绪论张庆安金属学与热处理.ppt

金属学与热处理A Metallography and heat- treatment 多媒体教学课件 课 时：96 （实验 10 学时） 授课对象：材料成型与控制专业 教 材：金属学与热处理崔忠圻 授课学院：材料科学与工程学院 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？ 绪论 * 高的导电性和导热性 * 金属光泽 * 良好的延展性(塑性) * 不透明 （1）金属的性质 * 正的电阻温度系数 即：具有正的电阻温度系数 电阻随温度升高而升高 t=0 (1+T) 某些纯金属在绝对零度附近的 超导电性 金属与非金属的本质差别 (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 金属晶体中原子 结合方式为金属键 试用金属键模型解释 金属特性 (3) 金属中原子的结合方式 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、具方向性 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 性能取决于什么因素呢？ 化学成分不同，性能不同 铝合金 400600 铜合金 600700 40钢(退火态) 500 40钢(调质态) 800 举例： b(MPa) 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 金刚石与石墨的空间原子排列 金刚石的空间原子排列石墨的空间原子排列 提高材料性能的主要途径 一改变材料的化学成分，二改进材料的生产工 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 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 材料的组织结构取决于 3 学习目的 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 磁悬浮列车 材料科学渗透各个领域 斜拉索桥 航空母舰与航天飞机 神七飞船 神舟七号飞船成功问鼎苍穹 高校科技功不可没 n哈尔滨工业大学 舱外航天服低压试验舱的研制 n郑州大学 太空出舱头盔面窗的研制 n东华大学 n 宇航员的生活设施装备等的研制 n上海海洋大学 n 飞船返回舱海上应急打捞网的研制 形状记忆合金在宇航上的应用 钢铁产品 材料微观结构研究（一） 微米与纳米尺度组织形貌 材料微观结构研究（二） X射线衍射物相结构分析 材料微观结构研究 材料微观研究 材料微观研究 材料微观研究 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 三 要求 (1) 材料科学基础，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 四 参考文献 注意：其它参考资料、课程辅导资料以及习题解 答等电子版图书参见安工大本课程精品课程网 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) 一、金属材料性能的种类 2 金属材料力学性能 2 工艺性能 材料制备、加工过程中所表现的性能 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、力学性能又称机械性能 主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等 结构材料最重要、最基本的性能 力学性能：工程材料在外力作用下所反应出 来的性能 应力: = P/A0 (MPa) 应变: = L/L1 =(L1-L0)/L0 1 应力应变曲线及简要分析 强度与塑性的测定主要借助应力应 变曲线 拉伸实验测定 断裂与塑性变形是材料失效的形式 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 应力应变曲线曲线分析简要 低碳钢应力应变曲 线 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% (1) 弹性变形 主要性能指标 弹性模量E：=E (2 ) 塑性变形 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 应力撤消后， 变形 仅部分消失，存在残余、 永久性的变形塑性变 形 抵抗各类变形的能力强度指标 发生永久变形的能力塑性指标 塑性变形中的重要指标 ReH 0.2 RmRm RP 低碳钢与铸铁的应力应变曲线 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强度 1 弹性变形阶段 ： 规定非比例延伸强度RP (proof strength, non-proportional extension) 例如RP0.2 2 塑性变形中的重要指标 （3） 规定总延伸强度(Rt) (proof strength,total extension): 例Rt0.2 (4) 规定残余延伸强度(R：permanent set): 例R0.2 （1） 上屈服强度(ReH：upper yield strength) （2） 下屈服强度(ReL：lower yield strength) 抵抗微量塑性变形的应力值 Rm：材料在破断前所承受的最大应力值 （1）是产生最大均匀塑性变形的抗力 均匀变形后当存在颈缩现象，即不 均匀塑性变形，材料集中变形，并导致 迅速断裂 （2）塑性加工中需控制轧制力： ReL Rm (5) 抗拉强度(tensile strengthRm) ReL / Rm ：0.60.85 屈强比高，强度利用率高 屈强比低，安全性高 综合考虑材料利用率和安全性 (6) 屈强比 （二）塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力 (1) 断后伸长率（ A）：试样拉断后标距的 增长量与原始标距长度之比 A= (L断后-L原始)/ L原始%=L / L0 % (2) 断面收缩率（ Z ） 试样拉断处横截面积的缩减 量与原始横截面积之比 Z= (S原始- S断后)/ S原始% =S / S0 % Z、A越高，材料的塑性越好 通常Z 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 例如： Rm HB 硬度种类 （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：HRA、HRB、HRC 其中HRC：软硬范围较宽，应用最 广 （3）维氏硬度(HV) 较硬材料 （4）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 通常碳素钢： Rm HB 布氏硬度(HB) 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 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 另：维氏显微硬度 F 维氏硬度 其它硬度测试方法 里氏硬度 努氏硬度等 硬度表示： HBS200 HBW400 HRA55 HRB30 HRC45 HV900 等 （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，引入 1 冲击韧性(k)：材料在冲击载荷作用 下抵抗破坏的能力 k =Ak/s 用破坏材料时所消耗的功衡量 是强度与塑性的综合指标 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为金属材 料、无机非金属材料、高分子材料、复 合材料等 3 工程材料的分类 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) 一、金属材料 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：各种无机非金属材料的统称 不含碳氢氧结合的化合物 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 离子键为主硬度高、脆 指有机合成材料、聚合物等 通常指大分子化合物，同时具有 共价键和分子键等，拥有较高强度、 良好的塑韧性，以及较强的耐腐