1、金屬材料及熱處理工藝 -公共選修課程主講人：李 偉 2010.09課程的內容(共10講，32學時)n第一講 材料概論與材料性能n第二講 材料的結構n第三講 金屬的塑性變形與再結晶n第四講 材料的凝固與鐵碳相圖n第五講 金屬的熱處理(一)-原理n第六講 金屬的熱處理(二)-工藝n第七講 工業用鋼n第八講 鑄鐵n第九講 有色金屬及其合金n第十講 新型金屬材料及其常用分析技術參考教材n1、金屬材料與熱處理，葉宏 主編，溝引寧 張春艷 副主編，化學工業出版社，2009.03 n2、工程材料，劉天模、徐幸梓主編，機械工業出版社，2001n3、材料科學基礎，胡賡祥，蔡珣，戎詠華，上海交通大學出版社，200

2、6.07第一章第一章 材料概論與材料性能材料概論與材料性能 緒緒 論論 u材料與人類文明材料與人類文明u材料分類與性能材料分類與性能引言n材料的定義： 材料能為人類制造有用器件的物質。 金屬、陶瓷、塑料、玻璃、纖維、木材、砂子、石子、復合材料等都屬于材料的范疇。材料科學與人類文明的關系密切，可以說，材料科學與人類文明的關系密切，可以說，人類的衣、食、住、行均離不開它。人類的衣、食、住、行均離不開它。一、材料與人類文明發展（歷史貢獻）一、材料與人類文明發展（歷史貢獻） n人類的文明進程是依據什么而劃分的？人類的文明進程是依據什么而劃分的？可以使用的占主導地位的材料。可以使用的占主導地位的材料。石

3、器時代、銅器時代、鐵器時代、鋼鐵時代、合成材料時代、復合材料時代。發展得越來越快。 緒緒 論論 1.1 材料與人類文明材料應用的發展是人類發展的里程碑！400,000 BC4,500 BC石器時代（石器時代（Stone Age）n燧石：神奇的石頭 緒緒 論論 陶器（陶器（Pottery）n陶器的出現是人類跨入新新石器時代的重要標志石器時代的重要標志之一。n據目前已知的考古資料，中國的陶器制作至少已有8000年年以上的歷史。西安半坡人面網紋陶盆西安半坡人面網紋陶盆戰國陶制四通水管戰國陶制四通水管 緒緒 論論 4,500 BC1,000 BC青銅時代青銅時代（Bronze Age）n 從礦石中提煉

4、銅冶金業的黎明這張埃及古墓壁畫是這張埃及古墓壁畫是人類冶金業的最早紀錄之一人類冶金業的最早紀錄之一 緒緒 論論 n青銅，古稱金或吉金，是銅與其它化學元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金。n史學上所稱的“青銅時代”是指大量使用青銅工具及青銅禮器的時期。保守的估計，這一時期主要從夏商周直至秦漢，時間跨度約為兩千年左右，這也是青銅器從發展、成熟乃至鼎盛的輝煌期。n到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的考工記考工記一書中，提出了金有六齊，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。 青銅：第一種合金青銅：第一種合金夏鉞(yu)戈 緒緒 論論 三星堆三星堆n立人像鑄于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通

5、高262厘米，是世界上最大的青銅立人像，被尊稱為“世界銅像之王”。n突目面具鑄于商代晚期，原件高64.5厘米，寬138厘米，眼球柱狀外突長達13.5厘米，其造型在世界上亦屬首見。 緒緒 論論 司母戊鼎司母戊鼎n司母戊鼎，商代大鼎，1939年出土，鼎高133厘米，重875公斤。為已知的中國古代體量最大的青銅器。n銅禁，中國已知最早應用失蠟法鑄造的作品，春秋時代的楚國王子午墓出土的，年代為公元前6世紀。 緒緒 論論 1450BC鐵制車輪1500AD廉價的冶鐵業 1000BC鐵器時代（鐵器時代（Iron Age） 緒緒 論論 二、二、 材料與人類現代文明材料與人類現代文明n支撐人類現代文明的四大支柱

6、技術：材料材料科學與技術生物生物科學與技術能源能源科學與技術信息信息科學與技術 緒緒 論論 材料是發展高科技的先導和基石材料是發展高科技的先導和基石其中材料是基礎！材料技術大廈的磚石n材料是所有科技進步的核心建筑、交通、能源、計算機、通信、多媒體、生物醫學工程無一不依賴材料科學與技術的發展來實現和突破。沒有鋼鐵材料，就沒有今天的高樓大廈；沒有專門為噴氣發動機設計的材料，就沒有靠飛機旅行的今天；沒有耐高溫復合涂層材料，就沒有人類探索外空的飛船；沒有固體微電子電路，就沒有計算機。建筑交通福特2000與西納給2010這兩款由材料工程師設計的汽車將成為未來交通工具。汽車用高強鋼，比原先的輕24%，而強

7、度高34%。汽車汽車 緒緒 論論 實實 例例材料材料強度范圍強度范圍MPa比強度比強度MPa壓氣機葉片壓氣機葉片鋁合金150-45055160壓氣機機匣壓氣機機匣鈦合金350-110080245飛機尾翼飛機尾翼碳纖維復合材料10001200（順纖維方向）625750輕質材料輕質材料 緒緒 論論 超導磁懸浮列車超導磁懸浮列車 西南交通大學已研制成功全國唯一一輛“世紀號”超導磁懸浮列車，這種高溫超導磁懸浮列車最大特點就是乘坐平穩、安全和快捷。和世界上最先進的輕軌列車比較，它沒有一點轟隆隆的噪聲，十分安靜。1980s：高溫超導體能源能源p 新能源材料則是指實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術中所

8、要用到的關鍵材料。n 主要包括儲氫電極合金材料為代表的鎳氫電池材料n 嵌鋰碳負極和LiCoO2正極為代表的鋰離子電池材料、燃料電池材料n Si半導體材料為代表的太陽能電池材料n 鈾、氘、氚為代表的反應堆核能材料等。 緒緒 論論 核能材料核能材料Nuclear power station at Leibstadt, Switzerland uranium oxide beads 鎢釩鋼（W-V steel）鉻釩鋼（Cr-V steel）鎳基高溫合金（Hastelloy material）核反應堆材料：耐中子輻射、腐蝕、高溫燒結后燒結后燒結前燒結前 緒緒 論論 信息信息人類正在步入信息時代，同時也

9、是信息材料競爭的時代。 電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路電子管電子管16K內存器。圖中的女士要用顯微鏡才看得到現在的集集成電路成電路16 K內存器 緒緒 論論 n第一臺電子管電子管組成的計算機重達30噸，用電相當于一個小的城市。鎢、鉬鎢、鉬電極。鍺、硅半導體。鍺、硅半導體。單晶硅片，高純鈦、單晶硅片，高純鈦、SiO2和鉻等薄膜和鉻等薄膜生物、生活生物、生活材料技術的發展改變我們的生材料技術的發展改變我們的生活活仿真手臂仿真手臂人工關節“自行車發燒友自行車發燒友” 的首選的首選鈦結構自行車架微機械微機械 緒緒 論論 第一章第一章 緒論緒論1.2 1.2 材料的分類與性能材料的分類與性能

10、一、材料的分類一、材料的分類 二、工程材料的性能二、工程材料的性能一、材料的分類一、材料的分類金屬高分子陶瓷材料有機材料無機材料 復合材料復合材料第一章第一章 緒緒 論論 材料分類材料分類What? 各類材料的性能特點各類材料的性能特點p金屬材料金屬材料主要為金屬鍵金屬鍵。q熱和電的良導體q具有良好的強度與延展性以及金屬光澤p陶瓷材料陶瓷材料通常為離子鍵離子鍵或共價鍵共價鍵。q絕緣體而且比較耐熱。p高分子材料高分子材料通常為共價鍵、分子鍵和氫鍵，以共價鍵共價鍵為主。q分子結構都非常巨大q通常密度較低，在高溫下不穩定。p復合材料復合材料性能的復合. 第一章第一章 緒緒 論論 鑄造性鑄造性 可鍛性

11、可鍛性可焊性可焊性切削加工性切削加工性熱處理性熱處理性 工程材料的性能工程材料的性能 使用性能使用性能力學性能力學性能物理性能物理性能化學性能化學性能 工藝性能工藝性能 二、材料的性能二、材料的性能表征材料在給定外界條件下的行為材料的性能材料的性能核心關系核心關系 緒緒 論論 而其核心是圍繞而其核心是圍繞: “結構與性能結構與性能”的相互辯證關系。的相互辯證關系。 緒緒 論論 What? “組織結構組織結構”第一章第一章 緒論緒論材料在外加載荷（外力或能量）作用下或載荷與環境因素（溫度、介質和加載速率）聯合作用下表現出來的行為。主要是指材料在力的作用下抵抗變形和開裂的性能。主要是指材料在力的作

12、用下抵抗變形和開裂的性能。工程設計中應首先考慮材料的力學性能。通俗地講力學性能決定了在多大和怎樣形式的載荷條件下而不致于改變零件幾何形狀和尺寸的能力。力學性能力學性能指標指標:彈性、塑性、韌性、強度、硬度和疲勞強度等。第一章第一章 緒論緒論工程材料的機械性能工程材料的機械性能 材料在受力時的性質材料在受力時的性質一、靜載單向靜拉伸應力一、靜載單向靜拉伸應力應變曲線應變曲線 拉伸機上，低拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線靜拉伸曲線 拉伸試驗拉伸試驗機機第一章第一章 緒論緒論曲線分為四階段：曲線分為四階段：1階段I（oab）彈性變形階段pa: Pp pb: Pe （不產生永久變

13、形的最大抗力）poa段：L P 直線階段pab段：極微量塑性變形（0.001-0.005%)2階段II（bcd）段屈服變形pc: 屈服點 Ps 拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線靜拉伸曲線 屈服現象：屈服現象：金屬材料開始產生明顯塑性變形的標志。返回返回第一章第一章 緒論緒論3階段III（dB）段均勻塑性變形階段pB: Pb 材料所能承受的最大載荷4階段IV(BK) 段局部集中塑性變形 拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向拉伸機上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線靜拉伸曲線 1. 低鋼、正火、退火調質中鋼，低、中C合金鋼某些Al合金及某些高分子材料具有類似上述曲線。2. 鑄

14、鐵、陶瓷：只有第I階段3. 中、高碳鋼：沒有第II階段頸縮第一章第一章 緒論緒論二、材料的強度二、材料的強度(strength) 材料所能承受的極限應力材料所能承受的極限應力. 單位： MPa(MN/mm2) 公式：=P/Fo 物理意義:材料在載荷作用下抵抗變形和破壞的能力。 抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度、抗扭強度等。扭強度等。第一章第一章 緒論緒論1 1屈服強度屈服強度s s ( yield strength)( yield strength)和條件屈服強和條件屈服強度度0.20.2a: s=Ps/Fo （s s代表材料開始明顯塑性變形的抗

15、力,是設計和選材的主要依據之一。） Ps s = ( M pa ) F0試樣屈服時的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)b: 0.2條件屈服強度 （中高碳鋼、無屈服點，國家標準，以產生一定的微量塑性變形的抗力的極限應力值來表示。）脆性材料：b=s 灰口鑄鐵 P0.2 0.2 = ( M pa ) S0試樣產生試樣產生0.2%殘余塑性變殘余塑性變形時的載荷形時的載荷(N)試樣原始橫截面積( mm2)2抗拉強度抗拉強度(tensilestrength) b=Pb/Fo 材料被拉斷前所承受的最大應力值（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應力值）。 Pb b = ( M pa ) S0試樣斷裂前的最大

16、載荷試樣斷裂前的最大載荷(N)試樣原始橫截面積( mm2)第一章第一章 緒論緒論3疲勞強度疲勞強度-1 (fatiguestrength) n 疲勞現象： 承受載荷的大小和方同隨時間作周期性變化，交變應力作用下，往往在遠小于強度極限，甚至小于屈服極限的應力下發生斷裂。（80%的斷裂由疲勞造成）的斷裂由疲勞造成）n 影響因素： 循環應力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態、殘余應力等。n 疲勞極限-1 -1 ： 材料經無數次應力循環而不發生疲勞斷裂的最高應力值。n條件疲勞極限： 經受107應力循環而不致斷裂的最大應力值。 鋼材的循環次數一般取鋼材的循環次數一般取 N = 10N = 10

17、7 7有色金屬的循環次數一般取有色金屬的循環次數一般取 N = 10N = 108 8陶瓷、高分子材料疲勞抗力很低；金屬材料疲勞強度較高；纖維增強復合材料較好的抗疲勞性能。鋼材的疲勞強度與抗拉強度之間的關系: -1 = (0.450.55)b過載持久值過載持久值第一章第一章 緒論緒論三、塑性三、塑性 (plasticity):材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞材料在載荷作用下產生塑性變形而不被破壞的能力。的能力。Lk:試樣拉斷后最終標距長度1 1延伸率（延伸率（specific elongationspecific elongation） 10%屬塑性材料屬塑性材料 是指試樣拉斷后的標距伸長量是指試樣拉斷后的標距伸