第七章 金属材料
第七章 力学性质(高分子材料的变形特点与金属材料的变形特点)
力学性质
本章重点内容
1.高分子材料的变形特点与金属材料的变形特点的 比较.
1.1金属材料的变形特点及其微观解释.
1.2高分子材料的变形特点.
2.几个重要概念.
弹性变形 塑性变形 拉伸应力 真 应 力
屈服 真应变
弹性变形:
材料的变形过程中如果应力与应变成比例则称为弹性变形.
塑性变形:
对于大多数金属材料来说,其弹性变形不足其应变的0.005, 当变形超过这一数值,则应力与应变不再服从胡克定律,即发
滑移系来满足各晶粒变形是相互协调的要求。
本章总结
金属应力应变与高分子材料的应力应变特点的比较. 金属材料应力应变的微观解释.(特点并给出解释)
弹性变形的主要特征是：
• （1）理想的弹性变形是可逆变形，加载时变形， 卸载时变形消失并恢复原状。
• （2）金属、陶瓷和部分高分子材料不论是加载或 卸载时，只要在弹性变形范围内，其应力与应变 之间都保持单值线性函数关系，即服从虎克 （Hooke）定律： 在正应力下，s = Ee， 在切应力下，t =Gg， 式中，s，t分别为正应力和切应力；e，g分别 为正应变和切应变；E，G分别为弹性模量（杨氏
真应变:
如果无体积变化的情况下真应变与真应力的关系为: εT=ln(1+ε)
弹性变形的本质
• 弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形， 可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。
• 原子处于平衡位置时，其原子间距为r0，位能U处于 最低位置，相互作用力为零，这是最稳定的状态。当 原子受力后将偏离其平衡位置，原子间距增大时将产 生引力；原子间距减小时将产生斥力。这样，外力去 除后，原子都会恢复其原来的平衡位置，所产生的变 形便完全消失，这就是弹性变形。
金属材料学第7-11章课后习题答案
金属材料学习题与思考题第七章铸铁1、铸铁与碳钢相比，在成分、组织和性能上有什么区别？（1）白口铸铁：含碳量约2.5%,硅在1%以下白口铸铁中的碳全部以渗透碳体（Fe3c）形式存在，因断口呈亮白色。
故称白口铸铁，由于有大量硬而脆的Fe3c，白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。
因此，在工业应用方面很少直接使用，只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球磨机铁球等。
大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料（2）灰口铸铁；含碳量大于4.3％，铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。
断口呈灰色。
它具有良好铸造性能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。
（3）钢的成分要复杂的多，而且性能也是各不相同钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。
我们通常将其与铁合称为钢铁，为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。
钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等，而且钢还根据品质分类为①普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）②优质钢（P、S均≤0.035%）③高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）按照化学成分又分①碳素钢：.低碳钢（C≤0.25%）.中碳钢（C≤0.25~0.60%）.高碳钢（C≤0.60%）。
②合金钢：低合金钢（合金元素总含量≤5%）.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。
2、C、Si、Mn、P、S元素对铸铁石墨化有什么影响？为什么三低（C、Si、Mn低）一高（S高）的铸铁易出现白口？（1）合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。
其中，Nb为中性元素，向左促进程度加强，向右阻碍程度加强。
C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素，为综合考虑它们的影响，引入碳当量CE = C% + 1/3Si%，一般CE≈4%，接近共晶点。
《金属材料与热处理》第六章至第七章
第六章 铸铁（P108）
第一节 铸铁的组织与分类
三、铸铁的分类： 铸铁的分类： 2、按石墨形态不同分： 、按石墨形态不同分： （1）普通灰铸铁：石墨呈曲片状 ）普通灰铸铁： （2）可锻铸铁：石墨呈团絮状 ）可锻铸铁： （3）球墨铸铁：石墨呈球状 ）球墨铸铁： （4）蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状 ）蠕墨铸铁：
＜0.1%
2、性能：强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁，接近铸钢，而 、性能：强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁，接近铸钢， 铸造性能和切削性能比铸钢要好。 铸造性能和切削性能比铸钢要好。 3、牌号及用途： 、牌号及用途： 球铁”二字的汉语拼音字母字头“ 由“球铁”二字的汉语拼音字母字头“QT”，后面的一组表 ， 示最小抗拉强度和断后伸长率数值的数字组成。 示最小抗拉强度和断后伸长率数值的数字组成。 用途见P114 表6-3 用途见
第六章 铸铁（P108）
第二节 常用铸铁简介
一、灰铸铁： 灰铸铁： 1、成分与组织：2.77-3.6%C、1.0-2.2%Si、S＜0.15%、P＜0.3% 、成分与组织： 、 、 ＜ 、 ＜ 2、性能和孕育处理（变质处理）：就是在浇注前往铁水中投 ）：就是在浇注前往铁水中投 、性能和孕育处理（变质处理）： 入少量硅铁、硅钙合金等作为孕育剂， 入少量硅铁、硅钙合金等作为孕育剂，使 铁水内产生大量 均匀分布的晶核，使石墨片及基体组织得到细化。 均匀分布的晶核，使石墨片及基体组织得到细化。 3、牌号及用途： 、牌号及用途： 灰铁”二字的汉语拼音字母字头“ 由“灰铁”二字的汉语拼音字母字头“HT”及后面的一组表 及后面的一组表 示最小抗拉强度数值的数字组成。 示最小抗拉强度数值的数字组成。 用途见P111 表6-1 用途见
第六章 铸铁（P108）
第二节 常用铸铁简介
★第七章 提高金属材料性能的方法
课件制作：王臻
正火
回火
1.表面热处理的定义：
• 为了满足零件表面的性能要求，需要进行的热处理工艺成为表面热处 理。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。
（1）表面淬火：
• 把钢的表面迅速加热到淬火温度，而心部温度保持在组织转变温度之 下，然后快速冷却，使表面获得高硬度和高耐磨性，而心部仍然保持
原来的组织 ，保持原来的韧性和塑性，这种淬火称为表面淬火。
• （4）提高产品加工质量和劳动效率。
热 处 理 的 分 类
1.热处理的分类（按热处理工艺在零件生产中所处位置的不同）：
• （1）预先热处理；
• （2）最终热处理。
2.预先热处理与最终热处理的目的：
• （1）预先热处理：又称为中间热处理，目的是改善材料的工艺性能，
为后继加工作准备，通常是为了降低硬度，消除内应力和组织缺陷；
（2）化学热处理：
• 化学热处理是将工件置于化学介质中加热和保温，以改变表层的化学 成分和组织，从而改变工件 表层性能的热处理工艺，包括渗碳、渗氮 氰化和渗金属四种。
渗碳&渗氮 ：
• （1）渗碳：将碳原子渗入钢件表面的过程称为渗碳，能使钢件表面获 得高硬度、高耐磨性，心部又具有高韧性（如：轴、齿轮等的热处理 加工）； • （2）渗氮：把氮原子渗入钢件表面的过程称为渗氮。渗氮后可以提高
强化组织：增加强硬度 和耐磨性，稳定组织， 消除内应力。
退 火
退火是将金属或合金加热到
适当温度，保持一定时间，然
后慢慢冷却的热处理工艺。按
照退火的目的和方法不同，退
火可分为完全退火、球化退火
和去应力退火（又称为低温退 火）。
右为退火工艺的视频/动画。
金属学与热处理第七章 金属及合金的回复与再结晶
五、亚晶粒尺寸
在回复阶段的前期，亚晶粒尺寸变化不大，但在 后期，尤其在接近再结晶温度时，亚晶粒尺寸显著增 大。
第二节 回 复
一、退火温度和时间对回复过程的影响
回复是指冷塑性变形的金属在加热时，在光学 显微组织发生改变前（即在再结晶晶粒形成前）所 产生的某些亚结构和性能的变化过程。通常指冷塑 性变形金属在退火处理时，其组织和性能变化的早 期阶段。
回复机制
冷变形后，晶体中同号的刃型位错处在同一滑移 面时它们的应变能是相加的，可能导致晶格弯曲（见 图7-5a）；而多边化后，上下相邻的两个同号刃型位 错之间的区域内，上面位错的拉应变场正好与下面位 错的压应变场相叠加，互相部分地抵消，从而降低了 系统的应变能（见图7-5b）。
图7-5 多边化前、后刃型位错的排列情况 a）多边化前 b）多边化后
回复机制
图7-6 刃型位错的攀移和 滑移示意图 图7-7 刃型位错攀移示意图
三、亚结构的变化
金属材料经多滑移变形后形成胞状亚结构，胞内位 错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。 在回复退火阶段，当用光学显微镜观察其显微组织时， 看不到有明显的变化。但当用电子显微镜观察时，则可 看到胞状亚结构发生了显著地变化。图7-8为纯铝多晶 体进行回复退火时亚结构变化的电镜照片。
第七章 金属及合金的回复与再结晶
第一节 形变金属与合金在退火过程 中的变化
第二节 回 复 第三节 再 结 晶 第四节 晶粒长大 第五节 金属的热加工
第一节 程
形变金属与合金在退火过
中的变化
一、显微组织的变化
将塑性变形后的金属材料加热到0.5Tm温度附近，
进行保温，随着时间的延长，金属的组织将发生一系 列的变化，这种变化可以分为三个阶段，如图7-1所示。
《金属材料与热处理》教材习题答案：第七章 有色金属及硬质合金
《金属材料与热处理》教材习题答案第七章有色金属及硬质合金1.纯铜的性能有何特点？纯铜的牌号如何表示？答：铜的密度为8.96 ×103 kg/m3，熔点为1083℃，其导电性和导热性仅次于金和银，是最常用的导电、导热材料。
它的塑性非常好，易于冷、热压力加工，在大气及淡水中有良好的抗蚀性能，但纯铜在含有二氧化碳的潮湿空气中表面会产生绿色铜膜，称为铜绿。
纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑性显著降低，不能制作受力的结构件。
按化学成分不同可分为工业纯铜和无氧铜两类，我国工业纯铜有三个牌号：即一号铜（99.95%Cu）、二号铜（99.90%Cu），三号铜（99.7%Cu），其代号分另为T1、T2、T3；无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003%，其代号有TU1、TU2，“U”是“无”字汉语拼音字首。
2.铜合金有哪几类？它们是根据什么来区分的？答：常用的铜合金有黄铜、青铜、白铜三大类。
黄铜是以锌为主加合金元素的铜合金，白铜是以镍为主加合金元素的铜合金，除了黄铜和白铜外，所有的铜基合金都称为青铜。
按主加元素种类的不同，青铜又可分为锡青铜、铝青铜、硅青铜和铍青铜等。
3.锌的含量对黄铜的性能有何影响？答：锌含量在32％以下时，随锌含量的增加，黄铜的强度和塑性不断提高，当锌含量达到30％一32％时，黄铜的塑性最好。
当锌含量超过39％以后，强度继续升高，但塑性迅速下降。
当锌含量大于45％以后，强度也开始急剧下降，所以工业上所用的黄铜Zn含量一般不超过47％。
4.青铜按生产方式分为哪两类？它们的牌号如何表示？答：按生产方式也可分为压力加工青铜和铸造青铜两类。
压力加工青铜的代号由“Q”＋主加元素的元素符号及含量＋其他加人元素的含量组成，如QSn4一3。
铸造青铜的牌号表示方法由“ZCu”+主加元素符号+主加元素含量+其他加入元素的元素符号及含量组成。
如ZCuSn5Pb5Zn5等。
5.含锡量对锡青铜的性能有何影响？答：锡含量较小时，随着锡含量的增加，青铜的强度和塑性增加，当锡含量超过5%~6%时，其塑性急剧下降，强度仍然高。
汽车材料教学课件第四版第七章有色金属材料及其在汽车上的应用
2. 特殊黄铜 为了获得某些性能，在普通黄铜中加入铝、硅、锰、锡、铅等合金元素而组成的 合金，称为特殊黄铜。按其所加元素的不同，分为硅黄铜（ HSi80-3）、铅黄铜 （ HPb63-3）、锡黄铜（ HSn62-1）等。特殊黄铜加入合金元素，改善了黄铜的力 学性能、耐蚀性或某些工艺性能。如加入铝能提高黄铜的硬度、强度和耐磨性；加 入硅能提高黄铜的硬度、强度和铸造性能；加入锰能提高黄铜的力学性能和耐蚀性； 加入锡能提高黄铜的耐蚀性，尤其是能提高黄铜在海水中的耐蚀性；加入铅能改善 黄铜的切削加工性能等。
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一、工业纯铜
纯铜是用电解法获得的，也称“电解铜”，外观呈紫红色，故又称紫铜。工业纯 铜的含铜量为 99.50%～ 99.95%。纯铜具有良好的塑性、导电性和耐蚀性，特别是 导电性仅次于银而居于第二位。铜的密度为 8.9 g/cm3，熔点为 1 083 ℃。工业纯 铜的强度、硬度低，不宜制作结构零件，广泛应用于制造电线、电缆、铜管以及配 制铜合金。此外，纯铜还可用于制作气缸垫、进排气管垫、轴承衬垫和油管等。
第七章 有色金属材料及其在汽车上的应用
第一节 第二节 第三节 第四节
铝及铝合金 铜及铜合金 滑动轴承合金 其他有色金属
1
材料学上通常把铁、锰、铬及以铁碳为主的合金（钢铁）称为黑色金属，如钢、 生铁、铁合金、铸铁等，把其他金属及其合金称为有色金属。有色金属具有质轻、 强度和硬度一般比普通金属高、导电性好、电阻温度系数小等钢铁材料所不具备的 物理性能和化学性能，而且又具有一定的力学性能和较好的工艺性能，是实现汽车 轻量化的理想材料，因而在现代汽车工业中得到了广泛的应用。
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3. 工业纯铝的主要用途 工业纯铝主要用来代替铜制作导线、电缆、电气元件以及强度不高的耐蚀器皿、 生活器皿和配制铝合金等。在汽车中常用于制作压缩机垫圈，排气阀垫片，内、外 装饰件和铭牌等。
7-第七章 金属材料焊接性分析方法(焊工工艺-第3版)
图7-3 采用焊条电弧焊时，试验焊缝位置
第二节 金属焊接性评定与试验
图7-4 采用焊条自动送进装置焊接试验焊缝位置
第一节 金属的焊接性
第二节 金属焊接性评定与试验
二、常用的焊接性试验方法 由前述可知，焊接性试验方法种类很多，因抗裂性能是衡量金
属焊接性的主要标志，所以在生产中还是常用焊接裂纹试验来表征 材料的焊接性。以下主要介绍几种常用的焊接性试验方法。 1.间接试验法
碳当量鉴定法是判断焊接性的最简便的间接法，常用作焊接冷 裂纹的间接评定。所谓碳当量法，就是将包括碳在内的其他合金元 素对硬化(脆化和冷裂等)的影响折合成碳的影响。
第一节 金属的焊接性
(3)结构因素 焊接接头和结构设计会影响应力状态，从而对焊 接性也发生影响。
这里主要从结构的刚度、应力集中和多向应力等方面来考虑。 使焊接接头处于刚度较小的状态，能够自由收缩，有利于防止焊接 裂纹。缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝等容易引起应力 集中，要尽量避免。不必要地增大母材厚度或焊缝体积，会产生多 向应力，也应注意防止。
第七章 金属材料 焊接性分析方法
第一节 金属的焊接性
一、金属焊接性的概念 1.定义：金属焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设 计要求的构件，并满足预定服役要求的能力，即金属材料对焊接加 工时适应性。 2.特点：焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素 的影响。根据上述定义，优质的焊接接头应具备两个特点：即接头 中不允许存在超过质量标准规定的缺陷；同时具有预期的使用性能。 根据讨论问题的着眼点不同，焊接性又分为工艺焊接性和使用焊接 性。
材料性能学 第七章
第
七 章
2.蠕变断裂机理
材
料 的
等强温度：在某一温度下，晶界强度与晶内强度 相等，这个温度称为等强温度。
强度 晶界
高 温 力 学
性 能
晶界滑动和应力 集中模型 晶界断裂 空位聚集模型
晶内
温度
2014年6月12日星期四
第
七 章
晶界滑动和应力集中模型
拉应力
高应力和低温度下
滑动晶界
材
料 的
材
料 的
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
二、高温下材料的粘性流动性能
材
料 的
粘性变形：在高温下产生的不可逆永久变形称为粘性 流动变形。
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
三、高温硬度
1.在硬度计的工作台上加一套试样加热保温装置。
材
料 的
2.持久硬度
高
温 力
学
材
料 的
高
温 力
学
性 能
2014年6月12日星期四
第
七 章
3、高分子材料的蠕变曲线 高分子材料的粘弹性，决定了其与金属、陶瓷材料 不同的蠕变特征。蠕变曲线如图： 应变 C
材
料 的
D
高
温 力
B
学
性 能
A
时间t
应变滞后
2014年6月12日星期四
第
七 章
第一阶段：AB段，为可逆性变阶段，是普通的弹性 变形。σ=Eε
学
性 能
A
时间t
应变滞后
金属学第七章第九章答案
9-4 试比较贝氏体转变与珠光体转变和马氏体转变的异同。
答：贝氏体转变：是在珠光体转变温度以下马氏体转变温度以上过冷奥氏体所发生的中温转变。
与珠光体转变的异同点：相同点：相变都有碳的扩散现象；相变产物都是铁素体+碳化物的机械混合物不同点：贝氏体相变奥氏体晶格向铁素体晶格改组是通过切变完成的，珠光体相变是通过扩散完成的。
与马氏体转变的异同点（可扩展）：相同点：晶格改组都是通过切变完成的；新相和母相之间存在一定的晶体学位相关系。
不同点：贝氏体是两相组织，马氏体是单相组织；贝氏体相变有扩散现象，可以发生碳化物沉淀，而马氏体相变无碳的扩散现象。
9-5 简述钢中板条马氏体和片状马氏体的形貌特征和亚结构，并说明它们在性能上的差异。
答：板条马氏体的形貌特征：其显微组织是由成群的板条组成。
一个奥氏体晶粒可以形成几个位向不同的板条群，板条群由板条束组成，而一个板条束内包含很多近乎平行排列的细长的马氏体板条。
每一个板条马氏体为一个单晶体，其立体形态为扁条状。
在这些密集的板条之间通常由含碳量较高的残余奥氏体分割开。
板条马氏体的亚结构：高密度的位错，这些位错分布不均匀，形成胞状亚结构，称为位错胞。
片状马氏体的形貌特征：片状马氏体的空间形态呈凸透镜状，由于试样磨面与其相截，因此在光学显微镜下呈针状或竹叶状，而且马氏体片互相不平行，大小不一，越是后形成的马氏体片尺寸越小。
片状马氏体周围通常存在残留奥氏体。
片状马氏体的亚结构：主要为孪晶，分布在马氏体片的中部，在马氏体片边缘区的亚结构为高密度的位错。
板条马氏体与片状马氏体性能上的差异: 马氏体的强度取决于马氏体板条或马氏体片的尺寸，尺寸越小，强度越高，这是由于相界面阻碍位错运动造成的。
马氏体的硬度主要取决于其含碳量。
马氏体的塑性和韧性主要取决于马氏体的亚结构。
差异性：片状马氏体强度高、塑性韧性差，其性能特点是硬而脆。
板条马氏体同时具有较高的强度和良好的塑韧性，并且具有韧脆转变温度低、缺口敏感性和过载敏感性小等优点。
第七章金属磨损和接触疲劳
2.磨损量的估算
Archard 提出的粘着磨损量估算方法如下： 在摩擦副接触处为三向压缩应力状态，故接触压缩屈服强度近似为
单向压缩屈服强度σSC的三倍。若接触处因压应力很高超过σSC 产生塑性变形，随后因加工硬化而使变形终止。此时，外加载荷 事实上作用在接触点真实面积上。设真实接触面积为A，接触压 缩屈服强度为3 σSC ，作用于表面上的法向力为F，则
(b) 磨粒性能
* 磨粒硬度
磨损体积与硬度比Ha /H（磨粒硬度Ha与材料硬度 H之比） 的关系。
4.改善磨粒磨损耐磨性的措施
a) 对于以切削作用力主要机理的磨粒磨损，应增 加材 料的硬度；对以塑性变形为主的磨粒磨损， 应提高 材料的韧性。
b) 根据机件服役条件(高应力冲击、无冲击下的 低应 力)，合理地选择耐磨材料(高锰钢、中碳 调质钢)。
F=A (3 σSC) 假定磨屑呈半球形，直径为d。任一瞬时有n个粘着点，所有粘着点
尺寸相同，直径也为d，则
d 2
A n( ) 4
可推出：
n
4F 3 SCd
2
再假定每一粘着点滑过距离也为d，则单位滑动距离形成的粘着点
数N为
N
n d
4F 3 SC d 3
磨屑形成有个几率问题，设此几率为K，则单位滑动距离内的磨损
以得到 F= (3 σSC) πr2
设θ为凸出部分的圆锥面与软材料表面间的夹角，当摩擦副相对滑 动了l长的距离时，凸出部分或磨粒切削下来的软材料体积，即磨损 量V为 V=0.5*2r*r*tan θl=r2ltanθ
由上两式可得
金属装饰材料
(2) 铝合金地弹簧门、折叠铝合金门、旋转铝合金门等，广泛应用在大 型公共建筑门厅、入口等处。铝合金地弹簧门承载能力大，启闭轻便， 维护简便，经久耐用，适用于人流不定的入口。折叠铝合金门是一种多 门扇组合的上吊挂、下导向的较大型门，适用于礼堂、餐厅、会堂等门 洞口宽而又不需频繁启闭的建筑，也可作为大厅的活动隔断，以使大厅 功能更趋完备。
3、装饰铝及铝合金制品 (1) 铝合金门窗
• 铝合金门窗在建筑上的使用，已有30余年的历史。尽管其造价较高 ，但由于长期维修费用低，且造型、色彩、玻璃镶嵌、密封材料和耐久 性等均比钢、木门窗有着明显的优势，所以在世界范围内得到了广泛应 用。
• 表面处理后的型材，经下料、打孔、铣槽、攻丝、组装等工艺，即 可制成门窗框料构件，再与连接件、密封件、开闭五金件一起组合装配 成门窗。
3．塑料复合镀锌钢板 塑料复合板是在钢板上覆以2.0-0.4mm半硬质聚氯乙烯塑料薄膜而成。 它具有绝缘性好、耐磨损、耐冲击、耐潮湿，良好的延展性及加工性 弯曲180°塑料层不脱离钢板，既改变了普通钢板的乌黑面貌，又可在 其上绘制图案和艺术条纹，如布纹、木纹，皮革纹、大理石纹等。该 复合板可用作地板、门板、顶棚等。
• 铝合金花格网是由铝合金挤压型材拉制及表面处理等而成的花格网。 该花格网有银白、古铜、金黄、黑等颜色，并且外形美观，质轻，机械 强度大，式样规格多，不积污，不生锈，防酸碱腐蚀性好。用于公寓大 厦平窗、凸窗、花架、屋内外设置、球场防护网、栏杆，遮阳、护沟和 围墙等安全防护、防盗设施和装饰。
机械工程材料教学课件第7章常用金属材料
7.3 合金钢
（2）形成合金碳化物
合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元 素和非碳化物形成元素两大类。
碳化物形成元素：常见碳化物形成元素有Mn、Cr、W、V、 Nb、Zr、Ti等（按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排 列），它们在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体， 含量高时可形成新的合金碳化物。
7.4.1低合金高强度结构钢
1. 化学成分及性能特点 低合金高强度结构钢的含碳量较低，一般不超过0.2%，合金
元素的含量不超过3%，因含碳量较低，所以其塑性、韧性和焊接 性能较好，此类钢中常加入的元素有Mn、Si、V、Nb、Ti、Al、 Mo和N等，其中以Mn最为常用。
C：在钢中形成珠光体或弥散析出的合金碳化物，使钢得到强 化。在合金钢中为来形成一定量的碳－氮化物，碳的含量只需要 0.01~0.02％，所以降碳是这类钢发展的必然趋势，从而可大大改善 钢的韧性和焊接性能。
7.1.4 P对钢性能的影响
磷由炼钢时由矿石带入到钢中，它能够增加钢的强度和硬度， 但对塑性变形、冲击韧性的负面作用更加明显，[但对塑性变形、 冲击韧性的负面作用更加明显，]特别是在低温时，它使钢材显著 变脆，这种现象称为"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性能变 坏，含磷越高，冷脆性越大，故钢中对含磷量控制较严，所以一般 说磷也是有害元素。
Mn：Mn/C比值越高，越有助于提高钢的屈服强度和冲击韧性。 锰降低了γ→α 转变温度，有利于针状铁素体的形核；另外，在加 热过程中可增大碳-氮化物形成元素在γ-Fe中的溶解度，从而增加 铁素体中碳化物的弥散析出量。高锰还可以导致钢的应力-应变特 性的变化，可以抵消晶格效应的强度损失。
材料性能学课件第七章 材料的高温力学性能
蠕变极限，记作
T /t
，其中T表示测试温度，
ε/t 表示在给定的时间t内产生的蠕变应变为ε。
在蠕变时间短而蠕变速率又较大的情况下，
一般采用这种定义方法。
2．持久强度
某些在高温下工作的机件，蠕变变形很小或对 变形要求不严格，只要求机件在使用期内不发生断 裂。在这种情况下，要用持久强度作为评价材料、 设计机件的主要依据。
⑷ 粘弹性机理 高分子材料在恒定应力作用下，分子链由卷
曲状态逐渐伸展，发生蠕变变形，这是体系熵值 减小的过程。当外力减小或去除后，体系自发地 趋向熵值增大的状态，分子链由伸展状态向卷曲 状态回复，表现为高分子材料的蠕变回复特性。
2．蠕变断裂机理
蠕变断裂有两种情况： 一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件，
低温下由空位扩散导致的这种断裂过程 十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生。
金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为： 一是在断口附近产生塑性变形，有很多裂纹，使断 裂机件表面出现龟裂现象； 另一个特征是由于高温氧化，一层氧化膜所覆盖。
微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。
三、蠕变性能指标
蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等 1．蠕变极限
在高应力高应变速率下，温度低时，金属材 料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，这 属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小。温度高 于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间 断裂转变为韧性穿晶断裂。
在较低应力和较高温度下，通过在晶界 空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发生晶 界蠕变断裂，这种断裂是由扩散控制的。
1. 蠕变变形机理 位错滑移、原子扩散和晶界滑动
高分子材料：分子 链段沿外力的舒展
⑴ 位错滑移蠕变机理
材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起 的。在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动 到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能 继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。
焊接第七章 金属材料焊接性分析方法
第二节 金属焊接性评定与试验
图7-2 试件的形状和尺寸
第二节 金属焊接性评定与试验
试验时按图7-2组装试件，先将两端的拘束焊缝焊好，再焊试验焊 缝。当采用焊条电弧焊时，试验焊缝按图7-3所示方法焊接。当采用焊 条自动送进装置焊接时，按图7-4所示进行。焊完的试件经在室温放置 24h后才能进行裂纹的检测和解剖。
第二节 金属焊接性评定与试验
2.直接试验法 在设定的焊接参数下按规定要求焊接工艺试板，然后通过试验
来检测焊接接头对裂纹、气孔、夹渣等缺陷的敏感性，以此来评定 焊接性，这种方法称为直接试验法。常用试验方法有斜Y形坡口焊 接裂纹试验方法、焊接热影响区最高硬度试验方法、插销试验等。
(1)斜Y形坡口焊接裂纹试验方法 这一方法广泛应用于评定碳 钢和低合金高强度钢焊接热影响区对冷裂纹的敏感性。
(4)使用条件 焊接结构的使用条件是多种多样的，有的在高温 或低温下工作，有的在静载或动载条件下工作，有的则在腐蚀介质 中工作等。
第一节 金属的焊接性
综上所述，金属的焊接性与材料、工艺、结构、使用条件等密 切相关，所以不能脱离这些因素而单纯从材料本身的性能来评价焊 接性。此外，从上述分析也可以看出，很难用某一项技术指标概括 材料的焊接性，只有通过综合多方面的因素，才能分析焊接性问题。
第一节 金属的焊接性
(3)结构因素 焊接接头和结构设计会影响应力状态，从而对焊 接性也发生影响。
这里主要从结构的刚度、应力集中和多向应力等方面来考虑。 使焊接接头处于刚度较小的状态，能够自由收缩，有利于防止焊接 裂纹。缺口、截面突变、焊缝余高过大、交叉焊缝等容易引起应力 集中，要尽量避免。不必要地增大母材厚度或焊缝体积，会产生多 向应力，也应注意防止。
材料科学基础 第七章 形变金属材料的回复与再结晶
三、再结晶温度及其影响因素： 影响再结晶温度高低的因素： （1）冷变形量 （2）纯度 （3）第二相颗粒 （4）晶粒大小 （5）加热速度和保温时间
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四、控制再结晶晶粒尺寸——预先变形度、再结晶退火温度、原始 晶粒尺寸、合金元素及杂质。
预先变形度对再结晶晶粒尺寸的影响
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工业纯铝的再结晶晶粒大小与变形量的关系 （再结晶退火温度550℃，保温时间30min） 变形量自左至右依次为：1%、2.5%、4%、6%、8%、10%、12%、15%
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
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晶粒长大过程的特点：晶界本身趋于平直化，三个晶粒的晶界交角
趋于120º；晶界迁移总是指向其曲率中心方向；随着晶界迁移，小
晶粒逐渐被吞并到相邻的较大晶粒中。
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晶 粒 的 反 常 长 大 （ 二 次 再 结 晶 ）
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四、再结晶退火/中间退火的应用
1. 冷变形金属材料消除加工硬化——又称中间退 火，以利进一步冷加工； 2.对于无固态相变的金属材料，通过冷塑性变形 并再结晶退火，可获得细小均匀的晶粒； 3. 磁性材料获得高密度的再结晶织构。
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热加工对金属材料组织和性能的影响——改善铸态组织、 产生纤维组织或带状组织、控制晶粒大小。
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热加工流线
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模锻拖钩
切削加工拖钩
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一、显微组织的变化
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二、形变储存能的降低是形变金属材料回复和再 结晶的驱动力。
4
三、残余应力和性能的变化
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§7.2 回复
回复——冷变形金属材料加热时，在光 学显微组织发生改变前（即在再结晶晶 粒形成前）所产生的某些亚结构和性能 的变化过程。
【大学】建筑金属材料 建筑钢材
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2. 焊接性能
钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件 下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬 脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强 度不低于原有钢材的强度。
随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量 的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量 超过0.25％时，可焊性明显降低；硫含量较 多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊 接质量。钢材的焊接须执行有关规定。
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7.3 建筑钢材的的晶体组织和化学成分
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7.3.1 钢的组织及其对钢性能的影响
钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金 属键相结合的，这是钢材具有较高强度和良好塑性 的基础。原子在晶粒中排列的规律不同可以形成不 同的晶格，如体心立方晶格是原子排列在一个正六 面体的中心和各个顶点而构成的空间格子；面心立 方体晶格是原子排列在一个正六面体的各个顶点和 六个面的中心而构成的空间格子。铁和碳两种元素 可以不同的形态存在，这种形态称为晶体组织。
2.塑性
建筑钢材应具有很好的塑性。钢材的塑性通常用伸长 率和断面收缩率表示。 （1）伸长率
l1l0100% l0
通常以δ5和δ10分另表示L0＝5d0和L0＝10 d0时的伸长 率。对于同一种钢材，其整δ理课5件>δ10。
（2）断面收缩率(Ψ)
A0 A1 A0
Ａ0——试件原始截面积； Ａ1——试件拉断后颈缩处的截面积。
(2)合金钢——根据合金元素的含量分： 低合金钢：合金元素总含量小于5％； 中合金钢：合金元素总含量在5％～10％之间； 高合金钢：合金元素总整理含课件量大于10％。
2.脱氧程度分类
根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为沸腾 钢、镇静钢和半镇静钢三种：
第七章 金属材料参考答案.doc
第七章金属材料习题参考答案出卷老师：李棱雪一、填空题1低碳钢受拉直至破坏，经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段4个阶段。
2对冷加工后的钢筋进行时效处理，可用自然时效和人工时效两种方法。
3按标准规定,碳素结构钢分四种牌号,即Q195、Q215 、Q235 、和Q275 。
各牌号又按其硫和磷含量由多至少分四种质量等级。
4Q235—AZ是表示屈服点为235MPa的A级镇静碳素结构钢。
516Mn钢表示___________ o6一般情况下在动荷载状态、焊接结构或严寒低温下使用的结构，往往限制使用沸腾钢。
7按冶炼时脱氧程度分类钢可以分成：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。
8随着钢材中含碳量的增加，则硬度提高、舉性降低、焊接性能变差9 碳素钢按含碳量多少分为高碳钢、中碳钢、和低碳钢。
建筑上多采用低碳钢。
二、判断题1在结构设计时，抗拉强度是确定钢材强度取值的依据。
（X）2由于合金元素的加入，钢材强度提高，但塑性却大幅下降。
（X）3钢材的品种相同时，其伸长率6 10> 65O（X）4硬钢无明显屈服点，因此无法确定其屈服强度大小。
（X）5钢材的屈强比越大，表示使用时的安全度越低。
（M）6 某厂生产钢筋混凝土梁，配筋需用冷拉钢筋，但现有冷拉钢筋不够长，因此将此钢筋对接焊接加长使用。
（X）（冷拉钢筋不适宜焊接，冷拉后可焊性变差）7所有钢材都会出现屈服现象。
（X）8钢材的牌号越大，其强度越高，塑性越好。
（X）9钢材冶炼时常把硫、磷加入作为脱氧剂。
（X）10与伸长率一样，冷弯性能也可以表明钢材的塑性大小。
（M）11钢含磷较多时呈热脆性，含硫较多时呈冷脆性。
（X）三、单项选择题1.建筑钢材是在严格的技术控制下生产的材料，下面哪一条不属于它的优点？—B—oA.品质均匀、强度高B.防火性能好C.可以焊接或钏接D.有一定的塑性和韧性，具有承受冲击荷载和振动荷载的能力2.钢筋冷加工的目的是—A—。
A.提咼材料的抗拉强度B.提咼材料的塑性C.改善材料的弹性性能D.改善材料的焊接性能3.钢是指含碳量小于2%的铁碳合金，而含碳量大于2%时，则称为—B—。
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6、质量等级为A的钢，一般仅适用于静荷载 作用的结构。( √ ) 7、常温下钢的组织及其含量随含碳量的不同 而改变含碳量为0.80%的碳素钢为共析钢。( √) 8、钢的强度以含碳量为0.8%左右为最高 。 (√) 9、钢材防锈的根本方法是防止潮湿和隔绝空 气。 (√) 10、热处理钢筋因强度高，综合性能好，质量 稳定，最适于普通钢筋混凝土结构。 ( × )
3．疲劳破坏：钢材在交变荷载反复多次作 用下，可在最大应力远低于屈服强度的情 况下就发生突然破坏，这种破坏称为疲劳 破坏。 4．钢材的冷加工：在常温下，对钢材进行 机械加工，使它发生塑性变形，从而判断题
1、钢材最大的缺点是易腐蚀 。 (√) 2、沸腾钢是用强脱氧剂，脱氧充分液面沸腾 ，故质量好。( × ) 3、钢材经冷加工强化后其fy、fu、E均提高了 ，塑性降低了。( × ) 4、钢是铁碳合金。 (√) 5、钢材的强度和硬度随含碳量的提高而提高 。 (×)
7、钢材中(B )的含量过高，将导致其冷脆现象 发生。 A、碳 B、磷 C、硫 D、硅 8、钢材脱氧程度分( A、D、E、F )种。 A、沸腾钢 B、平炉钢 C、转炉钢 D、镇静钢 E、半镇静钢 F、特殊镇静钢
9. 承受动荷载的重要结构钢，选用时应优先 考虑( C ) A．屈服强度 B．极限抗拉强度 C．冲击韧性 D．硬度
二、填空题
1．（屈服强度）和（极限抗拉强度）是衡量 钢材强度的两个重要指标。 2．钢材热处理的工艺有：（退火），正火， （淬火），（回火）。 3．按冶炼时脱氧程度分类钢可以分成：（镇 静钢），（沸腾钢），（半镇静钢）和特 殊镇静钢。 4．冷弯检验是：按规定的（弯心直径 ）和 （弯曲角度）进行弯曲后，检查试件弯曲 处外面及侧面不发生断裂、裂缝或起层， 即认为冷弯性能合格。
5、 ( 建筑钢材 )是指建筑工程中所用的各种钢 材。 6、建筑钢材按化学成分分：( 碳素 钢 ) 、 ( 合金钢 ) 。 7、建筑钢材按用途不同分：( 结构建筑钢材 ) 、 (工具建筑钢材 ) 、( 特殊建筑钢材 ) 。 8、 (钢材硬度) 是指钢材表面局部体积内抵抗 变形或破坏的能力。 9、钢材的工艺性能包括 ( 冷弯 ) 、 (可 焊) 。
四、简答题
钢材如何按化学成分分类？土木工 程中常用什么钢材？
解：钢材按化学成分可以分为碳素钢和合金钢两大 类。 碳素钢可以分为： 低碳钢（含碳量小于0.25％） 中碳钢（合碳量 0.25％～0.60％） 高碳钢（合碳量大于0.60％） 合金钢可以分为： 低合金钢（合金元素总含量小于5.0％） 中合金钢（合金元素总含量 5.0%～10.0%） 高合金钢（合金元素总含量大于10.0%） 土木工程中常用的钢材主要是普通碳素钢中 的低碳钢和合金钢中的低合金钢。
三、选择题
1、钢材在选用是必须熟悉钢材的( B )，注意结 构的( A、C、D )对钢材性能的不同要求。 A、荷载类型 B、质量 C、连接方式 D、环境温度 2、在钢结构中常用( B )钢，轧制成钢板、钢管 、型钢来建造桥梁、高层建筑及大跨度钢结构 建筑。 A、碳素钢 B、低合金钢 C、热处理钢筋 D、冷拔低碳钢丝
3、目前我国钢筋混凝土结构中普遍使用的钢 材有(A、B、C、D、E )。 A、热扎钢筋 B、冷拔低碳钢丝 C、钢铰线 D、热处理钢筋 E、碳素钢丝 4、钢材热处理的方法有( A、B、C、D )。 A、淬火 B、回火 C、退火 D、正火 E、明火
5、经冷拉时效处理的钢材其特点是( C、D ) 进一步提高，( A、B )进一步降低。 A、塑性 B、韧性 C、屈服点 D、抗拉强度 E、弹性模量 6、钢材中(C )的含量过高，将导致其热脆现象 发生。 A、碳 B、磷 C、硫 D、硅
第七章
金属材料 答案
一、名词解释
1．弹性模量：钢材受力初期，应力与应变成 比例地增长，应力与应变之比为常数，称为 弹性模量。 2．屈服强度：当应力超过弹性极限后，变形 增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产 生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性 应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台 ，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最 小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于 下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材 料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度。