金属材料学基础知识
金属材料及热处理基本知识
金属材料及热处理基本知识金属材料及热处理基本知识一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。
金属常用的力学性能有：1.弹性金属材料在受到外力作用时发生变形，外力消除后其变形逐渐消失的性质称为弹性。
① 刚性是指材料或构件在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
② 刚度：k＝F/y2.塑性金属材料在受到外力作用时，产生显著的变形而不断裂的性能称为塑性。
① 伸长率δ② 断面收缩率ψ3.强度金属材料在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力称为强度。
由于各种机器零件或构件因载荷作用形式和作用性质不同，金属材料所表现出的强度大小也不同。
金属材料的强度指标：（1）屈服强度σs在拉伸试验中，载荷不增加而试样仍能继续伸长时的应力称为屈服强度。
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。
（3）疲劳强度σ-1材料试样在疲劳试验过程中，在承受无数次（或给定次）对称循环应力作用仍不断裂的最大应力称为疲劳强度。
4.硬度金属表面抵抗硬物压入的能力称为硬度。
最常用的硬度指标：（1）布氏硬度HBS(HBW) 布氏硬度是使用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。
使用淬火钢球作硬度试验得到的硬度用HBS表示；使用硬质合金球作硬度试验得到的硬度用HBW表示。
（2）洛氏硬度HRC 洛氏硬度C标尺试验采用120°金刚石圆锥体加1471N总试验力测量的硬度值。
5.冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，其大小用冲击韧度αK表示。
二、钢的分类、用途与牌号（一）钢的分类1.按是否特意加入合金元素分类：（1）碳素钢不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。
（2）合金钢在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。
2.按含碳量分类（1）低碳钢C ≤ 0.25％；（2）中碳钢 0.25％＜ C ＜ 0.60％；（3）高碳钢C ≥ 0.60％；3.按质量分类（1）普通钢S ≤ 0.050％，P ≤ 0.045％（2）优质钢S ≤ 0.035％，P ≤ 0.035％（3）高级优质钢S ≤ 0.025％，P ≤ 0.025％4.按合金元素总量分类（1）低合金钢合金元素总含量＜ 5％（2）中合金钢合金元素总含量 5％～ 10％（3）高合金钢合金元素总含量＞10％5.按用途分类（1）结构钢主要用于制造各种机械零件和工程构件的钢。
金属材料及热处理基础知识.ppt
2 .洛氏硬度
以顶角为120度的金刚石圆锥体或直径1．588mm的淬火 钢球作为压头，以一定的压力使其压入材料表面，测量压痕 深度来确定其硬度，即为洛氏硬度。被测材料硬度，可直接 在硬度计刻盘读出。
洛氏硬度常用的有三种，分别以HRA、HRB、HRC来表示。 洛氏硬度符号、试验条件和应用表
下贝氏体：无方向性的针状铁素体上弥散分布着细小颗粒的 渗碳体
7、魏氏组织
魏氏组织是在比较大的过冷度下形成的。奥氏体过冷到这 一温度区内，便会形成魏氏组织。魏氏组织铁索体是以切变机 理形成的其生长往往都是由晶界网状铁索体分枝，许多铁赢体 片平行地向晶粒内部长大。铁素体片之间的奥氏体随后变成珠 光体。魏氏组织会降低钢的塑性和韧性，尤其是冲击韧性。
3．维氏硬度 测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头
采用锥面夹角为136度的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。 维氏硬度值用HV表示。
压痕面
4. 里氏硬度
原理：当材料被一个冲击体撞击时，较硬材料使冲击体产生 的反弹速度大于较软者。
5. 硬度与强度值的对应关系 由于硬度值综合反映了材料在局部范围内对塑性变形等 的抵抗能力，故它与强度值也有一定关系。 工程上：
冷却速度对晶粒大小的影响
快速冷却，形核点多，晶粒细小 冷却速度慢，均匀长大，晶粒粗大
1.2.2 铁碳合金的基本组织 铁 碳含量>2%--弱而脆
铁碳合金
铁素体—碳熔于α铁或δ铁中的固溶体 F
钢 奥氏体—碳熔于γ铁中的固溶体 A 强而韧 碳含量 0.02%-2%
渗碳体—铁碳金属化合物含碳6.67% Fe3C
许用应力 o
n
安全系数
金属材料基础知识,金属材料的力学性能
金属材料基础知识，金属材料的力学性能金属材料是指具有光泽、延展性、容易导电、传热等性质的材料。
一般分为黑色金属和有色金属两种。
黑色金属包括铁、铬、锰等。
其中钢铁是基本的结构材料，称为“工业的骨骼”。
由于科学技术的进步，各种新型化学材料和新型非金属材料的广泛应用，使钢铁的代用品不断增多，对钢铁的需求量相对下降。
但迄今为止，钢铁在工业原材料构成中的主导地位还是难以取代的。
任何机械零件或工具，在使用过程中，往往要受到各种形式外力的作用，这就要求金属材料必须具有一种承受机械载荷而不超过许可变形或不破坏的能力，这种能力就是材料的力学性能。
一、力学性能--强度强度——金属在静载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力。
1．拉伸测试拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。
利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。
2．力－伸长曲线弹性变形阶段--屈服阶段--强化阶段--缩颈阶段3．强度指标（1）屈服强度：当金属材料出现屈服现象时，在实验期间发生塑性变形而力不增加的应力点。
（2）抗拉强度Rm ：材料在断裂前所能承受的最大的应力。
二、力学性能--塑性塑性——材料受力后在断裂前产生塑性变形的能力。
1．断后伸长率A ：试样拉断后，标距的伸长量与原始标距之比的百分率。
2．断面收缩率Z ：试样拉断后，缩颈处面积变化量与原始横截面面积比值的百分率三、力学性能--硬度硬度——材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。
硬度是通过在专用的硬度试验机上实验测得的。
1．布氏硬度：用球面压痕单位面积上所承受的平均压力来表示，单位为Pa，但一般均不标出：表示方法：布氏硬度用硬度值、硬度符号、压头直径、实验力及实验力保持时间表示。
当保持时间为10～15s时可不标。
应用范围：主要用于测定铸铁、有色金属及退火、正火、调质处理后的各种软钢等硬度较低的材料。
金属材料基础知识
1、金属材料的机械性能的含义是什么？金属及合金的机械性能是指材料的力学性能，即受外力作用时所反映出来的性能。
它是衡量金属材料的重要指标。
2、金属材料的主要机械性能指标有哪些？金属材料的主要机械性能有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性。
3、什么是弹性和韧性？金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后恢复原来的形状的性能，叫弹性；这种随着外力而消失得变形叫弹性变形，其大小与外力成正比。
金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能，叫塑性。
外力消失时留下的这部分不可恢复得变形叫塑性变形，其大小与外力不成正比。
4、什么叫应力？什么叫应变？材料受到拉伸时单位截面上的拉力叫应力，用σ表示。
材料受到拉伸时单位长度上的伸长量叫应变，用ε表示。
5、什么叫弹性极限？材料所能承受的、不产生永久变形的最大应力叫做弹性极限，用σb表示。
6、什么叫屈服极限？金属材料开始出现明显的塑性变形的应力叫做屈服极限，用示。
有些材料屈服极限很难测定，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服极限，用σ0.2表示。
7、什么叫刚度？刚度用什么来衡量？金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力叫刚度。
在弹性范围内，应力与应变的比值叫做弹性模数，弹性模数越大，刚度越大。
8、什么叫强度？强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
9、表示材料强度的指标有哪些？表示材料强度的指标有：1)、屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限。
σs=P s/F0 (Pa)P s—试样产生屈服现象时所承受的最大外力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
2）、抗拉强度：金属材料在拉断前所承受的最大应力。
以σb表示。
σb=P b/F0 (Pa) P b—试样在断裂前的最大拉力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
10、什么叫硬度？金属材料抵抗更硬的物体压入其内部的能力叫做硬度。
11、衡量材料的硬度的指标有哪些？衡量硬度的指标有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度(HV)。
金属材料
科技开发研究中心 科技开发研究中心
金属材料基本知识
• 金属及合金在工业上有着广泛的 应用，根据不同的使用目的、不 同的工作条件，对金属材料有不 同的要求。金属材料的性能主要 包括以下两个方面： • 1、使用性能。即为了保证机械零 件、设备、结构件等正常工作， 材料所具备的性能。包括力学性 能、物理性能、化学性能等。 • 2、工艺性能。即材料在被制成机 械零件、结构件、设备的过程中， 适应各种冷、热加工（如铸造、 轧制、锻压、焊接、热处理、切 削加工等）的性能。
科技开发研究中心
金属材料基本知识
• 4、韧性 • 是指金属材料抵抗冲击负荷的能力。韧性常用冲击功 Ak和冲击韧性值ak表示。
科技开发研究中心
金属材料基本知识
• 韧脆转变温度
• 材料的冲击韧性随温度
下降而下降。在某一温 度范围内冲击韧性值急 剧下降的现象称韧脆转 变。发生韧脆转变的温
金属材料基本知识
• 压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏
硬度值在450以下的材料。 • 压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬 度在650以下的材料。 • 布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。 • 缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬 的材料。 • 适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度。
作用下压入试样表面，保持一定时间
后卸除载荷，所施加的载荷与压痕表 面积的比值即为维氏硬度。维氏硬度 可通过测量压痕对角线长度d查表得 到。维氏硬度保留了布氏硬度和洛氏
硬度的优点。
科技开发研究中心 科技开发研究中心
金属材料基本知识
• （二）耐腐蚀性能 • 金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。 • 腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破 坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多承压 类特种设备的破坏都与材料的腐蚀有关。 • 材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来特种设 备在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发 生; • 选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料 不致于在短时间内因腐蚀造成的特种设备壁厚急剧减薄而 失效。
金属材料知识大全,收藏!
金属材料知识大全，收藏！概述金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。
包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料。
）”Vol.1意义人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。
继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。
现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。
Vol.2种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
（1）黑色金属，又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%-4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。
广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
（2）有色金属，是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。
有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
（3）特种金属材料，包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。
其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。
Vol.3性能一般分为工艺性能和使用性能两类。
所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。
金属材料工艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。
由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。
所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。
金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。
在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。
金属材料基础知识(2020.3.2)
导电性好的金属，导热性就好；相反，导热性好的，导电性不一定好。？
热膨胀性
金属受热时体积发生胀大的性能。衡量热膨胀性的指标称为 热膨胀系数。
磁性
金属材料在磁场中受到磁化的性能。 根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，分为铁磁性材 料、顺磁性材料、抗磁性材料三种。 铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等。 抗磁性材料可用作要求避免电磁场干扰的零件和结构材料。
金属材料基础知识
二、钢材的分类、 常用钢材的表示方
碳素钢
法
1.钢材的分类
钢 材
合金钢
普通 碳素钢
优质 碳素钢
按合金 含量分
按用 途分
甲类钢 乙类钢 特类钢
按含碳 量分
工业纯铁C≤0.04% 低碳钢C＜0.25% 中碳钢C 0.25—0.6%
高碳钢C＞0.6%
按用 途分
碳素结构钢 易切钢 碳素工具钢
金属材料是现代机械制造业的基 本材料，广泛应用于制造各种生 产设备、工具、武器以及生活用 具，金属材料之所以获得广泛的 应用，是由于它具有许多良好的 性能。
金属材料在使用条件 下所表现出来的性能。
使用性能
金属 材料性能
物理性能 化学性能 机械性能
工艺性能
力学性能
金属材料在加工过程 中适应加工的能力。
金属材料基础知识
αk 值越大，材 料的韧性越好。
在小能量多次 冲击条件下， 其冲击抗力主 要取决于材料 的强度和塑性。
金属材料基础知识
5.疲劳强度
许多机械零件在工作过程中各点的应力随时间作周期性 的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力(也 称循环应力)。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力 低于材料的屈服强度，但经过较长时间的工作而产生裂纹或 突然发生完全断裂的过程称为金属的疲劳。
金属材料学基础理论知识
晶格常数
金属在组成晶胞 后，晶胞的大小和形状 是不一样的，大小可用 棱边长度来表示，形状 可用棱边之间的夹角来 表示，它们统称为晶格 常数。
晶面与晶向
金属晶体中通过三个以上原子中心的 平面叫 作晶面，通过两个以上原子中心的直线叫晶向。
二 金属的晶格类型
体心立方晶格 属于这种晶体结构的 金属有α-Fe Cr V Nb W Mo等。
面心立方晶格 属 于这种晶体结构的金属 有α-Fe Ni Cu Al Ag 等。
密排六方晶格 属于这种晶体结构的 金属有Be Mg Zn αTi等。
原子个数计算
三 金属晶体缺陷
金属材料在冶炼后的凝固过程中受到 各种因素的影响，使本来该有规律的原子 堆积方式受到干扰，使得原子排布过程中 出现了不规则现象，称为晶体缺陷。
在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形 突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大 的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集 结沟通将形成宏观裂纹。
因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是 有实际意义的。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展， 构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会 突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象， 称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当 承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明 显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口明显地 分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙 的断裂区。
作用下试样的变形为ac，则弹性 变形和塑性变形分别为ab和 bc(如图1—2所示)。若卸载，弹 性变形ab将恢复，塑性变形6c被 保留，使试样的伸长只能部分地 恢复，而保留一部分残余变形 OD。当载荷达到ps时，在拉伸 曲线上出现锯齿或平台。即载荷 虽然保持不变或发生波动，而试 样继续伸长(变形量继续增加)， 这种现象称为屈服。由于在弹塑 性变形阶段有塑性变形的产生， 因此试样要继续变形，就必须不 断增加载荷。
金属材料基础知识
奥氏体的显微组织
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,它是渗碳体 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物 它是渗碳体 和铁素体片层相间,交替排列形成的混合物 和铁素体片层相间 交替排列形成的混合物. 交替排列形成的混合物 在缓慢冷却条件下,珠光体的含碳量为 珠光体的含碳量为0.77%. 在缓慢冷却条件下 珠光体的含碳量为 由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的 混合物,所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 混合物 所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 性能.大体上是两者性能的平均值 大体上是两者性能的平均值,故珠光体的强度 性能 大体上是两者性能的平均值 故珠光体的强度 较高,硬度适中 具有一定的塑性.力学性能介于铁 硬度适中,具有一定的塑性 较高 硬度适中 具有一定的塑性 力学性能介于铁 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中， 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性 和韧性较好（ 和韧性较好（σb=770MPa、180HBS 、 、 δ=20%~35%、ak=24~32J）。 、 ）。
晶体结构的概念
晶体的内部原子是按一定几个规律排列的， 晶体的内部原子是按一定几个规律排列的，为 了便于理解，把原子看成是一个小球， 了便于理解，把原子看成是一个小球，则金属晶 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 为了形象的表示晶体中原子排列的规律， 为了形象的表示晶体中原子排列的规律，可以 将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接 将原子简化成一个点， 起来，构成有明显规律性的空间格架。 起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 晶格是由许多形状、大小、 晶格是由许多形状、大小、相同的最小几何单元 重复堆积而成的。 ，重复堆积而成的。能够完整的反映晶鸽特征的 最小几何单元称为晶胞。 最小几何单元称为晶胞。
金属材料基础知识
G、按冶炼方法分类 ：
平炉钢 、转炉钢 、电炉钢
金属材料基础知识
H、综合分类: 在实际中按其化学成分、质量、用途
进行综合分类。
(1)普通钢 a.碳素结构钢，b.低合金结构钢 ，c.特定用 途的普通结构钢 。
(2)优质钢（包括高级优质钢）
a.结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c) 弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢； (f)特定用途 优质结构钢。
金属材料基础知识
3、金属晶格的类型 1）体心立方晶格 它的晶胞是一个立方体，
原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中 心，属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、 钒（V）、钨（W）、钼（Mo）、及a-铁（aFe）等金属。
金属材料基础知识
2）面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体 ，原子位于立方体的八个顶角和立方体六个 面的中心，属于这种晶格类型的金属有铝（ Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及r铁（r-Fe）等金属。
另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功 时，常采用10mm×l0mm×10mm的无缺口冲击试样。
金属材料基础知识
4.金属的工艺性能
工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的 适应能力。它包括铸造性能、锻压性能、焊 接性和切削加工性能等。
金属材料基础知识
三、金属的结构与结晶
不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是 同一种金属材料，在不同的条件下其力学性 能也是不同的。金属力学的这些差异，从本 质上来说，是由其内部结构所决定的。
机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金 组成物，虽然是两种晶体，却是一种组成成 分，具有独立的机械性能。
⑴．固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且 结构与组元之一相同的固相。
金属材料的基础知识
抗拉强度: 在拉断前试样所能承受的最大应力 为该试样的抗拉强度，用符号σb 表示，计算公式为。
σb=
Fb So
二、 塑性
➢概念
塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久性变形而不断裂的能 力。
➢ 衡量指标
伸长率：试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比 称为伸长率，用符号δ表示。计算公式为：
δ= l1 l0 ×100% l0
δ ψ
性能指标
名称
抗拉强度 屈服点 规定残余伸长应力
伸长率 断面收缩率
硬度 冲击韧性
HBS(HBW) HRC HRB HRA 标尺洛氏硬度值 A标尺洛氏硬度值 维氏硬度值
冲击韧度
疲劳强度 σ-1
疲劳极限
单位 MPa MPa MPa
J/cm2 MPa
含义
试样拉断前所能承受的最大应力 拉伸过程中，力不增加（保持恒定）试 样仍能继续伸长时的应力 规定残余伸长率达0.2%时的应力
部永久性积累损伤经一定循环次数后产生裂纹或突发完全断 裂的过程称为金属疲劳。
五、疲劳强度
➢疲劳破坏可分为微观裂纹、宏 观裂纹和瞬时断裂三 个过程。
五、疲劳强度
➢疲劳曲线 ：疲劳曲线是指交变应力σ与循 环次数N的关系曲线，如下图所示。
常用金属材料的力学性能指标及其含义
力学性能
符号
强度 塑性
σb σs σ0.2
0.1
e 0.2
一、强度—拉伸曲线
1.弹性变形阶段 2.屈服阶段 3.强化阶段 4.缩颈阶段
低碳钢的应力-应变曲线
一、强度—衡量指标
屈服点： 用符号σs表示，计算公式为
σs=
Fs So
式中：Fb——试样断裂前所承受的最大拉力， 单位为N；
金属材料学基础知识
1．影响珠光体转变为奥氏体的因素: (1)温度的影响随温度升高，奥氏体形核率I及线长大速率u大大增加，从而促进了珠光体向奥氏体的转变。
(2)原始组织的影响珠光体有片状和粒状两种形态。
当钢的原始组织为片状珠光体时，铁素体与渗碳体片层愈薄(片间距愈小)，它们的相界面愈多，则奥氏体的形核位置增多，形核率愈大；与此同时奥氏体中的碳浓度梯度愈大，碳扩散速率愈快，奥氏体线长大速率愈大。
因此细珠光体的奥氏体形成速率大于粗珠光体(见图4-13)，得到的奥氏体晶粒细小、成分均匀。
因此，对中、低碳钢，希望原始组织为细片状珠光体+细小块状铁素体。
若珠光体中的渗碳体为球状，因铁素体与渗碳体的相界面较片状减少，故将减慢奥氏体形成速率。
(3)合金元素合金元素的加入并不改变奥氏体的形成机制，但会影响奥氏体的形成速率。
主要表现在以下几个方面：1)合金元素一般将改变珠光体向奥氏体转变的临界点。
Ni、Mn、Cu等元素降低临界点，增加了过热度，使奥氏体形成速率加快；而Si、Al、Mo、W等元素则升高临界点，降低奥氏体形成速率。
2)合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速率，因而也影响奥氏体的形成速率。
Co和Ni提高碳在奥氏体中的扩散速率，故加快了奥氏体的形成速率。
Si、Al、Mn等元素对碳在奥氏体中的扩散速率影响不大。
而Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速率，故大大降低奥氏体的形成速率。
3)合金钢中奥氏体的均匀化时间要比碳钢长得多，使得奥氏体的形成速率也大大降低。
所以，对不同的钢，形成奥氏体时所需要的保温时间也不一样。
保温时间愈长，溶入奥氏体的合金元素越多，淬透性愈好。
(4)含碳量共析钢奥氏体的形成速率最快。
这是因为对亚共析钢和过共析来说，除了完成珠光体向奥氏体转变之外，还需要完成铁素体或渗碳体转变。
2．晶粒度多晶体内的晶粒大小。
钢的晶粒度按其奥氏体化条件与长大倾向又分成起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度三种(1)起始晶粒度指P刚完全转变为A时的A晶粒度细小而均匀越细小越容易长大（2）实际晶粒度钢在某一具体的获得的A的实际晶粒度的大小取决于具体的加热温度和保温时间V一定时T越高t越长越粗（3）本质晶粒度钢在一定条件A晶粒长大的倾向与脱氧方法和化学成分有关3. 过热及校正加热转变终了时所得A晶粒度较细小但如果在转变终了继续升高温度，则A晶粒度继续长大如果仅仅是晶粒长大而未发生使晶界弱化的某些变化，则称为过热使得钢的强度韧性变坏校正办法重新加热到临界温度以上，再次通过加热转变以求得细小的起始A晶粒4.过热组织的校正：1)由于控温不当导致加热温度过高，在已经引起过热的情况下，应该采用较为缓慢的冷却以获得平衡组织，然后再次加热到正常温度即可获得细晶粒A 2)如果过热后仍进行淬火，得到粗大的不平衡组织，则应该采取以下办法a,采用中速加热以获得细小A 晶粒b，先进行一次退火以获得平衡组织，然后再进行加热。
金属材料及热处理基础知识
目录
• 金属材料概述 • 金属材料的热处理 • 金属材料的力学性能 • 金属材料的腐蚀与防护 • 金属材料的选择与应用
01
金属材料概述
金属材料的定义与分类
金属材料的定义
金属材料是指以金属 元素或以金属元素为 主要成分，具有金属 特性的材料统称为金 属材料。
金属材料的分类
区域受到腐蚀的现象。
金属腐蚀的原理与影响因素
总结词
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。影响因素包括 环境因素和金属本身的因素。
详细描述
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。这个过程通常 涉及到电化学反应。影响因素包括环境因素和金属本身的因素。环境因素如湿度、温度、氧气、二氧化碳、污染 物等，而金属本身的因素包括合金成分、微观结构、表面状态等。
详细描述
热处理是金属材料加工过程中的一个重要环节，主要通过控制温度和时间来改变 金属材料的内部结构，从而改善其物理、化学和机械性能。根据不同的加热温度 和冷却方式，热处理可以分为多种类型，如退火、正火、淬火和回火等。
热处理的基本原理
总结词
热处理的基本原理是利用金属在加热和冷却过程中的相变现象，通过控制相变 过程来改变材料的内部组织结构，从而达到改善其性能的目的。
• 详细描述：退火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温的过程，主要用于消除内应力、降低硬 度、提高塑性和韧性等。正火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后空冷至室温的过程，主要用于细化晶粒、 提高强度和韧性等。淬火是将金属加热到适当温度后迅速冷却至室温的过程，主要用于提高金属的硬度和耐磨性等。回 火则是将淬火后的金属加热到适当温度后保温一段时间，然后冷却至室温的过程，主要用于消除淬火产生的内应力、稳 定组织结构和提高韧性等。
金属材料工程基础知识单选题100道及答案解析
金属材料工程基础知识单选题100道及答案解析1. 下列金属中，导电性最好的是（）A. 铜B. 铝C. 银D. 金答案：C解析：在常见金属中，银的导电性最好。
2. 金属材料在静载荷作用下，抵抗变形和断裂的能力称为（）A. 强度B. 硬度C. 塑性D. 韧性答案：A解析：强度是金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
3. 下列哪种金属的熔点最高（）A. 钨B. 铁C. 铜D. 铝答案：A解析：钨的熔点约3410℃，是常见金属中熔点最高的。
4. 金属的疲劳强度是指（）A. 在交变载荷作用下，经过无数次循环而不破坏的最大应力B. 在静载荷作用下，不发生破坏的最大应力C. 在冲击载荷作用下，不发生破坏的最大应力D. 在高温下，不发生破坏的最大应力答案：A解析：金属的疲劳强度是在交变载荷作用下，经过无数次循环而不破坏的最大应力。
5. 下列哪种热处理工艺可以提高金属材料的硬度（）A. 退火B. 正火C. 淬火D. 回火答案：C解析：淬火能使钢件获得高硬度。
6. 常见的不锈钢中，主要的合金元素是（）A. 铬B. 镍C. 钛D. 钼答案：A解析：铬是不锈钢中主要的合金元素。
7. 下列金属材料中，属于有色金属的是（）A. 铸铁B. 碳钢C. 铜D. 工具钢答案：C解析：有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属，铜属于有色金属。
8. 下列哪种金属具有良好的耐腐蚀性和高温强度（）A. 钛B. 镁C. 锌D. 铅答案：A解析：钛具有良好的耐腐蚀性和高温强度。
9. 合金元素在钢中的作用不包括（）A. 提高钢的强度B. 改善钢的韧性C. 降低钢的硬度D. 提高钢的耐磨性答案：C解析：合金元素通常会提高钢的硬度，而不是降低。
10. 金属材料的塑性指标通常用（）表示A. 屈服强度B. 抗拉强度C. 伸长率D. 硬度答案：C解析：伸长率和断面收缩率是金属材料的塑性指标。
11. 下列哪种金属的密度最大（）A. 铝B. 铁C. 铅D. 金答案：D解析：金的密度相对较大。
工程材料学_第一章-金属学基础知识
晶向（crystal direction） ：
通过晶体中任意两个原子中心连线来表示晶体结构的空间的各 个方向。 晶胞原子数：一个晶胞内包含的原子数目。
原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间
平衡距离的一半，与晶格常数有一定的关系。 配位数：晶格中任一原子处于相等距离并相距最近原子数
的性能、塑性变形及其组织 转变均有极为重要的作用 。
通过冷塑性变形，提高位错
密度使得金属强度、硬度提
高的方法称为加工硬化。
面缺陷－晶界与亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
金属的晶体结构
合金与合金的相结构
•单相合金组织(homogeneous structure )与多相合金组织 (Heterogenous structure):显微组织为单相的称为单相组织，为 多相的称为多相组织。
•合金组织的相：构成合金组织的各个相称为合金组织的相。 • 相结构：相组成物的晶体结构称为合金的相结构
二、合金的相结构
点位置的异类原子
线缺陷
位错( dislocation )：晶格的一部分相对
于另一部分发生的局部滑移现象，或者说 局部原子发生有规律的位置错排现象
面缺陷
晶界( grain boundary ) 亚晶界( sub-boundary )
点缺陷
置换原子
间隙原子
化合物离子晶体两种常见的缺陷
晶格空位
（1）晶面(crystal face)和晶向（ crystal directions ）:
晶向指数(indices of directions)和晶面指数(indices of crystal－plane)是分
金属材料的基础知识—金属的冷、热加工及再结晶(航空材料)
无
有
各向异性导致的铜板 “制耳”
（3）产生残余内应力
① 残余内应力：平衡于金属内部的应力，由金属内部不均匀变形引起。 ② 分类
宏观内应力－金属表层和心部变形不均匀； 微观内应力－相邻晶粒变形不均匀； 晶格畸变应力－位错等缺陷的增加造成，变形强化原因。
③ 残余内应力的危害 引起零件加工过程变形、开裂。 降低耐蚀性
自由锻
模锻
轧制
正挤压
反挤压
拉拔
冲压
多晶体的塑性变形
多晶体的塑性变形
晶内变形：许多个单晶塑性变形的总和 晶间变形：晶粒间的滑移和转动
晶粒越细
变形分散在更 多的晶粒内
晶界越多 越曲折
变形更 均匀
不利于裂 纹传播
不产生过分的 应力集中现象
断裂前发生较 大的塑性变形
晶粒越细，强度越高、塑性韧性越好
3. 塑性变形后金属的组织与性能
④ 残余内应力的消除或降低 —— 去应力退火
金属的冷热变形加工
一、金属的冷、热变形加工
1. 冷、热加工的概念及特征
概念 特征
热加工
在再结晶温度以上的塑性 变形（热变形）
金属材料产生的加工硬化 现象被消除，且变形抗力 小，加热可提高材料塑性
冷加工
在再结晶温度以下的塑性 变形（冷变形）
材料有加工硬化现象、变 形抗力大、低塑性材料变 形困难
单晶体的塑性变形方式：滑移和孪生。 最基本、最重要的变形方式
（1）滑移：
在切应力的作用下，晶体的两个部分之间沿一定晶面（滑移 面）和晶向（滑移方向）发生的相对移动。 ① 滑移原理
图1 晶体在切应力作用下的变形 a.未变形 b.弹性变形 c.弹塑性变形 d.塑性变形
金属材料基础知识
A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。
低温脆性
• 低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态
的现象 。
• 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性
破坏的现象。 • 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。
变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
• 1.变动载荷 • ——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时
间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。 • 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则
随机变动应力两种。
a)应力大小变化 b)c）应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化
• 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U 型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至 高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下 落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为 mgH2。
• 所以，摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。
求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。
冲击试验的应用
• 缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断 抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、 石油射孔枪等，有一定的参考价值。
• 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由
强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于 零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料
σ0.2= F0.2/A0
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示 材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
按冶炼方法分类: 平炉钢、转炉钢、电炉钢 按用途分类：结构钢、工具钢、特殊性能钢 按正火组织分类：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、
奥氏体钢
按化学成分分类：碳素钢、合金钢
钢的热处理
退火 淬火 回火 正火 时效
钢的合金化
钢的高倍缺陷
•带状组织 •液析 •非金属夹杂物
继电器触点材料
AgNi AgCdO
1972 年日本限制使用AgCdO 触点材料并寻找代替品, 随后美国、法国、英国等也相继研制AgCdO的代替品。 2004年8月欧洲议会和欧盟部长理事会共同批准了《关于 限制在电子电气设备中使用某些有害物质的指令》，要求 各成员国确保从2006年7月1日起投放于市场的新的电子和 电器设备不包含铅、汞、镉等六种有害物质，并规定了六 种有害物质的浓度上限，要求同质物料所含铅、汞、镉等 的最高浓度不得超过重量的0.01%（100ppm）。
金属材料学基本知识介绍
20世纪中国科技的发展
新中国建立之初，中国只有500人的科研队伍， 80%的国民为文盲，与发达国家的科技实力差距为100 年。 现在，中国在高科技的某些领域已经赶上或超过 了世界先进水平。但在有些领域与发达国家相比还要 落后几十年。
20世纪中国科技的发展
原子弹和氢弹爆炸成功； 6000米水下无缆机器人研制成功； 作为唯一的发展中国家参与人类基因组计划； 导弹和人造卫星成功发射，宇宙飞船顺利遨游太空； … …
1500
Intensity (cps)
1000
500
0 72.4
72.6
72.8
73.0
73.2
73.4
2theta (deg.)
磁控形状记忆材料
金属材料检测分析
力学性能检测 残余应力检测 缺陷检测 微观组织检测 晶粒度、颗粒度检测 磁性能检测 电性能检测
完
继电器触点材料
AgSnO2 被认为是最有可能替代AgCdO的触点材料
AgCdO的特点： 1. CdO在高温分解成Cd蒸气和氧气，体积增大几个数量级， 产生剧烈的蒸发，起到吹弧作用，并清洁触点表面 2. CdO分解时吸收大量的热，有利于电弧的冷却与熄灭 3. 弥散的CdO微粒能增加熔融材料的粘度，减少金属的飞 溅损耗。 AgSnO2 的特点： SnO2的耐高温性能好，熔融的Ag对SnO2的润湿性差
金属材料塑性加工的几个基本概念
弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性 塑性(plasticity)：物体产生永久变形的能力，不可逆性 屈服(yielding)：开始产生塑性变形的临界状态 损伤(damage)：材料内部缺陷产生及发展的过程 断裂(fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程
继电器触点材料的制备方法
内氧化法
高压内氧化法 预氧化法 化学共沉淀法
粉末冶金法
反应合成法
反应喷雾法
金属功能材料
按性能分主要包括：
磁性、电性、力学、声学、热学、光学、化学、生物功能材料 和特种功能材料
当前研究比较多的功能材料有：
1. 2. 3.
金属软磁材料 稀土永磁合金 纳米材料 稀土功能材料 大块非晶材料 真空快淬材料 磁性形状记忆合金
3 3.68 . 6 8 Å
2 2.65 . 6 5 Å
铜及其合金
铜的导电、导热性好，仅次于银位居第二位。 工业纯金属的导电导热性：银、铜、金、铝、镁、锌、镍、镉、钴、铁、 铂、锡、铅、锑
纯铜 黄铜 青铜 白铜
：又称紫铜
：铜锌合金 ：锡青铜、铝青铜、铍青铜 ：铜镍合金
铜的热处理：铜无同素异构转变，不能热处理强化，铜的热 处理主要是退火，包括低温退火和再结晶退火。
影响触点材料电寿命的因素
1）组元的影响 对触点材料抗电弧侵蚀性能影响重大的三个方面是: (a) 液态银对第二组份的润湿性; (b) 分散体系的粘性; (c)MeO组份的分布及热稳定性。 2）组织的影响 在一定组元条件下，材料的组织结构对电寿命的影响 也是关键的因素。组织的优化设计包括下述内容:(1) MeO 的粒度: 适度(应可控制)；(2) MeO的体积分数: 适度； (3) MeO 颗粒在Ag 基体中的分布状况: 均匀分布在Ag 基 体中而不是在Ag 晶界上；(4) 孔隙大小: 愈小愈好；(5) 孔隙含量: 愈少愈好；(6) 孔隙在材料中的分布状况: 均 匀分布在Ag基体中最好；(7) MeO与Ag界面结合强度: 愈 强愈好；(8) MeO与Ag熔液的润湿程度: 润湿角愈小愈好。
置换固溶体 间隙固溶体 金属间化合物
钢的低倍缺陷
•疏松 •缩孔残余 •偏析 •气泡 •裂纹 •夹杂
铸 铁
白口铸铁 麻口铸铁 灰口铸铁
有色金属及其合金
轻金属 比重小于3.5的金属，如铝、镁、铍、锂等 重金属 比重大于3.5的金属，如铜、锌、铅、镍等 贵金属 金、银、铂等 稀有金属 钨、钼、钒、钛等 放射性金属 镭、铀等
磁性材料
抗磁性物质 顺磁性物质 铁磁性物质
软磁材料 硬磁材料（永磁材料）
形状记忆合金
400 350 300 250 200 150 100 50 0 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Intensity (cps)
313K 393K 473K 553K 633K 713K 833K 873K 953K 1033K 90
提高金属塑性的主要途径
提高塑性的主要途径有以下几个方面：
1.
2. 3.
控制化学成分、改善组织结构，提高材料的 成分和组织的均匀性； 采用合适的变形温度—速度制度； 选用三向压应力较强的变形过程，减小变形 的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态； 避免加热和加工时周围介质的不良影响。
4.
钢Байду номын сангаас材料的分类
4.
5. 6. 7.
纳米材料
材料科学与纳米技术
纳米技术(主要应用于纳米材料和纳米器 件两个方面)是材料科学的重要支撑，即对原 子和分子进行加工，并将其组装成具有特定 功能的结构。 纳米技术所引起的世界性技术革命和产业 革命，将会比历史上任何一次技术革命对社 会经济、政治、国防等领域所产生的冲击更 为巨大。
弹性、塑性变形的力学特征
可逆性：弹性变形——可逆；塑性变形——不可逆 -关系：弹性变形——线性；塑性变形——非线性 对组织和性能的影响：弹性变形——无影响；塑性变形—— 影响大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等） 变形机理： 弹性变形——原子间距的变化； 塑性变形——位错运动为主 弹塑性共存：整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变 形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑 性变形与工模具的弹性变形共存。
20世纪中国科技的发展
“神州”五号载人飞 船
科学技术成为国家安全的核心要素
科技水平将在相当程度上决定 各国在政治舞台上的地位，“为了 外交的科技”将彻底转变为“为了 科技的外交”。 以军事安全为核心的安全观正 在拓展为包括经济安全、军事安全 、文化安全、等内容的现代大安全 观。
未来战争将成为核威慑、信息威慑及生物威慑的高技术战争，其影响和 破坏范围将远远超过传统战争。 可以说，没有强大的科学技术为后盾，就没有未来的国家安全保障。
金属基复合材料
通常按增强体的形式分类：
连续纤维增强 短纤维或晶须增强 颗粒增强以及片层叠合
继电器触点材料
对触点材料的要求
(1) 良好的导电性和导热性。这是对触点材料的基本要求, 材料本身要具有低而稳定的电阻,同时在工作一段时间后, 要保证接触电阻不会急剧增大，温度不会升高太多。 (2) 耐电磨损。小型化的大功率继电器无疑会使触点材料在 大电流、高电压下工作,而且由于触点尺寸较小,承受的电 流密度较大,触点材料必须要能经受强电弧的侵蚀,保证有 足够的使用寿命。 (3) 抗熔焊能力强。小型大功率继电器在使用中往往还存在 着大的浪涌电流,极易造成触点熔焊或剧烈烧损，触点材 料在选择材料成分和结构时要充分考虑到这一点。 (4) 良好的机械加工性。触点材料要加工成各种形状,特别 是大量的铆钉型触点,材料应具有高强度兼顾很好的塑性。
2theta (deg.)
2000
1500
298K 283K 273K 268K 263K 258K 253K 248K 243K 238K 233K 228K 223K 213K 203K
42 44 46 48 50
Intensity (cps)
1000
500
0
2theta (deg.)
大磁致伸缩材料
当前高新科学技术领域的三大支柱：
信息技术 生物技术 新 材 料
材料科学是基础,即信 息技术和生物工程必须依 托于新材料的研究和开发. 没有新材料,就没有高技术 的应用和发展.
晶体学基础
晶体结构 空间点阵 晶面 晶向 晶粒 金属的结晶过程
三种典型的金属晶体结构
面心立方
体心立方
密排六方
塑性的基本概念
什么是塑性
塑性是金属在外力作用下产生永久变形 而不破坏其完整性的能力。
单晶体的塑性变形
在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的， 此外，尚有孪生和扭折等方式。
滑移
孪生
多晶体的塑性变形
实际使用的材料通常是由多晶体组 成的。室温下，多晶体中每个晶粒 变形的基本方式与单晶体相同，但 由于相邻晶粒之间取向不同，以及 晶界的存在，因而多晶体的变形既 需克服晶界的阻碍，又要求各晶粒 的变形相互协调与配合，故多晶体 的塑性变形较为复杂。多晶体试样 经拉伸后，每一晶粒中的滑移带都 终止在晶界附近。