金属材料的性能特点.ppt

第七节 金属材料的组织 一、组织和组织组成物的概念 组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。,在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织(简称组织)。,合金中具有确定本质、一定形成机制的特殊形态的组部分，称做组织组成物。,组织组成物可以是单相，也可以是两相混和物。,二、影响组织的因素 组织取决于化学成分和工艺过程。1.化学成分 不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的室温组织不一样。图(a)为纯铁的组织，叫铁素体。图(c)是碳质量分数为0.77%的铁碳合金的组织,叫珠光体。,(a)0.01%C(b)0.45%C(c)0.77%C(d)1.2%C,铁碳合金的室温平衡组织,2.工艺 金属材料的化学成分一定时,工艺过程是组织最重要的影响因素。纯铁经冷拔后,等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。,变形前 变形后,三、组织与性能的关系 材料的性能与组织密切相关。三种不同组织的灰口铸铁(a)组织为铁素体和片状石墨，b为150MPa(b)组织为铁素体和团絮状石墨，b为350MPa(c)组织为铁素体和球状石墨，b为420MPa 冲击韧度最高的是(c),其次为(b),最低的是(a),灰口铸铁的组织,（a）（b）（c）,纯铁 冷拔前抗拉强度为180 MPa。冷拔后（变形度为80%）抗拉强度为500 MPa。,碳质量分数为0.77%的铁碳合金 室温平衡组织中片状Fe3C相,切削加工时,刀具磨损很厉害。球化退火后,Fe3C相变为分散的颗粒状,切削时对刀具的磨损较小。,提示 金属的组织结构由材料的成分、工艺所决定。金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。不同组织结构的材料具有不同的性能。,第八节 金属材料的性能特点 金属材料的性能：工艺性能 使用性能,工艺性能 制造工艺过程中材料适应加工的性能。铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能,使用性能 材料在使用条件下表现出来的性能。力学性能、物理性能、化学性能,一、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力。,铸造,1、流动性 熔融金属的流动能力。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。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。铸造用金属材料的收缩率越小越好。,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。偏析大使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。,8.1 金属材料的工艺性能,二、锻造性能 锻造性 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力。,锻造 冷冲,金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。,三、焊接性能 焊接性 金属材料对焊接加工的适应性。获得优质焊接接头的难易程度。,电弧焊 气焊,钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18%的合金钢焊接性能较好。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。,四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。,金属材料具有适当的硬度(170 HBS230 HBS)和足够的脆性时切削性良好。改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。,切削加工,五、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。铝合金的热处理要求较严。铜合金只有几种可以用热处理强化。,8.2 金属材料的力学性能 金属材料的机械性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度,载荷的形式,一、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力。材料的强度用拉伸试验测定。,(a)原始试样（b)拉伸后试样 圆形拉伸试样,拉伸试验,拉伸曲线,1.弹性极限e 材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力。,2.屈服极限（屈服强度）s 金属开始发生明显塑性变形的抗力。条件屈服极限0.2 铸铁等材料没有明显的屈服现象,用产生0.2%残余应变时的应力值表示。,3.强度极限(抗拉强度b)金属受拉时所能承受的最大应力。,金属材料的强度与其化学成分和工艺过程,尤其是热处理工艺有密切关系。纯金属的抗拉强度较低,合金的抗拉强度较高。铜为60MPa、铜合金的达600MPa700MPa。铝为40MPa。铝合金的一般为400MPa600MPa。,退火状态的三种铁碳合金：碳质量分数0.2%,抗拉强度为350MPa 碳质量分数0.4%,抗拉强度为500MPa 碳质量分数0.6%,抗拉强度为700MPa 碳质量分数为0.4%的铁碳合金：退火：抗拉强度为500MPa。淬火和高温回火：抗拉强度700MPa800MPa。合金钢的抗拉强度可达1000MPa1800MPa。,二、塑性 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。,(a)原始试样（b)拉伸后试样,1.伸长率（）试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。,(a)原始试样（b)拉伸后试样,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。,铜、铝、铁的塑性很好。如工业纯铁的 可达50%,可达80%,可以拉成细丝,轧成薄板,进行深冲成型。铸铁塑性很差,和几乎为零,不能进行塑性变形加工。,三、硬度 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度。即材料受压时抵抗局部塑性变形的能力。,布氏硬度计的使用,2.洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)采用金刚石压头(或钢球压头)，加预载荷F0，压入深度h0。再加主载荷F1。卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h,用h与h0之差h来计算洛氏硬度值。硬度直接从硬度计表盘上读得。,洛氏硬度计,根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用表示方式有:HRA、HRB、HRC,洛氏硬度计的使用,铝合金和铜合金的硬度较低。铝合金的硬度一般低于150HB。铜合金的硬度范围大致为70HB200HB。退火态低碳钢硬度：120HB180HB 退火态中碳钢硬度：180HB250HB 退火态高碳钢硬度：250HB350HB 中碳钢淬火后硬度可达50HRC58HRC 高碳钢淬火后硬度可达60HRC65HRC,四、冲击韧度（ak）材料抵抗冲击载荷作用的能力称冲击韧性。用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功，用符号Ak表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,得到材料的冲击韧度ak。,冲击试样,冲击吸收功的测定,韧性与材料组织有密切关系。碳质量分数为0.45%的铁碳合金 正火后组织为索氏体+铁素体,ak值为500KJ/m2800KJ/m2。调质处理后组织为回火索氏体,ak值提高到800KJ/m2-1200KJ/m2。铸铁的冲击韧度很低。,五、疲劳强度 轴、齿轮、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹、或突然发生断裂。这种过程称为金属的疲劳。,交变应力越小，材料断裂时应力循环次数N越大。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度(疲劳极限)，用-1 表示。,六、断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断。工作应力低于材料的屈服强度。原因：构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。,断裂韧性：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。,裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子。用K1C表示，单位为MN/m3/2。代表材料的断裂韧性。,裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 表示。,KI,Y,：系数,：外加应力,a,：裂纹半长,低碳钢 140 MN/m3/2中碳钢 50 MN/m3/2高碳钢 19 MN/m3/2铸 铁 619 MN/m3/2钛合金 50118 MN/m3/2,几种金属材料断裂韧性（K1C）,8.3 金属材料的理化性能 一、金属的物理性能 1.密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5103 kg/m3 的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。密度大于5103 kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。,2.熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等。制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等零、部件。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 导热性用热导率衡量。热导率越大,导热性越好。银导热性最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，防止材料加热或冷却时形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。,4.导电性 传导电流的能力称导电性。用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。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)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(钨、钼、铁铬铝合金)适于做电热元件。,5.热膨胀性 材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。膨胀系数大的材料制造的零件,温度变化时,尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间根据膨胀系数来控制间隙尺寸；在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响,减少工件变形和开裂。,6.磁性 在外磁场中表现出来的特性。铁磁性材料 在外磁场中能强烈地被磁化，如铁、钴等。制造变压器、电动机、测量仪表等。,顺磁性材料 在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铬等。,抗磁性材料 能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。,居里点：当温度升高到一定数值时，铁磁性材料磁畴被破坏，变为顺磁体。转变温度称居里点。铁的居里点是770。,二、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。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；铝合金和铜合金的耐腐蚀性较好。钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。,2.抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。,提示 金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。,第1章 小结 1.三种常见金属晶体结构 体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格 2.三种晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷。3.合金中二类基本相：固溶体、金属化合物。4.金属材料的力学性能特点：强度高，韧性好，塑性变形能力强，综合机械性能好。,第1章 作业,1.名词解释 致密度 相 固溶体 固溶强化 金属化合物 组织 组织组成物 2.在立方晶胞中画出(110)、(120)、(101)、(11)晶面和2 11、20、120、221晶向。3.画出体心立方晶体和面心立方晶体的最密排面和最密排方向。,