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1、 金属材料与热处理 一 金属材料的历史地位二 金属材料的分类三 金属结构材料的应用情况四 金属材料发展的历史五 金属材料的发展热点六 关于本课程 绪论 主要内容 二 金属材料的分类 黑色金属 有色金属 金属材料 铸铁 钢 工程构件用钢 机器零件用钢 工具钢 特殊性能用钢 不锈钢及耐热钢 轻金属 铝 镁 钛 重金属 铜 锌 铅 镍 贵重金属 金 银 稀有金属 钨钼钒铌钴 放射金属 镭铀钍 结构金属材料功能金属材料 三 金属结构材料的应用情况 1 1 从总产量来看 钢铁材料的产量占绝对优势 占世界金属总产量的95 而且有许多良好的性能 能满足大多数条件下的应用 价格低廉 2 在世界金属矿储量中 铁
2、矿资源虽然比较丰富和集中 但就世界地壳中金属矿产储量来讲 则非铁金属矿储量大于铁矿储量 如铁只占5 1 而非铁金属中铝为8 8 镁为2 1 钛为0 6 3 非铁金属冶炼较困难 所需能源消耗大 因而生产成本高 限制了生产总量的增长 4 非铁金属所创造的价值高 并且它有钢铁所不具备的特殊性能 例如比强度高 耐低温 耐腐蚀等 因而非铁金属产量仍在迅速增长 三 金属结构材料的应用情况 2 四 金属材料发展的历史 1 1 公元前3800年 出现人工冶炼的铜器 我国在公元前3000年出现锡青铜 甘肃东乡马家窑文化的青铜刀 含6 10 Sn 商 周时期是中国青铜器的鼎盛时期 2 自公元前12世纪起铁器在地中
3、海东岸地区使用日广 到公元前10世纪 铁工具比青铜工具应用更普遍 公元前8世纪到公元前7世纪 北非和欧洲相继进入铁器时代 3 中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术 在明末科学家宋应星所著 天工开物 中有详细的阐述 4 现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始 19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术 使钢铁工业实现了现代化 四 金属材料发展的历史 2 5 在非铁金属冶金方面 19世纪80年代发电机的发明 使电解法提纯铜的工业方法得以实现 开创了电冶金新领域 同时 用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石 电解得到廉价的铝 使铝成为仅次于铁的第二大金
4、属 20世纪40年代 用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛 并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后 钛及钛合金的广泛应用得以实现 同时 其他非铁金属也陆续实现工业化生产 四 金属材料发展的历史 3 6 19世纪末 出现了新型的合金钢如高速工具钢 高锰钢 镍钢和铬不锈钢 并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系 与此同时 铝合合 镁合金 铜合金 钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产 7 20世纪中叶 新金属材料研究发展迅猛 如非晶态合金 金属基复合材料 金属间化合物结构材料 金属纳米材料等 四 金属材料发展的历史 4 五 金属材料的发展热点 1 继续重视高性能的新型金属材料具有高强度 高韧性 耐高
5、低温 抗腐蚀等性能 2 非晶 亚稳态 材料日益受到重视非晶态或亚稳态合金材料 金属纳米材料 3 特殊条件下应用的金属材料低温 高压 高温 外场以及辐照条件材料的结构 组织和性能的研究 4 材料的设计及选用科学化按照指定的性能对材料进行结构 成分的科学设计 六 关于本课程 1 1 本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金问题 使学生掌握金属及合金中的化学成分 组织结构 生产过程 环境对金属材料各种性能的影响的基本规律 掌握常用金属材料的化学成分设计 生产 热处理和使用中的问题 2 本课程的主要内容金属材料的合金化基础理论碳钢 合金钢铸铁有色金属及合金 六 关于本课程 2 3 学习要求掌握金属材料
6、合金化原理 合金元素对钢相变 组织 性能影响的一般规律 掌握常用钢 铸铁 高温合金 有色金属等材料的牌号 成分 热处理规范 组织 力学性能和用途 能够根据工程构件 机器零件 或工具 的服役条件 合理选用材料 确定热处理工艺等 能对产品质量作初步分析 提出消除或预防热处理缺陷的措施 六 关于本课程 3 4 成绩考核方式期末试卷 80 平时综合 20 5 教材与参考书吴承建 陈国良 强文江编著 金属材料学 北京 冶金工业出版社 2000 王笑天主编 金属材料学 北京 机械工业出版社 1987 王晓敏主编 工程材料学 北京 机械工业出版社 1999 六 关于本课程 4 第一单元金属材料与机械产品制造
7、过程简介 金属材料的基本概念金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料 金属材料 纯金属 合金 金属材料的分类 金属材料 黑色金属 有色金属 非合金钢 低合金钢 合金钢 铸铁 滑动轴承合金 钛及钛合金 其他非铁合金 铜及铜合金 铝及铝合金 Steelmakingflowlines SteelFinishingflowlines 机械产品的制造过程 机械产品加工工艺 铸造 压力加工 焊接 粉末冶金 切削加工 特种加工 熔焊 压焊 钎焊 金属材料的性能 力学性能 物理性能 化学性能 化学性能 第二单元金属材料的性能 力学性能 力学性能指金属在力的作用下所显示出的与弹性
8、和非弹性反应相关或涉及应力 应变关系的性能 如弹性 强度 硬度 塑性 韧性等 强度与塑性 材料的拉伸曲线1 oe段 直线 弹性变性2 es段 曲线 弹性变形 塑性变形3 ss段 水平线 略有波动 明显的塑性变形屈服现象 作用的力基本不变 试样连续伸长 4 sb曲线 弹性变形 均匀塑性变形 5 b点 出现缩颈现象 即试样局部截面明显缩小试样承载能力降低 拉伸力达到最大值 试样即将断裂 强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 强度的指标 2 抗拉强度 指试样拉断前所承受的最大拉应力 其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力 1 屈服点 Rm Fm S0 当材料的内应力R Rm时 材料将产生断裂 Rm
9、常用作脆性材料的选材和设计的依据 符号 Re材料产生屈服现象时的最小应力 Re Fs S0 Fs 试样屈服时所承受的拉伸力 N S0 试样原始横截面积 mm 塑性指标 塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力 评定指标是断后伸长率和断面收缩率 1 断后伸长率A 2 断面收缩率Z 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比 指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比 A Lu Lo Lox100 Lu 拉断拉伸试样对接后测出的标距长度Lo 拉伸试样的原始标距 Z So Su Sox100 So 拉伸试样原横截面积 Su 拉伸试样断口处的横截面积 硬度 引言 1 定义
10、 指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力 它是衡量材料软硬程度的指标 其物理含义与试验方法有关 2 硬度的测试方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度肖氏硬度 1 布氏硬度试验 布氏硬度计 原理 用一定直径的球体 淬火钢球或硬质合金球 以相应的试验力压入待测材料表面 保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力 测量材料表面压痕直径 以计算硬度的一种压痕硬度试验方法 2 布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示 如 120HBS500HBW 4 测量范围用于测量灰铸铁 结构钢 非铁金属及非金属材料等 布氏硬度 3 优缺点 1 测量值较准确 重复性好 可测组织不均匀材料 铸铁 2 可测的硬度值不高 3
11、不测试成品与薄件 4 测量费时 效率低 1 洛氏硬度试验 洛氏硬度计 原理 用金刚石圆锥或淬火钢球 在试验力的作用下压入试样表面 经规定时间后卸除试验力 用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验 2 洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示 可从表盘上直接读出 如 50HRC 4 测量范围用于测量淬火钢 硬质合金等材料 洛氏硬度 3 优缺点 1 试验简单 方便 迅速 2 压痕小 可测成品 薄件 3 数据不够准确 应测三点取平均值 4 不应测组织不均匀材料 如铸铁 1 维氏硬度试验 原理 用夹角为136 的金刚石四棱锥体压头 使用很小试验力F 49 03 980 07N 压入试样表面 测出
12、压痕对角线长度d 2 维氏硬度值用压痕对角线长度表示 如 640HV 4 测量范围常用于测薄件 镀层 化学热处理后的表层等 维氏硬度 3 优缺点 1 测量准确 应用范围广 硬度从极软到极硬 2 可测成品与薄件 3 试样表面要求高 费工 韧性 金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力称为冲击韧性 常用一次摆锤冲击弯曲 试验来测定金属材料的冲击韧性 冲击试样冲击试样的原理及方法 冲击韧度越大 表示材料的冲击韧性越好 小能量多次冲击试验 疲劳强度 疲劳概念 在交变应力作用下 零件所承受的应力低于材料的屈服点 但经过较长时间的工作后产生裂纹或突然发生完全断裂的现象称为金属的疲劳 疲劳断裂时无明显的宏观朔
13、性变形 断裂前没有预兆 而是突然破坏 引起疲劳断裂的应力很低 常常低于材料的屈服点 疲劳破坏的宏观断口由两部分组成 疲劳破坏的特征 疲劳曲线是指交变应力与循环次数的关系曲线 疲劳曲线和疲劳极限 物理性能 密度熔点导热性导电性热膨胀性磁性 化学性能 耐蚀性抗氧化性化学稳定性 金属的工艺性能 工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的应能力 金属 材料 及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能 1 流动性 熔融金属的流动能力称为流动性 主要受金属化学成份和浇注温度等的影响 2 收缩性 铸件在凝固和冷却过程中 其体积和尺寸减小的现象称为引缩性 3 偏析倾向 金属凝固后 内部化学成分和组织的不均
14、匀现象称为偏析 铸造性能 锻造性能 用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为锻造性能 铸铁不能锻压 焊接性能 大量接性能是指金属材料对焊接加工的适应性 切削加性能 切削加工 性能 金属材料的难易程度称为切削加工性能 第三单元金属的晶体结构与结晶 晶体与非晶体非晶体 在物质内部 凡原子呈无序堆积状况的 称为非晶体 如 普通玻璃 松香 树脂等 晶体 凡原子呈有序 有规则排列的物质 金属的固态 金刚石 明矾晶体等 性能 晶体有固定的熔 沸点 呈各向异性 非晶体没有固定熔点 而且表现为各向同性 一 金属材料的晶体结构 晶格和晶胞 表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格 能完整地反映晶格特征的最小几
15、何单元 称为晶胞 晶面和晶向 在晶体中由一系列原子组成的平面 秋为晶面 通过两个或两个以上原子中心的直线 可代表晶格空间排列的一定方向 称为晶向 晶体结构的概念 体心立方晶格 它的晶胞是一个立方体 原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心 如 铬 Cr 钒 V 钨 W 钼 Mo 及 Fe面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体 原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心 如 铝 Al 铜 Cu 铅 Pb 镍 Ni 及 Fe密排六方晶格 它的晶胞是一个正六棱柱体 原子排列在柱体的每个顶角上和上 下底面的中心 另外三个原子排列在柱体内 属于这种晶格类型的金属有镁 Mg 铍 Be 镉 Cd 及锌 Z
16、n 等 金属晶格的类型 金属材料的实际晶体结构点缺陷晶体中呈点状的缺陷 即在三维空间上尺寸都很小的晶体缺陷线缺陷三维空间的两个方向上尺寸很小的晶体缺陷面缺陷在二维方向上尺寸很大 在第三个方向上尺寸很小 呈面状分布的缺陷 金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶 纯金属的冷却曲线及过冷度 用热分析法进行研究纯金属的冷却曲线 理论 纯金属的冷却曲线 实际 二 纯金属的结晶 纯金属的结晶过程 晶粒大小对金属材料力学性能的影响控制晶粒大小的方法 1 加快液态金属材料的冷却速度 2 变质处理 3 采用机械振动 超声波振动和电磁振动等 金属材料结晶后晶粒的控制 三 金属的同素异构转变 金属在固态下 随温度的改变有一种晶格转变为另一晶格的现象称为同素异构转变 具有同素异构转变的金属有 铁 钴 钛 锡 锰等 同一金属的同素异构晶体按其稳定存在的温度 由低温到高温依次用希腊字母 等表示 同素异构转变是由晶核的形成与晶核的长大两个基本过程完成 新晶核在原晶界处生成同素异构转变有过冷 过热 现象 并且转变时具有较大的过冷度同素异构转变过程中 有相变潜热产生 在冷却曲线上出现水平线段
