哈工大金属学与热处理课件1讲解

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1、金属学与热处理A Metallography and heat- treatment 多媒体教学课件 课 时：56 教 材：金属学与热处理，崔忠圻 1 课程研究的对象、目的及要求 一 研究对象、任务和目的 1 研究的对象 金属和合金。 什么是金属？什么是合金？ （1）金属的性质 * 高的导电性和导热性； * 金属光泽； * 良好的延展性(塑性)； * 不透明 绪论 即：具有正的电阻温度系数。 * * *电阻随温度升高而升高 金属与非金属的本质差别 t=0 (1+T) T 非金属 金属 某些纯金属在绝 对零度附近的超导电性 (2) 金属与合金的定义 金属定义：具有正的电阻温度系数的物质。 合金定

2、义：一种金属元素与另一种或几种其 它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有 金属特性的物质。 试用金属键模型解释： 金属特性 (3) 金属中原子的结合方式 在金属晶体中，金属原子失去价电子后 成为正离子, 所有价电子成为自由电子并为整 个原子集团所公有, 所有自由电子围绕所有原 子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在 电子云中，并依靠与自由电子 之间的静电作用而使金属原子 结合起来形成金属晶体。这种 原子结合方式称为金属键。 非金属中：离子键、共价键等 结合键强, 具饱和性 较高硬度 结合键极强、方向性 很高硬度、无塑性 2 本课程的主要任务： 研究金属与合金的化学成分、加工工艺 、组织结构和性

3、能四要素及四要素之间的关 系与变化规律。 此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是性能 举例： b(MPa) 铝合金 400600 铜合金 600700 40钢(退火态) 500 40钢(调质态) 800 性能取决于什么因素呢？ 化学成分不同，性能不同 纯铝 40 纯铜 60 纯铁 200 化学成分相同，处理方式不同，性能不同 0.8C 的钢锯条800，冷却方式不同 一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断； 另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲90 不断。 又如： 石墨和金刚石均由碳原子构成， 但性能迥异。 原因：碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同 提高材料性能的主要途径： 一方面改变材

4、料的化学成分，另一方面 改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的 组织结构与性能。 *材料科学研究的四要素及相互关系线： 性 能 Performance 加工工艺 Process 化学成分 Composition 组织结构 Construction 内因 外因 （1）原子结构： 取决于原子种类 什么是组织结构？ 材料不同层次的结构 （2）晶体结构： 原子在空间的排列方式 合金相形貌金属多晶体结构 显微组织 （3）组织结构（显微组织）： 在不同放大倍数放大镜、显微镜下观察 到的金属的内部形貌 1 原子种类; 2 内部原子排列的方式; 3 合金元素的存在方式; 4 内部不同尺度的各种结构缺陷 材料的

5、组织结构取决于: 3 目的 利用上述四要素关系和规律： （1）进行科学研究； （2）指导生产实践； （3）研制新合金材料。 二、本课程内容 1 金属材料科学研究内容： 成分、组织结构、工艺、性能 其课程体系： 金属学、金属热处理、金属材料学 、 金属性能、材料分析技术与方法等 2 本课程主要内容: 金属学： 第一 第八章 金属热处理：第九 第十章 金属材料学：第十一章 第十三 章 (1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基 本实验方法； (2)掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、 性能间关系的一般规律； (3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金 相分析方法。 四 参考文献： (1)材料科学基

6、础, 西安交通大学, 石德珂 (2)工程材料, 朱张校，清华大学出版社, 2000 (3)工程材料, 丁厚福，武汉理工大学出版社, 2001 三 要求： 一、金属材料性能的种类 2 金属材料力学性能 金属材料加工过程： 冶炼铸造 铸锭 板棒型管 焊接 机加工 冷轧 冷拔 深冲 锻件 铸件 机加工 ： 车、铣 、刨、 磨 零 件 或 构 件 热轧 热锻 工艺性能 使用性能 故材料性能包含使用性能与工艺性能两方面 ：1 使用性能 ：在使用条件下所表现的性能 力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等)； 物理性能（光、电、磁等）； 化学性能 (抗氧化性、抗腐蚀性等)； 其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等)

7、； 2 工艺性能： 材料制备、加工过程中所表现的 铸造性能（流动性、收缩、偏析等)； 压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等； 切削加工性； 焊接性； 热处理性能； 等等 二、力学性能： 工程材料在外力作用下所反应出来的性 能 又称机械性能 主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等 强度与塑性的测定借助应力应变曲线 结构材料最重要、最基本的性能 应力: = P/A0 (MPa) 应变: = L/L1 =(L1-L0)/L0 1 应力应变曲线 拉伸实验测定 变形三阶段 ： (1) 弹性变形 、 (2) 塑性变形 、 (3) 断裂 弹性变形 塑性变形 断裂 低碳钢的应力应变曲 线 应变 应力 低碳钢应力应

8、 变曲线 (1) 弹性变形: 特点： 应力撤消后, 变形消失 ； 应力与应变成正比关系 ； 总变形量很小：1% 主要性能指标： 弹性极限e ：保持弹性 变形的最大应力，MPa 弹性模量E： =E (2 ) 塑性变形: 应力撤消后, 变形仅部 分消失，存在残余、永久性的变形。 特点： (1)变形具永久性、不可逆 性 (2)应力与应变非正比关系 ； (3)变形量较大 可以塑性加工的原因 残余 变形 量 弹性 变形 量 s b 塑性变形中的重要指标: 承受的应力大小： 断裂前塑性变形量的大小: 抗拉强度(b): 抵抗最大均匀塑性 变形的应力值 屈服强度(s): 抵抗微 量塑性变形的应力 值 断后伸长

9、率()、断面收缩率( ) 三、力学性能及指标 （一）强度 材料抵抗变形或断裂的能力称为。 1 弹性极限(e ) ：规定弹性极限r0.01 2 屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时 的应力值 (s ), Mpa 。 (1) 实质是抵抗微量塑性变形的抗力。 (2) 无明显屈服现象时采用条件屈服极限0.2 规定残余伸长率为0.2%时对应的应力 值 s 0.2 bb e 低碳钢与铸铁的应力应变曲线 断裂与塑性变形是材料失效的形式 3 抗拉强度：材料在破断前所承受的 最大应力值（ b ） , Mpa 。 产生最大均匀塑性变形的抗力 。 存在颈缩现象不均匀塑性变 形 注意： 塑性变形中: s 2 （二）塑

10、性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力 。 (1) 伸长率（ ）：试样拉断后标距的增 长量与原始标距长度之比; = (L断后-L原始)/ L原始%=L / L0 % (2) 断面收缩率（ ）：试样拉断处横 截面积的缩减量与原始横截面积之比. = (A原始- A断后)/ A原始%=A / A0 % 、越高，材料的塑性越好 通常 5% 脆性材料 塑性的意义： 成形 安全 （三）硬度 材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即受 压时抵抗表面局部塑性变形的能力。 衡量材料软硬程度的指标 硬度与强度间存在一定关系 (1) 布氏硬度(HB)较软材料有色金 属 (2) 洛氏硬度(HR)硬度中等钢铁材 料 具体：H

11、RA、HRB、HRC 其中HRC：软硬范围较宽，应用最广 维氏硬度(HV) 较硬材料 显微硬度(HV) 测定材料内部微区的相 、组织的硬度 球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值 较软材料：有色金属、灰口铸铁等 布氏硬度(HB) 通常碳素钢：bHB 测定压痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：h: 压痕深度 k:常数，0.2或 0.26mm; 0.002mm: 一个洛氏硬 度单位 适合测量的材料 HRA：硬质合金 ； HRC: 淬火钢 HRB: 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 洛氏硬度： 维氏硬度： 压痕单位表面积上 所承受的平均压力值 金刚石正四棱锥体 压头 硬度表示方法： HBS200

12、 HBW400 HRA55 HRB30 HRC45 HV900 HV1100 F （四）韧性 当加载速度极快时，不能用静载 荷下的 s、 b作失效判据。 1 引入冲击韧性(k) : 材料在冲击载 荷作用下抵抗破坏的能力 用破坏材料时所消耗的功衡量, 是强度与塑性的综合指标 ，k； 或，k k =Ak/s 金属的k与温度直接相关： （1）T，k （2）存在韧脆转变温度Tk ：当T Tk 时，金属为脆性状态k 脆性区 韧性区 当材料内部存在裂纹缺陷时： 2 断裂韧度KIc 裂纹尖端产生应力集中应力被放 大 当、a达到某临界值时,裂纹失稳扩 展，此时的KI称为断裂韧度KIc 材料抵抗裂纹失稳扩展的性

13、能 引入应力场强度因子 ： 应力大 小 裂纹尺 寸 裂纹形 状 工程材料：制造工程构件和机械零件、 工具、特 殊性能材料(耐蚀、耐高 温) 分类：按原子间结合键的性质分 一、金属材料： 黑色金属：铁和以铁为基的合金 纯铁、钢、铸铁、铁合金 占工程材料的90 有色金属：黑色金属以外所有金属、合金 轻金属、难熔金属、贵金属等 金属键(过渡金属含少量共价键) 3 工程材料的分类 二、 陶瓷材料 陶瓷定义： 由一种或多种金属元素(含半金属元 素如Si等)同一种非金属元素形成的化合 物。 CaO、TiO2、Al2O3、SiC、Si3N4 CaTiO3、MgAl2O4、 传统：硅酸盐类材料 现今：各种无机

14、非金属材料的统称 不含碳氢氧结合的化合物 离子键为主硬度高、脆 普通陶瓷：硅、铝氧化物的硅酸盐材 料 特种陶瓷：高熔点的氧化物、碳化物 、氮 化物、硅化物等的烧结材料 金属陶瓷：金属与碳化物或其他化合 物的粉末冶金制品 发展：纳米技术陶瓷增韧 三、高分子材料： 有机合成材料、聚合物 大分子化合物：共价键、分子 键 较高强度、良好的塑韧性、 较强的耐腐蚀性、优良的绝缘 性 工程塑料、合成纤维、合成橡 胶 四、复合材料： 金属基复合材料、非金属基复合材料 目前非金属材料的应用：5%6% 金属材料仍是最主要的工程材料 思考题 1 简述本课程的主要内容以及本课程的基本 任务； 2 金属材料的性能与哪三大因素有关，提高 材料性能的两条主要途径是什么？ 3 材料的性能包括哪两个方面？说明下列符 号所表示的意义及量纲： e、s、b、 0.2、ak 、HB、HRC、Hv； 4 什么是强度？塑性？硬度？韧性？