详细金属材料及热处理工艺

金属材料及热处理工艺------公共选修课程主讲人：李伟2010.09课程的内容(共10讲，32学时)第一讲材料概论与材料性能第二讲材料的结构第三讲金属的塑性变形与再结晶第四讲材料的凝固与铁碳相图第五讲金属的热处理(一)----原理第六讲金属的热处理(二)----工艺第七讲工业用钢第八讲铸铁第九讲有色金属及其合金第十讲新型金属材料及其常用分析技术参考教材1、《金属材料与热处理》，叶宏主编，沟引宁张春艳副主编，化学工业出版社，2009.032、《工程材料》，刘天模、徐幸梓主编，机械工业出版社，20013、《材料科学基础》，胡赓祥，蔡珣，戎咏华，上海交通大学出版社，2006.07第一章材料概论与材料性能绪论材料与人类文明材料分类与性能引言材料的定义：材料－能为人类制造有用器件的物质。金属、陶瓷、塑料、玻璃、纤维、木材、砂子、石子、复合材料等都属于材料的范畴。材料科学与人类文明的关系密切，可以说，人类的衣、食、住、行均离不开它。一、材料与人类文明发展（历史贡献）人类的文明进程是依据什么而划分的？可以使用的占主导地位的材料。——石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代……。——发展得越来越快。绪论1.1材料与人类文明材料应用的发展是人类发展的里程碑！400,000BC——4,500BC石器时代（StoneAge）燧石：神奇的石头绪论陶器（Pottery）陶器的出现是人类跨入新石器時代的重要标志之一。据目前已知的考古资料，中国的陶器制作至少已有8000年以上的历史。西安半坡人面网纹陶盆战国陶制四通水管绪论4,500BC——1,000BC青铜时代（BronzeAge）从矿石中提炼铜——冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一绪论青铜，古称金或吉金，是铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的《考工記》一書中，提出了「金有六齊」，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。青铜：第一种合金夏钺(yuè)戈绪论三星堆立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世界上亦属首见。绪论司母戊鼎司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133厘米，重875公斤。为已知的中国古代体量最大的青铜器。铜禁，中国已知最早应用失蜡法铸造的作品，春秋時代的楚国王子午墓出土的，年代为公元前6世纪。绪论1450BC——铁制车轮1500AD——廉价的冶铁业1000BC——铁器时代（IronAge）绪论二、材料与人类现代文明支撑人类现代文明的四大支柱技术：材料科学与技术生物科学与技术能源科学与技术信息科学与技术绪论－－材料是发展高科技的先导和基石其中材料是基础！材料－技术大厦的砖石材料是所有科技进步的核心建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦；没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天；没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船；没有固体微电子电路，就没有计算机。建筑交通福特2000与西纳给2010这两款由材料工程师设计的汽车将成为未来交通工具。汽车用高强钢，比原先的轻24%，而强度高34%。汽车绪论实例材料强度范围MPa比强度MPa压气机叶片铝合金150-45055－160压气机机匣钛合金350-110080－245飞机尾翼碳纤维复合材料1000－1200（顺纤维方向）625－750轻质材料绪论超导磁悬浮列车西南交通大学已研制成功全国唯一一辆“世纪号”超导磁悬浮列车，这种高温超导磁悬浮列车最大特点就是乘坐平稳、安全和快捷。和世界上最先进的轻轨列车比较，它没有一点轰隆隆的噪声，十分安静。1980’s：高温超导体能源新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料Si半导体材料为代表的太阳能电池材料铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。绪论核能材料NuclearpowerstationatLeibstadt,Switzerlanduraniumoxidebeads钨钒钢（W-Vsteel）铬钒钢（Cr-Vsteel）镍基高温合金（Hastelloymaterial）核反应堆材料：耐中子辐射、腐蚀、高温烧结后烧结前绪论信息－人类正在步入信息时代，同时也是信息材料竞争的时代。电子管——晶体管——集成电路电子管16K内存器。图中的女士要用显微镜才看得到现在的集成电路16K内存器绪论第一台电子管组成的计算机重达30吨，用电相当于一个小的城市。钨、钼电极。锗、硅半导体。单晶硅片，高纯钛、SiO2和铬等薄膜生物、生活－材料技术的发展改变我们的生活仿真手臂人工关节“自行车发烧友”的首选钛结构自行车架微机械绪论第一章绪论1.2材料的分类与性能一、材料的分类二、工程材料的性能一、材料的分类金属高分子陶瓷材料有机材料无机材料复合材料第一章绪论材料分类What?各类材料的性能特点金属材料——主要为金属键。热和电的良导体具有良好的强度与延展性以及金属光泽陶瓷材料——通常为离子键或共价键。绝缘体而且比较耐热。高分子材料——通常为共价键、分子键和氢键，以共价键为主。分子结构都非常巨大通常密度较低，在高温下不稳定。复合材料——性能的复合.第一章绪论玻璃纤维增强高分子复合材料铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性工程材料的性能使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能二、材料的性能——表征材料在给定外界条件下的行为材料的性能核心关系绪论而其核心是围绕:“结构与性能”的相互辩证关系。绪论What?“组织结构”第一章绪论材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现出来的行为。－－主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。工程设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。力学性能指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。第一章绪论工程材料的机械性能――材料在受力时的性质一、静载单向静拉伸应力―应变曲线拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线拉伸试验机第一章绪论曲线分为四阶段：1．阶段I（oab）――弹性变形阶段a:Ppb:Pe（不产生永久变形的最大抗力）oa段：△L∝P直线阶段ab段：极微量塑性变形（0.001--0.005%)2．阶段II（bcd）段――屈服变形c:屈服点Ps拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。返回第一章绪论3．阶段III（dB）段――均匀塑性变形阶段B:Pb材料所能承受的最大载荷4．阶段IV(BK)段――局部集中塑性变形拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线1.低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合金及某些高分子材料具有类似上述曲线。2.铸铁、陶瓷：只有第I阶段3.中、高碳钢：没有第II阶段颈缩第一章绪论二、材料的强度(strength)――材料所能承受的极限应力.单位：MPa(MN/mm2)公式：σ=P/Fo物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。第一章绪论1．屈服强度σs(yieldstrength)和条件屈服强度σ0.2a:σs=Ps/Fo（σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。）Psσs=(Mpa)F0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)b:σ0.2条件屈服强度（中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。）脆性材料：σb=σs灰口铸铁P0.2σ0.2=(Mpa)S0试样产生0.2%残余塑性变形时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)2．抗拉强度(tensilestrength)σb=Pb/Fo材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。Pbσb=(Mpa)S0试样断裂前的最大载荷(N)试样原始横截面积(mm2)第一章绪论3．疲劳强度σ-1(fatiguestrength)疲劳现象：承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。（80%的断裂由疲劳造成）影响因素：循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。疲劳极限σ-1：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。条件疲劳极限：经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。钢材的循环次数一般取N=107有色金属的循环次数一般取N=108陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低；金属材料－疲劳强度较高；纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:σ-1=(0.45～0.55)σb•过载持久值第一章绪论三、塑性(plasticity):－材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。Lk:试样拉断后最终标距长度1．延伸率（specificelongation）δ2~5%属脆性材料δ≈5~10%属韧性材料δ10%属塑性材料是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。具有超塑性的纳米晶铜ψ越大，塑性愈好ψ5%,脆性材料2.断面收缩率(percentagereductioninarea):－试样拉断处横截面积Ｆk的收缩量与原始横截面积F0之比。F0-Fkψ=×100%F0第一章绪论四、刚度和弹性1．刚度E=σ/ε杨氏弹性模量GPa,MPa本质是：反映了材料内部原子种类及其结合力的大小，组织不敏感的力系指标。2．弹性(elasticity)比例极限：σp=Pp/Fo应力――应变保持线性关系的极限应力值弹性极限：σe=Pe/Fo不产永久变形的最大抗力。工程上，σp、σe视为同一值，通常也可用σ0.01材料在受力时，抵抗弹性变形的能力材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力应力―应变曲线第一章绪论五：硬度(hardness)抵抗外物压入的能力，称为硬度――综合性能指标。1．布氏硬度HB(Brinell-hardness)测试压头为淬火钢球测试压头为硬质合金布氏硬度计适用范围:＜450HBS;＜650HBW;第一章绪论2．洛氏硬度HR(Rockwllhardness)定义：每0.002mm相当于洛氏1度h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计10HRC≈HBS洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种①HRB轻金属：退火钢、铜合金②HRC较硬：淬硬钢制品、硬化物③HRA硬、薄试件：淬火钢、调质钢第一章绪论3．维氏硬度(diamondpenetratorhardness)――科学试验维氏硬度的压力一般为5-120kgf(49.03-1176.80N)。适用范围:测量薄板类;HV≈HBS;第一章绪论六、冲击韧性(notchtoughness)－材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:Ak=mgH–mgh(J)冲击韧性值ak就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。AKak=(J/cm²)S0ak值低－脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高－韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。韧性与温度有关——脆性转变温度TK温度对冲击韧性的影响第一章绪论七、断裂韧性1．问题的提出前面所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的