程称为多边化。,刃型位错的攀移和滑移示意图,多边化前、后刃型位错的排列情况(a)多边化前；(b)多边化后,8.7.3 再结晶,1.再结晶过程 再结晶过程是新晶粒生核和长大的过程。,再结晶过程示意图,2.再结晶温度及其影响因素,1）再结晶温度 冷变形金属开始进行再结晶的最低温度，称为再结晶温度。为了便于比较和使用方便，通常生产上使用的再结晶温度是指经过大的冷变形（变形度70%）的金属在1小时内能够完成再结晶（或已再结晶的体积分数95%）的最低温度。,2）影响再结晶的主要因素,(1)温度：加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结晶所需要的时间也越短。,经98%冷轧的纯铜（99.999%Cu）在不同温度下的等温再结晶曲线,(2)变形程度：冷变形度越大，T再越低；变形度大到一定程度，T再趋于一稳定值，即最低T再；变形度小到一定程度，T再趋向熔点，不发生再结晶。能够发生再结晶的最小变形度，称为临界变形度。在临界变形度下，T再值最高。纯金属，最低T再（K）与其熔点T熔（K）之间存在下列经验关系：T再(0.35 0.40)T熔,铁和铝的开始再结晶温度与冷变形程度的关系,(3)原始晶粒尺寸：金属的晶粒越细小，再结 晶温度较低。(4)微量溶质原子：微量溶质元素能显著提高 T再，金属越纯其T再越低。,3.再结晶晶粒大小的控制,再结晶晶粒的平均直径可用下式来表达 式中:K为比例常数。细化再结晶晶粒，必须减小G/N的比值。影响N和G的有以下几个主要因素：（1）变形程度（2）原始晶粒的尺寸（3）微量溶质原子和杂质（4）变形温度,（1）变形程度,当变形度很小时不发生再结晶，故晶粒度不改变；发生再结晶的最小变形度，通常在2%-8%范围内，即所谓“临界变形度”，此时再结晶晶粒特别粗大；当变形度大于临界变形度，则晶粒逐渐细化，变形度愈大、晶粒愈细小。,金属冷变形度对再结晶后晶粒大小的影响,（2）原始晶粒的尺寸,当变形度一定时，原始晶粒越细再结晶后的晶粒也愈细。,黄铜的再结晶晶粒大小与变形度及原始晶粒大小的关系,（3）微量溶质原子和杂质微量溶质原子和杂质，一般都能起细化晶粒的作用。（4）变形温度 变形温度愈高，回复的程度便愈大，使晶粒粗化。,8.7.4 再结晶后的晶粒长大,晶粒长大是一个自发过程，其结果是使晶界减少，总的界面自由能降低，组织变得更为稳定。再结晶后晶粒长大过程有两种类型：一种是随温度的升高或时间的延长而均匀地连续长大，称为正常长大；另一种是不连续、不均匀的（或突发式的）长大，称为反常长大，亦称二次再结晶。,1.晶粒的正常长大,晶粒长大是通过大角晶界的移动、相互合并的方式进行的。由大晶粒吞并小晶粒而使一些晶粒逐渐长大。主要影响因素有：（1）温度：温度越高晶粒长大速度越快。（2）杂质或溶质原子：杂质增加，晶界移动速度降低。（3）第二相质点：当晶界移动遇到第二相质点时，降低晶粒长大速度。,2.晶粒的反常长大(二次再结晶),在某些情况下，再结晶完成后晶粒长大出现少数较大的晶粒优先快速长大，逐步吞食其周围大量的小晶粒，最后形成非常粗大的组织。这种现象通常亦称为二次再结晶。将前节所讨论的再结晶，称为一次再结晶，以资区别。由于二次再结晶会形成非常粗大的晶粒，从而降低材料的强度、塑性和韧性，并影响冷变形后的表面光洁度。,8.7.5 再结晶退火后的组织,再结晶退火是将冷变形金属加热到规定温度保温一定时间，然后缓慢冷却至室温的一种热处理操作。其目的是不同程度地恢复或进一步改善材料的性能。,1.再结晶退火后的晶粒大小,退火后的晶粒大小主要取决于变形程度和退火温度。变形程度越大，晶粒越细；退火温度越高，则晶粒越粗。通常将晶粒大小、变形程度及退火温度之间的关系，绘制成立体图形，称“再结晶图”。,工业纯铝的再结晶图,2.退火孪晶 再结晶退火后的组织中常出现孪晶，称为退火孪晶。3.再结晶织构 具有变形织构的材料经再结晶退火后，多数情况下仍然会具有织构，这种织构，称为再结晶织构。,8.7.6 金属与合金的热加工,金属与合金的冷加工和热加工的界限，以金属与合金的再结晶温度来划分。凡在低于再结晶温度的加工皆属于冷加工（有加工硬化），而高于再结晶温度的加工皆属于热加工（无加工硬化）。热加工能消除铸态金属与合金的某些缺陷,如使气孔焊合，使枝晶、柱状晶和粗大晶粒破碎，以及改善夹杂物的分布等，从而能提高金属与合金的致密度和机械性能。其次，热加工以后钢中的夹杂物、气孔、疏松沿着加工方向延伸，形成彼此平行的宏观条纹组织，即所谓流线（热加工纤维组织），使金属与合金的机械性能有明显的方向性-纵向性能高于横向性能。,8.8 金属的断裂,材料在应力作用下分为两（或以上）部分的现象称之为为断裂。韧性断裂：经足够大的塑性变形后才发生的断裂，其断口呈暗灰色，通常是纤维状的。脆性断裂：几乎没有塑性变形就破断，其断口为闪闪发光的结晶状断口。断裂的过程是裂纹的产生和发展的过程。材料断裂时，首先形成微裂纹或者以原有的微裂纹、孔洞、杂质等为破坏源，在力的作用下，裂纹或破坏源缓慢扩张达到某一临界尺寸-临界裂纹尺寸，瞬时发生断裂。所以断裂是一个随时间渐进的过程。,8.9 金属的疲劳,金属工件承受周期应力，在比承受单一静负荷低得多的应力下失效称为疲劳失效。疲劳失效通常起源于应力集中处，或是在某个冶金夹杂或裂纹处。裂纹一旦萌生，就会在周期应力作用下穿越零件，当剩下的截面变得很小、无法再承受负荷时，就会发生断裂。影响疲劳强度的因素：（1）应力集中:缺口、键槽或截面突变处，疲劳强度大大降低。（2）表面粗糙度:表面光滑，疲劳强度高；粗糙表面会造成应力集中，使疲劳裂纹形成。（3）表面状态：钢的表面硬度提高，可提高疲劳寿命。表面形成残余压应力层也会提高疲劳寿命。（4）环境：如果金属在承受周期应力时还有一个腐蚀性环境，所造成的腐蚀会大大加速裂纹扩展速率。腐蚀和周期应力对金属的综合作用又称腐蚀疲劳。,8.10 金属的蠕变和持久强度,8.10.1 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。对于许多在高温下工作的工程设计，材料的蠕变是决定提高工作温度的限制因素。,8.10.2 持久强度,金属的持久强度是在给定温度下，恰好使材料经过规定时间发生断裂的应力值。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）。,316型不锈钢在不同温度下，应力与破断所需时间的关系,811 硬度,材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。硬度试验方法很多，硬度有多种表示方式。主要有以下两种:1.布氏硬度 2.洛氏硬度,8111 布氏硬度,一定直径的球体(钢球或硬质合金球)在一定载荷作用下压入试样表面，保持一定时间后卸除载荷，测量其压痕直径,计算硬度值。布氏硬度值用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力来表示。用符号HBS(当用钢球压头时)或HBW(当用硬质合金球时)来表示.。式中：F为荷载(N)，D为球体直径(mm)，d为压痕平均直径(mm)。,布氏硬度试验原理图,实际测量时,可查相应的压痕直径与布氏硬度对照表查得硬度值。布氏硬度主要用于各种退火状态下的钢材、铸铁、有色金属等,也用于调质处理的机械零件。,8.11.2 洛氏硬度,将金刚石压头(或钢球压头),在先后施加两个载荷(预载荷P0和总载荷P)的作用下压入金属表面。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和。卸去主载荷P1后,测量其残余压入深度e来计算洛氏硬度值。残余压入深度e越大,表示材料硬度越低,实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。如洛氏硬度表示为62HRC,表示用金刚石园锥压头,总载荷为150kgf测得的洛氏硬度值。,洛氏硬度测量原理图,常用洛氏硬度值的符号,试验条件与应用,洛氏硬度试验用于试验各种钢铁原材料、有色金属、经淬火后工件、表面热处理工件及硬质合金等。材料的硬度还可用维氏硬度试验方法和显微硬度试验方法测定。各种不同方法测得的硬度值之间可通过查表的方法进行互换。如:61HRC=82HRA=627HB=803HV30,8.12 金属的磨损,由于零件之间相对摩擦的结果，引起摩擦表面的微小颗粒被分离出来，使接触表面不断发生尺寸变化和质量损失，这种现象称为磨损。磨损过程一般分为三个阶段：跑合阶段（磨合阶段）；稳定磨损阶段；剧烈磨损阶段。按材料磨损的破坏机理来分类，可分为粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和微动磨损等。通常情况下，主要是粘着磨损和磨粒磨损。材料在一定的摩擦条件下抵抗磨损的能力即为材料的耐磨性。有人估计，世界的能源有1/3是消耗在摩擦上，摩擦的存在必然导致机件的磨损，根据统计有80%的机件是因为磨损而报废的，可见认识并掌握摩擦、磨损规律，提高材料表面的耐磨性，具有十分重要的意义。,8.13 金属的物理和化学性能,8131 金属的物理性能1.密度 2.熔点 3.导热性 4.导电性 5.热膨胀性6.磁性,1.密度,单位体积物质的质量称为该物质的密度:式中：为物质的密度(kg/m3),m为物质的质量(kg),V为物质的体积(m3)。密度小于5103kg/m3 的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于5103 kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。轻金属多用于航天航空器上。,2.熔点,金属从固态向液态转变时的温度称为熔点，纯金属都有固定的熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如钨、钼、钒等，可以用来制造耐高温零件。熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等)。,3.导热性,导热性通常用热导率来衡量。热导率的符号是,单位是。热导率越大,导热性越好。金属的导热性以银为最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑金属材料的导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。,4.导电性,传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量，电阻的单位是。电阻率越小，导电性越好，金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。,金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。一般来说，金属受热时膨胀体积增大，冷却时收缩体积缩小。热膨胀性用线胀系数 和体胀系数 来表示。式中：l为线胀系数(1/K或1/)l1 膨胀前长度(m)l2 膨胀后长度(m)t 温度变化量(K或),5.热膨胀性,一些金属的物理性能及机械性能,8132 金属的化学性能,1.耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好；铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。2.抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等合金元素,可提高钢的抗氧性。金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称化学稳定性。在高温下的化学稳定性称为热稳定性。,814 金属的工艺性能,冶炼,铸造,铸锭,冷冲,热锻冷轧,板、棒、型材、管材,焊接,机加工,机加工,冷轧热拔,锻件,铸件,零件,在铸造、锻压、焊接、机加工等加工过程中，一般还要进行不同类型的热处理。工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能,它直接影响零件加工后的质量，是选材和制订零件加工工艺路线时应当考虑的因素之一。,8141 铸造性能,金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。1.流动性 熔融金属的流动能力称为流动性。流动性好的金属容易充满铸型，从而获得外形完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2.收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。3.偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。,几种金属材料的铸造性能比较,8142 锻造性能,金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。碳钢在加热状态下锻造性能较好，其中低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢差。,8143 焊接性能,金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。钢的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳含量低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能,碳含量大于0.45%的碳钢和碳含量大于0.35%的合金钢的焊接性能较差。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。,8144 切削切工性能,切削加工性能用切削后的表面质量(以表面粗糙度高低衡量)和刀具寿命来表示。影响切削加工性的因素主要是材料的化学成分、组织、硬度、韧性、导热性和形变硬化等。金属材料具有适当的硬度(170HBS230HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(如加入少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行退火，高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。,几种金属材料的切削加工性能的比较,8145 热处理工艺性能,钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性,即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好,碳钢的淬透性较差。,小结（1）,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，它包括力学性能、物理和化学性能；工艺性能是指制造过程中材料适应加工的性能。金属材料的力学性能亦称为机械性能，是指金属材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。金属在外力（载荷）作用下，首先发生弹性变形，载荷增加到一定大小，会发生塑性变形。继续增加载荷，便发生断裂。金属在外力作用下的上述表现，可以反映在应力-应变曲线上。根据变形特点，金属的强度指标有：弹性极限值、屈服极限(屈服强度)（或）、强度极限(抗拉强度)。金属的塑性用延伸率和断面收缩率来表示。,小结（2）,材料在轴向压力作用下，会产生沿作用力方向的缩短变形，可测得压力和变形的曲线-压缩曲线或应力应变曲线。由压缩曲线可以得出压缩强度指标（抗压强度）和塑性指标（相对压缩率）和（相对断面扩展率）。在弯曲负荷作用下金属试样的变形情况，可用弯曲力矩-挠度曲线所示。构件受到一力偶作用时（大小相等，转向相反），会发生扭转变形。通过扭矩-扭转角曲线（M-曲线），可得到扭转比例极限、扭转条件强度极限、扭转屈服强度 和切变弹性模量G。金属在弹性变形范围内，应力和应变的关系符合虎克定律。,小结（3）,单晶体塑性变形的基本方式是滑移和孪生。滑移是晶体在切应力作用下，晶体的一部分沿滑移面上的滑移方向相对于另一部分发生滑动。滑移特征是出现滑移线与滑移带。滑移面和滑移方向往往是金属晶体中的密排面和其上的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。滑移系愈多，塑性越好。当金属晶体受外力作用时，滑移面上沿着滑移方向的分切应力达到某一临界值时，晶体开始滑移。随着滑移的进行，金属晶体还会产生转动，从而使金属晶体的空间取向发生变化。滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。孪生是在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿孪生面和孪生方向发生切变的变形过程。切变后已变形区的晶体取向与未变形区的晶体取向互成镜面对称关系。,小结（4）,多晶体在受到外力作用时，各晶粒并非同时开始变形，而是首先在那些取向因子m最大的晶粒中开始滑移，然后从一个晶粒传递到另一个晶粒。一批批晶粒如此逐一传递下去，即可使变形波及整个晶体。多晶体的塑性变形抗力通常比单晶体的要高。多晶体变形的其他特点是：变形不均匀、可出现变形织构、细晶强化。固溶体变形的特点是：随着溶质原子的加入，合金的塑性变形抗力大大提高，表现为强度、硬度的不断增加，塑性、韧性的不断下降，即产生了“固溶强化”作用。当合金由多相混合物构成时，其塑性变形不仅取决于基体相的性质，而且还取决于第二相的性质、形状、大小、数量和分布等状况。后者在塑性变形中往往起着决定性的作用。,小结（5）,塑性变形对组织结构的影响是：晶粒形状发生变化、亚结构细化、造成形变织构、残留内应力和点阵畸变。塑性变形对性能的影响是出现加工硬化现象对形变金属和合金进行加热，会出现回复、再结晶以及晶粒长大三个过程。形变晶粒逐渐被新的晶粒所取代。材料性能也发生了相应的变化。金属与合金的冷加工和热加工的界限，以金属与合金的再结晶温度来划分。凡在低于再结晶温度的加工皆属于冷加工（有加工硬化），而高于再结晶温度的加工皆属于热加工（无加工硬化）。热加工能消除铸态金属与合金的某些缺陷,如使气孔焊合，使枝晶、柱状晶和粗大晶粒破碎，以及改善夹杂物的分布等，从而能提高金属与合金的致密度和机械性能。,小结（6）,经足够大的塑性变形后才发生的断裂称为韧性断裂。几乎没有塑性变形就破断的现象称之为脆性断裂。另外，还有疲劳破坏、蠕变断裂和腐蚀开裂。断裂的过程是裂纹的产生和发展的过程。不同的断裂形式有不同的特点。金属的其他力学性能是：金属的疲劳、金属的蠕变和持久强度、硬度等。金属的物理性能包括：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性等。金属的化学性能包括：耐腐蚀性、抗氧化性等。金属的工艺性能包括：铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削切工性能和