工程材料及热处理 第1章 绪论

1、工程材料与热处理,主,讲,李小波,TelE_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,摘自毛泽

3、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,Source: Materials Science and Engineering for the 1990s, NRC, 1989,Composition,Processing,成分与工艺,Structure,组织结构,Properties,材料性能,Performance,使用性能,四个要素,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

4、,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,SiO,2,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,

5、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,F,e,

6、S,0,1-1,式中,F,e,试样产生完全弹性变形时的最大拉伸力，单位,为,N,S,0,试样原始横截面积，单位为,mm,2,应力的单位通常用,MPa,表示,1MPa=1N/mm,2,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,F,s,S,0,1.2,式中,F,s,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,

7、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,F,b,所对应的应力称为,抗拉强,度,曾称,强度极限,b,F,b,S,0,1.3,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,

8、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,L,1,试样拉断后的标距，单位为,mm,L,0,试样原始标距，单位为,mm,2,塑性,100,0,0,1,L,L,L,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,S,0,试样的原始截面积，单位为,mm,2,S,1,试样断裂后缩颈处的最小横截面积，单位为,mm,2,材料的断后伸长率,或断面收缩率,数值越大，则塑性,越好,断面收缩率,100,0,1,0,S,S,S,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

9、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，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,

10、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,2,102,0,102,0,H,2,2,d,D,D,D,F,Dh,F,HBW,BS,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,F,1,98N,，再加上主试验力

11、,F,2,其总试,验力为,F=F,1,F,2,经规定的保持时间，卸除主试,验力,F2,仍保留初试验力,F,1,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,硬度符号,压头类型,总实验力,F/kN,硬度值有效范,围,应用举例,HRA,120,金刚石,圆锥体,0.5884,20,88HRA,硬质合金，表面淬

12、硬层,渗碳层,HRB,1.5875mm,钢,球,0.9807,20,100HRB,非铁金属，退火，正火钢,等,HRC,120,金刚石,圆锥体,1.4711,2070HRC,淬火钢，调质钢等,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,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,A,k,表示，则有,A,k,WH1,WH2,

13、W(H,1,H,2,1.7,用,A,K,除以试样的断口处截面面积,S,N,即得到冲击韧度，用,a,k,表示，单位为,J/cm,2,a,k,A,k,S,N,1.8,对一般常用钢材来说，所测冲击吸收功,A,K,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

14、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/m,3,m,为物质的质量,kg,V,为物,质的体积,m,3,密度小于,4.5,10,3,kg/ m,3,的金属称为,轻金属,如铝、镁、钛及,它们的合金。密度大于,4.5,10,3,kg/ m,3,的金属称为,重金属,如铁,铅、钨等,V,m,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

15、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/(m,K,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,t,L,L,L,a,l,1,1,2,l,v,a,a,3

16、,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

17、,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,锻造性能,金属锻造成形的能力为,锻造性能,它主

18、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,能好坏的主要因数,低碳钢和碳质量分数小于,0.18,的合金钢有较好的焊接性能，而,碳质量分数大于,0.45,的碳钢和大于,0.35,的合金钢的焊接性能,比较差,Cu,合金和,Al,合金的焊接性能较差。灰口铸铁的焊接性,很差,几种金属材料的切削