金属学及热处理绪论.ppt

模具材料与热处理模具材料与热处理 Metallography and heat-treatment 多媒体教学课件多媒体教学课件上海理工大学上海理工大学 材料学院材料学院任课教师：马凤仓任课教师：马凤仓课课 时：时：3232教教 材：材：模具材料与热处理模具材料与热处理 2010年，年，机械工业出版社，机械工业出版社，张金凤，张金凤，金属学与热处理金属学与热处理第第2版，机械工业版，机械工业 出出版社，崔忠圻版社，崔忠圻提高材料性能的主要途径提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的一方面改变材料的化学成分化学成分，另一方面改进材，另一方面改进材料的料的生产工艺生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。，进而改变材料内部的组织结构与性能。（例如：低、中、高碳钢；退火钢、调质钢等）（例如：低、中、高碳钢；退火钢、调质钢等）*材料科学研究的材料科学研究的四要素四要素及相互关系线：及相互关系线：性性 能能Performance加工工艺加工工艺Process化学成分化学成分Composition组织结构组织结构Construction内因内因外因外因 本课程内容本课程内容 1 金属材学与热处理研究内容：金属材学与热处理研究内容：成分、组织结构、工艺、性能成分、组织结构、工艺、性能 其课程体系：其课程体系：金属学、金属热处理、金属材料学等金属学、金属热处理、金属材料学等 2 本课程主要内容本课程主要内容:金属学：金属学：第一第一 第八章第八章 金属热处理金属热处理：第九：第九 第十章第十章 金属材料学金属材料学：第十一章：第十一章 第十三章第十三章 1 课程研究的对象、目的及要求课程研究的对象、目的及要求 一一 研究对象、任务和目的研究对象、任务和目的 1 研究的对象研究的对象 金属和合金。金属和合金。什么是金属？什么是合金？什么是金属？什么是合金？（1）金属的性质）金属的性质 *高的导电性和导热性；高的导电性和导热性；*金属光泽；金属光泽；*良好的延展性良好的延展性(塑性塑性)；*不透明不透明绪论绪论 即：具有即：具有正的电阻温度系数正的电阻温度系数。*电阻随温度升高而升高电阻随温度升高而升高 金属与非金属的本质差别金属与非金属的本质差别 t=0(1+T)T非金属非金属金属金属 某些纯金属在绝某些纯金属在绝对零度附近的超导电性对零度附近的超导电性(2)(2)金属与合金的定义金属与合金的定义金属定义：金属定义：具有正的电阻温度系数的物质。具有正的电阻温度系数的物质。合金定义：合金定义：一种金属元素一种金属元素与另一种或几种其与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有具有金属特性金属特性的物质。的物质。(3)(3)金属原子的结构特点金属原子的结构特点 最外层的电子数很少，一般为最外层的电子数很少，一般为12个。最外个。最外层的的电子与原子核的子与原子核的结合力合力较弱，所以很容易脱离原弱，所以很容易脱离原子核的束子核的束缚而成而成为自由自由电子，金属原子成子，金属原子成为正离子。正离子。过渡族金属元素，如钛，钒，铁等，过渡族金属元素，如钛，钒，铁等，这类元素的原子在次外层尚未填满这类元素的原子在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子的情况下，最外层就先填充了电子。因此过渡族金属原子，不仅电子。因此过渡族金属原子，不仅容易丢失最外层电子，而且还容易容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的丢失次外层的12个电子。因此，当个电子。因此，当过渡族金属原子彼此结合时，不仅过渡族金属原子彼此结合时，不仅最外层电子参与结合，次外层电子最外层电子参与结合，次外层电子业参与结合，结合力强，表现为：业参与结合，结合力强，表现为：熔点高、强度高。熔点高、强度高。原子结构的电子云模型原子结构的电子云模型 Fe:1s22s22p63s23p63d64s2 试用金属键模型解释：试用金属键模型解释：金属特性（导电、导热、正电金属特性（导电、导热、正电阻温度系数、不透明，有金属光泽、阻温度系数、不透明，有金属光泽、延展性）延展性）(4)(4)金属中原子的结合方式：金属键金属中原子的结合方式：金属键 在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子正离子,所有价电子成为自由电子并为整个原子所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有集团所公有,所有自由电子围绕所有原子核运动，所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在形成电子云，金属正离子沉浸在电子云中，并依靠与自由电子电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用而使金属原子之间的静电作用而使金属原子结合起来形成金属晶体。这种结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为原子结合方式称为金属键。金属键。(5)(5)结合力与结合能结合力与结合能 双原子作用模型双原子作用模型 作用力作用力-原子间距图，作用能原子间距图，作用能-原子间距图原子间距图 用两个图解释金属理论抗拉强度、金属弹性用两个图解释金属理论抗拉强度、金属弹性 模量，金属的熔点和线膨胀系数模量，金属的熔点和线膨胀系数 为了使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定为了使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定的状态，原子间必须保持一定的平衡距离，所以，固的状态，原子间必须保持一定的平衡距离，所以，固态金属中的原子有一平衡位置，趋于规则排列，在平态金属中的原子有一平衡位置，趋于规则排列，在平衡位置附近作微弱的热振动。衡位置附近作微弱的热振动。非金属中：非金属中：离子键、共价键离子键、共价键等等结合键强结合键强,离子晶体的硬度离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数高、强度大、热膨胀系数大，但脆性大，具有很好大，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。体是无色透明的。共价键结合力很大，所以共价共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。熔点、沸点高，挥发度低。2 本课程的主要任务：本课程的主要任务：研究金属与合金的研究金属与合金的化学成分化学成分、加工工艺加工工艺、组织结构组织结构和和性能四要素性能四要素及四要素之间的关系及四要素之间的关系与变化规律。与变化规律。此亦为材料科学的研究内容此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是实际中我们最关心的是性能性能 举例：举例：b(MPa)铝合金铝合金 400600铜合金铜合金 60070040钢钢(退火态退火态)50040钢钢(调质态调质态)800性能取决于什么因素呢？性能取决于什么因素呢？化学成分不同，性能不同化学成分不同，性能不同 纯铝纯铝 40 纯铜纯铜 60 纯铁纯铁 200 化学成分相同，化学成分相同，处理方式处理方式不同，性能不同不同，性能不同0.8CC 的钢锯条的钢锯条800，冷却方式不同，冷却方式不同 一根出炉后一根出炉后水冷水冷，性，性硬而脆硬而脆，一弯就断；，一弯就断；另一根随炉另一根随炉缓慢冷却缓慢冷却，性软性软，弯曲，弯曲90 度度不断。不断。又如：又如：石墨和金刚石均由碳原子构成，石墨和金刚石均由碳原子构成，但性能迥异。但性能迥异。原因：碳原子的空间排列方式不同原因：碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同即内部组织结构不同（1）原子结构）原子结构：取决于取决于原子种类原子种类什么是组织结构？什么是组织结构？材料不同层次的结构材料不同层次的结构（2）晶体结构）晶体结构：原子在空间的排列方式原子在空间的排列方式合金相形貌合金相形貌金属多晶体结构金属多晶体结构 显微组织显微组织（3）组织结构（显微组织）组织结构（显微组织）：在不同放大倍数放大镜、显微镜下观察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到的金属的内部形貌1原子种类原子种类;2内部原子排列的方式内部原子排列的方式;3合金元素的存在方式合金元素的存在方式;4内部不同尺度的各种结构缺陷内部不同尺度的各种结构缺陷 材料的组织结构取决于材料的组织结构取决于:3 目的目的 利用上述四要素关系和规律：利用上述四要素关系和规律：（1）进行科学研究；）进行科学研究；（2）指导生产实践；）指导生产实践；（3）研制新合金材料。）研制新合金材料。(1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法；本实验方法；(2)掌握金属材料的掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、成分、组织结构、工艺、性能间关系性能间关系的一般规律；的一般规律；(3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。相分析方法。四四 参考文献：参考文献：(1)材料科学基础材料科学基础,西安交通大学西安交通大学,石德珂石德珂(2)工程材料工程材料,朱张校，清华大学出版社朱张校，清华大学出版社,2000(3)工程材料工程材料,丁厚福，武汉理工大学出版社丁厚福，武汉理工大学出版社,20014 要求要求：一、金属材料性能的种类一、金属材料性能的种类2 金属材料力学性能金属材料力学性能 金属材料加工过程：金属材料加工过程：冶炼冶炼铸造铸造铸锭铸锭板棒型管板棒型管焊接焊接机加工机加工冷轧冷轧冷拔冷拔深冲深冲锻件锻件铸件铸件机加工：机加工：车、铣、车、铣、刨、磨刨、磨零零件件或或构构件件热轧热轧热锻热锻工艺性能工艺性能使用性能使用性能故材料性能故材料性能包含包含使用性能使用性能与与工艺性能工艺性能两方面：两方面：1 使用性能使用性能：在使用条件下所表现的性能：在使用条件下所表现的性能 力学性能力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等强度、硬度、塑性、韧性等)；物理性能物理性能（光、电、磁等）；（光、电、磁等）；化学性能化学性能(抗氧化性、抗腐蚀性等抗氧化性、抗腐蚀性等)；其它性能其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等耐磨性、热硬性、消振性等)；2 工艺性能：工艺性能：材料制备、加工过程中所表现的材料制备、加工过程中所表现的 铸造性能铸造性能（流动性、收缩、偏析等（流动性、收缩、偏析等)；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；切削加工性；切削加工性；焊接性；焊接性；热处理性能；热处理性能；等等等等二、力学性能：二、力学性能：工程材料在外力作用下所反应出来的性能工程材料在外力作用下所反应出来的性能 又称机械性能又称机械性能 主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等强度与塑性的测定强度与塑性的测定借助应力应变曲线借助应力应变曲线结构材料最重要、最基本的性能结构材料最重要、最基本的性能应力应力:=P/A0 (MPa)应变应变:=L/L0 =(L1-L0)/L01 应力应变曲线应力应变曲线 拉伸实验拉伸实验测定测定工程材料的机械性能工程材料的机械性能 材料在受力时的性质材料在受力时的性质 拉伸机上，低拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线静拉伸曲线 拉伸试验拉伸试验机机 变形三阶段：变形三阶段：(1)弹性变形弹性变形、(2)塑性变形塑性变形、(3)断裂断裂弹弹性性变变形形塑塑性性变变形形断断裂裂 低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线应变应变应应力力低碳钢应力应低碳钢应力应变曲线变曲线(1)弹性变形弹性变形:特点特点：应力撤消后应力撤消后,变形消失；变形消失；应力与应变成正比关系；应力与应变成正比关系；总变形量很小：总变形量很小：1%主要性能指标主要性能指标：弹性极限弹性极限e：保持弹性：保持弹性变形的最大应力，变形的最大应力，MPa 弹性模量弹性模量E：=E(2)塑性变形塑性变形:应力撤消后应力撤消后,变形仅部变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。分消失，存在残余、永久性的变形。特点：特点：(1)变形具永久性、不可逆变形具永久性、不可逆性性(2)应力与应变非正比关系；应力与应变非正比关系；(3)变形量较大变形量较大可以塑性加工的原因可以塑性加工的原因残余残余变形量变形量弹性弹性变形量变形量sb塑性变形中的重要指标塑性变形中的重要指标:承受的应力大小：承受的应力大小：断裂前塑性变形量的大小断裂前塑性变形量的大小:抗拉强度抗拉强度(b):抵抗最大均匀塑性变抵抗最大均匀塑性变形的应力值形的应力值屈服强度屈服强度(s):抵抗微抵抗微量塑性变形的应力值量塑性变形的应力值断后伸长率断后伸长率()、断面收缩率、断面收缩率()三、力学性能及指标三、力学性能及指标（一）（一）强度强度 材料抵抗变形或断裂的能力称为。材料抵抗变形或断裂的能力称为。1 弹性极限弹性极限(e)：规定弹性极限：规定弹性极限r0.012 屈服强度屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的：材料开始发生明显塑性变形时的应力值应力值(s),Mpa。(1)实质是实质是抵抗微量塑性变形的抗力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无明显屈服现象时采用条件屈服极限0.2 规定残余伸长率为规定残余伸长率为0.2%时对应的应力值时对应的应力值s0.2bbe 低碳钢与铸铁的应力应变曲线低碳钢与铸铁的应力应变曲线 断裂与塑性变形是材料断裂与塑性变形是材料失效的形式失效的形式3 抗拉强度抗拉强度：材料在破断前所承受的最：材料在破断前所承受的最大应力值（大应力值（b）,Mpa。产生最大均匀塑性变形的抗力。产生最大均匀塑性变形的抗力。存在颈缩现象存在颈缩现象不均匀塑性变形不均匀塑性变形注意：注意：塑性变形中塑性变形中:s 2（二）塑性（二）塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。(1)伸长率伸长率（）：）：试样拉断后标距的增试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比长量与原始标距长度之比;=(L断后断后-L原始原始)/L原始原始%=L/L0%(2)断面收缩率断面收缩率（）：）：试样拉断处横截试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比面积的缩减量与原始横截面积之比.=(A原始原始-A断后断后)/A原始原始%=A/A0%、越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好 通常通常 5%脆性材料脆性材料 塑性的意义：塑性的意义：成形成形 安全安全（三）硬度（三）硬度 材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即受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。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衡量材料软硬程度的指标 硬度与强度间存在一定关系硬度与强度间存在一定关系(1)布氏硬度布氏硬度(HB)较软材料较软材料有色金属有色金属(2)洛氏硬度洛氏硬度(HR)硬度中等硬度中等钢铁材料钢铁材料 具体：具体：HRA、HRB、HRC 其中其中HRC：软硬范围较宽，应用最广软硬范围较宽，应用最广 (3)维氏硬度维氏硬度(HV)较硬材料较硬材料(4)显微硬度显微硬度(HV)测定材料内部微区的相、测定材料内部微区的相、组织的硬度组织的硬度1 1布氏硬度布氏硬度HB(HB(BrinellBrinell-hardness)-hardness)测试压头为淬火钢球测试压头为硬质合金布氏硬度计布氏硬度计 适用范围适用范围:v 450HBS;v 650HBW;球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值较软材料：有色金属、灰口铸铁等较软材料：有色金属、灰口铸铁等测定压痕深度测定压痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：注：h:压痕深度压痕深度 k:常数，常数，0.2或或0.26mm;0.002mm:一个洛氏硬一个洛氏硬度单位度单位适合测量的材料适合测量的材料HRA：硬质合金：硬质合金；HRC:淬火钢淬火钢HRB:低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 洛氏硬度：洛氏硬度：维氏硬度维氏硬度：压痕单位表面积上压痕单位表面积上所承受的平均压力值所承受的平均压力值金刚石正四棱锥体金刚石正四棱锥体压头压头 硬度表示方法硬度表示方法：HBS200 HBW400HRA55 HRB30 HRC45HV900 HV1100F（四）韧性（四）韧性 当加载速度极快时，不能用静载当加载速度极快时，不能用静载荷下的荷下的 s、b作失效判据。作失效判据。1 引入引入冲击韧性冲击韧性(k):材料在材料在冲击载冲击载荷荷作用下抵抗破坏的能力作用下抵抗破坏的能力用破坏材料时所消耗的功衡量用破坏材料时所消耗的功衡量,是强度与塑性的综合指标是强度与塑性的综合指标 ，k；或或，kk =Ak/sA k=m g H m g h(J)冲击韧性值冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位就是试样缺口处单位截面积上所消耗的冲击功。截面积上所消耗的冲击功。AK a k=(J/cm)S0 ak值低脆性材料：断裂时无明显变形，金属光泽，呈结晶状。ak值高韧性材料：明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽。金属的金属的k与温度直接相关：与温度直接相关：（1）T，k（2）存在韧脆转变温度）存在韧脆转变温度Tk：当：当T Tk 时，金属为脆性状态时，金属为脆性状态k 脆脆性性区区韧韧性性区区TitanicTitanic沉没原因沉没原因nTitanic 含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic 号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果一项新的科学研究回答了一项新的科学研究回答了80年未解之谜年未解之谜当材料内部存在当材料内部存在裂纹裂纹缺陷时：缺陷时：2 断裂韧度断裂韧度K KIcIc裂纹尖端产生应力集中裂纹尖端产生应力集中应力被放大应力被放大 当当、a a达达到到某某临临界界值值时时,裂裂纹纹失失稳稳扩扩展展，此时的此时的K KI I称为称为断裂韧度断裂韧度K KIcIc 材料抵抗裂纹失稳扩展的性能材料抵抗裂纹失稳扩展的性能引入应力场强度因子：引入应力场强度因子：应力大小应力大小裂纹尺寸裂纹尺寸裂纹形状裂纹形状工程材料：制造工程构件和机械零件、工程材料：制造工程构件和机械零件、工具、特工具、特 殊性能材料殊性能材料(耐蚀、耐高温耐蚀、耐高温)分类分类：按原子间结合键的性质分：按原子间结合键的性质分一、金属材料一、金属材料：黑色金属黑色金属：铁和以铁为基的合金：铁和以铁为基的合金 纯铁、钢、铸铁、铁合金纯铁、钢、铸铁、铁合金 占工程材料的占工程材料的90 有色金属有色金属：黑色金属以外所有金属、合金：黑色金属以外所有金属、合金 轻金属、难熔金属、贵金属等轻金属、难熔金属、贵金属等 金属键金属键(过渡金属含少量共价键过渡金属含少量共价键)3 工程材料的分类工程材料的分类二、二、陶瓷材料陶瓷材料陶瓷定义：陶瓷定义：由一种或多种金属元素由一种或多种金属元素(含半金属元素含半金属元素如如SiSi等等)同一种非金属元素形成的化合物。同一种非金属元素形成的化合物。CaOCaO、TiOTiO2 2、AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、SiSi3 3N N4 4 CaTiO CaTiO3 3、MgAlMgAl2 2O O4 4、传统：硅酸盐类材料传统：硅酸盐类材料 现今：各种无机非金属材料的统称现今：各种无机非金属材料的统称 不含碳氢氧结合的化合物不含碳氢氧结合的化合物离子键离子键为主为主硬度高、脆硬度高、脆 普通陶瓷普通陶瓷：硅、铝氧化物的硅酸盐材料：硅、铝氧化物的硅酸盐材料 特种陶瓷特种陶瓷：高熔点的氧化物、碳化物、：高熔点的氧化物、碳化物、氮氮 化物、硅化物等的烧结材料化物、硅化物等的烧结材料 金属陶瓷金属陶瓷：金属与碳化物或其他化合物：金属与碳化物或其他化合物的粉末冶金制品的粉末冶金制品 发展：纳米技术发展：纳米技术陶瓷增韧陶瓷增韧三、高分子材料：三、高分子材料：有机有机合成材料、聚合物合成材料、聚合物 大分子化合物：大分子化合物：共价键、分子键共价键、分子键 较高强度、良好的塑韧性、较高强度、良好的塑韧性、较强的耐腐蚀性、优良的绝缘性较强的耐腐蚀性、优良的绝缘性 工程塑料、合成纤维、合成橡胶工程塑料、合成纤维、合成橡胶 四、复合材料：四、复合材料：金属基复合材料、非金属基复合材料金属基复合材料、非金属基复合材料 目前非金属材料的应用：目前非金属材料的应用：5%6%金属材料仍是最主要的工程材料金属材料仍是最主要的工程材料思考题思考题 1 简述本课程的主要内容以及本课程的基本简述本课程的主要内容以及本课程的基本任务；任务；2 金属材料的性能与哪三大因素有关，提高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？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？材料的性能包括哪两个方面？说明下列符说明下列符号所表示的意义及量纲：号所表示的意义及量纲：e、s、b、0.2、ak、HB、HRC、Hv；4 什么是强度？塑性？硬度？韧性？什么是强度？塑性？硬度？韧性？