1、專業(yè)基本知識介紹,材料科學(xué)與工程基本技能實驗課程是材料科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生必修的一個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，屬實驗方法課。它是學(xué)生修完物理化學(xué)、工程力學(xué)、金工實習(xí)后獨立設(shè)置的實驗入門課程。,1、實驗教學(xué)的性質(zhì),課程介紹,課程目的：在學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)理論課程的基礎(chǔ)上，對材料實驗技術(shù)有一個基本了解，初步掌握材料實驗樣品的制備、觀察與分析方法；材料性能的檢測手段；熱加工設(shè)備的操作等實驗基本技能。 通過該課程的學(xué)習(xí)，初步掌握材料實驗的基本技能和一定的科學(xué)研究能力，加深對材料科學(xué)與工程專業(yè)的認識，提高學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力；同時在實驗教學(xué)中，還應(yīng)注意培養(yǎng)學(xué)生實事求是和嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)及良好的實驗習(xí)慣，為后續(xù)的材

2、料科學(xué)基礎(chǔ)、材料工程基礎(chǔ)、材料性能學(xué)等課程奠定良好的基礎(chǔ)。,2、實驗教學(xué)的目的與任務(wù),考核方法： 實驗報告（50%） 筆試（30%） 考勤及提問（10%） 收獲與體會（10%）,結(jié)構(gòu)材料： （強度、塑性、韌性等 力學(xué)性能） 功能材料： （電、磁、光、熱等 物理性能）,金屬材料 (metals) 陶瓷材料 (ceramics) 高分子材料 (polymers) 復(fù)合材料 (composites),1、 材料的分類,按使用性能分：,按組成分：,2 、材料科學(xué)與工程的四個要素,材料的成分：是指組成材料的元素種類及其含量，通常用質(zhì)量分數(shù) (wt%)表示。 如：W18Cr4V,材料的組織：在顯微鏡下觀察

3、到的圖像（如圖）,材料的成分：是指組成材料的元素種類及其含量，通常用質(zhì)量分數(shù) (wt%)表示。 材料的組織：在顯微鏡下觀察到的圖像（如圖） 材料的固有性能： 物理性能：電、磁、光、熱 化學(xué)性能：耐腐蝕性能、抗氧化性能 力學(xué)性能：強度、硬度、塑性、韌性,力學(xué)性能指標(biāo)： 強度：材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 硬度：衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)。指材料表 面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的能力。 塑性：斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力。 韌性：材料斷裂時單位體積所吸收的變形功、斷裂功。 若測定強度、塑性、韌性必須加工試樣。,材料的使用性能： 指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性，它是材料的固有性能與服役條

4、件、產(chǎn)品設(shè)計及加工融合在一起所決定的因素。 舉例： 普通碳鋼： 高溫條件、 腐蝕介質(zhì),材料的使用性能： 指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性，它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計及加工融合在一起所決定的因素。 舉例： 河南第一工具廠生產(chǎn)的W4Mo3Cr4VSi鉆頭 同一批材料，同一種工藝，處理后硬度正常但因鉆頭大小結(jié)構(gòu)（10mm、 12mm）不同，最終性能（耐磨性）不同。,成分決定性能。成分不同，性能不同。如碳鋼,組織結(jié)構(gòu)直接決定性能 改變成分也會改變組織結(jié)構(gòu),從而改變其性能。（組織圖）,制備合成加工過程主要是通過改變組織結(jié)構(gòu)而影響其性能。如45鋼退火、正火、淬火,材料的固有性能直接決定材料的

5、使用性能。,材料科學(xué)與工程的四個要素,組織結(jié)構(gòu)是核心，性能是材料研究工作的落腳點,3、金屬的凝固,凝固與結(jié)晶 (凝固過程視頻）,結(jié)晶過程：形核與長大過程 晶核：結(jié)晶時形成的很多核心（有序原子團）。 晶粒：在晶體中，如果某一小區(qū)域內(nèi)原子排列規(guī)律相同， 位向一致，則該小區(qū)域為一個晶粒。 晶界：晶粒與晶粒間的分界面。 單晶體：僅由一個晶粒組成的晶體，如金剛石。 多晶體：很多晶粒組成。,八級標(biāo)準(zhǔn)晶粒圖,凝固與結(jié)晶,凝固與結(jié)晶,凝固與結(jié)晶,鋼錠中的樹枝狀晶體,凝固與結(jié)晶,Ni-Ta-Mn-Cr合金的樹枝狀界面,組織的顯示與觀察 金相試樣的制備：取樣 - 磨制 - 拋光 - 腐蝕- 觀察 組織：各種晶粒的

6、組合特征，即晶粒的相對量、大 小、形狀及分布特征等。 宏觀組織：用肉眼或放大鏡觀察到的組織。 顯微組織：光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的內(nèi)部 組織（又稱金相組織）。,合金：指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或用其它方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如：銅鎳合金、碳鋼、合金鋼、鑄鐵,組元：組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)。 如：Cu-Ni合金，F(xiàn)e-FeS合金 二元合金：如：Fe-C二元系合金 三元合金：如：Fe-C-Cr三元系合金 多元合金,3.相：合金中結(jié)構(gòu)相同、化學(xué)成分相同或允許在一定范圍內(nèi)變化的一類晶粒的組成部分。 單相合金：如：單相不銹鋼（A）、單相黃銅 雙相合金：如：雙相

7、不銹鋼（A+F）、雙相黃銅 單相組織：具有單一相的組織。純鐵、純鋁 多相組織：具有兩種或兩種以上的相的組織。,1Cr18Ni9Ti 王水浸蝕， 800 1050固溶處理，基體為奧氏體，部分晶粒呈孿晶,4、材料的性能指標(biāo)及測試方法 強度：材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 硬度：衡量金屬軟硬程度的一種性能指標(biāo)。指材料表 面在接觸應(yīng)力作用下抵抗塑性變形的能力。 塑性：斷裂前金屬發(fā)生塑性變形的能力。 韌性：材料斷裂時單位體積所吸收的變形功、斷裂功。 若測定強度、塑性、韌性必須加工試樣。,為什么將硬度作為衡量材料機械性能的指標(biāo)？ 硬度與b、塑性指標(biāo)和有內(nèi)在聯(lián)系 b=K*HB 硬度與耐磨性、疲勞強度等性能有

8、一關(guān)系 硬度，耐磨性，疲勞強度 在機械零件設(shè)計圖紙上對機械性能的技術(shù)要求，往往只標(biāo)注硬度，其原因就在于此。 從某種意義上說硬度的大小對于機械零件或工具的使用性能及壽命具有決定性意義。 硬度測量后產(chǎn)生很小壓痕，不損壞零件，適合于成品檢驗。 設(shè)備簡單，操作迅速方便。,洛氏硬度計（HRC）：淬火后或滲碳后，表面硬度高時 布氏硬度計（HB）：調(diào)質(zhì)后、有色金屬合金、鑄鐵 維氏硬度計（HV）：硬化層薄，如滲氮、電鍍 顯微硬度計（HV0.2）：各種組成相的硬度,常用熱處理工藝 什么是熱處理？ 將工件加熱到一定的溫度，保溫一定的時間，然后冷卻。以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。,5 常用熱處理

9、工藝 熱處理目的： 改善鋼的使用性能和工藝性能，充分發(fā)揮材料的潛力。 如：T10鋼：球化退火 切削性能大大改善； 淬火 硬度從20HRC提高到6265HRC 45鋼： 淬火 提高材料的強度和硬度，改善材料的使用性能 低碳鋼：冷拉后退火 降低硬度，改善加工性能 不同的熱處理工藝，得到不同的組織，獲得不同的性能。,5、 常用熱處理工藝 普通熱處理：退火、正火、淬火、回火 表面熱處理：高頻淬火、火焰加熱淬火： 化學(xué)熱處理：滲C、滲N、 C、N 共滲,常用熱處理工藝 退火 將鋼件加熱到臨界溫度 AC1以上或以下，保溫后隨爐冷卻以獲得接近于平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。 目的：均勻成分及組織； 消除內(nèi)應(yīng)

10、力和加工硬化； 降低硬度，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火 做組織準(zhǔn)備。,常用熱處理工藝 退火 根據(jù)處理的目的和要求，鋼的退火可分為： 完全退火 等溫退火 球化退火 擴散退火 去應(yīng)力退火,常用熱處理工藝 正火 將鋼件加熱到AC3 線或 ACcm線以上 3050 ，保溫后在空氣中（或風(fēng)冷、噴霧）冷卻的一種熱處理工藝。 目的：消除內(nèi)應(yīng)力； 調(diào)整硬度，改善鋼的切削加工性； 細化組織，為后續(xù)工序做組織準(zhǔn)備。 如：齒輪毛坯鍛造后正火 可作為最終熱處理，預(yù)先熱處理,5 常用熱處理工藝 淬火 將鋼件加熱到 AC3線或 AC1線以上 3050 ，保溫后放入不同的冷卻介質(zhì)中快速冷卻，從而獲得馬氏體（或下貝氏

11、體）組織的一種熱處理工藝。 目的：提高鋼的強度、硬度，是鋼最重要的強化方法。 獲得盡量多的馬氏體并配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。,5 常用熱處理工藝 鋼的回火 將經(jīng)過淬火后的鋼再加熱到 AC1 線以下某一溫度，保溫一段時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 目的：減少或消除內(nèi)應(yīng)力，避免變形和開裂； 穩(wěn)定組織，避免零件尺寸變化； 提高鋼的韌性和塑性，獲得強度、硬度、塑性、韌性 的適當(dāng)配合，獲得零件所需要的性能。,回火的分類： 低溫回火（150250 ）：得到回火馬氏體組織 目的：降低淬火應(yīng)力，提高工件塑性，保證淬火后的高硬度和高耐磨性。 主要處理：各種高碳鋼工具、量具、軸承及滲碳和表面淬火后的

12、零件。 中溫回火（350500 ）：得到回火屈氏體組織 目的：獲得高的彈性極限和屈服強度，一定的韌性。 主要用于處理各種彈簧,回火的分類： 高溫回火（500650 ）：得到回火索氏體組織。 目的：獲得較高的綜合機械性能，即強度、硬度、塑性、韌性都較高 淬火 + 高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。 主要處理：各種重要的機器構(gòu)件，特別是承受交變載荷的零件，如齒輪、軸、連桿等。,實驗室介紹 金相試樣制備室及組織觀察室 2#實驗樓519、527 硬度實驗室（耐磨性試驗室） 2#實驗樓313 熱處理實驗室 2#實驗樓013 磨損實驗室 2#實驗樓013 沖擊實驗室 2#實驗樓0XX 鹽霧實驗室 表面處理實驗室,實驗室介紹 組織與性能檢測 組織檢測： 金相顯微鏡 掃描電鏡 透射電鏡 X 射線衍射儀 性能檢測： 硬度試驗 沖擊試驗 耐磨性試驗,實驗室設(shè)備介紹 實驗內(nèi)容： 1 金相顯微鏡的構(gòu)造、使用與維護 2 金相試樣的制備與組織觀察 3 硬度