金属材料力学性能

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(ζ)，即，ζ=P／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—3(a)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—3(L)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ζ=Eε，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(>10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，因此必须强调指出：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、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a=b=c，a=β=γ=90°；六方晶系a1=a2=a≠c；a=β=90°，γ=120°。

(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—3(a)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△Τ=Τm-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。

1．均匀形核在液态金属中，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。