金属和陶瓷的力学性能材料科学基础.ppt

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1、第一节 金属和陶瓷的力学性能,一、金属中的应力与应变：,1、轴向拉伸时的应力与应变：（表达方式及单位）2、应力与应变之间的关系（在弹性范围内）,3、剪切变形时的应力与应变：（表达方式及单位）4、应力与应变之间的关系（在弹性范围内）,二、拉伸试验和应力-应变图：拉伸试验可获得的力学性能指标：1、弹性模量：2、规定非比例伸长应力：是金属材料有明显塑性变形时的强度3、抗拉强度：4、断后伸长率：5、截面收缩率：,三、塑性变形材料学基础,（一）、金属单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移孪生。金属常以滑移方式发生塑性变形。,1、滑移,任何晶面上都可分解为正应力和切应力。正应力只能引起晶格

2、的弹性变形及将晶粒拉断。只有在切应力的作用下金属晶体的晶格在发生弹性扭曲后进一步造成滑移而产生塑性变形。,滑移是晶体在切应力的作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面(滑移面)和晶向发生滑动位移的现象。,滑移变形的特点：,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因为原子密度最大的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。,滑移只能在切应力的作用下发生。产生滑移的最小切应力称临界切应力.,沿其发生滑移的晶面和晶向分别叫做滑移面和滑移方向。通常是晶体中的密排面和密排方向。,晶面间距示意图,复习：立方晶系的晶向表示方法,以图中的晶向OA为例,说明晶向指数的标定过程。设

3、定一空间坐标系,原点在欲定晶向的一结点上。写出该晶向上另一结点的空间坐标值:100将坐标值按比例化为最小整数：100 将化好的整数记在方括号内:100得到晶向OA的晶向指数为100。,同样方法可得晶向OB、OC的晶向指数分别为110、111。晶向指数的一般标记为uvw。uvw实际表示一组原子排列相同的平行晶向。晶向指数也可能出现负数。（若两组晶向的全部指数数值相同而符号相反,如110与,则它们相互平行或为同一原子列,但方向相反。）若只研究该原子列的原子排列情况,则晶向110与 可用一指数110表示。,原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向统称为晶向族,用尖括号表示,即。如:=100

4、+010+001 在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直,如(111)111。,以图中的晶面ABBA为例,晶面指数的标定过程如下：设定一空间坐标系（原点在欲定晶面外,并使晶面在 三条坐标轴上有截距或无穷大。）以晶格常数a为长度单位,写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距:1截距取倒数：100 截距的倒数化为最小整数：100将三整数写在园括号内：(100)晶面ABBA的晶面指数即为(100)。同样可得晶面ACCA和ACD的晶面指数分别为(110)、(111)。,晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。晶面的截距可以为负数

5、,在指数上加负号。如()面。若某个晶面(hkl)的指数都乘以-1,则得到()晶面,则晶面(hkl)与(),属于一组平行晶面,如晶面ACD(111)与晶面ACB(),这两个晶面一般用一个晶面指数(111)来表示。,晶面族,在立方晶系中,由于原子的排列具有高度的对称性,往往存在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面,这些晶面的总称为晶面族,用大括号表示,即hkl。在立方晶胞中(111)、()、()、()同属111晶面族。,复习:,晶面原子密度:是指其单位面积中的原子数。晶向原子密度：是指其单位长度上的原子数。不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。在体心立

6、方晶格中，原子密度最大的晶面为110,称为密排面;原子密度最大的晶向为,称为密排方向。在面心立方晶格中,密排面为111,密排方向为。,一个滑移面和其上的一个滑移方向构成一个滑移系。(以下以体心立方晶格为例),滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。因而金属的塑性，面心立方晶格好于体心立方晶格,体心立方晶格好于密排六方晶格。,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍.滑移的结果在晶体表面形成台阶，称滑移线，若干条滑移线组成一个滑移带。（在光学显微镜下无法分辨出滑移带内滑移台阶，因此，滑移带也常常称为滑移线）从滑移带的结构可知，金属即使进行了

7、大量的塑性变形，这些变形也只是集中在一小部分的滑移面，许多潜在的滑移面上并没有进行滑移，大多数原子对于其邻居来讲并移动。,滑移的同时伴随着晶体的转动,如图所示：当外力作用于单晶体试样时，它在某些相邻层晶面上所分解的切应力使晶体发生滑移，而正应力则组成一力偶，使晶体在滑移的同时向外力方向发生转动。,滑移的机理：把滑移看作是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移是不对的，大量研究表明：滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的。(P188),晶体通过位错运动产生滑移时，并不需要整个晶体的上半部分原子相对于下半部分原子一起位移,而只有少数原子产生滑移，因而所需临界切应力小，,刃形位错在切应力作用下在滑移面上

8、的运动,2、孪生：孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。发生切变的部分称孪生带或孪晶，沿其发生孪生的晶面称孪生面。孪生的结果使孪生面两侧的原子排列呈镜面对称。,孪生与滑移相比：孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多,变形速度极快,接近声速;孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距.金属表面的基本差别：滑移产生一系列台阶，而孪生则产生一个小的、范围确定的变形区,密排六方晶格金属滑移系少，常以孪生方式变形。体心立方晶格金属只有在低温或冲击作用下才发生孪生变形。面心立方晶格金属，一般不发生孪生变形，但常发现有孪晶存在，这是由于相变过程中原子重新排列时发生错排而产

9、生的，称退火孪晶。,（四）、金属多晶体的塑性变形,1、晶界及晶粒位向差的影响：（1）、晶界的影响：当位错运动到晶界附近时，受到晶界的阻碍而堆积起来,称位错的塞积。要使变形继续进行,则必须增加外力,从而使金属的变形抗力提高。,多晶粒构成的试样的拉伸试验的竹节现象,（2）晶粒位向的影响由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，必然会受到它周围不同晶格位向晶粒的约束和障碍，各晶粒必须相互协调，相互适应，才能发生变形。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力总是高于单晶体。,2、多晶体金属的塑性变形过程,多晶体中首先发生滑移的是滑移系与外力夹角等于或接近于45的晶粒（切应力最大）

10、。当塞积位错前端的应力达到一定程度，加上滑移时晶粒的转动，促使另一批晶粒开始滑移变形，从而使滑移由一批晶粒传递到另一批晶粒，从少量晶粒开始逐步扩大到大量晶粒，从不均匀变形逐步发展到比较均匀变形。当有大量晶粒发生滑移后，金属便显示出明显的塑性变形。,3、晶粒大小对金属力学性能的影响,金属的晶粒越细，其强度和硬度越高。因为金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。,晶粒大小与金属强度关系,金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，而不致造成应力集中，引起裂纹的过早产生

11、和发展，因此在断裂前可发生较大的塑性变形，金属在断裂前消耗的功也大，因而其韧性也比较好。,通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑性和韧性的方法称细晶强化。,（五）合金的塑性变形,合金可根据组织分为单相固溶体和多相混合物两种.合金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同.,碳在-Fe中的间隙固溶体,铁素体与渗碳体的混合物,、单相固溶体合金的塑性变形,单相固溶体的显微组织与纯金属类似，因此其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似，但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。,Cu-Ni合金成分与性能关系,产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使

12、晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近形成柯氏气团，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则必须增加外力，从而使变形抗力提高.,Cu-Ni合金成分与性能关系,、多相合金的塑性变形与弥散强化,当合金的组织由多相(二相)混合物组成时，合金的塑性变形除与合金基体的性质有关外，还与第二相的性质、形态、大小、数量和分布有关。第二相可以是纯金属、固溶体或化合物，工业合金中第二相多数是化合物。,复习：金属化合物,在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，将出现新相。若新相的晶格结构与合金中另一组成元素相同，则新相是以另一组成元素为溶剂的固溶体。若新相的晶格结构不同于任一组成元素，则新相将是组成元素相互作用而生成的一种新

13、物质，属于化合物或中间相。,在这些化合物中，有些具有相当程度的金属键及一定程度的金属性质，是一种金属化合物，称为金属间化合物；有些化合物具有离子键，没有金属性质，属于一般化合物，称为非金属化合物。非金属化合物对合金性能影响很坏，一般称为非金属夹杂。金属化合物通常能提高合金的强度、硬度及耐磨性，但会降低塑性和韧性。是各类合金、硬质合金和许多有色金属的重要组成相。,当在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；当在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性；,珠光体,当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化方法称弥散强化

14、或沉淀强化。弥散强化的主要原因如下：当第二相在晶体内呈弥散分布时，一方面相界（即晶界）面积显著增多并使其周围晶格发生畸变，从而使滑移抗力增加。但更重要的是这些第二相质点本身成为位错运动的障碍物。阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。,第二相质点以两种明显的方式阻碍位错的运动。当位错运动遇到第二相质点时：质点被位错切开（软质点）；质点阻拦位错而迫使位错只有在加大外力的情况下才能通过。,当质点小而软，或为软相时，位错能割开它并使其变形，如图所示，这时加工硬化小，但随质点尺寸的增大而增加。,当质点坚硬而难于被位错切开时，位错不能直接越过这种第二相质点，但在外力作用下，位错线可以环绕第二相质点发生弯曲，最

15、后在质点周围留下一个位错环而让位错通过。使位错线弯曲将增加位错影响区的晶格畸变能，增加位错移动的阻力，使滑移抗力提高。位错线弯曲的半径越小，所需外力越大。,颗粒钉扎作用的电镜照片,因此，在第二相数量一定的条件下，第二相质点的弥散度越大（分散成很细小的质点），则滑移抗力越大，合金的强化程度越高（因为位错线的弯曲半径，取决于质点间距离，质点细化使质点数目增多而质点空间间距减小）。但应注意，第二相质点细化，对合金强化的贡献是有一个限度的，当质点太细小时，质点间的空间间距太小，这时位错线不能弯曲，但可“刚性的”扫过这些极细小的质点，因而强化效果反而降低。,第二相呈弥散质点分布时，对合金塑性、韧性影响较

16、小，因为这样分布的质点几乎不影响基体相的连续性。塑性变形时第二相质点可随基本相的变形而“流动”，不会造成明显应力集中，因此，合金可承受较大的变形量而不致破裂。,(六)、塑性变形对组织和性能的影响,1、塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。当变形量很大时，晶粒将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清。,塑性变形还使晶粒破碎为亚晶粒。,工业纯铁在塑性变形前后的组织变化,由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的位向与变形方向趋于一致，这种现象称织构或择优取向。,形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生,“制耳”现象

17、，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率。,轧制铝板的“制耳”现象,2、加工硬化,随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。,冷塑性变形与性能关系,产生加工硬化的原因是：（分析）1、随变形量增加，位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。2.随变形量增加，亚结构细化。3.随变形量增加,空位密度增加。,加工硬化的结果:给金属的进一步加工带来困难。解决的办法：在加工过程中安排一些中间退火工序，通过加热消除其加工硬化现象，以恢复它进一步变形的能力。,加工硬化使金属材料的塑性韧性下降，强度、硬度增加，是强化金属的重要手段之一，对于

18、不能热处理强化的纯金属和合金尤为重要。例如（1）冷拉高强度钢丝、冷卷弹簧等主要是利用冷加工变形来提高它们的强度和弹性极限。（2）坦克和拖拉机的履带、破碎机的额板、铁路的道岔等都是利用加工硬化来提高它们的硬度及耐磨性。,加工硬化不仅使材料的机械性能发生显著变化，而且物理、化学性能也会发生显著变化，如电阻率增加、耐腐蚀性降低等，所有这些在设计和制造各种金属零件或制品时应予以充分考虑。,3、残余内应力:,内应力是指平衡于金属内部的应力。是由于金属受力时,内部变形不均匀而引起的。金属发生塑性变形时,外力所做的功只有10%转化为内应力残留于金属中.内应力分为三类：第一类内应力平衡于表面与心部之间(宏观内

19、应力)。第二类内应力平衡于晶粒之间或晶粒内不同区域之间,(微观内应力)。第三类内应力是由晶格缺陷引起的畸变应力。,第三类内应力是形变金属中的主要内应力，也是金属强化的主要原因。而第一、二类内应力都使金属强度降低。内应力的存在，使金属化学不稳定性增加、耐蚀性下降，例如，冷加工后的黄铜，由于存在内应力，在氨气、铵盐、汞蒸气以及海水中会发生严重的腐蚀破裂（又称“季节病”）；高压锅炉、铆钉发生的腐蚀破裂等等。还会引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力。,除此之外，冷变形还会使金属的导热性降低。如铜冷变形后，其导热性降低到78%。冷变形还可能

20、改变金属材料的磁性。金属经冷变形后，密度下降(如图)。冷变形还会使金属的电阻发生变化，一般而言，冷变形使金属电阻有所增加（约百分之几），但增加的程度则随金属而异。,变形程度与密度的关系,4、回复与再结晶,（1）冷变形金属在加热时的组织和性能变化：金属经冷变形后,外力所做的功有10%转化为内应力残留于金属中,使材料的内能增加，处于高能量状态的冷变形金属组织处于不稳定状态,有自发恢复到稳定状态的倾向。固一旦对金属加热，可使原子扩散能力增加，便必然会发生一系列组织和性能的变化，随着加热温度的不同，大致可以分为三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。,回复：回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错

21、近距离迁移而引起的晶内某些变化。如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等，使材料处于一种低能状态。,由于位错运动使其由冷塑性变形时的无序状态变为垂直分布，形成亚晶界，亚晶界的形成使一个变形晶粒内部产生许多亚晶粒，这一过程称多边形化。,在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。工业上，常利用回复现象将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。,再结晶：当变形金属被加热到较高温度时，由于原子活动能力增大，晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为完整的等轴晶粒。这种冷变形组织在加热

22、时重新彻底改组的过程称再结晶。,由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。,总结：再结晶过程也是通过成核、长大过程来实现的。当变形金属被加热到一定温度时，原子的活动能力教强，会在变形晶粒的晶界或晶粒内部的亚晶界处以不同于一般结晶的特殊成核方式产生新晶核，随着原子的扩散移动，新晶核的边界不断向变形的原晶粒中推进，使新晶核不断消耗变形晶粒而长大。最终是一批新的等轴晶粒取代了原先变形的晶粒，完成了一次新的结晶过程。但是，它没有发生晶格类型的变化，只是晶体形态和大小的变化。也可以说，只有显微组织变化而没有晶格结构，故称为再结晶。结论：再结晶也是成核、长大过程，但不

23、是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。,再结晶后的晶粒长大：再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。,晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。晶粒粗大会使金属的强度，尤其是塑性和韧性降低。,黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片,（2）再结晶温度,再结晶不是一个恒温过程，它是随着温度的升高而大致从某一温度开始进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。（没有经过冷加工变形的金属在加热时是不会发生再结晶的）,T再与的关系,影响再结晶温度的因素为：1、金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度

24、达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。,纯金属的最低再结晶温度与其熔点之间的近似关系:T再0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.金属熔点越高,T再也越高.,T再=(T熔+273)0.4273，如Fe的T再=(1538+273)0.4273=451,2、金属的纯度金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高.,3、再结晶加热速度和加热时间,提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生；延长加热时间,使原子扩散充分,再结晶温度降低。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。为缩短退火周期，再结晶退火温度常定为最低再结晶温度以上1002

25、00。,影响再结晶退火后晶粒度的因素:,1、加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。,再结晶退火温度对晶粒度的影响,预先变形度的影响，实质上是变形均匀程度的影响.当变形度很小时，晶格畸变小，不足以引起再结晶.当变形达到210%时，只有部分晶粒变形，变形极,预先变形度对再结晶晶粒度的影响,2、预先变形度,不均匀，再结晶晶粒大小相差悬殊，易互相吞并和长大,再结晶后晶粒特别粗大，这个变形度称临界变形度。,当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。,对于某些金属

26、，当变形量相当大时(90%)，再结晶后晶粒又重新出现粗化现象，一般认为这与形成织构有关.,预先变形程度对再结晶晶粒尺寸的影响,综合以上加热温度和变形度两个因素对再结晶后晶粒度的影响于一个立体图中，该图称为再结晶全图。,再结晶全图:是制订金属加工变形与退火工艺的重要参考资料.,冷加工与热加工的区别:,在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。,四、陶瓷材料的力学性能：,(1)刚度 陶瓷刚度（由弹性模量衡量）各类材料中最高，因为陶瓷具有很强的化学键（离子键和共价键）。各种常见材料的弹性模量和硬度材料 弹性模量/MPa 硬度/

27、HV 橡胶 6.9 很低 塑料 1380 17 铝合金 72300 170 钢 207000 300800 陶瓷 70000500000 3000 气孔降低弹性模量；温度升高弹性模量也降低。陶瓷材料压缩状态的弹性模量一般大于拉伸状态的弹性模量。,(2)硬度 陶瓷硬度是各类材料中最高的，因其结合键强度高。陶瓷硬度为1000HV5000HV,淬火钢为500HV800HV,高聚物最硬不超过20HV。陶瓷的硬度随温度的升高而降低,但在高温下仍有较高的数值。,(3)强度 晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/10001/100）。晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；晶界上原子间键被拉长,键强度被削弱；,致密

28、度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。刚玉（Al2O3）陶瓷块抗拉强度280，刚玉陶瓷纤维（缺陷少），抗拉强度为2100，提高12个数量级。陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度很高。,(4)塑性 陶瓷在室温下几乎没有塑性。陶瓷材料的结合键是共价键和离子键，共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥力很大，所以陶瓷材料滑移系很少，位错运动所需切应力很大，一般在产生滑移之前就发生断裂。在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现出一定的塑性。此时陶瓷材料的塑性变形主要以蠕变的形式发生。（蠕变：当材料承受恒定载荷或恒定应力时，经过一段时间后，可能产生一

29、定的塑性流变，这种与时间有关的应变称为蠕变。）,(5)韧性 非常典型的脆性材料：冲击韧性10kJ/m2以下,断裂韧性值很低。对表面状态特别敏感：由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹。受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形使高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性。改善陶瓷韧性的方法：预防陶瓷中特别是表面上产生缺陷；在陶瓷表面形成压应力（如加预压应力可做成不碎陶瓷）；消除陶瓷表面的微裂纹。,陶瓷的物理和化学性能（附加）,(1)热膨胀性能：陶瓷的热膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低。(2)导热性：由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料。(3)热稳定性（随温度变化各方面性能的稳定性）：热稳定性很低（比金属低得多）,(4)化学稳定性 结构非常稳定，很好的耐火材料：金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发生作用；对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许多金属的熔体也不发生作用。,(5)导电性 变化范围很广：由于缺乏电子导电机制,多数陶瓷是良好的绝缘体;不少陶瓷既是离子导体,又有一定的电子导电性;许多氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。,陶瓷材料的性能特点：具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。,