金屬材料科學(xué)與工藝TOC\o"1-2"\h\u5425第一章金屬材料概述 1233711.1金屬材料的分類 1240321.2金屬材料的功能 231844第二章金屬材料的結(jié)構(gòu) 2325752.1晶體結(jié)構(gòu) 2102132.2合金的相結(jié)構(gòu) 329952第三章金屬材料的凝固與結(jié)晶 3267493.1純金屬的結(jié)晶 3117223.2合金的凝固 411781第四章金屬的塑性變形與再結(jié)晶 5283204.1金屬的塑性變形 550774.2金屬的再結(jié)晶 511861第五章金屬材料的熱處理 5171335.1熱處理的原理 544975.2常用的熱處理工藝 65711第六章金屬材料的表面處理 7133826.1表面強(qiáng)化處理 769716.2表面防腐處理 74993第七章金屬材料的功能測(cè)試 851617.1力學(xué)功能測(cè)試 8171427.2物理功能測(cè)試 8第一章金屬材料概述1.1金屬材料的分類金屬材料的種類繁多，根據(jù)其成分和功能的不同，可以分為多種類型。常見的金屬材料包括黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬主要指鐵、鉻、錳及其合金，如鋼、鑄鐵等。鋼是最常用的黑色金屬之一，根據(jù)其化學(xué)成分和用途的不同，又可以分為碳素鋼、合金鋼等。碳素鋼具有良好的可加工性和強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械制造等領(lǐng)域。合金鋼則通過添加合金元素，如鉻、鎳、鉬等，提高了鋼的耐磨性、耐腐蝕性和高溫功能，適用于特殊工況下的零部件。有色金屬則是指除黑色金屬以外的其他金屬，如銅、鋁、鎂、鋅、鈦等。銅具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，常用于電氣、電子領(lǐng)域制作導(dǎo)線、連接器等。鋁是一種輕質(zhì)金屬，具有良好的耐腐蝕性和可加工性，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域。鎂合金具有密度小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在汽車輕量化方面具有重要的應(yīng)用前景。鋅主要用于鍍鋅鋼板的生產(chǎn)，以提高鋼板的耐腐蝕性。鈦具有高強(qiáng)度、耐腐蝕的特點(diǎn)，在航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。1.2金屬材料的功能金屬材料的功能是其在使用過程中表現(xiàn)出來的各種特性，主要包括力學(xué)功能、物理功能和化學(xué)功能等。力學(xué)功能是金屬材料在受力作用下所表現(xiàn)出來的功能，如強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性等。強(qiáng)度是指金屬材料抵抗外力破壞的能力，通常用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來表示。硬度是指金屬材料抵抗局部變形的能力，常用的硬度測(cè)試方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。韌性是指金屬材料在斷裂前吸收能量的能力，通常用沖擊韌性來表示。塑性是指金屬材料在受力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力，常用伸長率和斷面收縮率來衡量。物理功能是指金屬材料的物理特性，如密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性等。密度是指金屬材料的質(zhì)量與體積之比，不同的金屬材料具有不同的密度。熔點(diǎn)是指金屬材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，熔點(diǎn)的高低對(duì)于金屬材料的加工和使用具有重要的影響。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性是金屬材料的重要物理功能，銅、鋁等金屬具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，廣泛應(yīng)用于電氣、電子和傳熱領(lǐng)域。磁性是指金屬材料在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出來的特性，如鐵、鈷、鎳等金屬具有鐵磁性，可用于制造磁鐵和電磁器件。化學(xué)功能是指金屬材料在化學(xué)介質(zhì)作用下所表現(xiàn)出來的功能，如耐腐蝕性、抗氧化性等。耐腐蝕性是指金屬材料在酸、堿、鹽等腐蝕性介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力，不同的金屬材料具有不同的耐腐蝕性。抗氧化性是指金屬材料在高溫下抵抗氧化的能力，對(duì)于在高溫環(huán)境下使用的金屬材料，抗氧化性是一個(gè)重要的功能指標(biāo)。第二章金屬材料的結(jié)構(gòu)2.1晶體結(jié)構(gòu)晶體是原子、離子或分子在三維空間呈周期性規(guī)則排列的固體物質(zhì)。金屬材料大多是晶體，其晶體結(jié)構(gòu)對(duì)金屬的功能有著重要的影響。常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）、面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）和密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）。體心立方結(jié)構(gòu)的金屬原子分布在立方體的八個(gè)頂點(diǎn)和體心位置，如鐵、鉻、鎢等。這種結(jié)構(gòu)的金屬具有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性相對(duì)較差。面心立方結(jié)構(gòu)的金屬原子分布在立方體的八個(gè)頂點(diǎn)和六個(gè)面心位置，如銅、鋁、鎳等。這種結(jié)構(gòu)的金屬具有良好的塑性和導(dǎo)電性，但強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低。密排六方結(jié)構(gòu)的金屬原子分布在六棱柱的十二個(gè)頂點(diǎn)和上下底面的中心位置，如鎂、鋅、鈦等。這種結(jié)構(gòu)的金屬具有較高的強(qiáng)度和硬度，但塑性相對(duì)較差。晶體結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了金屬材料功能的差異。例如，面心立方結(jié)構(gòu)的金屬通常比體心立方結(jié)構(gòu)的金屬更容易發(fā)生塑性變形，因?yàn)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)的原子排列更加緊密，滑移系更多。晶體中的缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷等，也會(huì)對(duì)金屬的功能產(chǎn)生重要的影響。點(diǎn)缺陷如空位和間隙原子，會(huì)影響金屬的擴(kuò)散和電學(xué)功能；線缺陷如位錯(cuò)，是金屬塑性變形的主要機(jī)制；面缺陷如晶界和相界，會(huì)影響金屬的強(qiáng)度和耐腐蝕功能。2.2合金的相結(jié)構(gòu)合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。合金的相結(jié)構(gòu)是指合金中不同相的組成、結(jié)構(gòu)和功能。合金中的相可以分為固溶體和金屬間化合物兩大類。固溶體是溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中而仍保持溶劑晶格類型的合金相。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。置換固溶體是溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體，如銅鎳合金中的銅和鎳原子可以互相置換形成置換固溶體。間隙固溶體是溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體，如碳在鐵中的固溶體。固溶體的形成可以使合金的強(qiáng)度和硬度提高，同時(shí)保持較好的塑性和韌性。金屬間化合物是合金中各組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種具有金屬特性的新相。金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)與組成它的組元的晶體結(jié)構(gòu)不同，其功能也與組元的功能有很大的差異。金屬間化合物通常具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，如鋁銅合金中的CuAl?就是一種金屬間化合物。金屬間化合物在合金中的含量和分布對(duì)合金的功能有著重要的影響，合理控制金屬間化合物的形成和分布可以提高合金的功能。第三章金屬材料的凝固與結(jié)晶3.1純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶過程是一個(gè)從液態(tài)到固態(tài)的相變過程。當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到一定溫度時(shí)，開始出現(xiàn)晶核，然后晶核不斷長大，最終形成晶體。這個(gè)過程可以用冷卻曲線來描述。冷卻曲線是表示金屬冷卻過程中溫度隨時(shí)間變化的曲線。在冷卻曲線上，出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的溫度就是金屬的結(jié)晶溫度。純金屬的結(jié)晶過程包括形核和長大兩個(gè)階段。形核是結(jié)晶的開始階段，液態(tài)金屬中的原子在一定的過冷度下，聚集形成晶核。晶核可以分為自發(fā)形核和非自發(fā)形核兩種。自發(fā)形核是指在液態(tài)金屬中，依靠自身的結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏形成的晶核。非自發(fā)形核是指依靠液態(tài)金屬中存在的雜質(zhì)或型壁等外來質(zhì)點(diǎn)作為核心形成的晶核。在實(shí)際的結(jié)晶過程中，非自發(fā)形核往往比自發(fā)形核更容易發(fā)生。長大是指晶核形成后，液態(tài)金屬中的原子不斷向晶核表面遷移，使晶核不斷長大的過程。晶核的長大方式主要有平面長大和樹枝狀長大兩種。平面長大是指晶核在長大過程中，始終保持規(guī)則的外形，以平面的形式向前推進(jìn)。這種長大方式需要較大的過冷度，在實(shí)際的結(jié)晶過程中很少發(fā)生。樹枝狀長大是指晶核在長大過程中，優(yōu)先沿著晶體的某些晶向生長，形成樹枝狀的晶體。這種長大方式在實(shí)際的結(jié)晶過程中較為常見，因?yàn)樗恍枰^小的過冷度。3.2合金的凝固合金的凝固過程與純金屬的結(jié)晶過程有所不同。由于合金中存在多種組元，因此在凝固過程中會(huì)發(fā)生溶質(zhì)的再分配和偏析現(xiàn)象。合金的凝固過程可以分為勻晶凝固、共晶凝固和包晶凝固等幾種類型。勻晶凝固是指合金在凝固過程中，從液相中結(jié)晶出單相固溶體的過程。在勻晶凝固過程中，液相和固相的成分會(huì)溫度的變化而不斷變化。當(dāng)合金冷卻到液相線溫度時(shí)，開始從液相中結(jié)晶出固溶體。溫度的繼續(xù)降低，固相的成分不斷變化，液相的成分也不斷變化，直到冷卻到固相線溫度，液相全部凝固為固相。共晶凝固是指在一定的溫度下，由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩種固相的過程。共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是共晶組織，它是由兩種固相交替排列形成的混合物。共晶組織具有獨(dú)特的功能，如良好的耐磨性、耐腐蝕性和鑄造功能等，因此共晶合金在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用。包晶凝固是指在一定的溫度下，由液相和一種固相反應(yīng)另一種固相的過程。包晶反應(yīng)的產(chǎn)物是包晶組織，它的功能與反應(yīng)物和物的成分、結(jié)構(gòu)以及反應(yīng)條件等因素有關(guān)。第四章金屬的塑性變形與再結(jié)晶4.1金屬的塑性變形金屬的塑性變形是指金屬在受到外力作用時(shí)，產(chǎn)生永久變形而不破壞的現(xiàn)象。塑性變形是金屬加工成型的重要手段，如軋制、鍛造、擠壓等。金屬的塑性變形主要是通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。位錯(cuò)是晶體中的一種缺陷，它的運(yùn)動(dòng)可以使晶體產(chǎn)生滑移，從而實(shí)現(xiàn)塑性變形。當(dāng)金屬受到外力作用時(shí)，位錯(cuò)會(huì)在應(yīng)力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)方式主要有滑移和攀移兩種。滑移是指位錯(cuò)在晶面上沿著一定的方向滑動(dòng)，是金屬塑性變形的主要方式。攀移是指位錯(cuò)在垂直于滑移面的方向上運(yùn)動(dòng)，需要在高溫下才能發(fā)生。金屬的塑性變形還會(huì)受到晶體結(jié)構(gòu)、晶粒大小、溫度等因素的影響。例如，面心立方結(jié)構(gòu)的金屬比體心立方結(jié)構(gòu)的金屬更容易發(fā)生塑性變形；晶粒越小，金屬的塑性變形能力越強(qiáng)；溫度升高，金屬的塑性變形能力也會(huì)增強(qiáng)。4.2金屬的再結(jié)晶金屬在經(jīng)過塑性變形后，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和畸變，導(dǎo)致金屬的強(qiáng)度和硬度增加，而塑性和韌性下降。為了恢復(fù)金屬的塑性和韌性，需要對(duì)金屬進(jìn)行再結(jié)晶處理。再結(jié)晶是指在一定的溫度下，經(jīng)過塑性變形的金屬重新形成無畸變的等軸晶粒的過程。再結(jié)晶的過程可以分為形核和長大兩個(gè)階段。形核是在變形金屬中形成一些無畸變的小晶粒，這些小晶粒成為再結(jié)晶的核心。再結(jié)晶核心可以在晶界、位錯(cuò)堆積處等地方形成。長大是指再結(jié)晶核心不斷吸收周圍的變形金屬，使其晶粒逐漸長大，直到變形金屬全部被再結(jié)晶晶粒所取代。再結(jié)晶的溫度取決于金屬的種類、變形程度等因素。一般來說，變形程度越大，再結(jié)晶溫度越低；金屬的熔點(diǎn)越高，再結(jié)晶溫度也越高。第五章金屬材料的熱處理5.1熱處理的原理熱處理是將金屬材料在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變其組織結(jié)構(gòu)和功能的工藝方法。熱處理的原理是利用金屬材料在加熱和冷卻過程中的相變規(guī)律，通過控制加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等參數(shù)，使金屬材料獲得所需的組織結(jié)構(gòu)和功能。在熱處理過程中，金屬材料的組織結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。例如，鋼在加熱到奧氏體化溫度以上時(shí)，會(huì)發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變。奧氏體是一種高溫相，具有良好的塑性和韌性。在保溫一段時(shí)間后，將鋼快速冷卻，可以使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。馬氏體是一種高強(qiáng)度、高硬度的組織，但塑性和韌性較差。通過不同的熱處理工藝，可以得到不同的組織結(jié)構(gòu)和功能，如退火可以使鋼的硬度降低，塑性提高；淬火可以使鋼的硬度和強(qiáng)度提高；回火可以使淬火后的鋼的脆性降低，韌性提高。5.2常用的熱處理工藝常用的熱處理工藝包括退火、正火、淬火、回火和表面淬火等。退火是將金屬材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋匾欢〞r(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的是降低金屬材料的硬度，提高塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，改善組織和功能。退火可以分為完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火等多種類型，根據(jù)不同的材料和要求選擇合適的退火工藝。正火是將金屬材料加熱到奧氏體化溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的目的與退火相似，但冷卻速度比退火快，得到的組織比退火細(xì)，強(qiáng)度和硬度比退火高。正火主要用于改善低碳鋼和中碳鋼的切削加工功能，消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，為淬火作組織準(zhǔn)備。淬火是將金屬材料加熱到奧氏體化溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻的熱處理工藝。淬火的目的是使金屬材料獲得高硬度和高強(qiáng)度的馬氏體組織。淬火介質(zhì)有水、油、鹽水等，根據(jù)不同的材料和要求選擇合適的淬火介質(zhì)。淬火后的金屬材料內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力，脆性增加，因此需要進(jìn)行回火處理。回火是將淬火后的金屬材料加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻的熱處理工藝。回火的目的是消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，提高韌性，調(diào)整硬度和強(qiáng)度。回火可以分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種類型，根據(jù)不同的要求選擇合適的回火溫度和時(shí)間。表面淬火是將金屬材料的表面快速加熱到奧氏體化溫度以上，然后迅速冷卻，使表面獲得馬氏體組織的熱處理工藝。表面淬火可以提高金屬材料表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持較好的塑性和韌性。表面淬火的方法有感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火等。第六章金屬材料的表面處理6.1表面強(qiáng)化處理金屬材料的表面強(qiáng)化處理是提高其表面功能的重要手段。常見的表面強(qiáng)化處理方法包括表面淬火、滲碳、滲氮、激光表面處理等。表面淬火是通過快速加熱金屬材料表面，使其達(dá)到相變溫度，然后迅速冷卻，使表面形成馬氏體組織，從而提高表面硬度和耐磨性。感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火是常用的表面淬火方法。感應(yīng)加熱表面淬火具有加熱速度快、效率高、淬火質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，適用于中碳鋼和中碳合金鋼的表面淬火。火焰加熱表面淬火設(shè)備簡單，操作方便，但加熱溫度不易控制，淬火質(zhì)量不如感應(yīng)加熱表面淬火。滲碳是將低碳鋼或低碳合金鋼放入滲碳介質(zhì)中，在高溫下使碳原子滲入工件表面，形成高碳層的熱處理工藝。滲碳后的工件表面硬度高，耐磨性好，心部仍保持良好的韌性。滲碳適用于承受磨損和交變載荷的零件，如齒輪、軸類等。滲氮是在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面，形成氮化層的熱處理工藝。氮化層具有高硬度、高耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性等優(yōu)點(diǎn)。滲氮適用于在高溫、高速、重載及腐蝕介質(zhì)等惡劣條件下工作的零件，如模具、刀具等。激光表面處理是利用高能量密度的激光束對(duì)金屬材料表面進(jìn)行處理的工藝。激光表面處理可以實(shí)現(xiàn)表面淬火、熔覆、合金化等多種功能，具有處理速度快、變形小、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。6.2表面防腐處理金屬材料在使用過程中容易受到腐蝕，因此需要進(jìn)行表面防腐處理。常見的表面防腐處理方法包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、涂裝等。電鍍是將金屬工件作為陰極，通過電解作用在工件表面沉積一層金屬鍍層的方法。電鍍可以提高工件的耐腐蝕性、耐磨性和裝飾性。常用的電鍍鍍層有鍍鋅、鍍鎳、鍍鉻等。化學(xué)鍍是在無外加電流的情況下，利用化學(xué)還原劑將溶液中的金屬離子還原成金屬，并沉積在工件表面的方法。化學(xué)鍍具有鍍層均勻、孔隙率低、結(jié)合力好等優(yōu)點(diǎn)。化學(xué)鍍鎳是一種常用的化學(xué)鍍方法，廣泛應(yīng)用于電子、航空航天、汽車等領(lǐng)域。熱浸鍍是將金屬工件浸入熔融的金屬浴中，使工件表面形成一層金屬鍍層的方法。熱浸鍍鋅是最常用的熱浸鍍方法，其鍍層具有良好的耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于建筑、電力、交通等領(lǐng)域。涂裝是將涂料涂覆在金屬工件表面，形成一層保護(hù)膜的方法。涂裝可以提高工件的耐腐蝕性、裝飾性和絕緣性。常用的涂料有油漆、粉末涂料等。第七章金屬材料的功能測(cè)試7.1力學(xué)功能測(cè)試力學(xué)功能是金屬材料在受力作用下所表現(xiàn)出來的功能，是評(píng)