緒論 金屬材料性能亮

1、l工學(xué)院工學(xué)院主講人：楊拓宇主講人：楊拓宇一、材料科學(xué)的重要地位與作用一、材料科學(xué)的重要地位與作用二、工程材料的分類二、工程材料的分類三、本課程的任務(wù)和內(nèi)容三、本課程的任務(wù)和內(nèi)容 石器石器鐵器鐵器 象形尊象形尊( (西周西周) )l石器時(shí)代石器時(shí)代l青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代l鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代一、材料科學(xué)的重要地位與作用一、材料科學(xué)的重要地位與作用二、工程材料的分類二、工程材料的分類 按材料的化學(xué)組成分類按材料的化學(xué)組成分類 （1 1）金屬材料）金屬材料 （2 2）無機(jī)非金屬材料）無機(jī)非金屬材料 （3 3）高分子材料）高分子材料 （4 4）復(fù)合材料）復(fù)合材料三、本課程的任務(wù)和內(nèi)容三、本課程的任務(wù)和內(nèi)

2、容 （1 1）金屬力學(xué)性能）金屬力學(xué)性能 （2 2）工程材料的基本理論）工程材料的基本理論 即材料的結(jié)構(gòu)與性能、金屬材料的組織與性能控制即材料的結(jié)構(gòu)與性能、金屬材料的組織與性能控制( (純金純金屬凝固、金屬塑變與再結(jié)晶、鋼的熱處理屬凝固、金屬塑變與再結(jié)晶、鋼的熱處理) ) （3 3）常用工程材料）常用工程材料 即金屬材料即金屬材料( (工業(yè)用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金工業(yè)用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金) )、高分子、高分子材料、無機(jī)非金屬材料、復(fù)合材料。材料、無機(jī)非金屬材料、復(fù)合材料。l定義定義 : l 是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）是指金屬材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)）下，承受各種外加載荷（拉

3、伸、壓縮、彎曲、下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。學(xué)特征。 l指標(biāo)指標(biāo) :l 彈性彈性 、剛度、強(qiáng)度、塑性、剛度、強(qiáng)度、塑性 、 硬度、硬度、 沖擊韌性沖擊韌性 、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度等。、疲勞強(qiáng)度和斷裂韌度等。低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l0l彈性：指標(biāo)為彈性極限彈性：指標(biāo)為彈性極限 e e，即即材料承受最大彈性變形時(shí)材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。的應(yīng)力。l剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性剛度：材料受力時(shí)抵抗彈

4、性變形的能力。指標(biāo)為彈性模變形的能力。指標(biāo)為彈性模量量E E。 ）（MPatgE el強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。塑性變形和破壞的能力。 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s：材料發(fā)生微量塑性：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。變形時(shí)的應(yīng)力值。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b：材料斷裂前所承：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。受的最大應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.2：殘余變形量為：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。時(shí)的應(yīng)力值。s0.2 伸長率：伸長率：%100001 lll %100010 FFF 斷面收縮率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象l是指材料

5、在沖擊載荷作用下是指材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。抵抗破壞的能力。l指標(biāo)為沖擊指標(biāo)為沖擊韌性值韌性值ak(通通過沖擊實(shí)驗(yàn)過沖擊實(shí)驗(yàn)測得測得)。試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功A k為為: Ak = m g H m g h (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值ak 就是試樣缺口處單位就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。截面積上所消耗的沖擊功。 AK ak = (J/cm) S0l材料的沖擊韌性隨溫度下材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。l發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍發(fā)生韌脆

6、轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。溫度。l材料的使用溫度應(yīng)高于韌材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。脆轉(zhuǎn)變溫度。韌建造中的建造中的Titanic 號(hào)號(hào)TITANIC的沉沒的沉沒與船體材料的質(zhì)量與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)直接有關(guān)Titanic近代船用鋼板近代船用鋼板l材料在低于材料在低于 s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。l材料在規(guī)定循環(huán)次數(shù)條件下，進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂，材料在規(guī)定循環(huán)次數(shù)條件下，進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂，此時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用此時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用 -1表示。表示。l鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有

7、色金屬合金為，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖五五 硬硬 度度布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV銼刀法銼刀法硬度硬度:是指材料抵抗其它硬物是指材料抵抗其它硬物體壓入其表面的能力。體壓入其表面的能力。常用測量硬度的方法常用測量硬度的方法1 1、布氏硬度、布氏硬度HBHB布氏硬度用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的布氏硬度用試驗(yàn)力除以壓痕表面積的商來計(jì)算。商來計(jì)算。 )(2102. 022dDDDPHB 布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)l壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于表示，適用于布氏硬度值在布氏硬度值在

8、450以下的材料。以下的材料。l壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。l符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示之前的數(shù)字表示硬度值硬度值, 符號(hào)后面的數(shù)字按順序分符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑別表示球體直徑、載荷及載荷保載荷及載荷保持時(shí)間。如持時(shí)間。如 120HBS10/1000/30 表表 示直徑為示直徑為10mm的鋼球在的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷）載荷作用下保持作用下保持30s測得的布氏硬度值為測得的布氏硬度值為120。布氏硬度壓痕布氏硬度壓痕l洛氏硬度是以頂角為洛氏硬度是

9、以頂角為120120的金剛石圓錐體的金剛石圓錐體 或直徑為或直徑為1.5881.588的淬火鋼球作壓頭，的淬火鋼球作壓頭， 以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面。以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面。l試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力。試驗(yàn)時(shí)，先加初試驗(yàn)力，然后加主試驗(yàn)力。l壓入試樣表面之后卸除主試驗(yàn)力，壓入試樣表面之后卸除主試驗(yàn)力， 在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深在保留初試驗(yàn)力的情況下，根據(jù)試樣表面壓痕深 度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。度，確定被測金屬材料的洛氏硬度值。h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)l洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，表示，HR

10、=k-(h1-h0)/0.002l根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為標(biāo)尺為A、B、C。 l符號(hào)符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。lHRA用于測量高硬度材料用于測量高硬度材料, 如硬質(zhì)如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測量低硬度材料用于測量低硬度材料, 如有色如有色金屬和退火、正火鋼等。金屬和退火、正火鋼等。lHRC用于測量中等硬度材料，如調(diào)用于測量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，壓痕小，適用范圍廣。小，