材料科学基础 绪论

1、Engineering MaterialsLecturers: Sun Lan School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University Sun Lan（孙兰） Dept. of Materials Forming and Controlling School of Manufacturing Science and Engineering Sichuan University Tel:E-mail: 3Course Description Engineering Materials ： t

2、he materials science, general laws on the material composition, structure, performance and applications Course requires ：1. the relationship on composition, structure and performance of the commonly used engineering materials2. The types grades, properties and uses of engineering materials.3. the co

3、rrect choice of heat treatment method4. The failure of the different material components4Course Features uTechnical coursesuStronger NarrativeuConcept of the principleuMore Symbol uLess Calculation uStronger practicalityPreviewReview Attendance5References1、工程材料学（第1版或第2版-修订版） 王晓敏 哈工大出版社（2002年8月）2、Eng

4、ineering Materials ( Vol. One, 2nd Edition ) R. L. Timings 世界图书出版公司 （2000年6月）3、机械工程材料 （第1版） 沈 莲 机械工业出版社 （1999年5月）4、Selection and Use of Engineering Materials ( 3rd Edition ) J. A. Charles, F. A. A. Crane, J. A. G. Funess 世界图书出版公司（2000年6月） Chapter 1 Introduction to Materials and their PropertiesChapt

5、er 1 Introduction to Materials and Their Properties the selection of materials for any given application. The basic properties of materials. The grouping of materials into their main categories.1.1 Introduction to use and to develop materials to satisfy the human requirementsmaterials for housing, h

6、eating, furniture, clothes, transportation, entertainment, medical care, defense, etc. waste materials must be reclaimed and recycled role of materials engineers ( also materials students )9 Mainstay industry： Material is the basis of any forms of energy and information Engineering Materials：structu

7、ral materials，the mechanical properties，engineering structures and mechanical parts as the main requirements.1.1 Introduction1.2 Selection of Materials Commercial factors such as: (a) cost (b) availability (c) ease of manufacture Engineering properties of materials such as: electrical conductivity s

8、trength, toughness corrosion resistance, wear resistance ease of forming by extrusion, forging and casting machinability heat (thermal ) resistance, etc. 1.2 Selection of Materials Examples : (a) electric cable connector electrical conductivity, ease of forming by extrusion, forging and casting, eas

9、e of machinability, adequate strength and corrosion resistance. Silver? (Expensive) Cu, Al (b) connecting rod Strength, toughness, ease of machinability (c) tailstock casting (底座铸件底座铸件)-cast iron adequate strength， ease of melting and casting， good machinability121.3 Material Properties（1）使用性能）使用性能A

10、pplication properties ： mechanical properties，physical properties and chemical properties（Priority）（2）工艺性能）工艺性能Processing properties ：铸造铸造(Casting)、锻压、锻压(Forging and pressing)、焊、焊接接(Welding)、热处理、热处理(Heat treating)和切削和切削(Cutting)性能等。性能等。13 Mechanical properties:（ Strength, stiffness, hardness, elasti

11、city, plasticity, toughness and wear resistance） Deformation: changes of the shape and size because of the external forces.elastic deformationelastic deformation。plastic deformationplastic deformation。1.3 Material Properties14StrengthResistance of plastic deformation and fractureYield strength: stre

12、ss happened plastic deformationTensile strength and bending strength: stress happened fractureApplication：machine components，1.3 Material Propertiesbs15 PlasticCharacterization of plastic deformation under external force Fractured residual deformation： Elongation percentage： Contraction of area：1.3

13、Material Properties%1001lll%1001AAA16 韧性韧性ToughnessAbsorb energy before fracture, and the ability to plastic deformation（Strength + Plastic） 刚度刚度(stiffness )Resistance of elastic deformationThe elastic modulus E: stress/strain, a constant in the range of elastic deformation; the key performance indi

14、cators for the characterization of material stiffness.1.3 Material Properties17 Hardness: the materials resistance to localized plastic deformation. （HRC、HB、HV）. Wear resistance: the material to resist wear under certain operating conditions.The relative wear resistance is the ratio of the amount of

15、 wear of two materials in the same working conditions.1.3 Material Properties18材料材料的力的力学性学性能指能指标应标应用用刚度刚度：刚度设计中，考虑构件刚度设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量。在受力时发生的弹性变形量。弹性模量。如精密机床主轴等弹性模量。如精密机床主轴等零构件零构件弹性指标弹性指标：弹性极限和弹性弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等类弹簧等屈服强度和塑性屈服强度和塑性：一般零件一般零件的抗断裂设计。的抗断裂设计。

16、硬度硬度：在耐磨零件中必须考虑的在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承等性能指标。如滚珠轴承等.19TITANIC20Impacting tests results of steel on Titanic （Left）and steel used on board recently（Right）21 Physical property density、Melting point、Heat conductivity、Electrical conductivity、Thermal expansion、Magnetism； Chemical propertyresistance to chemi

17、cal erosion of various media. (Oxidation resistance and corrosion resistance)1.3 Material Properties22(2) Processing properties casting、forging、welding、heat treating and cutting等。等。 Casting（ Fluidity, shrinkage, segregation ） 铸造铝、铜合金铸造铝、铜合金铸铁（灰口）铸铁（灰口）铸钢铸钢1.3 Material Properties23 锻造性能（塑性、变形抗力）锻造性能（

18、塑性、变形抗力）(Forging) 低碳钢低碳钢中碳钢（低合金钢）中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金高碳钢（高合金钢）钢） 铸铁不可锻压铸铁不可锻压 焊接性能焊接性能Welding（可焊性、焊后开裂的倾向、焊（可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度）区硬度）低碳钢低碳钢 中碳钢（低合金钢）中碳钢（低合金钢）高碳钢（高合金高碳钢（高合金钢）钢）铜、铝合金铜、铝合金1.3 Material Properties24 热处理工艺性能热处理工艺性能(Heat treating难易程度及产生缺陷难易程度及产生缺陷的倾向的倾向)不改变工件形状，只改变内部组织结构，以获得不不改变工件形状，只改变内部组织结构，以获得

19、不同的机械性能。同的机械性能。 切削性能（切削性能（Cutting切削难易程度、加工表面质量）切削难易程度、加工表面质量）灰口铸铁具有良好的切削加工性。碳钢灰口铸铁具有良好的切削加工性。碳钢 高合金钢高合金钢1.3 Material Properties25Common form of failure in engineering ：1、变形变形(Deformation)：有塑性变形发生，已有塑性变形发生，已超过材料的超过材料的弹性极限弹性极限，已失效。，已失效。2、断裂断裂(Fracture)：破坏性损伤或失效，破坏性损伤或失效，已超过强度极限已超过强度极限。3、磨损磨损(Wear)：尽管没

20、有大的变形和断裂，但尽管没有大的变形和断裂，但物质量的变物质量的变化化大，往往造成机构功能失效，或生产、工作效率降低。大，往往造成机构功能失效，或生产、工作效率降低。4、腐蚀腐蚀(Corrosion)：严重的腐蚀使结构完整性破坏，承载严重的腐蚀使结构完整性破坏，承载能力下降，安全隐患增加，导致失效。能力下降，安全隐患增加，导致失效。1.3 Material Properties261.4.1 Metal materials 以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性、导热性、延展良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽性和金属光泽 用量最大、应用最广泛用量最大、应用最广泛黑色金属黑色金属(F

21、errous metal)(Ferrous metal)有色金属有色金属(Nonferrous metal)(Nonferrous metal)轻金属轻金属, ,重金属重金属, ,贵金属贵金属, ,稀有金属稀有金属 1.4 Engineering materials27(1)Ferrous metalFerrous metal1.4 Engineering materials * Plain carbon steels * Alloy steels * Cast irons * Wrought iron28(1) Ferrous metalFerrous metal1.4 Engineerin

22、g materialsCarbon Steel： Basic elements：Fe, C (compounds) (0.02-2.11%)Impurities：S, P, Mn, SiAlloy Steel:Carbon steel + alloying elements (Mn, Ni, Cr, Mo, V, W, Ti)29(1)Ferrous metalFerrous metal1.4 Engineering materialsCast Iron: C%1.7%, greater impurities (S, P, Mn, Si) Carbon compounds + Free car

23、bon Grey cast iron, White cast iron, Melleable cast iron and Alloying cast iron Low melting temperature, Good fluidity熟铁（熟铁（Wrought Iron ）: Nearly pure iron, C%0.02 Extreme toughness, low strength30(2) Non-ferrous metal(2) Non-ferrous metalCopper alloys：青铜Bronze ( copper and tin )，黄铜Brass ( copper a

24、nd zinc )Aluminum alloysTitanium alloys1.4 Engineering materials31(3) (3) Non-metallic materials 工程塑料工程塑料(Engineering Plastics)：聚酰胺、尼龙、聚酰胺、尼龙、等。等。 工业陶瓷工业陶瓷(Industrial Ceramics )：普通陶瓷、特种普通陶瓷、特种陶瓷等。陶瓷等。 复合材料复合材料(Composite Material )：玻璃纤维树脂基玻璃纤维树脂基复合材料、复合材料、 层合复合材料。层合复合材料。1.4 Engineering materials1.5 C

25、omposite materials ( Composites )是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。 Reinforcement （增强体）（增强体） Matrix （基体）（基体） Kinds of Composites * Metal Matrix Composite(s) ( MMC or MMCs ) * Polymeric Matrix Composite(s) ( PMC or PMCs ) * Ceramic Matrix Composite(s)

26、 ( CMC or CMCs)1.6 Factors affecting materials properties Heat treatment Processing * cold-working （形变强化） * hot-working ( recrystallisation 再结晶) Environmental reactions * dezincification of brass（黄铜脱锌） * rusting of steel and iron （钢铁生锈） * degradation of plastics （塑料降解）341.7 Relations of composition,

27、 structure and properties Composition Structure Properties 化学成分和组织结构是其力学性能的化学成分和组织结构是其力学性能的内部依据内部依据；力；力学性能是具有一定化学成分和组织结构的学性能是具有一定化学成分和组织结构的外部表现外部表现。由铁碳相图，分析碳含量增加，相的变化及主要力学性能的变化。由铁碳相图，分析碳含量增加，相的变化及主要力学性能的变化。35（1）结构（）结构（structure） 组成相（组成相（phase）的原子结构和晶体结构）的原子结构和晶体结构（2）组织（）组织（microstructure） 显微组织、晶体缺陷、

28、冶金缺陷，等显微组织、晶体缺陷、冶金缺陷，等 microstructure: phase（相）、（相）、content（组元）（组元） lattice dislocation: 点、线、面缺陷点、线、面缺陷 metallurgy inclusions: 渣、夹杂、气体，渣、夹杂、气体，（3）晶体与非晶体）晶体与非晶体 crystal materials: lattice structure amorphous materials: without certain structure1.7 Relations of composition, structure and properties36

29、钢的化学成分一定时，通过钢的化学成分一定时，通过不同工艺方式不同工艺方式（热处理、（热处理、冷热塑性加工）改变其结构，进而冷热塑性加工）改变其结构，进而改变其性能改变其性能； 另一个影响钢性能的因素：冶金质量另一个影响钢性能的因素：冶金质量（通过冶炼、铸造、轧制或锻造等工艺过程控制的质（通过冶炼、铸造、轧制或锻造等工艺过程控制的质量）量）1.7 Relations of composition, structure and properties 371.8 Development trend of engineering materials 21世纪初期，金属材料在工程材料中仍将占主导地世纪初

30、期，金属材料在工程材料中仍将占主导地位，其中钢铁仍是产量最大、覆盖面最广的工程位，其中钢铁仍是产量最大、覆盖面最广的工程材料，但非金属材料和复合材料的发展会更加迅材料，但非金属材料和复合材料的发展会更加迅速。速。 今后材料发展的总趋势是：今后材料发展的总趋势是：以高性能和可持以高性能和可持续发展为目标的续发展为目标的传统材料的改造传统材料的改造及以高度集成化、及以高度集成化、微细化和复合化为特征的微细化和复合化为特征的新一代材料的开发新一代材料的开发。38（1）生产工艺的完善和开发 完善传统的冶金工艺和开发新工艺完善传统的冶金工艺和开发新工艺，是钢铁工是钢铁工 业技术进步的两大趋向，其中包括洁

31、净钢冶炼、转炉少渣炼业技术进步的两大趋向，其中包括洁净钢冶炼、转炉少渣炼钢、非高炉炼铁（如直接还原和熔炼还原）和带钢铸造等。钢、非高炉炼铁（如直接还原和熔炼还原）和带钢铸造等。各类精炼钢、纯净钢、预硬化钢材、涂层钢板、复合钢板等各类精炼钢、纯净钢、预硬化钢材、涂层钢板、复合钢板等将广泛应用，性能更规范，质量更稳定。将广泛应用，性能更规范，质量更稳定。 钢铁生产正从粗放型向集约型转变钢铁生产正从粗放型向集约型转变，全面提高全面提高 技术素质，实现优质高效节能降耗和环境保护，以保证可持技术素质，实现优质高效节能降耗和环境保护，以保证可持续发展。将续发展。将进一步开发钢材品种，并大力提高钢铁产品的质

32、进一步开发钢材品种，并大力提高钢铁产品的质量和性能量和性能。如严格控制杂质元素含量和化学成分，力求显微。如严格控制杂质元素含量和化学成分，力求显微组织均匀和力学性能稳定等。组织均匀和力学性能稳定等。39（2）新材料的研制与开发高效金属材料：高效金属材料：如高效钢不仅强度比现在的钢铁提高一如高效钢不仅强度比现在的钢铁提高一倍，而且耐磨、耐蚀等性能也将大幅度改善。倍，而且耐磨、耐蚀等性能也将大幅度改善。金属间化合物：金属间化合物：具有高温强度高、抗氧化性能好、密度具有高温强度高、抗氧化性能好、密度低等优点，最先用于航空航天领域。低等优点，最先用于航空航天领域。Ni-Al系、系、Fe-Al系等金系等金属间化合物早已用于一般