金属材料及其热加工

第1章材料的结构与性能

材料的性能决定于材料的化学成分和其内部的组织结构。

1.1金属材料的结构与组织

1.2金属材料的性能

1.3高分子材料的结构与性能

1.4陶瓷材料的结构与性能

§1.1金属材料的结构与组织

固态物质按其原子（离子或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体与非晶体。

一、晶体概念

1、晶体与非晶体的区别：

晶体：原子（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物质。

晶体中的原子排列有对称性和周期性的特点。其主要特征：

主要特征：

–有规则的外形；

–均匀性；

–解离性；

–固定的熔点；

–各向异性。

典型晶体：水晶、食盐、金属等。

非晶体：不具备晶体特征的物质。即，原子（离子或分子）在空间无规则排列。

长程无序，短程有序。

典型非晶体：普通玻璃、松香、塑料等。

2、晶胞—晶体的最小单元

?结点：原子中心联线的交点。

?晶格：原子排列的空间格子。

?晶格常数：各边长及其夹角。

?简单立方晶格：a＝b＝c, α＝β＝γ＝90°

?（简单立方晶格只见于非金属晶体，在金属晶体中看不到）

3、因果关系：

原子构造、原子间结合力性质→晶格形式和晶格常数→不同晶体类型(→不同物质) →物理、化学和力学性能

二、三种常见的金属晶格线型非晶态高聚物的三种力学状态（见1.3.2）

三，三种典型晶格的致密度及晶面和晶向分析

1、晶格致密度（三种计算方法）

（1）体积法（体积密度）

（2）面积密度（晶面上）――晶面密度

（3）线密度（晶向上）――晶向密度

2、晶面及晶向指数――表示符号

晶面：晶体中各个方位上的原子面

晶向：各种方向上的原子列

确定晶面指数的方法：（三步）（hkl）、｛hkl｝

确定晶向指数的方法：（三步）［uvw］、〈uvw〉

3、晶面及晶向的原子密度

密排面、密排方向---影响晶体的力学性能

四、晶体的各向异性

成因：晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，导致晶体在不同方向上的性能有所差异。

晶体的这种各向异性的特点是区别于非晶体的重要标志之一。

五、实际金属中的晶体缺陷

1、点缺陷

空位、间隙原子、异类原子

2、线缺陷

刃型位错、螺型位错；

位错密度――单位体积内位错线的总长度；

金属的强度与位错密度的关系。

位错概念的提出用于解释晶体的塑性变形。

3、面缺陷---晶界、亚晶界

晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。

晶粒内的亚晶粒又叫晶块,(或嵌镶块)

亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达1--2度。

亚晶粒之间的边界叫亚晶界。

亚晶界是位错规则排列的结构。

例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。

亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。晶界和亚晶界均可提高金属

的强度。晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力越大,塑性越好。

六、合金的晶体结构

1、合金：一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

2、组元：组成合金的独立的、最基本的单元，可以是金属、非金属元素或稳定的化合物。

合金的强度、硬度，耐磨性等力学性能比纯金属高许多，某些合金还具有一些特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。

3、相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。

4、固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。

5、金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相，也称中间相。

金属化合物一般熔点高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相。根据其形成条件和结构特点不同，金属化合物主要有以下几类：

（1）正常价化合物，严格遵守化合价规律，如Mg2Si、AlP等。

（2）电子化合物：不遵守化合价规律，如CuZn、Cu3Al等。

（3）间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。

当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定。如M4X、M2X、MX、MX2等。当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。如Fe3C、Cr12C6等。复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，但比间隙相稍低些。

七、金属材料的组织

1、显微组织：在金相显微镜下看到的金属材料内部的微观形貌。是由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成的。

2、组织和决定因素：金属材料的组织取决于金属材料的化学成分和工艺过程。

3、组织与性能的关系：金属材料的性能由金属内部的组织结构所决定。举例说明。

?在有些情况下，金属的组织名称相同，组成相也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能也不相同；?在某些合金中，在显微镜下观察它们的组织相同，组成相也相同，且形状、大小无明显差异，只是其成分有所不同，其表现出来的性能也不相同（如铁碳合金）。

金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。

1工艺性能：制造工艺过程中，材料适应加工的性能。

2使用性能：金属材料在使用条件下所表现出来的性能，包括力学性能、物理和化学性能。

§1.2金属材料的性能

一、金属材料的工艺性能

铸型条件下，熔融金属的流动能力。

1、铸造性能

（1）流动性在一定温度和铸型条件下，熔融金属的流动能力。

（2）收缩性铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象。

铸件收缩不仅会影响尺寸大小，还会使铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形和开裂等缺陷。

（3）偏析金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象。

2、锻造性能

金属材料对用压力加工方法成形的适应能力，称为金属材料的锻造性。

锻造性主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。（铸铁碳钢铝、铜合金）

3、焊接性能

金属材料对焊接加工的适应性，称为金属材料的焊接性。

也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

在机械工业中，焊接的主要对象是钢材。碳质量分数是焊接性的主要影响因素。

(举例说明，碳钢、铜铝合金、灰口铸铁等的焊接性能。)

4、切削加工性能

切削加工性能一般用切削后的表面质量和刀具寿命来表示。影响材料切削加工性能的因素主要有材料的化学成分、组织、硬度、韧性、导热性和形变强化等。

5、热处理工艺性能

主要指淬透性，即钢接受淬火的能力。这主要与钢中的合金元素种类和多少有关。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比碳钢的淬透性好。

二、金属材料的力学性能

主要指金属材料在外力作用下表现出来的的性能，

包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、断裂韧性、耐磨性等。

1.强度；1）静载时的强度2）变载时的强度3）高温强度

2、疲劳极限

材料在低于其屈服点的交变应力作用下，经过长时间工作后也会产生裂纹或突然完全断裂，这个过程称为金属的疲劳。

金属承受的交变应力越大，则断裂时应力循环次数越少，工程上规定，对于某类金属材料，经历规定应力循环周次而不断裂的最大应力称为金属的疲劳强度或称疲劳极限。

3、塑性

断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。

①伸长率（δ）在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

②断面收缩率（ψ）试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。

4、硬度

材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。

5、冲击韧度（a k）

许多机械零件和工具在工作中, 往往要受到冲击载荷的作用, 如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号A k 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0 , 即得到材料的冲击韧度a k。

6、断裂韧性

材料内部存在着或多或少、或大或小的裂纹和类似裂纹的缺陷。

裂纹在应力场作用下失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性。

用裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子，即临界应力场强度因子来代表材料的断裂韧性。

7、耐磨性

三、金属材料的理化性能

1、物理性能

（1）密度：轻金属（密度小于5）；重金属。二者各有不同的用途。

（2）熔点：难熔金属（W、Mo、V）；

易熔金属（Su、Pb）

（3）导电性：金、银、铜、铝；钨、钼、铁、铬。超导材料

（4）导热性：金、银、铜、铝；

（5）热膨胀性：

（6）磁性：铁磁性材料、顺磁性材料、抗磁性材料

2、化学性能

（1）耐腐蚀性：常温下，抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。

（2）抗氧化性：在加热时，抵抗氧化作用的能力。

金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性。

高分子材料又称为高分子聚合物(简称高聚物), 是以高分子化合物为主要组分的有机材料。高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，其相对分子质量一般在5000以上，有的甚至高达几百万。

高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体

1.3.1高分子材料的结构

一.大分子链的结构

1.大分子链的化学组成

组成大分子链的化学元素，主要是C、H、O，

另外,还有N、Cl、F、B、Si、S等元素，

其中,C是形成大分子链的主要元素。

1.大分子链的化学组成

大分子链根据组成元素不同可分为三类:

碳链大分子:;主链全部由碳原子以共价链相连接，即-C-C-C-。

杂链大分子:大分子主链除有C原子外，还有O、N、S、P等原子，它们以共价链相连

元素链大分子:大分子主链不含C原子，而是由Si、O、B、S、P等元素组成，

2.大分子链的形态---呈现不同的几何形状

(1) 线型分子链

各链节以共价链连接成线型长链分子，其直径小于1纳米，而长度可达几百甚至几千纳米，像一根长线，呈卷曲状或线团状。

(2)支化型分子链

在主链的两侧以共价链连接相当数量的长短不一的支链, 其形状有树枝形、梳形、线团形。

(3)体型(网型或交联型)分子链

分子链在线型或支化型分子链之间, 沿横向通过链节以共价链连接起来, 形成的三维(空间)网状大分子。

3.大分子链空间的构型---链结构

乙烯聚合物常见的三种空间构型

全同立构::取代基R有规律地位于碳链平面同一侧

乙烯聚合物常见的三种空间构型

间同立构::取代基R交替地排列在碳链平面两则

二.大分子链的构象及柔性

大分子链的构象----

由单链内旋转所产生的大分子链的空间形象。

正是这种极高频率的单键内旋转随时改变着大分子链的构象，使线型大分子链在空间很容易呈卷曲状或线团状。

大分子链的柔性----聚合物具有弹性的原因

在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。

三.高分子材料的聚集态

晶态(分子链在空间规则排列)、

部分晶态(分子链在空间部分规则排列)

非晶态(分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态)。

线型聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，

体型聚合物为非晶态(或玻璃态)。

获得完全晶态的聚合物很困难，

大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态

（下页右图是氧化物硬度见后）

1.3.2高分子材料的性能

一.力学性能

1.高聚物的物理、力学状态

(1)线型非晶态高聚物的三种力学状态

①玻璃态在Tg 温度以下曲线基本上是水平的, 变形量小, 而弹性模量较高, 高聚物较刚硬, 处于所谓玻璃态。此时，物体受力的变形符合于虎克定律，应变与应力成直线比，并在瞬时达到平衡。

②高弹态Tg温度之后曲线急剧变化，但很快即稳定而趋于水平。

在这个阶段，变形量很大，而弹性模量显著降低，外力去除后变形可以回复，弹性是可逆的。

高聚物表现为柔软而富弹性，具有橡胶的特性，处于所谓高弹态或橡胶态。

③粘流态温度高于Tf后，变形迅速发展，弹性模量再次很快下降，高聚物开始产生粘性流动，处于所谓粘流态，此时变形已变为不可逆。

(2)晶态高聚物和体型高聚物的力学状态

完全晶态的线型高聚物，和低分子晶体材料一样，没有高弹态；

具有较高的强度和硬度

部分晶态的线型高聚物，非晶态区在Tg温度以上和晶态区在熔点Tm温度以下存在一种即韧又硬的皮革态。

此时,非晶态区处于高弹态, 具有柔韧性

晶态和非晶态可以复合成皮革态

2.高聚物的力学性能特点

(1)强度低---平均为100MPa, 比金属低得多,

由于其重量轻、密度小，许多高聚物的比强度还是很高的, 某些工程塑料的比强度比钢铁和其他金属还高。(2)弹性高、弹性模量低

高聚物的弹性变形量大，可达到100%～1000％，

一般金属材料只有0.1%～1.0％。

高聚物的弹性模量低，约为2MPa～20MPa,

一般金属材料为103MPa～2×105MPa。

(3)粘弹性

大多数高聚物的高弹性大体是"平衡高弹性"，即应变与应力同步发生，或应变与应力即时达于平衡。

有一些高聚物,例如橡胶, 特别是在低温和老化状态时, 高弹性表现出强烈的时间依赖性。

应变不仅决定于应力, 而且决定于应力作用的速率。即应变不随作用力即时建立平衡, 而有所滞后。这就是粘弹性.

粘弹性, 它是高聚物的又一重要特性。

粘弹性的主要表现有蠕变、应力松驰和内耗等。

蠕变是在应力保持恒定的情况下，应变随时间的增长而增加的现象。高聚物在室温下受力的长期作用时，发生不可回复的塑性变形，

例如，架空的聚氯乙稀电线套管，在电线和自身重量的作用下发生缓慢的挠曲变形，就属于蠕变。

应力松弛:高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象。

例如，连接管道的法兰盘中的密封垫圈，经过长时间工作后发生渗漏现象，

高聚物受周期载荷时，产生伸－缩的循环应变。由于应变对应力的滞后，在重复加载时，就会出现上一次变形还未来得及回复时，或分子链的构象跟不上改变时，又施加了下一次载荷，于是造成分子间的内摩擦，产生所谓内耗。

一次循环所储存的能量等于滞后回线ACBDA所包围的面积。

(4)塑性

高聚物由许多很长的分子组成, 加热时分子链的一部分受热，其它部分不会受热或少受热，因此材料不会立即熔化，而先有一软化过程，所以表现出明显的塑性。

(5)韧性

高聚物的内在韧性较好，即在断裂前能吸收较大的能量。但是由于强度低，高聚物的冲击韧性比金属小得多，仅为其百分之一的数量级。

(6)减摩、耐磨性

塑料的另一优点是磨损率低。

大多数塑料对金属和对塑料的摩擦系数值一般在0.2～0.4范围内。

聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦系数只有0.04，几乎是所有固体中最低的。

二. 物理和化学性能

1.绝缘性

高聚物分子是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。对热、声也有良好的绝缘性能。

2.耐热性

热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。

常用热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，长期使用温度一般在100℃以下；

热固性塑料如酚醛塑料的为130℃～150℃；

耐高温塑料如有机硅塑料等，可在200℃～300℃使用。

3.耐蚀性

高聚物的化学稳定性很高。它们耐水和无机试剂、耐酸和碱的腐蚀。尤其是被誉为塑料王的聚四氟乙烯，不仅耐强酸、强碱等强腐蚀剂，甚至在沸腾的王水中也很稳定。

耐蚀性好是塑料的优点之一。

4.老化

指高聚物在长期使用和存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。

其主要表现：对于橡胶为变脆，龟裂或变软，发粘；对于塑料是退色，失去光泽和开裂。

这些现象是不可逆的，所以老化是高聚物的一个主要缺点。

§1.4陶瓷材料的结构与性能

1.4.1陶瓷材料的结构

何为陶瓷材料？

以天然硅酸盐或人工合成无机化合物为原料，用粉末冶金法生产的无机非金属材料。

人工合成的陶瓷材料主要是由一些金属氧化物、碳化物、氮化物等组成的。

陶瓷材料组织结构比较复杂。

按照组织形态陶瓷材料分为三类：

无机玻璃：硅酸盐玻璃，是室温下具有确定形状，但其粒子在空间成不规则排列的非晶结构类陶瓷材料；

微晶玻璃：玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料；

晶体陶瓷如具有单相晶体结构的氧化铝特种陶瓷，具有复杂结构的普通陶瓷。

晶体陶瓷是最常用的结构材料和工具材料。

陶瓷材料组织结构比较复杂。

按照组织形态陶瓷材料分为三类：

微晶玻璃特点：

1、丰富的色泽和良好的质感

2、色调均匀

3、永不浸湿、抗污染

4、优良的力学性能和化学稳定性

5、高度的破裂安全性

6、高度环保性能

7、易加工成型

微晶玻璃研制成功，―是20世纪在材料领域中的一项重大的工艺成就‖。甚至称其为万能性―将不亚于20世纪的钢铁‖。

陶瓷的典型组织结构：

晶体相(莫来石和石英)

玻璃相

气相

一、晶体相(莫来石和石英)

---陶瓷的主要组成相：

主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。(1)硅酸盐

普通陶瓷的主要原料，陶瓷组织中重要的晶体相，结合键为离子键与共价键的混合键。

构成硅酸盐的基本单元：

硅氧四面体

硼化物硬度（后）

(2)氧化物

多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相；离子键结合,也有共价键；

最重要的氧化物晶体相：AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4等(A、B表示阳离子)。(3)非氧化合物

不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物；

---特种陶瓷特别是金属陶瓷的主要组成和晶体相。

金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键,

以共价键为主。如TiC、Fe3C等

氮化物：与碳化物相似

金属性弱些, 有一定的离子键。

如六方晶格BN，六方晶系的Si3N4和AlN。

硼化物和硅化物：

较强的共价健，

连成链、网和骨架，构成独立结构单元。陶瓷的典型组织结构：

二、玻璃相（作用）

①粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；

②降低烧成温度，加快烧结；

③阻止晶体转变，抑制其长大；

④获得透光性等玻璃特性；

⑤不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的强度、介电性能、耐热耐火性等不利。

陶瓷的典型组织结构：

二、玻璃相(产生过程:)

熔融液相冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时, 熔体硬化，转变为玻璃。

二、玻璃相(结构特点：)

硅氧四面体组成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。

玻璃相成分：氧化硅和其它氧化物

三、气相:

气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影响因素多。

陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。

气孔对陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外）

气孔率：

普通陶瓷5%～10％

特种陶瓷5％以下

金属陶瓷低于0.5％。

1.4.2陶瓷材料的性能

一.陶瓷的力学性能

(1)刚度

陶瓷刚度（由弹性模量衡量）各类材料中最高（金刚石除外），

(2)硬度

陶瓷硬度是各类材料中最高的（金刚石除外）。

陶瓷硬度为1000HV～5000HV,

淬火钢为500HV～800HV,

高聚物最硬不超过20HV。

陶瓷的硬度随温度的升高而降低, 但在高温下仍有较高的数值。

(3)强度

晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多（1/1000～1/100）。因为：

*晶界上有晶粒间的局部分离或空隙；

*晶界上原子间键被拉长, 键强度被削弱；

*相同电荷离子的靠近产生斥力, 会造成裂缝。

*致密度、杂质和各种缺陷影响陶瓷的实际强度。

刚玉（Al2O3）陶瓷块抗拉强度280 ，

刚玉陶瓷纤维（缺陷少），抗拉强度为2100 ，

提高1～2个数量级。

陶瓷强度对应力状态特别敏感，抗拉强度很低，抗弯强度较高，抗压强度很高。

(4)塑性

陶瓷在室温下几乎没有塑性。

陶瓷晶体滑移系很少，位错运动所需切应力很大；共价键有明显的方向性和饱和性，离子键的同号离子接近时斥力很大；

在高温慢速加载，特别是组织中存在玻璃相时，陶瓷也表现出一定的塑性。

(5)韧性

非常典型的脆性材料：冲击韧性10kJ/m2以下, 断裂韧性值很低。

对表面状态特别敏感：由于表面划伤、化学侵蚀、冷热胀缩不均等，很易产生细微裂纹；受载时，裂纹尖端产生很高的应力集中，由于不能由塑性变形使高的应力松弛，所以裂纹很快扩展，表现出很高的脆性。

改善陶瓷韧性的方法：

预防陶瓷中特别是表面上产生缺陷；

在陶瓷表面形成压应力（如加预压应力可做成―不碎‖陶瓷）；

消除陶瓷表面的微裂纹。

二.陶瓷的物理和化学性能

(1)热膨胀性能

陶瓷的线膨胀系数很低，比高聚物低，比金属更低。

(2)导热性

由于陶瓷无自由电子传热，导热性很低，较好绝热材料。

(3)热稳定性—不同温度范围内波动时的寿命

热稳定性很低（比金属低得多）：导热性低。

(4)化学稳定性

结构非常稳定，很好的耐火材料和坩埚材料。金属原子被屏蔽在紧密排列的间隙中，很难再同介质中的氧发生作用；

对酸、碱、盐等腐蚀性很强的介质均有较强的抵抗能力，与许多金属的熔体也不发生作用。

(5)导电性

变化范围很广：

*由于缺乏电子导电机制, 多数陶瓷是良好的绝缘体;

*不少陶瓷既是离子导体, 又有一定的电子导电性；

*许多氧化物（ZnO、NiO、Fe3O4）是重要的半导体材料。

陶瓷材料的性能特点：

具有不可燃烧性、

高耐热性、

高化学稳定性、

不老化性、

高的硬度和良好的抗压能力，

但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。

碳化物硬度总体硬度比较Fe2b结构