金属材料与热处理

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1、金属材料与热处理绪论主要内容一、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、关于本课程一、金属材料的历史地位1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人 类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文 明的基础。 石器时代青铜器时代铁器时代 2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金 属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可 预见的时期内，仍不会改变这种状况。二、金属材料的分类黑色 金属 铸铁工程构件用钢金 属 材 料钢机器零件用钢 工具钢结构金属材料 功能金属材料特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢) 轻金属(铝,镁,钛)

2、有色 金属贵重金属(金,银)重金属(铜,锌,铅,镍)稀有金属(钨钼钒铌钴) 放射金属(镭铀钍)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。三、金属结构材料的应用情况(2)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

3、 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。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610Sn）。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。四、金属材料发展的历史 (2)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

4、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(3)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(4)6. 19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工 具

5、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。五、金属材料的发展热点 按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。l 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 l 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 l 具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视

6、 l1继续重视高性能的新型金属材料 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。六、关于本课程(2)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(3)3. 学习要求 掌握金属材料合金化原理、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

7、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(4)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。第一单元 金属材料与机械产品制造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非合金钢金 属

8、 材 料黑色 金属低合金钢 合金钢 铸铁 铜及铜合金 铝及铝合金有色 金属滑动轴承合金钛及钛合金 其他非铁合金Steelmaking flowlinesSteel Finishing flowlines机械产品的制造过程使用制 造设计铸造 机 械 产 品 加 工 工 艺 压力加工 焊接 粉末冶金 切削加工 特种加工 熔焊 压焊 钎焊第二单元 金属材料的性能金属材料的性能力 学 性 能物 理 性 能化 学 性 能化 学 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

9、：直线、弹性变性2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形 3、s s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。强度的指标强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力 。 1、屈服点R e=Fs/S0符号： Re 材料产生屈服现象时的最小应力Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N） S0 ：试样原始横截面积（mm）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。Rm=Fm/S0当材料的内应力RR

10、m时，材料将产生断裂。Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。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 指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。A=(Lu-Lo)/Lo x 100%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 2、断面收缩率 Z 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。Z=(So-Su)/So x 100% 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： 肖氏硬度 维氏硬度 洛氏硬度 布氏硬度 1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏

11、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：120HBS 500HBW 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）不测试成品与薄件 （4）测量费时，效率低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.洛氏

12、硬度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、洛氏硬度值出。如：50HRC用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读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。4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.维氏硬度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，测出压痕对角线长度d。2、维氏硬度值用

13、压痕对角线长度表示。如：640HV。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。4、测量范围常用于测薄件、镀层、化学热处理后的表层等。韧性小能量多次冲击试验u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。 u冲击试样 u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。 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。疲劳破坏的特征疲劳断裂时无明显的宏观朔性变形

14、， 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。疲劳曲线和疲劳极限疲劳曲线是指交变 应力与循环次数的 关系曲线。1 2 3N1 N2 疲劳曲线示意图 N3N物理性能磁性热膨胀性 导电性 导热性 熔点 密度 化学性能化学稳定性抗氧化性 耐蚀性 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。铸造性能：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

15、象称为引缩性。 3、偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组 织的不均匀现象称为偏析。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：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。大量接性能是指金属材料对焊接加 工的适应性。 第三单元 金属的晶体结构与结晶 一、金属材料的晶体结构晶体与非晶体 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。晶体结构的概念晶格和晶胞： 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