金属材料及机械制造工艺项目一改点变材料性能的方法.ppt

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1、项目一 改变材料性能的方法,任务1 金属材料的性能 任务2 金属材料的结构 任务3 钢的热处理 任务4 金属的塑性变形与强化,【知识目标】 1. 熟悉并掌握金属材料的常用力学性能，了解材料的物理、化学及工艺性能； 2. 理解铁碳相图及铁碳合金成分、组织、性能之间的关系； 3. 掌握一般金属材料的热处理方法； 4. 了解金属材料的塑性变形及强化方法。 【能力目标】 1. 具备金属材料常用力学性能的检测能力； 2. 具备通过热处理及其他强化方法改善金属材料力学性能及工艺性能的能力。,任务1 金属材料的性能 在机械制造、交通运输、国防工业、石油化工和日常生活各个领域需要使用大量的工程材料。生产实践中

2、，往往由于选材不当造成机械达不到使用要求或过早失效，因此了解和熟悉材料的性能成为合理选材、充分发挥工程材料内在性能潜力的重要依据。,金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指材料在使用过程中表现出来的性能，它包括力学性能和物理、化学性能等；工艺性能是指材料对各种加工工艺适应的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。,1.1 力 学 性 能 在机械制造领域选用材料时，大多以力学性能为主要依据。力学性能范围较广，按试验温度区分，可分为高温力学性能、常温力学性能和低温力学性能，这里主要介绍常温力学性能。 材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。根据载荷作用

3、性质不同，可分为静载荷、冲击载荷和疲劳载荷三种。,(1) 静载荷：大小不变或变动很慢的载荷，例如床头箱对机床床身的压力。 (2) 冲击载荷：突然增加或消失的载荷，例如空气锤锤头下落时锤杆所承受的载荷。 (3) 疲劳载荷：周期性的动载荷，例如机床主轴在机床加工过程中承受的交变载荷。 力学性能是指材料在各种载荷作用下表现出来的抵抗能力。常用的力学性能指标有刚度及强度、塑性、硬度、冲击韧度、疲劳强度等。,1.1.1 刚度及强度 金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度，强度愈高的材料，所承受的载荷愈大。按照载荷作用方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗剪强度等。工程上常以屈

4、服强度和抗拉强度作为强度指标。 强度指标一般可以通过金属拉伸试验来测定。按照标准规定，把标准试样装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷的同时连续测量力和相应的伸长量，直至把试样拉断为止，依据测出的拉伸曲线，即可求出相关的力学性能。图1-1所示为标准拉伸试样。标准拉伸试样通常分为长试样和短试样两种。,图1-1 标准拉伸试样,在GB/T 228.12010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法中，对拉伸试样进行了规定，试样的形状可以多样，试样标距也分为比例标距和非比例标距两种，因而有比例试样和非比例试样之分。 (1) 比例试样。凡试样标距与试样原始横截面积有以下关系的，称为比例标距，试样称为比

5、例试样。 式中：L0为原始标距；k为比例系数；S0为原始横截面积。,(1-1),(2) 非比例试样。非比例试样的标距与试样原始横截面积不满足式(1-1)的关系。 如果采用比例试样，一般应采用短试样，即比例系数k值为5.65，此时L0 = 10D0；如采用此比例系数时不满足最小标距15 mm，则一般采用长试样，即比例系数k值为11.3，此时L0 =10D0。,根据材料的性质不同，拉伸曲线形状也不尽相同。图1-2为退火低碳钢的拉力延伸曲线。图中纵坐标表示拉伸力F，单位为N；横坐标表示试样标距的绝对伸长L，单位为mm。如果我们将延伸率e，(又称应变)定义为试样原始标距的增量L与原始试样的标距L0之比

6、，将应力R定义为拉伸力F与试样原始横截面积S0之比，将会得到如图1-3所示的退火低碳钢的应力延伸率曲线，又称应力应变曲线。,下面以退火低碳钢的拉力拉伸曲线为例说明拉伸过程中的几个变形阶段。 (1) OE弹性变形阶段：试样的伸长量与载荷成正比增加，此时若卸载，试样能完全恢复原状。 (2) ESC屈服阶段：当载荷超过一定数值后，试样除产生弹性变形外，开始出现塑性变形，此时若卸载，试样的伸长部分只能部分回弹恢复。当载荷增加到FeH时以后，图形上出现水平或锯齿形线段，表示载荷不增加，试样继续伸长，材料丧失了抵抗变形的能力，这种现象叫屈服。我们把试样发生屈服而载荷首次下降前的最高载荷定义为上屈服载荷Fe

7、H，把在屈服期间不计初始瞬时效应的最低载荷定义为下屈服载荷FeL。,图1-2 退火低碳钢的拉力延伸曲线,图1-3 退火低碳钢的应力延伸率曲线,(3) CB均匀塑性变形阶段：屈服阶段后，试样随载荷增加而继续伸长，此时开始产生明显的塑性变形，试样伸长量随载荷增加而增大。Fm为试样拉伸试验的最大载荷。 (4) BK缩颈阶段：载荷达到最大值Fm后，试样伸长量迅速增大而横截面局部开始急剧缩小，出现“缩颈”现象，由于截面积减小，试样变形所需载荷也随之降低，在K点时试样发生断裂。 工程上使用的金属材料，并不是都有明显的四个阶段，对于脆性材料，弹性变形后马上发生断裂，没有明显的屈服阶段，如图1-4所示的铸铁的

8、应力延伸率(又称应力应变)曲线。,图1-4 铸铁的应力延伸率曲线,1刚度指标 在弹性变形阶段OE段，若卸掉载荷，试验可以恢复到原来的尺寸。 材料在弹性变形阶段内，应力与延伸率的比值为一定值，其值大小反映了材料弹性变形的难易程度，称为弹性模量E，单位为N/mm2，即 E = tan (1-2) 弹性模量E体现了材料抵抗弹性变形的能力。,材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度，其指标为弹性模量E。弹性模量是材料最稳定的性质之一，主要取决于材料内部的原子间的作用力，除了随温度升高而逐渐降低之外，一般的材料强化手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响极小。因此，要想改变一个零件或构件的刚度，可以

9、通过增加其横截面积或改变截面形状的方法获得。,2强度指标 金属材料的强度是用应力来度量的，即材料受载荷作用后内部产生一个与载荷相平衡的内力。单位截面积上的内力称为应力。常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。 1) 屈服强度 材料在拉伸试验的屈服阶段，拉力不增加(即保持恒定)而试样仍能继续伸长时的应力，称为屈服强度。屈服强度分为上屈服强度ReH和下屈服强度ReL，单位为N/mm2，即,(1-3),(1-4),式中：ReH为上屈服强度(N/mm2)；FeH为试样在发生屈服而力首次下降前的最高载荷(N)；ReL为下屈服强度(N/mm2)，其含义与旧标准中的屈服强度指标s(MPa)含义相同；FeH为在屈

10、服期间不计瞬时效应时的最低载荷(N)；S0为试样原始横截面积(mm2)。 由于许多材料(如铸铁、高碳钢等)无明显屈服现象，屈服载荷测定困难，工程技术上通常规定试样标距产生0.2%残余延伸率时对应的载荷F所产生的应力为屈服强度，称为“规定残余延伸强度”，用Rr0.2(N/mm2)来表示(如图1-4所示)，其含义与旧标准中的条件屈服强度0.2相同。,屈服强度表征金属发生明显塑性变形的抗力，由于金属零件和结构在工作中一般不允许产生塑性变形，因此设计零件、结构时，屈服强度是机械设计的主要依据，也是评定金属材料优劣的重要指标。例如，机械零件在工作时如受力过大，会因过量变形而失效。 2) 抗拉强度 材料在

11、拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度，用符号Rm表示，单位为N/mm2，其含义与旧标准中的抗拉强度b(MPa)相同。,(1-5),式中：Rm为抗拉强度(N/mm2)；Fm为试样拉断时的最大载荷(N)；S0为试样原始横截面积(mm2)。 抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形和破坏的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。由于抗拉强度的测试数据较准确，因此有关手册和资料提供的设计、选材的强度指标往往是抗拉强度。,1.1.2 塑性 金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。塑性指标也是通过拉伸试验测定的。常用塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。 1断后伸长率A 断后伸长率又称延伸率，是指拉

12、伸试验试样拉断后标距长度的相对伸长值，即标距增长量与原始标距长度之比，用符号A表示，其含义与旧标准中的符号相同。 式中：L0为试样原始标距长度(mm)；LU为试样被拉断后的标距长度(mm)。,(1-6),必须注意，被测标准试样长度不同，测得的断后伸长率是不同的，所以同种材料用不同标准试样测定的断后伸长率的值也不一样。因此，不同材料进行比较时，必须采用相同的标准试样。 对于比例试样，若采用短试样即k值为5.65，符号A不用附脚注说明；如采用长试样即k值为11.3，符号A应附脚注说明，即A11.3。对于非比例试样，符号A应附脚注说明所使用的原始标距，以毫米(mm)表示，例如A80表示原始标距为80

13、 mm的断后伸长率。,2断面收缩率Z 断面收缩率是指试样拉断处截面面积的收缩率，即拉断处截面面积的最大缩减量与原始横截面积之比，用符号Z表示，其含义与旧标准中的符号相同。 式中，S0为拉伸试样原始横截面面积(mm2)；Su为试样被拉断时缩颈处的最小面积(mm2)。,(1-7),断面收缩率不受试样尺寸的影响，因此断面收缩率比断后伸长率更接近材料的真实应变。因此在塑性指标中，断面收缩率比断后伸长率更为合理、可靠，更能可靠地反映材料的塑性大小。但由于断后伸长率比断面收缩率易于测量，因此现有的材料塑性指标往往仍较多地采用断后伸长率。,断后伸长率和断面收缩率数值愈大，表明材料的塑性变形能力愈强、塑性愈好

14、，良好的塑性对机械零件的加工和使用都具有重要意义。例如，塑性良好的材料易于进行压力加工(轧制、冲压、锻造等)，如果过载，由于产生塑性变形而不会突然断裂，可以避免事故发生。因此，大多数机械零件，除满足强度要求外，还必须满足一定的塑性要求，才能保证工作的安全可靠。对于如铸铁、陶瓷等脆性材料，其塑性极低，拉伸时几乎不产生明显的塑性变形，超载时会突然断裂，在机械的设计、使用时必须注意。,1.1.3 硬度 硬度是材料力学性能的一个重要指标，是材料表面上局部体积内抵抗塑性变形和破坏的能力，即硬度体现了材料的软硬程度。 硬度试验方法很多，大体上可分为压入法、刻画法和弹性回跳法三大类。金属材料主要用压入法进行

15、硬度试验。,用压入法测得的硬度值是表征材料表面局部体积内抵抗另一物体压入时变形的能力，它又可间接反映出材料强度、疲劳强度等性能特点。压入法操作简单，可直接在零件或工具上进行而不破坏工件。在产品半成品和成品性能检验中，硬度是标志成品质量的重要依据之一，因此它经常作为热处理工件质量检验的主要指标。目前，应用最为广泛的是布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。,1布氏硬度试验法 1) 布氏硬度试验原理 布氏硬度试验是1900年由瑞典工程师布利涅尔(J.B.Brinell)提出的，是目前最常用的硬度试验方法之一。 图1-5为布氏硬度试验原理图。它是用一定直径D的淬火钢球(或硬质合金钢)做压头，

16、以相应试验力F压入被测材料表面，经规定的保持时间后卸载，测量钢球(或硬质合金钢)在被测试材料表面上所形成的压痕直径d，由此计算出压痕面积，进而得到压痕单位面积上所受平均试验力的大小，即用试验力除以压痕表面积的商，称为布氏硬度值，用符号HB表示：,式中：F为试验力(N)；S为压痕球面积(mm2)；D为球体直径(mm)；d为压痕平均直径(mm)；h为压痕深度(mm)。 在实际测量中，可由测出的压痕平均直径d直接查表得到布氏硬度值。 从式(1-8)可看出，当外载荷F和压头球体直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d有关。d越小，布氏硬度值越大，硬度愈高，材料越硬；d越大，布氏硬度值越小，硬度也越小，则

17、材料越软。,(1-8),图1-5 布氏硬度试验原理图,2) 布氏硬度的符号及表示方法 由于压头使用材料的不同，布氏硬度符号可用HBS或HBW表示。当试验压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS；当试验压头为硬质合金钢球时，硬度符号为HBW。 布氏硬度的表示方法规定：符号HBS或HBW之前数字为硬度值，符号后面按球体直径D/试验力F/试验力保持时间(10 s15 s时可不标注)用数字来表示试验条件。 例如，120HBS10/1000/30表示用直径10 mm的淬火钢球在9.8 103 kN(1000 kgf)试验力作用下保持30 s测得的布氏硬度值为120；450HBW5/750表示用直径5 mm的淬

18、火钢球在7.35 103 kN(750 kgf)试验力作用下保持10 s15 s测得的布氏硬度值为450。,3) 布氏硬度的特点及应用范围 布氏硬度试验的优点在于由于压痕面积较大，能反映出较大范围内被测材料的凭据硬度，不受个别组成相和微小不均匀性的影响，能较真实地反映出材料的平均性能，并具有较高的测量精度。布氏硬度试验的缺点是对不同的材料需更换压头和改变试验力，压痕测量较复杂，操作繁琐；因压痕较大，布氏硬度不适宜检验薄件或成品。 对于某些材料，例如钢、黄铜和铸铁等，其抗拉强度与布氏硬度值之间存在着大致的比例关系，可近似换算出金属的强度，因而在工程上应用广泛。,布氏硬度试验主要用来测量灰铸铁、有

19、色金属以及经退火、正火和调质处理的钢材等材料，特别是对于材料组织比较粗大且不均匀的材料，更是其他硬度试验方法所不能替 代的。 日常生产试验中，HBS适于测量布氏硬度值小于450的材料，HBW适于测量布氏硬度值小于650的材料。,2洛氏硬度试验法 1) 洛氏硬度试验原理 洛氏硬度试验法是由美国的洛克威尔(S.P.Rockwell)于1921年提出的，也是目前最常用的硬度试验方法之一。 洛氏硬度试验的原理与布氏硬度试验方法不同，它不是测定压痕的面积，而是测量压痕的深度，以深度的大小来表示材料的硬度值。 洛氏硬度试验是用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588 mm的淬火钢球作为压头，试验时先施

20、加初载荷，目的是使压头与试样表面接触良好，保证测量结果准确，然后施加主载荷，保持规定时间后卸除主载荷，依据压痕深度确定硬度值。,图1-6为洛氏硬度试验原理图。00为120金刚石压头没有与试件表面接触时的位置；1l为加初载P0后的位置，此时压头压入深度为ab；22为压头加主载P1后的位置，此时压头压入深度为ac；卸除主载后，由于恢复弹性变形，压头位置提高到33位置。最后，压头受主载后实际压入表面的深度为bd，洛氏硬度即用bd的大小来衡量。 实际应用时，洛氏硬度可直接从硬度计表盘中读出。,图1-6 洛氏硬度试验原理图,2) 洛氏硬度的符号及表示方法 洛氏硬度用符号HR表示。为了扩大硬度测定的范围，

21、以便测定不同金属材料从硬到软的各种硬度值，常采用不同的压头和主试验力组成不同的洛氏硬度标尺来测定不同硬度的材料，常用A、B、C三种标度对不同硬度材料进行试验，硬度分别用符号HRA、HRB、HRC表示，其中HRC应用最为广泛。三种洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围见表1-1。需要注意的是各种不同标尺的洛氏硬度值不能直接进行比较，只有查表转换为同一标尺后，才能有一定的可比性。,表1-1 常用洛氏硬度标尺的试验条件和适用范围,洛氏硬度的表示方法为：符号HR的前面为硬度值数字，后面为适用的标尺字母。例如，59 HRC表示用C标尺测得的洛氏硬度值为59。 3) 洛氏硬度的特点及应用范围 洛氏硬度试验的优点

22、是操作简单迅速，能直接从刻度盘上读出硬度值；测试的硬度值范围较大，既可测定较软的金属材料，也可测定较硬的金属材料；试样表面压痕较小，可直接测量成品或薄工件。洛氏硬度试验的缺点是由于压痕小，对内部组织和硬度不均匀的材料，硬度波动较大，重复性差，为提高测量精度，通常要测定三个不同点取平均值。洛氏硬度试验的典型应用范围见表1-1。,3维氏硬度试验法 维氏硬度试验法是英国的史密斯(R.L.Smith)和桑德兰德(G.E.Sandland)于1925年提出的。由于按照此种试验方法第一次试制成功的是英国的维克斯阿姆斯特朗(Vickers-Armstrong)公司，所以人们称之为维氏硬度试验法。 由于布氏硬

23、度试验法和洛氏硬度试验法的载荷大且压痕深，所以不能测量很薄工件的硬度，而维氏硬度试验法可以解决这个问题。,1) 维氏硬度试验原理 维氏硬度试验法的试验原理与布氏硬度试验相同，也是根据压痕单位面积所承受的载荷来计算硬度值的。所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体而是两相对面间夹角为136的金刚石四棱锥体。 图1-7为维氏硬度试验原理图。将两相对面间夹角为136的金刚石四棱锥体压头用试验力F压入试验表面，保持规定时间后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线的长度。试验力除以压痕表面积所得的商就是维氏硬度值，即,(1-9),图1-7 维氏硬度试验原理图,式中：F为试验力(N)；D为压痕两对角线长度d1、

24、d2的算术平均值(mm)。 在实际测量中，可由测量压痕对角线的平均长度d直接查表得到维氏硬度值。 2) 维氏硬度的符号及表示方法 维氏硬度用符号HV表示，符号之前为硬度值数字，符号后面的数字按顺序分别表示试验力及试验力保持时间(10 s15 s不标注)。例如，640HV30/20表示在试验力为294.2 N (30 kgf)下保持20 s测定的维氏硬度值为640。,3) 维氏硬度的特点及应用范围 与布氏硬度和洛氏硬度试验相比，维氏硬度试验保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点，既可测量由极软到极硬材料的硬度，又能互相比较；既可测量大块材料、表面硬化层的硬度，又可测量金相组织中不同相的硬度。维氏硬度试验

25、的缺点是硬度值测定较为麻烦，需要在显微镜下测量压痕尺寸，操作不如洛氏硬度试验法简便，工作效率低，不宜用于成批生产的常规检验。,1.1.4 冲击韧度 许多机械零件是在冲击载荷下工作的，如锻锤的锤杆、冲床的冲头、火车挂钩、活塞等。冲击载荷比静载荷的破坏力大，对于承受冲击载荷的材料，不仅要求具有高的强度和一定的塑性，还必须具备足够的冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧度，冲击韧度通常用一次摆锤冲击试验来测定。 1摆锤式一次冲击试验 摆锤式一次冲击试验是目前最普遍的一种试验方法。为了使试验结果可以相互比较，按国家标准规定，将金属材料做成冲击试样。摆锤冲击试验原理如图1-8所示。,

26、图1-8 摆锤冲击试验示意图,将标准试样安放在摆锤式试验机的支座上，试样缺口背向摆锤，将具有一定重力G的摆锤举至一定高度H1，使其获得一定势能GH1，然后由此高度落下将试样冲断，摆锤剩余势能为GH2。冲击吸收功AK除以试样缺口处的截面积S0，即可得到材料的冲击韧度K，其计算公式如下： 式中：AK为冲击吸收功(J)；G为摆锤的重力(N)；H1为摆锤举起的高度(m)；H2为冲断试样后摆锤的高度(m)；S0为试样缺口处的截面积(cm2)；K为冲击韧度(J/cm2)，工程中其单位也可换算成mJ/m2。,(1-10),需要说明一点，使用不同类型的标准试样(U型缺口或V型缺口)进行试验时，冲击韧度分别以K

27、U或KV表示。 冲击韧度K值愈大，表明材料的韧性愈好，受到冲击时愈不易断裂。K值的大小受很多因素影响，不仅与试样形状、表面粗糙度、内部组织有关，还与试验时的温度密切相关。因此冲击韧度值一般只作为选材时的参考，而不能作为计算依据。 材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内K值发生急剧下降的现象称为韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度，如图1-9所示。经常在低温下服役的船舶、桥梁等结构材料的使用温度必须高于其韧脆转变温度。,图1-9 韧脆转变温度曲线示意图,2小能量多次冲击抗力 工程实际中，在冲击载荷作用下工作的机械零件，很少因受大能量一次冲击而破坏，大多数是经千百万次的小能量

28、多次重复冲击，最后导致断裂的，例如，冲模的冲头、凿岩机上的活塞等，所以用K值来衡量材料的冲击抗力，不符合实际情况，应采用小能量多次重复冲击试验来测定。因此材料的多次冲击抗力是一项取决于材料强度和塑性的综合性指标。,1.1.5 疲劳强度 许多机械零件，例如轴、齿轮、轴承、弹簧等，在工作中承受的是交变载荷。所谓交变载荷，是指大小或方向随时间而变化的载荷。在这种载荷作用下，虽然零件所受应力远低于材料的屈服点，但在长期使用中往往会突然发生断裂，这种破坏过程称为疲劳断裂。,工程上规定，材料经无数次重复交变载荷作用而不发生断裂的最大应力称为疲劳强度。图1-10是通过试验测定的材料交变应力和断裂前应力循环次

29、数N之间的关系曲线(疲劳曲线)。该曲线表明，材料受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数N越小，反之，则N越大。当应力低于一定值时，试样经无限周次循环也不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度，用r表示。对称循环r = -1，疲劳极限用-1表示。工程运用上，黑色金属规定循环周次一般为106107，有色金属和某些高强度钢规定循环周次为107108。,图1-10 疲劳曲线示意图,金属产生疲劳断裂同许多因素有关，目前普遍认为是由于材料内部有缺陷，如夹杂物、气孔、疏松等；表面划痕、残余应力及其他能引起应力集中的缺陷也会导致微裂纹产生，这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件突然断裂。由于疲劳破坏时事

30、先没有明显的塑性变形而很难观察到，因此具有很大的危险性。 针对上述原因，可采取以下措施来有效提高零件的疲劳强度：改善结构设计以避免应力集中；提高加工工艺以减少内部组织缺陷；通过降低零件表面粗糙度来提高表面加工质量；采用表面强化方法(如表面淬火、表面滚压、喷丸处理等)使零件表面产生残余压应力，等等。,1.1.6 磨损 机器运转时，任何零件在接触状态下的相对运动都会产生摩擦，导致零件磨损，最后失效。按磨损的破坏机理，磨损可分为粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和接触疲劳。 (1) 粘着磨损：又称咬合磨损，相对运动的两个零件的表面微观上总是凸凹不平的，在接触压力作用下，由于凸起部分首先接触，有效接触面很小

31、，当压力较大时，凸起部分便会发生严重的塑性变形，从而使材料表面接触点发生粘着(冷焊)，随后，在相对滑动时粘着点又被剪切而断掉，造成粘着磨损。,(2) 磨粒磨损：当摩擦副一方的硬度比另一方的硬度大得多或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的磨损，其特征是接触面上有明显的切削痕迹。 (3) 腐蚀磨损：由于外界环境引起金属表面的腐蚀产物剥落，与金属磨面之间的机械磨损(磨粒、粘着)相结合而出现的磨损。 (4) 接触疲劳：滚动轴承、齿轮等一类机件的接触表面在接触压应力的反复长期作用后所引起的一种表面疲劳剥落损坏现象，其损坏形式是在光滑的接触面上分布有若干深浅不同的针尖或豆状凹坑或者较大面积的表层压碎。,

32、1.2 物理与化学性能 1. 物理性能 金属材料的物理性能包括密度、熔点、导热性、导电性、光性能、热膨胀性和磁性等，这些性能多数取决于材料的原子结构、原子排列和晶体结构。由于各种机械零件的用途不同，对材料的物理性能要求也有所不同。例如，飞机零件常选用密度小的铝、镁、钛合金；设计电极、磁极时要考虑材料的导电性和磁性等。 金属材料的物理性能有时也会对其加工工艺有一定的影响。例如，高速钢的导热性能较差，因此在锻造时加热速度不能太快，以免产生裂纹；刀具材料的导热性对刀具的寿命有一定的影响等。,2. 化学性能 金属材料的化学性能主要指在室温或高温时，材料抵抗各种介质的化学侵蚀能力，主要有耐腐蚀性、抗氧化

33、性和化学稳定性等。 在高温下工作的热能设备(锅炉、汽轮机、喷气发动机等)上的零件应选择热稳定性好的材料制造；在海水、酸、碱等腐蚀环境中工作的零件，必须采用化学稳定性良好的材料。例如，化工设备通常采用不锈钢来制造。,1.3 工 艺 性 能 金属材料的工艺性能是指在零件的生产制造过程中，为了能顺利地进行成型加工，金属材料应具备的适应某种加工工艺的能力，它包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能及热处理性能。金属材料工艺性能的好坏会直接影响零件的制造方法、质量和制造成本。在设计零、部件和选择工艺方法时，为了使工艺简单，产品质量好，成本低，必须要考虑金属材料工艺性能好坏的问题。,1. 铸造性能

34、铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析倾向。流动性好的金属或合金易充满型腔，宜浇铸薄而复杂的铸件，溶渣和气体容易上浮，不易形成夹渣和气孔。如果收缩小，则铸件中缩孔、缩松、变形及裂纹等缺陷较少。如果偏析少，则各部分成分较均匀，从而使铸件各部分的机械性能趋于一致。合金钢偏析倾向大，高碳钢偏析倾向又比低碳钢大，因此，合金钢铸造后要用热处理来清除偏析。常用金属材料中，灰铸铁和锡青铜的铸造性较好。,2. 锻造性能 锻造性能是指金属材料在受外力锻打变形而不破坏自身完整性的能力。锻造性能包含金属材料的可塑性和变形抗力两个概念。塑性好，变形抗力小，则可锻性好。低碳钢的可锻性比中、高碳钢好，而

35、碳钢又比合金钢好。铸铁是脆性材料，不能进行锻造。 3. 焊接性能 焊接性能是指金属材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能。焊接性能好的金属材料易于用一般的焊接方法和工艺施焊，且焊时不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊后接头强度与母材相近。低碳钢有优良的焊接性能，高碳钢和铸铁则较差。,4. 切削加工性能 切削加工性能是指金属材料是否易于切削。切削加工性好的金属材料切削时消耗的动力小，切屑易于排除，刀具寿命长，切削后表面粗糙度小。需切削加工的金属材料，硬度要适中，太硬则难以切削，且刀具寿命短；太软则切屑不易断开，表面粗糙度大。故通常要求金属材料的硬度为180 HBS250 HBS。金属材料太硬或太软

36、时，可通过热处理来进行调整。,5. 热处理性能 热处理是改变金属材料性能的主要手段。在热处理过程中，金属材料的成分、组织和结构发生变化，从而引起金属材料的机械性能变化。热处理性能是指金属材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向，其衡量的指标或参数很多，如淬透性、淬硬性、耐回火性、氧化与脱碳倾向及热处理变形与开裂倾向等。,任务2 金属材料的结构 金属材料与非金属材料相比，不仅具有良好的力学性能和某些物理、化学性能，而且工艺性能在多方面也较优良。即使都是金属材料，不同成分和不同状态下性能也会有很大差异。例如，钢强度比铝合金高，但其导电性和导热性不如铝。造成上述性能差异的原因，主要是材料内部结构不

37、同，因此掌握金属材料的内部结构和结晶规律，对于合理选材具有重要意义。,2.1 金属的晶体结构 自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。固态下原子在物质内部作有规则排列，即为晶体。绝大多数金属和合金固态下都属于晶体，例如纯铝、纯铁、纯铜等。固态下物质内部原子呈现无序堆积状况，则称为非晶体，例如松香、玻璃、沥清等。 2.1.1 晶体结构的基础知识 在金属晶体中，原子是按照一定的几何规律周期性地排列的。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规律紧密堆积而成的晶体，如图1-11(a)所示。,(1) 晶格。为了形象

38、地描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点在三维方向上连接起来，这样构成的空间格子称为晶格，如图1-11(b)所示。 (2) 晶胞。晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图1-11(c)所示，它具有很高的对称性。 (3) 晶胞表示方法。不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。结晶学中规定，晶胞的大小以其各棱边尺寸a、b、c表示，称为晶格常数。晶胞各棱边之间的夹角分别,以、表示。当棱边a = b = c，棱边夹角 = = = 90时，这种晶胞称为简单立方晶胞，如图1-11(c)所示。 (4) 原子

39、半径。金属晶体中最邻近的原子间距的一半称为原子半径，它主要取决于晶格类型和晶格常数。 (5) 致密度。金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数称为致密度，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。,图1-11 简单立方晶格与晶胞示意图,2.1.2 典型金属晶格 常用的金属材料中，金属的晶格类型很多，但大多数金属属于体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格三种结构。 1体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，如图1-12(a)所示，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，原子半径r = a，致密度是0.68，表明体心立方晶格中有68%的体积被原子所占有，其余为空隙。属于体心立方

40、晶格类型的常见金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、-铁(-Fe)等。,2面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，如图1-12(b)所示原子位于立方体的八个顶角和立方体的六个面中心，故面心立方晶格的单位晶胞原子数为4个，原子半径r = a，致密度是0.74，表明面心立方晶格中原子排列较紧密。属于该晶格类型的常见金属有铝(Al)、铜(Cu)、铅(Pb)、金(Au)、-铁(-Fe)等。,图1-12 常见金属晶格的晶胞,3密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个正六方柱体，如图1-12(c)所示。原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。其单位晶胞原子数

41、为6个，原子半径r = a，致密度也是0.74。它与面心立方晶格原子排列密集程度相同，只是原子堆垛方式不同。属于密排六方晶格类型的常见金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)、-钛(-Ti)等。,2.1.3 金属实际的晶体结构及缺陷 1多晶体结构 我们研究金属的晶体结构时，把晶体看成是原子按一定几何规律作周期性排列而成的，即晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体。目前，只有采用特殊方法才能获得单晶体。 实际使用的金属材料大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成的，每个小晶体内部晶格位向基本上是一致的，而各小晶体之间位向却不相同，如图1-13所示。这种外形不规则

42、，呈颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 实践表明，在每个晶粒内部，晶格方位也有位向差，这些位向差很小的小晶块相互镶嵌成一颗晶粒。这些小晶块称为亚晶或亚结构，亚晶之间的边界称为亚晶界。,图1-13 金属多晶体结构,2晶体缺陷 在金属晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其他各种因素的影响，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整的原子排列，通常把这种区域称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的性能有重要影响。根据几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 (1) 点缺陷。最常见的点缺陷有晶格空位、置换原子和间隙原子等，如图1-14所示。

43、由于点缺陷的出现，使周围原子发生“撑开”或“靠拢”现象，这种现象称为晶格畸变。晶格畸变的存在，使金属产生内应力，晶体性能发生变化，使金属的强度、硬度和电阻率增加，塑性、韧性下降。,图1-14 点缺陷示意图,(2) 线缺陷。线缺陷主要指的是位错。当晶体中一部分晶体相对于另一部分晶体沿着某一晶面发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称为位错。常见的位错有刃型位错和螺型位错两种。这里我们主要介绍刃型位错，如图1-15所示。这种位错的表现形式是晶体的某一晶面上多出一个半原子面，它如同刀刃一样插入晶体，故称刃型位错。发生位错时，在位错线附近一定范围内，晶格发生了畸变。 位错的存在对金属的力学性

44、能有很大影响。例如，金属材料处于退火状态时，位错密度较低，强度较差；经冷塑性变形后，材料的位错密度增加，故提高了强度。位错在晶体中易于移动，金属材料的塑性变形是通过位错运动来实现的，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径之一。,图1-15 刃型位错晶体结构示意图,(3) 面缺陷。这种缺陷通常发生在晶界和亚晶界。实际金属材料都是多晶体结构，多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的，所以晶界是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层，如图1-16所示。晶界原子处于不稳定状态，能量较高，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特性。例如，常温下晶界有较高的强度和硬度；晶界原子扩散速度较快；晶界容易被腐蚀，熔点低等。

45、亚晶界原子排列也是不规则的，其作用与晶界相似。晶界对位错运动有阻碍作用，因此金属的晶粒越细，金属的强度也越高。,图1-16 晶界示意图,2.2 金 属 的 结 晶 金属的组织与结晶过程关系密切，结晶后形成的组织对金属的使用性能和工艺性能有直接影响，因此了解金属和合金的结晶规律非常必要。 2.2.1 金属结晶的概念 1结晶的概念 绝大多数金属制件都是经过熔化、冶炼和浇注而获得的，这种由液态转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是晶体，则这种凝固又称为结晶。一般金属固态下是晶体，所以金属的凝固过程可称为结晶。,2纯金属的冷却曲线 纯金属都有一个固定的熔点(或结晶温度)，高于此温度会熔化，低于

46、此温度才能结晶成为晶体。金属的结晶温度通常用热分析等实验方法来测定。 图1-17为纯金属的冷却曲线，其原理是在液态纯金属的缓慢冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，直到冷却至室温，将测量结果绘制在温度时间坐标上，便得到纯金属的冷却曲线，即温度随时间而变化的曲线。,图1-17 纯金属的冷却曲线,由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断散失，温度也不断下降，但是当冷却到某一温度时，温度随时间延长并不变化，在冷却曲线上出现了“平台”，“平台”对应的温度就是纯金属的实际结晶温度。出现“平台”的原因，是结晶时放出的潜热正好补偿了金属向外界散失的热量。结晶完成后，由于金属继续向外界散热

47、，温度又重新下降。 需要指出的是，图1-17中T0为理论结晶温度，金属实际结晶温度(Tn)总是低于理论结晶温度(T0)的现象，称为过冷现象。理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度，以T表示，即T = T0 - Tn。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度越低。,2.2.2 纯金属的结晶过程 纯金属的结晶过程发生在冷却曲线上平台所经历的这段时间。液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体晶核，它不断长大，同时新的晶核又不断产生并相继长大，直至液态金属全部消失为止，如图1-18所示。因此金属的结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个基本过程，并且这

48、两个过程是同时进行的。,图1-18 纯金属结晶过程示意图,1晶核的形成 由图1-18可见，当液态金属冷至结晶温度以下时，某些类似晶体原子排列的小集团便成为结晶核心，这种由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。而在实际金属中常有杂质存在，这种依附于杂质或型壁而形成的晶核在形成时具有择优取向，这种形核方式称为非自发形核。自发形核和非自发形核在金属结晶时是同时进行的，但非自发形核常起优先和主导作用。,2晶核的长大 晶核形成后，当过冷度较大或金属中存在杂质时，金属晶体常以树枝形式长大。在晶核形成初期，外形一般比较规则，但随着晶核的长大，形成了晶体的顶角和棱边，此处散热条件优于其他部位，因此在顶角和棱边处以较大成长速度形成枝干。同理，在枝干的长大过程中，又会不断生出分支，最后填满枝干的空间，结果形成树枝状晶体，简称枝晶。,2.2.3 金属结晶与晶粒大小 金属结晶后晶粒大小对金属的力学性能有重大影响，一般来说，细晶粒金属具有较高的强度和硬度，同时也具有较高的塑性和韧性。为了提高金属的力学性能，希望得到细晶组织，就必须了解影响晶粒大小的因素及控制方法。 结晶后的晶粒大小主要取决于形核率(单位时间、单位体积内所形成的晶核数目)与晶核的长大速率(单位时间内晶核向周围长大的平均线速度)的相对大小。显然，