詳細(xì)金屬材料及熱處理工藝

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(nèi)容(共10講，32學(xué)時(shí))n第一講 材料概論與材料性能n第二講 材料的結(jié)構(gòu)n第三講 金屬的塑性變形與再結(jié)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(yè)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(shù)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(xué)工業(yè)出版社，2009.03 n2、工程材料，劉天模、徐幸梓主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2001n3、材料科學(xué)基礎(chǔ)，胡賡祥，蔡珣，戎詠華，上海交通大學(xué)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(zhì)。 金屬、陶瓷、塑料、玻璃、纖維、木材、砂子、石子、復(fù)合材料等都屬于材料的范疇。材料科學(xué)與人類文明的關(guān)系密切，可以說，材料科學(xué)與人類文明的關(guān)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(fā)展（歷史貢獻(xiàn)）一、材料與人類文明發(fā)展（歷史貢獻(xiàn)） n人類的文明進(jìn)程是依據(jù)什么而劃分的？人類的文明進(jìn)程是依據(jù)什么而劃分的？可以使用的占主導(dǎo)地位的材料。可以使用的占主導(dǎo)地位的材料。石

3、器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代、鋼鐵時(shí)代、合成材料時(shí)代、復(fù)合材料時(shí)代。發(fā)展得越來越快。 緒緒 論論 1.1 材料與人類文明材料應(yīng)用的發(fā)展是人類發(fā)展的里程碑！400,000 BC4,500 BC石器時(shí)代（石器時(shí)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(xiàn)是人類跨入新新石器時(shí)代的重要標(biāo)志石器時(shí)代的重要標(biāo)志之一。n據(jù)目前已知的考古資料，中國(guó)的陶器制作至少已有8000年年以上的歷史。西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆西安半坡人面網(wǎng)紋陶盆戰(zhàn)國(guó)陶制四通水管戰(zhàn)國(guó)陶制四通水管 緒緒 論論 4,500 BC1,000 BC青銅時(shí)代青銅時(shí)代（Bronze Age）n 從礦石中提煉

4、銅冶金業(yè)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(yè)的最早紀(jì)錄之一人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一 緒緒 論論 n青銅，古稱金或吉金，是銅與其它化學(xué)元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金。n史學(xué)上所稱的“青銅時(shí)代”是指大量使用青銅工具及青銅禮器的時(shí)期。保守的估計(jì)，這一時(shí)期主要從夏商周直至秦漢，時(shí)間跨度約為兩千年左右，這也是青銅器從發(fā)展、成熟乃至鼎盛的輝煌期。n到春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，齊國(guó)工匠總結(jié)科技經(jīng)驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)總結(jié)。 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(zhǎng)達(dá)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(guó)古代體量最大的青銅器。n銅禁，中國(guó)已知最早應(yīng)用失蠟法鑄造的作品，春秋時(shí)代的楚國(guó)王子午墓出土的，年代為公元前6世紀(jì)。 緒緒 論論 1450BC鐵制車輪1500AD廉價(jià)的冶鐵業(yè) 1000BC鐵器時(shí)代（鐵器時(shí)代（Iron Age） 緒緒 論論 二、二、 材料與人類現(xiàn)代文明材料與人類現(xiàn)代文明n支撐人類現(xiàn)代文明的四大支柱

6、技術(shù)：材料材料科學(xué)與技術(shù)生物生物科學(xué)與技術(shù)能源能源科學(xué)與技術(shù)信息信息科學(xué)與技術(shù) 緒緒 論論 材料是發(fā)展高科技的先導(dǎo)和基石材料是發(fā)展高科技的先導(dǎo)和基石其中材料是基礎(chǔ)！材料技術(shù)大廈的磚石n材料是所有科技進(jìn)步的核心建筑、交通、能源、計(jì)算機(jī)、通信、多媒體、生物醫(yī)學(xué)工程無一不依賴材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展來實(shí)現(xiàn)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(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的材料，就沒有靠飛機(jī)旅行的今天；沒有耐高溫復(fù)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(jì)算機(jī)。建筑交通福特2000與西納給2010這兩款由材料工程師設(shè)計(jì)的汽車將成為未來交通工具。汽車用高強(qiáng)鋼，比原先的輕24%，而強(qiáng)

7、度高34%。汽車汽車 緒緒 論論 實(shí)實(shí) 例例材料材料強(qiáng)度范圍強(qiáng)度范圍MPa比強(qiáng)度比強(qiáng)度MPa壓氣機(jī)葉片壓氣機(jī)葉片鋁合金150-45055160壓氣機(jī)機(jī)匣壓氣機(jī)機(jī)匣鈦合金350-110080245飛機(jī)尾翼飛機(jī)尾翼碳纖維復(fù)合材料10001200（順纖維方向）625750輕質(zhì)材料輕質(zhì)材料 緒緒 論論 超導(dǎo)磁懸浮列車超導(dǎo)磁懸浮列車 西南交通大學(xué)已研制成功全國(guó)唯一一輛“世紀(jì)號(hào)”超導(dǎo)磁懸浮列車，這種高溫超導(dǎo)磁懸浮列車最大特點(diǎn)就是乘坐平穩(wěn)、安全和快捷。和世界上最先進(jìn)的輕軌列車比較，它沒有一點(diǎn)轟隆隆的噪聲，十分安靜。1980s：高溫超導(dǎo)體能源能源p 新能源材料則是指實(shí)現(xiàn)新能源的轉(zhuǎn)化和利用以及發(fā)展新能源技術(shù)中所

8、要用到的關(guān)鍵材料。n 主要包括儲(chǔ)氫電極合金材料為代表的鎳氫電池材料n 嵌鋰碳負(fù)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(dǎo)體材料為代表的太陽能電池材料n 鈾、氘、氚為代表的反應(yīng)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(yīng)堆材料：耐中子輻射、腐蝕、高溫?zé)Y(jié)后燒結(jié)后燒結(jié)前燒結(jié)前 緒緒 論論 信息信息人類正在步入信息時(shí)代，同時(shí)也

9、是信息材料競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)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(nèi)存器。圖中的女士要用顯微鏡才看得到現(xiàn)在的集集成電路成電路16 K內(nèi)存器 緒緒 論論 n第一臺(tái)電子管電子管組成的計(jì)算機(jī)重達(dá)30噸，用電相當(dāng)于一個(gè)小的城市。鎢、鉬鎢、鉬電極。鍺、硅半導(dǎo)體。鍺、硅半導(dǎo)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(shù)的發(fā)展改變我們的生材料技術(shù)的發(fā)展改變我們的生活活仿真手臂仿真手臂人工關(guān)節(jié)“自行車發(fā)燒友自行車發(fā)燒友” 的首選的首選鈦結(jié)構(gòu)自行車架微機(jī)械微機(jī)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(jī)材料無機(jī)材料 復(fù)合材料復(fù)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(diǎn)各類材料的性能特點(diǎn)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(dǎo)體q具有良好的強(qiáng)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(jià)鍵共價(jià)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(jià)鍵、分子鍵和氫鍵，以共價(jià)鍵共價(jià)鍵為主。q分子結(jié)構(gòu)都非常巨大q通常密度較低，在高溫下不穩(wěn)定。p復(fù)合材料復(fù)合材料性能的復(fù)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(xué)性能力學(xué)性能物理性能物理性能化學(xué)性能化學(xué)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(guān)系核心關(guān)系 緒緒 論論 而其核心是圍繞而其核心是圍繞: “結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與性能”的相互辯證關(guān)系。的相互辯證關(guān)系。 緒緒 論論 What? “組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)”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(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速率）聯(lián)合作用下表現(xiàn)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(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮材料的力學(xué)性能。通俗地講力學(xué)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(xué)性能力學(xué)性能指標(biāo)指標(biāo):彈性、塑性、韌性、強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度等。第一章第一章 緒論緒論工程材料的機(jī)械性能工程材料的機(jī)械性能 材料在受力時(shí)的性質(zhì)材料在受力時(shí)的性質(zhì)一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力一、靜載單向靜拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 拉伸機(jī)上，低拉伸機(jī)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(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī)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(chǎn)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(diǎn) Ps 拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向拉伸機(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線靜拉伸曲線 屈服現(xiàn)象：屈服現(xiàn)象：金屬材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形的標(biāo)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(jī)上，低碳鋼緩慢加載單向拉伸機(jī)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(diào)質(zhì)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(qiáng)度二、材料的強(qiáng)度(strength) 材料所能承受的極限應(yīng)力材料所能承受的極限應(yīng)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(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度等。扭強(qiáng)度等。第一章第一章 緒論緒論1 1屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度s s ( yield strength)( yield strength)和條件屈服強(qiáng)和條件屈服強(qiáng)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(shè)計(jì)和選材的主要依據(jù)之一。） Ps s = ( M pa ) F0試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣原始橫截面積( mm2)b: 0.2條件屈服強(qiáng)度 （中高碳鋼、無屈服點(diǎn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗力的極限應(yīng)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(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變殘余塑性變形時(shí)的載荷形時(shí)的載荷(N)試樣原始橫截面積( mm2)2抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度(tensilestrength) b=Pb/Fo 材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)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(qiáng)度疲勞強(qiáng)度-1 (fatiguestrength) n 疲勞現(xiàn)象： 承受載荷的大小和方同隨時(shí)間作周期性變化，交變應(yīng)力作用下，往往在遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限的應(yīng)力下發(fā)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(huán)應(yīng)力特征、溫度、材料成分和組織、夾雜物、表面狀態(tài)、殘余應(yīng)力等。n 疲勞極限-1 -1 ： 材料經(jīng)無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應(yīng)力值。n條件疲勞極限： 經(jīng)受107應(yīng)力循環(huán)而不致斷裂的最大應(yīng)力值。 鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取鋼材的循環(huán)次數(shù)一般取 N = 10N = 10

17、7 7有色金屬的循環(huán)次數(shù)一般取有色金屬的循環(huán)次數(shù)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(qiáng)度較高；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料較好的抗疲勞性能。鋼材的疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)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(chǎn)生塑性變形而不被破壞材料在載荷作用下產(chǎn)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(biāo)距長(zhǎng)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(biāo)距伸長(zhǎng)量是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸