《金属材料导论》PPT课件.ppt

金属材料工程概论主主主主 编编编编 刘宗昌刘宗昌刘宗昌刘宗昌 任慧平任慧平任慧平任慧平 郝少祥郝少祥郝少祥郝少祥教教教教 师师师师 陈召松陈召松陈召松陈召松电电电电 话话话话 177085331311770853313117708533131177085331311本教材主要内容本教材主要内容 第一章第一章 材料在国民经济中的地位材料在国民经济中的地位 第二章第二章 金属材料导论金属材料导论 第三章 金属材料的生产及加工 第四章 金属结构材料 第五章 不锈钢和耐热钢 第六章 金属耐磨材料 第七章 金属功能材料 第八章 亚稳态材料 第九章 铸铁 第十章 有色金属及合金 第十一章 非金属材料 第十二章 金属整合系统 第十三章 材料科学基础理论知识23第二章 金属材料导论2.1材料简史及金属科学•人类和自然斗争的历史可大致分为两大时代：•石器时代•金属时代•到目前为止，全世界金属材料的总年产量已达数十亿吨。

•我国从青铜器、铁器发展引领世界发展潮流，到近代落后于西方42.1材料简史及金属科学金属学是由早期金相学/物理化学/材料力学结合的独立学科5•金属学主要研究的中心内容是：金属材料的成分、组织结构、性能三者之间的关系及其变化规律2.2 金属材料的一般特性1.1.使用性能使用性能 ———— 在正常工作条件下，材料应具备的性能在正常工作条件下，材料应具备的性能 力学性能，物理性能，化学性能力学性能，物理性能，化学性能2.2.工艺性能工艺性能 ———— 材料在加工制造中表现出的性能，显示材料在加工制造中表现出的性能，显示 了加工制造的难易程度了加工制造的难易程度 铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性铸造性，锻造性，焊接性，切削加工性，热处理性3.3.经济性能经济性能 原材料价格，加工费用，采购与管理费用原材料价格，加工费用，采购与管理费用62.3 决定金属材料性能的基本因素•成分因素 不同含量的金属元素决定金属性能•组织结构因素•组织：用肉眼或借助于显微镜所观察到的金属材料内部的情景。

•结构：原子集合体中各原子的具体组合状态奥氏体铁素体结构2.4 两大图形——相图和C曲线•相图 •C曲线2.4 两大图形——相图和C曲线•相图•狭义相图(Phase diagram)，也称相态图、相平衡状态图，是用来表示相平衡系统的组成与一些参数(如温度、压力)之间关系的一种图它在物理化学、矿物学和材料科学中具有很重要的地位•广义相图是在给定条件下体系中各相之间建立平衡后热力学变量强度变量的轨迹的集合表达，相图表达的是平衡态，严格说是相平衡图•C曲线•过冷奥氏体等温转变动力学曲线是表示不同温度下过冷奥氏体转变量与转变时间关系的曲线由于通常不需要了解某时刻转变量的多少，而比较注重转变的开始和结束时间，因此常常将这种曲线绘制成温度-时间曲线，简称C曲线2.5 常用力学性能指标•材料在静载荷作用下的主要力学性能指标有：–弹性弹性–刚度刚度–强度强度–塑性塑性–硬度硬度–可通过拉伸试验和硬度试验测得拉伸实验•１１.将材料做成标准式样，在式样上打上将材料做成标准式样，在式样上打上标距• ２２.将试样装在拉力试验机夹头上，缓将试样装在拉力试验机夹头上，缓慢加载，通过自动记录装置得到试样所慢加载，通过自动记录装置得到试样所受载荷受载荷F和伸长量和伸长量△△L的关系曲线称为拉的关系曲线称为拉伸曲线；伸曲线；拉伸曲线F(N)FbFsFeo变形过程：变形过程：oeoe为纯弹性变形阶段为纯弹性变形阶段 外力去除后试样完全恢复原状e e以上为弹塑性变形阶段以上为弹塑性变形阶段eses为屈服阶段为屈服阶段 外力不增加，试样明显伸长sbsb为大量塑性变形阶段为大量塑性变形阶段 外力增加不多，试样明显伸长bkbk为缩颈阶段为缩颈阶段 试样出现集中变形，抵抗外力能力下降 ob为均匀变形弹性变形弹性变形————外力去除后能完全消失的变形外力去除后能完全消失的变形塑性变形塑性变形————外力去除后不能消失的变形外力去除后不能消失的变形L %应力应变曲线•为了消除试样尺寸的影响引入了应力和应变的概念。

强度强度材料抵抗变形和破坏的能力材料抵抗变形和破坏的能力强度强度•材料抵抗变形和破坏的能力材料抵抗变形和破坏的能力–比例极限比例极限：：外力与变形成正比时的最大应力外力与变形成正比时的最大应力 σσp p = F= Fp p/So /So （测（测力计弹簧、枪炮弹簧）力计弹簧、枪炮弹簧）–弹性极限弹性极限：：保持纯弹性变形的最大应力保持纯弹性变形的最大应力 σσe e = F= Fe e/So /So （比（比σσp p稍稍大，弹性零件，一般不提此要求）大，弹性零件，一般不提此要求）–屈服强度屈服强度：：产生屈服时的应力（屈服点）产生屈服时的应力（屈服点）σσs s = F= Fs s/So /So 用于有用于有明显屈服现象的材料明显屈服现象的材料–规定残余伸长应力：规定残余伸长应力：产生产生0.2%0.2%残余伸长率时的应力残余伸长率时的应力 σσr0.2r0.2 过去叫过去叫条件屈服强度条件屈服强度：： σσ0.20.2–抗拉强度抗拉强度：：断裂前最大载荷时的应力（强度极限）断裂前最大载荷时的应力（强度极限） σσb b = F= Fb b/So/So 强度•屈服点 –屈服点屈服点σσs:材料产生屈服时的最低应力值称为屈服点，以σσs表示，单位为ＭＰＭＰa。

–屈服强度屈服强度σσ02：对于无明显屈服现象的金属 材料(如：高碳钢)，通常规定试样产生0.2％残余应变时的应力值为该材料的条件屈服强度，以σ0.2表示，单位为ＭＰa,又称为屈服强度•抗拉强度–抗拉强度抗拉强度σb：材料在拉断前所承受的最大应力值，称为抗拉强度，通常用σb表示，单位为ＭＰa抗拉强度表示材料均匀塑性变形的最大能力 塑性塑性•产生塑性变形而不断裂的能力产生塑性变形而不断裂的能力–断后伸长率断后伸长率（延伸率）（延伸率） • δδ = [( L = [( L1 1 - L - L0 0 )/ L )/ L0 0 ]╳100% ]╳100%–断面收缩率断面收缩率• ψψ = [( S = [( S0 0 - S - Sk k )/S )/S0 0 ] ╳100% ] ╳100%–δδ和和ψψ越大，材料的塑性越好越大，材料的塑性越好 •塑性对材料的意义：塑性对材料的意义：–考虑考虑提高安全性提高安全性–便于压力加工成型便于压力加工成型 （板金件加工成型）（板金件加工成型） 硬度•布氏硬度（布氏硬度（HB）） –要用于测定硬度<650HBW的毛坯和半成品件的硬度，如铸铁件等。

•洛氏硬度洛氏硬度 (HR) –要测定各种钢材和非铁合金的硬度，其中HRC用的最多，主要测量钢材的硬度 布氏硬度试验布氏硬度试验•测量试验–以以直直径径为为D的的淬淬火火钢钢球球或或硬硬质质合合金金球球为为压压头头，，在在载载荷荷F的的静静压压力力下下，，将将压压头头压压入入被被测测材材料料的的表表面面；；停停留留若若干干秒秒后后，，卸卸去去载载荷荷然然后后，，采采用用带带刻刻度度的的专专用用放放大大镜镜测测出出压压痕痕直直径径d￿,并并依依据据d的数值从专门的硬度表格中查出相应的的数值从专门的硬度表格中查出相应的HB值•原理–HBS（（HBW）） = F/S = 2F/πD[D - (D2-d2)1/2]不写单位：不写单位：kgf/mm2–为了区别不同的压头测出的硬度值：为了区别不同的压头测出的硬度值：•采用淬火钢球时，记为采用淬火钢球时，记为 HBS•采用硬质合金钢球时，记为采用硬质合金钢球时，记为 HBW –当当F的单位取的单位取N时，加系数时，加系数0.102布氏硬度特点布氏硬度特点•布氏硬度测量布氏硬度测量–优点优点：测量数值稳定，准确：测量数值稳定，准确–缺点缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件；压痕大不适于成品检：操作慢，不适用批量生产和薄形件；压痕大不适于成品检验。

验•布氏硬度布氏硬度适用于适用于HB<450 的材料：铸铁，有色金属的材料：铸铁，有色金属 退火、正火、调质处理钢退火、正火、调质处理钢 原材料，毛坯原材料，毛坯 当当HBS<450 时有效（时有效（HBW450-650)洛氏硬度试验洛氏硬度试验•原理：原理： –HR = (k-h) / 0.002 不写单位不写单位–对金刚石圆锥压头对金刚石圆锥压头 k = 0.2 mm–对钢球压头对钢球压头 k = 0.26 mm 洛氏硬度特点洛氏硬度特点•洛氏硬度测量洛氏硬度测量–优点优点：操作简便，压痕小：操作简便，压痕小 可用于成品和薄形件可用于成品和薄形件–缺点缺点：测量数值分散：测量数值分散•HRC洛氏硬度洛氏硬度适用于适用于：淬火钢，调质钢：淬火钢，调质钢 批生产零件批生产零件 当当HRC20-70 时有效时有效 硬度硬度 •材料硬度的高低通常可近似反映材料的强度与耐磨性，与材料的冷成型性、切削加工性、焊接性等工艺性能也存在一定联系，所以硬度是产品质量的重要性能指标，也是产品设计图样技术条件中的一项主要技术指标。

冲击韧性冲击冲击韧性韧性• 材料抵抗冲击载荷的能力材料抵抗冲击载荷的能力•冲击韧度：冲击韧度： ααk k = = A Ak k/S/SN N （J/cm2）– A Ak k - - 冲击吸收功冲击吸收功 （J） （摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂（摆锤冲断试样所失去的能量，即对试样断裂所作的功）所作的功）– S SN - N - 试样缺口处截面试样缺口处截面•A Ak k材料的意义材料的意义–A Ak k 对材料内部缺陷很敏感，对材料内部缺陷很敏感，可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量可用来鉴定材料的冶金质量、热加工质量–A Ak k 随温度降低而下降，随温度降低而下降，可用来评定材料的冷脆现象可用来评定材料的冷脆现象 （寒冷地区的机械）（寒冷地区的机械）ααk k韧脆转变温度韧脆转变温度 ℃疲劳极限疲劳强度疲劳强度•交变应力交变应力：大小、方向随时间：大小、方向随时间 周期性变化的应力周期性变化的应力•疲劳现象疲劳现象：：材料在交变载荷长期作用下，无明显塑性材料在交变载荷长期作用下，无明显塑性变形就断裂变形就断裂•疲劳强度疲劳强度（疲劳极限）（疲劳极限） —— 材料经无限多次应力循环材料经无限多次应力循环而不断裂的最大应力。

它表而不断裂的最大应力它表 示材料抵抗疲劳断裂的能示材料抵抗疲劳断裂的能力 纯弯曲疲劳极限用纯弯曲疲劳极限用σ-1表示表示 tσσtσσ疲劳强度疲劳强度•影响材料疲劳极限的因素：影响材料疲劳极限的因素：–工作条件（温度、环境、频率、工作条件（温度、环境、频率、…………））–零件外形（尺寸变化、粗糙度、缺口、零件外形（尺寸变化、粗糙度、缺口、…………））–材质（组织、缺陷、夹杂、材质（组织、缺陷、夹杂、………… ））•提高提高疲劳强度的措施疲劳强度的措施–改善结构形状，减少应力集中改善结构形状，减少应力集中–表面强化处理表面强化处理–控制材料内部质量控制材料内部质量断裂韧性•使用中工件常发生脆性断裂，传统的材料力学观点无法解释这种现象•通过大量研究认为，这种脆性断裂总是与材料中裂纹的扩展有关•实际上，材料本身存在冶金和加工缺陷，这些缺陷在应力作用下达到失稳状态，便会发生低应力脆性断裂•定义：金属材料对裂纹失稳扩展的抗力，反应了抵抗脆性断裂的能力，这种抵抗脆性断裂的力学性能指标称为断裂韧性，用KIC表示断裂韧性复习思考•1 金属学研究的中心内容是什么？•2 了解金属材料的一般特性。

•3 决定金属材料性能的基本因素•4 相图和C曲线有何重大的理论意义和工程价值？•5.熟悉塑性、冲击韧性、硬度、疲劳极限、断裂韧性等概念•6 链接金属材料的应用、发展简史。