金属材料基础知识.ppt
《金属材料基础知识.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《金属材料基础知识.ppt(279页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、金属材料基础知识,金属材料的基本定义,金属材料:是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。 纯金属 金属材料 合金,金属材料的性能,力学性能,物理性能,化学性能,工艺性能,金属材料的性能,使用性能,力学性能,力学性能 指金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能,如弹性、强度、硬度、塑性、韧性等,强度 概念:金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力 。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。 =F/S -应力 Pa 1 Pa=1N/m2 1M Pa=106Pa 按载荷的作用方式不同,强度可分为:抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、
2、抗剪强度、和抗扭强度。 注意:一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。,拉伸实验 (金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定),(GB/T228.1-2010),1. 拉伸试样,2. 力伸长曲线(以低碳钢试样为例),3. 脆性材料的拉伸曲线,1. 拉伸试样(GB6397-86),长试样:L0=10d0,短试样:L0=5d0,万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式,2. 力伸长曲线,弹性变形阶段 0p,屈服阶段 ss,颈缩现象 bz,拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。,强化阶段 sb,(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂,拉伸试样的颈缩现象,3.
3、脆性材料的拉伸曲线(与低碳钢试样相对比),脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。,强度指标 (1)屈服点s材料产生屈服时的最小应力。单位为MPa。 s= Fs/A0 式中,Fs是屈服时的最小载荷(N);A0是试样原始截面积。 对于无明显屈服现象的金属材料(如高碳钢、铸铁),测量屈服点很困难,工程上经常采用残余伸长为0.2原长时的应力0.2作为屈服强度指标,称为规定残余伸长应力。 0.2= F0.2/A0 (2)抗拉强度b材料在拉断前所承受的最大应力,单位为MPa。抗拉强度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力,也是设计机械零件和选材的主要依据。 b= Fb/A0 式中,Fb是试样断裂前所承受的最大载
4、荷(N)。,强度的意义 强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力,一般钢材的屈服强度在2001000MPa 之间。 强度越高,表明材料在工作时越可以承受较高的载荷。当载荷一定时,选用高强度的材料,可以减小构件或零件的尺寸,从而减小其自重。 因此,提高材料的强度是材料科学中的重要课题,称之为材料的强化。,塑性 金属材料在载荷的作用下,产生塑性变形而不断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得 的常用塑性指标有:断后伸长率和断面收缩率。 主要指标:1断后伸长率 2断面收缩率,断后伸长率,由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不同,因此应注明试样尺寸比例。如: 10试样 L0=10d0 5 试样
5、 L0=5d0,断面收缩率,和是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大小。 一般认为5的材料为塑性材料,如低碳钢;5的为脆性材料,如灰铸铁 .,塑性对材料的意义: 1.是金属材料进行压力加工的必要条件; 2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载,也会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂,强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中,要提高强度,就要牺牲一部分塑性。反之,要改善塑性,就必须牺牲一部分强度。 正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的显微组织,可以同时提高材料的强度和塑性,硬 度,硬度:,硬度试验方法:,压入法,它是材料性能的一个综合的物理量。 (表
6、示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗局部变形,特别是塑性变形、压痕或划痕的能力) 硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。,布氏硬度(HB) 洛氏硬度(HR) 维氏硬度(HV),材料抵抗表面局部塑性变形的能力。,1、布氏硬度试验(布氏硬度计),原理:用一定直径的球体(淬火钢球或硬质合金球)以相应的试验力压入待测材料表面,保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力,测量材料表面压痕直径,以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。,2、布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。 如:120HBS 500HBW,4、测量范围 用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.,布氏硬度,3、
7、优缺点 (1)测量值较准确,重复性好,可测组织不均匀材料(铸铁) (2)可测的硬度值不高 (3)不测试成品与薄件 (4)测量费时,效率低,1、洛氏硬度试验(洛氏硬度计),原理: 用金刚石圆锥或淬火钢球,在试验力的作用下压入试样表面,经规定时间后卸除试验力,用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。,2、洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如:50HRC 其中A、B、C为不同的标尺,4、测量范围 用于测量淬火钢、硬质合金等材料.,洛氏硬度,3、优缺点 (1)试验简单、方便、迅速 (2)压痕小,可测成品,薄件 (3)数据不够准确,应测三点取平均值 (4)不应测组织
8、不均匀材料,如铸铁。,1、维氏硬度试验,原理:用夹角为136的金刚石四棱锥体压头,使用很小试验力F(49.03-980.07N)压入试样表面,测出压痕对角线长度d。,2、维氏硬度值 用压痕对角线长度表示。如:640HV。,4、测量范围 常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。,维氏硬度,3、优缺点 (1)测量准确,应用范围广(硬度从极软到极硬) (2)可测成品与薄件 (3)试样表面要求高,费工。,冲击韧性,强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载荷作用下的表现。 材料在工作时还经常受到动载荷的作用,冲击载荷就是常见的一种。,在设计和制造受冲击载荷的零件和工具(如锻锤、冲床、铆钉枪等)时,
9、必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作用下得力学性能指标外,还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。,冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加载速率高、应力集中。由于加载速率提高,金属形变速率也随之增加。 冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,称为冲击韧性。 示例:玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂,说明其冲击韧性很低。,冲击试验,冲击试样 冲击试验原理 冲击韧性的表示方法,如不能制备标准试佯,可采用宽度7.5mm或5mm等小尺寸试祥,试样的其他尺寸及公差与相应缺口的标准试样相同,缺口应开在试样的窄面上。其中5mm10mm55mm试样常用于薄板材料的检
10、验。 焊接接头冲击试样的形状和尺寸与相应的标准试样相同,但其缺口轴线应当垂直焊缝表面。,原理,冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定,试验时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上,将摆锤升至高度H1,使其具有势能mgH1;然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断,并向另一方向升高至H2,这时摆锤的势能为mgH2。 所以,摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg(H1-H2),即为冲击功(焦耳/J)。,材料冲击韧性的表示方法,按照国标GB/T2292007,U型缺口试样和V型缺口试样的冲击能量分别表示为KU和KV,并用下标数字2或8表示摆锤刀刃半径,如KU2 ,其单位是焦耳(J)。 冲击吸收能
11、量的大小直接由试验机的刻度盘上直接读出。,冲击吸收能量的值越大,材料的韧性越大,越可以承受较大的冲击载荷。 冲击吸收能量K或冲击韧性值K越大,材料的韧性越大,越可以承受较大的冲击载荷。一般把冲击吸收能量低的材料称为脆性材料,冲击吸收能量高的材料称为韧性材料。,缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便 用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及热处理等热加工工艺的质量。 用来评定材料的冷脆倾向(测定韧脆转变温度)。设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。,冲击试验的应用,冲击试验的应用,缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断抗力,因此对某些特殊服役条件下的零件,如弹壳、装甲板
12、、石油射孔枪等,有一定的参考价值。 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标,不能直接用于零件和构件的设计计算,但它是一个重要参考,所以将材料的冲击韧性列为金属材料的常规力学性能,ReL(Rr0.2)、Rm、A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。,低温脆性随温度降低,材料由韧性状态转变为脆性状态的现象 。 冷脆:材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象。 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。,低温脆性,冲击韧性与温度有密切的关系,温度降低,冲击韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急剧下降,材料将由韧性状态转变为
13、脆性状态。这一温度称为转变温度( Tt )。 转变温度( Tt )越低,表明材料的低温韧性越好,对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。,金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很大,一般的碳素钢,其韧脆转变温度( Tt )大约为-20,某些合金钢的韧脆转变温度( Tt )可达-40以下。,TITANIC,建造中的Titanic 号,TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关,1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号(Titanic)首航沉没于冰海,成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后,材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究,回答了80年的未解之谜。由于Titanic 号采用
14、了含硫高的钢板,韧性很差,特别是在低温呈脆性。所以,当船在冰水中撞击冰山时,脆性船板使船体产生很长的裂纹,海水大量涌入使船迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的Titanic号,冲击试样是典型的脆性断口,右面的是近代船用钢板的冲击试样。,提高冲击韧性的途径,冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量,所以提高材料的冲击韧性的途径有: 改变材料的成分,如加入钒、钛、铝、氮等元素,通过细化晶粒来提高其韧性,尤其是低温韧性; 提高材料的冶金质量,减少偏析、夹渣、 气泡等缺陷;,疲劳强度,疲劳概念: 在交变应力作用下,零件所承受的应力低于材料的屈服点,但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象
15、称为金属的疲劳。,1998年6月3日,德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨,造成100多人遇难。 事故的原因已经查清,是因为一节车厢的车轮“内部疲劳断裂”引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂,导致车轮脱轨,进而造成车厢横摆,此时列车正好过桥,横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断,造成桥梁坍塌,压住了通过的列车车厢,并使已通过桥洞的车头及前5节车厢断开,而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接二连三地撞在坍塌的桥体上,从而导致了这场近50年来德国最惨重的铁路事故。,变动载荷和循环应力,1.变动载荷 引起疲劳破坏的外力,指载荷大小、甚至方向均随时间变化的载荷,其在单位面积上的平均值
16、即为变动应力。 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则随机变动应力两种。,金属疲劳产生的原因,a)应力大小变化 b)c)应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化,1.平均应力,2.应力幅,疲劳断裂 零件在循环应力作用下,在一处或几处产生局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产生断裂的过程,称为疲劳断裂. 疲劳断裂由疲劳裂纹产生扩展瞬时断裂三个阶段组成。,尽管疲劳失效的最终结果是部件的突然断裂,但实际上它们是一个逐渐失效的过程,从开始出现裂纹到最后破断需要经过很长的时间。 疲劳断裂的宏观断口一般由三个区域组成,即疲劳裂纹产生区(裂纹源)、裂纹扩展区和最后断裂区。,疲
17、劳断口,3.疲劳断口,当应力低于某值时,材料经受无限次循环应力也不发生疲劳断裂,此应力称为材料的疲劳极限,记作R(R为应力比),就是S-N曲线中的平台位置对应的应力。 通常,材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳条件下(R1)测定的,对称弯曲疲劳极限记作-1。,4.疲劳强度,疲劳曲线:实验证明,一般钢铁材料所受交变应力最大值max与其失效前的应力循环次数(疲劳寿命) N的曲线关系。,若疲劳曲线上没有水平部分,常以规定断裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。 对一般低、中强度钢:107周次 对高强度钢:108周次 对铝合金,不锈钢:108周次 对钛合金:107周次,在工程中,有时根据零件寿命的要求,在规定
18、的某一循环周次下,测出max,并称之为疲劳强度,实际上就是条件疲劳极限。 在工程中,有时根据零件寿命的要求,在规定的某一循环周次下,测出max,并称之为疲劳强度,实际上就是条件疲劳极限。,提高疲劳极限的途径,(1)在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口和截面突变。 (2) 提高零件表面加工质量。 (3) 对材料表面进行强化处理。,物理性能,密度 熔点 导热性 导电性 热膨胀性 磁性,化学性能,耐蚀性 抗氧化性 化学稳定性,金属的工艺性能,工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的应能力。,金属(材料)及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。 1、流动性:熔融金属的流动能力称为流动性。主要受
19、金属化学成份和浇注温度等的影响。 2、收缩性:铸件在凝固和冷却过程中,其体积和尺寸减小的现象称为引缩性。 3、偏析倾向:金属凝固后,内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。,铸造性能:,锻造性能: 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能。 铸铁不能锻压 。,焊接性能: 大量接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。 切削加性能:切削加工(性能)金属材料的难易程度称为切削加工性能。,金属的晶体结构 1、 晶体与非晶体: 固体物质按其原子排列的特征,可分为晶体和非晶体。 非晶体的原子作不规则的排列,如松香、玻璃、沥青等。 晶体的原子则按一定次序作有规则的排列,如金刚石、 石墨及固态金属和合金
20、。 性能差异:晶体具有一定的凝固点和熔点,非晶体没有; 晶体具有各向异性,非晶体各向同性等。,简单总结:,原子作有序排列;有固定的熔点;各向异性。,原子作无序排列;没有固定的熔点;各向同性。,固态的金属和合金都是晶体。,晶格原子排列形成的空间格子,晶胞组成晶格最基本的单元,晶格常数: a、b、c 单位:埃,2、 晶体结构的基础知识 1)晶格:把每个原子看成一个点(结点),把这些点用直线连接起来,所形成一个空间格子。 2)晶胞:能代表整个晶格中原子排列规律的最小单元。 3)晶格常数 :晶胞中各棱边的长度(及夹角)。 简单立方晶格与晶胞示意图:,(a)晶体中原子排列 (b)晶格 (c)晶胞 简单立
21、方晶格与晶胞示意图,原子在晶格中的位置关系可以用晶面和晶向来表示。,4)晶面:通过原子中心的平面,5)晶向:通过原子中心的直线所指的方向,3、常见的金属晶格类型 1)体心立方晶格: a=b=c,=90 常见金属:-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,体心立方晶胞模型; 晶胞; 晶胞原子数,2)面心立方晶格: 常见金属: -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,面心立方晶胞模型; 晶胞; 晶胞原子数,3)密排六方晶格: 常见金属: Mg、Zn、 Be、Cd等,密排六方晶胞 模型; 晶胞; 晶胞原子数,4 、金属的实际晶体结构 1)晶体缺陷:金属晶体中,原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域,称为
22、晶体缺陷。 (1)点缺陷,点缺陷示意图,(2)线缺陷,线缺陷就是晶格中的位错现象。常见的位错类型有刃型位错、螺型位错等。如图所示。, 位错也引起晶格畸变。金属强度与位错 密度的关系是:位错的存在可降低理想晶 体的强度,大量的位错又可使其强度提高。 生产中一般采用增加位错的办法提高 材料的强度。,透射电镜观察钛合金中的位错线,高分辨率电镜观察刃位错(白点为原子),(3)面缺陷:表面、界面 晶界是不同位向晶粒的过度部位,宽度为510个原子间距。,晶界的过渡层结构示意图,面缺陷示意图,面缺陷:孪晶(双晶),2)多晶体结构 单晶体- 晶体内部的晶格方位完全一致。 晶粒外形不规则而内部晶格方位一致的小晶
23、体。 晶界晶粒之间的界面。 多晶体许多晶粒组成的晶体结构。 工业上使用的金属都是: 由许多小晶体(晶粒)组成的多晶体。 多晶体的晶粒和晶界示意图,二、 金属的结晶过程和同素异构转变 1 纯金属的结晶: 1)结晶的概念:液态金属转变为固态晶体的过程。 2)纯金属的冷却曲线,过冷现象 过冷是结晶的必要条件。 过冷度 T = T0 T1 2、纯金属的结晶过程: 纯金属结晶过程示意图 液态金属温度降至熔点附近自发形核核心长大液态金属消失。 基本过程:形核,长大,即晶核的生成和晶核的长大。,3、金属结晶后晶粒的大小对金属力学性能的影响 一般来说,晶粒愈细,晶界愈多,晶格排 列方向犬牙交错,相互咬合,增强
24、金属结合力, 因此金属的强度和硬度愈高,同时塑性和韧性 也愈好。 细化晶粒的途径 1)增加过冷度:冷却速度愈大,过冷度 愈大,形核数量愈多,晶粒愈细。 2)变质处理:在实际生产中,通过向金属液中加入某些物质(称为变质剂),在金属液中形成大量分散的人工的非自发晶核,从而获得细小的铸造晶粒,这种处理方法称为变质处理。 3)振动:对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动,均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心,提高形核率,使晶粒细化。,4、金属的同素异构转变 一种金属能以几种晶格类型存在的性质,叫做同素异构性,如Fe, Co, Ti等。 固态金属随温度不同而改变其晶格类型的过程,称为金属的同素
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 金属材料 基础知识
链接地址:https://www.31doc.com/p-2577312.html