工程材料与热处理 第1章 绪论

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1、,工程材料与热处理,主 讲 ：李小波 Tel:13786229894 E_mail:student0618 机械工程学院金属材料系,本课程的任务及内容,该课程是机械制造类专业的一门技术基础课。,任务:从机械工程材料的应用角度出发，阐明材料学的基本理论，用以正确理解常用材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系。,目的:学生通过学习，具有根据机械零件使用条件和性能要求，进行合理选材及制定零件工艺路线的初步能力。,教学内容,第一章 绪论 第二章 金属的晶体结构与结晶 第三章 二元合金及铁碳合金 第四章金属的塑性变形与再结晶 第五章 钢的热处理 第六章 合金钢 第七章 铸铁及有色金属材料 第八章

2、 材料的选用,参考书,苏旭平主编.工程材料.湘潭大学出版社，2008 高为国主编.机械工程材料基础.中南大学出版社，2004,课时、学分及考试,必修课 课时：32（含两次实验4 ） 学分：2 考试：闭卷考试，占70%，平时占30% （包括含实验成绩、作业和上课表现 ）,第一章 绪论,一、材料的重要作用 二、材料的研究对象与分类 三、工程材料的常用性能,一、材料的重要作用,材料是人类生产和生活的物质基础 （新）材料是高科技的先导 当代科技的三大支柱：1）信息科学；2）生命科学；3）材料科学。,材料是人类生活的物质基础,材料是人类生活的物质基础,一个粮食，一个钢铁，有了这两个东西就什么都好办了。,

3、摘自毛泽东选集第四卷第183页,航天飞机和B2幽灵式轰炸机,磁悬浮列车,骨头医学上的应用,远程通信技术,材料发展与社会文明,二、材料研究的对象与分类,材 料,材料：人类生产和生活的物质基础。 工程材料:在机械制造、交通运输、国防科研和生活用品等领域所使用的材料。 机械工程材料：机械制造领域所使用的材料的总称。,按组成特点分类 铸铁 黑色金属 碳钢 金属材料 合金钢 有色金属 塑料 高分子材料 合成橡胶 合成纤维 硅酸盐材料 玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料 （传统陶瓷） 陶瓷材料 新型陶瓷 除SiO2之外的其他氧化物、碳化 物，氮化物 （特种陶瓷） 纤维增强复合材料 复合材料 粒子增强复合材料 层叠

4、复合材料,工程材料,工程材料按使用性能分类,1、结构材料 作为承力结构使用的材料，其使用性能主要是力学性能，如制造机器零件的钢材。 2、功能材料 具有特异的物理和化学功能，如超导材料，形状记忆材料，储氢材料，激光材料，半导体材料，纳米材料等 。,三、工程材料的常用性能,包括两方面,材料使用性能,材料工艺性能,力学性能（强度、塑性、韧性等） 物理性能（光、热、电、磁等） 化学性能（氧化、腐蚀等）,加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）,1、强度 强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，一般采用拉伸试验方法测定。工程上常用的

5、静拉伸强度判据有弹性极限、屈服点和抗拉强度等。,材料的力学性能及指标,弹性是指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性。在弹性阶段内，卸力后而不产生塑性变形的最大应力为材料的弹性伸长应力，通常称为弹性极限，以e表示： e=Fe / S0 （1-1） 式中：Fe试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力，单位为N； S0试样原始横截面积，单位为mm2。 应力的单位通常用MPa表示，1MPa=1N/mm2。 材料在弹性范围内应力与应变成正比，其比值E=/，称为弹性模量，标志着材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。,弹性极限,在拉伸过程中力不增加（保持恒定），试样仍能继

6、续伸长时的应力称为材料的屈服点（也称屈服极限），以s表示： s= Fs / S0 （1.2） 式中：Fs材料屈服时的最小拉伸力，单位为N。,屈服点,屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标。由于大多数合金没有明显的屈服现象，因此提出“规定残余伸长应力”作为相应的强度指标。国家标准规定：当试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力，作为规定残余伸长应力（r）。例如r0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。,拉伸过程中最大力Fb所对应的应力称为抗拉强度（曾称强度极限）： b=Fb / S0 （1.3） 抗拉强度表征材料对最大均匀变形的抗力，是材料在拉伸条件下所能承受

7、最大力的应力值，它是设计和选材的主要依据之一。,抗拉强度,材料在外力作用下，产生永久变形而不致破裂的能力叫塑性。常用的塑性判据是材料断裂时的最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。 1. 断后伸长率 试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，以表示： （1.4） 式中：L1试样拉断后的标距，单位为mm； L0试样原始标距，单位为mm。,2 塑性,试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率，以表示。其数值按下式计算： （1.5） 式中：S0试样的原始截面积，单位为mm2； S1试样断裂后缩颈处的最小横截面积，单位为mm2。 材料的断后伸

8、长率或断面收缩率数值越大，则塑性越好。,断面收缩率,3 硬度,硬度是指金属表面一个小的或很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种能力，在一定程度上反映了材料的综合力学性能指标。 硬度能够反映出金属材料在化学成分、金相组织和热处理状态上的差异，是检验产品质量、确定合理的加工工艺所不可缺少的检测性能之一。 同时硬度试验也是金属力学性能试验中最简便、最迅速的一种方法。 硬度试验方法很多，机械制造生产中应用最广泛的方法是布氏硬度试验法和洛氏硬度试验法。,布氏硬度,布氏硬度的测定是用一定大小的试验力F（N），把直径为D（mm）的淬火钢球或硬质合金球压入被测金属的表面，保持规定时间后卸除试验力，

9、测出压痕平均直径d（mm）, 然后按公式求出布氏硬度HB值，或者根据d从已备好的布氏硬度表中查出HB值。,(1.6) 用淬火钢球做压头测得的硬度用符号HBS表示，适合测量布氏硬度值少于450的材料，用硬质合金球做压头测得的硬度用符号HBW表示，适合于测量布氏硬度值为450-650的材料。 布氏硬度试验法主要用于铸铁、非铁金属及经退火、正火和调质处理的钢材的硬度测定。,洛氏硬度试验是目前应用最广的性能试验方法，它是采用直接测量压痕深度来确定硬度值的。是用顶角为120的金刚石圆锥体或直径为 1.588mm(1/16英寸）的淬火钢球作压头，先施加初试验力F1（98N），再加上主试验力F2，其总试验力

10、为F=F1+F2。经规定的保持时间，卸除主试验力F2，仍保留初试验力F1，试样弹性变形的恢复使压头上升到新的位置。此时压头受主试验力作用压入的深度为h。金属越硬，h值越小。一般洛氏硬度机不需直接测量压痕深度，硬度值可由刻度盘上的指针指示出来。,洛氏硬度,HR=K-e/0.002, 钢球压头K=130， 金刚石压头K=100， e为压痕深度的残余增量,表1.2 常用的三种洛氏硬度的试验条件及应用范围,注：总试验力初始试验力主试验力；初始试验力为98N。,GB/T 230-91,机械零部件在使用过程中不仅受到静载荷或变动载荷作用，而且还会受到不同程度的冲击载荷作用，如锻锤、冲床、铆钉枪等。在设计和

11、制造受冲击载荷的零件和工具时，还必须考虑所用材料的冲击吸收功或冲击韧度。,4 冲击韧度,在忽略摩擦和阻尼等条件下，摆锤冲断试样所做的功，称为冲击吸收功，以Ak表示，则有 Ak= WH1WH2W(H1H2) （1.7） 用AK除以试样的断口处截面面积SN即得到冲击韧度，用ak表示，单位为J/cm2。 akAk/SN （1.8） 对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功AK越大，材料的韧性越好。,材料在循环应力和应变作用下，在一处或几处产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程称为材料的疲劳。 许多机械零件（如轴、齿轮、弹簧等）和工程结构都是在循环或交变应力下工作的，它们工

12、作时所承受的应力通常都低于材料的屈服强度。疲劳失效与静载荷下的失效不同，断裂前没有明显的塑性变形，发生断裂也较突然。这种断裂具有很大的危险性，常常造成严重的事故。据统计，大部分机械零件的失效是由金属疲劳造成的。,5 疲劳极限,当应力低于某值时，应力循环到无数次也不会发生疲劳断裂，此应力值称为材料的疲劳极限。,材料的物理性能及指标,(1)密度(Density) 单位体积物质的质量称为该物质的密度： 式中，为物质的密度（kg/m3）；m为物质的质量（kg）；V为物质的体积（ m3 ）。 密度小于4.5103kg/ m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于4.5103kg/ m3的金

13、属称为重金属，如铁、铅、钨等。,(2)熔点（melting point) 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如W、Mo、V等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属，如Sn、Pb等，可用于制造熔丝和防火安全阀零件等。,(3)导热性 导热性通常用导热率来衡量。热导率的符号是，单位是W/(mK)。导热率越大，导热性越好。 金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。,(4)导电性 金属材料能够传导电流的能力称导电性，通常用电导率来衡量，电导率越大，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。,(5)热膨

14、胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。,（6）磁性,铁磁材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如Fe、Co等,顺磁材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如Mn、Cr等,抗磁材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用， 如Cu、Zn等,铁磁材料可用于制造变压器、电动机、 测量仪表等；抗磁材料则用于要求避免电磁场干 扰的零件和结构用件，如航海罗盘。,(1)耐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性比较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。在食品、制药、化工工业中不锈钢是重要应用材料。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性能。 (2) 抗氧

15、化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等合金元素可提高钢的抗氧化性。加入Cr、Si可以提高钢的抗氧化性能，如合金钢4Cr9Si2，可以在高温下使用，制造内燃机排气阀以及加热炉炉底板、料盘等。,金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性。在高温下的化学稳定性为热稳定性。在高温下工作的设备，如锅炉、汽轮机、喷气发动机等部件和零件应选用热稳定性好的材料来制造。,材料的化学性能,金属材料的工艺性能,工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。 金属材料的一般加工过程如下：,（1）铸造性能 金属材料铸造成形的能力称为铸造性能，常用流动性、收缩性和偏析来衡量。 （2）锻造性

16、能 金属锻造成形的能力为锻造性能。它主要取决于金属的塑性和变形抗力。碳钢在加热状态下锻造性能较好。碳钢的锻造性能有好到次依次为低碳钢 中碳钢 高碳钢。低合金钢的锻造性接近中碳钢，高合金钢较差。铸铁不能锻造。,（4）切削加工性能 金属切削的难易程度称为切削加工性能。影响切削加工的主要因素有：材料的化学成分、组织、硬度、韧性、导热性和形变硬化。金属材料具有适当的硬度（170-230HBS）和足够的脆性时切削性能良好。改变钢的化学成分（如加少量Pb，P）和进行适当的热处理（如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火）可提高切削性能。,（3）焊接性能 金属能焊接成具有一定使用性能的焊接接头的特性称为焊接性能。在机械工程中，焊接的重要对象是钢材。碳质量分数是焊接性能好坏的主要因