1、 金属材料及热处理工艺n 第一讲 材料概论与材料性能n 第二讲 材料的结构n 第三讲 金属的塑性变形与再结晶n 第四讲 材料的凝固与铁碳相图n 第五讲 金属的热处理(一)-原理n 第六讲 金属的热处理(二)-工艺n 第七讲 工业用钢n 第八讲 铸铁n 第九讲 有色金属及其合金n 第十讲 新型金属材料及其常用分析技术参考教材n 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，2009.03n 2、工程材料，刘天模、徐幸梓主编，机械工业出版社，2001n 3、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n 材料的定义：材
2、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。1.1 材料与人类文明一、材料与人类文明发展(历史贡献)n 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。400,000 BC4,500 BC石器时代(Stone Age)陶器(Pottery)n 陶器的出现是人类跨入新石器時代的重要标志之一。n 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。4,
3、500 BC1,000 BC 青铜时代(Bronze Age)n 从矿石中提炼铜冶金业的黎明青铜：第一种合金n 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。n 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。n 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。三星堆n 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
4、之王”。n 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n 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。n 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。二、 材料与人类现代文明-材料是发展高科技的先导和基石n 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-技术大厦的砖石建筑、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
5、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。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。能源p 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。n 主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料n 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n S
6、i 半导体材料为代表的太阳能电池材料n 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。What? 各类材料的性能特点p 金属材料主要为金属键。q 热和电的良导体q 具有良好的强度与延展性以及金属光泽p 陶瓷材料通常为离子键或共价键。q 绝缘体而且比较耐热。p 高分子材料通常为共价键、分子键和氢键，以共价键为主。q 分子结构都非常巨大q 通常密度较低，在高温下不稳定。p 复合材料性能的复合.二、材料的强度(strength)材料所能承受的极限应力.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。公式：=P/Fo单位： MPa(MN/mm2)1.屈服强度
7、s ( yield strength)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。)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 灰口铸铁四、刚度和弹性u E=/ 杨氏弹性模量 GPa, MPau 本质是：反映了材料内部原子种类及其结合力的大小，组织不敏感的力系指标。u 比例极限：p=Pp/Fo 应力应变保持线性关系的极限应力值u 弹性极限：e=Pe/Fo 不产永久变形的最大抗力。u 工程上，p、e 视为同一值，通常也可用 0.01、断裂韧性问题的提出前面
8、所述的力学性能，都是假定材料内部是完整、连续的，但是实际上，内部不可避免的存在各种缺陷(夹杂、气孔等)，由于缺陷的存在，使材料内部不连续。低应力脆断断裂力学2.应力场强度因子 KI裂纹尖端前沿有应力集中产生，形成一个裂纹尖端应力场。表示应力场强度的参数“应力场强度因子”，单位为 MNm-3/2。KI：应力场强度因子;Y：裂纹形状，加载方式，试样几何尺寸，试验类型有关的系数几何形状因子，可查手册得到;：外加应力，单位为 MPa;a ：裂纹的半长，单位为 mm。断裂韧性 KIC对于一个有裂纹的试样，在拉伸载荷作用下，Y 值是一定的，当外力逐渐增大，或裂纹长度逐渐扩展时，应力场强度因子也不断增大，当
9、应力场强度因子 KI 增大到某一值时就可使裂纹前沿某一区域的内应力大到足以使材料产生分离，从而导致裂纹突然失稳扩展，即发生脆断。这个应力场强度因子的临界值，称为材料的断裂韧性，用 KIC 表示，它表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。u 当 KIKIC 时，裂纹失稳扩展，发生脆断。u KI=KIC 时，裂纹处于临界状态u KI KIC 可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。断裂韧性是强度和韧性的综合体现。p (1)已知 2a、 ，选择一定 KIC 的材料或根据 KI
10、C，制定零件工作是否安全 KI KIC ，失稳扩展。p (2)已知 2a、KIC，计算承受的最大应力 。p (3)已知 、KIC，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸 2a 。p 1.热膨胀原子(或分子)受热后平均振幅增加(1)体积膨胀系数 (2)线膨胀系数 结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则膨胀系数越小。p 2.热传导自由电子的运动和晶格振动。导热系数 ：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量，单位为 W/(mK)p 3.热容：材料在温度升高 1时所吸收的热量叫做热容。一克物质的热容也叫比热。二、加工性能(可加工性)1.铸造性能(流动性、收缩、偏析倾向)铸造铝、铜合金铸铁(灰口)铸钢(共晶点附近最好)2.锻造性能(塑性、变形抗力)低碳钢中碳钢(低合金钢)高碳钢(高合金钢)铸铁不可锻压3.焊接性能(可焊性、焊后开裂的倾向、焊区硬度)低碳钢中碳钢(低合金钢)高碳钢(高合金钢)铜、铝合金4.切削性能(切削难易程度、加工表面质量)5.热处理工艺性能(热处理难易程度及产生缺陷的倾向)淬透性、变形和开裂、过热敏感性、回火脆化和氧化脱碳等
