1、材料学及过程控制 Materials Science and Processing Controll 多媒体教学课件,任课教师：材料学院 马凤仓,课 时：48 考核方式：考试 时间地点：5-20周/单周,周一，34节，一教400；5-20周/周,周三，78节，一教137 教 材：金属学与热处理第2版，机械工业 出版社，崔忠圻,提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的化学成分，另一方面改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。（例如：低、中、高碳钢；退火钢、调质钢等）,*材料科学研究的四要素及相互关系线：,性 能 Performance,本课程内容1 金属材学与热处理研究内容：成分、
2、组织结构、工艺、性能其课程体系：金属学、金属热处理、金属材料学等2 本课程主要内容:金属学： 第一 第八章金属热处理：第九 第十章金属材料学：第十一章 第十三章,1 课程研究的对象、目的及要求一 研究对象、任务和目的1 研究的对象金属和合金。 什么是金属？什么是合金？（1）金属的性质* 高的导电性和导热性；* 金属光泽；* 良好的延展性(塑性)；* 不透明,绪论,即：具有正的电阻温度系数。,* * *电阻随温度升高而升高金属与非金属的本质差别,t=0 (1+T),某些纯金属在绝对零度附近的超导电性,(2) 金属与合金的定义,金属定义：具有正的电阻温度系数的物质。,合金定义：一种金属元素与另一种
3、或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。,(3) 金属原子的结构特点,最外层的电子数很少，一般为12个。最外层的电子与原子核的结合力较弱，所以很容易脱离原子核的束缚而成为自由电子，金属原子成为正离子。,过渡族金属元素，如钛，钒，铁等，这类元素的原子在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。因此过渡族金属原子，不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的12个电子。因此，当过渡族金属原子彼此结合时，不仅最外层电子参与结合，次外层电子业参与结合，结合力强，表现为：熔点高、强度高。,原子结构的电子云模型,Fe:1s22s22p63s23p63d64s2,试用金属键模
4、型解释：金属特性（导电、导热、正电阻温度系数、不透明，有金属光泽、延展性）,(4) 金属中原子的结合方式：金属键,(5) 结合力与结合能,双原子作用模型作用力-原子间距图，作用能-原子间距图用两个图解释金属理论抗拉强度、金属弹性 模量，金属的熔点和线膨胀系数,为了使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定的状态，原子间必须保持一定的平衡距离，所以，固态金属中的原子有一平衡位置，趋于规则排列，在平衡位置附近作微弱的热振动。,非金属中：离子键、共价键等,结合键强, 离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数大，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。,共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬
5、度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。,2 本课程的主要任务： 研究金属与合金的化学成分、加工工艺、组织结构和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律。 此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是性能,举例：b(MPa),铝合金 400600铜合金 60070040钢(退火态) 500 40钢(调质态) 800,性能取决于什么因素呢？, 化学成分不同，性能不同,纯铝 40纯铜 60纯铁 200, 化学成分相同，处理方式不同，性能不同,0.8C 的钢锯条800，冷却方式不同一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断；另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲90 度不断。,又如：石墨和金刚石均由碳原子构成，但性能
6、迥异。原因：碳原子的空间排列方式不同即内部组织结构不同,（1）原子结构： 取决于原子种类,什么是组织结构？,材料不同层次的结构,（2）晶体结构： 原子在空间的排列方式,合金相形貌,金属多晶体结构,显微组织,（3）组织结构（显微组织）：在不同放大倍数放大镜、显微镜下观察到的金属的内部形貌,原子种类; 内部原子排列的方式; 合金元素的存在方式; 内部不同尺度的各种结构缺陷,材料的组织结构取决于:,3 目的利用上述四要素关系和规律： （1）进行科学研究； （2）指导生产实践； （3）研制新合金材料。,(1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法； (2)掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性
7、能间关系的一般规律； (3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。 四 参考文献： (1)材料科学基础, 西安交通大学, 石德珂 (2)工程材料, 朱张校，清华大学出版社, 2000 (3)工程材料, 丁厚福，武汉理工大学出版社, 2001,4 要求：,一、金属材料性能的种类,2 金属材料力学性能,金属材料加工过程：冶炼铸造,铸锭,板棒型管,焊接,机加工,冷轧冷拔,深冲,锻件,铸件,机加工： 车、铣、刨、磨,零件或构件,热轧,热锻,工艺性能,使用性能,故材料性能包含使用性能与工艺性能两方面：,1 使用性能 ：在使用条件下所表现的性能力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等)；物理性能（光、
8、电、磁等）；化学性能 (抗氧化性、抗腐蚀性等)；其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等)；,2 工艺性能：材料制备、加工过程中所表现的,铸造性能（流动性、收缩、偏析等)；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；切削加工性；焊接性；热处理性能； 等等,二、力学性能：工程材料在外力作用下所反应出来的性能 又称机械性能,主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等,强度与塑性的测定借助应力应变曲线,应力: = P/A0 (MPa) 应变: = L/L0=(L1-L0)/L0,1 应力应变曲线拉伸实验测定,工程材料的机械性能材料在受力时的性质,拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线,拉伸试验机,变形三阶段：(1) 弹
9、性变形、(2) 塑性变形、(3) 断裂,低碳钢应力应变曲线,(1) 弹性变形: 特点：应力撤消后, 变形消失；应力与应变成正比关系；总变形量很小：1% 主要性能指标：弹性极限e ：保持弹性变形的最大应力，MPa弹性模量E： =E,(2 ) 塑性变形: 应力撤消后, 变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。,特点： (1)变形具永久性、不可逆性 (2)应力与应变非正比关系； (3)变形量较大 可以塑性加工的原因,塑性变形中的重要指标: 承受的应力大小：,断裂前塑性变形量的大小:,抗拉强度(b): 抵抗最大均匀塑性变形的应力值,屈服强度(s): 抵抗微量塑性变形的应力值,断后伸长率()、断面收缩率
10、( ),三、力学性能及指标 （一）强度材料抵抗变形或断裂的能力称为。,1 弹性极限(e ) ：规定弹性极限r0.01 2 屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的应力值 (s ), Mpa 。(1) 实质是抵抗微量塑性变形的抗力。(2) 无明显屈服现象时采用条件屈服极限0.2 规定残余伸长率为0.2%时对应的应力值,断裂与塑性变形是材料失效的形式,3 抗拉强度：材料在破断前所承受的最大应力值（ b ） , Mpa 。 产生最大均匀塑性变形的抗力。 存在颈缩现象不均匀塑性变形 注意： 塑性变形中: s b,4 屈强比（ s / b ）： 0.60.85屈强比高，强度利用率高；屈强比低，安全性高 综
11、合考虑材料利用率和安全性,工程设计中： 塑性材料： 选s或0.2作为极限应力0：工作应力许用应力0/n 安全系数 n = 1.52 脆性材料：常选b作为极限应力0：工作应力许用应力0/n n 2,（二）塑性,材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。(1) 伸长率（ ）：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比; = (L断后-L原始)/ L原始%=L / L0 %(2) 断面收缩率（ ）：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比.= (A原始- A断后)/ A原始%=A / A0 %, 、越高，材料的塑性越好通常 5% 脆性材料塑性的意义： 成形 安全,（三）硬度,材料抵抗另一硬物压入其内的能
12、力，即受压时抵抗表面局部塑性变形的能力。 衡量材料软硬程度的指标 硬度与强度间存在一定关系 (1) 布氏硬度(HB)较软材料有色金属 (2) 洛氏硬度(HR)硬度中等钢铁材料具体：HRA、HRB、HRC其中HRC：软硬范围较宽，应用最广 维氏硬度(HV) 较硬材料 显微硬度(HV) 测定材料内部微区的相、组织的硬度,1布氏硬度HB ( Brinell-hardness ),测试压头为淬火钢球 测试压头为硬质合金,适用范围:,450HBS;,650HBW;,球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值 较软材料：有色金属、灰口铸铁等,测定压痕深度HR=(k-h)/0.002注：h: 压痕深度k:常数，
13、0.2或0.26mm; 0.002mm: 一个洛氏硬度单位,适合测量的材料 HRA：硬质合金 ； HRC: 淬火钢 HRB: 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁,洛氏硬度：,维氏硬度：压痕单位表面积上所承受的平均压力值 金刚石正四棱锥体压头,硬度表示方法： HBS200 HBW400 HRA55 HRB30 HRC45 HV900 HV1100,F,（四）韧性,当加载速度极快时，不能用静载荷下的 s、 b作失效判据。 1 引入冲击韧性(k) : 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力,用破坏材料时所消耗的功衡量, 是强度与塑性的综合指标,，k； 或，k,k =Ak/s,A k = m g H m g
14、h (J),冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。,ak值低脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。 ak值高韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。,金属的k与温度直接相关： （1）T，k （2）存在韧脆转变温度Tk ：当T Tk 时，金属为脆性状态k ,脆性区,韧性区,Titanic沉没原因,Titanic 含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果,一项新的科学研究回答了80年未解之谜,当材料内部存在裂纹缺陷
15、时：,2 断裂韧度KIc,裂纹尖端产生应力集中应力被放大,当、a达到某临界值时,裂纹失稳扩展，此时的KI称为断裂韧度KIc 材料抵抗裂纹失稳扩展的性能,引入应力场强度因子：,应力大小,裂纹尺寸,裂纹形状,工程材料：制造工程构件和机械零件、工具、特 殊性能材料(耐蚀、耐高温)分类：按原子间结合键的性质分 一、金属材料：黑色金属：铁和以铁为基的合金纯铁、钢、铸铁、铁合金占工程材料的90有色金属：黑色金属以外所有金属、合金轻金属、难熔金属、贵金属等金属键(过渡金属含少量共价键),3 工程材料的分类,二、 陶瓷材料,陶瓷定义：由一种或多种金属元素(含半金属元素如Si等)同一种非金属元素形成的化合物。C
16、aO、TiO2、Al2O3、SiC、Si3N4CaTiO3、MgAl2O4、传统：硅酸盐类材料现今：各种无机非金属材料的统称不含碳氢氧结合的化合物,离子键为主硬度高、脆普通陶瓷：硅、铝氧化物的硅酸盐材料特种陶瓷：高熔点的氧化物、碳化物、氮 化物、硅化物等的烧结材料金属陶瓷：金属与碳化物或其他化合物的粉末冶金制品发展：纳米技术陶瓷增韧,三、高分子材料：有机合成材料、聚合物 大分子化合物：共价键、分子键较高强度、良好的塑韧性、较强的耐腐蚀性、优良的绝缘性工程塑料、合成纤维、合成橡胶,四、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料目前非金属材料的应用：5%6%金属材料仍是最主要的工程材料,思考题,1 简述本课程的主要内容以及本课程的基本任务；2 金属材料的性能与哪三大因素有关，提高材料性能的两条主要途径是什么？3 材料的性能包括哪两个方面？说明下列符号所表示的意义及量纲： e、s、b、0.2、ak 、HB、HRC、Hv；4 什么是强度？塑性？硬度？韧性？,
