工程材料的分类及性能

xlktiancai

材料的分类


　　材料的种类繁多，用途广泛。工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类：

金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。
　　随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。所以在工业中的应用日益广泛。作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。
　　金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。

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工程材料的分类及性能 (4) 材料的变形 各种材料的变形特性可以有很大的不同，一般地说，金属材料有良好的塑性变形能力，具有较高的强度，因此被制备加工成各种形状的产品零件；高分子材料在玻璃化温度Tg以下是脆性的，在Tg以上可以加工成形，但其强度很低；而陶瓷材料则很脆，很难加工成形，虽然陶瓷材料有很高的强度、耐磨性能和抗腐蚀性能，但陶瓷材料的脆性是阻碍其应用的主要原因。各种材料在力学性能上的差别主要取决于结合键和晶体或非晶体结构。本章主要讨论各种材料的变形特性和行为。 第一节 金属的塑性变形与再结晶 一、金属的塑性变形与强化 1．单晶体金属的塑性变形 工业上使用的金属材料大多数是多晶体，它们的塑性变形过程比较复杂，为了说明塑性变形的基本规律，有必要先了解单晶体的塑性变形。 将一个表面经过抛光的纯锌单晶体进行拉伸试验，在试样的表面上出现了许多互相平行的倾斜线条的痕迹，称为滑移带，如图5-1所示。 重庆大学精品课程－工程材料 图5-1 锌单晶体拉伸试验示意图（a）变形前试样 （b）变形后试样 金属塑性变形最基本的方式是滑移。所谓滑移，是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动位移的现象。滑移变形具有以下特点：（1）滑移在切应力作用下产生（2）滑移沿原子密度最大的晶面和晶向发生（3）滑移时两部分晶体的相对位移是原子间距的整数倍 晶体滑移后，在其表面上出现滑移痕迹，通常称为滑移带，如图5-2所示。在电子显微镜下观察还会发现，任何一条滑移带实际上都是由若干条滑移线组成的。 重庆大学精品课程－工程材料 图5-2 滑移带和滑移系的示意图 （4）滑移的同时伴随着晶体的转动 2．滑移的机理 大量的理论和试验研究的结果证明，滑移是通过位错在滑移面上的运动来实现的。 重庆大学精品课程－工程材料 图5-3 晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图 在图5-3中图示了一刃型位错在切应力τ的作用下在滑移面上的运动过程，即通过一根位错线从滑移面的一侧到另一侧的运动造成一个原子间距滑移的过程。从图5-3可以看出，当一条位错线扫过滑移面到达金属表面时，便产生一个原子间距的滑移量，同一滑移面上，若有大量位错移出，则会在金属表面形成一条滑移线。 重庆大学精品课程－工程材料 平面位错运动 重庆大学精品课程－工程材料 3D位错运动 3．多晶体金属的塑性变形 多晶体金属的塑性变形与单晶体比较并无本质上的区别，即每个晶粒的塑性变形仍然以滑移等方式进行。但由于晶界的存在和每个晶粒中晶格位向不同，故多晶体的塑性变形要比单晶体复杂得多。 4．合金的塑性变形与强化 合金中由于含有合金元素而使其晶格发生了畸变，因而也使它的性能发生显著变化。根据合金的组织可将其分为单相固溶体和多相混合物两大类。在这两种不同情况下，合金元素对塑性变形的影响也不相同。 二、塑性变形对组织和性能的影响 1．塑性变形对金属显微组织的影响 当变形量很大时，晶粒将被拉长成纤维状，晶界变得模糊不清。此时，金属的性能将会有明显的各向异性，如纵向的性能明显优于横向。塑性变形也会使晶粒内部的亚结构发生变化，使晶粒破碎成亚晶粒。 2．形变织构的产生 当出现织构以后，多晶体金属就表现出一定程度的各向异性，这对材料的性能和加工工艺有很大的影响。 3．塑性变形对金属性能的影响 在塑性变形的过程中，随着金属内部组织的变化，金属的性能也将产生变化。随着变形程度的增加，金属的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这一现象称为“加工硬化”或“形变强化”。 4．残余内应力 内应力分为三类：第一类内应力又叫宏观内应力，是由于金属表层与心部变形不一致造成的，所以存在于表层与心部之间；第二类内应力又叫微观内应力，是由于晶粒之间变形不均匀造成的，所以存在于晶粒与晶粒之间；第三类内应力又叫点阵畸变，是由于晶体缺陷增加引起点阵畸变增大而造成的内应力，所以存在于晶体缺陷中。 重庆大学精品课程－工程材料 晶粒拉长 三、变形金属在加热过程中组织和性能的变化 金属材料在冷变形加工以后，为了消除残余应力或恢复其某些性能（如提高塑性、韧性，降低硬度等），一般要对金属材料进行加热处理。而加工硬化虽然使塑性变形比较均匀，但却给进一步的冷成形加工（例如深冲）带来困难，所以常常需要将金属加热进行退火处理，以使其性能向塑性变形前的状态转化。对冷变形金属加热使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。加热时的组织与性能变化如图5-4所示。 重庆大学精品课程－工程材料 图5-4 变形金属在不同加热温度时晶粒大小和性能的变化示意图 1．回复 回复是指冷变形金属加热时，在光学显微组织发生改变前（即再结晶晶粒形成前）所产生的某些亚结构和性能的变化过程。 2．再结晶冷变形金属加热到一定温度之后，在原来的变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化，并恢复到完全软化状态，这个过程称为再结晶。 3．晶粒长大冷变形金属刚刚结束再结晶时的晶粒是比较细小均匀的等轴晶粒，如果再结晶后不控制其加热温度或时间，继续升温或保温，晶粒之间便会相互吞并而长大，这一阶段称为晶粒长大。 4．影响再结晶后晶粒度的因素（1）加热温度与保温时间的影响 再结晶加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越大，其中加热温度的影响尤为显著，如图5-5所示。这是由于加热温度升高，原子扩散能力和晶界迁移能力增强，有利于晶粒长大。 重庆大学精品课程－工程材料 图5-5 加热温度对晶粒度的影响图5-6 预先变形程度对晶粒度的影响 （2）预先变形程度的影响 预先变形程度对再结晶晶粒度的影响如图5-6所示。预先变形程度的影响，实质上是变形均匀程度的影响。当变形程度很小时，由于金属的畸变能也很小，不足以引起再结晶，因而晶粒仍保持原来的形状。 四、金属的热加工 1．热加工与冷加工的区别 从金属学的角度来看，所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工。 2．热加工对金属组织和性能的影响 热加工虽然不能引起加工硬化，但它能使金属的组织和性能发生显著的变化。（1）改善铸锭组织 （2）热加工流线 由一条条热加工中的流线沟划出来的组织，叫做纤维组织。在制定热加工工艺时，应尽量使流线与工件所受的最大拉应力方向一致，而与外剪切应力或冲击应力的方向垂直。图5-7（a）所示曲轴锻坯流线分布合理，而图5-7（b）中曲轴是由锻钢切削加工而成，其流线分布不合理，在轴肩处容易断裂。 重庆大学精品课程－工程材料 图5-7 曲轴中的流线分布（a）锻造变形； （b）切削加工 （3）带状组织 复相合金中的各个相，在热加工时沿着变形方向交替地呈带状分布，这种组织称为带状组织。图5-8是低碳钢中的带状组织。 带状组织不仅降低金属的强度，而且还降低塑性和冲击韧性，对性能极为不利。轻微的带状组织可以通过正火来消除。重庆大学精品课程－工程材料 图5-8 低碳钢中的带状组织