金属材料及热处理工艺.ppt

金属材料及热处理工艺-公共选修课程,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，2009.032、工程材料，刘天模、徐幸梓主编，机械工业出版社，20013、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,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。,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！,400,000BC4,500BC石器时代（StoneAge）,燧石：神奇的石头,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,4,500BC1,000BC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,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(yu),戈,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。,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。,1450BC铁制车轮,1500AD廉价的冶铁业,1000BC铁器时代（IronAge）,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,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,轻质材料,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。,1980s：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。,核能材料,NuclearpowerstationatLeibstadt,Switzerland,uraniumoxidebeads,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,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,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,微机械,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,复合材料,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.,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,而其核心是围绕:“结构与性能”的相互辩证关系。,What?“组织结构”,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。,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,曲线分为四阶段：1阶段I（oab）弹性变形阶段a:Ppb:Pe（不产生永久变形的最大抗力）oa段：LP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,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,低钢、正火、退火调质中钢，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。铸铁、陶瓷：只有第I阶段中、高碳钢：没有第II阶段,颈缩,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：=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。,1屈服强度s(yieldstrength)和条件屈服强度0.2a:s=Ps/Fo（s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。）,b:0.2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：b=s灰口铸铁,2抗拉强度(tensilestrength)b=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）。,3疲劳强度-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-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:-1=(0.450.55)b,过载持久值,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）,10%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,越大，塑性愈好KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KIKIC时，