金属学与热处理绪论(崔忠圻版)

§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wenku.baidu.com→
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)； 物理性能（光、电、磁等）；
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，清华大学出版社, 2000 (3)工程材料, 丁厚福，武汉理工大学出版社, 2001
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？
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;
***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？
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？
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:常数，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
《金属学与热处理A 》
《 Metallography and heat-treatment 》
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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
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
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
ζ
应变ε 低碳钢的应力应变曲线
(1) 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，存在残余、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；
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
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
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； 热处理性能； 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
* * *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，经熔炼或其它方法结合而成的具有 金属特性的物质。
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
1 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
——用破坏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
(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, 所有价电子成为自由电子并为 整个原子集团所公有, 所有自由电子围绕所 有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉 电子云中，并依靠与自由电 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
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
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 下抵抗破坏的能力～
残余 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
屈服强度(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 ) ：规定弹性极限ζr0.01 2 屈服强度：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) 无明显屈服现象时采用条件屈服极限ζ0.2 ┗ 规定残余伸长率为0.2%时对应的应力值