第1章 緒論與材料的性能

材料科學(xué)與工程學(xué)院侯清宇本科生課程金屬學(xué)與熱處理第1章緒論及金屬的性能1/38教學(xué)要求：1、介紹材料科學(xué)及金屬材料的地位與作用；2、介紹課程的性質(zhì)和內(nèi)容；3、介紹金屬力學(xué)性能及測(cè)試方法。目標(biāo)：了解金屬的力學(xué)性能及其測(cè)試方法。

重點(diǎn)：金屬的力學(xué)性能及其測(cè)試方法。學(xué)時(shí)：共2學(xué)時(shí)。人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展取決于以勞動(dòng)工具為代表的生產(chǎn)力的發(fā)展。勞動(dòng)工具的進(jìn)步又離不開(kāi)材料的發(fā)展。1、材料指人類(lèi)能用來(lái)制作有用物件的物質(zhì)。2、材料科學(xué)與工程材料科學(xué)：主要研究材料的設(shè)計(jì)與制備、組織結(jié)構(gòu)與材料性能的基礎(chǔ)關(guān)系。材料工程：研究如何將材料加工成構(gòu)件。一、材料科學(xué)的重要地位與作用2/38材料科學(xué)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是工業(yè)生產(chǎn)的支柱，工業(yè)應(yīng)用以工程材料為主。工程材料：指工程上使用的各種材料。具有一定性能在特定條件下能夠承擔(dān)某種功能被用于制取零件和原件3/383、工程材料的分類(lèi)(1)按化學(xué)成分：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料；(2)按使用性能：結(jié)構(gòu)材料、功能材料。

結(jié)構(gòu)材料：以強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能為性能指標(biāo)，用來(lái)制造承受載荷、傳遞動(dòng)力的零件和構(gòu)件，并兼一定物理、化學(xué)性能的工程材料。

功能材料：指具有特異物理化學(xué)性質(zhì)的工程材料，如超導(dǎo)材料、激光材料、半導(dǎo)體材料、儲(chǔ)能材料等。4/38確立兩個(gè)關(guān)系：性能與成分、組織結(jié)構(gòu)間的關(guān)系；組織結(jié)構(gòu)與成分和加工工藝間的關(guān)系材料科學(xué)與工程的主要任務(wù)合成與工藝材料成為工業(yè)產(chǎn)品的橋梁化學(xué)成分最本質(zhì)因素性能材料應(yīng)用的基礎(chǔ)組織結(jié)構(gòu)最直接因素改變材料的化學(xué)成分改進(jìn)材料的合成與工藝。5/38二、材料科學(xué)與工程的四要素提高材料性能的途徑6/381、化學(xué)成分：組成材料的各元素及其其濃度。Composition2、組織：用肉眼或借助于不同放大倍數(shù)的顯微鏡所觀察到的金屬材料內(nèi)部的情景。Microstructure

低倍組織/宏觀組織：肉眼或幾十倍放大鏡觀察到的組織。質(zhì)量檢驗(yàn)的第一步高倍組織/顯微組織：放大100～2000倍的組織。性能研究的必經(jīng)途徑——一般用光學(xué)顯微鏡精細(xì)組織/電鏡組織：在電子顯微鏡下放大幾千～幾十萬(wàn)倍的組織。強(qiáng)韌化機(jī)制研究的必經(jīng)途徑——一般用掃描電鏡或透射電鏡7/38鋼的宏觀組織、顯微組織和電鏡組織。鋼錠的宏觀組織顯微組織電鏡組織8/383、結(jié)構(gòu)：材料中各原子的具體組合狀態(tài)。可通過(guò)X-射線衍射或透射電鏡研究。StructureAl的高分辨透射電鏡像純Al的透射電鏡衍射斑點(diǎn)純Al的X-射線衍射9/38SEM5nmTEM

Optical實(shí)際關(guān)心的是性能，其取決于哪些因素呢?10/38(1)化學(xué)成分不同，性能不同。

材料抗拉強(qiáng)度，MPa延伸率，%退火純鋁80~10032-40退火純銅200-24045-50退火純鐵250-33025-55(2)化學(xué)成分相同，處理方式不同，性能不同。金屬學(xué)研究的內(nèi)容

0.8%C的鋼鋸條加熱到800oC并保溫：一根出爐后水冷，性硬而脆，一彎就斷；另一根隨爐緩慢冷卻，性軟，彎曲90o不斷。熱處理研究的內(nèi)容

11/38三、課程性質(zhì)、任務(wù)及目的1、課程性質(zhì)與考試形式

專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課—共56學(xué)時(shí)。閉卷考試—百分制。2、本課程的主要任務(wù)研究金屬與合金的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、合成與工藝和性能及其之間關(guān)系與變化規(guī)律。┗課程體系包括金屬學(xué)、金屬熱處理、金屬材料學(xué)、金屬力學(xué)性能等。12/383、本課程的目的利用材料科學(xué)與工程四要素之間的關(guān)系及影響規(guī)律進(jìn)行科學(xué)研究指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐

研制新合金材料13/38鐵碳相圖4緒論及金屬的力學(xué)性能1金屬與合金的結(jié)構(gòu)2金屬與合金的結(jié)晶與相圖35工業(yè)用鋼及鑄鐵6鋼的熱處理原理與工藝四、課程的主要內(nèi)容緒論及第1章第2章第3-4章第5章第10章第11-12章金屬學(xué)熱處理金屬材料學(xué)14/38平時(shí)成績(jī)與考試相結(jié)合。不出勤或不完成作業(yè)占比達(dá)30%及以上者失去考試資格?？偝煽?jī)考勤作業(yè)+實(shí)驗(yàn)考試100%20%10%70%五、考核方式●《金屬學(xué)與熱處理》崔占全等北京大學(xué)出版社●《金屬學(xué)與熱處理》崔忠圻機(jī)械工業(yè)出版社六、主要參考書(shū)目15/38教師：侯清宇

電話/p>

QQ：757692596七、個(gè)人相關(guān)16/38第1章金屬的性能17/38使用性能：指金屬材料制成零件后為保證其正常工作及一定使用壽命應(yīng)具備的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：指金屬在加工成零件或構(gòu)件過(guò)程中應(yīng)具備的適應(yīng)加工的性能。包括冶煉性能、鑄造性能、鍛壓性能、切削加工性能、焊接性能及熱處理工藝性能等。例如九江長(zhǎng)江大橋15MnVN鋼的焊接性1、金屬材料的地位金屬的性能決定了其尚無(wú)法被非金屬材料等所取代。橋梁鋼種主跨綜合性能武漢長(zhǎng)江大橋1956年碳素結(jié)構(gòu)鋼A3—Q235128m一定的強(qiáng)度和塑形，焊接性良好。南京長(zhǎng)江大橋1968年低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼16Mnq—Q345160m強(qiáng)度較高，良好的綜合力學(xué)性能和焊接性。九江長(zhǎng)江大橋1992年低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼15MnVNq—Q420216m強(qiáng)度更高，良好的綜合力學(xué)性能和焊接性能。蕪湖長(zhǎng)江大橋2000年低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼14MnNbq—Q390312m強(qiáng)度較高，良好的綜合力學(xué)性能，屈強(qiáng)比高，焊接性能優(yōu)良。馬鞍山長(zhǎng)江大橋2013年低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼?1080m強(qiáng)度更高，良好的綜合力學(xué)性能和焊接性能。18/38使用性能是保證能不能使用；工藝性能是保證能不能生產(chǎn)和制造的問(wèn)題。

兩者有時(shí)是一致的，有時(shí)互相矛盾。690MPa級(jí)的大型艦船要求：強(qiáng)韌性、淬透性和焊接性均好。采用06MnNiCuNb時(shí)效厚板焊接。為什么采用超低碳？合金元素的作用？T10碳素工具鋼用于制作鋸條：要求強(qiáng)度和硬度高，耐磨性好。

為什么采用高碳？19/3820/382、金屬材料的變形五萬(wàn)噸水壓機(jī)在外力作用下發(fā)生的形狀和尺寸變化稱(chēng)為變形。外力去除后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。外力去除后不能恢復(fù)的變形稱(chēng)為塑性變形。與其力學(xué)性能密切相關(guān)21/38§

1.1金屬的力學(xué)性能如何獲得力學(xué)性能-靜載下，一般采用拉伸試驗(yàn)。22/38拉伸試樣23/38拉伸應(yīng)力作用下的變形過(guò)程一般可分為四個(gè)階段：彈性變形、不均勻屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形。屈服：應(yīng)力幾乎不增加但應(yīng)變?cè)黾拥默F(xiàn)象。一、應(yīng)力-應(yīng)變曲線e應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)力σ：?jiǎn)挝幻娣e上試樣承受的載荷。應(yīng)變?chǔ)牛簡(jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量。應(yīng)力-應(yīng)變曲線：σ-

ε曲線。退火低碳鋼低、中回火鋼淬火鋼及鑄鐵中碳調(diào)質(zhì)鋼有些材料沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象。24/38在同一張圖中畫(huà)出退火低碳鋼-中碳鋼-高碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線25/38彈性變形：外力去除后可以恢復(fù)的變形。指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。彈性模量E：標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，表示材料的剛度，符合胡克定律。彈性模量的大小主要取決于原子本性與晶格類(lèi)型，除隨溫度升高而逐漸降低外，其它強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。可通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件或構(gòu)件的剛度—構(gòu)件剛度AE與材料剛度E。二、彈性與剛度e應(yīng)力-應(yīng)變曲線26/381、強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力。屈服強(qiáng)度s：材料對(duì)微量塑性變形的抗力，是零件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，零件設(shè)計(jì)和評(píng)定材料的重要指標(biāo)。三、強(qiáng)度和塑性條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。27/382、塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標(biāo)為伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ。

上述兩值越大，材料的塑性越好。用斷面收縮率表示塑性比伸長(zhǎng)率更接近真實(shí)變形。28/38硬度：指材料對(duì)局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力。是材料力學(xué)性能的一個(gè)綜合物理量。常用壓入法測(cè)量硬度值。主要有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、維氏硬度（HV）等。四、硬度1、布氏硬度：用直徑D的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球，在一定壓力P下，將鋼球垂直地壓入金屬表面，并保持壓力到規(guī)定的時(shí)間后卸荷，測(cè)壓痕直徑d。29/38布氏硬度計(jì)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料。壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在450~650的材料。30/38布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適用范圍：相對(duì)較軟的材料，如退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼件；有色金屬；有粗大晶粒或粗大組成相的材料，如灰鑄鐵和軸承合金等。2、洛氏硬度：用金剛石圓錐或淬火鋼球作壓頭，在規(guī)定的預(yù)載荷和總載荷下，壓入材料，卸載后，測(cè)其深度ｈ，可在洛氏硬度計(jì)上直接讀出。h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)

(1)施加預(yù)應(yīng)力F0，得到表面到壓痕底部的深度h0；(2)施加主應(yīng)力F，得到表面到壓痕底部的深度h1；(3)用壓痕深度h=h1-h0表征洛氏硬度值，越大，硬度越低。為照顧習(xí)慣上數(shù)值越大硬度越高的概念，一般用常數(shù)k減去h，并規(guī)定每0.002mm為一個(gè)洛氏硬度單位，則其計(jì)算公式為：

金剛石圓錐時(shí)k=0.2mm，淬火鋼球時(shí)k=0.26mm。31/38布氏硬度與洛氏硬度的比較：

洛式硬度壓痕小，測(cè)量值有局部性，須測(cè)數(shù)點(diǎn)求平均值，精度差，波動(dòng)大。適用于成品和薄片，歸于無(wú)損檢測(cè)一類(lèi)；

布式硬度壓痕較大，測(cè)量值準(zhǔn)，不適用成品和薄片，一般不歸于無(wú)損檢測(cè)一類(lèi)。硬度與強(qiáng)度之間的關(guān)系：實(shí)踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。一般而言，材料的強(qiáng)度越高，硬度值也就越高。32/38常用洛氏硬度及其應(yīng)用布氏硬度不適于檢測(cè)高硬度材料，洛氏硬度雖可實(shí)現(xiàn)不同硬度測(cè)量，但不同標(biāo)尺的洛氏硬度不能相互直接比較。怎么辦？33/38維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度計(jì)3、維氏硬度：一種以正四棱錐金剛石為壓頭的硬度測(cè)量方法。壓頭的兩個(gè)相對(duì)面間的夾角為136O，硬度值定義與布氏硬度相同，但壓痕形狀為四棱錐，用測(cè)量壓痕對(duì)角線的平均長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算壓痕面積及硬度值-統(tǒng)一標(biāo)尺，由軟到硬均可測(cè)量?？筛鶕?jù)試樣大小和厚薄等選擇試驗(yàn)力?？蓽y(cè)表面滲層。34/38韌性：材料斷裂前吸收塑性變形功和斷裂功的能力。沖擊韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬材料的沖擊韌性。五、沖擊韌性35/38開(kāi)缺口時(shí)，有U型缺口和V型缺口。一般采用沖擊吸收功Ak來(lái)衡量材料沖擊韌性的大小。沖擊吸收功：擺錘沖斷試樣時(shí)失去的動(dòng)能，為試樣變形和斷裂所消耗的功。36/38§

1.2金屬的化學(xué)性能

耐蝕性能：金屬材料在常溫下抵抗氧化、水蒸氣及其他化學(xué)介質(zhì)腐蝕破壞作用的能力。

抗氧化性能：金屬材料在