1、第二部分：金属材料,梁玉军 材料科学与化学工程学院,歼10 (中国),太行发动机（中国）,材 料 学 科,金属材料,课程内容,2、金属材料的力学性能,3、金属合金相图,1、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷,4、新型金属材料,金属材料,金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物。,在103种元素中，除He,Ne,Ar等6种惰性元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽
2、及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。,单质金属,合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合金的性质与组成合金的各个相的性质有关，同时也与这些相在合金中的数量、形状及分布有关。,合 金,合 金,组元：组成材料的最基本的独立的物质称为“组元”，组元可以是金属元素或非金属元素（例如：普通碳钢的组元是Fe与C)，也可以是稳定的化合物。 相：材料中成份、性能、结构相同并以界面互相分开的均匀的组成部分称为“相”。,金属的结构,1、体心立方结构,图1 体心立方晶胞,（a）刚球模型,（b）质点模型,（c）晶胞原子
3、数,金属的结构,2、面心立方结构,图2 面心立方晶胞,金属的结构,3、密排六方结构,图3 密排六方晶胞,（a）刚球模型,（b）质点模型,（c）晶胞原子数,金属的实际晶体结构,实际上，金属是一个多晶体结构， 这种原子排列方位基本一致，但 外形不规则的小晶体，称为晶粒。 由于金属是多晶体结构，单个晶 粒的各向异性彼此相互抵消，金属 就显示出各向同性，若对金属进行 单方向的塑性变形（如冷扎、冷拉 等），使各个晶粒的晶格趋向一致， 则多晶体金属又会显示出各向异性。,图4 金属的多晶体结构示意图,金属间化合物,合金的分类,固溶体,合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同， 可以分为固溶体、金属化合物、机
4、械混合物三种类型。,合金固溶体,当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固溶体。,合金金属间化合物,金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物。,合金金属间化合物,A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。,例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典型的金属化合物。,合金中的固溶体,固溶体的分类,根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为： 置换固溶体（代位固溶体） 间隙固溶体,置换固溶体,特点,置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的
5、原子。当A、 B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上。,置换固溶体,置换固溶体,置换固溶体4,（a）随机置换固溶体,（b）有序置换固溶体,特点,间隙固溶体,间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能形成有限固溶体。例如：C溶入-Fe或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体。在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构。,间隙固溶体,间隙固溶
6、体,间隙固溶体,随机间隙固溶体,固溶体中的溶质丛聚,固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。,合金中的固溶体,合金中的固溶体,实际应用：铂、铑单独做热电偶材料使用，熔点为1450，而将铂铑合金做其中的一根热电偶，铂做另一根热电偶，熔点为1700，若两根热电偶都用铂铑合金而只是铂铑比例不同，熔点达2000以上。,金属间化合物,特点,金属间化合物可分为三类， 即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物） 、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相） 以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。 除了这三类由单一元素决定的典
7、型金属间化合物外， 还有许多金属间化合物， 其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。,晶体结构缺陷,缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势 场的畸变称为晶体的结构缺陷。 理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。,由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。,研究缺陷的意义,缺陷的类型,点缺陷 线缺陷 面缺陷,热缺陷 杂质缺陷 非化学计量
8、缺陷,缺陷的成因,晶体结构缺陷,点缺陷（零维缺陷） Point Defect,缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。包括：空位（vacancy）间隙质点（interstitial particle）错位原子或离子外来原子或离子（杂质质点）（foreign particle）双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。,Now What Do You See?,Vacancy,Interstitial, 空位:,-结构中存在空位原子。, 间隙质点:,-原子间存在特殊原子。,发生概率高,发生概率低,点缺陷（零维缺陷） Point Defec
9、t,点缺陷（零维缺陷） Point Defect,OR,替位合金 （Substitutional alloy） (如： Cu in Ni),间隙合金 （Interstitial alloy） (如： C in Fe),线缺陷,指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错（dislocation），如图所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。,线缺陷刃型位错,晶体在大于屈服值的切应力作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。
10、几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 分类：正刃位错， “” ；负刃位错， “T” 。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。,线缺陷刃型位错,刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图,晶体局部滑移造成的刃型位错,面缺陷螺型位错,晶体在外加切应力作用下，沿ABCD面滑移，图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。 几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。 分类：
11、有左、右旋之分，分别以符号“”和“”表示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则。,面缺陷螺型位错,螺型位错示意图:（a）立体模型 ；（b）平面图,(b),螺型位错示意图,面缺陷,面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。,面缺陷晶界,晶界示意图,亚晶界示意图,面缺陷晶界,晶界: 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因
12、同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。亚晶界: 实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2)。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。,面缺陷晶界,金属材料的力学性能,金属材料的力学性能又称机械性能，是材料在力的作用下所表现出来的性能。力学性能对金属材料的使用性能和工艺性能有着非常重要的影响。金属材料的主要力学性能有：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。,金属材料的力学性能,测试方法和仪器,金属材料的强度和塑性是通过拉伸试验测定出来的。,实
13、验样件,(b)矩形截面标准试件(截面积为A）：,标距l0,压缩试件常采用圆形截面或方形截面的短试件。试件高度与截面尺寸的比例关系为 圆形截面试件：l0 /d0 =1.5 3 ； 方形截面试件：l0 /b =1 3 。,力一伸长曲线,低碳钢力-伸长曲线,在开始的Fe阶段，载荷F与伸长量l为线性关系，并且，去除载荷，试样将恢复到原始长度。在此阶段试样的变形称为弹性变形。载荷超过Fe之后，试样除发生弹性变形外还将发生塑性变形。当载荷增大到Fe之后，拉伸图上出现了水平线段，这表示载荷虽未增加，但试样继续发生塑性变形而伸长，这种现象称为“屈服”，s点称为屈服点。,4、当载荷超过Fb以后，试样上某部分开始
14、变细，出现了缩颈”，由于其截面缩小，使继续变形所需载荷下降。 5、载荷到达Fk时，试样在缩颈处断裂。,1强度,强度是金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。强度有多种判据，工程上以屈服点和抗拉强度最为常用。,(1)屈服点 它是指拉伸试样产生屈服现象时的应力。它可按下式计算：,Fs试样发生屈服时所承受的最大载荷，N； Ao试样原始截面积，mm2 。,抗拉强度：指金属材料在拉断前所能承受的最大应力，以b表示。它可按下式计算：,Fb试样在拉断前所承受的最大载荷，N； Ao试样原始截面积，mm2 。,2抗拉强度,3塑性,塑性是指金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力，通常以伸长率来表示：,lo试
15、样原始标距长度，mm； L1试样拉断后的标距长度，mm。,必须指出，伸长率的数值与试样尺寸有关，因而试验时应对所选定的试样尺寸作出规定，以便进行比较如lo =10do时，用 10或 表示； lo =5do时，用 5表示。,金属材料的塑性也可用断面收缩率表示：,=,A0-A1,A0,X100%,Ao试样的原始截面积，mm2 ；A1试样拉断后，断口处截面积，mm2 。,和值愈大，材料的塑性愈好。良好的塑性不仅是金属材料进行轧制、锻造、冲压、焊接的必要条件，而且在使用时万一超载，由于产生塑性变形，能够避免突然断裂。,4、硬 度,金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕的能力，称为硬度。硬度是衡量金
16、属软硬的判据。硬度直接影响到材料的耐磨性及切削加工性，因为机械制造中的刃具、量具、模具及工件的耐磨表面都应具有足够高的硬度，才能保证其使用性能和寿命。若所加工的金属坯料的硬度过高时，则给切削加工带来困难。显然，硬度也是重要的力学性能指标，应用十分广泛。金属材料的硬度是在硬度计上测定的。常用的有布氏硬度法和洛氏硬度法，有时还采用维氏硬度法。,4.1 布氏硬度(HB),以直径为D的淬火钢球或硬质合金球为压头，在载荷F的静压力下，将压头压人被测材料的表面(图13a)；停留若干秒后，卸去载荷(图13b)。然后，采用带刻度的专用放大镜测出压痕直径d，并依据d的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值。,4
17、.2 洛氏硬度(HR),洛氏硬度的测试原理是以顶角为120金刚石圆锥体(或 1.588mm淬火钢球)为压头，在规定的载荷下，垂直地压人被测金属表面，卸载后依据压人深度九，由刻度盘上的指针直接指示出HR值(图14)。,5、疲劳强度,机械上的许多零件，如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等是在周期性或非周期性动载荷(称为疲劳载荷)的作用下工作的。这些承受疲劳载荷的零件发生断裂时，其应力往往大大低于该材料的强度极限，这种断裂称作疲劳断。,金属材料所承受的疲劳应力()与其断裂前的应力循环次数(N)，具有图15所示的疲劳曲线关系。当应力下降到某值之后，疲劳曲线成为水平线，这表示该材料可经受无数次应力循环而仍不发生疲劳断裂，这个应力值称为疲劳极限或疲劳强度，亦即金属材料在无数次循环载荷作用下不致引起断裂的最大应力。,产生疲劳断裂的原因，一般认为是由于材料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷，导致产生微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，致使零件有效截面逐步缩减，直至不能承受所加载荷而突然断裂。,为了提高零件的疲劳强度，除应改善其结构形状、减少应力集中外，还可采取表面强化的方法，如提高零件的表面质量、喷丸处理、表面热处理等。同时，应控制材料的内部质量，避免气孔、夹杂等缺陷。,The End,
