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1、第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 1 包雪鹏 2010.10.14 力学性能试验 第一章 金属材料基础知识 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 2 一、金属与合金的晶体结构与结晶 固体物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体和 非晶体两大类。原子按一定的几何形式周期性重复排列而 成的固态物质称之为晶体，原子无规则地堆积在一起的固 态物质称为非晶体。 晶体的原子（基本质点）在空间排列是有一定规律的 。 固体金属均是晶体，有规
2、则的外形，固定的熔点，有 各向异性。 “力学性能试验”金属材料晶体 第一节 金属学与热处理基础知识 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 3 （一）晶体结构的基础知识 晶格的概念： 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。为了便于理解 ，把原子看成是一个小球，则金属晶体就是由这些小球有规律 堆积而成的物体。为了形象地表示晶体中原子排列的规律，可 以将原子简化成一个点，用假想的线将这些连接起来，构成有 明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空 间格架叫做晶格。 1 晶体中原子排列 2 晶格 3 晶胞
3、第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 4 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（最小 的周期性变化单元），它有很高的对称性。 晶格常数 金属中三种典型的晶格： 体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 5 体心立方晶格： -Fe 面心立方晶格： Al、Cu、Pb、-Fe 密排六方晶格： Mg、Zn 第一章 金属材料基础知识 上海
4、汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 6 小 结 原子按一定的几何形式周期重复排列而成的固态物质称 之为晶体，原子无规则地堆积在一起的固态物质称为非晶体 。 金属晶体是依靠各正离子与公有自由电子间的引力，即 金属键而结合起来。 描述晶体中原子排列的几何形状和规律，实际研究中常 引用晶格和晶胞的概念。 常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和 密排立方晶格。 晶格类型不同，原子排列方式、致密度、晶格常数等就 不同，金属力学性能也将随之发生变化。 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle T
5、echnical Center 7 （二）金属实际的晶体结构 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，通常把这种区域称为晶体缺陷。 因此，金属的实际性能较理想的低。 实际金属多晶体结构 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 8 金属中缺陷的种类很多，根据晶体缺陷的几何特征，可 分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 (1) 点缺陷：缺陷呈点状分 布，常见的有晶格空位、间隙原 子等，使得周围原子发生撑开或 靠拢，晶格畸变。 间隙原子 晶格空位 置换
6、原子 点缺陷示意图 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 9 (2) 线缺陷：缺陷呈线状，主要是位错，常见的是刃型 位错。 刃型位错 螺形位错 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 10 (3) 面缺陷：缺陷呈面状分布，通常是晶界和亚晶界。 晶界 亚晶界 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 11 小 结 金属晶体缺陷对性能的影响 1点缺陷造成局
7、部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服 强度增加，密度发生变化。 2线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错 极少时，金属强度很高；位错密度越大，金属强度也会提高 。 3面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越 高，金属塑变的能力越大，塑性越好。（细晶强化） 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 12 （三）金属的结晶 1 结晶的概念 从状态看：结晶通常是指金属自液态转变为固态的过程 。 从金属学观点：结晶则是指物质的原子从近程有序过度 到远程有序结构的过程。 过冷现象：金属的实际结晶温度 （T1）低于理论结
8、晶温度(T0)的现象 ，即在T0以下金属仍处于液态的现象 。理论结晶温度和实际结晶温度的差 称为过冷度T 。 冷却速度越大，过冷度就越大， 金属的实际结晶温度就越低。 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 13 2 纯金属的结晶过程 金属的结晶包括晶核的产生和晶核长大两个基本过程， 并且是这两个过程同时进行的。 纯金属的结晶过程： 液态金属中存在有序排列的原子小 集团，随原子的热运动，这些小集团时聚时散，当温度低于 T0时，这些原子小集团成为有规则排列的小晶体，称为“晶核 ”。晶核通过吸附周围的原子，沿各个方向
9、以不同的速度长大 ，同时又有新的晶核形成，在晶核的棱角处长大速度最快， 生成晶体的主干，又称一次晶轴。金属的结晶过程就是不断 形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两 个基本过程组成的。 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 14 晶粒大小对金属力学性能的影响：在一般情况下，晶粒愈 小，则金属的强度、塑性和韧性愈好。为提高金属力学性能， 需要细化晶粒。 晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。形核率N愈高， 晶核长大速度G愈小，晶粒愈细小，材料的力学性能愈好。 铸造生产中，常用以下方法细化液态金属结晶的
10、晶粒。 (1) 增加过冷度 (2) 变质处理 (3) 附加振动 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 15 （四）合金的结构和结晶 1 合金的相组织 固态时合金形成固溶体、金属化合物和机械混合物三 类组织。 (1) 固溶体 定义：就是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，并保 持溶剂元素的晶体结构。 置换固溶体：溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶 质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。例如： Fe与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体。 间隙固溶体：溶质
11、原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶 剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。 例如：Fe 与 C、N 、 O 、H 形成间隙固溶体。 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 16 固溶体的性能：与基体金属相比，强度硬度增加，塑性 韧性降低，电阻、矫顽力增加。 固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料 强度增加的现象称为固溶强化。强化材料的方法之一。 (2) 金属化合物 定义：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性 能均不同于任一组元的合金固相。 对合金性能的影响：金属化合物具有较高的熔点、较
12、高 的硬度和较大的脆性，是合金中的强化相。它的出现可提高 合金的强度、硬度和耐磨性，但降低塑韧性。如Fe3C 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 17 (3) 机械混合物 是由两种单相固溶体或固溶体与化合物组成的一种复相 物，两相各自保持独立的晶格结构，不互溶，不化合，作为 一种金相组织出现在合金中。 机械混合物的性能取决于两相的相对含量及组成相的大 小和形状。 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 18 二、金属热处理简介
13、（一）概述 金属热处理是将金属放在一定的介质中，以预定的速度 加热到预定的温度，保温预定的时间后，以预定的方式冷却 到室温的一种热加工工艺。 （二）热处理工艺 GB/T 12603-2005 金属热处理工艺分类及代号 普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：表面淬火（感应淬火、火焰淬火）、化学热 处理（渗碳、氮化、碳氮共渗） 其他热处理：可控气氛热处理、真空热处理、形变热处理、 激光热处理 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 19 普通热处理：是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却， 以改变其整体力学
14、性能的金属热处理工艺。 钢铁普通热处理：退火、正火、淬火、回火 退火：将工件加热至适当温度保温，再缓慢冷却（一般 随炉冷却），获得的组织接近平衡组织。 目的：调整硬度，便于切削加工；消除内应力，减少变 形；细化晶粒，为最终热处理做准备。 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 20 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 21 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical
15、 Center 22 正火：将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却。 目的：改善切削性能，要求不高零件的最终热处理。 淬火：将工件加热到临界点以上，保温后快速冷却，使奥 氏体转变为马氏体的热处理工艺。 目的：获得马氏体组织，提高强度、硬度。 回火：将淬火的钢加热到A1以下的温度，保温后冷却的 热处理工艺。（高温回火、中温回火、低温回火） 目的：降低脆性，减少或消除淬火应力，防止变形和开裂 ，获得所需要的力学性能。 调质处理：淬火和高温回火结合，称为调质处理。获得良 好的综合力学性能。 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Ce
16、nter 23 第二节 结构材料对力学性能的要求 材料的性能从技术角度上讲主要分为材料的使用性能和 工艺性能。使用性能包括力学性能（如强度、韧性、塑性等 ）、化学性能（如抗氧化性、耐腐蚀性等）、物理性能（密 度、导电性等）。工艺性能是材料实现其使用性能的可能性 和可行性，对金属材料其包括铸造性、成形性、焊接性、切 削加工性、热处理工艺性等。 金属材料按使用性能可分为结构材料（主要利用材料的 力学性能）和功能材料（主要利用材料的物理和化学性能） 。 “力学性能试验”力学性能、成形性 第一章 金属材料基础知识 上海汽车商用车技术中心 Commercial Vehicle Technical Center 24 一、强度：强度是结构材料，尤其是结构钢最基本的性能要求。结构钢 一般按屈服强度或抗拉强度来划分等级。零件用材料的屈服强度作为衡量 材料承载和安全的主要判据，并以屈服强度进行强度
