1、第一章 金屬材料的性能金屬材料的性能第一節(jié) 金屬的力學(xué)性能 第二節(jié) 金屬的物理化學(xué)性能第三節(jié) 金屬的工藝性能學(xué)習(xí)要求 1、準(zhǔn)確理解各種性能指標(biāo)的含義、試驗(yàn)方法、適用范圍； 2、學(xué)會利用掌握的理論知識對遇到的實(shí)際問題或現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)的解釋； 3、要學(xué)會對所學(xué)的知識進(jìn)行分類、歸納和整理。提高學(xué)習(xí)效率； 4、該課程具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。在學(xué)習(xí)時應(yīng)盡量將自己的感性認(rèn)識與教學(xué)內(nèi)容相聯(lián)系，幫助理解和掌握有關(guān)術(shù)語的含義； 5、金工實(shí)習(xí)時，應(yīng)盡量熟悉金屬材料的性能特點(diǎn)為學(xué)習(xí)該課程做準(zhǔn)備。第一節(jié) 金屬的力學(xué)性能 使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。 工藝性能：材料在加工過程中所表

2、現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。 材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去除后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。 一、強(qiáng)度與塑性 在靜載荷作用下，材料抵抗變形與開裂的能力稱為強(qiáng)度。 靜載荷是指：載荷的大小由緩慢增加到最大值或大小保持不變的載荷，如鋼索的拉力。 在靜載荷作用下，材料產(chǎn)生塑性變形但不發(fā)生破壞的能力稱為材料的塑性。 金屬材料的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)可以通過靜拉伸試驗(yàn)測得。 （一）靜拉伸試驗(yàn) 緩慢地在試樣兩端施加載荷，使試樣的工作部分受軸向拉力，引起試樣沿軸向伸長，試驗(yàn)一般進(jìn)行到試樣被拉斷為此。測定試樣對外加載荷的抗力，可以求

3、出材料的強(qiáng)度指標(biāo)；測定試樣在破斷后塑性變形的大小，可以求出材料的塑性指標(biāo)。 （加圖：拉伸試樣、拉伸曲線 拉伸試樣斷口、試驗(yàn)機(jī)） （二）強(qiáng)度指標(biāo) 彈性極限公式：拉力/原始截面積 材料開始發(fā)生塑性變形時的應(yīng)力值。 屈服強(qiáng)度公式：拉力/原始截面積 材料發(fā)生微量塑性變形時的應(yīng)力值。 抗拉強(qiáng)度公式：拉力/原始截面積 材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。 工作條件下不允許產(chǎn)生微量塑性變形的零件，設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)彈性極限來選材。如彈簧。 大多數(shù)金屬合金沒有屈服點(diǎn)。 要求不十分嚴(yán)格的零件與結(jié)構(gòu)，則要以材料的屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）作為設(shè)計和選材的主要依據(jù)。 塑性差的材料（脆性材料）一般不產(chǎn)生縮頸，其抗拉強(qiáng)度就是斷裂強(qiáng)度。在

4、這種情況下，抗拉強(qiáng)度是設(shè)計的主要依據(jù)。 （三）剛度 材料受力時抵抗彈性變形的能力稱為剛度。指標(biāo)為彈性模量E。 彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小。可以通過增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件的剛度。 （四）塑性指標(biāo) 材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。 指標(biāo)為：伸長率公式、斷面收縮率。 伸長率：斷后長度原始長度/原始長度 收縮率：原始面積斷后面積/原始面積 通過塑性變形所伴隨的硬化過程可使材料強(qiáng)度獲得提高，試樣塑性變形是改善金屬材料性能的一個重要手段。另一方面，材料具有一定的塑性可以提高零件使用的

5、可靠性，防止突然斷裂。 說明： 用面縮率表示塑性比伸長率更接近真實(shí)變形。 無頸縮，為脆性材料；有頸縮為塑性材料。 二、硬度 材料抵抗表面局部塑性變形的能力。 布氏硬度HB 圖 壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。 壓頭為硬質(zhì)合金時，用符號HBW表示，適用于布氏硬度在650以下的材料。 符號HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時間。 如：120H的鋼球在BS10/1000/30表示直徑為10mm1000kg(9.807KN)載荷作用下保持30s測得的布氏硬度值為120。、 布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測量誤差小，數(shù)據(jù)

6、穩(wěn)定。 布氏硬度的缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。 適用范圍：適于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色合金的硬度。 材料的強(qiáng)度與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 對于低碳鋼：強(qiáng)度=3.6HB 對于高碳鋼：強(qiáng)度=3.4HB 對于鑄鐵：強(qiáng)度=1HB或者=0.6HB 洛氏硬度HR 根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。 圖 符號HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。 HRA用于測量高硬度材料，如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。 HRB用于測量低硬度材料，如有色金屬和退火、正火鋼等。 HRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。 洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，

7、適用范圍廣。 缺點(diǎn)：測量結(jié)果分散度大 維氏硬度 維氏硬度用符號HV表示，符號前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷及載荷保持時間。 根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測定方法：1、維氏硬度試驗(yàn)；2、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)；3、顯微維氏硬度試驗(yàn) 維氏硬度保留布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。 三、沖擊韌性 是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。 指標(biāo)為沖擊韌性值ak（通過沖擊實(shí)驗(yàn)測得） 圖 試樣上開缺口的目的是：在缺口附近造成應(yīng)力集中，使塑性變形局限在缺口附近，并保證在缺口處發(fā)生破斷，以便正確測定材料承受沖擊載荷的能力。同一種材料，試樣沖擊韌性缺口越深、越尖銳，沖擊功越小，材料表現(xiàn)脆性越顯著。因此，不同

8、類型的沖擊試樣，沖擊韌性值不能直接比較。 沖擊韌性指標(biāo)： ak=Ak/F 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。 對于承受大能量沖擊一次或次數(shù)多而破壞的構(gòu)件， ak值可作為材料的沖擊抗力指標(biāo)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)件很少是因一次大能量沖擊而損毀，大多數(shù)是在小能量多次沖擊載荷（如鑿巖機(jī)風(fēng)鎬上的活塞、沖模沖頭等）下工作的，在這種情況，不能再以ak值作為選材和設(shè)計的依據(jù)，應(yīng)進(jìn)行小能量多次沖擊試驗(yàn)。 多次沖擊抗力指標(biāo)一般是以被測材料在一定沖擊功作用下，開始出現(xiàn)裂紋和最后斷裂的沖

9、擊次數(shù)來表示的。 四、金屬的疲勞 疲勞現(xiàn)象：構(gòu)件在交變應(yīng)力作用下經(jīng)過較長時間的工作，在工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象稱作金屬疲勞。 交變應(yīng)力：是指載荷大小或大小方向都隨時間發(fā)生周期性變化的一類載荷。 疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同，無論在靜載荷下顯示脆性或韌性的材料，在疲勞斷裂時都不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，具有很大的危險性。 疲勞強(qiáng)度：材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。 鋼鐵材料規(guī)定循環(huán)次數(shù)為10的7次方，有色金屬合金為10的8次方。 金屬所受的最大交變應(yīng)力越大，則斷裂前所經(jīng)受的循環(huán)周次越少；反之.。 疲勞斷口 通過改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少

10、表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。第二節(jié)金屬的物理化學(xué)性能 一、金屬的物理性能 密度：單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為物質(zhì)的密度。密度小的金屬為輕金屬，如鋁、鎂、鈦及其合金；密度大的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。 熔點(diǎn)：熔點(diǎn)是指材料的融化溫度。陶瓷的熔點(diǎn)一般都顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)，而高分子材料一般不是完全晶體，所以沒有固定的熔點(diǎn)。 熱膨脹性：金屬材料隨著溫度變化而膨脹、收縮的特性稱為熱膨脹性。 選用金屬材料時應(yīng)考慮溫度對零件或構(gòu)件尺寸和形狀的影響。如軸與軸瓦之間要根據(jù)其膨脹系數(shù)來控制其間隙尺寸；在熱加工和熱處理時也要考慮材料的熱膨脹影響，以減少工件的變形和開裂。 磁性

11、：金屬材料在磁場中被磁化而呈現(xiàn)磁性強(qiáng)弱的性能稱為磁性。 鐵磁性材料-在外加磁場中能強(qiáng)烈地被磁化，如鐵、鈷等 順磁性材料-在外加磁場中能微弱地被磁化，如錳、鉻等。 抗磁性材料-能抗拒或減弱外加磁場磁化作用的金屬，如銅、鋅等。 導(dǎo)熱性：材料除傳導(dǎo)熱量的性能稱為導(dǎo)熱性。導(dǎo)熱性好的材料（如銅、鋁及合金）查常用來制造熱交換器等傳熱設(shè)備的零件。導(dǎo)熱性差的材料（如陶瓷、木材）常用來制造絕熱材料。 導(dǎo)電性：金屬能夠傳導(dǎo)電流的性能稱為導(dǎo)電性。電阻率越小，金屬材料的導(dǎo)電性越好。電阻率小的金屬（如純銅、純鋁）適于制造導(dǎo)電零件和電線；電阻率大的金屬（如鎢、鐵、鉻）適于制造電熱元件。 二、金屬的化學(xué)性能 耐腐蝕性：金屬

12、材料在常溫下抵抗氧、水及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞的能力稱為耐腐蝕性。腐蝕不僅會使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，也會降低產(chǎn)品的使用壽命。 抗氧化性：金屬材料在加熱時抵抗氧化作用的能力稱為抗氧化性。金屬材料的氧化隨溫度升高而加速，如鋼材在鍛造、熱處理等熱加工時，氧化比較嚴(yán)重。氧化不僅造成材料過量的損耗，也會形成各種缺陷。第三節(jié)金屬的工藝性能 焊接性能：焊接性能是指材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。好的焊接接頭應(yīng)滿足兩點(diǎn)：一是超出技術(shù)要求的焊接缺陷；二是焊接接頭滿足預(yù)定的使用性能的要求。低碳鋼具有良好的焊接性能，而高碳鋼、鑄鐵的焊接性能則較差。 鍛造性能：技術(shù)材料利用鍛壓加工方

13、法成型的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞取決于材料的塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，材料的鍛造性能越好。如黃銅、變形鋁合金在室溫下就有良好的鍛造性能，碳鋼在加熱狀態(tài)下鍛造性能良好，鑄鐵則不能鍛造。 鑄造性能：金屬在鑄造成型過程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全逐漸的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動性、吸氣性、收縮性和偏析性等。在金屬材料中鑄鐵和青銅具有良好的鑄造性能。 切削加工性能：材料接受切削加工的難易程度稱為切削加工性能。切削加工性能好的金屬對使用的刀具磨損小，可以選用較大的切削用量，加工表面也比較光滑。鑄鐵比鋼切削加工性能好，碳鋼比高合金鋼切削性能好。 熱處理：熱處理是通過加熱、保溫

14、、冷卻方法使材料在固態(tài)下組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而獲得所需性能的一種加工工藝。在實(shí)際生產(chǎn)中，通常利用熱處理來提高材料的力學(xué)性能、耐磨性及消除殘余應(yīng)力，亦可用于改善材料的加工工藝性能，如改善切削加工性能、拉拔擠壓性等。常用的熱處理方法有退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等。第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 第一節(jié) 金屬的理想晶體結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 第三節(jié) 純金屬的結(jié)晶學(xué)習(xí)要求 1、正確認(rèn)識不同金屬的晶體結(jié)構(gòu)特征，要善于利用微表現(xiàn)進(jìn)行分析。如活性炭、石墨和金剛石三種物質(zhì)，雖然均由碳元素構(gòu)成，但它們所表現(xiàn)出的 宏觀性能卻截然不同，其差別的主要原因在于它們的晶體結(jié)構(gòu)不同。 2

15、、學(xué)會對日常生活中的現(xiàn)象進(jìn)行思考和分析，理解結(jié)晶的過程和現(xiàn)象。如雪花是如何形成的？ 3、學(xué)習(xí)本章后，希望能在材料的微觀知識方面奠定一定的基礎(chǔ)，今后能更好地使用“納米材料”、“功能材料”等。 物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。 原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。第一節(jié)金屬的理想晶體結(jié)構(gòu) 一、晶體與非晶體 晶體：是指原子呈現(xiàn)規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。 非晶體：是指原子呈無序排列的固體。在一定的條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。 二、金屬的特性 金屬晶體中，金屬原子以“金屬鍵”的方式結(jié)合。金屬鍵的特點(diǎn)是沒有飽

16、和性和方向性。 三、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。 晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。 四、常見金屬的晶格類型 1、體心立方晶格 原子數(shù)：2個 常見金屬：鐵、鉻、鎢、鉬、釩、鈮等。 2、面心立方晶格 原子數(shù)：4個 常見金屬：鐵、鎳、鋁、銅、鉛、金等。 3、密排六方晶格 原子數(shù)：6個 常見金屬：鎂、鋅、鈹、鎘等第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 一、單晶體與多晶體 單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。 多晶體：由很多晶粒組成的晶體。通常用的金屬都是多晶體。 晶格的不完整部位稱晶體缺陷。 實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面

17、缺陷。 (1)點(diǎn)缺陷：尺寸很小的缺陷。 空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。 間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙的原子。（可以是金屬原子，也可以使外來原子） 置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。 點(diǎn)缺陷的特點(diǎn)：點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高、塑性、韌性下降。 （2）線缺陷：空間一個方向尺寸大，另一個方向尺寸很小的缺陷。 位錯：晶格中一部分晶體對另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯。兩種類型位錯（刃型和螺型位錯） 刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面像刀刃一樣切入晶體，這個多余的原子面的邊緣就是刃

18、型位錯。 位錯對性能的影響：就是的塑性變形主要由位錯運(yùn)動引起因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。（減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度） （3）面缺陷晶界與亞晶界。 晶界：是不同位向晶粒的過度部位。 亞晶界：亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。 晶界的特點(diǎn)： （1）原子排列不規(guī)則。 （2）熔點(diǎn)低。 （3）易產(chǎn)生吸附，外來原子易在晶界偏聚。 （4）耐腐蝕性差。 （5）阻礙位錯運(yùn)動，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。 （6）是相變的優(yōu)先部位。第三節(jié)純金屬的結(jié)晶 一、結(jié)晶的概念 1、晶體的結(jié)晶 一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程統(tǒng)稱為“凝固”，如果通過凝固能形成晶體結(jié)構(gòu)，則可稱為結(jié)晶。因金屬是晶

19、體，所以金屬有液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程就是結(jié)晶。金屬這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，實(shí)際上就是原子由短程有序狀態(tài)過度為長程有序狀態(tài)的過程。 2、非晶體的凝固 若物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)是非晶體，則稱為“凝固”。非晶態(tài)物質(zhì)是一種長程無序、短程有序的混合結(jié)構(gòu)，所以非晶體具有各向同性。 二、金屬的結(jié)晶過程 1、過冷現(xiàn)象：結(jié)晶就是原子由不規(guī)則排列狀態(tài)（液態(tài)）過度到規(guī)則排列狀態(tài)（凝固）的過程。金屬結(jié)晶時的這種現(xiàn)象稱為過冷，二者溫度之差稱為過冷度。 2、金屬結(jié)晶的一般規(guī)律 （1）晶核的形成 （2）晶核的長大 說明：若在金屬結(jié)晶過程中液態(tài)補(bǔ)充不足，金屬最后凝固的樹枝晶之間的空隙不能被填滿，將形成縮孔和疏松等缺陷。同時樹

20、枝間最后結(jié)晶的液態(tài)，其成分與已結(jié)晶體有明顯的不同，出現(xiàn)了偏析，降低了鑄件的力學(xué)性能。若金屬很純，結(jié)晶過程中又能不斷地補(bǔ)充因體積收縮而需要的液體，則凝固后的金屬就看不出樹枝狀晶的痕跡，而只能看到一個個多邊形的晶粒。 三、影響晶核的形成和長大的因素 1、過冷度的影響 2、未熔雜質(zhì)的影響 四、晶粒大小的控制 1、晶粒度的概念; 晶粒度是晶粒大小的量度，用單位體積中晶粒的數(shù)目或者單位面積上晶粒的數(shù)目表示，也可以用晶粒的平均直徑表示。 金屬結(jié)晶時形核率越大，長大速率越小，結(jié)晶后單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目就越多，晶粒越細(xì)小。 2、晶粒大小對性能的影響 常溫下工作的零件，往往晶粒越細(xì)小，其強(qiáng)度、硬度越高；塑性、韌性越好。 3、控制晶粒大小的方法 （1）增加過冷度 （2）變質(zhì)處理 五、金屬鑄錠的組織 1、表面細(xì)晶粒區(qū) 過冷度大，形成細(xì)小等軸晶粒，力學(xué)性能好。 2、柱狀晶粒區(qū) 過冷度較小，晶粒沿垂直于模壁散熱反方向長大，彼此平行，粗大而密集。 3、中心等軸晶