工程材料及热处理.docx

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工程材料及热处理

工程材料及热处理

授课教师：

李静

绪论

WhatisMaterials

ClassificationofMaterials

WhatisMaterialsScience

WhatisMaterialsEngineering

ImportanceofMaterialsonProgressofhuman

HistoryandModernScienceandTechnology

ObjectiveandMethodsofLearningthisCourse

我们的周围到处都是材料

我们的衣食住行的必备条件

人类一切生活和生产活动的物质基础

先于人类存在，并且与人类的出现和进化有着密切的联系

一、什么是材料？

具体地说，材料是用来制造各种产品的物质，这些物质用来生产和构成功能更多、更强大的产品。

金属、陶瓷、玻璃、半导体、超导体、塑料、橡胶、纤维、砂子、石块，还有许多复合材料都属于材料的范畴。

矿物燃料、空气和水，是否是材料？

1.材料的定义

Material：

材料科学（工科）

物质科学（理科）

材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性

状的物质。

Webster编者“NewInternationalDictionary（1971年）”中关于材料（Materials）的定义为：

材料是指用来制造某些有形物体（如：

机械、工具、建材、织物等的整体或部分）的基本物质（如金属、木料、塑料、纤维等）

迈尔《新百科全书》中材料的含义：

材料是从原材料中取得的，为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。

2.原料与材料

•原料（RawMaterials）

•由原料到材料。

•原料一般不是为获得产品，而是生产材料，往往伴随化学变化。

•材料的特点往往是为获得产品，一般从材料到产品的转变过程不发生化学变化。

3.材料与物质

材料与物质（MaterialsandMatter）

材料可由一种或多种物质组成。

同一物质由于制备方法或加工方法不同可以得到用途

各异、类型不同的材料。

4.类别

类别classifications

材料可以根据化学组成、状态、作用和使用领域分类。

金属材料

化学组成分类无机非金属材料

components

有机高分子材料

功能材料

作用分类Function

结构（工程）材料

金属材料

（1）黑色金属材料

钢Steel

化学成分——碳素钢、合金钢

品质——普通、优质、高级优质钢

金相组织或组织结构——珠光体、贝氏体、马氏体和奥氏体

用途——建筑工程、结构、工具、特殊性能、专业用钢

冶炼方法——平炉、转炉、电炉、沸腾炉钢

铸铁：

灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁

（2）有色金属

五大类

轻金属（<4.5g/cm3）铝、镁、纳、钙

重金属（>4.58/cm3）铜、镍、铅、锌

贵金属金、银、铂、铑

类金属（半）硅、硒、绅、硼

稀有金属钛、锂、钨、钼、镭

常用的稀有金属材料有：

Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni……

（3）基本特性PrincipalProperties

a. 金属键，常规法生产的为晶体结构；

b. 常温下固体熔点较高；

c. 金属光泽；

d. 纯金属范性大、展性、延性大；

e. 强度较高；

f. 导热、导电性好；

g. 空气中易氧化。

（4）用途Application

a. 结构材料:

如机床,建筑机械设备、工程交通工具；

b. 导体材料，电线芯（铜）

c. 工具

无机非金属材料Inorganicnonmetals

（1）分类（按成分，化学结构和用途分四大类）

混凝土（水泥）

玻璃Glass

硅及耐火材料Silicon

陶瓷（器）Ceramics

传统陶瓷（天然硅酸盐矿）：

各中粘土烧制而成。

（SilicateCeramics）

特种陶瓷（人工化合物：

氧化物、氮化物、硼化物、碳化物）

（2）基本特性

以陶瓷为例，有较大差别

a. 离子键、共价键及其混合键；

b. 硬而脆；

c. 熔点高、耐高温抗氧化

d. 导热、导电性差；

e. 耐化学腐蚀性好；

f. 耐磨；

g. 成型方式为粉末制坏、烧制成型

（3）用途

建筑卫生陶瓷：

瓷砖、浴缸。

工程陶瓷

工程结构陶瓷：

反应釜（耐酸、耐腐蚀）绝缘瓷瓶。

功能陶瓷：

磁性、导电。

高分子材料Polymers,Macromolecules

（1）分类

按主链结构Backbonechain

碳链–C–C–C–

杂链–C–N–C=O；–C–O–C–

元素Si、P、B

按使用性质

塑料Plastics

橡胶Rubber天然、合成

纤维Fiber天然、合成

粘合剂Adhesive

涂料Coating

（2）基本性质

a. 共价键，部分范氏键

b. 分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度Tg

和粘流温度Tf；

c. 力学状态有三态：

玻璃态、高弹态、粘流态

d. 比重小

e. 绝缘性好

f. 优越的化学稳定性

g. 成型方法多

（3）用途

结构材料：

电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件

绝缘材料：

漆包线、电缆、绝缘版、电器零件

建筑材料：

贴面板、地贴

包装材料：

塑料袋、薄膜、泡沫塑料

涂装：

涂料

粘合剂：

粘合剂

日用：

织物（衣服）胶鞋

运输：

轮胎，传送带

复合材料Composites

定义：

由两种以上组分组成，并且具有与其组成不同的新的性能的材料

（1）分类

按性能：

结构复合材料

功能复合材料

按增强剂形状及增强机理：

粒子增强

纤维增强

按复合方式分类

基体Matrix增强体Reinforcement

金属金属、无机非金属

无机非金属金属、无机非金属

高分子（塑料、橡胶）金属、无机非金属、高分子（纤维）

（2）基本性质

a. 抗疲劳性能良好；

b. 结构件减震性好；

c. 比强度和比量高；

d. 耐烧能性和耐高温性能好

e. 具有良好的减摩、耐摩和耐润滑性能

（3）用途

无机--高分子:

玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）——汽车,游艇，

碳纤维增强塑料——飞机机翼、高尔夫球棍、撑杆跳杆

金属—陶瓷:

飞机螺旋桨叶

综合金属韧性，陶瓷耐高温性

高分子-高分子:

橡胶增韧塑料抗冲ABS树脂减震材料

其它类型

•Biomaterials

Biomaterialsareemployedincomponentsimplantedintothehumanbodyforreplacementofdiseasedordamagedbodyparts.

Advancedmaterials

Materialsthatareutilizedinhigh-technology（orhigh-tech）applicationsaresometimestermedadvancedmaterials.

lasers,integratedcircuits,magneticinformationstorage,liquidcrystaldisplays（LCDs）,fiberoptics,andthermalprotectionsystemsfortheSpaceShuttleOrbiter.

二、材料的重要作用

ImportanceofMaterialsfortheDevelopmentofHumanHistory

andScience&Technology

材料是人类社会发展的巨大推动力，制造生产工具的物质基础是材料。

石器时代——陶器时代——青铜时代——铁期时代——复合材料

自古以来，材料的发展水平就是人类社会文明程度的标志.

材料的使用和发展，与生产力和科学技术的水平密切相关。

举例

1764年工业革命，第一部机器（手摇）

1769年，水力纺纱机

1782年，蒸汽机为动力的纺纱机，纺织业（动力）

瓦特发动机、传动机、工作机——机器系列机器制造

铁——冶炼业

1945年电子管计算机，几间大屋

半导体——集成电路——小型芯片、液晶、分子器件、计算机（PC）

手提电脑，掌上电脑

目前

材料品种：

几十万种（手册中）

科学技术发展的三大支柱：

80年代能源、材料、信息

90年代　　信息技术、新材料、生物技术　　

高速民航客机使用的复合材料，高比强、代替金属、重量轻耐摩擦、热氧稳定、力学性能

生物降解材料（环境保护），计算机、液晶显示屏（低电压）

信息社会要术各种各样光、电、磁、声材料

各种材料相互替换、复合、共性、特性，纳米材料

三、材料科学与工程的范畴和任务

（1）学科建立EstablishmentofMaterialScienceandEngineering1960’s

金属材料——金相学——金属学

无机材料——无机化学——陶瓷学

高分子材料——高分子化学——高分子物理

（2）内容和任务ContentsandObjective

材料科学：

从理论上研究金属、无机非金属和有机高分子等材料的成分、结构、加工工艺同材料性能及材料应用之间的相互关系。

材料科学与工程：

关于材料组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学

学科性质：

是介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学（边缘学科）。

研究内容

科学性

a.从化学角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系

b.从物理角度，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各物性之间的关系

c.材料的制备工艺技术性

d.材料的性能表征

e.材料的应用

（3）材料工程MaterialsEngineering

对于工程技术人员：

如何选择特定应用环境下需要的材料，来满足使用要求，如何按实际要求设计新材料，须弄清以下三个关系

（材质）——材料内部结构与性能

（内部形态）——加工工艺与性能

（使用环境，耐久性）——材料的性能与使用过程

四、本课程的内容和学习方法

绪论Introduction

材料的定义、分类及基本内容

第一章工程材料的力学性能

材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、韧性、抗疲劳性和耐磨性等

第二章工程材料的基础知识

决定工程材料的性能的基本因素时他们内部的微观结构和组织状态，本章以金属材料为例，介绍与工程材料有关的微观组织结构的基础知识

第三章金属的塑性变形与再结晶

在塑性变形的过程中，金属组织和性能也发生了相应的变化，因此，研究金属塑性变形以及变形金属在加热过程中所发生的变化，对充分发挥金属材料的力学性能有重要的意义。

第四章钢的热处理

热处理时将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却等三个步骤，以改变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺。

第五章金属材料

第六章非金属材料和复合材料

高分子材料、陶瓷材料和复合材料

第七章常用机械工程材料的选用

机械零件的设计包括零件结构设计、材料选择和工艺设计三个方面，选材或用材不当是造成零件失效的重要原因

主要参考书

魏广升，褚祥志.工程材料学.北京：

中国劳动出版社，1996

崔占全，机械工程材料.哈尔滨：

哈尔滨工程大学出版社，2000

吴承建主编.金属材料学.北京：

冶金工业出版社，1999

第一章工程材料的力学性能

材料在不同的外界条件下使用的，如在载荷、温度、介质、电场等作用下将表现出不同的行为，即材料的使用性能。

使用性能主要包括：

力学性能、物理性能和化学性能。

力学性能是指材料在载荷（外力）作用下所表现出的行为。

第一节材料的强度与塑性

一、强度

1.定义：

强度是指材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力。

通常强度是根据国家标准（GB6397-1986）的规定进行静拉伸试验测得的。

2.拉伸应力-应变曲线特点

1）弹性变O-A

2）塑性变形B-D

3）断裂点D

=F/S

F=（LF-L0）/L0

3.力学性能指标

1）材料对弹性变形的抵抗能力-----------

弹性模量E=应力/应变

*弹性模量E反映了材料产生弹性变形的难易程度。

（刚度）保证了材料不发生过量弹性变形。

*弹性模量取决于材料本身。

合金化、热处理及冷热变形影响不大。

2）强度指标

a屈服点强度s

*0.2：

残余变形量为0.2%时的应力值

二、塑性

塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

一般用伸长率（δ）或断面收缩率（Ψ）来反映材料塑性的好坏。

δ=（L1-L0）/L0

Ψ=（S0-S1）/S0

意义：

1.材料可通过局部塑性变形来削减应力峰，缓解应力集中，从而防止突然破坏。

2.通过发生塑性变形和因此引起的形变强化，可提高抵抗过载的能力。

3.如果零件失效前产生塑性变形，由于塑性变形可吸收大量能量，可使失效的破坏性降到最小。

4.好的塑性有利于压力加工成型工艺。

第二节材料的硬度

定义：

表示材料表面局部区域内抵抗变形或破坏的能力。

意义：

硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷热加工质量。

指标种类：

1.布氏硬度（HB）：

2.洛氏硬度（HR）：

3.其它硬度：

维氏硬度（HV）、显微硬度等。

●布氏硬度：

1990瑞典工程师布利涅尔（Brinell）提出

将一定直径的淬火钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入被测金属的表面，并保持一定时间，然后卸除载荷，以金属表面压痕单位面积上所承受载荷的大小来确定被测金属材料的硬度。

说明：

1.布氏硬度的单位为MPa,一般不标出；

2.淬火钢球为压头测出的硬度值以HBS表示,适用于硬度值在450以下的材料;硬质合金球为压头测出的硬度值以HBW表示，适用于硬度值在450-650的材料。

如10mm淬火球在9.81kN载荷下，保持30s测得的布氏硬度值为150时，可标注为150HBS10/1000/30。

又如500HBW5/750表示用5mm的硬质合金球在750kgf（7.335kN）载荷作用下保持10-15s测得的布氏硬度值为500。

●洛氏硬度：

1919年美国洛克威尔提出。

用金刚石圆锥体或淬火钢球作为压头，在一定试验力的先后作用下，将压头压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除主试验力，用测量的残余压痕深度计算被测材料的硬度。

测试洛氏硬度时，直接从表盘读取数值即可。

洛氏硬度的分类

HRAHRBHRC

压头:

金刚石直径金刚石

圆锥体1.5875钢球圆锥体

总载荷/N:

588.37980.671471.07

应用：

高硬度较软材料，淬火钢

材料，如如退火钢，等硬材

硬质合金铜铝等料

范围：

60-88HRA20-100HRB20-70HRC

维氏硬度（英国的维克斯Vickers公司）

维氏硬度的试验原理与布氏硬度的试验原理相同，但维氏硬度试验的压头不是钢球，而是用两面夹角为136°的金刚石四棱锥体作为压头。

试验时测出压痕对角线长度以计算压痕的表面积，以F/A的数值表示维氏硬度值。

HV=1.8544F/d2（MPa）

维氏硬度载荷小（49.1，98.1，196.2，294.3，490.5，981N五种），压痕深度浅，适应于测量较薄的材料或表面硬化层的硬度，所以维氏硬度广泛用来测定金属镀层、薄片金属以及化学热处理后的表面硬度。

第三节材料的韧性和韧度

韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，是材料强度和塑性的综合表现。

或指材料抵抗裂纹扩展的能力。

韧度是衡量材料韧性的力学性能指标。

常用韧性指标：

（1）冲击韧度

（2）断裂韧度

冲击韧度

定义：

冲击韧度是指材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能力，它是用来评价材料在冲击载荷作用下的脆断倾向的。

指标：

冲击吸收功AK（单位J）；冲击韧度ak

（ak=AK/断裂面截面积，单位J/cm2）。

意义：

用来反映材料对一次或少次数大能量冲击破坏的抵抗能力和在此工作条件下材料对缺口的敏感性。

试验方法：

一次摆锤冲击试验。

冲击功：

Gh1-Gh2=G（h1-h2）J

断裂韧度

定义：

断裂韧度表征了材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。

断裂韧度K1c：

裂纹失稳扩展时的应力场强度因子，应力场强度因子的临界值。

影响因素：

材料本身的性质有关，与材料的成分、成型工艺有关；而与裂纹的形状、尺寸及外应力的大小无关。

第四节疲劳强度

疲劳断裂的概念

零件在交变载荷作用下经较长时间工作而发生断裂的现象（交变载荷—大小、方向随时间发生周期性循环变化的载荷。

）

疲劳断裂的特点

（1）断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度，甚至屈服强度,疲劳断裂属低应力脆断。

（2）断裂前无论是韧性材料还是脆性材料均无明显的塑性变形，是一种无预兆、突然发生的断裂，因此危险性极大。

疲劳断裂的基本过程

（1）裂纹的产生：

由于材料本身的各种缺陷和结构等原因，使零件受力时局部产生应力集中，形成疲劳裂纹源，达到一定条件时，产生裂纹。

（2）裂纹扩展：

裂纹形成后，在交变应力作用下将不断扩展。

（3）最后断裂：

随着疲劳裂纹的扩展，有效承载面逐渐减小，当应力达到材料的断裂强度或断裂韧度时，发生快速断裂。

●疲劳抗力指标

疲劳极限（疲劳强度）----材料在“无数”次重复交变载荷的作用下而不破坏的最大应力。

当交变应力循环对称时，疲劳极限用σ－1表示。

注：

试验时，钢材的循环次数以10-7为基数。

影响疲劳极限的因素：

（1）材料本质：

材料的成分、组织以及纯度和夹杂物对疲劳极限有显著影响。

（2）零件表面状况：

疲劳裂纹源大多起始于零件的表面。

零件表面的加工缺陷大大降低了疲劳极限。

（3）载荷类型：

载荷类型不同，疲劳极限不一样。

（4）工作温度：

温度升高，裂纹易产生和扩展，故降低了疲劳极限。

（5）腐蚀介质：

零件在腐蚀环境中，疲劳极限明显降低。

第2章工程材料基础知识

第一节金属的晶体结构

一、晶体与非晶体----原子的排列对材料的影响

1.晶体：

晶体中的原子是有序排列，即原子或离子按一定的几何形状有规律的排列的物体。

2.非晶体：

晶体中原子的排列是无序的。

3.与晶体有关的几个概念

晶格：

把晶体中的原子假想为几何的结点，用直线从其中心连接起来，使之构成一个空间格子（空间点阵）。

晶面：

晶格中各种方位的原子面。

晶向：

晶格中由结点（原子）所组成的任一直线，则代表晶体空间的一个方向，这种方向称为晶向。

晶胞：

构成晶格的最基本的几何单元称为晶胞。

晶格常数与夹角：

晶胞的边长大小的尺寸（a,b,c）称为晶格常数。

，，。

晶胞原子数：

一个晶胞内包含的原子数目。

配位数：

晶格中与任一原子处于等距且相距最近的原子数目。

致密度：

晶胞中原子的体积与晶胞体积之比。

二、晶体的分类——原子的结合方式对材料的影响

金属晶体Na

离子晶体Na+Cl-

共价晶体C

分子晶体Cl*Cl

三、金属晶体

1.晶格的形式：

（1）体心立方

（2）面心立方

（3）密排六方

2.晶向指数的建立

（1）建立坐标系

（2）确定坐标值

（3）化整并加中括号

3.晶面指数的建立

（1）建立坐标系；

（2）确定在坐标轴上的截距。

（2），1，2；

（3）取倒数。

1/2，1，1/2；（4）化整并加小括号（121）

4.晶体的种类

单晶：

结晶方位完全一致的晶体。

特点：

各向异性

多晶体：

5.晶体的缺陷

（1）点缺陷

（2）线缺陷（3）面缺陷

第二节合金及相结构

一基本知识：

1.合金：

有2种或2种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的物质。

2.组元：

组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。

3.相：

成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分。

二、合金中的相结构

固溶体：

形成合金时，如果一种组元的晶格中可以包含其他组元，即新相的晶格结构与某一组元的晶格相同，这种新相称为固溶体。

晶格与固溶体相同的组元称为溶剂，其他组元称为溶质。

化合物：

形成合金时，新相的晶格结构不同于任一组元的晶格，则新相是组元间形成的一种新的物质，这种新相称为化合物。

（一）固溶体

1.分类：

置换固溶体和间隙固溶体

2.特征：

造成晶格畸变，固溶体的强度及硬度升高，物理性能也会发生变化。

——固溶强化

（二）化合物

1.分类：

正常价化合物，电子价化合物及间隙化合物

2.各种化合物的比较

第三节金属的结晶

1、结晶的概念

（1）过冷度T：

T=T0-T1

（2）理论结晶温度To

（3）实际结晶温度T1

2、金属的结晶过程

包括两个过程：

形核与长大

3、结晶的影响因素

（1）过冷度T

（2）难容杂质

起到晶核的作用——细化晶粒

4、金属晶体的长大形态

（1）随液固界面距离的增大，在液相内温度升高

（2）随液固界面距离的增大，在液相内温度降低

第四节二元合金相图

1.合金系：

由给定的的组元可以配制成不同成分的合金，这些合金组成的合金系统称为合金系。

2.（相）平衡：

在一定条件下，合金中参与结晶或相变过程中的各相之间的相对重量和相的浓度不再改变的状态。

3.相图：

不同温度及成分下，合金中的合金相的构成及相之间的平衡关系的图形。

又称为平衡图或状态图。

第五节铁碳合金相图

通过讲授铁碳合金相图，使学生掌握：

合金相图是表示在极缓慢冷却（或加热）条件下，不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形。

从中可以了解碳钢和铸铁的成分（含碳量），组织和性能之间的关系。

它不仅是我们选择材料和判定有关热加工工艺的依据，而且是钢和铸铁热处理的理论基础。

15381394912

L-Fe-Fe-Fe

体心立方面心立方体心立方

1.铁素体-Fe+C体心立方F

2.奥氏体-Fe+C面心立方A

3.渗炭体Fe3C

4.珠光体铁素体＋渗碳体P

5.莱氏体莱氏体＋渗碳体Ld

一、相图分析

二、典型合金析晶过程分析

•工业纯铁：

塑性较好，强度较低，具有铁磁性，在