材料科學與工程學院侯清宇本科生課程金屬學與熱處理第1章緒論及金屬的性能1/38教學要求：1、介紹材料科學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、介紹金屬力學性能及測試方法。目標：了解金屬的力學性能及其測試方法。

重點：金屬的力學性能及其測試方法。學時：共2學時。人類社會的發(fā)展取決于以勞動工具為代表的生產(chǎn)力的發(fā)展。勞動工具的進步又離不開材料的發(fā)展。1、材料指人類能用來制作有用物件的物質(zhì)。2、材料科學與工程材料科學：主要研究材料的設計與制備、組織結(jié)構與材料性能的基礎關系。材料工程：研究如何將材料加工成構件。一、材料科學的重要地位與作用2/38材料科學是科學技術發(fā)展的基礎，也是工業(yè)生產(chǎn)的支柱，工業(yè)應用以工程材料為主。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某種功能被用于制取零件和原件3/383、工程材料的分類(1)按化學成分：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、復合材料；(2)按使用性能：結(jié)構材料、功能材料。

結(jié)構材料：以強度、塑性、韌性等力學性能為性能指標，用來制造承受載荷、傳遞動力的零件和構件，并兼一定物理、化學性能的工程材料。

功能材料：指具有特異物理化學性質(zhì)的工程材料，如超導材料、激光材料、半導體材料、儲能材料等。4/38確立兩個關系：性能與成分、組織結(jié)構間的關系；組織結(jié)構與成分和加工工藝間的關系材料科學與工程的主要任務合成與工藝材料成為工業(yè)產(chǎn)品的橋梁化學成分最本質(zhì)因素性能材料應用的基礎組織結(jié)構最直接因素改變材料的化學成分改進材料的合成與工藝。5/38二、材料科學與工程的四要素提高材料性能的途徑6/381、化學成分：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——一般用光學顯微鏡精細組織/電鏡組織：在電子顯微鏡下放大幾千～幾十萬倍的組織。強韌化機制研究的必經(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：材料中各原子的具體組合狀態(tài)?？赏ㄟ^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純Al的X-射線衍射9/38SEM5nmTEM

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

材料抗拉強度，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)化學成分相同，處理方式不同，性能不同。金屬學研究的內(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)、任務及目的1、課程性質(zhì)與考試形式

專業(yè)基礎課—共56學時。閉卷考試—百分制。2、本課程的主要任務研究金屬與合金的化學成分、組織結(jié)構、合成與工藝和性能及其之間關系與變化規(guī)律。┗課程體系包括金屬學、金屬熱處理、金屬材料學、金屬力學性能等。12/383、本課程的目的利用材料科學與工程四要素之間的關系及影響規(guī)律進行科學研究指導生產(chǎn)實踐

研制新合金材料13/38鐵碳相圖4緒論及金屬的力學性能1金屬與合金的結(jié)構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章金屬學熱處理金屬材料學14/38平時成績與考試相結(jié)合。不出勤或不完成作業(yè)占比達30%及以上者失去考試資格?？偝煽兛记谧鳂I(yè)+實驗考試100%20%10%70%五、考核方式●《金屬學與熱處理》崔占全等北京大學出版社●《金屬學與熱處理》崔忠圻機械工業(yè)出版社六、主要參考書目15/38教師：侯清宇

電話/p>

QQ：757692596七、個人相關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具備的性能。包括力學性能、物理性能和化學性能。工藝性能：指金屬在加工成零件或構件過程中應具備的適應加工的性能。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法被非金屬材料等所取代。橋梁鋼種主跨綜合性能武漢長江大橋1956年碳素結(jié)構鋼A3—Q235128m一定的強度和塑形，焊接性良好。南京長江大橋1968年低合金高強度結(jié)構鋼16Mnq—Q345160m強度較高，良好的綜合力學性能和焊接性。九江長江大橋1992年低合金高強度結(jié)構鋼15MnVNq—Q420216m強度更高，良好的綜合力學性能和焊接性能。蕪湖長江大橋2000年低合金高強度結(jié)構鋼14MnNbq—Q390312m強度較高，良好的綜合力學性能，屈強比高，焊接性能優(yōu)良。馬鞍山長江大橋2013年低合金高強度結(jié)構鋼?1080m強度更高，良好的綜合力學性能和焊接性能。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)和制造的問題。

兩者有時是一致的，有時互相矛盾。690MPa級的大型艦船要求：強韌性、淬透性和焊接性均好。采用06MnNiCuNb時效厚板焊接。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噸水壓機在外力作用下發(fā)生的形狀和尺寸變化稱為變形。外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形。外力去除后不能恢復的變形稱為塑性變形。與其力學性能密切相關21/38§

1.1金屬的力學性能如何獲得力學性能-靜載下，一般采用拉伸試驗。22/38拉伸試樣23/38拉伸應力作用下的變形過程一般可分為四個階段：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：應力幾乎不增加但應變增加的現(xiàn)象。一、應力-應變曲線e應力-應變曲線應力σ：單位面積上試樣承受的載荷。應變ε：單位長度的伸長量。應力-應變曲線：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)鋼有些材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象。24/38在同一張圖中畫出退火低碳鋼-中碳鋼-高碳鋼應力-應變曲線25/38彈性變形：外力去除后可以恢復的變形。指標為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時的應力。彈性模量E：標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型，除隨溫度升高而逐漸降低外，其它強化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對彈性模量的影響很小?？赏ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀來提高零件或構件的剛度—構件剛度AE與材料剛度E。二、彈性與剛度e應力-應變曲線26/381、強度：材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力。屈服強度s：材料對微量塑性變形的抗力，是零件設計的主要依據(jù)?？估瓘姸萣：材料斷裂前所承受的最大應力，零件設計和評定材料的重要指標。三、強度和塑性條件屈服強度0.2：殘余變形量為0.2%時的應力值。27/382、塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。指標為伸長率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率更接近真實變形。28/38硬度：指材料對局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力。是材料力學性能的一個綜合物理量。常用壓入法測量硬度值。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)定的時間后卸荷，測壓痕直徑d。29/38布氏硬度計壓頭為鋼球時，布氏硬度用符號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，用符號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：測量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點：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)定的預載荷和總載荷下，壓入材料，卸載后，測其深度ｈ，可在洛氏硬度計上直接讀出。h1-h0洛氏硬度測試示意圖洛氏硬度計

(1)施加預應力F0，得到表面到壓痕底部的深度h0；(2)施加主應力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為一個洛氏硬度單位，則其計算公式為：

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

洛式硬度壓痕小，測量值有局部性，須測數(shù)點求平均值，精度差，波動大。適用于成品和薄片，歸于無損檢測一類；

布式硬度壓痕較大，測量值準，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測一類。硬度與強度之間的關系：實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強度值之間具有近似的相應關系。一般而言，材料的強度越高，硬度值也就越高。32/38常用洛氏硬度及其應用布氏硬度不適于檢測高硬度材料，洛氏硬度雖可實現(xiàn)不同硬度測量，但不同標尺的洛氏硬度不能相互直接比較。怎么辦？33/38維氏硬度試驗原理維氏硬度壓痕維氏硬度計3、維氏硬度：一種以正四棱錐金剛石為壓頭的硬度測量方法。壓頭的兩個相對面間的夾角為136O，硬度值定義與布氏硬度相同，但壓痕形狀為四棱錐，用測量壓痕對角線的平均長度來計算壓痕面積及硬度值-統(tǒng)一標尺，由軟到硬均可測量?？筛鶕?jù)試樣大小和厚薄等選擇試驗力?？蓽y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來測定金屬材料的沖擊韌性。五、沖擊韌性35/38開缺口時，有U型缺口和V型缺口。一般采用沖擊吸收功Ak來衡量材料沖擊韌性的大小。沖擊吸收功：擺錘沖斷試樣時失去的動能，為試樣變形和斷裂所消耗的功。36/38§

1.2金屬的化學性能

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

抗氧化性能：金屬材料在