哈工大崔忠圻老师金属学与热处理课件-绪论

《金属学与热处理A》《Metallographyandheat-treatment》多媒体教学课件•课时：56•教材：《金属学与热处理》，崔忠圻§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？（1）金属的性质*高的导电性和导热性；*金属光泽；*良好的延展性(塑性)；*不透明绪论即：具有正的电阻温度系数。***电阻随温度升高而升高——金属与非金属的本质差别ρt=ρ0(1+αΔT)ρT非金属金属——某些纯金属在绝对零度附近的超导电性(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。试用金属键模型解释：→→金属特性(3)金属中原子的结合方式在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子,所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有,所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用而使金属原子结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为金属键。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、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举例：σb(MPa)铝合金400～600铜合金600～70040钢(退火态)50040钢(调质态)800性能取决于什么因素呢？①化学成分不同，性能不同纯铝40纯铜60纯铁200②化学成分相同，处理方式不同，性能不同0.8℅C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提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的化学成分，另一方面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金属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。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。四参考文献：(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,2001三要求：一、金属材料性能的种类§2金属材料力学性能金属材料加工过程：冶炼→铸造铸锭板棒型管焊接机加工冷轧冷拔深冲锻件铸件机加工：车、铣、刨、磨零件或构件热轧→热锻→工艺性能使用性能故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)；2工艺性能：──材料制备、加工过程中所表现的～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：工程材料在外力作用下所反应出来的性能——又称机械性能主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等强度与塑性的测定——借助应力应变曲线结构材料最重要、最基本的性能应力:σ=P/A0(MPa)应变:ε=ΔL/L1=(L1-L0)/L01应力应变曲线——拉伸实验测定变形三阶段：(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ε应力σ低碳钢应力应变曲线(1)弹性变形: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%主要性能指标：弹性极限σe：保持弹性变形的最大应力，MPa弹性模量E：σ=E·ε(2)塑性变形:应力撤消后,变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。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σsσb塑性变形中的重要指标:承受的应力大小：断裂前塑性变形量的大小:抗拉强度(σb):抵抗最大均匀塑性变形的应力值屈服强度(σs):抵抗微量塑性变形的应力值断后伸长率(δ)、断面收缩率(ψ)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～。1弹性极限(σe)：规定弹性极限σr0.012屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的应力值(σs),Mpa。(1)实质是抵抗微量塑性变形的抗力。(2)无明显屈服现象时采用条件屈服极限σ0.2┗规定残余伸长率为0.2%时对应的应力值σsσ0.2σbσbσe低碳钢与铸铁的应力应变曲线断裂与塑性变形是材料失效的形式3抗拉强度：材料在破断前所承受的最大应力值（σb）,Mpa。——产生最大均匀塑性变形的抗力。┗存在颈缩现象——不均匀塑性变形注意：塑性变形中:σsσσb4屈强比（σs/σb）：0.6~0.85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工程设计中：塑性材料：┗选σs或σ0.2作为极限应力σ0：工作应力σ≤许用应力［σ］＝σ0/n安全系数n=1.5~2脆性材料：┗常选σb作为极限应力σ0：工作应力σ≤许用应力［σ］＝σ0/nn2（二）塑性材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。(1)伸长率（δ）：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比;δ=(L断后-L原始)/L原始×%=ΔL/L0×%(2)断面收缩率（ψ）：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比.ψ=(A原始-A断后)/A原始×%=ΔA/A0×%——δ、ψ越高，材料的塑性越好通常ψ5%→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(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、灰口铸铁等布氏硬度(HB)通常碳素钢：σb＝αHB——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：维氏硬度：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硬度表示方法：HBS200HBW400HRA55HRB30HRC45HV900HV1100F↓（四）韧性当加载速度极快时，不能用静载荷下的σs、σb作失效判据。1引入冲击韧性(αk):材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力～——用破坏材料时所消耗的功衡量,——是强度与塑性的综合指标σ↑，δ↑，αk↑；σ↓↓或δ↓↓，αk↓αk=Ak/s金属的αk与温度直接相关：（1）T↓，αk↓（2）存在韧脆转变温度Tk：当TTk时，金属为脆性状态αk↓↓脆性区韧性区IyK3cos(1sinsin)2222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σ、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)aY(KaKII＝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一、金属材料：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)§3工程材料的分类二、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、Si3N4CaTiO3、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离子键为主——硬度高、脆普通陶瓷：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——陶瓷增韧三、高分子材料：有机合成材料、聚合物┗大分子化合物：共价键、分子键较高强度、良好的塑韧性、较强的耐腐蚀性、优良的绝缘性——工程塑料、合成纤维、合成橡胶四、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料目前非金属材料的应用：5%~6%——金属材料仍是最主要的工程材料思考题1简述本课程的主要内容以及本课程的基本任务；2金属材料的性能与哪三大因素有关，提高材料性能的两条主要途径是什么？3材料的性能包括哪两个方面？说明下列符号所表示的意义及量纲：σe、σs、σb、σ0.2、δ、ψ、ak、HB、HRC、Hv；4什么是强度？塑性？硬度？韧性？