金属材料与热加工技术

绪论

材料的发展：

公元前1200年左右，人类进入了铁器时代，开始使用的是铸铁，以后制钢工业迅速发展，称为18世纪产业革命的重要内容和物质基础。

20世纪中叶以来，科学技术突飞猛进，日新月异，作为“发明之母”和“产业的粮食”的新材料研制更是异常活跃，出现了称之为“高分子时代”、“半导体时代”、“先进陶瓷时代”和“复合材料时代”等种种提法。在当今新技术革命波及整个国际社会的浪潮冲击下，人类进入了一个“材料革命”的新时代。

1.金属材料

金属具有正的电阻温度系数，通常有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽。包括纯金属和以金属元素为主的合金。在工程领域有把金属及其合金分为两类：（1）黑色金属，即铁和铁基合金（钢铁及合金钢）；（2）有色金属，黑色金属以外的所有金属及其合金，常见有铝及铝合金，铜及铜合金等。

金属材料一般有良好的综合机械性能（强度、塑性和韧性等），是工程领域应用最广的材料。金属材料是当今工程领域应用最广的材料材料的发展

2.高分子材料

又称聚合物，包括天然高分子材料（木材、棉、麻等）和合成高分子材料（塑料，合成橡胶等）。其主要组分高分子化合物是有许多结构相同的结构单元相互连接而成。

它具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。高分子材料发明虽晚，但异军突起，因其物美价廉，在工程材料中应用越来越广。

3.复合材料

由两种或两种以上材料组成，其性能是它的组成材料所不具备的。复合材料可以有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。按基本材料分类，它可分为金属基复合材料、陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料等。复合材料具有极其优异性能，质轻，强度高，韧性好，可制作运动器材，而在航空航天领域更是无可替代。

第一章金属的主要性能

教学目标:

１.了解材料的主要力学性能指标：屈服强度、抗拉强度、伸长

率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学

性能及其测试原理；

２．强调各种力学性能指标的生产实际意义；

３．了解工程材料的物理性能、化学性能及工艺性能。

第一节强度和塑性

一、拉伸实验与拉伸曲线

1.拉伸试样

GB6397-86规定《金属拉伸试

样》

有：圆形、矩形、异型及全截

面．

常用标准圆截面试样。

长试样：L 0=10d 0;

短试样：L 0=5d 0

第一节强度和塑性

pe 段：非比例弹性变形阶段；

平台或锯齿（s 段）：屈服阶

段；

op 段：比例弹性变形阶段；

sb 段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。

b 点：形成了“缩颈”。

bk 段：非均匀变形阶段，承载下降，到k 点断裂。

断裂总伸长为Of ，其中塑形变形O g(试样断后测得的伸长)，弹性伸长

4.应力与应变曲线

(1)应力σ：单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示:

F

载荷( N ) σ= —— ( M pa )

S 0 原始横截面积( mm 2) (2)应变ε：单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示:

Δl 伸长量(mm )

ε = ——

l 0 原始长度( mm)

(3)应力－应变曲线（σ- ε曲线）:

形状和拉伸曲线相同，单位不同

5.不同材料的拉伸曲线

二、强度和刚度

1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后

能恢复到原来形状及尺寸的性能。

弹性变形: 随载荷撤除而消失的变形

拉伸试样

2.刚度：将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。

弹性模量：弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即：

E=σ / ε

材料的E越大，刚度越大；E对组织不敏感；零件的刚度主要决定于E，也与形状、截面等有关。

(1)布氏硬度HB ( Brinell-hardness

符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10m的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s得的布氏硬度值为120。

(2)洛氏硬度HR ( Rockwll hardness )

(3)维氏硬度HV

( diamond penetrator hardness )

(5) 锉刀法:

一组硬度差为5HRC的锉刀。

例如:

10HRC、15HRC、20HRC等。

六.冲击韧性( notch toughness ):

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。

冲击试样和冲击试验示意图

试样冲断时所消耗的冲击功A k为:

A k = m g H – m g h (J)

钢材的循环次数一般取N = 107

有色金属的循环次数一般取N = 108

八.比强度( specific strength ):

材料的强度值与密度值之比。

作业

１．熟悉拉伸曲线

２．掌握强度及塑性指标，了解这些指标在工程上的应用．

第二章金属的晶体结构

第一节金属与合金的晶体结构

内容:

金属的晶体结构

合金的晶体结构

实际金属的晶体结构

目的:

掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备

一、晶体的基本知识

（一）、晶体与非晶体

固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）

不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度提高的现象，称为固溶强化。

三、实际金属的晶体结构

（一）、金属材料都是多晶体

我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界

（二）、晶体的缺陷

晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。

根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：

点缺陷

线缺陷

面缺陷

1．点缺陷——空位和间隙原子

在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。

2.面缺陷——晶界和亚晶界

实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界