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材料科学与工程基本技能实验课程是材料科学与工程专业学生必修的一个实践教学环节，属实验方法课。它是学生修完物理化学、工程力学、金工实习后独立设置的实验入门课程。1 1、实验教学的性质实验教学的性质实验教学的性质实验教学的性质 课程介绍课程介绍第1页/共45页 课程目的：在学习专业基础理论课程的基础上，对材料实验技术有一个基本了解，初步掌握材料实验样品的制备、观察与分析方法；材料性能的检测手段；热加工设备的操作等实验基本技能。通过该课程的学习，初步掌握材料实验的基本技能和一定的科学研究能力，加深对材料科学与工程专业的认识，提高学生独立分析问题和解决问题的能力；同时在实验教学中，还应注意培养学生实事求是和严谨的科学作风及良好的实验习惯，为后续的材料科学基础、材料工程基础、材料性能学等课程奠定良好的基础。2 2、实验教学的实验教学的实验教学的实验教学的目的与目的与目的与目的与任务任务任务任务第2页/共45页考核方法：考核方法：实验报告（50%）笔试（30%）考勤及提问（10%）收获与体会（10%）第3页/共45页结构材料：结构材料：结构材料：结构材料：（强度、塑性、韧性等（强度、塑性、韧性等（强度、塑性、韧性等（强度、塑性、韧性等 力学性能）力学性能）力学性能）力学性能）功能材料：功能材料：功能材料：功能材料：（电、磁、光、热等（电、磁、光、热等（电、磁、光、热等（电、磁、光、热等物理性能）物理性能）物理性能）物理性能）金属材料金属材料金属材料金属材料 (metals(metals)陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料陶瓷材料 (ceramics)ceramics)高分子材料高分子材料高分子材料高分子材料 (polymers)(polymers)复合材料复合材料复合材料复合材料 (composites)(composites)1 1、材料的分材料的分材料的分材料的分类类类类 按使用性能分：按使用性能分：按使用性能分：按使用性能分：按组成分：按组成分：按组成分：按组成分：第4页/共45页2 2 、材料科学与工程的四个要素、材料科学与工程的四个要素、材料科学与工程的四个要素、材料科学与工程的四个要素 制备合成制备合成/加工工艺加工工艺processing成分成分/组织结构组织结构 composition /structure材料固有性能材料固有性能 properties材材料料使使用用性性能能performance第5页/共45页材料的成分材料的成分：是指组成材料的元素种类及其：是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数含量，通常用质量分数(wt%)(wt%)表示。表示。如：如：W18Cr4VW18Cr4V材料的组织材料的组织：在显微镜下观察到的图像：在显微镜下观察到的图像（如图）（如图）第6页/共45页第7页/共45页材料的成分材料的成分：是指组成材料的元素种类及其：是指组成材料的元素种类及其含量，通常用质量分数含量，通常用质量分数(wt%)(wt%)表示。表示。材料的组织材料的组织：在显微镜下观察到的图像：在显微镜下观察到的图像（如图）（如图）材料的材料的固有性能：固有性能：物理性能：电、磁、光、热物理性能：电、磁、光、热 化学性能：耐腐蚀性能、抗氧化性能化学性能：耐腐蚀性能、抗氧化性能 力学性能：强度、硬度、塑性、韧性力学性能：强度、硬度、塑性、韧性第8页/共45页 力学性能指标：强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力。硬度：衡量金属软硬程度的一种性能指标。指材料表 面在接触应力作用下抵抗塑性变形的能力。塑性：断裂前金属发生塑性变形的能力。韧性：材料断裂时单位体积所吸收的变形功、断裂功。若测定强度、塑性、韧性必须加工试样。第9页/共45页材料的材料的使用性能：使用性能：指材料在服役条件下所表现出来的特性指材料在服役条件下所表现出来的特性，它是材料的固有性能与服役条件、产品设计它是材料的固有性能与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的因素。及加工融合在一起所决定的因素。举例：举例：普通碳钢：普通碳钢：高温条件、高温条件、腐蚀介质腐蚀介质第10页/共45页材料的材料的使用性能：使用性能：指材料在服役条件下所表现出来的特性指材料在服役条件下所表现出来的特性，它是材料的固有性能与服役条件、产品设计它是材料的固有性能与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的因素。及加工融合在一起所决定的因素。举例：举例：河南第一工具厂生产的河南第一工具厂生产的W4Mo3Cr4VSi钻头钻头同一批材料，同一种工艺，处理后硬度正常同一批材料，同一种工艺，处理后硬度正常但因钻头大小结构（但因钻头大小结构（10mm、12mm）不）不同，最终性能（耐磨性）不同。同，最终性能（耐磨性）不同。第11页/共45页成成分分决决定定性性能能。成成分分不不同，性能不同。同，性能不同。如碳钢如碳钢组织结构直接决定性能组织结构直接决定性能改变成分也会改变组织改变成分也会改变组织结构结构,从而改变其性能。从而改变其性能。（组织图）（组织图）制备合成加工过程主要是制备合成加工过程主要是通过改变组织结构而影响通过改变组织结构而影响其性能。其性能。如如45钢退火、正火、淬钢退火、正火、淬火火材料的固有性能直接决材料的固有性能直接决定材料的使用性能定材料的使用性能。制备合成制备合成/加工工艺加工工艺成分成分/组织结构组织结构 材料固有材料固有性能性能材料使用材料使用 性能性能第12页/共45页材料科学与工程的四个要素材料科学与工程的四个要素组织结构是核心，性能是材料研究工作的落脚点组织结构是核心，性能是材料研究工作的落脚点 第13页/共45页3、金属的凝固、金属的凝固凝固与结晶凝固与结晶 (凝固过程视频）结晶过程：结晶过程：结晶过程：结晶过程：形核形核形核形核与与与与长大长大长大长大过程过程过程过程晶核：晶核：晶核：晶核：结晶时形成的很多核心（有序原子团）。结晶时形成的很多核心（有序原子团）。结晶时形成的很多核心（有序原子团）。结晶时形成的很多核心（有序原子团）。晶粒：晶粒：晶粒：晶粒：在晶体中，如果某一小区域内原子排列规律相同，在晶体中，如果某一小区域内原子排列规律相同，在晶体中，如果某一小区域内原子排列规律相同，在晶体中，如果某一小区域内原子排列规律相同，位向一致，则该小区域为一个晶粒。位向一致，则该小区域为一个晶粒。位向一致，则该小区域为一个晶粒。位向一致，则该小区域为一个晶粒。晶界：晶界：晶界：晶界：晶粒与晶粒间的分界面。晶粒与晶粒间的分界面。晶粒与晶粒间的分界面。晶粒与晶粒间的分界面。单晶体：单晶体：单晶体：单晶体：仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。多晶体：多晶体：多晶体：多晶体：很多晶粒组成。很多晶粒组成。很多晶粒组成。很多晶粒组成。第14页/共45页八级标准晶粒图八级标准晶粒图第15页/共45页凝固与结晶凝固与结晶 第16页/共45页凝固与结晶凝固与结晶 第17页/共45页凝固与结晶凝固与结晶 钢锭中的树枝状晶体钢锭中的树枝状晶体钢锭中的树枝状晶体钢锭中的树枝状晶体第18页/共45页凝固与结晶凝固与结晶 Ni-Ta-Mn-Cr合金的树枝状界面合金的树枝状界面第19页/共45页组织的显示与观察组织的显示与观察组织的显示与观察组织的显示与观察金相试样的制备：金相试样的制备：金相试样的制备：金相试样的制备：取样取样-磨制磨制-抛光抛光-腐蚀腐蚀-观察观察 组织：组织：组织：组织：各种晶粒的组合特征，即晶粒的相对量、大各种晶粒的组合特征，即晶粒的相对量、大 小、形状及分布特征等。小、形状及分布特征等。宏观组织：宏观组织：宏观组织：宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织。用肉眼或放大镜观察到的组织。显微组织：显微组织：显微组织：显微组织：光学显微镜或电子显微镜下观察到的内部光学显微镜或电子显微镜下观察到的内部 组织组织（又称金相组织）。（又称金相组织）。第20页/共45页第21页/共45页第22页/共45页 合金：合金：合金：合金：指两种或两种以上的金属或金属与非金属指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或用其它方法组合而成的具有金属特经熔炼、烧结或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。性的物质。如：铜镍合金、碳钢、合金钢、铸铁如：铜镍合金、碳钢、合金钢、铸铁 组元：组元：组元：组元：组成合金的最基本的、独立的物质。组成合金的最基本的、独立的物质。如：如：Cu-NiCu-Ni合金，合金，Fe-FeSFe-FeS合金合金 二元合金：二元合金：二元合金：二元合金：如：如：Fe-CFe-C二元系合金二元系合金 三元合金：三元合金：三元合金：三元合金：如：如：Fe-C-CrFe-C-Cr三元系合金三元系合金 多元合金多元合金多元合金多元合金第23页/共45页3.3.3.3.相相相相：合金中结构相同、化学成分相同或允许在一合金中结构相同、化学成分相同或允许在一定范围内变化的一类晶粒的组成部分。定范围内变化的一类晶粒的组成部分。单相合金：单相合金：单相合金：单相合金：如：单相不锈钢（如：单相不锈钢（A A）、单相黄铜）、单相黄铜 双相合金：双相合金：双相合金：双相合金：如：双相不锈钢（如：双相不锈钢（A+FA+F）、双相黄铜）、双相黄铜 单相组织：单相组织：单相组织：单相组织：具有单一相的组织。纯铁、纯铝具有单一相的组织。纯铁、纯铝 多相组织：多相组织：多相组织：多相组织：具有两种或两种以上的相的组织。具有两种或两种以上的相的组织。第24页/共45页 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 王水浸蚀，王水浸蚀，王水浸蚀，王水浸蚀，800 800 10501050固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶第25页/共45页 4、材料的性能指标及测试方法 强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力。硬度：衡量金属软硬程度的一种性能指标。指材料表 面在接触应力作用下抵抗塑性变形的能力。塑性：断裂前金属发生塑性变形的能力。韧性：材料断裂时单位体积所吸收的变形功、断裂功。若测定强度、塑性、韧性必须加工试样。第26页/共45页 为什么将硬度作为衡量材料机械性能的指标？硬度与b、塑性指标和有内在联系 b=K*HB 硬度与耐磨性、疲劳强度等性能有一关系 硬度，耐磨性，疲劳强度 在机械零件设计图纸上对机械性能的技术要求，往往只标注硬度，其原因就在于此。从某种意义上说硬度的大小对于机械零件或工具的使用性能及寿命具有决定性意义。硬度测量后产生很小压痕，不损坏零件，适合于成品检验。设备简单，操作迅速方便。第27页/共45页 洛氏硬度计（HRC）：淬火后或渗碳后，表面硬度高时 布氏硬度计（HB）：调质后、有色金属合金、铸铁 维氏硬度计（HV）：硬化层薄，如渗氮、电镀 显微硬度计（HV0.2）：各种组成相的硬度第28页/共45页5常用热处理工艺什么是热处理？什么是热处理？将工件加热到一定的温度，保温一定的时间，然后冷却。以将工件加热到一定的温度，保温一定的时间，然后冷却。以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。第29页/共45页5 常用热处理工艺 热处理目的：改善钢的使用性能和工艺性能，充分发挥材料的潜力。如：T10钢：球化退火 切削性能大大改善；淬火 硬度从20HRC提高到6265HRC 45钢：淬火 提高材料的强度和硬度，改善材料的使用性能 低碳钢：冷拉后退火 降低硬度，改善加工性能不同的热处理工艺，得到不同的组织，获得不同的性能。第30页/共45页5、常用热处理工艺 普通热处理：退火、正火、淬火、回火 表面热处理：高频淬火、火焰加热淬火：化学热处理：渗C、渗N、C、N 共渗第31页/共45页第32页/共45页第33页/共45页5常用热处理工艺退火 将钢件加热到临界温度 AC1以上或以下，保温后随炉冷却以获得接近于平衡状态组织的一种热处理工艺。目的：均匀成分及组织；消除内应力和加工硬化；降低硬度，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火 做组织准备。第34页/共45页5常用热处理工艺退火 根据处理的目的和要求，钢的退火可分为：完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火 去应力退火第35页/共45页5常用热处理工艺正火 将钢件加热到AC3 线或 ACcm线以上 3050，保温后在空气中（或风冷、喷雾）冷却的一种热处理工艺。目的：消除内应力；调整硬度，改善钢的切削加工性；细化组织，为后续工序做组织准备。如：齿轮毛坯锻造后正火 可作为最终热处理，预先热处理第36页/共45页5 常用热处理工艺 淬火 将钢件加热到 AC3线或 AC1线以上 3050，保温后放入不同的冷却介质中快速冷却，从而获得马氏体（或下贝氏体）组织的一种热处理工艺。目的：提高钢的强度、硬度，是钢最重要的强化方法。获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。第37页/共45页5 常用热处理工艺 钢的回火 将经过淬火后的钢再加热到 AC1 线以下某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺。目的：减少或消除内应力，避免变形和开裂；稳定组织，避免零件尺寸变化；提高钢的韧性和塑性，获得强度、硬度、塑性、韧性 的适当配合，获得零件所需要的性能。第38页/共45页回火的分类：低温回火（150250）：得到回火马氏体组织目的：降低淬火应力，提高工件塑性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。主要处理：各种高碳钢工具、量具、轴承及渗碳和表面淬火后的零件。中温回火（350500）：得到回火屈氏体组织目的：获得高的弹性极限和屈服强度，一定的韧性。主要用于处理各种弹簧 第39页/共45页回火的分类：高温回火（500650）：得到回火索氏体组织。目的：获得较高的综合机械性能，即强度、硬度、塑性、韧性都较高 淬火+高温回火称为调质处理。主要处理：各种重要的机器构件，特别是承受交变载荷的零件，如齿轮、轴、连杆等。第40页/共45页6实验室介绍金相试样制备室及组织观察室 2#实验楼519、527硬度实验室（耐磨性试验室）2#实验楼313热处理实验室 2#实验楼013磨损实验室 2#实验楼013冲击实验室 2#实验楼0XX盐雾实验室表面处理实验室 第41页/共45页6实验室介绍组织与性能检测组织检测：金相显微镜 扫描电镜 透射电镜 X 射线衍射仪性能检测：硬度试验 冲击试验 耐磨性试验第42页/共45页6实验室设备介绍 实验内容：1 金相显微镜的构造、使用与维护 2 金相试样的制备与组织观察 3 硬度试验 4 热处理实验 5 冲击试验 6 耐磨性试验第43页/共45页材料科学基础材料科学基础 4材料力学（物理）性能材料力学（物理）性能 5金属热处理原理与工艺金属热处理原理与工艺 5金属材料学金属材料学 6金属材料表面工程金属材料表面工程 6材料腐蚀与防护材料腐蚀与防护 7材料现代分析方法材料现代分析方法 6失效分析失效分析 7热工设备热工设备 7材料成型基础材料成型基础 5 金属金属材料方向课程材料方向课程认识实习 4生产实习 6毕业实习 8材料科学与工程基本技能实验 3专业综合实验 7专业课程设计 7毕业设计 8第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页