产品材料学全套课件.ppt
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1、第一章 绪论 第一节 概述 现代科学技术的三大支柱能源、材料、信 息,其中材料是基础。 材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科 学技术与工业水平,关系着国家的综合国力与 安全。 世界各国把材料放在重要地位来发展。 我国在1978年的科学大会上将材料科学技术列为 8大科技领域之一,此后各个五年计划,一直作 为重点发展的领域。,材料是人类文明进步的里程碑 早期历史按石器、陶器、青铜器、铁器时代来划分,材料 代表着当时的生产能力和生活水平。 现代的核和信息时代是与元素U和Si的开发紧密联系。 人类物质文明的发展史是利用和挖掘材料资源的历史。 使用石器做工具。 使用石片、龟甲、竹板作信息纪录。 公元
2、前5000年,制陶中发现铜和锡的还原,创造了炼铜术。 6000年前用稻草和泥作墙体是具有制备意义的复合材料。 越王剑的金属包层结构具有复合材料的结构特征。 人类通过使用新的材料去改进生产工具、生活用具以及 武器,并伴随着科技革命的不断发展。,材料科学的提出 “材料科学”的提出要追朔到20世纪50年代末。 57年10月4日和11月3日苏联发射两颗人造卫星, 分别重80千克和500千克。 58年1月31日美国发射“探测者1号”人造卫星仅8 千克。 对此美国有关部门联合向总统提出报告,认为美 国在先进材料的研究方面落后于苏联是关键。 58年3月18日总统通过科学顾问委员会发布“全国 材料规划”,决定
3、12所大学成立材料研究实验室。 从此出现了“材料科学与工程”学科的提法。,材料科学的历史基础 18世纪蒸汽机的发明和19世纪电动机的发明,使材料在新 品种开发和规模生产等方面发生了飞跃。 金属材料:1856年-转炉钢;1864年-平炉钢;1887年-高锰 钢、1903年-硅钢;1910年-镍铬不锈钢。铜、铅、锌、铝、 镁、钛和稀有金属相继问世,世界钢产量从1850年的6万吨 突增到1900年的2800万吨,使人类进人了辉煌的钢铁时代。 无机非金属材料:主要包括晶体、陶瓷、水泥、玻璃、耐 火材料等,资源丰富,性能价格比高。20世纪中后期,通 过合成原料和新的制备技术,出现了一系列特殊功能的先 进
4、陶瓷。 高分子材料:20世纪初,人工合成高分子材料问世,1909 年-酚醛树脂(胶木);1925年-聚苯乙烯;1931年-聚氯乙烯; 1941年-尼龙,如今世界年产量在1亿吨以上。,材料科学的历史作用:比强度的进步改进了交通工具,年 图1-2 材料比强度方面的发展变化,刀具材料的发展:切速增长100倍导致高效加工和低成本。,金属材料 黑色金属(钢和铸铁 ) 钢:碳素钢和合金钢(按成分);普通钢、优质钢和高级优质钢(按品质);平炉钢、转炉钢、电炉钢和奥氏体钢(按冶炼法);结构钢、工具钢、特殊钢及专用钢(按用途)。 铸铁:灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。 有色金属(非铁材料)
5、 轻金属(密度5)、重金属(密度5)、贵金属、类金属和稀有金属,如A1、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ni、Ti及其合金。在工程上占有重要地位。,金属材料的基本属性 结合健为金属健; 熔点较高; 具有金属光泽; 范性、展性、延性大; 强度较高; 结构中存在自由电子,导热和导电性好; 在空气中易被氧化。,无机非金属材料 主要包括晶体、陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等。 按性能和用途:传统陶瓷和特种陶瓷。 特种陶瓷也称 精细陶瓷(Fine Ceramics) 高技术陶瓷(High Technical Ceramics) 先进陶瓷(Advanced Ceramics) 特种陶瓷是以人工合成化合物为原料制
6、备,用于技术和 工程领域,如电子信息、能源、机械、化工、动力、生 物、航天航空和其它高新技术领域。,无机非金属材料的基本属性 化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键; 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感; 熔点高,具有优良的耐高温和化学稳定性; 一般自由电子数目少、导热性和导电性较小; 耐化学腐蚀性好; 耐磨损。,高分子材料 以C、H、N、O元素为基础,由大量结构相同的小单元聚合组成, 分子量大,并在某一范围内变化。 一般分为天然和合成的两类; 按使用性质:塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等; 按链结构:碳链、杂链、元素高聚物; 按热性质:热塑性、热固性及热稳定性高聚物; 按用途:结构材
7、料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分子、 高分子建筑材料、生物医用高分子材料、高分子催化剂、包装 材料等。 塑料是重要的高分子材料,分为通用塑料和工程塑料。 通用塑料包括:聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、酚醛 塑料和氨基塑料。 工程塑料(高强、高模、耐高温):ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙 烯)、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺 和氟塑料等。,高分子材料的基本属性 结合健主要为共价健,部分范德华键; 分子量大,无明显的熔点,有玻璃化转变温度、粘流 温度; 力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态; 强度较高; 质量轻; 良好的绝缘性; 优越的化学稳定性。,材料科学是一门应用科学 学
8、习中需要理论联系实际。 在深入学习和牢固掌握基础知识、基础理论的同时,要思考、探索它的应用。 培养用实验去验证理论,提高归纳实验规律的能力,发展理论研究的综合素质。,第二节 金属材料性能概述,金属材料的物理性能 密度 熔点 热膨胀性 导电性 导热性 磁性:铁磁性材料、顺磁性材料、逆磁性材料,金属材料的化学性能,化学性能,指金属材料与周围介质扫触时抵抗 发生化学或电化学反应的性能。,耐腐蚀性指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。,2. 抗氧化性指金属材料在高温下,抵抗产生氧 化皮的能力。,耐腐蚀性材料如:不锈钢、塑料、陶瓷、钛及其合金等等,如:耐热钢、铬镍合金、铁铬合金等等,第三节 金属材料的力学性
9、能,教学目标: 了解材料的主要力学性能指标:屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性等力学性能及其测试原理; 强调各种力学性能指标的生产实际意义;,金属的力学性能,定义 : 金属材料的力学性能是指金属材料在不同环境(温度、介质)下,承受各种外加载荷(拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等)时所表现出的力学特征。 指标 : 弹性 、刚度、强度、塑性 、 硬度、冲击韧性 、断裂韧度和疲劳强度等。,(一) 强度和塑性,一、拉伸实验与拉伸曲线 1.拉伸试样 GB6397-86规定金属拉伸试样有: 圆形、矩形、异型及全截面 常用标准圆截面试样。 长试样:L0=10d0
10、; 短试样:L0=5d0,拉伸试样,(一) 强度和塑性,2.拉伸过程,拉伸试验机,op段:比例弹性变形阶段; pe段:非比例弹性变形阶段; 平台或锯齿(s段):屈服阶段; sb段:均匀塑性变形阶段,是强化阶段。 b点:形成了“缩颈”。 bk段:非均匀变形阶段,承载下降,到k点断裂。 断裂总伸长为Of,其中塑形变形Og(试样断后测得的伸长),弹性伸长gf。,L,F,k,o,g,f,3.拉伸曲线,4.应力与应变曲线,(1)应力 :单位面积上试样承受的载荷。这里用试样承受的载荷除以试样的原始横截面积S 0表示: F 载荷( N ) = ( M pa ) S 0 原始横截面积( mm2) (2)应变:
11、单位长度的伸长量。这里用试样的伸长量除以试样的原始标距表示: l 伸长量(mm ) = l 0 原始长度( mm) (3)应力应变曲线( - 曲线): 形状和拉伸曲线相同,单位不同,退火低碳钢,低、中回火钢,淬火钢及铸铁,中碳调质钢,5.不同材料的拉伸曲线,二、强度和刚度,2.刚度:将材料抵抗弹性变形的能力称为刚度。 弹性模量:弹性下应力与应变的比值,表示材料抵抗弹性变形的能力。即: E= / 材料的E越大,刚度越大; E对组织不敏感; 零件的刚度主要决定于E,也与形状、截面等有关。,E= / ,1.弹性:金属材料受外力作用时产生变形,当外力去掉后能恢复到原来形状及尺寸的性能。,弹性变形: 随
12、载荷撤除而消失的变形。,4.强度: 材料在载荷作用下抵抗永久变形和破坏的能力。,种类: 抗拉强度、 抗压强度、 抗弯强 度 、 抗剪强度 、 抗扭强度等。,(1) 屈服点 与屈服强度: 产生明显塑性变形的最低应力值.,屈服强度( 塑性变形量为0.2%,微量塑性变形),试样产生0.2%残余塑性变形,屈服点 s 、屈服强度0.2是零件设计的主要依据;也是评定金属强度的重要指标之一。,(2)抗拉强度:试样在断裂前所能承受的最大应力。,它表示材料抵抗断裂的能力。 是零件设计的重要依据;也是评定金属强度的重要指标之一。,三、塑性: 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。,(1)断面收缩率:
13、是指试样拉断处横截面积的收缩量 S与原始横截面积S0之比。,(2)伸长率:是指试样拉断后的标距伸长量 L 与原始标距L 0之比。,S0 - S 1 = - 100% S0,l 1 - l0 = - 100% l0, 10% 属塑性材料,思考:同一材料5 10? l=lub = l/l0=lu/l0 + lb/l0,u,b,塑性指标不直接用于计算,但任何零件都需要一定塑性。 防止过载断裂;塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。,(二)硬 度,布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 锉刀法,五.硬度( hardness ):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力 常用测量硬度的方法,(1)布氏
14、硬度 HB ( Brinell-hardness ),(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),适用范围:,450HBS;,650HBW;,(1)布氏硬度 HB ( Brinell-hardness ),符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如:120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf(9.807kN)载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。,(2)洛氏硬度 HR ( Rockwll hardness ),10HRCHBS,(3)维氏硬度 HV ( diamond penet
15、rator hardness ),适用范围:,测量薄板类 ;,HVHBS ;,(5) 锉刀法:,一组硬度差为5HRC的锉刀。 例如: 10HRC、15HRC、20HRC等。,六.冲击韧性( notch toughness ):,材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。,冲击试验机,冲击试样和冲击试验示意图,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k = m g H m g h (J),冲击韧性值a k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。,七.疲劳强度( fatigue strength ): 表示材料经无数次交变载荷作 用而不致引起断裂的最大应力值。,钢材的循环次数一般取 N = 107
16、,有色金属的循环次数一般取 N = 108,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: -1 = (0.450.55) b,1943年美国T-2油轮发生断裂,八.比强度 ( specific strength ): 材料的强度值与密度值之比。,作业,熟悉拉伸曲线 掌握强度及塑性指标,了解这些指标在工程上的应用,金属材料的工艺性能,铸造性能:流动性、收缩性、偏析 顶锻性能 冲压性能 切削加工性能 冷弯性能 焊接性能 热处理工艺性,金属材料的工艺性能,指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。,工艺性能,1.铸造性能指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能,,包括:流动性能、收缩性、偏析等。含碳量越高,铸
17、造性越好。,2.焊接性能指材料焊接时其工艺方法的难易程度及接口 处是否能满足使用目的的特性。,3.锻造性能金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不 破裂的能力。,含碳量越高,焊接性越差。,含碳量越高,锻造性越差。,4.切削加工性:指材料被切削加工成合格零件的难易程度。,包含:刀具耐用度较高;切削力较小,切削温度较低。,容易获得良好的表面加工质量。,容易控制切屑的形状或容易断屑。,5.冲压性能:金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。,含碳量太高,切削性差。含碳量太低,切削性也差。,含碳量越高,冲压性越差。,6.热处理工艺性:指材料被热处理时达到性能等要求的难易程度。,如:淬硬性、淬透性。,7.冷
18、弯性能:指材料在常温下能承受弯曲变形而不破裂的能力。,第五节 影响金属材料性能的因素,化学成分的影响 组织结构的影响 加工工艺的影响,一、化学成分的影响,长存元素 合金元素 (一)长存元素的影响 1、硅的影响 有利:脱氧、固溶强化 不利:降低钢的冲压性能 2、锰的影响 有利:脱氧、生成硫化锰,消除硫的热脆性、固溶强化,使得钢材在热扎冷却时得到片层较细的珠光体,不降低塑性和韧性,提高强度和硬度。 3、硫的影响 有利:改善钢材的切削加工性能 不利:热脆性,影响热加工性能,焊接性能、使钢形成纤维组织,造成性能上的方向性,影响冲压性能、引起应力集中,降低钢的塑性韧性疲劳强度。,(一)长存元素的影响,4
19、、磷的影响 有利:固溶强化,提高抗大气腐蚀能力,改善切削加工性能, 不利:提高脆性转变温度,降低塑性韧性,恶化冷压力加工性能和焊接性能 5、氮的影响 有利:加入铝、钒、钛、铌等元素,形成稳定的氮化物,消除时效倾向,且弥散强化,细化晶粒,提高强度韧性 不利:时效倾向,降低塑性韧性 6、氢的影响 不利:产生白点 7、氧的影响 不利:降低塑性韧性疲劳强度,造成钢性能上的方向性,恶化冲压性能;高硬度氧化物会降低钢的切削加工性能;恶化钢的热加工性能和焊接性能。,(二)合金元素的影响,1、碳化物形成元素对钢性能的影响 按照碳化物温度程度由弱到强: 铁 锰 铬 钼 钨 钒 铌 钛 钴等 碳化物特点: 熔点高
20、,硬度大,是重要强化相 作用: 提高钢的强度硬度,耐磨性,红硬性及某些特殊性能,通过细化晶粒改善钢的塑性韧性。 2、非碳化物形成元素对钢性能的影响 按其对铁素体的强化效果由强到弱: 磷 硅 锰 铝 铜 镍 钨 钼 钴 铬等 作用: 固溶强化提高强度硬度,但塑性和韧性有下降趋势。,(三)合金元素对钢热处理性能的影响,1、对淬透性的影响 提高钢的淬透性,(提高过冷奥氏体的温定性,降低钢的临界冷却温度) 显著提高:锰 铬 钼 硅 镍 铜 硼 不能提高:钴 另外: 强碳化物形成元素钒 钛 锆与碳形成碳化物,降低奥氏体中的碳含量和合金含量从而降低奥氏体的温定性,降低钢的淬透性 2、对回火稳定性的影响 碳
21、化物形成元素:减慢碳的扩散,阻碍碳的聚集和长大,在较高温度下回火时仍能使碳化物保持细小,分散状态,提高再结晶温度,显著提高钢的回火稳定性。,(三)合金元素对钢热处理性能的影响,3、对回火脆性的影响 回火脆性: 定义:对高温处理的钢进行回火,某个温度段的回火会使得某些杂质元素在奥氏体晶界聚集,大大降低了钢的塑性韧性。 消除办法:冲新加热至600以上,快冷。 4、对二次硬化的影响 钛 钼 钨 钒等能使钢在回火时产生二次硬化现象,从而提高钢的红硬性和蠕变强度,二、组织结构的影响,金属内部组织 金属的晶体结构 铁碳合金在平衡状态下的相和组成物随含碳量、温度不同,主要有以下五种。 ()铁素体(F) 铁素
22、体是碳固溶于-Fe中形成的间隙固溶体。具有体心立方晶格。铁素体由于含碳量极少,其性能与纯铁很相似,强度、硬度低,塑性、韧性很好。,(二)奥氏体(A) 奥氏体是碳固溶于-Fe中形成的间隙固溶体。具有面心立方晶格。它的溶碳能力比铁素体大得多,由于奥氏体具有面心立方晶格,不论含碳量多少,其塑性都很由于溶碳量较大,所以强度、硬度要高于铁素体。,(三)渗碳体(Fe3c) 渗碳体是铁与碳相互化合形成的间隙化合物。具有复杂的斜方晶格,熔点为1227(计算值)。渗碳体的性能特点是硬度很高(HB800),强度低(b35MPa),塑性、韧性几乎等于零,因而脆性极大,不能单独使用,常作为钢中的强化相。,(四)珠光体
23、(P) 珠光体是由铁素体和渗碳体组成的片层相间的机械混合物。珠铁素体和渗碳体的比大致为7:1。 由于珠光体是由硬而脆的渗碳体和软而韧的铁素体片相间组成,因而其性能介于二者之间,有较好的综合力学性能。,三、加工工艺的影响,(一)冶炼工艺的影响 1、硅的影响 有利:脱氧、固溶强化 不利:降低钢的冲压性能 2、锰的影响 有利:脱氧、生成硫化锰,消除硫的热脆性、固溶强化,使得钢材在热扎冷却时得到片层较细的珠光体,不降低塑性和韧性,提高强度和硬度。 3、硫的影响 有利:改善钢材的切削加工性能 不利:热脆性,影响热加工性能,焊接性能、使钢形成纤维组织,造成性能上的方向性,影响冲压性能、引起应力集中,降低钢
24、的塑性韧性疲劳强度。,高炉 炼铁,铸铁锭,生产铸铁件,炼钢生铁,转炉 平炉 电炉,生产钢件,三、加工工艺的影响,转炉炼钢,平炉炼钢,电弧炉炼钢,1.炼铁的冶金反应特点:,还原反应,2.炼钢的冶金反应特点:,氧化反应,1.镇静钢 ( killed steel ) 钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧 。这种钢液铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固,故称为镇静钢,代号为“Z”。 镇静钢虽成本较高,但其组织致密,成分均匀,含硫量较少,性能稳定,故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程,主要用于机械性能要求较高的零件。,2.沸腾钢 ( boiling steel ) 炼钢时仅加入锰铁进行脱氧,脱氧
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