金属材料的结构与性能共48页
金属材料的结构和力学性能
金属材料的结构和力学性能金属材料是人类社会发展过程中不可或缺的重要材料之一。
它们以其独特的结构和力学性能，广泛应用于工业、建筑、交通等领域。
本文将探讨金属材料的结构和力学性能，并探索其在不同领域中的应用。
一、金属材料的结构金属材料的结构是由金属原子的排列方式决定的。
一般来说，金属材料的结构可以分为晶体结构和非晶体结构两种。
晶体结构是指金属原子按照一定的规律排列形成的结构。
最常见的晶体结构是面心立方结构、体心立方结构和简单立方结构。
在面心立方结构中，金属原子分布在一个立方体的八个顶点和六个面心上；在体心立方结构中，金属原子分布在一个立方体的八个顶点和一个立方体的中心；在简单立方结构中，金属原子仅分布在一个立方体的八个顶点上。
这些结构的不同排列方式决定了金属材料的性能。
非晶体结构是指金属原子的排列方式没有规律性。
它们通常具有高度的无序性和非晶性，使得金属材料具有特殊的性能，如高硬度、高强度和高韧性。
非晶体结构常见于特殊的金属合金中，如玻璃金属。
二、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
主要包括强度、韧性、硬度和延展性等指标。
强度是指金属材料抵抗外力破坏的能力。
它可以分为屈服强度、抗拉强度和抗压强度等。
屈服强度是指金属材料开始发生塑性变形时所承受的最大应力；抗拉强度是指金属材料在拉伸过程中承受的最大应力；抗压强度是指金属材料在压缩过程中承受的最大应力。
这些强度指标直接影响金属材料的使用范围和承载能力。
韧性是指金属材料在受力过程中能够吸收能量的能力。
它是金属材料抵抗断裂的能力的重要指标。
韧性高的金属材料具有较好的抗冲击性和抗疲劳性。
硬度是指金属材料抵抗局部塑性变形的能力。
硬度高的金属材料通常具有较好的耐磨性和耐腐蚀性。
延展性是指金属材料在拉伸过程中能够发生塑性变形的能力。
具有良好延展性的金属材料可以在外力作用下发生较大的变形而不破裂。
三、金属材料的应用金属材料的结构和力学性能使其在各个领域中得到广泛应用。
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。
材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前，生产中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗表面局部塑性变形的能力。
因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有密切联系。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的能力。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进行一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使接触表面不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大基本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不相同。
2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀能力。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。
金属材料与合金材料的结构与性能
金属材料与合金材料的结构与性能金属材料和合金材料是工业中常用的材料类型，它们具有广泛的应用领域和优良的性能。
本文将探讨金属材料和合金材料的结构与性能，以及它们的应用。
一、金属材料的结构与性能金属材料的结构主要由金属原子的排列方式决定。
金属原子由金属键连接在一起，形成晶体结构。
常见的金属结构有面心立方、体心立方和密排六方等。
这些结构都具有较高的结晶度和金属键的强度，使金属材料具有以下性能：1. 优良的导电导热性能：金属材料中的自由电子在外电场或温度梯度下能够自由移动，因此金属具有良好的导电导热性能，可广泛用于电子、电力等领域。
2. 良好的塑性和可加工性：金属材料的晶体结构中存在晶界和位错，使其具有良好的塑性和可加工性，可通过冷、热变形进行塑性变形加工，如拉伸、压缩、锻造等。
3. 高强度和韧性：金属材料的晶界和位错可以阻碍原子滑移，增加其强度和韧性。
此外，金属材料还可以通过热处理等方法增强其强度和韧性。
4. 耐磨蚀和耐腐蚀性：金属材料在一定条件下具有一定的耐磨蚀和耐腐蚀性能，可用于制造机械零部件、化工设备等耐久性要求较高的领域。
二、合金材料的结构与性能合金材料是由两种或更多金属元素形成的固溶体或化合物。
合金材料的结构与性能由原子的尺寸、电子结构和金属间的相互作用等因素决定。
1. 固溶体型合金：固溶体型合金中，多种金属原子在晶格中均匀混合。
这种合金通常具有以下性能：a. 良好的强度和韧性：不同种类的金属原子能够阻碍位错的移动，增加合金的强度和韧性。
b. 改变金属特性：合金中不同金属原子的化学性质和晶体结构的差异，使合金的硬度、磁性、导电性等特性得到改变。
2. 化合物型合金：化合物型合金由两种或多种金属元素形成的化合物组成。
这种合金通常具有以下性能：a. 高硬度和高强度：化合物型合金的晶格中存在复杂的离子键和共价键，使其具有较高的硬度和强度。
b. 特殊的物理特性：由于化合物型合金的晶体结构具有特殊的性质，如形状记忆效应、超导等。
金属材料的结构与性能
P.39
２. 塑性变形对金属组织和性能的影响 (1)塑性变形对金属组织的影响
使晶粒变形，产生纤维组织
P.40
产生织构
金属塑性变形到很大程度（70%以上）时，由于晶粒发生转动，使晶粒位向 趋近一致，形成特殊的择优取向，多晶体金属形变后具有的这种择优取向的晶体结 构，称为形变织构。形变织构一般分为两种：一种是大多数晶粒的某个晶向平行于 拉拔方向，称为丝织构；另一种大多数晶粒的某个晶面和晶向平行于轧制方向，称 为板织构
P.12
各向异性
不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能（如强度、塑 性、电阻率、导热性）不同的现象
Z
Z
Y
X
X
问题：为什么常见的金属材料没有显示各向异向性？
Y
P.13
3. 金属中的实际晶体结构 实际金属晶体结构与理想结构的偏离
单晶体：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。 如钻石、单晶Si半导体。
轻金属：指比重小于5（又有一说是 密度小于4.5克/ 立方厘米）， 包括铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡 。
2、熔点 低熔点金属及合金 难熔金属及合金
3、导电性 4、导热性 5、热膨胀性 6、磁性
P.23
（二）材料的化学性能
1、耐腐蚀性 （1）化学腐蚀
（2）电化学腐蚀 防止腐蚀的途径：
形成钝化保护膜、减少电位差、不接触电解质
P.31
维氏HV 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 800 900
三种硬度的换算表
布氏HBS 238 285 333 380 428
(475) (523) (570) (618)
洛氏HRS 22.2 29.8 35.5 40.8 45.3 49.1 52.3 55.2 57.8 60.1 64.0 67.0
金属材料的结构、组织与性能
1. 晶体和金属的特 性
原子在空间呈 规则排列的固体物 质称为“晶体”， 如图1-1a所示。晶 体具有固定的熔点。
图1-1 晶体中原子排列示意图
32
金属原子结合方式-----金属键
金属晶体中，金属原子失去最外层电子变成正离子，每一个正 离子按一定规则排列并在固定位置上作热振动，自由电子在各 正离子间自由运动，并为整个金属所共有，形成带负电的电子 云。正离子与自由电子的相互吸引，将所有的金属原子结合起 来，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称 为“金属键”。
非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。
34
2. 晶格、晶胞和晶格常数
为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个 原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这 些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的 空间格子，称为“晶格”，如图1-1b所示。
晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基 本几何单元称为“晶胞”，如图1-1c所示。晶胞的大小以其各边 尺寸a、b、c表示，称为“晶格常数”，以(A埃 )为单位。 (1埃A =1×10-8 cm)
图1-7 立方晶系的一些晶向指数
36
（2）立方晶系的晶面指数 晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数 通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与3个坐标 轴的截距来决定。晶面指数形式为(h k l)，按如下步骤确定：
1）建坐标；
2）求截距；
3）取倒数并化整，放圆括号
( )内，即得。
图1-11 晶界和亚晶界
44
（2）晶格缺陷
实际金属晶体中，由于结晶条件或加工等的影响，使原子的排列规则受 到破坏，这种不规则的区域称为晶格缺陷。根据其几何特点，可分为三类。
课题3 金属材料的结构与性能
课题3 金属材料的结构与性能课题引入首先请大家思考以下几个问题：➢歌词有“比钢还强，比铁还硬”，怎样衡量钢的强，铁的硬？➢作为汽车工程材料，选择金属时主要考虑哪些因素？➢为什么“打铁要趁热”？➢为什么说“千锤百炼出好钢”？➢为什么汽车覆盖件钢板经过冲压成形后变得更强更硬？课题说明金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。
金属材料的性能主要分为四个方面，即：力学性能、化学性能、物理性能、工艺性能。
在汽车制造工程中选用金属材料时，一般以力学性能作为主要依据，故必须掌握力学性能的主要指标：强度、硬度、塑性、冲击韧性等。
本项目主要学习金属材料的力学性能、金属晶体结构、金属塑性变形、金属和合金结晶过程及组织变化，通过本课时学习，从本质上掌握钢铁的性能与组织的概念，并了解这两者之间的内在联系，为后续金属材料热处理工艺的学习打下基础。
课题目标✧掌握金属的常见晶体结构类型及特点✧掌握实际金属晶体结构的缺陷的类型。
✧掌握金属材料的力学性能的各项指标的概念及工程意义。
✧掌握金属晶体结构与力学性能的关系。
✧掌握金属冷塑性变形对金属性能及组织结构的影响。
✧掌握变形金属后的回复与再结晶原理及工业应用。
✧了解热加工与冷加工的主要区别及热加工的应用。
3.1金属的晶体结构金属材料的种类很多，性能和用途也各不相同。
金属的外在性能很大程度是由金属内部的组织结构决定的。
因此，研究金属内部的组织结构及形成规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。
3.1.1晶体结构的基本概念1．晶体与非晶体固态物质根据其原子排列排列特征，可分为晶体和非晶体两大类。
自然界中，除了少数物质，如普通玻璃、沥青、石蜡松香等外，绝大多数固态物质都是晶体。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面：（1）晶体内部的原子排列有规律，故一般有规则的外形；而非晶体内部原子排列无规则，没有规则的外形。
（2）晶体有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点。
（3）晶体原子呈规则排列，各方向的原子排列密度不一样，使得晶体表现出各向异性的特征；而非晶体在各个方向上的原子聚集密度大致相同，故表现出各向同性。
金属材料的结构和性能分析
金属材料的结构和性能分析金属材料是人们广泛应用的一类材料，它们具有较高的强度、塑性和导电性等特点，适用于制作各种零部件、机器、设备、工具等。
然而，金属材料的性能受其结构的影响较大，不同的结构会导致材料的性能有所不同。
因此，对金属材料的结构和性能进行分析对于选择合适的材料、设计合理的零部件、预测材料的工作寿命等方面均有指导意义。
一、金属材料的结构在金属材料中，原子呈现出有序和规则的排列状态。
这种颗粒有序排列的状态被称为晶体。
晶体中的原子受力形成了一种三维周期结构，其外形规则，呈现出多面体结构。
这种结构具有各向同性（性质与方向无关）的特点。
晶体结构分为立方晶系、四方晶系、六方晶系、三斜晶系、正交晶系和单斜晶系等六类结构。
不同的晶体结构会导致材料的性质发生变化，这也为材料的选择提供一定的依据。
例如，铝、铜、银等材料属于面心立方晶系结构，具有良好的塑性和导电性，适用于制作各种常规零部件。
而碳化硅、硅等材料则采用六方晶系结构，具有良好的高温性能和耐腐蚀性能，适用于制作高温加热元件和耐腐蚀零部件。
二、金属材料的性能金属材料的性能主要包括力学性能、塑性和热性能等方面。
这些性能直接影响着材料在使用时的表现和寿命。
以下是一些常见的金属材料性能分析：1.力学性能力学性能是指材料在受到外力作用下产生的变形、强度以及疲劳寿命等方面的性能。
其中，强度是材料承受外力的能力，通常有屈服点、断裂点等指标来表示。
而变形指材料受到外力时，发生的塑性和弹性变形，这会直接影响着材料在使用时的表现。
此外，疲劳寿命则是材料在反复受到载荷作用下的寿命，该指标与零部件的使用寿命密切相关。
2.塑性塑性是指材料在受力作用下向任意方向发生塑性变形的能力。
由于金属材料的晶体结构具有各向同性的特点，其塑性也表现为各向同性。
材料的塑性不仅可以通过其晶体结构来调控，也可以通过掺杂、热处理等工艺手段来调节。
塑性是金属材料最基本的性能之一，它影响着材料的加工性、成形性以及材料的通用性。
金属材料的组织结构与性能分析
屈服强度s：材料发生微量
0.2
塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。
指标为：
伸长率： 断面收缩率：
l1 l 0 100% l0
F0 F1 100% F0
断裂后
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
• 说明：
• ① 用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变
形。
为什么？
验 、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。
• 维氏硬度保留了布氏硬度和
洛氏硬度的优点。
显微维氏硬度计
小 负 荷 维 氏 硬 度 计
铁碳合金的显微组织
• 铁碳合金的组织组分：铁素体、奥氏体、渗碳 体、珠光体、马氏体、贝氏体、莱氏体、石墨
• 按铁碳合金相图和平衡组织对铁碳合金分类：
工业纯铁、钢和铸铁
2013-8-11
材料科学与工程学院
27
（6）石墨(C)：是Fe3C在一定条件下分解产生的C，以游离态存 在。可实用的铸铁中碳大部分或全部以石墨的形式存在，铸铁组 织是由基体和石墨两部分组成的。石墨的形态、大小、数量和分 布对铸铁的性能有着非常重要的影响，石墨的形态有片状、球状、 蠕虫状、团絮状等。
硬质合金、表淬层和渗碳层。
金刚石压头
HRB用于测量低硬度材料, 如 有色金属和退火、正火钢等。
HRC用于测量中等硬度材料，
如调质钢、淬火钢等。
洛氏硬度的优点：Hale Waihona Puke 作简便，压痕小，适用范围广。
缺点：测量结果分散度大。
洛氏硬度压痕
维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
• 维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后 面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。 • 根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
金属材料的结构与ห้องสมุดไป่ตู้能
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯