趙杰副教授工程材料與金屬工藝學(xué)自我介紹

趙杰

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電化學(xué)專(zhuān)業(yè)

博士畢業(yè)

研究方向：電化學(xué)表面工程與技術(shù)金屬表面處理

腐蝕科學(xué)7緒論講述機(jī)械制造所用的材料、鑄造、壓力加工、焊接、熱處理等技工方法。鑄造鍛造焊接毛坯熱處理機(jī)械加工零件裝配試車(chē)出廠學(xué)習(xí)本課程的基本要求：

了解工程材料的一般性質(zhì)、應(yīng)用范圍和選擇原則。

掌握各種主要加工方法的實(shí)質(zhì)、工作特點(diǎn)和基本原理。第一章工程材料概論材料科學(xué)與工程材料材料科學(xué)的發(fā)展與展望材料科學(xué)概況及分類(lèi)

金屬材料高分子材料無(wú)機(jī)非金屬材料復(fù)合材料1932LosAngelesOlympic24KPlateGoldCoin金手指（connectingfinger）電鍍金手指確保更好的電氣性能和耐插拔次數(shù)高分子材料按特性分為橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子涂料和高分子基復(fù)合材料等水晶生物陶瓷-人造血管氣敏元件氧化鈦合金體系腐蝕產(chǎn)物影響腐蝕產(chǎn)物在體內(nèi)的分布傷口愈合局部感染含Ni中等干擾無(wú)排出，但高血漿水平，可能有長(zhǎng)期致癌效應(yīng)含Co強(qiáng)烈干擾無(wú)排出，但高血漿水平，肝、腎水平，可能長(zhǎng)期心血管和致癌反應(yīng)含Cr無(wú)可能性顯著增大積累在所有器官內(nèi)，特別是骨內(nèi)，長(zhǎng)期反應(yīng)不明貴金屬Pt、Au、Ru干擾很強(qiáng)可能性顯著增大不明活潑金屬Ti、Ta等不明（產(chǎn)物不溶）不明（產(chǎn)物不溶）不明（產(chǎn)物不溶）合金元素對(duì)人體可能的影響“黃金絲植入術(shù)”源自英國(guó)，近年經(jīng)臺(tái)灣傳入大陸，原理是將24K黃金，加入微量元素和骨膠原，制作成金絲，然后通過(guò)植入器植入皮膚。硅酸鹽碳纖維復(fù)合材料高速列車(chē)剎車(chē)片碳纖維復(fù)合材料潤(rùn)滑材料高硬度材料美軍BLU-114型碳纖維炸彈石墨炸彈具有癱瘓供電系統(tǒng)等功能重量更輕、彈性更佳，增加操控性及擊球威力。納米花，一是可制成優(yōu)秀的防水涂料。在表面上涂有這種納米材料的物體，即使將它僅傾斜5度，在其表面上的小水滴也會(huì)很快滾掉，防水性能好。二是可用來(lái)作為制取新穎高率太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)材料，應(yīng)用前景十分誘人。納米浴缸、納米座便器，節(jié)水、環(huán)保、抗菌殺菌水、油等物質(zhì)可在表面上滾動(dòng)，如同在荷葉上自由滾動(dòng)的露珠；同時(shí)它還透氣、防霉、防輻射機(jī)械工程材料金屬材料非金屬材料黑色金屬鋼有色金屬鑄鐵合金鋼無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)材料塑料橡膠陶瓷合成纖維鋁合金銅合金其他有色合金第二章金屬材料的主要性能

彈性和塑性剛度強(qiáng)度沖擊韌性疲勞強(qiáng)度

使用性能：材料在使用過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。

工藝性能：材料在加工過(guò)程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。金屬材料的性能是用來(lái)表征材料在給定外界條件下的行為參量。當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，同一種材料的某些性能也會(huì)隨之發(fā)生變化。神州9號(hào)飛船2.1金屬材料的力學(xué)性能力學(xué)性能（機(jī)械性能）：材料在各種不同的工作情況，從開(kāi)始受力變形至破壞的全過(guò)程所表現(xiàn)的力學(xué)特征。金屬材料的力學(xué)性能主要有：剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌度、疲勞強(qiáng)度。載荷：材料在加工及使用過(guò)程中所受的外力。靜載荷：逐漸而緩慢地作用在工件上的力。沖擊載荷：突然增加或消失的載荷。交變載荷：載荷的大小和方向呈周期性的變化。

金屬材料的剛度、強(qiáng)度、彈性、塑性是通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定的，標(biāo)準(zhǔn)試樣所示，把試樣安裝在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，并對(duì)試樣施加一個(gè)緩慢增加的軸向拉力，試樣產(chǎn)生變形，直至斷裂。圓形拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)拉伸試樣應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(l-l0)/l0拉伸曲線(xiàn)低碳鋼拉伸曲線(xiàn)應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(L-L0)/L0應(yīng)力應(yīng)變

拉伸曲線(xiàn)OE—彈性變形階段(彈性極限e)低碳鋼拉伸曲線(xiàn)ES—屈服階段(屈服極限S)當(dāng)載荷超過(guò)E點(diǎn)，試樣產(chǎn)生塑性變形。

材料承受的，不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力為彈性極限e當(dāng)載荷增加到S點(diǎn)時(shí)，載荷不增加，塑性變形繼續(xù)產(chǎn)生。出現(xiàn)水平線(xiàn)段，稱(chēng)為屈服。S為屈服點(diǎn)。

出現(xiàn)明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力為屈服極限sS一、彈性和塑性材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱(chēng)為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱(chēng)為塑性變形。拉伸曲線(xiàn)OE—彈性變形階段(彈性極限e)低碳鋼拉伸曲線(xiàn)ES—屈服階段(屈服極限S)當(dāng)載荷超過(guò)E點(diǎn)，試樣產(chǎn)生塑性變形。

材料承受的，不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力為彈性極限e當(dāng)載荷增加到S點(diǎn)時(shí)，載荷不增加，塑性變形繼續(xù)產(chǎn)生。出現(xiàn)水平線(xiàn)段，稱(chēng)為屈服。S為屈服點(diǎn)。

出現(xiàn)明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力為屈服極限sS拉伸曲線(xiàn)SB—均勻塑性變形階段BK—縮頸階段低碳鋼拉伸曲線(xiàn)當(dāng)載荷增加B點(diǎn)，試樣截面局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。截面縮小，載荷下降，K點(diǎn)時(shí)試樣被拉斷。低碳鋼拉伸曲線(xiàn)縮頸拉伸曲線(xiàn)SB—均勻塑性變形階段BK—縮頸階段低碳鋼拉伸曲線(xiàn)當(dāng)載荷增加B點(diǎn)，試樣截面局部出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。截面縮小，載荷下降，K點(diǎn)時(shí)試樣被拉斷。低碳鋼拉伸曲線(xiàn)拉伸曲線(xiàn)oe—彈性變形階段ees—屈服階段Ssb—均勻塑性變形階段bk—縮頸階段低碳鋼拉伸曲線(xiàn)彈性變形－塑性變形－縮頸-斷裂彈性變形：變形可逆；應(yīng)力應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系。退火低碳、中碳和高碳鋼的拉伸曲線(xiàn)工程上使用的材料并不是都有明顯的四個(gè)階段，如脆性材料。一、彈性材料在外力的作用下將發(fā)生變形，外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱(chēng)為彈性變形。指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。試樣發(fā)生完全彈性變形的最大載荷（N）；試樣的原始橫截面積（mm2）。二、剛度材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力指標(biāo)為彈性模量E

彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小。可以通過(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。

金屬材料在靜載荷作用時(shí)，在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力，反映材料塑性的力學(xué)性能。

指標(biāo)有延伸率和斷面收縮率。三、塑性伸長(zhǎng)率：試樣拉斷后其標(biāo)距長(zhǎng)度的相對(duì)伸長(zhǎng)值斷面收縮率：試樣拉斷后縮頸處橫截面積的最大相對(duì)收縮值斷裂后

δ5

δ10δ5和δ10分別表示用L0=5d和L0=10d(d為試棒的直徑)兩種不同長(zhǎng)度試棒測(cè)定的伸長(zhǎng)率。δ5較大，δ10較小。如鋼材的δ5

大約為δ10

的1.2倍。因此，只有相同符號(hào)的伸長(zhǎng)率才能進(jìn)行比較。

塑性指標(biāo)不能直接用于零件設(shè)計(jì)計(jì)算，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選定材料的塑性。一般來(lái)說(shuō)，伸長(zhǎng)率達(dá)30%或斷面收縮率達(dá)50%的材料，即可滿(mǎn)足絕大多數(shù)零件的要求。對(duì)零件來(lái)說(shuō)，對(duì)塑性的要求有一定的限度，不是越大越好。四、強(qiáng)度材料在外力作用下抵抗塑性變形和破壞的能力。

指標(biāo)為s和b

屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限。

大多數(shù)合金鋼、銅合金以及鋁合金的拉伸曲線(xiàn)無(wú)明顯屈服現(xiàn)象。脆性材料，如普通鑄鐵、鎂合金等，甚至在斷裂之前也不發(fā)生塑性變形（無(wú)水平線(xiàn)段）工程規(guī)定：試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的應(yīng)力值為該材料的條件屈服強(qiáng)度。0.2條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值屈強(qiáng)比：材料變形直至破壞的行為過(guò)程？什么條件下會(huì)發(fā)生破壞？構(gòu)件必須“強(qiáng)”，不發(fā)生破壞！必須“剛硬”，不因變形過(guò)大而影響正常工作如何控制設(shè)計(jì)才能保證構(gòu)件有必要的強(qiáng)度和剛度？12結(jié)論：四、硬度布氏硬度洛氏硬度維氏硬度金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡量金屬材料軟硬程度的一種力學(xué)性能指標(biāo)。在布氏硬度計(jì)上測(cè)量，用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后，卸除實(shí)驗(yàn)力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值。布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖布氏硬度HB※

由W，Mo，Cr，Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta的九種炭化物和Fe族（Fe，Co，Ni）金屬結(jié)合而成的合金總稱(chēng)，一般指WC-Co合金。※硬質(zhì)合金是一種主要由硬質(zhì)相和粘結(jié)相組成的粉末冶金產(chǎn)品。硬質(zhì)合金是目前世界上強(qiáng)度最高的合金！！硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金鋸片硬質(zhì)合金鎢鋼在布氏硬度計(jì)上測(cè)量，用一定直徑的淬火鋼球或硬質(zhì)合金球?yàn)閴侯^，以相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間后，卸除實(shí)驗(yàn)力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負(fù)荷作為布氏硬度值。布氏硬度實(shí)驗(yàn)原理圖布氏硬度HB布氏硬度計(jì)實(shí)驗(yàn)力（kgf）；球體直徑（mm）；壓痕平均直徑（mm）。式中布氏試驗(yàn)時(shí)，只需測(cè)量出d值即可從有關(guān)表格上查出相應(yīng)的布氏硬度值。Contents壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)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(shí)，用符號(hào)HBW表示，適用于布氏硬度在450~650的材料HB前數(shù)字表示硬度值,符號(hào)后分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間直徑為10mm的鋼球在1000kgf載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120

120HBS10/1000/30布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件及比壓頭還硬的材料。適于測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼,鑄鐵

及有色金屬的硬度。材料的b與HB之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：對(duì)于低碳鋼:b(MPa)≈3.6HB

對(duì)于高碳鋼：b(MPa)≈3.4HB

對(duì)于鑄鐵：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)鋼黃銅球墨鑄鐵可以直接從洛氏硬度計(jì)表盤(pán)上讀出，是一個(gè)相對(duì)值，規(guī)定每0.002mm壓痕深度為一個(gè)洛氏硬度單位。HR=(K-h)/0.002洛氏硬度HR洛氏硬度是一個(gè)無(wú)量綱的材料性能指標(biāo)，使用金剛石壓頭時(shí)，常數(shù)K為0.2，使用鋼球壓頭時(shí)，K為0.26.洛氏硬度試驗(yàn)原理HR=K-h/0.002洛氏硬度計(jì)根據(jù)壓頭類(lèi)型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面為使用的標(biāo)尺。HRA用于測(cè)量高硬度材料,如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。HRB用于測(cè)量低硬度材料,如有色金屬和退火、正火鋼等。HRC用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。成品件缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與金剛石壓頭洛氏硬度壓痕HRA采用外加載荷為60kgf，用于測(cè)量高硬度薄層，常用硬度值為70-85HRA；HRB采用直徑1.588mm的鋼球，100kgf的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為25-100HRB。

HRC采用頂角為120°的金剛石圓錐體為壓頭，施加150kgf的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測(cè)定，常用硬度值為20-67HRC；測(cè)試原理與布氏硬度相同，但壓頭采用錐面夾角136°的金剛石正四棱錐體，維氏硬度試驗(yàn)所用載荷小，壓痕深度淺，適用于測(cè)量零件薄的表面硬化層的硬度。試驗(yàn)載荷可任意選擇，故可測(cè)硬度范圍寬。維氏硬度HVAv-壓痕面積；F試驗(yàn)力；d-壓痕兩對(duì)角線(xiàn)平均長(zhǎng)度維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)來(lái)測(cè)定金屬材料的沖擊值。三、沖擊韌性沖擊韌度值用下式計(jì)算：沖擊韌度（J/cm2）

；沖擊吸收功（J）；擺錘重量（N）；擺錘抬升高度（m）；擺錘沖擊后的高度（m）；試樣缺口底部處橫截面積（cm2）。式中

沖擊韌度ak越大，表明材料的韌性越好，受到?jīng)_擊時(shí)不易斷裂。ak與試樣形狀、表面粗糙度、內(nèi)部組織有關(guān)，還與試驗(yàn)溫度相關(guān)。沖擊試驗(yàn)溫度一般為10～35oC。韌脆轉(zhuǎn)變溫度：韌材料可以由韌性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)而發(fā)生脆斷

材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度1965年，英國(guó)北海油田在一個(gè)晚上因氣溫突然下降，使海上鉆井臺(tái)產(chǎn)生冷脆，造成重大事故。因此，對(duì)處在低溫或嚴(yán)寒地區(qū)工作的機(jī)器零件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意材料脆性轉(zhuǎn)變溫度。TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Titanic近代船用鋼板四、疲勞材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱(chēng)為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。應(yīng)力愈高，循環(huán)次數(shù)愈少，反之亦然。當(dāng)應(yīng)力低到一定值時(shí)，循環(huán)次數(shù)無(wú)窮大，表示材料可經(jīng)無(wú)限次應(yīng)力循環(huán)而不失效；此應(yīng)力即為疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）疲勞曲線(xiàn)疲勞斷口通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）

物理性能指不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能表現(xiàn)出來(lái)的性能，如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、熱膨脹性和磁性等。

1.3金屬材料的物理和化學(xué)性能槍支內(nèi)腔工業(yè)生產(chǎn)中防止局部滲碳要鍍銅。通信設(shè)備錄音機(jī)修復(fù)機(jī)器磨損插座銅的高導(dǎo)電和低熱阻的特性使其在大功率LED芯片制造領(lǐng)域得到大規(guī)模的應(yīng)用，以解決LED散熱的問(wèn)題。LED魔力打造水立方奧運(yùn)期間72變銀光亮厚銀（德國(guó)）化學(xué)性能是材料在化學(xué)介質(zhì)的作用下所表現(xiàn)出來(lái)的性能。如材料的耐腐蝕性能、抗氧化性能和化學(xué)穩(wěn)定性能