哈工大崔忠圻老師金屬學(xué)與熱處理課件緒論

1、金屬學(xué)與熱處理金屬學(xué)與熱處理A Metallography and heat-treatment 多媒體教學(xué)課件多媒體教學(xué)課件課課 時(shí)：時(shí)：5656 教教 材：材：金屬學(xué)與熱處理金屬學(xué)與熱處理，崔忠圻，崔忠圻 1 課程研究的對(duì)象、目的及要求課程研究的對(duì)象、目的及要求 一一 研究對(duì)象、任務(wù)和目的研究對(duì)象、任務(wù)和目的 1 研究的對(duì)象研究的對(duì)象 金屬和合金。金屬和合金。 什么是金屬？什么是合金？什么是金屬？什么是合金？ （1）金屬的性質(zhì)）金屬的性質(zhì) * 高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；高的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性； * 金屬光澤；金屬光澤； * 良好的延展性良好的延展性(塑性塑性)； * 不透明不透明緒論緒論 即：具有即

2、：具有正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)。* * *電阻隨溫度升高而升高電阻隨溫度升高而升高 金屬與非金屬的本質(zhì)差別金屬與非金屬的本質(zhì)差別 t=0 (1+T)T非金屬非金屬金屬金屬 某些純金屬在絕某些純金屬在絕對(duì)零度附近的超導(dǎo)電性對(duì)零度附近的超導(dǎo)電性(2) (2) 金屬與合金的定義金屬與合金的定義金屬定義：金屬定義：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。合金定義：合金定義：一種金屬元素一種金屬元素與另一種或幾種其與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有具有金屬特性金屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。 試用金屬鍵模型解釋?zhuān)涸囉媒饘冁I模型解釋?zhuān)?

3、金屬特性金屬特性(3) (3) 金屬中原子的結(jié)合方式金屬中原子的結(jié)合方式 在金屬晶體中，金屬原子失去價(jià)電子后在金屬晶體中，金屬原子失去價(jià)電子后成為正離子成為正離子, 所有價(jià)電子成為自由電子并為所有價(jià)電子成為自由電子并為整個(gè)原子集團(tuán)所公有整個(gè)原子集團(tuán)所公有, 所有自由電子圍繞所所有自由電子圍繞所有原子核運(yùn)動(dòng)，形成電子云，金屬正離子沉有原子核運(yùn)動(dòng)，形成電子云，金屬正離子沉浸在浸在電子云中，并依靠與自由電電子云中，并依靠與自由電子之間的靜電作用而使金屬子之間的靜電作用而使金屬原子結(jié)合起來(lái)形成金屬晶體。原子結(jié)合起來(lái)形成金屬晶體。這種原子結(jié)合方式稱(chēng)為這種原子結(jié)合方式稱(chēng)為金屬金屬鍵。鍵。非金屬中：非金屬中

4、：離子鍵、共價(jià)鍵離子鍵、共價(jià)鍵等等結(jié)合鍵強(qiáng)結(jié)合鍵強(qiáng), 具飽和性具飽和性較高硬度較高硬度結(jié)合鍵極強(qiáng)、方向性結(jié)合鍵極強(qiáng)、方向性很高硬度、無(wú)塑性很高硬度、無(wú)塑性2 本課程的主要任務(wù)：本課程的主要任務(wù)： 研究金屬與合金的研究金屬與合金的化學(xué)成分化學(xué)成分、加工工藝加工工藝、組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)和和性能四要素性能四要素及四要素之間的關(guān)系及四要素之間的關(guān)系與變化規(guī)律。與變化規(guī)律。 此亦為材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容此亦為材料科學(xué)的研究?jī)?nèi)容 實(shí)際中我們最關(guān)心的是實(shí)際中我們最關(guān)心的是性能性能 舉例：舉例： b(MPa)鋁合金鋁合金 400600銅合金銅合金 60070040鋼鋼(退火態(tài)退火態(tài)) 50040鋼鋼(調(diào)質(zhì)態(tài)調(diào)質(zhì)態(tài))

5、 800性能取決于什么因素呢？性能取決于什么因素呢？ 化學(xué)成分不同，性能不同化學(xué)成分不同，性能不同 純鋁純鋁 40 純銅純銅 60 純鐵純鐵 200 化學(xué)成分相同，化學(xué)成分相同，處理方式處理方式不同，性能不同不同，性能不同0.8CC 的鋼鋸條的鋼鋸條800，冷卻方式不同，冷卻方式不同 一根出爐后一根出爐后水冷水冷，性，性硬而脆硬而脆，一彎就斷；，一彎就斷； 另一根隨爐另一根隨爐緩慢冷卻緩慢冷卻，性軟性軟，彎曲，彎曲90 不斷。不斷。 又如：又如： 石墨和金剛石均由碳原子構(gòu)成，石墨和金剛石均由碳原子構(gòu)成， 但性能迥異。但性能迥異。 原因：碳原子的空間排列方式不同原因：碳原子的空間排列方式不同 即

6、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同即內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不同提高材料性能的主要途徑提高材料性能的主要途徑： 一方面改變材料的一方面改變材料的化學(xué)成分化學(xué)成分，另一方面，另一方面改進(jìn)材料的改進(jìn)材料的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝，進(jìn)而改變材料內(nèi)部的，進(jìn)而改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)與性能。組織結(jié)構(gòu)與性能。*材料科學(xué)研究的材料科學(xué)研究的四要素四要素及相互關(guān)系線：及相互關(guān)系線： 性性 能能Performance加工工藝加工工藝Process化學(xué)成分化學(xué)成分Composition組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)Construction內(nèi)因內(nèi)因外因外因 （1）原子結(jié)構(gòu)）原子結(jié)構(gòu)：取決于取決于原子種類(lèi)原子種類(lèi)什么是組織結(jié)構(gòu)？什么是組織結(jié)構(gòu)？材料不同層次的結(jié)構(gòu)材料不同

7、層次的結(jié)構(gòu)（2）晶體結(jié)構(gòu)）晶體結(jié)構(gòu)：原子在空間的排列方式原子在空間的排列方式合金相形貌合金相形貌金屬多晶體結(jié)構(gòu)金屬多晶體結(jié)構(gòu) 顯微組織顯微組織（3）組織結(jié)構(gòu)（顯微組織）組織結(jié)構(gòu)（顯微組織）： 在不同放大倍數(shù)放大鏡、顯微鏡下觀察在不同放大倍數(shù)放大鏡、顯微鏡下觀察到的金屬的內(nèi)部形貌到的金屬的內(nèi)部形貌 原子種類(lèi)原子種類(lèi); 內(nèi)部原子排列的方式內(nèi)部原子排列的方式; 合金元素的存在方式合金元素的存在方式; 內(nèi)部不同尺度的各種結(jié)構(gòu)缺陷內(nèi)部不同尺度的各種結(jié)構(gòu)缺陷 材料的組織結(jié)構(gòu)取決于材料的組織結(jié)構(gòu)取決于:3 目的目的 利用上述四要素關(guān)系和規(guī)律：利用上述四要素關(guān)系和規(guī)律：（1）進(jìn)行科學(xué)研究；）進(jìn)行科學(xué)研究；（2

8、）指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐；）指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐；（3）研制新合金材料。）研制新合金材料。二、本課程內(nèi)容二、本課程內(nèi)容 1 金屬材料科學(xué)研究?jī)?nèi)容：金屬材料科學(xué)研究?jī)?nèi)容： 成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝、性能成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝、性能 其課程體系：其課程體系： 金屬學(xué)、金屬熱處理、金屬材料學(xué)、金屬學(xué)、金屬熱處理、金屬材料學(xué)、 金屬性能、材料分析技術(shù)與方法等金屬性能、材料分析技術(shù)與方法等 2 本課程主要內(nèi)容本課程主要內(nèi)容: 金屬學(xué)：金屬學(xué)： 第一第一 第八章第八章 金屬熱處理金屬熱處理：第九：第九 第十章第十章 金屬材料學(xué)金屬材料學(xué)：第十一章：第十一章 第十三章第十三章 (1)掌握金屬材料的基本概念、基本理論與基掌握金屬材料

9、的基本概念、基本理論與基本實(shí)驗(yàn)方法；本實(shí)驗(yàn)方法；(2)掌握金屬材料的掌握金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝、成分、組織結(jié)構(gòu)、工藝、性能間關(guān)系性能間關(guān)系的一般規(guī)律；的一般規(guī)律；(3)了解金屬材料常用的分析方法，主要是金了解金屬材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。相分析方法。四四 參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：(1)材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ), 西安交通大學(xué)西安交通大學(xué), 石德珂石德珂(2)工程材料工程材料, 朱張校，清華大學(xué)出版社朱張校，清華大學(xué)出版社, 2000 (3)工程材料工程材料, 丁厚福，武漢理工大學(xué)出版社丁厚福，武漢理工大學(xué)出版社, 2001三三 要求要求：一、金屬材料性能的種類(lèi)一、金屬材料性能

10、的種類(lèi)2 金屬材料力學(xué)性能金屬材料力學(xué)性能 金屬材料加工過(guò)程：金屬材料加工過(guò)程： 冶煉冶煉鑄造鑄造鑄錠鑄錠板棒型管板棒型管焊接焊接機(jī)加工機(jī)加工冷軋冷軋冷拔冷拔深沖深沖鍛件鍛件鑄件鑄件機(jī)加工：機(jī)加工：車(chē)、銑、車(chē)、銑、刨、磨刨、磨零零件件或或構(gòu)構(gòu)件件熱軋熱軋熱鍛熱鍛工藝性能工藝性能使用性能使用性能故材料性能包含故材料性能包含使用性能使用性能與與工藝性能工藝性能兩方面：兩方面：1 使用性能使用性能 ：在使用條件下所表現(xiàn)的性能：在使用條件下所表現(xiàn)的性能 力學(xué)性能力學(xué)性能(強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等)； 物理性能物理性能（光、電、磁等）；（光、電、磁等）； 化學(xué)性能化學(xué)性能 (抗氧

11、化性、抗腐蝕性等抗氧化性、抗腐蝕性等)； 其它性能其它性能(耐磨性、熱硬性、消振性等耐磨性、熱硬性、消振性等)；2 工藝性能：工藝性能： 材料制備、加工過(guò)程中所表現(xiàn)的材料制備、加工過(guò)程中所表現(xiàn)的 鑄造性能鑄造性能（流動(dòng)性、收縮、偏析等（流動(dòng)性、收縮、偏析等)； 壓力加工性能、冷加工性能、鍛造性能等；壓力加工性能、冷加工性能、鍛造性能等； 切削加工性；切削加工性； 焊接性；焊接性； 熱處理性能；熱處理性能； 等等等等二、力學(xué)性能：二、力學(xué)性能： 工程材料在外力作用下所反應(yīng)出來(lái)的性能工程材料在外力作用下所反應(yīng)出來(lái)的性能 又稱(chēng)機(jī)械性能又稱(chēng)機(jī)械性能 主要包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性等主要包括：強(qiáng)度、塑

12、性、硬度、韌性等強(qiáng)度與塑性的測(cè)定強(qiáng)度與塑性的測(cè)定借助應(yīng)力應(yīng)變曲線借助應(yīng)力應(yīng)變曲線結(jié)構(gòu)材料最重要、最基本的性能結(jié)構(gòu)材料最重要、最基本的性能應(yīng)力應(yīng)力: = P/A0 (MPa)應(yīng)變應(yīng)變: = L/L1 =(L1-L0)/L01 應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線 拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)定測(cè)定 變形三階段：變形三階段： (1) 彈性變形彈性變形、 (2) 塑性變形塑性變形、 (3) 斷裂斷裂彈性變形彈性變形塑性變形塑性變形斷裂斷裂 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)力應(yīng)力低碳鋼應(yīng)力應(yīng)低碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線變曲線(1) 彈性變形彈性變形:特點(diǎn)特點(diǎn)： 應(yīng)力撤消后應(yīng)力撤消后, 變形消失；變形消失； 應(yīng)力與應(yīng)

13、變成正比關(guān)系；應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系； 總變形量很小：總變形量很?。?% 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)： 彈性極限彈性極限e ：保持彈性：保持彈性變形的最大應(yīng)力，變形的最大應(yīng)力，MPa 彈性模量彈性模量E： =E(2 ) 塑性變形塑性變形: 應(yīng)力撤消后應(yīng)力撤消后, 變形僅部分變形僅部分消失，存在殘余、永久性的變形。消失，存在殘余、永久性的變形。特點(diǎn)：特點(diǎn)：(1)變形具永久性、不可逆性變形具永久性、不可逆性(2)應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系；應(yīng)力與應(yīng)變非正比關(guān)系；(3)變形量較大變形量較大可以塑性加工的原因可以塑性加工的原因殘余殘余變形量變形量彈性彈性變形量變形量sb塑性變形中的重要指標(biāo)塑性變形中的重要指標(biāo):

14、 承受的應(yīng)力大?。撼惺艿膽?yīng)力大小： 斷裂前塑性變形量的大小斷裂前塑性變形量的大小: 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(b): 抵抗最大均勻塑性變抵抗最大均勻塑性變形的應(yīng)力值形的應(yīng)力值屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度(s): 抵抗微抵抗微量塑性變形的應(yīng)力值量塑性變形的應(yīng)力值斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)率()、斷面收縮率、斷面收縮率( )三、力學(xué)性能及指標(biāo)三、力學(xué)性能及指標(biāo)（一）（一）強(qiáng)度強(qiáng)度 材料抵抗變形或斷裂的能力稱(chēng)為。材料抵抗變形或斷裂的能力稱(chēng)為。1 彈性極限彈性極限(e ) ：規(guī)定彈性極限：規(guī)定彈性極限r(nóng)0.012 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度：材料開(kāi)始發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的：材料開(kāi)始發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力值應(yīng)力值 (s ), Mpa 。 (

15、1) 實(shí)質(zhì)是實(shí)質(zhì)是抵抗微量塑性變形的抗力抵抗微量塑性變形的抗力。 (2) 無(wú)明顯屈服現(xiàn)象時(shí)采用條件屈服極限無(wú)明顯屈服現(xiàn)象時(shí)采用條件屈服極限0.2 規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值s0.2bbe 低碳鋼與鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼與鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變曲線 斷裂與塑性變形是材料斷裂與塑性變形是材料失效的形式失效的形式3 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度：材料在破斷前所承受的最：材料在破斷前所承受的最大應(yīng)力值（大應(yīng)力值（ b ） , Mpa 。 產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力。產(chǎn)生最大均勻塑性變形的抗力。 存在頸縮現(xiàn)象存在頸縮現(xiàn)象不均勻塑性變形不均勻塑性變形注意：注意： 塑性變形中塑性變形

16、中: s 2 （二）塑性（二）塑性 材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力。材料斷裂前發(fā)生永久不可逆變形的能力。 (1) 伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率（ ）：試樣拉斷后標(biāo)距的增）：試樣拉斷后標(biāo)距的增長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之比長(zhǎng)量與原始標(biāo)距長(zhǎng)度之比; = (L斷后斷后-L原始原始)/ L原始原始%=L / L0 % (2) 斷面收縮率斷面收縮率（ ）：試樣拉斷處橫截）：試樣拉斷處橫截面積的縮減量與原始橫截面積之比面積的縮減量與原始橫截面積之比. = (A原始原始- A斷后斷后)/ A原始原始%=A / A0 % 、越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好 通常通常 5% 脆性材料脆性材料 塑性的意義：塑性的意義： 成形

17、成形 安全安全（三）硬度（三）硬度 材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即受材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即受壓時(shí)抵抗表面局部塑性變形的能力。壓時(shí)抵抗表面局部塑性變形的能力。 衡量材料軟硬程度的指標(biāo)衡量材料軟硬程度的指標(biāo) 硬度與強(qiáng)度間存在一定關(guān)系硬度與強(qiáng)度間存在一定關(guān)系(1) 布氏硬度布氏硬度(HB)較軟材料較軟材料有色金屬有色金屬 (2) 洛氏硬度洛氏硬度(HR)硬度中等硬度中等鋼鐵材料鋼鐵材料 具體：具體：HRA、HRB、HRC 其中其中HRC：軟硬范圍較寬，應(yīng)用最廣：軟硬范圍較寬，應(yīng)用最廣 維氏硬度維氏硬度(HV) 較硬材料較硬材料(3)顯微硬度顯微硬度(HV) 測(cè)定材料內(nèi)部微區(qū)的相、測(cè)定

18、材料內(nèi)部微區(qū)的相、組織的硬度組織的硬度球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值較軟材料：有色金屬、灰口鑄鐵等較軟材料：有色金屬、灰口鑄鐵等 布氏硬度布氏硬度(HB)通常碳素鋼：通常碳素鋼：bHB測(cè)定壓痕深度測(cè)定壓痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：注：h: 壓痕深度壓痕深度 k:常數(shù)，常數(shù)，0.2或或0.26mm;0.002mm: 一個(gè)洛氏硬一個(gè)洛氏硬度單位度單位適合測(cè)量的材料適合測(cè)量的材料HRA：硬質(zhì)合金：硬質(zhì)合金 ； HRC: 淬火鋼淬火鋼HRB: 低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵低碳鋼、銅合金、鐵素體可鍛鑄鐵 洛氏硬度：洛氏硬度：維氏硬度維氏硬度：

19、 壓痕單位表面積上壓痕單位表面積上所承受的平均壓力值所承受的平均壓力值金剛石正四棱錐體金剛石正四棱錐體壓頭壓頭 硬度表示方法硬度表示方法：HBS200 HBW400HRA55 HRB30 HRC45HV900 HV1100F（四）韌性（四）韌性 當(dāng)加載速度極快時(shí)，不能用靜載當(dāng)加載速度極快時(shí)，不能用靜載荷下的荷下的 s、 b作失效判據(jù)。作失效判據(jù)。1 引入引入沖擊韌性沖擊韌性(k) : 材料在材料在沖擊載荷沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力作用下抵抗破壞的能力用破壞材料時(shí)所消耗的功衡量用破壞材料時(shí)所消耗的功衡量,是強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo)是強(qiáng)度與塑性的綜合指標(biāo) ，k；或或，kk =Ak/s金屬的金屬的k與

20、溫度直接相關(guān)：與溫度直接相關(guān)：（1）T，k（2）存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度）存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度Tk ：當(dāng)：當(dāng)T Tk 時(shí)，金屬為脆性狀態(tài)時(shí)，金屬為脆性狀態(tài)k 脆性區(qū)脆性區(qū)韌性區(qū)韌性區(qū)IyK3c o s( 1 s i ns i n)2 222 當(dāng)材料內(nèi)部存在當(dāng)材料內(nèi)部存在裂紋裂紋缺陷時(shí)：缺陷時(shí)： 2 斷裂韌度斷裂韌度K KIcIc裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中應(yīng)力被放大應(yīng)力被放大 當(dāng)當(dāng)、a a達(dá)到某臨界值時(shí)達(dá)到某臨界值時(shí), ,裂紋失穩(wěn)擴(kuò)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，此時(shí)的展，此時(shí)的K KI I稱(chēng)為稱(chēng)為斷裂韌度斷裂韌度K KIcIc 材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的性能材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的性能) aY(K aKII引入應(yīng)力

21、場(chǎng)強(qiáng)度因子：引入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：應(yīng)力大小應(yīng)力大小裂紋尺寸裂紋尺寸裂紋形狀裂紋形狀工程材料：制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件、工程材料：制造工程構(gòu)件和機(jī)械零件、 工具、特工具、特 殊性能材料殊性能材料(耐蝕、耐高溫耐蝕、耐高溫) 分類(lèi)分類(lèi)：按原子間結(jié)合鍵的性質(zhì)分：按原子間結(jié)合鍵的性質(zhì)分一、金屬材料一、金屬材料： 黑色金屬黑色金屬：鐵和以鐵為基的合金：鐵和以鐵為基的合金 純鐵、鋼、鑄鐵、鐵合金純鐵、鋼、鑄鐵、鐵合金 占工程材料的占工程材料的90 有色金屬有色金屬：黑色金屬以外所有金屬、合金：黑色金屬以外所有金屬、合金 輕金屬、難熔金屬、貴金屬等輕金屬、難熔金屬、貴金屬等 金屬鍵金屬鍵(過(guò)渡金屬含少量共價(jià)鍵過(guò)渡金屬含少量共價(jià)鍵)3 工程材料的分類(lèi)工程材料的分類(lèi)二、二、 陶瓷材料陶瓷材料陶瓷定義：陶瓷定義： 由一種或多種金屬元素由一種或多種金屬元素( (含半金屬元素含半金屬元素如如SiSi等等) )同一種非金屬元素形成的化合物。同一種非金屬元素形成的化合物。 CaOCaO、TiOTiO2 2、AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、SiSi3 3N N4 4 CaTiO CaTiO3 3、MgAlMgAl2 2O O4 4、 傳統(tǒng)：硅酸鹽類(lèi)材料傳統(tǒng)：硅酸鹽類(lèi)材料 現(xiàn)今：各種無(wú)機(jī)非