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文檔簡介
1、 材料科學(xué)與工程基本技能實(shí)驗(yàn)課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生必修的一個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié),屬實(shí)驗(yàn)方法課。它是學(xué)生修完物理化學(xué)、工程力學(xué)、金工實(shí)習(xí)后獨(dú)立設(shè)置的實(shí)驗(yàn)入門課程。 課程介紹課程介紹第1頁/共45頁 課程目的:在學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)理論課程的基礎(chǔ)上,對(duì)材料實(shí)驗(yàn)技術(shù)有一個(gè)基本了解,初步掌握材料實(shí)驗(yàn)樣品的制備、觀察與分析方法;材料性能的檢測(cè)手段;熱加工設(shè)備的操作等實(shí)驗(yàn)基本技能。 通過該課程的學(xué)習(xí),初步掌握材料實(shí)驗(yàn)的基本技能和一定的科學(xué)研究能力,加深對(duì)材料科學(xué)與工程專業(yè)的認(rèn)識(shí),提高學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力;同時(shí)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,還應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)及良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣,為后續(xù)的材料科學(xué)基礎(chǔ)、
2、材料工程基礎(chǔ)、材料性能學(xué)等課程奠定良好的基礎(chǔ)。 第2頁/共45頁考核方法:考核方法: 實(shí)驗(yàn)報(bào)告(50%) 筆試(30%) 考勤及提問(10%) 收獲與體會(huì)(10%)第3頁/共45頁 第4頁/共45頁制備合成制備合成/加工工藝加工工藝processing成分成分/組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) composition /structure材料固有性能材料固有性能 properties材料使用性能材料使用性能performance第5頁/共45頁材料的成分材料的成分:是指組成材料的元素種類及其:是指組成材料的元素種類及其含量,通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量,通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù) (wt%) (wt%)表示。表示。 如:如:W18
3、Cr4VW18Cr4V材料的組織材料的組織:在顯微鏡下觀察到的圖像:在顯微鏡下觀察到的圖像(如圖)(如圖) 第6頁/共45頁第7頁/共45頁材料的成分材料的成分:是指組成材料的元素種類及其:是指組成材料的元素種類及其含量,通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量,通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù) (wt%) (wt%)表示。表示。材料的組織材料的組織:在顯微鏡下觀察到的圖像:在顯微鏡下觀察到的圖像(如圖)(如圖)材料的材料的固有性能:固有性能: 物理性能:電、磁、光、熱物理性能:電、磁、光、熱 化學(xué)性能:耐腐蝕性能、抗氧化性能化學(xué)性能:耐腐蝕性能、抗氧化性能 力學(xué)性能:強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性力學(xué)性能:強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性第8頁/共
4、45頁 力學(xué)性能指標(biāo): 強(qiáng)度:材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 硬度:衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)。指材料表 面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的能力。 塑性:斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力。 韌性:材料斷裂時(shí)單位體積所吸收的變形功、斷裂功。 若測(cè)定強(qiáng)度、塑性、韌性必須加工試樣。第9頁/共45頁材料的材料的使用性能:使用性能: 指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性,它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工融合在一起所決定的因素。及加工融合在一起所決定的因素。舉例:舉例:普通碳鋼:普通碳鋼: 高溫條件、高溫條件、 腐蝕介質(zhì)腐蝕介
5、質(zhì)第10頁/共45頁材料的材料的使用性能:使用性能: 指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性,它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工融合在一起所決定的因素。及加工融合在一起所決定的因素。舉例:舉例:河南第一工具廠生產(chǎn)的河南第一工具廠生產(chǎn)的W4Mo3Cr4VSi鉆頭鉆頭同一批材料,同一種工藝,處理后硬度正常同一批材料,同一種工藝,處理后硬度正常但因鉆頭大小結(jié)構(gòu)(但因鉆頭大小結(jié)構(gòu)(?10mm、 ?12mm)不同,)不同,最終性能(耐磨性)不同。最終性能(耐磨性)不同。第11頁/共45頁 成分決定性能。成分不成分決定性能。成分
6、不同,性能不同。同,性能不同。如碳鋼如碳鋼組織結(jié)構(gòu)直接決定性能組織結(jié)構(gòu)直接決定性能改變成分也會(huì)改變組織改變成分也會(huì)改變組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),從而改變其性能。從而改變其性能。(組織圖)(組織圖)制備合成加工過程主要是制備合成加工過程主要是通過改變組織結(jié)構(gòu)而影響通過改變組織結(jié)構(gòu)而影響其性能。其性能。如如45鋼退火、正火、淬鋼退火、正火、淬火火材料的固有性能直接決材料的固有性能直接決定材料的使用性能定材料的使用性能。制備合成制備合成/加工工藝加工工藝成分成分/組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 材料固有材料固有性能性能材料使用材料使用 性能性能第12頁/共45頁組織結(jié)構(gòu)是核心,性能是材料研究工作的落腳點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)是核心,性能是
7、材料研究工作的落腳點(diǎn) 第13頁/共45頁3、金屬的凝固、金屬的凝固凝固與結(jié)晶凝固與結(jié)晶 (凝固過程視頻) 第14頁/共45頁第15頁/共45頁凝固與結(jié)晶凝固與結(jié)晶 第16頁/共45頁凝固與結(jié)晶凝固與結(jié)晶 第17頁/共45頁凝固與結(jié)晶凝固與結(jié)晶 第18頁/共45頁凝固與結(jié)晶凝固與結(jié)晶 Ni-Ta-Mn-Cr合金的樹枝狀界面合金的樹枝狀界面第19頁/共45頁取樣取樣 - 磨制磨制 - 拋光拋光 - 腐蝕腐蝕- 觀察觀察各種晶粒的組合特征,即晶粒的相對(duì)量、大各種晶粒的組合特征,即晶粒的相對(duì)量、大 小、形狀及分布特征等。小、形狀及分布特征等。 用肉眼或放大鏡觀察到的組織。用肉眼或放大鏡觀察到的組織。
8、光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的內(nèi)部光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的內(nèi)部 組織組織(又稱金相組織)。(又稱金相組織)。第20頁/共45頁第21頁/共45頁第22頁/共45頁指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或用其它方法組合而成的具有金屬特經(jīng)熔煉、燒結(jié)或用其它方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。如:銅鎳合金、碳鋼、合金鋼、鑄鐵如:銅鎳合金、碳鋼、合金鋼、鑄鐵 組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。 如:如:Cu-NiCu-Ni合金,合金,F(xiàn)e-Fe-FeSFeS合金合金 如:如:Fe-CFe-C二元系合金二元系合
9、金 如:如:Fe-C-CrFe-C-Cr三元系合金三元系合金 第23頁/共45頁:合金中結(jié)構(gòu)相同、化學(xué)成分相同或允許在一合金中結(jié)構(gòu)相同、化學(xué)成分相同或允許在一定范圍內(nèi)變化的一類晶粒的組成部分。定范圍內(nèi)變化的一類晶粒的組成部分。 如:單相不銹鋼(如:單相不銹鋼(A A)、單相黃銅)、單相黃銅 如:雙相不銹鋼(如:雙相不銹鋼(A+FA+F)、雙相黃銅)、雙相黃銅 具有單一相的組織。純鐵、純鋁具有單一相的組織。純鐵、純鋁 具有兩種或兩種以上的相的組織。具有兩種或兩種以上的相的組織。第24頁/共45頁第25頁/共45頁 4、材料的性能指標(biāo)及測(cè)試方法 強(qiáng)度:材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 硬度:衡量金屬
10、軟硬程度的一種性能指標(biāo)。指材料表 面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的能力。 塑性:斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力。 韌性:材料斷裂時(shí)單位體積所吸收的變形功、斷裂功。 若測(cè)定強(qiáng)度、塑性、韌性必須加工試樣。第26頁/共45頁 為什么將硬度作為衡量材料機(jī)械性能的指標(biāo)? 硬度與b、塑性指標(biāo)和有內(nèi)在聯(lián)系 b=K*HB 硬度與耐磨性、疲勞強(qiáng)度等性能有一關(guān)系 硬度,耐磨性,疲勞強(qiáng)度 在機(jī)械零件設(shè)計(jì)圖紙上對(duì)機(jī)械性能的技術(shù)要求,往往只標(biāo)注硬度,其原因就在于此。 從某種意義上說硬度的大小對(duì)于機(jī)械零件或工具的使用性能及壽命具有決定性意義。 硬度測(cè)量后產(chǎn)生很小壓痕,不損壞零件,適合于成品檢驗(yàn)。 設(shè)備簡單,操作迅速方便。
11、第27頁/共45頁 洛氏硬度計(jì)(HRC):淬火后或滲碳后,表面硬度高時(shí) 布氏硬度計(jì)(HB):調(diào)質(zhì)后、有色金屬合金、鑄鐵 維氏硬度計(jì)(HV):硬化層薄,如滲氮、電鍍 顯微硬度計(jì)(HV0.2):各種組成相的硬度第28頁/共45頁5常用熱處理工藝什么是熱處理?什么是熱處理? 將工件加熱到一定的溫度,保溫一定的時(shí)間,然后冷卻。以將工件加熱到一定的溫度,保溫一定的時(shí)間,然后冷卻。以改變材料整體或表面組織,從而獲得所需性能的工藝。改變材料整體或表面組織,從而獲得所需性能的工藝。第29頁/共45頁5 常用熱處理工藝 熱處理目的: 改善鋼的使用性能和工藝性能,充分發(fā)揮材料的潛力。 如:T10鋼:球化退火 切削
12、性能大大改善; 淬火 硬度從20HRC提高到6265HRC 45鋼: 淬火 提高材料的強(qiáng)度和硬度,改善材料的使用性能 低碳鋼:冷拉后退火 降低硬度,改善加工性能不同的熱處理工藝,得到不同的組織,獲得不同的性能。第30頁/共45頁5、 常用熱處理工藝 普通熱處理:退火、正火、淬火、回火 表面熱處理:高頻淬火、火焰加熱淬火: 化學(xué)熱處理:滲C、滲N、 C、N 共滲第31頁/共45頁第32頁/共45頁第33頁/共45頁5常用熱處理工藝退火 將鋼件加熱到臨界溫度 AC1以上或以下,保溫后隨爐冷卻以獲得接近于平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。 目的:均勻成分及組織; 消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化; 降低硬度,改善鋼
13、的成形及切削加工性能,并為淬火 做組織準(zhǔn)備。第34頁/共45頁5常用熱處理工藝退火 根據(jù)處理的目的和要求,鋼的退火可分為: 完全退火 等溫退火 球化退火 擴(kuò)散退火 去應(yīng)力退火第35頁/共45頁5常用熱處理工藝正火 將鋼件加熱到AC3 線或 ACcm線以上 3050 ,保溫后在空氣中(或風(fēng)冷、噴霧)冷卻的一種熱處理工藝。目的:消除內(nèi)應(yīng)力; 調(diào)整硬度,改善鋼的切削加工性; 細(xì)化組織,為后續(xù)工序做組織準(zhǔn)備。 如:齒輪毛坯鍛造后正火 可作為最終熱處理,預(yù)先熱處理第36頁/共45頁5 常用熱處理工藝 淬火 將鋼件加熱到 AC3線或 AC1線以上 3050 ,保溫后放入不同的冷卻介質(zhì)中快速冷卻,從而獲得馬
14、氏體(或下貝氏體)組織的一種熱處理工藝。 目的:提高鋼的強(qiáng)度、硬度,是鋼最重要的強(qiáng)化方法。獲得盡量多的馬氏體并配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。第37頁/共45頁5 常用熱處理工藝 鋼的回火 將經(jīng)過淬火后的鋼再加熱到 AC1 線以下某一溫度,保溫一段時(shí)間,然后冷卻到室溫的熱處理工藝。目的:減少或消除內(nèi)應(yīng)力,避免變形和開裂; 穩(wěn)定組織,避免零件尺寸變化; 提高鋼的韌性和塑性,獲得強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性 的適當(dāng)配合,獲得零件所需要的性能。 第38頁/共45頁回火的分類: 低溫回火(150250 ):得到回火馬氏體組織目的:降低淬火應(yīng)力,提高工件塑性,保證淬火后的高硬度和高耐磨性。主要處理:各種高
15、碳鋼工具、量具、軸承及滲碳和表面淬火后的零件。 中溫回火(350500 ):得到回火屈氏體組織目的:獲得高的彈性極限和屈服強(qiáng)度,一定的韌性。 主要用于處理各種彈簧 第39頁/共45頁回火的分類: 高溫回火(500650 ):得到回火索氏體組織。 目的:獲得較高的綜合機(jī)械性能,即強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性都較高 淬火 + 高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。主要處理:各種重要的機(jī)器構(gòu)件,特別是承受交變載荷的零件,如齒輪、軸、連桿等。 第40頁/共45頁6實(shí)驗(yàn)室介紹金相試樣制備室及組織觀察室 2#實(shí)驗(yàn)樓519、527硬度實(shí)驗(yàn)室(耐磨性試驗(yàn)室) 2#實(shí)驗(yàn)樓313熱處理實(shí)驗(yàn)室 2#實(shí)驗(yàn)樓013磨損實(shí)驗(yàn)室 2#實(shí)驗(yàn)樓013沖擊實(shí)驗(yàn)室 2#實(shí)驗(yàn)樓0XX鹽霧實(shí)驗(yàn)室表面處理實(shí)驗(yàn)室 第41頁/共45頁6實(shí)驗(yàn)室介紹組織與性能檢測(cè)組織檢測(cè): 金相顯微鏡 掃描電鏡 透射電鏡 X 射線衍射儀性能檢測(cè): 硬度試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn) 耐磨性試驗(yàn)第42頁/共45頁6實(shí)驗(yàn)室設(shè)備介紹 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容: 1 金相顯微鏡的構(gòu)造、使用與維護(hù) 2 金相試樣的制備與組織觀察 3 硬度試驗(yàn) 4 熱處理實(shí)驗(yàn) 5 沖擊試驗(yàn) 6 耐磨性試
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