工程材料及成型技术基础第1章 材料的性能.

《工程材料及成型技术基础第1章 材料的性能.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料及成型技术基础第1章 材料的性能.（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1.2 晶体材料的原子排列 一、晶体的基本知识 （一）、晶体与非晶体 固态态物质质按其原子（或分子）聚集状态态可分为为体 和非晶体两大类类。在晶体中，原子（或分子）按一定 的几何规规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子 ）则则是无规则规则 的堆积积在一起。（如松香、玻璃、沥沥青 ）自然界中晶莹剔透的金刚石和水晶属于晶体，但普 通玻璃光亮透明，但它属于非晶体。而金属和合金虽 然不透明，但它们在通常条件下都是晶体。 （二）、晶格、晶胞、晶格常数 1、晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子 看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中 各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，

2、各原子的中 心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子 在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。 2、晶胞 由于晶体中原子有规则规则 排列且有周期性的特点， 为为了便于讨论讨论 通常只从晶格中，选选取一个能够够完全 反映晶格特征的、最小的几何单单元来分析晶体中原子 排列的规规律，这这个最小的几何单单元称为为晶胞 ，整个 晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间 重复堆积而成的。 3、晶格常数 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿 其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而 且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之 为反方向，并以棱边长度 和棱面夹夹角 来

3、表示晶胞的形状和大小 。 （三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排 列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。 1、体心立方晶格bcc 体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中 心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为为相邻邻 的八个晶胞所共有，每个晶胞实际实际 上只占有18个原 子。而中心的原子为该为该 晶胞所独有。故晶胞中实际实际 原 子数为为81812（个）。具有体心立方晶格的金 属有 、 等。 2、面心立方晶格 面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上 和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原 子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为

4、 两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为81 86124（个）。 具有面心立方晶格的金属有 、 等。 3、密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面 和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。 一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上 和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还间还 有三个 原子。 密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、 下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞 独有。所以，密排六方晶胞中原子数为121621236 （个）。具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。 （四）、晶体

5、结构的致密度 晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之 比，可用来原子排列的紧紧密程度进进行定量比较较。 在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2（4 3）r3，式中r为为原子半径 。故体心立方晶格的致密度为为： 2 个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。 这表明在体心立方晶格中，有68的体积被所占据，其余为空 隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显 然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立 方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。 三、实际金属的晶体结构 （一）、金属材料都是多晶体 我们把晶格位向完全一致的晶体叫做

6、单晶体。单 晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的 金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内 部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的 小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是 晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部 其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位 向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些 小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界 。 （二）、晶体的缺陷 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干 扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区 域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（ 物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影

7、响， 如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过 原子间的作用力计算所得数值。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三 类： 点缺陷 线缺陷 面缺陷 1、点缺陷空位和间隙原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原 子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在 个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格 位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。 由于空位和间隙原子的存在 ，使晶体发生 了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬 度和电阻增加。 晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动 和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定 平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子 的运动

8、，是金属中原子扩散的主要方式，对金 属材料的热处理过程极为重要。 2、线缺陷位错 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错 排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很 长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通 常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错 线的总长度。 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如 强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的 塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现 了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度 的增加所致。 3、面缺陷晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在 着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是

9、一个 原子排列不规则的区域（如图223、224），该处 晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常 温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被 腐蚀等。 总结 1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和 密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另 一种的变化会引起体积的变化。 2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和 固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金 化是提高金属性能的方法之一。 3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着 点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的 热处理过程极为重要。位错错的存在以及位错错密度的变变 化，对对金属的性能如强度、塑性、疲劳

10、劳等都起着重要 影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错 密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚亚晶界也与材料的 力学性能有关。 第一章 金属的力学性能 教学目标: 了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、 抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧 性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原 理； 强调各种力学性能指标的生产实际意义； 了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺 性能。 金属的力学性能 定义 : 金属材料的力学性能是指金属材料在不同 环境（温度、介质）下，承受各种外加载荷（ 拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等 ）时所表现出的力学特征。 指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、

11、硬度、冲击 韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。 材料的其他性能 物理性能： 密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、 磁性等； 化学性能： 耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性等； 工艺性能： 铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工 性、热处理工艺性等。 2 材料的静态力学性能 材料的力学性能的各项指标是在 一系列规定条件下力学行为的反 映。 一 强度和塑性 1.拉伸过程 拉伸试样的颈缩现象 拉伸试验机 沿试样轴向以一定速度施加载荷， 使其发生拉伸变形直至断裂。通过 力与位移传感器可获得载荷(P)与 试样伸长量(L)之间的关系曲线 ，称为拉伸曲线或P-L曲线（图2 -5）。 op段：比例弹性变形阶段； p

12、e段：非比例弹性变形阶段； 平台或锯齿（s段）：屈服阶段 ； sb段：均匀塑性变形阶段，是 强化阶段。 b点：形成了“缩颈”。 bk段：非均匀变形阶段，承载 下降，到k点断裂。 断裂总伸长为Of，其中塑形变 形Og(试样断后测得的伸长)， 弹性伸长gf。 l F l bl u l Fb b k Fs s o g f e Fe p Fp 3.拉伸曲线 图2-5 拉伸曲线（位移曲线）和应力-应变曲线 若将纵坐标以应力(= P/A0, A0 为试样原始截面积，图2-3)表 示，横坐标以应变(=(L/ L0, L0为试样标距)表示，则这时的曲 线与试样的尺寸无关，称为应力- 应变曲线或-曲线（图2-5

13、） 。 2.应力-应变曲线可以确定材料 的强度指标(图2-6)： 图2-6 从应力-应变曲线上确定强 度指标 退火低碳钢 低、中回火钢淬火钢及铸铁 中碳调质钢 不同材料的拉伸曲线 材料在拉伸过程中要发生弹性变形、均匀 塑性变形、非均匀塑性变形（颈缩）和最 后的断裂。 材料在外力作用下产生变形，若外力去除 后变形完全消失，材料恢复原状，则这种 可逆的变形就叫弹性变形。若外力去除后 变形不能完全恢复，不能恢复的变形部分 称为塑性变形。 1）弹性极限 e 是材料只发生弹性变形所能承受的最 大应力，记为e（图2-5，2-6），可 用下式求出: e = Pe / A0 式中Pe （图2-5左图e点）-

14、弹性极限 载荷，通常很难确定。在国家标准中把 产生0.01%残余伸长所需的应力作为规 定弹性极限，记为0.01。 2） 比例极限 p 比例极限p （图2-5，2-6 ）略 低于弹性极限，是材料所受应力与 应变成正比关系的最大应力，可用 下式求出: p = Pp / Ao 式中Pp （图2-5左图p点）- 应力 与应变成正比关系的最大载荷。 3）屈服强度 s、o.2 在拉伸过程中，出现载荷不增 加而试样还继续伸长的现象称为 屈服。屈服时所对应的应力称为 屈服强度，记为s,可由下式求出 : s = Ps / F0 式中Ps-屈服时的外载荷。 屈服强度表征材料发生明显塑性变 形时的抗力。大多数工程材

15、料都没 有明显的屈服现象，因此，通常规 定产生0.2%残余伸长所对应的应力 ，作为条件屈服强度，记为0.2。 4）抗拉强度 b 当拉伸试样屈服以后，欲继续变形， 必须不断增加载荷。当载荷达到最大值 Pb后，试样的某一部位截面开始急剧缩 小，出现了“颈缩“，致使载荷下降，直 到最后断裂。试样能承受的最大载荷除 以试样原始截面积所得的应力，称为抗 拉强度，记为b, 即: b = Pb/ F0 抗拉强度是材料在拉伸条件下能够 承受最大载荷时的相应应力值, 表 征了材料对最大均匀变形的抗力。 5）刚度弹性模量 E 材料在受力时抵抗产生弹性变形 的能力称为刚度。通常用材料在弹 性范围内，应力应变的比值（

16、图2- 5，2-6直线段部分的斜率）即弹性 模量（记为E）来作为衡量材料刚 度的指标。 6）塑性 断裂前材料发生塑性变形的能力叫塑 性。常用塑性指标有伸长率（）和断 面收缩率（）。其数值可由下式求出( 图2-7)： = ( L1 L0 )/ L0 100% = ( A0 A1 )/A0100% 式中L0-试样原始标距长度；L1-试样 断裂后标距 的长度；A0-试样原始截面 积；A1-试样断裂处截面积。 试验结果表明，对同一材料制成 的几何形状相似 的试样，均匀变形 伸长率和试样尺寸无关，集中变形 伸长率和 F0/ L0比值有关。所以, 通常用L0 = 5d0 和L0 = 10d0 两种 比例试样来测定伸长率，分别 记为 5和