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：96 （实验（实验 10 学时）学时）授课对象：授课对象：材料成型与控制专业材料成型与控制专业教教 材：材：金属学与热处理金属学与热处理崔忠圻崔忠圻授课学院：授课学院：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 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？绪论绪论*高的导电性和导热性高的导电性和导热性 *金
2、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（1）金属的性质）金属的性质*正的电阻温度系数正的电阻温度系数 即：具有即：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 t=0(1+T)某些纯金属在绝对零度附近某些纯金属在绝对零度附近的超导电性的超导电性金属与非金属的本质差别金属与非金属的本质差别(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具有正的电阻温度系数的物质的物质合金定义：一种金属元素合金定义：一种金属元素与另一种与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的法结合而
3、成的具有金属特性具有金属特性的物质的物质 金属晶体中原子金属晶体中原子结合方式为结合方式为金属键金属键试用金属键模型解释试用金属键模型解释金属特性金属特性(3)金属中原子的结合方式金属中原子的结合方式非金属中：非金属中：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、具方向性结合键极强、具方向性很高硬度、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、加加工工艺工工艺、组织结构组织结构和和性能四要素性能四要素及四及四要素之间的关系与变化规律要素之间的关系与变化规律 此亦为材料科学的研究内
4、容此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是性能实际中我们最关心的是性能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)800 举例：举例：b(MPa)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 0.8C 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
5、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 即内部组织结构不同即内部组织结构不同金刚石与石墨的空间原子排列金刚石与石墨的空间原子排列金刚石的空间原子排列金刚石的空间原子排列石墨的空间原子排列石墨的空间原子排列提高材料性能的主要途径提高材料性能的主要途径 一改变材料的一改变材料的化学成分化学成分，二改进材料的，二改进材料的生产工生产工艺艺，进而改变材料内部的组织结构与性能，进而改变材料内部的组织结构与性能*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
6、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层次的结构（2）晶体结构）晶体结构原子在空间的排列方式原子在空间的排列方式合金相形貌合金相形貌多晶体结构多晶体结构 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观察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
7、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 学习目的学习目的 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）研制新合金材料磁悬浮列车磁悬浮列车 材料科学渗透各个领域材料科学渗透各个领域斜拉索桥斜拉索桥航空母舰与航天飞机航空母舰与航天飞机神七飞船神七飞船神舟七号飞船成功问鼎苍穹神舟七号飞船成功问鼎苍穹高校科技功不可没高校科技功不可没 n哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 舱外航天服低压试验舱的研
8、制舱外航天服低压试验舱的研制n郑州大学郑州大学太空出舱头盔面窗的研制太空出舱头盔面窗的研制n东华大学东华大学n宇航员的生活设施装备等的研制宇航员的生活设施装备等的研制n上海海洋大学上海海洋大学n飞船返回舱海上应急打捞网的研制飞船返回舱海上应急打捞网的研制形状记忆合金在宇航上的应用形状记忆合金在宇航上的应用钢铁产品钢铁产品材料微观结构研究（一）材料微观结构研究（一）微米与纳米尺度组织形貌微米与纳米尺度组织形貌150001000050000Intensity80706050403020102 /deg.材料微观结构研究（二）材料微观结构研究（二）X射线衍射物相结构分析射线衍射物相结构分析材料微观结
9、构研究材料微观结构研究材料微观研究材料微观研究材料微观研究材料微观研究材料微观研究材料微观研究二、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：第十一章第十三章第十三章(1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与掌握金属材料的
10、基本概念、基本理论与基本实验方法基本实验方法(2)掌握金属材料的掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、成分、组织结构、工艺、性能间关系性能间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，主要是了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法金相分析方法三三 要求要求(1)材料科学基础，西安交通大学，石德珂材料科学基础，西安交通大学，石德珂(2)工程材料，朱张校，清华大学出版社，工程材料，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，2001四四 参考文献参考文献注意：其它参考资料、课程辅导资料以及习题解答注意：其它参
11、考资料、课程辅导资料以及习题解答等电子版图书参见安工大本课程精品课程网等电子版图书参见安工大本课程精品课程网材料性能包含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(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)一、金属材料性能的种类一、金属材料性能的种类2 金属材料力学性能金属材料力学性能2 工艺性能工艺性能材
12、料制备、加工过程中所表现的性能材料制备、加工过程中所表现的性能 铸造性能铸造性能（流动性、收缩、偏析等（流动性、收缩、偏析等)压力加工性能压力加工性能、冷加工性能冷加工性能 锻造性能等锻造性能等；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：强度、塑性、硬度、韧性等结构材料最重要、最基本的性能结构材料最重要、最基本的性能力学性能：工程材料在外力作用下所反应出力学性能：工程材料在外力作用下所反应出来的性能来的性能 应力应力:=P/A0 (MPa)应变应变:=L/L1 =(L1-L0)
13、/L01 应力应变曲线及简要分析应力应变曲线及简要分析 强度与塑性的测定主要借助应力应强度与塑性的测定主要借助应力应变曲线变曲线 拉伸实验测定拉伸实验测定断裂与塑性变形是材料失效的形式断裂与塑性变形是材料失效的形式 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变曲线曲线分析简要应力应变曲线曲线分析简要低碳钢应力应变曲线低碳钢应力应变曲线特点特点：应力撤消后，变形消失：应力撤消后，变形消失 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
14、%(1)弹性变形弹性变形主要性能指标主要性能指标弹性模量弹性模量E：=E (2)塑性变形塑性变形特点特点(1)变形具永久性、不可逆性变形具永久性、不可逆性(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 应力撤消后，应力撤消后，变形仅变形仅部分消失，存在残余、永久部分消失，存在残余、永久性的变形性的变形塑性变形塑性变形抵抗各类变形的能力抵抗各类变形的能力强度指标强度指标发生永久变形的能力发生永久变形的能力塑性指标塑性指标塑性变形中的重要指标塑性变形中的重要指标ReH0.2RmRmRP低碳钢与铸铁
15、的应力应变曲线低碳钢与铸铁的应力应变曲线三、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强度材料抵抗变形或断裂的能力称为强度 1 弹性变形阶段弹性变形阶段：规定非比例延伸强度规定非比例延伸强度RP (proof strength,non-proportional extension)例如例如RP0.22 塑性变形中的重要指标塑性变形中的重要指标（3）规定总延伸强度规定总延伸强度(Rt)(proof strength,total extension):例例Rt0.2(4)规定残余延伸强度规定残余延伸强度(R：permanent set):例例R0.2（1）上屈
16、服强度上屈服强度(ReH：upper yield strength)（2）下屈服强度下屈服强度(ReL：lower yield strength)抵抗微量塑性变形的应力值抵抗微量塑性变形的应力值Rm：材料在破断前所承受的最大应力值：材料在破断前所承受的最大应力值（1）是产生最大均匀塑性变形的抗力）是产生最大均匀塑性变形的抗力 均匀变形后当存在颈缩现象，即不均匀变形后当存在颈缩现象，即不均匀塑性变形，材料集中变形，并导致均匀塑性变形，材料集中变形，并导致迅速断裂迅速断裂（2）塑性加工中需控制轧制力：）塑性加工中需控制轧制力：ReL Rm(5)抗拉强度抗拉强度(tensile strengthRm
17、)ReL/Rm：0.60.85屈强比高，强度利用率高屈强比高，强度利用率高屈强比低，安全性高屈强比低，安全性高综合考虑材料利用率和安全性综合考虑材料利用率和安全性(6)屈强比屈强比（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)断后伸长率断后伸长率（A）：试样拉断后标距的）：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比增长量与原始标距长度之比 A=(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（Z）试样拉断处横截面积的缩减量试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比与原始横截面积之比 Z=(S原始原始-S断后断后)/
18、S原始原始%=S/S0%Z、A越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好 通常通常Z 5%脆性材料脆性材料 塑性的意义：塑性的意义：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，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 例如：例如：Rm HB硬度种类硬度种类（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
19、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)测定材料内部微区的测定材料内部微区的相、组织的硬度相、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、灰口铸铁等较软材料：有色金属、灰口铸铁等通常碳素钢：通常碳素钢：Rm HB 布氏硬度布氏硬度(HB)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0.26mm0.002mm:一个洛氏硬度一个洛氏硬度单位单位适合测量的材料适合测量的材料
20、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 压痕单位表面积上所承压痕单位表面积上所承受的平均压力值受的平均压力值金刚石正四棱锥体压头金刚石正四棱锥体压头 另：维氏显微硬度另：维氏显微硬度F维氏硬度维氏硬度其它硬度测试方法其它硬度测试方法 里氏硬度里氏硬度 努氏硬度等努氏硬度等 硬度表示：硬度表示：HBS200 HBW400 HRA55 HRB30 HRC45 HV900 等等（四）韧性（四）韧性当加载速度极快时，不能用静载荷当加载速度极快时，不能用静载荷下的下的s、b作失效判据，引入作失效判据，引入1 冲
21、击韧性冲击韧性(k)：材料在：材料在冲击载荷冲击载荷作用下作用下抵抗破坏的能力抵抗破坏的能力k =Ak/s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金属的金属的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，时，金属为脆性状态，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KIc裂纹尖端产生应力集中裂纹尖端产生应力集中应力被放大应力被放大 当当、a达到某临界值时达到某临界值
22、时,裂纹失稳扩展，裂纹失稳扩展，此时的此时的KI称为称为断裂韧度断裂韧度KIc 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引入应力场强度因子引入应力场强度因子)aY(K aKII应力大小应力大小裂纹尺寸裂纹尺寸裂纹形状裂纹形状工程材料：工程材料：制造工程构件和机械零件、工制造工程构件和机械零件、工具、特殊性能材料具、特殊性能材料(耐蚀、耐高温耐蚀、耐高温)分类分类：按原子间结合键的性质分为金属材：按原子间结合键的性质分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料等合材料等3 工程材料的分类工程材料的分类黑色金属黑色金属：铁和以铁为基的合金：铁和以
23、铁为基的合金 纯铁、钢、铸铁、铁合金纯铁、钢、铸铁、铁合金 占工程材料的占工程材料的90有色金属有色金属：黑色金属以外所有金属、合金：黑色金属以外所有金属、合金 轻金属、难熔金属、贵金属等轻金属、难熔金属、贵金属等 金属键金属键(过渡金属含少量共价键过渡金属含少量共价键)一、金属材料一、金属材料二、二、陶瓷材料陶瓷材料陶瓷定义：由一种或多种金属元素陶瓷定义：由一种或多种金属元素(含半含半金属元素如金属元素如Si等等)同一种非金属元素形同一种非金属元素形成的化合物成的化合物 CaO、TiO2、Al2O3、SiC、Si3N4 CaTiO3、MgAl2O4、传统：硅酸盐类材料传统：硅酸盐类材料现今：
24、各种无机非金属材料的统称现今：各种无机非金属材料的统称不含碳氢氧结合的化合物不含碳氢氧结合的化合物普通陶瓷普通陶瓷：硅、铝氧化物的硅酸盐材料：硅、铝氧化物的硅酸盐材料特种陶瓷特种陶瓷：高熔点的氧化物、碳化物、：高熔点的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物等的烧结材料氮化物、硅化物等的烧结材料金属陶瓷金属陶瓷：金属与碳化物或其他化合物：金属与碳化物或其他化合物的粉末冶金制品的粉末冶金制品发发 展：纳米技术展：纳米技术陶瓷增韧陶瓷增韧离子键为主离子键为主硬度高、脆硬度高、脆 指有机合成材料、聚合物等指有机合成材料、聚合物等 通常指大分子化合物，同时具有通常指大分子化合物，同时具有共共价键和分子键等价键和
25、分子键等，拥有较高强度、良好，拥有较高强度、良好的塑韧性，以及较强的耐腐蚀性、优良的塑韧性，以及较强的耐腐蚀性、优良的绝缘性等的绝缘性等 工程塑料、合成纤维、合成橡胶工程塑料、合成纤维、合成橡胶三、高分子材料三、高分子材料四、复合材料四、复合材料 金属基复合材料、非金属基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：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金属材料仍是最主要的工程材料思考题思考题 1 简述本课程的主要内容以及本课程的基本任务；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？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：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？
