第1章 绪论与材料的性能

材料科学与工程学院侯清宇本科生课程金属学与热处理第1章绪论及金属的性能1/38教学要求：1、介绍材料科学及金属材料的地位与作用；2、介绍课程的性质和内容；3、介绍金属力学性能及测试方法。目标：了解金属的力学性能及其测试方法。

重点：金属的力学性能及其测试方法。学时：共2学时。人类社会的发展取决于以劳动工具为代表的生产力的发展。劳动工具的进步又离不开材料的发展。1、材料指人类能用来制作有用物件的物质。2、材料科学与工程材料科学：主要研究材料的设计与制备、组织结构与材料性能的基础关系。材料工程：研究如何将材料加工成构件。一、材料科学的重要地位与作用2/38材料科学是科学技术发展的基础，也是工业生产的支柱，工业应用以工程材料为主。工程材料：指工程上使用的各种材料。具有一定性能在特定条件下能够承担某种功能被用于制取零件和原件3/383、工程材料的分类(1)按化学成分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料；(2)按使用性能：结构材料、功能材料。

结构材料：以强度、塑性、韧性等力学性能为性能指标，用来制造承受载荷、传递动力的零件和构件，并兼一定物理、化学性能的工程材料。

功能材料：指具有特异物理化学性质的工程材料，如超导材料、激光材料、半导体材料、储能材料等。4/38确立两个关系：性能与成分、组织结构间的关系；组织结构与成分和加工工艺间的关系材料科学与工程的主要任务合成与工艺材料成为工业产品的桥梁化学成分最本质因素性能材料应用的基础组织结构最直接因素改变材料的化学成分改进材料的合成与工艺。5/38二、材料科学与工程的四要素提高材料性能的途径6/381、化学成分：组成材料的各元素及其其浓度。Composition2、组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属材料内部的情景。Microstructure

低倍组织/宏观组织：肉眼或几十倍放大镜观察到的组织。质量检验的第一步高倍组织/显微组织：放大100∼2000倍的组织。性能研究的必经途径——一般用光学显微镜精细组织/电镜组织：在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织。强韧化机制研究的必经途径——一般用扫描电镜或透射电镜7/38钢的宏观组织、显微组织和电镜组织。钢锭的宏观组织显微组织电镜组织8/383、结构：材料中各原子的具体组合状态。可通过X-射线衍射或透射电镜研究。StructureAl的高分辨透射电镜像纯Al的透射电镜衍射斑点纯Al的X-射线衍射9/38SEM5nmTEM

Optical实际关心的是性能，其取决于哪些因素呢?10/38(1)化学成分不同，性能不同。

材料抗拉强度，MPa延伸率，%退火纯铝80~10032-40退火纯铜200-24045-50退火纯铁250-33025-55(2)化学成分相同，处理方式不同，性能不同。金属学研究的内容

0.8%C的钢锯条加热到800oC并保温：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90o不断。热处理研究的内容

11/38三、课程性质、任务及目的1、课程性质与考试形式

专业基础课—共56学时。闭卷考试—百分制。2、本课程的主要任务研究金属与合金的化学成分、组织结构、合成与工艺和性能及其之间关系与变化规律。┗课程体系包括金属学、金属热处理、金属材料学、金属力学性能等。12/383、本课程的目的利用材料科学与工程四要素之间的关系及影响规律进行科学研究指导生产实践

研制新合金材料13/38铁碳相图4绪论及金属的力学性能1金属与合金的结构2金属与合金的结晶与相图35工业用钢及铸铁6钢的热处理原理与工艺四、课程的主要内容绪论及第1章第2章第3-4章第5章第10章第11-12章金属学热处理金属材料学14/38平时成绩与考试相结合。不出勤或不完成作业占比达30%及以上者失去考试资格。总成绩考勤作业+实验考试100%20%10%70%五、考核方式●《金属学与热处理》崔占全等北京大学出版社●《金属学与热处理》崔忠圻机械工业出版社六、主要参考书目15/38教师：侯清宇

电话/p>

QQ：757692596七、个人相关16/38第1章金属的性能17/38使用性能：指金属材料制成零件后为保证其正常工作及一定使用寿命应具备的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：指金属在加工成零件或构件过程中应具备的适应加工的性能。包括冶炼性能、铸造性能、锻压性能、切削加工性能、焊接性能及热处理工艺性能等。例如九江长江大桥15MnVN钢的焊接性1、金属材料的地位金属的性能决定了其尚无法被非金属材料等所取代。桥梁钢种主跨综合性能武汉长江大桥1956年碳素结构钢A3—Q235128m一定的强度和塑形，焊接性良好。南京长江大桥1968年低合金高强度结构钢16Mnq—Q345160m强度较高，良好的综合力学性能和焊接性。九江长江大桥1992年低合金高强度结构钢15MnVNq—Q420216m强度更高，良好的综合力学性能和焊接性能。芜湖长江大桥2000年低合金高强度结构钢14MnNbq—Q390312m强度较高，良好的综合力学性能，屈强比高，焊接性能优良。马鞍山长江大桥2013年低合金高强度结构钢?1080m强度更高，良好的综合力学性能和焊接性能。18/38使用性能是保证能不能使用；工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。

两者有时是一致的，有时互相矛盾。690MPa级的大型舰船要求：强韧性、淬透性和焊接性均好。采用06MnNiCuNb时效厚板焊接。为什么采用超低碳？合金元素的作用？T10碳素工具钢用于制作锯条：要求强度和硬度高，耐磨性好。

为什么采用高碳？19/3820/382、金属材料的变形五万吨水压机在外力作用下发生的形状和尺寸变化称为变形。外力去除后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去除后不能恢复的变形称为塑性变形。与其力学性能密切相关21/38§

1.1金属的力学性能如何获得力学性能-静载下，一般采用拉伸试验。22/38拉伸试样23/38拉伸应力作用下的变形过程一般可分为四个阶段：弹性变形、不均匀屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形。屈服：应力几乎不增加但应变增加的现象。一、应力-应变曲线e应力-应变曲线应力σ：单位面积上试样承受的载荷。应变ε：单位长度的伸长量。应力-应变曲线：σ-

ε曲线。退火低碳钢低、中回火钢淬火钢及铸铁中碳调质钢有些材料没有明显的屈服现象。24/38在同一张图中画出退火低碳钢-中碳钢-高碳钢应力-应变曲线25/38弹性变形：外力去除后可以恢复的变形。指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。弹性模量E：标志材料抵抗弹性变形的能力，表示材料的刚度，符合胡克定律。弹性模量的大小主要取决于原子本性与晶格类型，除随温度升高而逐渐降低外，其它强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件或构件的刚度—构件刚度AE与材料刚度E。二、弹性与刚度e应力-应变曲线26/381、强度：材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。屈服强度s：材料对微量塑性变形的抗力，是零件设计的主要依据。抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力，零件设计和评定材料的重要指标。三、强度和塑性条件屈服强度0.2：残余变形量为0.2%时的应力值。27/382、塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。指标为伸长率δ和断面收缩率ψ。

上述两值越大，材料的塑性越好。用断面收缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。28/38硬度：指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。是材料力学性能的一个综合物理量。常用压入法测量硬度值。主要有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度（HV）等。四、硬度1、布氏硬度：用直径D的淬火钢球或硬质合金球，在一定压力P下，将钢球垂直地压入金属表面，并保持压力到规定的时间后卸荷，测压痕直径d。29/38布氏硬度计压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在450~650的材料。30/38布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适用范围：相对较软的材料，如退火、正火、调质钢件；有色金属；有粗大晶粒或粗大组成相的材料，如灰铸铁和轴承合金等。2、洛氏硬度：用金刚石圆锥或淬火钢球作压头，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ，可在洛氏硬度计上直接读出。h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计

(1)施加预应力F0，得到表面到压痕底部的深度h0；(2)施加主应力F，得到表面到压痕底部的深度h1；(3)用压痕深度h=h1-h0表征洛氏硬度值，越大，硬度越低。为照顾习惯上数值越大硬度越高的概念，一般用常数k减去h，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，则其计算公式为：

金刚石圆锥时k=0.2mm，淬火钢球时k=0.26mm。31/38布氏硬度与洛氏硬度的比较：

洛式硬度压痕小，测量值有局部性，须测数点求平均值，精度差，波动大。适用于成品和薄片，归于无损检测一类；

布式硬度压痕较大，测量值准，不适用成品和薄片，一般不归于无损检测一类。硬度与强度之间的关系：实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。一般而言，材料的强度越高，硬度值也就越高。32/38常用洛氏硬度及其应用布氏硬度不适于检测高硬度材料，洛氏硬度虽可实现不同硬度测量，但不同标尺的洛氏硬度不能相互直接比较。怎么办？33/38维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度计3、维氏硬度：一种以正四棱锥金刚石为压头的硬度测量方法。压头的两个相对面间的夹角为136O，硬度值定义与布氏硬度相同，但压痕形状为四棱锥，用测量压痕对角线的平均长度来计算压痕面积及硬度值-统一标尺，由软到硬均可测量。可根据试样大小和厚薄等选择试验力。可测表面渗层。34/38韧性：材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性。五、冲击韧性35/38开缺口时，有U型缺口和V型缺口。一般采用冲击吸收功Ak来衡量材料冲击韧性的大小。冲击吸收功：摆锤冲断试样时失去的动能，为试样变形和断裂所消耗的功。36/38§

1.2金属的化学性能

耐蚀性能：金属材料在常温下抵抗氧化、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力。

抗氧化性能：金属材料在