白版 金属材料基础知识第1章
超声无损检测第一章金属材料基础知识
第一章金属材料及热处理基木知识1.1材料力学基本知识1. 2金属学与热处理基本知识1.3承压类特种设备常用材料第一章金属材料及热处理基木知识金属材料是现代工业，农业，国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料。
这不仅是由于来源丰富，生产工艺简单，成熟，而且还因为他们具有良好的性能。
通常所指的金属材料性能包括以下两个方而：一、使用性能即为了保证机械零部件、设备、结构件等能正常工作，材料所具备的性能。
主要有力学性能（强度、硬度、刚度、塑性、韧性等），物理性能（密度、熔点、导热性、热膨胀性等），化学性能（耐蚀性、热传导性等）。
使用性能决左了材料的应用范用，使用安全可靠性和使用寿命。
二、工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷热加工的性能，例如铸造、焊接、热处理、压力加工、切削加工等方而的性能。
工艺性能对制造成本、生产效率、产品质量有重要影响。
金属材料是制适承压类特种设备最常用的材料，其性能介绍是本章的主要内容。
作为承压类特种设备无损检测人员，应了解材料方面的有关知识。
1. 1 材料力学基本知识金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用。
当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形甚至断裂。
材料在外力的作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。
承压类特种设备材料的力学性能指标主要包括强度、硬度、塑性、韧性等指标。
1. 1. 1应力和应变所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。
如图1所示：在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为了保持原形在內部产生抵抗外力的力——内力。
该内力被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除E得到的值即是"应力”，或者简单地可概括为单位截而积上的内力，单位为Pa （帕斯卡）或N/m2。
例如，圆柱体截而积为A （m2），所受外力为P（N牛顿），由外力二内力可得，应力：PCT二—虫（Pa或者N/m2）这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。
第一章 金属的成型及金属压力加工基本知识(1)
2、铜及铜合金
• ① 纯铜 • 又称紫铜，密度为8.96g/cm3，熔点为1083℃， 无磁性。纯铜具有优良的导电性、导热性及抗 大气腐蚀性，是重要的导电材料及传热体（如 锅炉、制氧机中的冷凝器、热交换器等）。 • 纯铜的强度低，塑性很好，具有良好的压力加 工和焊接性能，易于冷、热加工成形。
• ② 铜合金 • 黄铜 以锌为主要添加元素的铜合金。 • 通常把铜锌二元合金称为普通黄铜；若加入了 某些其它元素，则称复杂黄铜或特殊黄铜。特 殊黄铜可分为锡黄铜、铅黄铜、铝黄铜等。 • 青铜 人类最早应用的青铜是一种铜-锡合金。 不以锌为主加元素的铜合金统称为青铜，有锡 青铜、铝青铜、铅青铜、铍青铜等。
• (2) 增加质量的成型方法 • 由小质量的金属逐渐积累成大质量的产品。 • 例如：沉积、焊接（压焊、熔焊、钎焊）与铆 接、胶结等。
• 优点：能获得形状更为复杂的产品，成型过程 中除技术因素外没有产生废品的条件，原料消 耗少，故较为经济。
• (3) 质量恒定的成型方法 • 金属本身不分离出多余质量，也不积累增加质 量的成型方法。 • 例如：凝固成形、塑性成形、粉末压制成形。
• 工程上常用零件受拉伸时的屈服强度σs（或 σ0.2）和抗拉强度σb为强度指标。 • 材料单位面积受载荷称应力，单位是MPa。
• ①屈服强度（бs）：指材料 在拉抻过程中，材料所受应 力达到某一临界值时，载荷 不再增加变形却继续增加或 产生0.2%L时应力值。又称 屈服点或屈服极限。 • 表征了金属材料抵抗微量塑 性变形的能力。 • ② 抗拉强度（бb）：指材料 在拉断前承受的最大应力值。 也叫强度极限。 • 表征了金属材料抵抗断裂的 能力。
• ② 铝合金 • 根据铝合金的化学成 分及加工方法的不同， 分类如下：
金属材料学第一章和绪论
合金钢的分类
按合金元素的总含量的多少分为： 高合金钢（合金元素含量>10%）， 中合金钢（合金元素含量在5~10%）； 低合金钢（合金元素含量<5%）
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
§1.2 合金元素的分类及对铁基 二元相图的影响（作用）
一、合金元素的分类：
铁族金属：Co、Ni、Mn 难熔金属：熔点比Fe高的金属W、Mo、 Nb、V、Cr
2、材料的定义与分类 3、材料学的研究内容与特点 4、研究的机遇与挑战 5、课程的主要内容、特点与目标
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
1、材料与人类文明以及材料在现在工业部门 的重要性及意义
当代社会文明与国民经济的3大支柱：材料、能源与信息
材料可以实现能源的转换、存储和应用；同时材料是信息传输、 存储的载体
微合金钢：某些合金元素（如Nb、Ti、Zr、 B），即使其含量在0.1%（B在0.001%）时， 亦可能显著的影响钢的组织和性能，这一类钢 称为~
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
合金 钢的 性能 特点
更高的力学性能
优良的热处理工艺 性能
特殊的物理与化学 性能
更高的价格
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
碳化物形成元素与非碳化物形成元素在周期 表中分布有什么规律呢？
绪论与第一章
材料学—西安理工大学材料学院
Ⅰ A
H
Ⅱ A
Li Be
Na
Mg
Ⅲ B
Ⅳ B
Ⅴ B
Ⅵ B
Ⅶ B
0
Ⅲ A
Ⅳ A
Ⅴ ⅥA A
Ⅶ A
He
B C N O F Ne
朱明zhubob“金属工艺学”第1章 金属材料的基本知识
用汽车钢板弹簧锻打刀具，两种不同的截材开料方 式，可以得到不同的使用性能
刀锋由于韧 而不易卷刃、 崩刃，但使 用不久就很 易钝。
钢材的组织取向
刀锋容易磨得锋利， 也易卷刃、崩刃。
如有同学提到“高强度金属须之谜”——一根老鼠 须般细小的金属，其抗拉强度竟超过理论值的几百倍！ 谜底不是大多数人所认为的是“金属的成分很纯”，而 是它的晶格没有缺陷（基本没有“晶体位错”，见下 图）。
⑥加工硬化—钢的应力–应变曲线超过屈服点后， 如果中途卸载，曲线将从卸载点沿一条与弹性阶段平行 的直线返回；假如再加载，也沿这条直线重返卸载点。 显然，卸载点的应力数值高于屈服极限。这种由于初次 变形（或预变形）——使屈服极限提高的现象就说“加 工硬化”。
如此，尽管在座有不少是熟练的工人甚至是技术人 员，我还是要按课本的进程授课，循序渐进。下面是我 对有关学习方法的建议：
1.“理论之树常绿”； .
2.“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬亲”；
3.“吐故纳新”；
4.欹器的故事——“满则覆，中则正，虚则欹”— —座右皿的渊源。
而对于教学方法，我一向的做法：一是“授予鱼的 同时授予渔”，二是欢迎与学生讨论不同的学术观点。
前言
“金属工艺学”是一门专业基础课，介绍金属材料 的加工（手加工和机加工）工艺的过程、原理、机理等。
在工厂，金属工艺学是一门大众的学科，大多数工 人在金属加工工艺的操作层面容易领会和学习，不少青 年工人甚至可以无师自通地烧焊、打铁、开机床等，不 过，正如学吹笛子、学拉二胡和小提琴、学弹结他一样， 易学难精。盖因各种金属的制取难（如温度高）、加工 难（如硬度高），金属晶体结构的生长性和取向性等， 令我们进行深度探索金属加工原理不易，在金属的微观 层面上（形变和晶变）了解不多，再加上金属材料型号 的众多和对热处理的深层理解不易，都令不少人半路而 退。比如，很多自学者，在“铁–碳平衡图”、“C曲线 图”和“CCT曲线图”面前就停滞不材料抵抗变形和断裂的 能力，其测定方法通常采用拉伸试验。
金属材料学知识点总结
二、金属材料的制备
制备（加工）工艺 冶炼与凝固 成型与热处理
冶金与凝固理论 塑性成型与固态相变理论
二、金属材料的制备
退火(annealing)
普通热处理
正火(normalizing) 淬火(quenching)
整体热 处理
回火(tempering)
热
表面淬火—感应加热、火焰加热、
处
表面热处理
• 使用性能是保证能不能使用；
• 工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。 • 两者有时是一致的，有时互相矛盾。
金属材料的力学性能
➢ 力学性能指金属在力的作用下所 显示出的与弹性和非弹性反应相关或 涉及应力-应变关系的性能，如强度、 塑性、弹性、硬度、韧性、疲劳等
力学性能是选择和使用结构金属材料的重要依据。
• 包括工程结构钢（碳素结构钢和低合金高强度钢）和机 械制造结构钢（优质碳素结构钢和合金结构钢）。
• 工模具钢
•可分为碳素工具钢和合金工具钢。或者刃具钢、冷变形模 具钢、热变形模具钢和量具钢等。
• 特殊性能钢
•主要为不锈耐蚀钢和耐热钢，均为合金钢。
钢铁材料
3、按冶金质量分类 • 普通钢：S≤0.055%，P≤0.045%。 • 优质钢：S≤0.035%，P≤0.035%。 • 高级优质钢：S≤0.030%，P≤0.030%。 • 特级优质钢： S≤0.020%，P≤0.025%。 • 注：碳素钢有普通级，而合金钢没有普通级。
1. 材料科学与工程、金属材料学
材料科学与工程的 主要任务
确立两个关系：
• 性能与成分、组织 结构间的关系；
• 组织结构与成分和 加工工艺间的关系
性能 材料应用的基础
提高材料性能的途径
《机械常识》课件-第一章 常用金属材料
常用铸铁的类别、牌号、主要性能和用途
类别
牌号
主要性能
用途
灰铸铁
HT100 HT150
低负荷和不重要的零件，如盖、外罩、
有良好的铸造性
手轮、支架、重锤等
能和切削性能， 承受中等负荷的零件，如气轮机泵体、
较高的耐磨性和 轴承座、齿轮箱、工作台、底座、刀架
减振性，抗压强
等
HT200HT25 0
度和硬度较高， 抗拉强度较低， 塑性和韧性差
压力加 工特殊
黄铜
HSn90-1 HMn58-2 HPb59-1
与同等含铜量的普通黄铜相比，具有 更高的强度和硬度，并具有一些特殊
性能，如耐蚀性和耐磨性等
适用于制作船舶上的零件、汽车和拖拉 机上的弹性套管等
适用于制作弱电电路中的零件和在腐蚀 条件下工作的重要零件
适用于制作热冲压及切削加工零件，如 销钉、螺钉、螺母、轴瓦等
综合力学性能
适用于制作较高强度的运动零件，如活塞、叶轮轴、连 杆、蜗杆、齿条、齿轮、连接销等
具有相当高的强度、硬度及弹性，切削加 工性不高，冷变形塑性低，淬透性低
适用于制作受力较大、在摩擦条件下工作，要求具有较 高强度、耐磨性和一定弹性的零件，如直轴、曲轴、轧 辊、离合器、钢丝绳、弹簧垫圈、弹簧圈、减振弹簧、
3．铸造碳钢
铸造碳钢（简称铸钢）的碳质量分数一般为 0.20%～ 0.60%，具有较高的强度、塑性和韧性，生产成本较低。
铸造碳钢主要用来制造形状复杂、力学性能要求较高 的零件。
常用铸造碳钢的牌号、主要特性和用途
牌号
主要特性
用途
具有较好的塑性、韧性，焊接性 适用于制作受力不大、要求具
ZG230-450 良好，切削性能尚可，但强度和 有一定韧性的零件，如砧座、
材料成型工艺1章金属材料的基本知识
布氏硬度试验
HB
压入载荷（N） 压痕的表面积（mm）
2F 0.102
D2 (1 1 d 2 )
D
布氏硬度计
布氏硬度特点
布氏硬度测量的优点：测量数值稳定，准确 缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件
布氏硬度适用于：铸铁，有色金属 退火、正火、调质处理钢（未经淬火的钢） 原材料，毛坯 当HBS<450 时有效（HBW450-650)
属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。
任何零件都需要一定塑性。 塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。 防止过载断裂；增加可靠性 。
4．硬度( hardness )
抵抗局部塑性变形的能力 抵抗更硬的物体压入其内的能力。
通常材料的强度越高，硬度也越高
最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度 (HR)。 氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；
掌握影响晶粒大小的因素及细化晶粒的方法
方法： 概念较多、实践性强，要联系实际加深理解和记忆
作业
P21 1. 10. 11. 13. 14.
1.1 金属材料的性能
1.1.1 金属材料的力学性能 1．弹性和刚度 2．强度 3．塑性 4．硬度 5．冲击韧性 6．疲劳强度
1.1.2 金属材料的其它性能 1．物理性能 2．化学性能 3．工艺性能
工程材料的分类
材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。
第１章 金属材料的基本知识
1.1 金属材料的性能 1.2 金属的晶体构造和结晶过程
基本内容和要求
（1）掌握金属主要机械性能： 强度、塑性、韧性、硬度的概念和应用
（2）三种常见的金属晶体结构及其基本性能 （3）实际金属晶体缺陷及其对性能的影响 （4）熟悉结晶过程以及过冷度的概念，
工程材料基础知识 课后习题答案
第一章工程材料根底知识参考答案1．金属材料的力学性能指标有哪些？各用什么符号表示？它们的物理意义是什么？答：常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。
强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏〔过量塑性变形或断裂〕的性能。
强度常用材料单位面积所能承受载荷的最大能力〔即应力σ，单位为Mpa〕表示。
塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形〔永久变形〕而不被破坏的能力。
金属塑性常用伸长率δ和断面收缩率ψ来表示：硬度是指材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量材料软硬程度的指标，是一个综合的物理量。
常用的硬度指标有布氏硬度〔HBS、HBW〕、洛氏硬度〔HRA、HRB、HRC等〕和维氏硬度〔HV〕。
以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。
冲击韧性的常用指标为冲击韧度，用符号αk表示。
疲劳强度是指金属材料在无限屡次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。
疲劳强度用σ–1表示，单位为MPa。
2．对某零件有力学性能要求时，一般可在其设计图上提出硬度技术要求而不是强度或塑性要求，这是为什么？答：这是由它们的定义、性质和测量方法决定的。
硬度是一个表征材料性能的综合性指标，表示材料外表局部区域内抵抗变形和破坏的能力，同时硬度的测量操作简单，不破坏零件，而强度和塑性的测量操作复杂且破坏零件，所以实际生产中，在零件设计图或工艺卡上一般提出硬度技术要求而不提强度或塑性值。
3．比拟布氏、洛氏、维氏硬度的测量原理及应用范围。
答：〔1〕布氏硬度测量原理：采用直径为D的球形压头，以相应的试验力F压入材料的外表，经规定保持时间后卸除试验力，用读数显微镜测量剩余压痕平均直径d，用球冠形压痕单位外表积上所受的压力表示硬度值。
实际测量可通过测出d值后查表获得硬度值。
布氏硬度测量范围：用于原材料与半成品硬度测量，可用于测量铸铁；非铁金属〔有色金属〕、硬度较低的钢〔如退火、正火、调质处理的钢〕〔2〕洛氏硬度测量原理：用金刚石圆锥或淬火钢球压头，在试验压力F 的作用下，将压头压入材料外表，保持规定时间后，去除主试验力，保持初始试验力，用剩余压痕深度增量计算硬度值，实际测量时，可通过试验机的表盘直接读出洛氏硬度的数值。
金属材料基础知识 .ppt
a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。
三、有色金属材料（非黑色金属）
▪ 1. 概述：
▪ 1.1有色金属分类： ▪ （1）有色纯金属：
分为重金属、轻金属、贵金属、半金属和稀有金属五类。 ▪ （2）有色合金：
按合金系统分：重有色金属合金、轻有色金属压力加工用合金）、铸造合金、轴承合 金、印刷合金、硬质合金、焊料、中间合金、金属粉未等。 ▪ （3）有色材料 ▪ 按化学成份分类：铜和铜合金材、铝和铝合金材、铅和铅合金材、 镍和镍合金材、钛和钛合金材。按形状分类时，可分为：板、条、带、 箔、管、棒、线、型等品种。
▪ 1.2 有色金属产品牌号表示方法：
▪ （1）命名原则： 有色金属及合金产品牌号的命名，规定以汉语拼音字母或国际元素 符号作为主题词代号，表示其所属大类，如用L 或AL 表示铝，T 或 Cu表示铜。主题词以后，用成份数字顺序结合产品类别来表示。即 主题词之后的代号可以表示产品的状态、特征或主要成份。 如：
▪ 2.3按成形方法分类： (1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。
▪ 2.4按用途分类: 1)建筑及工程用钢： a.普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。 2)结构钢： a.机械制造用钢;b.弹簧钢;c.轴承钢 3)工具钢： a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。 4)特殊性能钢： a.不锈耐酸钢；b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合 金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。 5)专业用钢:如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农 机用钢等。
锡青铜有较高的机械性能，较好的耐蚀性、减摩性和好的铸造性能； 对过热和气体的敏感性小，焊接性能好，无铁磁性，收缩系数小。锡青 铜在大气、海水、淡水和蒸汽中的抗蚀性都比黄铜高。 ▪ 铝青铜有比锡青铜高的机械性能和耐磨、耐蚀、耐寒、耐热、无铁磁 性，有良好的流动性，无偏析倾向，可得到致密的铸件。在铝青铜中加 入铁、镍和锰等元素，可进一步改善合金的各种性能。 ▪ 青铜也分为压力加工和铸造产品两大类。
工程材料学_第一章-金属学基础知识
晶向（crystal direction） ：
通过晶体中任意两个原子中心连线来表示晶体结构的空间的各 个方向。 晶胞原子数：一个晶胞内包含的原子数目。
原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间
平衡距离的一半，与晶格常数有一定的关系。 配位数：晶格中任一原子处于相等距离并相距最近原子数
的性能、塑性变形及其组织 转变均有极为重要的作用 。
通过冷塑性变形，提高位错
密度使得金属强度、硬度提
高的方法称为加工硬化。
面缺陷－晶界与亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
金属的晶体结构
合金与合金的相结构
•单相合金组织(homogeneous structure )与多相合金组织 (Heterogenous structure):显微组织为单相的称为单相组织，为 多相的称为多相组织。
•合金组织的相：构成合金组织的各个相称为合金组织的相。 • 相结构：相组成物的晶体结构称为合金的相结构
二、合金的相结构
点位置的异类原子
线缺陷
位错( dislocation )：晶格的一部分相对
于另一部分发生的局部滑移现象，或者说 局部原子发生有规律的位置错排现象
面缺陷
晶界( grain boundary ) 亚晶界( sub-boundary )
点缺陷
置换原子
间隙原子
化合物离子晶体两种常见的缺陷
晶格空位
（1）晶面(crystal face)和晶向（ crystal directions ）:
晶向指数(indices of directions)和晶面指数(indices of crystal－plane)是分