第1章金属材料的性能与结构要点解析.ppt

1.1 金属材料的性能 金属材料是金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。 金属材料一般分为：黑色金属和有色金属，黑色金属有钢、铸铁、铬、锰；其他的金属，如铝、镁、铜、锌等及其合金都为有色金属。 金属材料的性能包括：力学性能、物理化学性能、工艺性能、经济性能等。 强度指标一般用单位面积材料所承受的载荷即应力表示，见式： 图1-2 单轴拉伸曲线示意图 塑性是指金属材料在外力作用下，发生永久变形而不破坏的能力。在工程中常用塑性指标来判断金属材料的可成形性，常用伸长率和断面收缩率来表征。 断面收缩率指试样拉伸断裂后，试样断面收缩值（即原始横截面面积与试样拉断后颈缩处的截面积的差值）与原始横截面面积的比，用ψ表示。见式1-3. 材料在弹性范围内，由于受力而发生形状或尺寸的变化，应力与应变服从虎克定律，即： 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。它是材料表面在小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力。 目前实际工程中，最常用测定硬度的方法是压入硬度法，硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法和动载压入法。在静载压入法中又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等。 当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度测试而改用洛氏硬度方法计量。 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 3、金属材料为什么会发生断裂？ 实际上，许多机器零件都是受到循环载荷的作用，在这种载荷条件下，机械零件即使受到的外界应力低于屈服强度，零件也会被破坏，而产生疲劳损伤。这种损伤是指金属材料在长期循环变动载荷作用下（应力一般情况下均小于屈服强度σs），材料内部的微观缺陷会逐渐发展，在几乎没有发生塑性变形情况下，就突然发生断裂的现象。 3、金属材料为什么会发生断裂？ 3、金属材料为什么会发生断裂？ 1.1.2 金属材料的物理性能和化学 性能 1.1.2 金属材料的物理性能和化学 性能 2. 金属材料的化学性能 1.1.4 金属材料的经济性能 金属材料的经济性能主要体现在由于该材料的应用而带来的经济价值，其包括材料的成本、加工成本、维护成本、增值效益等。用材的相对稳定性，材料在制造过程中的利用率，材料的工艺性能等都将影响由材料制得零件的总成本，进而影响其经济性。 1.2 金属的晶体结构 按原子排列规则程度的不同可分为晶体和非晶体。晶体是组成物质的原子按一定规则成周期性重复排列。金属材料在固态下通常都是晶体。 要了解金属材料的内部结构，首先必须了解晶体的结构即原子排列方式，其中包括：晶体中原子是如何相互作用并结合起来的；原子的排列方式和分布规律；各种晶体的特点及差异等。 1.2.1 金属 近代物理理论研究表明，核外电子最外层电子的能量高，与原子核结合得弱，容易脱离原子核对它的束缚，这样的电子通常称为价电子。金属原子的结构特点是其最外层的电子数很少，一般为1～2个。处于聚集状态的金属原子，将它们的大部分价电子贡献出来，为其整个集体（聚集体）所公有，称之为电子云或电子气。 1.2.1 金属 这些价电子或自由电子，不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围运动着。贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有方向性和饱和性。 根据金属键的性质，可以解释固态金属的一些性质。 1.2.1 金属 在固态金属中，吸引力与排斥力的大小以及它们的结合能量都随原子间距离的变化而发生改变。这样就存在一个原子间距，此时原子间相互排斥力与吸引力相等，原子处于稳定平衡状态，该原子间距即为平衡距离，这时原子之间的结合能为最低，系统此时最稳定。 1.2.2 金属的晶体结构 1．晶体结构的基本知识 由于金属键没有方向性和饱和性，可以假设金属晶体中的原子都是固定的刚球，晶体就是由这些刚球堆垛而成，即为原子堆垛模型。 为了清楚的表明原子在空间排列的规律性，常将构成晶体的原子忽略，而将其抽象为几何点，称之为阵点，所有阵点的外部环境都相同。由这些阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列称为空间点阵。为了方便起见，人们人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格。 由于晶体原子排列呈周期性，因此，可以从晶格中选取一个能够完全反应晶格中原子排列特征的