材料學(xué)失事舉例

材料學(xué)失事舉例第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月課時：48

考核方式：考試時間地點：5-20周/單周,周一，3－4節(jié)，一教400；5-20周/周,周三，7－8節(jié)，一教137教材：《金屬學(xué)與熱處理》第2版，機械工業(yè)出版社，崔忠圻第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月提高材料性能的主要途徑：

一方面改變材料的化學(xué)成分，另一方面改進材料的生產(chǎn)工藝，進而改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與性能。（例如：低、中、高碳鋼；退火鋼、調(diào)質(zhì)鋼等）***材料科學(xué)研究的四要素及相互關(guān)系線：

性能Performance加工工藝Process化學(xué)成分Composition組織結(jié)構(gòu)Construction內(nèi)因外因

第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月本課程內(nèi)容

1金屬材學(xué)與熱處理研究內(nèi)容：成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝、性能其課程體系：金屬學(xué)、金屬熱處理、金屬材料學(xué)等

2本課程主要內(nèi)容:

金屬學(xué)：第一~第八章金屬熱處理：第九~第十章

金屬材料學(xué)：第十一章~第十三章第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

§1課程研究的對象、目的及要求

一研究對象、任務(wù)和目的

1研究的對象

——金屬和合金。什么是金屬？什么是合金？

（1）金屬的性質(zhì)

*高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；

*金屬光澤；

*良好的延展性(塑性)；

*不透明緒論第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月即：具有正的電阻溫度系數(shù)。*

*

*電阻隨溫度升高而升高

——金屬與非金屬的本質(zhì)差別ρt=ρ0(1+αΔT)ρT非金屬金屬

——某些純金屬在絕對零度附近的超導(dǎo)電性第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)金屬與合金的定義金屬定義：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。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(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點

最外層的電子數(shù)很少，一般為1~2個。最外層的電子與原子核的結(jié)合力較弱，所以很容易脫離原子核的束縛而成為自由電子，金屬原子成為正離子。過渡族金屬元素，如鈦，釩，鐵等，這類元素的原子在次外層尚未填滿電子的情況下，最外層就先填充了電子。因此過渡族金屬原子，不僅容易丟失最外層電子，而且還容易丟失次外層的1~2個電子。因此，當過渡族金屬原子彼此結(jié)合時，不僅最外層電子參與結(jié)合，次外層電子業(yè)參與結(jié)合，結(jié)合力強，表現(xiàn)為：熔點高、強度高。原子結(jié)構(gòu)的電子云模型

Fe:1s22s22p63s23p63d64s2第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

試用金屬鍵模型解釋：→→金屬特性（導(dǎo)電、導(dǎo)熱、正電阻溫度系數(shù)、不透明，有金屬光澤、延展性）(4)金屬中原子的結(jié)合方式：金屬鍵

在金屬晶體中，金屬原子失去價電子后成為正離子,所有價電子成為自由電子并為整個原子集團所公有,所有自由電子圍繞所有原子核運動，形成電子云，金屬正離子沉浸在電子云中，并依靠與自由電子之間的靜電作用而使金屬原子結(jié)合起來形成金屬晶體。這種原子結(jié)合方式稱為金屬鍵。第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)結(jié)合力與結(jié)合能雙原子作用模型作用力-原子間距圖，作用能-原子間距圖用兩個圖解釋金屬理論抗拉強度、金屬彈性模量，金屬的熔點和線膨脹系數(shù)為了使固態(tài)金屬具有最低的能量，以保持其穩(wěn)定的狀態(tài)，原子間必須保持一定的平衡距離，所以，固態(tài)金屬中的原子有一平衡位置，趨于規(guī)則排列，在平衡位置附近作微弱的熱振動。第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月非金屬中：離子鍵、共價鍵等結(jié)合鍵強,離子晶體的硬度高、強度大、熱膨脹系數(shù)大，但脆性大，具有很好的絕緣性。典型的離子晶體是無色透明的。

共價鍵結(jié)合力很大，所以共價晶體的強度、硬度高、脆性大，熔點、沸點高，揮發(fā)度低。第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2本課程的主要任務(wù)：

研究金屬與合金的化學(xué)成分、加工工藝、組織結(jié)構(gòu)和性能四要素及四要素之間的關(guān)系與變化規(guī)律。

┗此亦為材料科學(xué)的研究內(nèi)容——實際中我們最關(guān)心的是性能第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

舉例：

σb(MPa)鋁合金400～600銅合金600～70040鋼(退火態(tài))50040鋼(調(diào)質(zhì)態(tài))800性能取決于什么因素呢？①化學(xué)成分不同，性能不同純鋁40

純銅60

純鐵200第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②化學(xué)成分相同，處理方式不同，性能不同0.8℅C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度不斷。

又如：石墨和金剛石均由碳原子構(gòu)成，但性能迥異。原因：碳原子的空間排列方式不同即內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）原子結(jié)構(gòu)：取決于原子種類什么是組織結(jié)構(gòu)？材料不同層次的結(jié)構(gòu)（2）晶體結(jié)構(gòu)：原子在空間的排列方式第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金相形貌金屬多晶體結(jié)構(gòu)顯微組織（3）組織結(jié)構(gòu)（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(nèi)部形貌第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月原子種類;內(nèi)部原子排列的方式;合金元素的存在方式;內(nèi)部不同尺度的各種結(jié)構(gòu)缺陷材料的組織結(jié)構(gòu)取決于:第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3目的

利用上述四要素關(guān)系和規(guī)律：（1）進行科學(xué)研究；（2）指導(dǎo)生產(chǎn)實踐；（3）研制新合金材料。第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(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(jié)構(gòu)、工藝、性能間關(guān)系的一般規(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。四參考文獻：(1)材料科學(xué)基礎(chǔ),西安交通大學(xué),石德珂(2)工程材料,朱張校，清華大學(xué)出版社,2000(3)工程材料,丁厚福，武漢理工大學(xué)出版社,20014要求：第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一、金屬材料性能的種類§2金屬材料力學(xué)性能

金屬材料加工過程：

冶煉→鑄造鑄錠板棒型管焊接機加工冷軋冷拔深沖鍛件鑄件機加工：車、銑、刨、磨零件或構(gòu)件熱軋→熱鍛→工藝性能使用性能第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月故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(xué)性能(強度、硬度、塑性、韌性等)；

物理性能（光、電、磁等）；化學(xué)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)；第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2工藝性能：──材料制備、加工過程中所表現(xiàn)的～

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；等等第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、力學(xué)性能：工程材料在外力作用下所反應(yīng)出來的性能

——又稱機械性能主要包括：強度、塑性、硬度、韌性等強度與塑性的測定——借助應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)構(gòu)材料最重要、最基本的性能第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)力:

σ=P/A0(MPa)應(yīng)變:

ε=ΔL/L0

=(L1-L0)/L01應(yīng)力應(yīng)變曲線——拉伸實驗測定第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月工程材料的機械性能――材料在受力時的性質(zhì)拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線拉伸試驗機第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月變形三階段：(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(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變ε應(yīng)力σ第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線(1)彈性變形:特點：應(yīng)力撤消后,變形消失；應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系；總變形量很小：<1%

主要性能指標：

彈性極限σe：保持彈性變形的最大應(yīng)力，MPa

彈性模量E：σ=E·ε第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)塑性變形:應(yīng)力撤消后,變形僅部分消失，存在殘余、永久性的變形。特點：(1)變形具永久性、不可逆性(2)應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)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第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月σsσb塑性變形中的重要指標:承受的應(yīng)力大?。簲嗔亚八苄宰冃瘟康拇笮?抗拉強度(σb):

抵抗最大均勻塑性變形的應(yīng)力值屈服強度(σs):抵抗微量塑性變形的應(yīng)力值斷后伸長率(δ)、斷面收縮率(ψ)第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月三、力學(xué)性能及指標（一）強度材料抵抗變形或斷裂的能力稱為～。1彈性極限(σe)：規(guī)定彈性極限σr0.012屈服強度：材料開始發(fā)生明顯塑性變形時的應(yīng)力值(σs),Mpa。(1)實質(zhì)是抵抗微量塑性變形的抗力。(2)無明顯屈服現(xiàn)象時采用條件屈服極限σ0.2┗規(guī)定殘余伸長率為0.2%時對應(yīng)的應(yīng)力值第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月σsσ0.2σbσbσe低碳鋼與鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線斷裂與塑性變形是材料失效的形式第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3抗拉強度：材料在破斷前所承受的最大應(yīng)力值（σb

）,Mpa。

——產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力。┗存在頸縮現(xiàn)象——不均勻塑性變形注意：塑性變形中:σs<σ<σb

4

屈強比（σs/σb）：0.6~0.85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第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月工程設(shè)計中：塑性材料：┗選σs或σ0.2作為極限應(yīng)力σ0：工作應(yīng)力σ≤許用應(yīng)力［σ］＝σ0/n

安全系數(shù)n=1.5~2脆性材料：┗常選σb作為極限應(yīng)力σ0：工作應(yīng)力σ≤許用應(yīng)力［σ］＝σ0/nn>2

第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）塑性

材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力。

(1)伸長率（δ）：試樣拉斷后標距的增長量與原始標距長度之比;δ=(L斷后-L原始)/

L原始×%=ΔL/

L0×%(2)斷面收縮率（ψ）：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比.ψ=(A原始-A斷后)/

A原始×%=ΔA/

A0×%第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

——δ、ψ越高，材料的塑性越好通常ψ<5%→脆性材料塑性的意義：成形安全第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）硬度材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即受壓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(guān)系(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(yīng)用最廣

維氏硬度(HV)——較硬材料顯微硬度(HV)——測定材料內(nèi)部微區(qū)的相、組織的硬度第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月1．布氏硬度HB(Brinell-hardness)

測試壓頭為淬火鋼球測試壓頭為硬質(zhì)合金布氏硬度計

適用范圍:＜450HBS;＜650HBW;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、灰口鑄鐵等第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月——測定壓痕深度HR=(k-h)/0.002注：h:壓痕深度k:常數(shù)，0.2或0.26mm;0.002mm:一個洛氏硬度單位適合測量的材料HRA：硬質(zhì)合金；HRC:淬火鋼HRB:低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵洛氏硬度：第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月維氏硬度：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硬度表示方法：HBS200HBW400HRA55HRB30HRC45HV900HV1100F↓第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）韌性當加載速度極快時，不能用靜載荷下的σs、σb作失效判據(jù)。1引入沖擊韌性(αk)

:材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力～——用破壞材料時所消耗的功衡量,——是強度與塑性的綜合指標σ↑，δ↑，αk↑；σ↓↓或δ↓↓，αk↓第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月αk=Ak/s第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月Ak=mgH–mgh(J)

沖擊韌性值ak就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。AKak=(J/cm2)S0ak值低－脆性材料：斷裂時無明顯變形，金屬光澤，呈結(jié)晶狀。ak值高－韌性材料：明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤。第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬的αk與溫度直接相關(guān)：（1）T↓，αk↓（2）存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk：當T<Tk時，金屬為脆性狀態(tài)αk↓↓脆性區(qū)韌性區(qū)第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月Titanic沉沒原因

Titanic——含硫高的鋼板，韌性很差，特別是在低溫呈脆性。所以，沖擊試樣是典型的脆性斷口。近代船用鋼板的沖擊試樣則具有相當好的韌性。Titanic號鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗結(jié)果一項新的科學(xué)研究回答了80年未解之謎第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當材料內(nèi)部存在裂紋缺陷時：2斷裂韌度KIc裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中——應(yīng)力被放大第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月當σ、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(yīng)力場強度因子：應(yīng)力大小裂紋尺寸裂紋形狀第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月工程材料：制造工程構(gòu)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(jié)合鍵的性質(zhì)分一、金屬材料：

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)§3工程材料的分類第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、陶瓷材料陶瓷定義：由一種或多種金屬元素(含