金属材料及热处理工艺

冲击载荷：在短时间内以较高速度作用于零件上的载荷。
循环载荷：指大小、方向随时间发生周期性变化的载荷
按作用形式不同分：
6、变形：材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化， 称为变形。分为弹性变形与塑性变形 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
一、强度 概念：强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂 的能力 。通过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。 =F/S -----应力 Pa 1 Pa=1N/m2 1M Pa=106Pa
建筑
交通
绪
论
汽车
福特2000与西纳给2010这两款 由材料工程师设计的汽车将成 为未来交通工具。
汽车用高强钢，比原先的轻 24%，而强度高34%。
绪
论
轻质材料
实 例 材料 强度范围 MPa 比强度 MPa
铝合金
压气机叶片
150-450
55－160
钛合金
压气机机匣
350-1100
80－245
飞机尾翼
疲劳极限σ-1 ：
材料经无数次应力循环而不发生疲劳 断裂的最高应力值。 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: σ-1 = (0.45～0.55)σb
条件疲劳极限：
经受107应力循环而不致断裂的最大应力 值。
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
陶瓷、高分子材料－疲劳抗力很低； 金属材料－疲劳强度较高；
拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向 静拉伸曲线
屈服现象：金属材料开始产生明显塑性变形的标志。
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第一章
绪论
3．阶段III（dB）段――均 匀塑性变形阶段
B: Pb 材料所能承受的最 大载荷 4．阶段IV(BK) 段――局部 集中塑性变形
颈缩
1. 低Ｃ钢、正火、退火调质中Ｃ钢，低、中C合金钢某些Al合 金及某些高分子材料具有类似上述曲线。 2. 铸铁、陶瓷：只有第I阶段 3. 中、高碳钢：没有第II阶段
金属材料及热处理工艺
------公共选修课程 主讲人：李 伟 2010.09
绪
论
绪论
材料与人类文明 材料分类与性能
引言

材料的定义：
材料－能为人类制造有用器件的物质。
金属、陶瓷、塑料、玻璃、纤维、木材、砂子、石子、复合 材料等都属于材料的范畴。
材料科学与人类文明的关系密切，可以说，
人类的衣、食、住、行均离不开它。
第一章
金属材料的性能
一、金属材料的力学性能
二、金属材料的物理和化学性能
金属材料的性能
性能
——表征材料在给定外界条件下的行为
使用性能
力学性能 物理性能 化学性能
金属材料的性能 铸造性 可锻性 可焊性 切削加工性 热处理性
工艺性能
第一章
绪论
第一节 金属材料的力学性能
金属材料在外加载荷（外力或能量）作用下或载荷 与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下表现 出来的行为。 －－主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。
a: σs=Ps/Fo （σ s代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选
材的主要依据之一。）
σs =
Ps
试样屈服时的载荷( N )
( M pa ) F0
试样原始横截面积( mm2)
b: σ0.2条件屈服强度
（中高碳钢、无屈服点，国家标准，以产生一定的微量塑性变形的抗 力的极限应力值来表示。）
σ0.2 =
这张埃及古墓壁画是 人类冶金业的最早纪录之一
绪
论
青铜：第一种合金
青铜，古称金或吉金，是铜与其
它化学元素（锡、镍、铅、磷等） 的合金。 史学上所称的“青铜时代”是指 大量使用青铜工具及青铜礼器的 时期。保守的估计，这一时期主 要从夏商周直至秦汉，时间跨度 约为两千年左右，这也是青铜器 从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。 到春秋戰國時期，齊國工匠總結 科技經驗寫成的《考工記》一書 中，提出了「金有六齊」，這是 世界科技史上最早的冶銅經驗總 結。
工程设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲 力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致 于改变零件几何形状和尺寸的能力。
指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。
金属的力学性能
研究力学性能意义：是选择和使用金属材料的重要依据
一、基本概念
1、弹性：指物体在外力作用下改变基本形状和尺寸，当外力卸除后 物体又恢复到其原始形状和尺寸的特性。 2、内力：金属受到外力时为保其不变形，在材料内部作用者与外力 相对抗的力称为内力。 3、应力：单位面积上的内力。 4、应变：指由外力所引起的物体原始尺寸或形状的相对变化；通常 以百分比（%）表示 5、载荷：金属材料在加工及使用过程中所受的外力。 按作用性质分： 静载荷：指大小不变或变化过程缓慢的载荷。
达30吨，用电相当于一个小的城 市。
绪
论
生物、生活－材料技术的发展改变我们的生
活
仿真手臂
人 工 关 节 微机械
“自行车发烧友” 的首选
钛结构自行车架
材料发展概括
▲ 石器时代 天然石，兽骨，树枝 陶器时代 泥巴（日晒→原始陶器；火烧→瓷器用具） 铜器时代：司母戊鼎（公元前11—16世纪）1130×780×1100 战国编钟（前475—221年）65个 总重2500Kg 铁器时代 沧州大狮（公元953年 ）重50T ,长5.3m,宽3m 人工复合材 料
拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向 静拉伸曲线
第一章
绪论
二、材料的强度(strength) ――材料所能承受的极限应力.
物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗 扭强度等。
公式：σ=P/Fo 单位： MPa(MN/mm2)
第一章
绪论
1．屈服强度σs ( yield strength)和条件屈服强 度σ0.2
塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等
金属材料
陶瓷材料
材料分类
高分子材料
复合材料
工程材料主要任务

————揭示固体材料的成分、组织结构、性 能和应用之间的关系及其变化的一般规律。
本课程的性质和目的
1、性质： 是机械类专业必修的一门专业技术基础课。 2、目的： a 获得有关工程材料的基本知识。 b 初步掌握零件设计时的合理选材、用材 c 正确运用热处理技术、妥善安排加工工艺路线及材料 检测等方面的知识和能力 d 为后续课程和从事技术工作打下基础。 本课学习方法是：预习 、笔记 、复习、讨论问题 本教材的难点：名词概念较多，较为抽象和分散
绪
论
核能材料
耐 中 子 辐 射 、 腐 蚀 、 高 温 核 反 应 堆 材 料 ：
Nuclear power station at Leibstadt, Switzerland 烧 结 前 烧 结 后
钨钒钢（W-V steel） 铬钒钢（Cr-V steel） 镍基高温合金（Hastelloy material）

燧石：神奇的石头
绪
论
陶器（Pottery）
陶器的出现是人类跨入新
石器時代的重要标志之一。
据目前已知的考古资料，
中国的陶器制作至少已有 8000年以上的历史。
西安半坡人面网纹陶盆
战国陶制四通水管
绪
论
4,500 BC——1,000 BC 青铜时代 （Bronze Age）
从矿石中提炼铜——冶金 业的黎明
Lk:试样拉断后最终标距长度

材料是所有科技进步的核心
建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程 无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破。
没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦；
没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天；
没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船； 没有固体微电子电路，就没有计算机。
按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。
注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。
拉伸实验
（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸 试验测定）
（GB/T228-2002）
1. 拉伸试样 2. 力—伸长曲线（以低碳钢试样为例） 3. 脆性材料的拉伸曲线

绪
论
1000BC—— 铁器时代（Iron Age）
1450BC——铁制车轮
ห้องสมุดไป่ตู้
1500AD——廉价的冶铁业
绪
论
二、 材料与人类现代文明
－－材料是发展高科技的先导和基石

支撑人类现代文明的四大支柱技术：



材料科学与技术 生物科学与技术 能源科学与技术 信息科学与技术
其中材料是基础！
材料－技术大厦的砖石
碳纤维 复合材 料
1000－ 1200 （顺纤维 方向）
625－750
1980’s：高温超导体
超导磁悬浮列车
西南交通
大学已研制成功全国唯一一辆 “世纪号”超导磁悬浮列车，这 种高温超导磁悬浮列车最大特点
就是乘坐平稳、安全和快捷。和
世界上最先进的轻轨列车比较， 它没有一点轰隆隆的噪声，十分
安静。
绪
P0.2
( M pa ) S0
试样产生0.2%残余塑性变 形时的载荷(N)
试样原始横截面积( mm2)
脆性材料：σb=σs 灰口铸铁
2．抗拉强度( σb=Pb/Fo
tensile strength )
材料被拉断前所承受的最大应力值（材料抵抗外力而不
致断裂的极限应力值）。
试样断裂前的最大载荷(N)
σb =
夏钺(yuè)
戈
绪
论
三星堆

立人像铸于商代晚期，人像高 172厘米，底座高90厘米，通 高262厘米，是世界上最大的 青铜立人像，被尊称为“世界 铜像之王”。 突目面具铸于商代晚期，原件 高64.5厘米，宽138厘米，眼 球柱状外突长达13.5厘米，其 造型在世界上亦属首见。

绪
论
司母戊鼎

司母戊鼎，商代大鼎，1939 年出土，鼎高133厘米，重 875公斤。为已知的中国古代 体量最大的青铜器。 铜禁，中国已知最早应用失 蜡法铸造的作品，春秋時代 的楚国王子午墓出土的，年 代为公元前6世纪。
绪
论
材料与人类文明
一、材料与人类文明发展（历史贡献）

人类的文明进程是依据什么而划分的？
可以使用的占主导地位的材料。
——石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料 时代……。
——发展得越来越快。
材料应用的发展是人类发展的里程碑！
绪
论
400,000 BC——4,500 BC 石器时代（Stone Age）
1. 拉伸试样（GB6397-86）
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式
2. 力－伸长曲线 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。
弹性变形阶段
屈服阶段
强化阶段 颈缩现象
(a)试样 (b)伸长 (c)产生缩颈 (d)断裂
论
能源
新能源材料则是指实现新能源的
转化和利用以及发展新能源技术中 所要用到的关键材料。
主要包括储氢电极合金材料为代表 的镍氢电池材料 嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的 锂离子电池材料、燃料电池材料 Si半导体材料为代表的太阳能电池 材料 铀、氘、氚为代表的反应堆核能材 料等。
•过载持久值
纤维增强复合材料－较好的抗疲劳性能。
第一章
绪论
三、塑性 (plasticity): －材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏 的能力。 1．延伸率（specific elongation）
是指试样拉断后的标距伸长量Lk与原始标距L0之比。
δ < 2 ~ 5% 属脆性材料 属塑性材料
δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
Pb
( M pa ) S0
试样原始横截面积( mm2)
第一章
绪论
3．疲劳强度σ-1 ( fatigue strength )
疲劳现象：
（80%的断裂由疲劳造成）
承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化，交变 应力作用下，往往在远小于强度极限，甚至小于屈服极 限的应力下发生断裂。
影响因素：
循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力 等。
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
第一章
绪论
曲线分为四阶段：
1．阶段I（oab）――弹 性变形阶段 a: Pp b: Pe （不产生永久变 形的最大抗力） oa段：△L∝ P 直线 阶段 ab段：极微量塑性变 形（0.001--0.005%) 2．阶段II（bcd）段 ――屈服变形 c: 屈服点 Ps
uranium oxide beads
信息－人类正在步入信息时代，同时也是信息材料竞争的时
代。
电子管——晶体管——集成电路
绪
论
单晶硅片，高纯钛、 SiO2和铬等薄膜 锗、硅半导体。 钨、钼电极。
电子管16K内存器。
图中的女士要用显微镜才看得到现在的集 成电路16 K内存器
第一台电子管组成的计算机重