金属材料与热处理ppt课件

金属材料与热处理一、金属材料的历史地位二、金属材料的分类三、金属结构材料的应用情况四、金属材料发展的历史五、金属材料的发展热点六、关于本课程绪论主要内容一、金属材料的历史地位1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。石器时代→青铜器时代→铁器时代2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。二、金属材料的分类黑色金属有色金属金属材料铸铁钢工程构件用钢机器零件用钢工具钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢)轻金属(铝,镁,钛)重金属(铜,锌,铅,镍)贵重金属(金,银)稀有金属(钨钼钒铌钴)放射金属(镭铀钍)结构金属材料功能金属材料三、金属结构材料的应用情况(1)1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95％，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1％，而非铁金属中铝为8.8％．镁为2.1％，钛为0.6％。3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长。4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。三、金属结构材料的应用情况(2)四、金属材料发展的历史(1)1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前3000年出现锡青铜——甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含6％~10％Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。2.自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著《天工开物》中有详细的阐述。4.现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。四、金属材料发展的历史(2)5.在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。四、金属材料发展的历史(3)6.19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。7.20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。四、金属材料发展的历史(4)五、金属材料的发展热点1．继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。2．非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。3．特殊条件下应用的金属材料低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。4．材料的设计及选用科学化按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。六、关于本课程(1)1.本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；掌握常用金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。2.本课程的主要内容金属材料的合金化基础理论碳钢、合金钢铸铁有色金属及合金六、关于本课程(2)3.学习要求掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成分、热处理规范、组织、力学性能和用途。能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，合理选用材料，确定热处理工艺等。能对产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。六、关于本课程(3)4.成绩考核方式期末试卷（80%）+平时综合（20%）5.教材与参考书吴承建、陈国良、强文江编著。《金属材料学》，北京：冶金工业出版社，2000。王笑天主编。金属材料学，北京：机械工业出版社，1987。王晓敏主编。工程材料学，北京：机械工业出版社，1999。六、关于本课程(4)第一单元金属材料与机械产品制造过程简介金属材料的基本概念金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。金属材料纯金属合金金属材料的分类金属材料黑色金属有色金属非合金钢低合金钢合金钢铸铁滑动轴承合金钛及钛合金其他非铁合金铜及铜合金铝及铝合金SteelmakingflowlinesSteelFinishingflowlines机械产品的制造过程使用制造设计机械产品加工工艺铸造压力加工焊接粉末冶金切削加工特种加工熔焊压焊钎焊金属材料的性能力学性能物理性能化学性能使用性能第二单元金属材料的性能使用性能机械零件在使用中常见的损坏形式有：变形，断裂，磨损。材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。断裂：零件在外力作用下发生开裂或折断的现象磨损：因磨损而使零件尺寸，表面形状和表面质量发生变化的现象朔性变形的应用：轧制，挤压，冷拔，锻压，冷冲压。这些方法可以作为零件成型和强化的重要手段，更加重要的是为了改善组织和性能。与变形相关的几个概念1：载荷：金属材料在加工和使用过程中所受的外力称为载荷载荷分为：静载荷；冲击载荷；交变载荷静载荷：指大小不变或变化过程很缓慢的载荷冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。交变载荷：指大小，方向或大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。载荷的分类（根据作用形式不同）2：内力：工件或材料在收到外部载荷作用时，为使其不变形，在材料内部产生的一种于外力相对抗的力。3：因力：R=F\S金属的变形材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。影响金属变形的因素1：晶粒位相的影响2：晶界的作用，晶界越多，产生的变形抗力越大3：晶粒大小的影响三：金属材料的冷朔变形与加工硬化加工硬化（形变强化）：材料经过冷朔变化会使晶粒内部的位错密度增加，晶格崎变加剧，从而使金属随着变形量的增加，其强度，硬度提高，而韧性，朔性下降的现象。力学性能力学性能指金属在力的作用下所显示出的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能，如弹性、强度、硬度、塑性、韧性等强度金属在静载荷作用下抵抗朔性变形或断裂的能力，其大小用应力来表示。抗拉强度，抗压强度，抗剪强度，抗扭强度，抗弯强度。抗拉强度用拉伸实验来测定拉伸试验一、低碳钢拉伸试验目的1、通过观察低碳钢在拉伸时的各种现象，并测定低碳钢在拉伸时的屈服极限σs,强度极限σb,延伸率δ和断面收缩率ψ。1、学习、掌握电子万能试验机的使用方法及其工作原理。3、试验中要注意观察试样受力和变形两者间的相互关系,并注意观察材料的弹性、屈服、强化、颈缩、断裂等物理现象。测定该试样所代表材料的FS、Fb和Δl等值。二、低碳钢拉伸试验仪器设备和量具50KN万能材料试验机，单向引伸计，钢板尺，游标卡尺。三、试件制备实验证明，试件尺寸和形状对实验结果有影响。为了便于比较各种材料的机械性能，国家标准中对试件的尺寸和形状有统一规定。根据国家标准，（GB6397-86），将金属拉伸比例试件的尺寸列表如下：图2-1低碳钢拉伸试件本实验的拉伸试件采用国家标准中规定的长比例试件(图2－1),实验段直径d0=10mm,标距l0=100mm强度与塑性•材料的拉伸曲线1、oe段：直线、弹性变性2、es段：曲线、弹性变形+塑性变形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、sb曲线：弹性变形+均匀塑性变形。5、b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，试样即将断裂。Oe阶段：弹性阶段。此阶段试样变形为弹性变形，外力卸除后试样可以完全恢复原貌。拉伸开始后，试样的伸长随力的增加而增大。在P点以下拉伸力F和伸长量△L呈直线关系。当拉伸力超过Fp后，F-△L呈非线性关系，直至最大弹性力Fe。P点的应力称为比例极限。e点应力则称为弹性极限。es阶段：屈服阶段。当外力超过最大弹性力Fe之后，试样便产生不可恢复的永久变形，即出现塑性变形。当外力增加一定值之后，力-伸长曲线出现锯齿状的峰和谷，这种外力不增加或者减少的条件下试样仍然伸长的现象称为屈服现象。这个阶段的外力称为屈服力，首次下降前的屈服力称为上屈服力，即A点外力。屈服阶段最小的外力称为下屈服力。屈服阶段过后，金属材料发生明显塑性变形。e点应力称为屈服强度或屈服点，对于无明显屈服的塑性材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，又叫名义屈服极限或δ0.2。sb阶段：强化阶段。屈服阶段过后，外力与变形不成比例增加。力-伸长曲线中b点即为材料在拉伸时的最大力。b点的应力称为抗拉强度或者强度极限。bd阶段：局部塑性变形阶段。外力超过最大值Fb之后，材料某一部分横截面发生收缩，即“缩颈”现象。试样抵抗变形能力下降，外力随之下降而变形继续增加。至K处，试样断裂。K点的应力称为断裂强度强度指材料抵抗塑性变形和断裂的能力。•强度的指标2、抗拉强度b指试样拉断前所承受的最大拉应力。其物理意义是在于它反映了最大均匀变形的抗力。1、屈服点eRm=Fm/S0当材料的内应力R＞Rm时，材料将产生断裂。Rm常用作脆性材料的选材和设计的依据。符号：Re材料产生屈服现象时的最小应力Re=Fs/S0Fs：试样屈服时所承受的拉伸力（N）S0：试样原始横截面积（mm）•塑性指标塑性是材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。评定指标是断后伸长率和断面收缩率。1、断后伸长率A2、断面收缩率Z指试样拉断后标距的伸长量与原标距长度的百分比。指试样拉断后缩项处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。A=(Lu-Lo)/Lox100%Lu:拉断拉伸试样对接后测出的标距长度Lo:拉伸试样的原始标距Z=(So-Su)/Sox100%So:拉伸试样原横截面积。Su:拉伸试样断口处的横截面积硬度引言：1、定义：指材料局部表面抵抗塑性变形和破坏的能力。它是衡量材料软硬程度的指标，其物理含义与试验方法有关。2、硬度的测试方法布氏硬度洛氏硬度维氏硬度肖氏硬度1、布氏硬度试验（布氏硬度计）原理:用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球）以相应的试验力压入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材料表面压痕直径，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。2、布氏硬度值用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表示。如：120HBS500HBW4、测量范围用于测量灰铸铁、结构钢、非铁金属及非金属材料等.布氏硬度3、优缺点（1）测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料（铸铁）（2）可测的硬度值不高（3）不测试成品与薄件（4）测量费时，效率低1、洛氏硬度试验（洛氏硬度计）原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在试验力的作用下压入试样表面，经规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度增量来计算硬度的一种压痕硬度试验。2、洛氏硬度值用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。如：50HRC4、测量范围用于测量淬火钢、硬质合金等材料.洛氏硬度3、优缺点（1）试验简单、方便、迅速（2）压痕小，可测成品，薄件（3）数据不够准确，应测三点取平均值（4）不应测组织不均匀材料，如铸铁。1、维氏硬度试验原理:用夹角为