《金属材料与热处理 》

授课人：黄建平单 位：材料科学与工程学院电 话： 18508460184

Email ： hjphit_1983@163.com

《 Metal materials and heat-treatment 》

绪论

材料是人类用来制造物品、器件、构件、机器和其它产品的物质。材料是物质，但并不是所有的物质都能称之为材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。

材料的定义与分类

按物理化学属性，材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、以及不同类型材料组成的复合材料。

按应用领域，材料可分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。

按使用用途，材料可分为结构材料和功能材料。

按先进性，材料可分为传统材料和新材料（先进材料）。

绪论

100 万年以前，石器时代 天然石，兽骨，树枝

5000 年前，青铜器时代司母戊鼎战国编钟

3000 年前，铁器时代沧州大狮

近代，尤其是 20 世纪以后（信息时代）各种新材料层出不穷，但金属材料仍占据结构材料的主体地位。

8000 年以前，陶器时代泥巴（日晒；火烧）

材料的发展是人类进步的重要标志，是人类社会发展的里程碑。

绪论材料发展概括

一 研究对象和任务 1 研究的对象 —— 金属和合金。 什么是金属？什么是合金？为什么研究金属与合金？ （ 1 ）金属的性质 * 高的导电性和导热性； * 金属光泽； * 良好的延展性 ( 塑性 ) ； * 不透明

绪论

即：具有正的电阻温度系数。

* * * 电阻随温度升高而升高 —— 金属与非金属的本质差别

ρt=ρ0 (1+αΔT)

ρ

T

非金属

金属

—— 某些纯金属在绝对零度附近的超导电性

绪论

(2) 金属与合金的定义金属定义：由金属元素或金属元素为主所构成的具有金属特性的材料，包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属。金属具有正的电阻温度系数的物质。

合金定义：一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。

绪论

试用金属键模型解释： →→ 金属特性

(3) 金属中原子的结合方式 在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子 , 所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有 , 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结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为金属键。

金属键示意图

绪论

非金属中：离子键、共价键等

结合键强 , 具饱和性—— 较高硬度

结合键极强、方向性—— 很高硬度、无塑性

离子键

共价键

绪论

2 本课程的主要任务： 研究金属与合金的化学成分、加工工艺、组织结构和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律。 ┗ 此亦为材料科学的研究内容—— 实际中我们最关心的是性能

绪论

举例： σb(MPa)

铝合金 400 ～ 600

铜合金 600 ～ 700

40 钢 ( 退火态 ) 50040 钢 ( 调质态 ) 800

性能取决于什么因素呢？① 化学成分不同，性能不同

纯铝 40 纯铜 60 纯铁 200

绪论

② 化学成分相同，处理方式不同，性能不同

两根 0.8℅C 的钢锯条→ 800℃ ，冷却方式不同一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断；另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲 90 ℃ 不断。 又如： 石墨和金刚石均由碳原子构成， 但性能迥异。 原因：碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同

绪论

提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的化学成分，另一方面改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。

*** 材料科学研究的四要素及相互关系线：

性 能Performance

加工工艺Process

化学成分Composition

组织结构Construction

内因外因

绪论

（ 1 ）化学成分：原子结构决定的元素种类及其含量

四个基本概念材料不同层次的结构

（ 2 ）晶体结构：原子在三维空间的排列方式

绪论

合金相形貌金属多晶体结构 显微组织

（ 3 ）相：金属中结构相同，成分与性能均一并以界面相互分开的部分

（ 4 ）组织（显微组织）：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

绪论

1 原子种类 ;

2内部原子排列的方式 ;

3相的组成、形态与组合 ;

4内部不同尺度的各种结构缺陷

材料的组织结构取决于 :

绪论

二、本课程的主要内容：金属学

金属的晶体结构

纯金属的晶体结构

合金的晶体结构

金属晶体的缺陷

面心立方

体心立方密排六方固溶体

金属间化合物点缺陷

线缺陷

面缺陷

金属的结晶

纯金属的结晶

结晶条件（热力学）形核长大

合金的凝固

平衡结晶

非平衡结晶

二元合金相图

典型相图

匀晶相图

共晶相图

包晶相图

铁碳合金相图 平衡结晶过程

Fe-Fe3C相图金属的塑性变形和再结晶

塑性变形

组织变化

性能变化

变形后加热 再结晶

回复

绪论

热处理

热处理原理

加热转变

冷却转变

合金时效

热处理工艺正火

退火

淬火

回火

珠光体转变

马氏体转变

贝氏体转变

奥氏体转变

铝合金的时效

回火转变

二、本课程的主要内容：热处理与金属材料

金属材料

常用金属材料

工业用钢

铸铁

有色金属

工程结构用钢机械零件用钢工具钢特殊性能钢

球磨铸铁铝铜钛

绪论

章节内容安排

金属学

金属与合金的晶体结构

合金相图及其应用

金属塑性变形和再结晶

合金相的晶体结构

金属的晶体缺陷

纯金属的晶体结构

纯金属的结晶

铁碳合金三元合金相图

二元合金结晶与相图

金属的塑性变形

回复与再结晶

扩散

第一章

第二章第三章

第四章

第五章第六章

第七章

第八章

绪论

热处理

热处理工艺

热处理原理

钢在加热时的转变

刚在冷却时的转变 第九章

钢的回火转变

钢的退火与正火

第十三章

第十章钢的淬火与回火

铝合金的时效

常用金属材料

工业用钢

铸铁有色金属

第十一章第十二章

第十三章

章节内容安排

绪论

(1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法；

(2)掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性能间关系的一般规律；

(3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。

四、参考文献：(1) 金属学与热处理 , 崔忠圻，机械工业出版社 , 2007 (2) 金属学与热处理 , 丁建生，机械工业出版社 , 2012 (3) 金属学与热处理 , 郑明新，北京大学出版社 , 2010

三、要求：

绪论

一、金属材料性能的种类

（附） 金属材料力学性能

金属材料加工过程：

冶炼→铸造

铸锭板棒型管

焊接机加工

冷轧冷拔

深冲

锻件

铸件 机加工：车、铣、刨、磨

零件或构件

热轧→

热锻→

工艺性能使用性能

故材料性能包含使用性能与工艺性能两方面：1 使用性能 ：在使用条件下所表现的性能 力学性能 ( 强度、硬度、塑性、韧性等 ) ； 物理性能（光、电、磁等）； 化学性能 ( 抗氧化性、抗腐蚀性等 ) ； 其它性能 ( 耐磨性、热硬性、消振性等 ) ；

（附） 金属材料力学性能

2 工艺性能： ──材料制备、加工过程中所表现的～ 铸造性能（流动性、收缩、偏析等 ) ； 压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等； 切削加工性； 焊接性； 热处理性能； 等等

（附） 金属材料力学性能

二、力学性能： 工程材料在外力作用下所反应出来的性能

主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等

强度与塑性的测定——借助应力应变曲线

结构材料最重要、最基本的性能

（附） 金属材料力学性能

外力的作用形式：

（附） 金属材料力学性能

应力 :

σ = P/A0 (MPa)

应变 :

ε = ΔL/L0

=(L1-L0)/L0

1 应力应变曲线 ——拉伸实验测定

（附） 金属材料力学性能

万能材料试验机 a) WE 系列液压式 b) WDW 系列电子式

（附） 金属材料力学性能

变形三阶段： (1) 弹性变形、 (2) 塑性变形、 (3) 断裂

弹性变形

塑性变形

断裂

低碳钢的应力应变曲线

应变 ε

应力σ

（附） 金属材料力学性能

低碳钢应力应变曲线

(1) 弹性变形 :

特点： 应力撤消后 , 变形消失； 应力与应变成正比关系； 总变形量很小： <1%

主要性能指标： 弹性极限 σe ：保持弹性

变形的最大应力， MPa

弹性模量 E ： σ=E·ε

（附） 金属材料力学性能

(2 ) 塑性变形 : 应力撤消后 , 变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。

特点：(1) 变形具永久性、不可逆

性(2) 应力与应变非正比关系；(3) 变形量较大—— 可以塑性加工的原因

残余变形量

弹性变形量

（附） 金属材料力学性能

σs

σb

塑性变形中的重要指标 : 承受的应力大小：

断裂前塑性变形量的大小 :

抗拉强度 (σb):

抵抗最大均匀塑性变形的应力值

屈服强度 (σs): 抵抗微量塑性变形的应力值

断后伸长率 (δ) 、断面收缩率 (ψ )

（附） 金属材料力学性能

三、力学性能及指标（一）强度 材料抵抗永久变形或断裂的能力称为～。1 弹性极限 (σe ) ：规定弹性极限 σr0.01

2 屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的应力值 (σs ), Mpa 。

(1) 实质是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 σ0.2

┗ 规定残余伸长率为 0.2% 时对应的应力值

（附） 金属材料力学性能

σs

σ0.2

σb σb

σe

低碳钢与铸铁的应力应变曲线 断裂与塑性变形是材料失效的形式

§2 金属材料力学性能

3 抗拉强度：材料在破断前所承受的最大应力值（ σb ） , Mpa 。

—— 产生最大均匀塑性变形的抗力。 ┗ 存在颈缩现象——不均匀塑性变形注意： 塑性变形中 : σs < σ < σb

4 屈强比（ σs / σb ）： 0.6~0.85

屈强比高，强度利用率高； 屈强比低，安全性高 —— 综合考虑材料利用率和安全性

（附） 金属材料力学性能

工程设计中：塑性材料： ┗ 选 σs 或 σ0.2 作为极限应力 σ0 ： 工作应力 σ≤许用应力［ σ］＝ σ0/n

安全系数 n = 1.5~2脆性材料： ┗常选 σb 作为极限应力 σ0 ： 工作应力 σ≤许用应力［ σ］＝ σ0/n

n >2

（附） 金属材料力学性能

（二）塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。

(1) 伸长率（ δ ）：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比 ;

δ= (L 断后 -L 原始 )/ L 原始×%=ΔL / L0 ×%

(2) 断面收缩率（ ψ ）：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比 .

ψ= (A 原始 - A 断后 )/ A 原始×%=ΔA / A0 ×%

（附） 金属材料力学性能

——δ 、 ψ越高，材料的塑性越好

通常 ψ < 5% → 脆性材料

塑性的意义： 成形

安全

（附） 金属材料力学性能

（三）硬度 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。

—— 衡量材料软硬程度的指标 —— 硬度与强度间存在一定关系(1) 布氏硬度 (HB)—— 较软材料——有色金属 (2) 洛氏硬度 (HR)—— 硬度中等——钢铁材料 具体： HRA 、 HRB 、 HRC 其中 HRC ：软硬范围较宽，应用最广 (3)维氏硬度 (HV) —— 较硬材料(4)显微硬度 (HV) ——测定材料内部微区的相、组

织的硬度

（附） 金属材料力学性能

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

布氏硬度 (HB)

通常碳素钢： σb ＝ αHB

布氏硬度计

（附） 金属材料力学性能

布氏硬度计 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、灰口铸铁等通常碳素钢： σb ＝ αHB

布氏硬度 (HB)

HBS ：淬火钢球作压头；适用于＜ 450HBS

HBW ：硬质合金作压头；适用于＜ 650HBW

（附） 金属材料力学性能

——测定压痕深度 HR=(k-h)/0.002

注： h: 压痕深度 k:常数， 0.2 或0.26mm;

0.002mm: 一个洛氏硬度单位适合测量的材料

HRA ：硬质合金 ； HRC: 淬火钢HRB: 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁

洛氏硬度：

（附） 金属材料力学性能

维氏硬度： 压痕单位表面积上所承受的平均压力值—— 金刚石正四棱锥体压头

硬度表示方法：硬度值 +HV+ 试验力 /保持时间如： 640HV30/20

21891.0

d

FHV

计算公式：

（附） 金属材料力学性能

（四）韧性 当加载速度极快时，不能用静载荷下的 σs 、 σb 作失效判据。

1 引入冲击韧性 (αk) : 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力～

—— 用破坏材料时所消耗的功衡量 ,

—— 是强度与塑性的综合指标 σ↑ ， δ↑ ， αk↑ ；σ↓↓ 或 δ↓↓ ， αk↓

（附） 金属材料力学性能

αk =Ak/s =mg(H1-H2)/s

Ak ：冲击功，s ：缺口处的横截面积

（附） 金属材料力学性能

金属的 αk 与温度直接相关：（ 1 ） T↓ ， αk↓

（ 2 ）存在韧脆转变温度 Tk ：当 T< Tk 时，金属为脆性状态 αk↓ ↓

脆性

区 韧性

区

（附） 金属材料力学性能

当材料内部存在裂纹缺陷时： 2 断裂韧度 KIc

裂纹尖端产生应力集中——应力被放大当应力场因子 KI增大到临界值 KIC 时，材料发生断裂。临界值 KIC 称为断裂韧度。

2I

x y

K

r

在裂纹尖端， θ=0

（附） 金属材料力学性能

当 σ 、 a 达到某临界值时 ,裂纹失稳扩展，此时的 KI 称为断裂韧度 KIc

—— 材料抵抗裂纹失稳扩展的性能

引入应力场强度因子： 应力大小

裂纹尺寸

裂纹形状

（附） 金属材料力学性能

工程材料：制造工程构件和机械零件、 工具、特 殊性能材料 (耐蚀、耐高温 ) 分类：按原子间结合键的性质分一、金属材料： 黑色金属：铁和以铁为基的合金 —— 纯铁、钢、铸铁、铁合金 占工程材料的 90％ 有色金属：黑色金属以外所有金属、合金 ——轻金属、难熔金属、贵金属等 —— 金属键 (过渡金属含少量共价键 )

（附）工程材料的分类

二、 陶瓷材料陶瓷定义： 由一种或多种金属元素 ( 含半金属元素如

Si 等 ) 同一种非金属元素形成的化合物。 CaO 、 TiO2、 Al2O3、 SiC 、 Si3N4

CaTiO3、 MgAl2O4、 传统：硅酸盐类材料 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

（附）工程材料的分类

离子键为主——硬度高、脆 普通陶瓷：硅、铝氧化物的硅酸盐材料 特种陶瓷：高熔点的氧化物、碳化物、氮 化物、硅化物等的烧结材料

金属陶瓷：金属与碳化物或其他化合物的粉末冶金制品

发展：纳米技术——陶瓷增韧

（附）工程材料的分类

三、高分子材料： 有机合成材料、聚合物 ┗ 大分子化合物：共价键、分子键 较高强度、良好的塑韧性、 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

四、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： 5%~6%

—— 金属材料仍是最主要的工程材料

（附）工程材料的分类

思考题

1 简述本课程的主要内容以及本课程的基本任务； 2 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？ 3 材料的性能包括哪两个方面？说明下列符号所表示的意义及量纲： σe 、 σs 、 σb 、σ0.2 、 δ 、 ψ 、 ak 、 HB 、 HRC 、 Hv ； 4 什么是强度？塑性？硬度？韧性？