1、金属学与热处理金属学与热处理A Metallography and heat-treatment 多媒体教学课件多媒体教学课件课课 时时： 4848 教教 材：材：金属学与热处理金属学与热处理，崔忠圻，崔忠圻 1 课程研究的对象、目的及要求课程研究的对象、目的及要求 一一 研究对象、任务和目的研究对象、任务和目的 1 研究的对象研究的对象 金属和合金。金属和合金。 什么是金属？什么是合金？什么是金属？什么是合金？ （1）金属的性质）金属的性质 * 高的导电性和导热性；高的导电性和导热性； * 金属光泽；金属光泽； * 良好的延展性良好的延展性(塑性塑性)； * 不透明不透明绪论绪论 即：具有即
2、：具有正的电阻温度系数正的电阻温度系数。* * *电阻随温度升高而升高电阻随温度升高而升高 金属与非金属的本质差别金属与非金属的本质差别 t=0 (1+T)T非金属非金属金属金属 某些纯金属在绝某些纯金属在绝对零度附近的超导电对零度附近的超导电性性(2) (2) 金属与合金的定义金属与合金的定义金属定义：金属定义：具有正的电阻温度系数的物质。具有正的电阻温度系数的物质。合金定义：合金定义：一种金属元素一种金属元素与另一种或几种其与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有具有金属特性金属特性的物质。的物质。 试用金属键模型解释：试用金属键模型解释：
3、金属特性金属特性(3) (3) 金属中原子的结合方式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在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子成为正离子, 所有价电子成为自由电子并为所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有整个原子集团所公有, 所有自由电子围绕所所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在浸在电子云中，并依靠与自由电电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用而使金属子之间的静电作用而使金属原子结合起来形成金属晶体。原子结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为这种原子结合方式称为金属金属键。键。非金属中：非金属中
4、：离子键、共价键离子键、共价键等等结合键强结合键强, 具饱和性具饱和性较高硬度较高硬度结合键极强、方向性结合键极强、方向性很高硬度、无塑性很高硬度、无塑性2 本课程的主要任务：本课程的主要任务： 研究金属与合金的研究金属与合金的化学成分化学成分、加工工艺加工工艺、组织结构组织结构和和性能四要素性能四要素及四要素之间的关系及四要素之间的关系与变化规律。与变化规律。 此亦为材料科学的研究内容此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是实际中我们最关心的是性能性能 举例：举例： b(MPa)铝合金铝合金 400600铜合金铜合金 60070040钢钢(退火态退火态) 50040钢钢(调质态调质态)
5、 800性能取决于什么因素呢？性能取决于什么因素呢？ 化学成分不同，性能不同化学成分不同，性能不同 纯铝纯铝 40 纯铜纯铜 60 纯铁纯铁 200 化学成分相同，化学成分相同，处理方式处理方式不同，性能不同不同，性能不同0.8CC 的钢锯条的钢锯条800，冷却方式不同，冷却方式不同 一根出炉后一根出炉后水冷水冷，性，性硬而脆硬而脆，一弯就断；，一弯就断； 另一根随炉另一根随炉缓慢冷却缓慢冷却，性软性软，弯曲，弯曲90 不断。不断。 又如：又如： 石墨和金刚石均由碳原子构成，石墨和金刚石均由碳原子构成， 但性能迥异。但性能迥异。 原因：碳原子的空间排列方式不同原因：碳原子的空间排列方式不同 即
6、内部组织结构不同即内部组织结构不同提高材料性能的主要途径提高材料性能的主要途径： 一方面改变材料的一方面改变材料的化学成分化学成分，另一方面，另一方面改进材料的改进材料的生产工艺生产工艺，进而改变材料内部的，进而改变材料内部的组织结构与性能。组织结构与性能。*材料科学研究的材料科学研究的四要素四要素及相互关系线：及相互关系线： 性性 能能Performance加工工艺加工工艺Process化学成分化学成分Composition组织结构组织结构Construction内因内因外因外因 （1）原子结构）原子结构：取决于取决于原子种类原子种类什么是组织结构？什么是组织结构？材料不同层次的结构材料不同
7、层次的结构（2）晶体结构）晶体结构：原子在空间的排列方原子在空间的排列方式式合金相形貌合金相形貌金属多晶体结构金属多晶体结构 显微组织显微组织（3）组织结构（显微组织）组织结构（显微组织）： 在不同放大倍数放大镜、显微镜下观察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到的金属的内部形貌1 原子种类原子种类;2 内部原子排列的方式内部原子排列的方式;3 合金元素的存在方式合金元素的存在方式;4 内部不同尺度的各种结构缺陷内部不同尺度的各种结构缺陷 材料的组织结构取决于材料的组织结构取决于:3 目的目的 利用上述四要素关系和规律：利用上述四要素关系和规律：（1）进行科学研究；）进行科学研
8、究；（2）指导生产实践；）指导生产实践；（3）研制新合金材料。）研制新合金材料。二、本课程内容二、本课程内容 1 金属材料科学研究内容：金属材料科学研究内容： 成分、组织结构、工艺、性能成分、组织结构、工艺、性能 其课程体系：其课程体系： 金属学、金属热处理、金属材料学、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金属性能、材料分析技术与方法等 2 本课程主要内容本课程主要内容: 金属学：金属学： 第一第一 第八章第八章 金属热处理金属热处理：第九：第九 第十章第十章 金属材料学金属材料学：第十一章：第十一章 第十第十一一章章 (1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实
9、验掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法；方法；(2)掌握金属材料的掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性能间成分、组织结构、工艺、性能间关系关系的一般规律；的一般规律；(3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。方法。四四 参考文献：参考文献：(1)材料科学基础材料科学基础, 西安交通大学西安交通大学, 石德珂石德珂(2)工程材料工程材料, 朱张校，清华大学出版社朱张校，清华大学出版社, 2000 (3)工程材料工程材料, 丁厚福，武汉理工大学出版社丁厚福，武汉理工大学出版社, 2001三三 要求要求：2 金属材料力学性能金属材料力
10、学性能一、金属材料性能的种类一、金属材料性能的种类 金属材料加工过程：金属材料加工过程： 冶炼冶炼铸造铸造铸锭铸锭板棒型管板棒型管焊接焊接机加工机加工冷轧冷冷轧冷拔拔深冲深冲锻件锻件铸件铸件机加工：机加工：车、铣、刨、车、铣、刨、磨磨零零件件或或构构件件热轧热轧热锻热锻工艺性能工艺性能使用性能使用性能故材料性能包含故材料性能包含使用性能使用性能与与工艺性能工艺性能两方面：两方面：1 使用性能使用性能 ：在使用条件下所表现的性能：在使用条件下所表现的性能 力学性能力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等强度、硬度、塑性、韧性等)； 物理性能物理性能（光、电、磁等）；（光、电、磁等）； 化学性能化学性能
11、 (抗氧化性、抗腐蚀性等抗氧化性、抗腐蚀性等)； 其它性能其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等耐磨性、热硬性、消振性等)；2 工艺性能：工艺性能： 材料制备、加工过程中所表现的材料制备、加工过程中所表现的 铸造性能铸造性能（流动性、收缩、偏析等（流动性、收缩、偏析等)； 压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等； 切削加工性；切削加工性； 焊接性；焊接性； 热处理性能；热处理性能； 等等等等二、力学性能：二、力学性能： 工程材料在外力作用下所反应出来的性能工程材料在外力作用下所反应出来的性能 又称机械性能又称机械性能 主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等主要包括：
12、强度、塑性、硬度、韧性等强度与塑性的测定强度与塑性的测定借助应力应变曲线借助应力应变曲线结构材料最重要、最基本的性能结构材料最重要、最基本的性能应力应力: = P/A0 (MPa)应变应变: = L/L1 =(L1-L0)/L01 应力应变曲线应力应变曲线 拉伸实验拉伸实验测定测定 变形三阶段：变形三阶段： (1) 弹性变形弹性变形、 (2) 塑性变形塑性变形、 (3) 断裂断裂弹性变形弹性变形塑性变形塑性变形断裂断裂 低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线应变应变应力应力低碳钢应力应低碳钢应力应变曲线变曲线(1) 弹性变形弹性变形:特点特点： 应力撤消后应力撤消后, 变形消失；变形消失；
13、应力与应变成正比关系；应力与应变成正比关系； 总变形量很小：总变形量很小：1% 主要性能指标主要性能指标： 弹性极限弹性极限e ：保持弹性：保持弹性变形的最大应力，变形的最大应力，MPa 弹性模量弹性模量E： =E(2 ) 塑性变形塑性变形: 应力撤消后应力撤消后, 变形仅部分变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。消失，存在残余、永久性的变形。特点：特点：(1)变形具永久性、不可逆变形具永久性、不可逆性性(2)应力与应变非正比关系；应力与应变非正比关系；(3)变形量较大变形量较大可以塑性加工的原因可以塑性加工的原因残余残余变形量变形量弹性弹性变形量变形量sb塑性变形中的重要指标塑性变形中的重
14、要指标: 承受的应力大小：承受的应力大小： 断裂前塑性变形量的大小断裂前塑性变形量的大小: 抗拉强度抗拉强度(b): 抵抗最大均匀塑性变抵抗最大均匀塑性变形的应力值形的应力值屈服强度屈服强度(s): 抵抗微抵抗微量塑性变形的应力量塑性变形的应力值值断后伸长率断后伸长率()、断面收缩率、断面收缩率( )三、力学性能及指标三、力学性能及指标（一）（一）强度强度 材料抵抗变形或断裂的能力称为。材料抵抗变形或断裂的能力称为。1 弹性极限弹性极限(e ) ：规定弹性极限：规定弹性极限r0.012 屈服强度屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的：材料开始发生明显塑性变形时的应力值应力值 (s ), Mpa
15、 。 (1) 实质是实质是抵抗微量塑性变形的抗力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无明显屈服现象时采用条件屈服极限0.2 规定残余伸长率为规定残余伸长率为0.2%时对应的应力值时对应的应力值s0.2bbe 低碳钢与铸铁的应力应变曲线低碳钢与铸铁的应力应变曲线 断裂与塑性变形是材料断裂与塑性变形是材料失效的形式失效的形式3 抗拉强度抗拉强度：材料在破断前所承受的最大应：材料在破断前所承受的最大应力值（力值（ b ） , Mpa 。 产生最大均匀塑性变形的抗力。产生最大均匀塑性变形的抗力。 存在颈缩现象存在颈缩现象不均匀塑性变形不均匀塑性变形注意：注意： 塑性变形中
16、塑性变形中: s 2 （二）塑性（二）塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。 (1) 伸长率伸长率（ ）：试样拉断后标距的增长量与）：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比原始标距长度之比; = (L断后断后-L原始原始)/ L原始原始%=L / L0 % (2) 断面收缩率断面收缩率（ ）：试样拉断处横截面积）：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比的缩减量与原始横截面积之比. = (A原始原始- A断后断后)/ A原始原始%=A / A0 % 、越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好 通常通常 5% 脆性材料脆性材料 塑性的意义：塑性的意义
17、： 成形成形 安全安全（三）硬度（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。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衡量材料软硬程度的指标 硬度与强度间存在一定关系硬度与强度间存在一定关系(1) 布氏硬度布氏硬度(HB)较软材料较软材料有色金属有色金属 (2) 洛氏硬度洛氏硬度(HR)硬度中等硬度中等钢铁材料钢铁材料 具体：具体：HRA、HRB、HRC 其中其中HRC：软硬范围较宽，应用最广：软硬范围较宽，应用最广 (3)维氏硬度维氏硬度(HV) 较硬材料较硬材料(4)显微硬度显微硬度(HV) 测定材料内部
18、微区的相、组织的硬度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球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值值较软材料：有色金属、灰口铸铁等较软材料：有色金属、灰口铸铁等 布氏硬度布氏硬度(HB)通常碳素钢：通常碳素钢：bHB测定压痕深度测定压痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：注：h: 压痕深度压痕深度 k:常数，常数，0.2或或0.26mm;0.002mm: 一个洛氏硬一个洛氏硬度单位度单位适合测量的材料适合测量的材料HRA：硬质合金：硬质合金 ； HRC: 淬火钢淬火钢HRB: 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 洛氏硬度：洛氏硬度：维氏
19、硬度维氏硬度： 压痕单位表面积上压痕单位表面积上所承受的平均压力值所承受的平均压力值金刚石正四棱锥体金刚石正四棱锥体压头压头 硬度表示方法硬度表示方法：HBS200 HBW400HRA55 HRB30 HRC45HV900 HV1100F（四）韧性（四）韧性 当加载速度极快时，不能用静载荷下的当加载速度极快时，不能用静载荷下的 s、 b作失效判据。作失效判据。1 引入引入冲击韧性冲击韧性(k) : 材料在材料在冲击载荷冲击载荷作用作用下抵抗破坏的能力下抵抗破坏的能力用破坏材料时所消耗的功衡量用破坏材料时所消耗的功衡量,是强度与塑性的综合指标是强度与塑性的综合指标 ，k；或或，kk =Ak/s金
20、属的金属的k与温度直接相关：与温度直接相关：（1）T，k（2）存在韧脆转变温度）存在韧脆转变温度Tk ：当：当T Tk 时，金属为脆性状态时，金属为脆性状态k 脆性区脆性区韧性区韧性区IyK3cos (1 sin sin)2222当材料内部存在当材料内部存在裂纹裂纹缺陷时：缺陷时： 2 断裂韧度断裂韧度K KIcIc裂纹尖端产生应力集中裂纹尖端产生应力集中应力被放应力被放大大 当当、a a达到某临界值时达到某临界值时, ,裂纹失稳扩裂纹失稳扩展，此时的展，此时的K KI I称为称为断裂韧度断裂韧度K KIcIc 材料抵抗裂纹失稳扩展的性能材料抵抗裂纹失稳扩展的性能)aY(K aKII引入应力场强度因子：引入应力场强度因子：应力大小应力大小裂纹尺寸裂纹尺寸裂纹形状裂纹形状思考题思考题 1 简述本课程的主要内容以及本课程的基简述本课程的主要内容以及本课程的基本任务；本任务； 2 金属材料的性能与哪三大因素有关，提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？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？材料的性能包括哪两个方面？说明下列说明下列符号所表示的意义及量纲：符号所表示的意义及量纲： e、s、b、0.2、ak 、HB、HRC、Hv； 4 什么是强度？塑性？硬度？韧性？什么是强度？塑性？硬度？韧性？
