金属工艺学,第1章

工程材料及热加工工艺基础机电工程学院周玉梅[e-mail]第1章材料的种类与性能材料按化学组成（或基本组成）分类根据材料的性能分类材料按服役的领域来分类材料按结晶状态分类材料按尺寸分类1.1材料的种类1.金属材料2.无机非金属材料3.高分子材料（聚合物）4.复合材料材料按化学组成（或基本组成）分类ElementPeriodicTable元素周期表金属材料：金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料：可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。无机非金属材料无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前还没有统一完善的分类方法。一般将其分为传统的（普通的）和新型的（先进的）无机非金属材料两大类。高分子材料（高聚物Polymer）高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。按高分子材料来源分为天然高分子材料和合成高分子材料；按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。复合材料(Composite)复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成。复合材料是多相材料，主要包括基本相和增强相。基体相是一种连续相材料，它把改善性能的增强相材料固结成一体，并起传递应力的作用；增强相起承受应力（结构复合材料）和显示功能（功能复合材料）的作用。复合材料既能保持原组成材料的重要特色，又通过复合效应使各组分的性能互相补充，获得原组分不具备的许多优良性能。金属基复合材料陶瓷基复合材料树脂基复合材料MilitaryCommercialHelicoptersSpace复合材料的应用领域根据材料的性能分类结构材料是指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的材料。这种材料通常用来制造工具、机械、车辆和修建房屋、桥梁、铁路等。是人们熟悉的机械制造材料、建筑材料，包括结构钢、工具钢、铸铁、普通陶瓷、耐火材料、工程塑料等传统的结构材料（一般结构材料）以及高温合金、结构陶瓷等高级结构材料。功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。材料按服役的领域来分类电子信息材料：指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。信息材料主要包括信息的监测和传感（获取）材料、信息的传输材料、信息的存储材料、信息的运算和处理材料。能源材料：按使用目的不同分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。新能源材料包括增值堆用核材料、聚变堆材料、太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅等）；节能材料包括非晶体金属磁性材料（用作变压器铁芯的Fe-Mn-B-Si合金）和超导材料（Nb-Ti、Nb-Sn巨型磁体用材料）；储氢材料航空航天材料：主要包括新型金属材料（如先进铝合金、超高强度钢、高温合金、高熔点合金、铍及其合金）、烧蚀防热材料和新型复合材料。此外，还包括一些功能材料，如涂层材料、隔热材料、透明材料、阻尼材料、密封材料、润滑材料、粘合剂材料等生物材料：是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。医用金属及合金、陶瓷、高分子、复合材料电子信息材料Thefirstsolidstatetransistor(1947atBellLabs)Nd:YV04lasercrystalTheopticalfibercableintheforegroundhastheequivalentinformation-carryingcapacityofthecoppercableinthebackgroundMagneticmaterials能源材料HydrogentankofTOYOTAFCHV-3,fuelcellhybridvehicle,usesthealloyproposedbyETRI.Ni-Hbattery航天、航空材料555-seattwin-deck,four-aisle,Maximumtake-offweight(includingafullload):(617tons).flyadistanceofover10,000milesRolls-RoyceTrent900Engine生物材料DevelopmentofanartificialfingerjointfromHKUCustominplants,Innova,US材料按结晶状态分类单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的材料，如单晶纤维、单晶硅；多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。非晶态材料是由原子或分子排列无明显规律的固体材料，如玻璃、高分子材料。Singlecrystalsilicondiamond材料按材料的尺寸分类1.零维材料即超微粒子。通过Sol-gel法、多相沉积或激光等方法，可以制备出亚微米级的陶瓷或金属粉末，大小1—100nm的超微粒比表面积大（可作为高效催化剂）、比表面能高、熔点低、烧结温度下降、扩散速度快、强度高而塑性下降慢、电子态由连续能带变为不连续、光吸收也发生异常现象（可以成为高效微波吸收材料）。2.一维材料即纤维材料。如光导纤维由于其信息传输量远比铜、铅的同轴电缆大，而且光纤有很强的保密性，所以发展很快。再比如脆性块状材料在变成细丝后便增加了韧性，可以用来增强其它的块状。实用纤维为碳纤维、硼纤维、陶瓷纤维。3.二维材料即薄膜材料，如金刚石薄膜、高温超导薄膜、半导体薄膜。由于薄膜的电子所处状态和外界环境的影响，可表现出不同的电子迁移规律，完成特定的电学、光学或电子学功能，如成为绝缘体、铁电体、导体或半导体等，从而有可能作为光学薄膜用于非线性光学、光开关、放大或调幅、敏感与传感元件，用于显示或探测器，用于环保或表面改性的保护膜。4.三维材料即块状材料。1.2材料的力学性能一、弹性与刚度二、强度与塑性三、硬度四、冲击韧度五、疲劳强度六、断裂韧度材料在承受各种载荷时的行为（静载荷，动载荷，变载荷）各类材料的应力-应变行为应力=P/F0应变=(l-l0)/l0低碳钢的应力-应变曲线拉伸试样拉伸试验机pProportionallimit比例极限eElasticlimit弹性极限sYeildstrength(limit)屈服强度（极限）bTensilestrength抗拉强度kBreakingstrength断裂强度低碳钢的应力-应变曲线一、弹性和刚度材料的E越大，刚度越大；弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。）（MPatgE弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他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。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。强度:材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。当承受拉力时，主要是屈服强度和抗拉强度。二、强度与塑性屈服强度s：材料发生微量塑性变形时的应力值。即在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。条件屈服强度0.2：高碳钢等无屈服点，国家标准规定以残余变形量为0.2%时的应力值作为它的条件屈服强度，以σ0.2来表示。抗拉强度σb：试样在断裂前所能承受的最大应力，表示材料抵抗断裂的能力。塑性—断裂前材料发生不可逆永久变形的能力断后延伸率d(L-L0)/L0断面收缩率y(A0-A)/A0d和y越高材料的塑性越好指标拉伸试样的颈缩现象说明：①用断面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0相同时，l0，d。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用d表示；当l0=5d0时，伸长率用d5表示。显然d5d③dy时，无颈缩，为脆性材料表征dy时，有颈缩，为塑性材料表征硬度是材料抵抗表面局部塑性变形的能力硬度也反映材料抵抗其它物体压入的能力通常材料的强度越高，硬度也越高工程上常用的硬度指标有1.布氏硬度2.洛氏硬度3.维氏硬度二、硬度布氏硬度HB用一定载荷P，将直径为D的球体（淬火钢球或硬质合金球），压入被测材料的表面，保持一定时间后卸去载荷，测量被测试试表面上所形成的压痕直径d，由此计算压痕的球缺面积F，其单位面积所受载荷称为布氏硬度。布氏硬度值HB=P/F当测试压头为淬火钢球时，只能测试布氏硬度小于450的材料，以HBS表示当测试压头为硬质合金时，可测试布氏硬度为450~650的材料，以HBW表示)(2102.022dDDDPHB120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。在测定材料的布氏硬度时，应根据材料的种类和试样的厚度，选择球体材质、球体直径D、施加栽荷P和载荷保持时间等布氏硬度的优点：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。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HB钢黄铜球墨铸铁洛氏硬度HR原理：洛氏硬度试验是用特殊的压头（金刚石压头或钢球压头）在先后施加的两个载荷（预载荷和总载荷）的作用下压入金属表面来进行的。总载荷P为预载荷P0和主要载荷P1之和，即P=P0+P1洛氏硬度值是施加总载荷P并卸除主载荷P1引起的残余压入深度.该值用来表示被测材料硬度的高低。HR=k-(h1-h0)/0.002优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。图1-4洛氏硬度试验示意图a)HR(A、C、D)标尺b)HRB标尺钢球压头与金刚石压头维氏硬度HV维氏硬度的测量原理与布氏硬度相同，不同点是压头为一相对面夹角为136°金刚石正四方棱锥体，所加负荷为5~120kgf（49.03~1176.80N）它所测定的硬度值比布氏、洛氏硬度精确，压入深度浅，适于测定经表面处理零件的表面层的硬度，改变负荷可测定从极软到极硬的各种材料的硬度，但测定过程比较麻烦。在用规定的压力P将金刚石压头压入被测试件表面并保持一定时间后卸去载荷，测量压痕投影的两对角线的平均长度d，据此计算出压痕的表面积S，最后求出压痕表面积上平均压力（P/S），以此作为被测材料的维氏硬度值。压痕维氏硬度用符号HV表示，符号前的数字为硬度值，后面的数字按顺序分别表示载荷值及载荷保持时间。根据载荷范围不同，规定了三种测定方法—维氏硬度试验、小负荷维氏硬度试验、显微维氏硬度试验。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的优点。小负荷维氏硬度计显微维氏硬度计三、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。韧脆转变温度韧材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。断裂（fracture）韧性断裂（Ductilefracture）断裂前发生明显的宏观塑性变形，断口为杯形，暗灰纤维状脆性断裂（brittlefracture）:：断裂前不发生塑性变形，断口平齐，由无数发亮的小平面组成a软金属、聚合物b低碳钢c铸铁、陶瓷、玻璃DuctilefractureBrittlefractureTheRMSTitani