緒論金屬學與熱處理課件

1、金屬學與熱處理A Metallography and heat-treatment 多媒體教學課件課 時：96 （實驗 10 學時）授課對象：材料成型與控制專業(yè)教 材：金屬學與熱處理崔忠圻授課學院：材料科學與工程學院 1 課程研究的對象、目的及要求 一 研究對象、任務和目的 1 研究的對象 金屬和合金 什么是金屬？什么是合金？緒論 * 高的導電性和導熱性 * 金屬光澤 * 良好的延展性(塑性) * 不透明（1）金屬的性質* 正的電阻溫度系數(shù) 即：具有正的電阻溫度系數(shù)電阻隨溫度升高而升高 t=0 (1+T) 某些純金屬在絕對零度附近的超導電性金屬與非金屬的本質差別(2) 金屬與合金的定義金屬定義

2、：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質合金定義：一種金屬元素與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結合而成的具有金屬特性的物質 金屬晶體中原子結合方式為金屬鍵試用金屬鍵模型解釋金屬特性(3) 金屬中原子的結合方式非金屬中：離子鍵、共價鍵等結合鍵強, 具飽和性較高硬度結合鍵極強、具方向性很高硬度、無塑性2 本課程的主要任務 研究金屬與合金的化學成分、加工工藝、組織結構和性能四要素及四要素之間的關系與變化規(guī)律 此亦為材料科學的研究內容 實際中我們最關心的是性能性能取決于什么因素呢？ 化學成分不同，性能不同鋁合金 400600銅合金 60070040鋼(退火態(tài)) 50040鋼(調質態(tài)) 800 舉例： b(

3、MPa) 純鋁 40 純銅 60 純鐵 200 化學成分相同，處理方式不同，性能不同 0.8C 的鋼鋸條800，冷卻方式不同一根出爐后水冷，性硬而脆，一彎就斷；另一根隨爐緩慢冷卻，性軟，彎曲90 不斷 又如： 石墨和金剛石均由碳原子構成 但性能迥異 原因：碳原子的空間排列方式不同 即內部組織結構不同金剛石與石墨的空間原子排列金剛石的空間原子排列石墨的空間原子排列提高材料性能的主要途徑 一改變材料的化學成分，二改進材料的生產(chǎn)工藝，進而改變材料內部的組織結構與性能*材料科學研究的四要素及相互關系線 性 能Performance加工工藝Process化學成分Composition組織結構Constr

4、uction內因外因 （1）原子結構取決于原子種類什么是組織結構？材料不同層次的結構（2）晶體結構原子在空間的排列方式合金相形貌多晶體結構 顯微組織（3）組織結構（顯微組織） 在不同放大倍數(shù)放大鏡、顯微鏡下觀察到的金屬的內部形貌原子種類內部原子排列的方式合金元素的存在方式內部不同尺度的各種結構缺陷 材料的組織結構取決于3 學習目的 利用上述四要素關系和規(guī)律（1）進行科學研究（2）指導生產(chǎn)實踐（3）研制新合金材料磁懸浮列車 材料科學滲透各個領域斜拉索橋航空母艦與航天飛機神七飛船神舟七號飛船成功問鼎蒼穹高?？萍脊Σ豢蓻] 哈爾濱工業(yè)大學 艙外航天服低壓試驗艙的研制鄭州大學太空出艙頭盔面窗的研制東華大

5、學宇航員的生活設施裝備等的研制上海海洋大學飛船返回艙海上應急打撈網(wǎng)的研制形狀記憶合金在宇航上的應用鋼鐵產(chǎn)品材料微觀結構研究（一）微米與納米尺度組織形貌材料微觀結構研究（二）X射線衍射物相結構分析材料微觀結構研究材料微觀研究材料微觀研究材料微觀研究二、本課程內容1 金屬材料科學研究內容 成分、組織結構、工藝、性能 其課程體系 金屬學、金屬熱處理、金屬材料學 金屬性能、材料分析技術與方法等 2 本課程主要內容 金屬學： 第一 第八章 金屬熱處理：第九 第十章 金屬材料學：第十一章第十三章 (1)掌握金屬材料的基本概念、基本理論與基本實驗方法(2)掌握金屬材料的成分、組織結構、工藝、性能間關系的一般

6、規(guī)律(3)了解金屬材料常用的分析方法，主要是金相分析方法三 要求 (1) 材料科學基礎，西安交通大學，石德珂 (2) 工程材料，朱張校，清華大學出版社， 2000 (3) 工程材料， 丁厚福，武漢理工大學出版社，2001四 參考文獻注意：其它參考資料、課程輔導資料以及習題解答等電子版圖書參見安工大本課程精品課程網(wǎng)材料性能包含使用性能與工藝性能兩方面1 使用性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能 力學性能(強度、硬度、塑性、韌性等) 物理性能（光、電、磁等） 化學性能 (抗氧化性、抗腐蝕性等) 其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等)一、金屬材料性能的種類2 金屬材料力學性能2 工藝性能材料制備、加工過程中

7、所表現(xiàn)的性能 鑄造性能（流動性、收縮、偏析等) 壓力加工性能、冷加工性能 鍛造性能等；切削加工性；焊接性 熱處理性能；等等二、力學性能又稱機械性能 主要包括：強度、塑性、硬度、韌性等結構材料最重要、最基本的性能力學性能：工程材料在外力作用下所反應出來的性能 應力: = P/A0 (MPa)應變: = L/L1 =(L1-L0)/L01 應力應變曲線及簡要分析 強度與塑性的測定主要借助應力應變曲線 拉伸實驗測定斷裂與塑性變形是材料失效的形式 變形三階段 (1) 彈性變形 (2) 塑性變形 (3) 斷裂彈性變形塑性變形斷裂 低碳鋼的應力應變曲線應變應力應變曲線曲線分析簡要低碳鋼應力應變曲線特點：應

8、力撤消后，變形消失 應力與應變成正比關系 總變形量很小：1% (1) 彈性變形主要性能指標彈性模量E：=E (2 ) 塑性變形特點(1)變形具永久性、不可逆性(2)應力與應變非正比關系(3)變形量較大可以塑性加工的原因殘余變形量彈性變形量 應力撤消后， 變形僅部分消失，存在殘余、永久性的變形塑性變形抵抗各類變形的能力強度指標發(fā)生永久變形的能力塑性指標塑性變形中的重要指標ReH0.2RmRmRP低碳鋼與鑄鐵的應力應變曲線三、力學性能及指標（一）強度 材料抵抗變形或斷裂的能力稱為強度 1 彈性變形階段 ： 規(guī)定非比例延伸強度RP (proof strength, non-proportional

9、extension) 例如RP0.22 塑性變形中的重要指標（3） 規(guī)定總延伸強度(Rt) (proof strength,total extension): 例Rt0.2(4) 規(guī)定殘余延伸強度(R：permanent set): 例R0.2（1） 上屈服強度(ReH：upper yield strength)（2） 下屈服強度(ReL：lower yield strength) 抵抗微量塑性變形的應力值Rm：材料在破斷前所承受的最大應力值（1）是產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力 均勻變形后當存在頸縮現(xiàn)象，即不均勻塑性變形，材料集中變形，并導致迅速斷裂（2）塑性加工中需控制軋制力： ReL Rm

10、(5) 抗拉強度(tensile strengthRm) ReL / Rm ：0.60.85屈強比高，強度利用率高屈強比低，安全性高綜合考慮材料利用率和安全性(6) 屈強比（二）塑性材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力(1) 斷后伸長率（ A）：試樣拉斷后標距的增長量與原始標距長度之比 A= (L斷后-L原始)/ L原始%=L / L0 %(2) 斷面收縮率（ Z ） 試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比 Z= (S原始- S斷后)/ S原始% =S / S0 %Z、A越高，材料的塑性越好 通常Z 5% 脆性材料 塑性的意義： 成形 安全（三）硬度 材料抵抗另一硬物壓入其內的能力，即受壓

11、時抵抗表面局部塑性變形的能力 衡量材料軟硬程度的指標 硬度與強度間存在一定關系 例如： Rm HB硬度種類（1）布氏硬度(HB)較軟材料有色金屬 （2）洛氏硬度(HR)硬度中等鋼鐵材料 具體：HRA、HRB、HRC 其中HRC：軟硬范圍較寬，應用最廣 （3）維氏硬度(HV) 較硬材料（4）顯微硬度(HV) 測定材料內部微區(qū)的相、組織的硬度球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值 較軟材料：有色金屬、灰口鑄鐵等通常碳素鋼： Rm HB 布氏硬度(HB)測定壓痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：h: 壓痕深度 k: 常數(shù), 0.2或0.26mm0.002mm: 一個洛氏硬度單位適合測量的材料H

12、RA：硬質合金 ； HRC: 淬火鋼HRB: 低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵洛氏硬度 壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值金剛石正四棱錐體壓頭 另：維氏顯微硬度F維氏硬度其它硬度測試方法 里氏硬度 努氏硬度等 硬度表示： HBS200 HBW400 HRA55 HRB30 HRC45 HV900 等（四）韌性當加載速度極快時，不能用靜載荷下的s、b作失效判據(jù)，引入1 沖擊韌性(k)：材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力k =Ak/s用破壞材料時所消耗的功衡量是強度與塑性的綜合指標金屬的k與溫度直接相關（1）T，k（2）存在韌脆轉變溫度Tk ：當T Tk時，金屬為脆性狀態(tài)，k 脆性區(qū)韌性區(qū)當材料內部

13、存在裂紋缺陷時 2 斷裂韌度KIc裂紋尖端產(chǎn)生應力集中應力被放大 當、a達到某臨界值時,裂紋失穩(wěn)擴展，此時的KI稱為斷裂韌度KIc 材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的性能引入應力場強度因子應力大小裂紋尺寸裂紋形狀工程材料：制造工程構件和機械零件、工具、特殊性能材料(耐蝕、耐高溫) 分類：按原子間結合鍵的性質分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、復合材料等3 工程材料的分類黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金 純鐵、鋼、鑄鐵、鐵合金 占工程材料的90有色金屬：黑色金屬以外所有金屬、合金 輕金屬、難熔金屬、貴金屬等 金屬鍵(過渡金屬含少量共價鍵)一、金屬材料二、 陶瓷材料陶瓷定義：由一種或多種金屬元素(含半金屬元素如Si等)同一種非金屬元素形成的化合物 CaO、TiO2、Al2O3、SiC、Si3N4 CaTiO3、MgAl2O4、傳統(tǒng)：硅酸鹽類材料現(xiàn)今：各種無機非金屬材料的統(tǒng)稱不含碳氫氧結合的化合物普通陶瓷：硅、鋁氧化物的硅酸鹽材料特種陶瓷：高熔點的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的燒結材料金屬陶瓷：金屬與碳化物或其他化合物的粉末冶金制品發(fā) 展：納米技術陶瓷增韌離子鍵為主硬度高、脆 指有機合成材料、聚合物等 通常指大分子化合物，同時具有共價鍵和分子鍵等，擁有較高強度、良好的塑韌性，以及較強的耐腐蝕性、優(yōu)良的