【精品】金属材料力学性能

【精品】金属 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 力学性能 金属材料力学性能 第一章 金属材料力学性能 金属材料的使用性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能，对于工程材料来说，其中最重要的是力学性能。 金属材料的力学性能是指金属在外加载荷外力或能量作用下或载荷与环境因素温度、介质和加载速率联合作用下所 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现的行为。由于载荷施加的方式多种多样，而环境、介质的变化又十分复杂，所以金属在这些条件下所表现的行为就会大不相同，致使金属材料力学性能所研究的内容非常广泛，它已发展成为介于金属学和材料力学之间的一门边缘学科。 金属材料的力学性能包括强度、硬度、塑性和韧性等性能。因为金属构件的承载条件一般用各种力学参量如应力、应变和冲击能量等来表示，因此，人们便将表征金属材料力学行为的力学参量的临界值或规定值称为金属材料力学性能指标，如强度指标、塑性指标、韧性指标等等。本章将在介绍金属材料力学性能基本知识的基础上着重介绍这些性能指标的物理概念及实用意义。 第一节 拉伸曲线和应力应变曲线 拉伸试验是工业上最广泛使用的力学性能试验方法之一。试验时在拉伸机上对圆柱试样或板状试样两端缓慢地施加载荷，使试样受轴向拉力沿轴向伸长，一般进行到拉断为止。 一般试验机都带有自动汜录装置，可把作用在试样上的力和所引起的试样伸长自动记录下来，绘出载荷—伸长曲线，称拉伸曲线或拉伸图。 图 1—1 为退火低碳钢拉伸曲线示意图。曲线的纵坐标为载荷P，横坐标是绝对伸长?L，由图可见，载荷比较小时，试样伸长随载荷增加成正比例增加，保持直线关系。载荷超过户。后，拉伸曲线开始偏离直线。载荷在 Pe 以下阶段，试样在加载时发生变形，卸载后变形能完全恢复，该阶段为弹性变形阶段。当载荷超过户。后，试样在继续产生弹性变形的同时，将产生塑性变形，进入弹塑性变形阶段。此时，若在载荷 P 第3页作用下试样的变形为 dc，则弹性变形和塑性变形分别为 ab 和 bc如图 1—2 所示。若卸载，弹性变形 ab 将恢复，塑性变形 6c 被保留，使试样的伸长只能部分地恢复，而保留一部分残余变形 OD。当载荷达到尸。时，在拉伸曲线上出现锯齿或平台。即载荷虽然保持不变或发生波动，而试样继续伸长变形量继续增加，这种现象称为屈服。由于在弹塑性变形阶段有塑性变形的产生，因此试样要继续变形，就必须不断增加载荷。随着塑性变形增大，载荷升高。当到最大载荷户 b 时，试样的某一部位横截面开始缩小，出现了颈缩。随着伸长量的增加，试样的变形主要集中在颈缩处而使试样的颈缩越来越明显。由于颈缩处试样截面急剧缩小，继续变形所需的载荷下降。载荷达尸 k 时，试样产生断裂。 由此可知，金属材料在外加载荷作用下的变形过程一般可分为三个阶段，即弹性变形、弹塑性变形和断裂。 用试样原始横截面积F0去除载荷得到应力σ，即，σP,F0。以试样的原始标距长度L。去除绝对伸长，得到相对伸长应变 c，即 ε?L,L。，单位为百分数,。故可由金属材料的拉伸曲线得到材料的应力应变曲线，并且由于原始横截面积和原始标距长度均系常数，因而两曲线形状相同。 金属材料的拉伸曲线除了低碳钢这种类型以外，还有其他不同类型的拉伸曲线图 1—3。图 1—3a为塑性材料的拉伸曲线，它由弹性变形过渡到弹塑性变形是逐渐发生的，没有屈服现象，而存在有颈缩现象。图 1—3L为脆性材料的拉伸曲线，它不仅没有屈服现象，而且也没有颈缩现象，最大载荷就是断裂载荷。 第二节 金属的弹性与塑性 一、金属的弹性 前面已经提到，金属材料在外加载荷作用下最先产生弹性变形。弹性变形的特点是:变形是可逆的;不论是加载或卸载期内，应力与应变之间都保持单值线性关系;变形量比较小，一般不超过 0，5,,1,。 一弹性模量 在弹性变形阶段，金属材料 的应力与应变成正比关系，如拉伸时 σEε，E 表示应第二章 金属晶体结构与塑性变形 不同的金属材料具有不同的性能，除了和它们的化学成分有关之外，还与它们内部的组织结构有关，因此认识金属中各种晶体结构的特点和彼此之间的差异，对于正确使用金属材料，提高其性能和开发新的金属材料都是十分重要的。 第一节金属晶体结构 一、晶体学基础知识 一晶体与非晶体 固态物质按其内部原子的排列方式可以分为两大类:晶体和非晶体。在晶体中原子、离子等质点是按照一定的规则在空间作周期性地重复排列，而非晶体中原子等质点在空间是无规则地堆积在一起的，这是两者的本质区别所在。金属与合金是晶体，玻璃、木材、棉花等都是非晶体。 晶体和非晶体在原子排列方式上的不同，决定了两者在物理性质方面存在许多不同。首先晶体有固定的熔点或凝固点，而非晶体则没有。其次沿晶体的不同方向测得的性能是不同的如导电性、导热率、热膨胀性、弹性、强度、光学性质等等，这种各个方向性能的差异称为晶体的各向异性，而非晶体在任何方向测得的性能都是一样的，不因方向而异，称为各向同性。 虽然晶体和非晶体之间存在着本质的差别，但在一定的条件下两者可以互相转化。例如非晶态玻璃在高温下长时间加热退火能够转变成晶态玻璃，采用特殊的设备使液体金属以极高的速度gt10 的 7 次方?/s冷却下来也能制得非晶态金属金属玻璃。 二空间点阵 为了便于研究晶体中原子的排列方式，不考虑原子属性和类别，把它们抽象成一个个纯粹的几何点。这些几何点可以是原子或离子的中心，也可以是彼此等同的原子群或离子群的中心。每个几何点周围的环境都一样，即任一几何点周围的几何点数目、几何点排列方式、点间距等参数都相同。那么由这样的几何点在空间周期性地规则排列组成的阵列就称为空间点阵，简称点阵，这些几何点就叫阵点或结点。在表达空间点阵的几何图像时，为观察方便，可以作许多平行的直线把阵点连接起来构成一个三维的几何构架，如图 2—1 所示。很显然，在某一空间点阵中，各阵点在空间的位置是一定的，而通过这些阵点所作的几何构架则因直线的取向不同可有多种形式，因此必须?康髦赋觯?第 21 页阵点是构成空间点阵的基本要素。 在空间点阵中选取一个有代表性的基本单元，将它在空间沿三维方向重复堆砌就能得到空间点阵，这个最能表达空间点阵排列形式的基本的几何单元称为晶胞。在同一个空间点阵中可以选出许多具有这种性质的形状不同的晶胞，图 2-2 表示在一个二维点阵中选取的不同晶胞。为避免混乱，人们规定了选取晶胞的原则:1它是一个体积最小的平行六面体;2六面体每个顶角上都要有一个阵点;3它能反映出点阵的对称性。按这样的原则选出的晶胞称作初级晶胞或简单晶胞。不过有时为了更好地反映出空间点阵的对称性，也可在晶胞中心或面中心保留有阵点，形成体心晶胞、面心晶胞等。 以晶胞某一角上的阵点为原点，沿其三个棱边作坐标轴称为晶轴建立坐标系，那么这个晶胞就可以用三个棱边的长度 a，b，c 和三个棱边相互间的夹角 a，β，γ 六个参数来定量描述，其中 o，6，c 称为晶格常数。根据晶胞的六个参数的差异可将所有晶体结构归为七大晶系 14 种空间点阵，其中立方晶系 abc，aβγ90?;六方晶系 a1a2a?c;aβ90?，γ120?。 三晶向指数和晶面指数 在研究晶体生长、相变和塑性变形时，常常要涉及到晶体中的某些方向称为晶向和某些平面称为晶面。为了区分不同的晶向和晶面，需要有一个统一的标识符号来表示它们，这种标识符号分别叫做晶向指数和晶面指数，国际上通用的是密勒Miller指数。 1(晶向指数标定 晶向指数标定步骤如下: 1以晶胞的某一阵点为原点，三个棱边为坐标轴 X，Y，Z，以晶格常数分别作为三 个坐标轴的量度单位，如图 2—3a所示。 2过原点 O 引一定向直线使其平行于待定晶向 AB。 3在所引直线上任取一点为分析方便起见，可取距原点最近的那个阵点 B，求出该点在 X，Y，Z 轴上的三个坐标值。第三章 金属结晶及合金相图 金属与合金自液态冷却转变为固态的过程，就是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到规则排列的晶体状态的过程，这一过程称为结晶过程。 金属材料结晶时形成的组织铸态组织不仅影响其铸态性能，而且也影响随后经过一系列加工后材料的性能。因此，研究并控制金属材料的结晶过程，对改善金属材料的组织和性能具有重要的意义。 绝大多数工业用的金属材料都是合金。合金和纯金属都遵循着相同的结晶基本规律，但合金的结晶过程比纯金属复杂得多。合金相图是研究合金结晶的重要工具。在生产和科研实践中，合金相图不仅是分析和研制合金材料的理论基础，而且还是制订合金熔炼、铸造、焊接、锻造及热处理工艺的重要依据。本章主要阐述纯金属结晶的基本理论和合金相图的基本知识。 第一节 纯金属的结晶 一、结晶曲线 用热分析法可获得如图 3—1 所示的纯金属冷却曲线亦称结晶曲线。图巾。点以左线段代表液态金属的降温过程，6 点以朽线段代表固态金属的降温过程，ab 水平线段则代表金属的结晶过程。 由图町见，纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。温度高于 Τn 时，由于系统不断向外界散热，金属液体的温度随时间的增加而下降;当温度达到丁。时，金属开始结晶，结晶过程中要放出结晶潜热，当放出的潜热等于系统向外散失的热量时，体系的温度不再发出变化，结晶过程便在恒温下进行;直到结晶过程结束后，再没有潜热放出，体系的温度继续下降。 如果改变金属液体的冷却速度，实际结晶温度丁。将发生变化，冷却速度增大，丁”温度降低;冷却速度减小，则 Τn 温度升高。纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下即平衡条件下结晶的温度，称为理论结晶温度即熔化温度，用 Τm 表示。在实际生产中，金属结晶时的冷却速度都比较快，因而液态金属的 第 40 页结晶在 Τm 以下才能发生。金属的实际结晶温度 Τn 低于理论结晶温度 Τm 的现象，称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差?Τ 称为过冷度，即?ΤΤm-Τn。可见，过冷度是金属结晶的必要条件。过冷度不是定值，它与金属的性质、纯度及液态金属的冷却速度有关。冷却速度愈大，过冷度愈大。 二、结晶过程 图 3—2 表示出了纯金属的结晶过程。当液态金属以一定的冷却速度降温至熔点以下某一温度开始结晶时，液体中首先形成一些微小的结晶核心，称为晶核，每个晶核晶轴在空间的位向是随机的。随后，这些晶核按金属本身固有的原子排列方式不断长大。与此同时，新的晶核又在液体中不断形成。于是，液态金属便在晶核的不断形成与不断长大过程中被固态金属所取代而逐渐减少。最终，当位向不同的各晶体彼此完全接触时，液态金属耗尽，结晶过程结束。所以，一般纯金属是由许多大小、外形、位向均不相同的小晶体称为晶粒所组成的多晶体，晶粒之间的交界面就是晶界。 一晶核的形成 金属结晶时有两种形核方式，即均匀形核和非均匀形核。 刃魏?在液态金属中，总是存在有大量尺寸不同的短程有序原子集团。在理论结晶温度以上，它们是不稳定的，时聚时散，此起彼伏;但是当温度降到理论结晶温度以下，并且过冷度达到一定值后，液体中那些超过一定大小大于临界晶核尺寸的短程有序原子集团开始变得稳定，不再消失，从而成为结晶核心。这种从液体结构内部自发形成晶核的过程叫做均匀形核或自发形核。 温度愈低，即过冷度愈大时，金属由液态向固态转变的动力愈大，能稳定存在的短程有序原子集团的尺寸可以愈小，所以生成的自发晶核愈多。但是 过冷度过大或温度过低时，由于形核所需要的原子扩散受阻，单位时间内、单位体积中所生成的晶核数目，即形核率，反而减小。形核率N 与过冷度?Τ 成图 3—3 所示的关系。 2(非均匀形核 工业生产中使用的金属往往是不纯净的，总有杂质存在。金属熔化后，那些高熔点第四章 钢的热处理 第一节钢加热时奥氏体转变 一、金属固态相变热力学条件 金属固态相变是指固态组织与结构的改变，比如纯金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的同素异构转变，固溶体合金中各组元原子的有序化转变以及一个固相同时分解为两个不同固相的共析转变等。根据合金相图，可以确定不同温度区间存在的稳态相。金属固态相变时，由于新相结构与母相结构不同，其比容差必然引起体积的变化，新相的自由变形受到母相约束的限制，从而使新相与母相之间产生弹性应变，其量值大小与新相形状密切相关。新相形成的总能量变化包括表面能和由于体积变化所引起的应变能。固态相变过程应满足从高自由能状态向低自由能状态自发进行的热力学条件。随着温度的变化，各相自由能变化程度不同。图 4-1 表示 A 相与 B 相自由能随温度变化规律曲线。在两条曲线交点处，A 相与月相自由能相等，所对应的温度为平衡温度Τo。 ΤltΤo 时， 相自由能低， 当 B 处于稳定状态; ΤgtΤo 时， 相自由能低， 当 A 处于稳定状态。在平衡温度ΤΤo时，A 相与 B 相自由能相等，二者共存。当由低温加热超过平衡温度Τo后，B 相向 A 相转变，使系统自由能降低，可以自发进行;反之，当由高温冷却到平衡温度以下时，A 相转变成 B 相使系统自由能降低，也可自发进行。 二、加热保温时钢的奥氏体形成过程 一共析钢奥氏体形成 由 Fe-Fe3C 相图可知:低于共析温度时，珠光体是平衡相;高于共析温度时，奥氏体是平衡相;当缓慢加热到临界温度共析温度时，母相珠光体与奥氏体共存。加热到临界温度以上时，奥氏体自由能比珠光体低，奥氏体处于稳定状态。从高自由能状态的珠光体向低自由能状态的奥氏体转变，使系统自由能降低，满足热力学条件，可以自发进行。但只有当加热到临界温度以上某一温度时，这种转变才能进行。实际转变温度与临界温度之差称为过热度。因此，加热时奥氏体的实际转变温度高于平衡转变临界点。 第 75 页加热速度越快，过热度越大，奥氏体转变的实际温度越高，奥氏体转变的驱动力越大，转变速度越快。奥氏体形成的基本过程符合形核与核长大的相变规律。奥氏体形成过程包括核心的形成与长大，渗碳体的溶解和奥氏体的均匀化四个基本阶段。 1(奥氏体晶核的形成 共析钢加热到共析温度以上时，发生珠光体向奥氏体的转变，可表示为，PFFe3C?A 其中，具有体心立方结构的铁索体F含碳量很低0(021 8,C，具有复杂立方结构的间隙化合物——渗碳体Fe3C含碳量很高6(69,C，而具有面心立方结构的奥氏体含碳量居中o(77,C。铁素体和渗碳体在成分上和结构上与奥氏体均有很大差异。奥氏体的形成过程需要有碳原子与铁原子的扩散。在铁素体和渗碳体相界处原子排列混乱，存在结构缺陷，原子处于高能状态，以及成分起伏等均有利于新相的形核。因此，母相珠光体中铁素体与渗碳体的相界面是奥氏体晶核优先形成的地点，通过碳原子扩散，局部区域的碳浓度发生起伏，当碳含量达到形成奥氏体所需的碳量时，可以形成奥氏体的核心图 4-2a。奥氏体形成时，除了碳扩散以外，还应发生 Fe 原子由体心立方或复杂间隙化合物结构向面心立方结构的转变，这种转变要通过铁原子的重组来实现。 2(奥氏体晶核的长大 刚刚形成的奥氏体晶核的两侧分别与渗碳体和铁索体相接触，奥氏体晶核内碳的分布极不均匀，出现了碳浓度梯度。这种碳分布的不均匀性可由 Fe—Fe3C 相图来表示图 4-3。与铁素体 相接处含碳量低Cy-a，而与渗碳体相接处含碳量高Cy-c，因此，奥氏体内的碳浓度差可表示为ΔCCy-c-Cy-a 奥氏体中碳浓度差促使奥氏体中碳从高浓度向低浓度扩散，从而破坏了相界面碳浓度的平衡关系，第五章 钢铁材料及其应用 第一节钢的分类与编号 钢的品种很多，为便于管理和使用，通常按着一定的方法将其分类。 一、钢的分类 钢的常见分类方法有以下几种: 一按冶金质量分类 按钢中含硫、磷量的多少可将其分为普通钢、优质钢和高级优质钢。普通钢:s?0(055,、P?0(045,;优质钢:S?0(04,、P?0(04,;高级优质钢:S?0(035,、P?0(03,。 二按化学成分分类 按钢的化学成分可将其分为碳素钢、低合金高强度钢和合金钢。 碳素钢根据其含碳量的不同可分为低碳钢低于 0(25,C、中碳钢0(25,0(6,C、高碳钢高于 0(6,C。低合金高强度钢是在碳素结构钢的基础上，加入总量不超过 3,的合金元素获得的低合金钢。合金钢根据其中含合金元素总量的不同又可分为:低合金钢低于 5,、中合金钢5,,10,和高合金钢高于 10,。 三按用途分类 按钢用途的不同可将其分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。 结构钢根据用途的不同又可分为两类:一类是建筑、工程及构件用钢，其中绝大部分被加工成板材和型材，在热轧和正火状态下经过焊接用于车辆、船舶、桥梁、锅炉、钢轨等，这类钢包括碳素结构钢和低合金高强度钢;另一类是机械制造用钢，用作各种机械零件，这类钢包括常见的优质碳素结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。 工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢。按具体用途的不同还可细分为刃具钢、模具钢和量具钢等。 特殊性能钢分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢和电工合金等。 四按冶炼方法分类 钢按其冶炼方法可分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。平炉钢包括碳素钢和低合金高强度钢，根据炉衬材料的不同分为碱性和酸性平炉钢;转炉钢也包括碳素钢和低合金高 第 107 页强度钢，分为侧吹转炉钢、底吹转炉钢和氧气顶吹转炉钢;电炉钢主要是合金钢，分为感应电炉、电弧炉、电渣炉和真空感应电炉钢等，其中生产量最多的是电弧炉钢。 根据钢脱氧方法和脱氧程度的不同碳钢又可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。合金钢均为镇静钢。 上述分类方法在实际生产中都较为常见，而且经常重叠使用。 二、钢的编号 我国现行钢的编号根据国标 GB 221-79 采用汉语拼音字母、阿拉伯数字和化学元素符号并用的方法来表示。 一碳素结构钢 碳素结构钢是工程结构用量最大的钢种，按国标 GB 700-88，它分 为 5 类 20 个品种。碳素结构钢的牌号是以钢的屈服点数值试样直径或厚度小 T16illnl划分的，每个强度等级根据其硫、磷杂质含量分为 A，B，c，D 四个质量等级，A 级最低，D 级最高。每个强度等级和质量等级又按脱氧方法的不同分为沸腾钢、镇静纲、半镇静钢，并分别标以 F，Z，b。例如 Q235AF，其中 Q 代表屈服点的“屈”，235 表示该牌号普通碳素钢的屈服强度不低于 235N,mm2，A 表示质量等级，F 代表沸腾钢。 二优质碳素钢 优质碳素钢包括结构钢和工具钢两种。 优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示，它代表钢平均含碳量的万分之几。例如 15、20F 分别表示平均含碳量为 0(15,的优质碳素结构钢和 0(2,的沸腾钢。 碳素工具钢的牌号是用汉语拼音“T”代表“碳”加数字表示，数字代表钢平均含碳量的千分之几，如 T8，T10，T12 分别表示平均含碳量为0(8,、1(0,和 1(2,的碳素工具钢。 三合金钢 合金结构钢的牌号是用两位数字加化学元素符号再加数字的方法表示。最前面的两位数字代表钢平均含碳量的万分之几，元素符号代表所含的合金元素，元素符号后面的数字表示该元素的平均重量百分比含量。若合金元素的平均重量百分比含 量低于 1(5,则不予标出，大于 1(5,则标为 2，大于 2(5,则标为 3 等，若牌号最后的元素为 V，Ti，Nb 等，则为细化晶粒元素，含量较少，一般不超过 1,。如 60Si2Mn 表示该合金结构钢各元素的平均含量为:0(6,C、2,S1 和 1,Mn;20CrMnTi 表示该钢含:0(2,C、1,Cr、1,Mn 和少量 Ti。 合金工具钢用一位数字加化学元素符号再加数字的方法表示。最前面的一位数字代表钢平均含碳量的千分之几，若平均含碳量大于 1,则不予标出，合金元素的表示方法与合金结构钢相同。例如 9SiCr 表示该合金工具钢各元素的平均含量为:0(9,C、1,Si 和 1,Cr;CrWMn 表示该钢含:大于 1,C、1,Cr、1,W、1,Mn。 第六章 有色金属及应用 铁基合金以外的金属统称为有色金属，与钢铁相比，它具有优异的物理、化学性能，如比强度高，导电、导热性好，耐高温、抗蚀性好，某些合金还具有优异的减摩性等。 随着近代航空.