工程材料的分类及性能 (1)

GAIBONLINE · 发表于 2006-7-8 14:12:20

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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。

GAIBONLINE · 发表于 2006-7-8 14:27:43

材料的性能

一、力学性能
　　材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力σ和应变ε，σ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值。

设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指标有以下几项：
1．弹性和刚度
　图1-6是材料的应力—应变图（σ—ε图）。

（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝）。
在图中的σ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为σe。
材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）称为弹性模量。E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。零件提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度的升高而逐渐降低。
2．强度
在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度。
（1）屈服强度σs
在图1-6（b）上，当曲线超过A点后，若卸去外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。当曲线达到A点时，曲线出现水平线段，表示外加载荷虽然没有增加，但试样的变形量仍自动增大，这种现象称为屈服。屈服时的应力值称为屈服强度，记为σS。
有的塑性材料没有明显的屈服现象发生，如图1-6（c）所示。对于这种情况，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2表示。
机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据也是评定金属材料承载能力的重要机械性能指标。材料的屈服强度越高，允许的工作应力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以较小。
（2）抗拉强度σb
材料发生屈服后，其应力与应变的变化如图1-1所示，到最高点应力达最大值σb。在这以后，试样产生“缩颈”，迅速伸长，应力明显下降，最后断裂。最大应力值σb称为抗拉强度或强度极限。它也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。σb测量方便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考虑，可用作为设计依据，但所取的安全系数应该大一些。
屈服强度与抗拉强度的比值σS/σb称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。

3．塑性
材料在外力作用下，产生永久残余变形而不被断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸实验测得的（图1-6）。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。
（1）延伸率δ
试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号δ表示，即
式中：L0 试样原始标距长度；
L1 试样拉断后的标距长度。
（2）断面收缩率ψ
试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号ψ表示，即
式中：F0 试样原始的横截面积；
F1 试样拉断处的横截面积。
延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指标外，还要求一定塑性指标的道理。
材料的δ和ψ值越大，塑性越好。两者相比，用ψ表示塑性更接近材料的真实应变。

第三节材料的性能

一、力学性能
　　材料受力后就会产生变形，材料力学性能是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力σ和应变ε，σ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸收的能量的数值。

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图1-5 材料力学性能的指标图

　　设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指标有以下几项：
1．弹性和刚度

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图1-6 应力-应变图

　　图1-6是材料的应力—应变图（σ—ε图）。

（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝）。
在图中的σ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为σe。
材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）称为弹性模量。E标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。E值主要取决于各种材料的本性，一些处理方法（如热处理、冷热加工、合金化等）对它影响很小。零件提高刚度的方法是增加横截面积或改变截面形状。金属的E值随温度的升高而逐渐降低。
2．强度
在外力作用下，材料抵抗变形和破坏的能力称为强度。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。当材料承受拉力时，强度性能指标主要是屈服强度和抗拉强度。
（1）屈服强度σs
在图1-6（b）上，当曲线超过A点后，若卸去外加载荷，则试样会留下不能恢复的残余变形，这种不能随载荷去除而消失的残余变形称为塑性变形。当曲线达到A点时，曲线出现水平线段，表示外加载荷虽然没有增加，但试样的变形量仍自动增大，这种现象称为屈服。屈服时的应力值称为屈服强度，记为σS。
有的塑性材料没有明显的屈服现象发生，如图1-6（c）所示。对于这种情况，用试样标距长度产生0.2%塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度，以σ0.2表示。
机械零件在使用时，一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度是大多数机械零件设计时选材的主要依据也是评定金属材料承载能力的重要机械性能指标。材料的屈服强度越高，允许的工作应力越高，零件所需的截面尺寸和自身重量就可以较小。
（2）抗拉强度σb
材料发生屈服后，其应力与应变的变化如图1-1所示，到最高点应力达最大值σb。在这以后，试样产生“缩颈”，迅速伸长，应力明显下降，最后断裂。最大应力值σb称为抗拉强度或强度极限。它也是零件设计和评定材料时的重要强度指标。σb测量方便，如果单从保证零件不产生断裂的安全角度考虑，可用作为设计依据，但所取的安全系数应该大一些。
屈服强度与抗拉强度的比值σS/σb称为屈强比。屈强比小，工程构件的可靠性高，说明即使外载或某些意外因素使金属变形，也不至于立即断裂。但屈强比过小，则材料强度的有效利用率太低。

3．塑性
材料在外力作用下，产生永久残余变形而不被断裂的能力，称为塑性。塑性指标也主要是通过拉伸实验测得的（图1-6）。工程上常用延伸率和断面收缩率作为材料的塑性指标。
（1）延伸率δ
试样在拉断后的相对伸长量称为延伸率，用符号δ表示，即
b
式中：L0 试样原始标距长度；
L1 试样拉断后的标距长度。
（2）断面收缩率ψ
试样被拉断后横截面积的相对收缩量称为断面收缩率，用符号ψ表示，即

式中：F0 试样原始的横截面积；
F1 试样拉断处的横截面积。
延伸率和断面收缩率的值越大，表示材料的塑性越好。塑性对材料进行冷塑性变形有重要意义。此外，工件的偶然过载，可因塑性变形而防止突然断裂；工件的应力集中处，也可因塑性变形使应力松弛，从而使工件不至于过早断裂。这就是大多数机械零件除要求一定强度指标外，还要求一定塑性指标的道理。
材料的δ和ψ值越大，塑性越好。两者相比，用ψ表示塑性更接近材料的真实应变。

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图1-7 应力-应变图

GAIBONLINE · 发表于 2006-7-8 14:28:39

4．硬度
硬度是材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划裂的能力。通常材料的强度越高，硬度也越高。硬度测试应用得最广的是压入法，即在一定载荷作用下，用比工件更硬的压头缓慢压入被测工件表面，使材料局部塑性变形而形成压痕，然后根据压痕面积大小或压痕深度来确定硬度值。从这个意义来说，硬度反映材料表面抵抗其它物体压入的能力。工程上常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。
（1）布氏硬度HB
布氏硬度是用一定载荷P，将直径为D 的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，根据压痕面积F确定硬度大小。其单位面积所受载荷称为布氏硬度。
由于布氏硬度所用的测试压头材料较软，所以不能测试太硬的材料。当测试压头为淬火钢球时，只能测试硬度小于450HB的材料；当测试压头为硬质合金时，可测试硬度小于650HB的材料。对金属来讲，钢球压头只适用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。材料的σb与HB之间，有以下近似经验关系：
对于低碳钢：σb≈0.36HB；
对于高碳钢：σb≈0.34HB；
对于灰铸铁：σb≈0.10HB。
（2）洛氏硬度HR
洛氏硬度是将标准压头用规定压力压入被测材料表面，根据压痕深度来确定硬度值。根据压头的材料及压头所加的负荷不同又可分为HRA、HRB、HRC三种。
HRA适用于测量硬质合金、表面淬火层或渗碳层；
HRB适用于测量有色金属和退火、正火钢等；
HRC适用于测量调质钢、淬火钢等。
洛氏硬度操作简便、迅速，应用范围广，压痕小，硬度值可直接从表盘上读出，所以得到更为广泛的应用。
（3）维氏硬度HV
维氏硬度的实验原理与布氏硬度相同，不同点是压头为金刚石四方角锥体，所加负荷较小（5～120kgf）。它所测定的硬度值比布氏、洛氏精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。
5．疲劳强度
以上几项性能指标，都是材料在静载荷作用下的性能指标。而许多零件和制品，经常受到大小及方向变化的交变载荷，在这种载荷反复作用下，材料常在远低于其屈服强度的应力下即发生断裂，这种现象称为“疲劳”。材料在规定次数（一般钢铁材料取107次，有色金属及其合金取108次）的交变载荷作用下，而不至引起断裂的最大应力称为“疲劳极限”。光滑试样的弯曲疲劳极限用σ－1表示。一般钢铁的σ－1值约为其σb的一半，非金属材料的疲劳极限一般远低于金属。
疲劳断裂的原因一般认为是由于材料表面与内部的缺陷（夹杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐减小，以至于最后承受不起所加载荷而突然断裂。
通过合理选材，改善材料的结构形状，避免应力集中，减小材料和零件的缺陷，提高零件表面光洁度，对表面进行强化等，可以提高材料的疲劳抗力。
6．韧性
材料的韧性是断裂时所需能量的度量。描述材料韧性的指标通常有两种：
（1）冲击韧性aK
冲击韧性是在冲击载荷作用下，抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力。通常用冲击韧性指标aK来度量。aK是试件在一次冲击实验时，单位横截面积（m2）上所消耗的冲击功（MJ），其单位为MJ/m2。aK值越大，表示材料的冲击韧性越好。
标准冲击试样有两种，一种是常用的梅氏试样（试样缺口为U型）；另一种是夏氏试样（试样缺口为V型）。同一条件下同一材料制作的两种试样，其梅氏试样的aK值显著大于夏氏试样的aK值，所以两种试样的aK值不能互相比较。夏氏试样必须注明aK（夏）。
实际工作中承受冲击载荷的机械零件，很少因一次大能量冲击而遭破坏，绝大多数是因小能量多次冲击使损伤积累，导致裂纹产生和扩展的结果。所以需采用小能量多冲击作为衡量这些零件承受冲击抗力的指标。实践证明，在小能量多次冲击下，冲击抗力主要取决于材料的强度和塑性。
（2）断裂韧性K1
在实际生产中，有的大型传动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在其工作应力远低于σS的情况下，突然发生低应力脆断。通过大量研究认为，这种破坏与制件本身存在裂纹和裂纹扩展有关。实际使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如气孔、夹杂物、机械缺陷等，它们破坏了材料的连续性，实际上成为材料内部的微裂纹。在服役过程中，裂纹扩展的结果，造成零件在较低应力状态下，即低于材料的屈服强度，而材料本身的塑性和冲击韧性又不低于传统的经验值的情况下，发生低应力脆断。
材料中存在的微裂纹，在外加应力的作用下，裂纹尖端处存在有较大的应力集中和应力场。断裂力学分析指出，这一应力场的强弱程度可用应力强度因子K1来描述。K1值的大小与裂纹尺寸（2a）和外加应力（σ）有如下关系：
（MN/m3/2）
式中：Y 与裂纹形状、加载方式及试样几何尺寸有关的系数；
σ 外加应力；
a 裂纹的半长。
由上式可见，随应力的增大，K1也随之增大，当K1增大到一定值时，就可使裂纹前端某一区域内的内应力大到足以使裂纹失去稳定而迅速扩展，发生脆断。这个K1的临界值称为临界应力强度因子或断裂韧性，用K1C表示。它反映了材料抵抗裂纹扩展和抗脆断的能力。
材料的断裂韧性K1C与裂纹的形状、大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（成分、热处理条件、加工工艺等），是一个反映材料性能的常数。

二、物理性能
1．相对密度
密度ρ是指单位体积材料的质量，它是描述材料性能的重要指标。不同材料的相对密度不同，如钢为7.8左右；陶瓷的相对密度为2.2～2.5；各种塑料的相对密度更小。材料的相对密度直接关系到产品的质量，对于陶瓷材料来说，相对密度更是决定其性能的关键指标之一。
抗拉强度与相对密度之比称为比强度；弹性模量与相对密度之比称为比弹性模量。这两者也是考虑某些零件材料性能的重要指标，如飞机和宇宙飞船上使用的结构材料，对比强度的要求特别高。
2．熔点
熔点是指材料的熔化温度。通常，材料的熔点越高，高温性能就越好。陶瓷熔点一般都显著高于金属及合金的熔点，所以陶瓷材料的高温性能普遍比金属材料好。由于玻璃不是晶体，所以没有固定熔点，而高分子材料一般也不是完全晶体，所以也没有固定熔点。
3．热容量
在没有体积变化时，热容量C是温度变化1℃时材料热量的变化。
材料中各种不同的相变热是重要的，最典型的相变热是熔解热和蒸发热，它们分别是材料熔化和气化所需要的热量。相变时材料内部的原子或分子结构发生了变化，这使材料中的热容量也发生变化，所以科学家们经常利用测定材料热容量的变化来分析相变过程。
4．热膨胀性
材料的热膨胀性通常用线膨胀系数αL来表示。它表示每变化1℃时引起的材料相对膨胀量的大小。对于精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标；在有两种以上材料组合成的零件中，常因材料的热膨胀系数相差过大而导致零件的变形或破坏。
一般来说，陶瓷的热膨胀系数最低，金属次之，高分子材料最高。
5．导热性
热量会通过固体发生传递，材料的导热性用导热系数λ来表示，其单位为W/（m·K）。
材料导热性的好坏直接影响着材料的使用性能，如果零件材料的导热性太差，则零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差，膨胀不同，就会产生变形或断裂。一般导热性好的材料（如铜、铝等）常用来制造热交换器等传热设备的零部件。
通常，金属及合金的导热性远高于非金属材料。
6．磁性
材料在磁场中的性能叫做磁性。磁性材料又分为软磁性材料和硬磁性材料两种。软磁性材料（如电工用纯铁、硅钢片等）容易被磁化，导磁性能良好，但外加磁场去掉后，磁性基本消失。硬磁性材料（如淬火的钴钢、稀土钴等）在去磁后仍然能保持磁场，磁性也不易消失。许多金属材料如铁、镍、钴等均具有较高的磁性，而另一些金属材料如铜、铝、铅等则是无磁性的。非金属材料一般无磁性。
磁性不仅与材料自身的性质有关，而且与材料的晶体结构有关。比如铁，在处于铁素体状态时具有较高磁性，而在奥氏体状态则是无磁性的。
7．导电性
一般用电阻率来表示材料的导电性能，电阻率越低，材料的导电性越好。电阻率的单位用Ω·m表示。
金属及其合金一般具有良好的导电性，而高分子材料和陶瓷材料一般都是绝缘体，但是有些高分子复合材料却具有良好的导电性，某些特殊成分的陶瓷材料则是具有一定导电性的半导体。
通常金属的电阻率随温度的升高而增加，而非金属材料则与此相反。
8．介电常数
虽然绝缘体不能导电，但它们对电场并不是毫无反应的。表示绝缘材料电性能的物理量称为介电常数ε，单位是F/m，真空介电常数ε0=8.85×10－12 F/m。
绝缘材料的介电常数ε与真空介电常数ε0之比，称为该材料的相对介电常数：

三、化学性能
1．耐腐蚀性
耐腐蚀性是指材料抵抗介质侵蚀的能力，材料的耐蚀性常用每年腐蚀深度（渗蚀度）Ka（mm/年）一般非金属材料的耐腐蚀性比金属材料高得多。对金属材料而言，其腐蚀形式主要有两种，一种是化学腐蚀，另一种是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用，例如钢的氧化反应。电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。
提高材料的耐腐蚀性的方法很多，如均匀化处理、表面处理等都可以提高材料的耐腐蚀性。

2．高温抗氧化性
对于象发动机这样在高温下工作的设备而言，除了要在高温下保持基本力学性能外，还要具备抗氧化性能。所谓高温抗氧化性通常是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性。
3．抗老化性能
塑料在长期贮存和使用过程中，由于受到氧、光、热等因素的综合作用，分子链逐渐产生交联与裂解，性能逐渐恶化，直至丧失使用价值的现象，称为老化。有的塑料老化后变硬、变脆、开裂，这是大分子链之间产生交联的结果；有的塑料老化后变软、变粘，这是大分子链断开，产生“裂解”的结果。高分子材料抵抗老化的能力称为抗老化性能。
通过改变高聚物的结构，添加防老化剂和表面处理等方法可以提高高分子材料的抗老化性能。
4．降解性
随着高分子技术的发展，一次性使用的塑料制品越来越多，但由于这些一次性塑料常常可以几十年不分解，在给人们带来了方便的同时也给环境造成了极大的污染。所谓降解性就是指塑料在自然环境下能否迅速分解的能力。
最常见的降解方式是碳化。碳化时，聚合物中的侧基或氢原子被热扰动完全扯开，只剩下主链的碳原子。现在也常常利用聚合物纤维通过碳化来生成复合材料用的石墨纤维。

四、工艺性能
材料工艺性能的好坏，直接影响到制造零件的工艺方法和质量以及制造成本。所以，选材时必须充分考虑工艺性能。
1．铸造性
铸造性是指浇注铸件时，材料能充满比较复杂的铸型并获得优质铸件的能力。
对金属材料而言，铸造性主要包括流动性、收缩率、偏析倾向等指标。流动性好、收缩率小、偏析倾向小的材料其铸造性也好。
对某些工程塑料而言，在其成型工艺方法中，也要求有较好的流动性和小的收缩率。
2．可锻性
可锻性是指材料是否易于进行压力加工的性能。可锻性好坏主要以材料的塑性和变形抗力来衡量。一般来说，钢的可锻性较好，而铸铁不能进行任何压力加工。
热塑性塑料可经过挤压和压塑成型。
3．可焊性
可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。低碳钢具有优良的可焊性，而铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。
4．切削加工性
切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。它与材料种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。有利切削的硬度为HB160～230，切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。金属和塑料相比，切削工艺有不同的要求。

GAIBONLINE · 发表于 2006-7-8 14:31:39

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。

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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。

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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。

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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。

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平面位错运动

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。
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图5-8 低碳钢中的带状组织

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