金属材料的性能

《金属学与热处理》《Metallographyandheat-treatment》多媒体教学课件•课时：50•教材：《金属学与热处理》1、考核成绩构成平时成绩50％＋考试成绩50％2、参考资料（1）《金属学原理》侯增寿主编（2）《金属学与热处理》陈慧芬主编（3）《材料科学基础》石德珂主编3本课程主要内容:金属学：第一~第六章金属热处理：第七~第八章金属材料学：第九章~第十章第一章金属材料的性能§1金属材料的概论§2金属材料力学性能§3金属材料的物理和化学性能机械工程材料——用于机械制造的各种材料的总称机械工程材料非金属材料高分子材料（塑料、橡胶）（以高分子化合物为主要成分）陶瓷材料普通：天然硅酸盐矿物为原料复合材料（如钢筋、混凝土、玻璃钢）金属材料黑色金属（铁、铸铁、钢）有色金属§1金属材料的概论§1.1工程材料的分类工程材料：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)§1金属材料的概论§1.1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、Si3N4•CaTiO3、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陶瓷材料：无机非金属材料，以离子键和共价键为主，熔点高、硬度大、导电性差，多为脆性材料。如Al2O3、SiO2、金刚石等。陶瓷材料的键型及性能特点莫来石复相陶瓷SiO2晶体金刚石晶体离子键为主——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材料的结合键高分子材料：链间以分子键结合，链内组成分子的是共价键和氢键；熔点低，强度和硬度低。如塑料、橡胶、合成纤维等。高分子材料的键型及性能特点聚四氟乙烯薄膜通信电缆绝缘材料UPVC高分子增强复合瓦金属材料的性能可分为：使用性能和工艺性能。使用性能是指为保证机械零件或工具正常工作，材料具备的性能。它包括力学性能、物理性能和化学性能等。工艺性能是指在制造机械零件或零件的过程中，金属材料适应各种冷热加工的性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能、以及热处理性能等。金属材料的性能一研究对象、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§1金属材料的概论§1.2金属材料简介即：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材料的电阻率ρt随温度变化的规律为ρt=ρ0(1+αt)，其中α称为电阻温度系数，ρ0是材料在t=0℃时的电阻率。在一定的温度范围内α是与温度无关的常量。金属的电阻一般随温度的增加而增加，具有正温度系数；而某些非金属如碳等则相反，具有负温度系数。利用具有正负温度系数的两种材料的互补特性，可制成阻值在一定温度范围内不随温度变化的电阻。(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。(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。这种由金属正离子和自由电子之间的互相作用称为金属键。金属键无方向性和饱和性。金属材料：主要以金属键结合，个别的有共价（如四价灰锡）和离子键（如金属化合物Mg3Sb2）的特点。具有良好的导电性、导热性和塑性（延展性），并具有金属光泽。金属材料的键型及性能特点江阴长江大桥民用客机（波音747）拆叠自行车根据金属键解释固态金属的一些特性非金属中：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：在制造机械零件的过程中，材料适应各种冷、热加工和热处理的性能。铸造性能（流动性、收缩、偏析等)、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；焊接性；热处理性能；等等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（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。§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→工艺性能使用性能强度与塑性的测定——借助应力应变曲线。§2.1金属材料的力学性能金属的力学性能是指金属抵抗外力作用的能力。外力也称载荷，它按外力可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷。常用的力学性能指标有：强度、塑形、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。§2金属材料力学性能作用在机件上的外力——载荷FFF=F’（MPa）外力——内力——应力F’F静载荷动载荷SFSF'1.应力应力：物体内部任一截面单位面积上的相互作用力。同截面垂直的称为“正应力”或“法向应力”，同截面相切的称为“剪应力”或“切应力”。1应力应变曲线——拉伸实验测定§2金属材料力学性能0lkl0dFFkd拉伸前拉伸后应变：物体形状尺寸所发生的相对改变。物体内部某处的线段在变形后长度的改变值同线段原长之比值称为“线应变”0ll2.应变（1）弹性变形：材料受外力作用时产生变形，当外力去除后恢复其原来形状，这种随外力消失而消失的变形，称为弹性变形。3.两种基本变形FFF（2）塑性变形:材料在外力作用下产生永久的不可恢复的变形，称为塑性变形。FF拉伸试验0lkl0dFFLkd拉伸前拉伸后§3.2拉伸试验kmm—极限载荷点Fpp—弹性极限点sS—屈服点K—断裂点拉伸曲线l应力—应变曲线0SF0llsFpFmFo材料的拉伸曲线1、op段：直线、弹性变形2、ps段：曲线、弹性变形+塑性变形5、m点出现缩颈现象，即试样局部截面明显缩小，试样承载能力降低，拉伸力达到最大值，而后降低，但变形量增大，K点时试样发生断裂。3、ss’段：水平线（略有波动）明显的塑性变形屈服现象，作用的力基本不变，试样连续伸长。4、s’m曲线：弹性变形+均匀塑性变形s’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)§2.3力学性能及指标（一）强度金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力称为强度。按外力作用的性质不同，分为：屈服强度e、抗拉强度b、抗压强度bc、抗剪强度τb等。1.屈服强度（屈服极限、屈服点）：当载荷增达到s点时，拉伸曲线出现了平台，即试样所承受的载荷几乎不变，但塑性变形不断增加，这种现象称为屈服。屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。用σs表示。计算公式:σs=FsS0应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。条件屈服强度σ0.2有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。为了衡量这些材料的屈服特性,规定产生永久残余变形等于一定值(一般为原长度的0.2%)时的应力,称为条件屈服强度或简称屈服强度σ0.2。脆性材料拉伸试验的屈服点：试样卸除载荷后，其标距部分的残余伸长率达到试样标距长度的0.2%时的应力，用符号σ0.2表示。FsS0σs=应用：σs和σ0.2常作为零件选材和设计的依据。脆性材料的屈服点ΔLF0F0.20.2%L0F0.2S0σ0.2=计算公式:§2.3力学性能及指标工业上使用的某些金属材料，如高碳钢、铸铁等，在拉伸过程中，没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点σs，按GB/T2228规定，可用屈服强度σ0.2来表示该材料开始产生塑性变形时的最低应力值。屈服强度为试样标距部分产生0.2%残余伸长时的应力值，即σ0.2=F0.2/Ao式中F0.2—试样标距产生的0.2%残余伸长时载荷（N）；Ao—试样的原始横截面积（mm2）。屈服强度的测定§2.3力学性能及指标σb=FbS0应用：制作机械零件和工程构件时的选材和设计的依据。计算公式:2.抗拉强度（强度极限）:材料承受最大载荷时的应力。用σb表示。屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择、评定金属材料时有重要意义，材料不能在超过其σs的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；更不能超过其σb的条件下工作，否则会导致机件的破坏。§2.3力学性能及指标(二)硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力,是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。表示材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。金属材料的硬度可用硬度仪来测试，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。1.布氏硬度HB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