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金属学与热处理绪论(崔忠圻版)

作者:永乐国际 来源:永乐国际 日期:2020-04-01 19:06 人气:

  《金属学与热处理A 》 《 Metallography and heat-treatment 》 多教学课件 ?课 ?教 时: 48 材:《金属学与热处理》,崔忠圻 绪论 §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 * * *电阻随温度升高而升高 即:具有正的电阻温度系数。 ——金属与非金属的本质差别 ρt=ρ0 (1+αΔT) ρ ——某些纯金属在绝 非金属 对零度附近的超导电 金属 性 T (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或几种其 它元素,经或其它方法结合而成的具有 金属特性的物质。 (3) 金属中原子的结合方式 在金属晶体中,金属原子失去价电子后 成为正离子, 所有价电子成为电子并为 整个原子集团所公有, 所有电子围绕所 有原子核运动,形成电子云,金属正离子沉 电子云中,并依靠与电 浸在 子之间的静电作用而使金属 原子结合起来形成金属晶体。 这种原子结合方式称为金属 键。 试用金属键模型解释: →→金属特性 非金属中:离子键、共价键等 结合键强, 具饱和性 ——较高硬度 结合键极强、方向性 ——很高硬度、无塑性 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 性能取决于什么因素呢? ① 化学成分不同,性能不同 举例: σb(MPa) 纯铝 40 铝合金 400~600 纯铜 60 铜合金 600~700 纯铁 200 40钢(退火态) 500 40钢(调质态) 800 ② 化学成分相同,处理方式不同,性能不同 0.8℅C 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 ℃ 不断。 又如: 石墨和金刚石均由碳原子构成, 但性能迥异。 原因:碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同 ***材料科学研究的四要素及相互关系线: 化学成分 Composition 组织结构 性 能 Performance Construction 提高材料性能的主要途径: 内因 外因 加工工艺 Process 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。 什么是组织结构? 材料不同层次的结构 (1)原子结构: 取决于原子种类 (2)晶体结构: 原子在空间的排列方 式 (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 金属多晶体结构 显微组织 合金相形貌 材料的组织结构取决于: 1 原子种类; 2 内部原子排列的方式; 3 合金元素的存在方式; 4 内部不同尺度的各种结构缺陷 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。 二、本课程内容 1 金属材料科学研究内容: 成分、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、 金属性能、材料分析技术与方法等 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 ~ 第十一章 三 要求: (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,大学出版社, 2000 (3)工程材料, 丁厚福,武汉理工大学出版社, 2001 §2 金属材料力学性能 一、金属材料性能的种类 金属材料加工过程: 热轧→ 铸锭 冶炼→铸造 板棒型管 焊接 机加工 冷轧冷 拔 深冲 热锻→ 铸件 锻件 机加工: 零 件 或 构 件 使用性能 车、铣、刨、 磨 工艺性能 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); 物能(光、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 结构材料最重要、最基本的性能 强度与塑性的测定——借助应力应变曲线 应力应变曲线 ——拉伸实验测定 应力: ζ = P/A0 (MPa) 应变: ε = ΔL/L1 =(L1-L0)/L0 应 力 变形三阶段: (1) 弹性变形、 (2) 塑性变形、 (3) 断裂 弹 性 变 形 塑 性 变 形 断 裂 ζ 应变ε 低碳钢的应力应变曲线) 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% 低碳钢应力应 变曲线 主要性能指标: 弹性极限ζe :保持弹性 变形的最大应力,MPa 弹性模量E: ζ=E·ε (2 ) 塑性变形: 应力撤消后, 变形仅部分 消失,存在、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; 弹性 变形量 变形量 ——可以塑性加工的原因 (3)变形量较大 塑性变形中的重要指标: 承受的应力大小: ζb ζs 强度(ζs): 抵抗微 量塑性变形的应力 值 抗拉强度 (ζ ): b 抵抗最大均匀塑性变 形的应力值 断裂前塑性变形量的大小: 断后伸长率(δ)、断面收缩率(ψ ) 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(ζe ) :弹性极限ζr0.01 2 强度:材料开始发生明显塑性变形时的 应力值 (ζs ), Mpa 。 (1) 实质是抵抗微量塑性变形的抗力。 (2) 无明象时采用条件极限ζ0.2 ┗ 伸长率为0.2%时对应的应力值 ζb ζs ζe ζ0.2 ζb 低碳钢与铸铁的应力应变曲线 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( ζb ) , 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: ζs ζ ζ b 4 屈强比( ζs / ζb ): 0.6~0.85 屈强比高,强度利用率高; 屈强比低,安全性高 —— 综合考虑材料利用率和安全性 工程设计中: 塑性材料: ┗ 选ζs或ζ0.2作为极限应力ζ0: 工作应力ζ≤许用应力[ζ]=ζ0/n 安全系数 n = 1.5~2 脆性材料: ┗常选ζb作为极限应力ζ0: 工作应力ζ≤许用应力[ζ]=ζ0/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( δ):试样拉断后标距的增长量与 原始标距长度之比; δ= (L断后-L原始)/ L原始×%=ΔL / L0 ×% (2) 断面收缩率( ψ ):试样拉断处横截面积 的缩减量与原始横截面积之比. ψ= (A原始- A断后)/ A原始×%=ΔA / A0 ×% ——δ 、ψ越高,材料的塑性越好 通常ψ 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 (3) 维氏硬度(HV) ——较硬材料 (4) 显微硬度(HV) ——测定材料内部微区的相、组织的硬度 布氏硬度(HB) 球面压痕单位表面积上所承受的平均压力 值 ┗ 通常碳素钢: 较软材料:有色金属、灰口铸铁等 ζ =αHB b 洛氏硬度: ——测定压痕深度 HR=(k-h)/0.002 注:h: 压痕深度 k:,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 F↓ 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 (四)韧性 当加载速度极快时,不能用静载荷下的 ζs、 ζb作失效判据。 1 引入冲击韧性(αk) : 材料在冲击载荷作用 下抵抗的能力~ ——用材料时所消耗的功衡量, ——是强度与塑性的综合指标 ζ↑,δ↑,αk↑; ζ↓↓或δ↓↓,αk↓ αk =Ak/s 脆 性 区 韧 性 区 金属的αk与温度直接相关: (1)T↓,αk↓ (2)存在韧脆转变温度Tk :当T Tk 时,金属为脆性状态αk↓ ↓ 2 断裂韧度KIc 当材料内部存在裂纹缺陷时: 裂纹尖端产生应力集中——应力被放 大 KI ? ?y ? cos (1 ? 2?? 2 引入应力场强度因子: 应力大小 K I=? ?a (K I ? Y? a ) 裂纹尺寸 裂纹形状 当 ζ 、 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 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: ζ e、ζs、ζb、 ζ0.2、δ、ψ、ak 、HB、HRC、Hv; 4 什么是强度?塑性?硬度?韧性?



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