金属材料科学与工艺

金属材料科学与工艺TOC\o"1-2"\h\u5425第一章金属材料概述 1233711.1金属材料的分类 1240321.2金属材料的功能 231844第二章金属材料的结构 2325752.1晶体结构 2102132.2合金的相结构 329952第三章金属材料的凝固与结晶 3267493.1纯金属的结晶 3117223.2合金的凝固 411781第四章金属的塑性变形与再结晶 5283204.1金属的塑性变形 550774.2金属的再结晶 511861第五章金属材料的热处理 5171335.1热处理的原理 544975.2常用的热处理工艺 65711第六章金属材料的表面处理 7133826.1表面强化处理 769716.2表面防腐处理 74993第七章金属材料的功能测试 851617.1力学功能测试 8171427.2物理功能测试 8第一章金属材料概述1.1金属材料的分类金属材料的种类繁多，根据其成分和功能的不同，可以分为多种类型。常见的金属材料包括黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要指铁、铬、锰及其合金，如钢、铸铁等。钢是最常用的黑色金属之一，根据其化学成分和用途的不同，又可以分为碳素钢、合金钢等。碳素钢具有良好的可加工性和强度，广泛应用于建筑、机械制造等领域。合金钢则通过添加合金元素，如铬、镍、钼等，提高了钢的耐磨性、耐腐蚀性和高温功能，适用于特殊工况下的零部件。有色金属则是指除黑色金属以外的其他金属，如铜、铝、镁、锌、钛等。铜具有良好的导电性和导热性，常用于电气、电子领域制作导线、连接器等。铝是一种轻质金属，具有良好的耐腐蚀性和可加工性，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。镁合金具有密度小、强度高的特点，在汽车轻量化方面具有重要的应用前景。锌主要用于镀锌钢板的生产，以提高钢板的耐腐蚀性。钛具有高强度、耐腐蚀的特点，在航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用。1.2金属材料的功能金属材料的功能是其在使用过程中表现出来的各种特性，主要包括力学功能、物理功能和化学功能等。力学功能是金属材料在受力作用下所表现出来的功能，如强度、硬度、韧性、塑性等。强度是指金属材料抵抗外力破坏的能力，通常用屈服强度和抗拉强度来表示。硬度是指金属材料抵抗局部变形的能力，常用的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。韧性是指金属材料在断裂前吸收能量的能力，通常用冲击韧性来表示。塑性是指金属材料在受力作用下产生永久变形而不破坏的能力，常用伸长率和断面收缩率来衡量。物理功能是指金属材料的物理特性，如密度、熔点、导电性、导热性、磁性等。密度是指金属材料的质量与体积之比，不同的金属材料具有不同的密度。熔点是指金属材料从固态转变为液态的温度，熔点的高低对于金属材料的加工和使用具有重要的影响。导电性和导热性是金属材料的重要物理功能，铜、铝等金属具有良好的导电性和导热性，广泛应用于电气、电子和传热领域。磁性是指金属材料在磁场中表现出来的特性，如铁、钴、镍等金属具有铁磁性，可用于制造磁铁和电磁器件。化学功能是指金属材料在化学介质作用下所表现出来的功能，如耐腐蚀性、抗氧化性等。耐腐蚀性是指金属材料在酸、碱、盐等腐蚀性介质中抵抗腐蚀的能力，不同的金属材料具有不同的耐腐蚀性。抗氧化性是指金属材料在高温下抵抗氧化的能力，对于在高温环境下使用的金属材料，抗氧化性是一个重要的功能指标。第二章金属材料的结构2.1晶体结构晶体是原子、离子或分子在三维空间呈周期性规则排列的固体物质。金属材料大多是晶体，其晶体结构对金属的功能有着重要的影响。常见的金属晶体结构有体心立方结构（BCC）、面心立方结构（FCC）和密排六方结构（HCP）。体心立方结构的金属原子分布在立方体的八个顶点和体心位置，如铁、铬、钨等。这种结构的金属具有较高的强度和硬度，但塑性相对较差。面心立方结构的金属原子分布在立方体的八个顶点和六个面心位置，如铜、铝、镍等。这种结构的金属具有良好的塑性和导电性，但强度和硬度相对较低。密排六方结构的金属原子分布在六棱柱的十二个顶点和上下底面的中心位置，如镁、锌、钛等。这种结构的金属具有较高的强度和硬度，但塑性相对较差。晶体结构的不同导致了金属材料功能的差异。例如，面心立方结构的金属通常比体心立方结构的金属更容易发生塑性变形，因为面心立方结构的原子排列更加紧密，滑移系更多。晶体中的缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷等，也会对金属的功能产生重要的影响。点缺陷如空位和间隙原子，会影响金属的扩散和电学功能；线缺陷如位错，是金属塑性变形的主要机制；面缺陷如晶界和相界，会影响金属的强度和耐腐蚀功能。2.2合金的相结构合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。合金的相结构是指合金中不同相的组成、结构和功能。合金中的相可以分为固溶体和金属间化合物两大类。固溶体是溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相。根据溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体是溶质原子占据溶剂晶格中的某些结点位置而形成的固溶体，如铜镍合金中的铜和镍原子可以互相置换形成置换固溶体。间隙固溶体是溶质原子嵌入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体，如碳在铁中的固溶体。固溶体的形成可以使合金的强度和硬度提高，同时保持较好的塑性和韧性。金属间化合物是合金中各组元之间发生相互作用而形成的一种具有金属特性的新相。金属间化合物的晶体结构与组成它的组元的晶体结构不同，其功能也与组元的功能有很大的差异。金属间化合物通常具有较高的熔点、硬度和脆性，如铝铜合金中的CuAl₂就是一种金属间化合物。金属间化合物在合金中的含量和分布对合金的功能有着重要的影响，合理控制金属间化合物的形成和分布可以提高合金的功能。第三章金属材料的凝固与结晶3.1纯金属的结晶纯金属的结晶过程是一个从液态到固态的相变过程。当液态金属冷却到一定温度时，开始出现晶核，然后晶核不断长大，最终形成晶体。这个过程可以用冷却曲线来描述。冷却曲线是表示金属冷却过程中温度随时间变化的曲线。在冷却曲线上，出现一个平台，这个平台对应的温度就是金属的结晶温度。纯金属的结晶过程包括形核和长大两个阶段。形核是结晶的开始阶段，液态金属中的原子在一定的过冷度下，聚集形成晶核。晶核可以分为自发形核和非自发形核两种。自发形核是指在液态金属中，依靠自身的结构起伏和能量起伏形成的晶核。非自发形核是指依靠液态金属中存在的杂质或型壁等外来质点作为核心形成的晶核。在实际的结晶过程中，非自发形核往往比自发形核更容易发生。长大是指晶核形成后，液态金属中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大的过程。晶核的长大方式主要有平面长大和树枝状长大两种。平面长大是指晶核在长大过程中，始终保持规则的外形，以平面的形式向前推进。这种长大方式需要较大的过冷度，在实际的结晶过程中很少发生。树枝状长大是指晶核在长大过程中，优先沿着晶体的某些晶向生长，形成树枝状的晶体。这种长大方式在实际的结晶过程中较为常见，因为它只需要较小的过冷度。3.2合金的凝固合金的凝固过程与纯金属的结晶过程有所不同。由于合金中存在多种组元，因此在凝固过程中会发生溶质的再分配和偏析现象。合金的凝固过程可以分为匀晶凝固、共晶凝固和包晶凝固等几种类型。匀晶凝固是指合金在凝固过程中，从液相中结晶出单相固溶体的过程。在匀晶凝固过程中，液相和固相的成分会温度的变化而不断变化。当合金冷却到液相线温度时，开始从液相中结晶出固溶体。温度的继续降低，固相的成分不断变化，液相的成分也不断变化，直到冷却到固相线温度，液相全部凝固为固相。共晶凝固是指在一定的温度下，由一定成分的液相同时结晶出两种固相的过程。共晶反应的产物是共晶组织，它是由两种固相交替排列形成的混合物。共晶组织具有独特的功能，如良好的耐磨性、耐腐蚀性和铸造功能等，因此共晶合金在工业上有着广泛的应用。包晶凝固是指在一定的温度下，由液相和一种固相反应另一种固相的过程。包晶反应的产物是包晶组织，它的功能与反应物和物的成分、结构以及反应条件等因素有关。第四章金属的塑性变形与再结晶4.1金属的塑性变形金属的塑性变形是指金属在受到外力作用时，产生永久变形而不破坏的现象。塑性变形是金属加工成型的重要手段，如轧制、锻造、挤压等。金属的塑性变形主要是通过位错的运动来实现的。位错是晶体中的一种缺陷，它的运动可以使晶体产生滑移，从而实现塑性变形。当金属受到外力作用时，位错会在应力的作用下发生运动。位错的运动方式主要有滑移和攀移两种。滑移是指位错在晶面上沿着一定的方向滑动，是金属塑性变形的主要方式。攀移是指位错在垂直于滑移面的方向上运动，需要在高温下才能发生。金属的塑性变形还会受到晶体结构、晶粒大小、温度等因素的影响。例如，面心立方结构的金属比体心立方结构的金属更容易发生塑性变形；晶粒越小，金属的塑性变形能力越强；温度升高，金属的塑性变形能力也会增强。4.2金属的再结晶金属在经过塑性变形后，内部会产生大量的位错和畸变，导致金属的强度和硬度增加，而塑性和韧性下降。为了恢复金属的塑性和韧性，需要对金属进行再结晶处理。再结晶是指在一定的温度下，经过塑性变形的金属重新形成无畸变的等轴晶粒的过程。再结晶的过程可以分为形核和长大两个阶段。形核是在变形金属中形成一些无畸变的小晶粒，这些小晶粒成为再结晶的核心。再结晶核心可以在晶界、位错堆积处等地方形成。长大是指再结晶核心不断吸收周围的变形金属，使其晶粒逐渐长大，直到变形金属全部被再结晶晶粒所取代。再结晶的温度取决于金属的种类、变形程度等因素。一般来说，变形程度越大，再结晶温度越低；金属的熔点越高，再结晶温度也越高。第五章金属材料的热处理5.1热处理的原理热处理是将金属材料在固态下加热、保温和冷却，以改变其组织结构和功能的工艺方法。热处理的原理是利用金属材料在加热和冷却过程中的相变规律，通过控制加热温度、保温时间和冷却速度等参数，使金属材料获得所需的组织结构和功能。在热处理过程中，金属材料的组织结构会发生变化。例如，钢在加热到奥氏体化温度以上时，会发生奥氏体转变。奥氏体是一种高温相，具有良好的塑性和韧性。在保温一段时间后，将钢快速冷却，可以使奥氏体转变为马氏体。马氏体是一种高强度、高硬度的组织，但塑性和韧性较差。通过不同的热处理工艺，可以得到不同的组织结构和功能，如退火可以使钢的硬度降低，塑性提高；淬火可以使钢的硬度和强度提高；回火可以使淬火后的钢的脆性降低，韧性提高。5.2常用的热处理工艺常用的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面淬火等。退火是将金属材料加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是降低金属材料的硬度，提高塑性，消除内应力，改善组织和功能。退火可以分为完全退火、球化退火、去应力退火等多种类型，根据不同的材料和要求选择合适的退火工艺。正火是将金属材料加热到奥氏体化温度以上，保温一定时间，然后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的与退火相似，但冷却速度比退火快，得到的组织比退火细，强度和硬度比退火高。正火主要用于改善低碳钢和中碳钢的切削加工功能，消除过共析钢的网状渗碳体，为淬火作组织准备。淬火是将金属材料加热到奥氏体化温度以上，保温一定时间，然后快速冷却的热处理工艺。淬火的目的是使金属材料获得高硬度和高强度的马氏体组织。淬火介质有水、油、盐水等，根据不同的材料和要求选择合适的淬火介质。淬火后的金属材料内部存在很大的内应力，脆性增加，因此需要进行回火处理。回火是将淬火后的金属材料加热到一定温度，保温一定时间，然后冷却的热处理工艺。回火的目的是消除淬火内应力，降低脆性，提高韧性，调整硬度和强度。回火可以分为低温回火、中温回火和高温回火三种类型，根据不同的要求选择合适的回火温度和时间。表面淬火是将金属材料的表面快速加热到奥氏体化温度以上，然后迅速冷却，使表面获得马氏体组织的热处理工艺。表面淬火可以提高金属材料表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持较好的塑性和韧性。表面淬火的方法有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火等。第六章金属材料的表面处理6.1表面强化处理金属材料的表面强化处理是提高其表面功能的重要手段。常见的表面强化处理方法包括表面淬火、渗碳、渗氮、激光表面处理等。表面淬火是通过快速加热金属材料表面，使其达到相变温度，然后迅速冷却，使表面形成马氏体组织，从而提高表面硬度和耐磨性。感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火是常用的表面淬火方法。感应加热表面淬火具有加热速度快、效率高、淬火质量好等优点，适用于中碳钢和中碳合金钢的表面淬火。火焰加热表面淬火设备简单，操作方便，但加热温度不易控制，淬火质量不如感应加热表面淬火。渗碳是将低碳钢或低碳合金钢放入渗碳介质中，在高温下使碳原子渗入工件表面，形成高碳层的热处理工艺。渗碳后的工件表面硬度高，耐磨性好，心部仍保持良好的韧性。渗碳适用于承受磨损和交变载荷的零件，如齿轮、轴类等。渗氮是在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面，形成氮化层的热处理工艺。氮化层具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性等优点。渗氮适用于在高温、高速、重载及腐蚀介质等恶劣条件下工作的零件，如模具、刀具等。激光表面处理是利用高能量密度的激光束对金属材料表面进行处理的工艺。激光表面处理可以实现表面淬火、熔覆、合金化等多种功能，具有处理速度快、变形小、质量高等优点。6.2表面防腐处理金属材料在使用过程中容易受到腐蚀，因此需要进行表面防腐处理。常见的表面防腐处理方法包括电镀、化学镀、热浸镀、涂装等。电镀是将金属工件作为阴极，通过电解作用在工件表面沉积一层金属镀层的方法。电镀可以提高工件的耐腐蚀性、耐磨性和装饰性。常用的电镀镀层有镀锌、镀镍、镀铬等。化学镀是在无外加电流的情况下，利用化学还原剂将溶液中的金属离子还原成金属，并沉积在工件表面的方法。化学镀具有镀层均匀、孔隙率低、结合力好等优点。化学镀镍是一种常用的化学镀方法，广泛应用于电子、航空航天、汽车等领域。热浸镀是将金属工件浸入熔融的金属浴中，使工件表面形成一层金属镀层的方法。热浸镀锌是最常用的热浸镀方法，其镀层具有良好的耐腐蚀性，广泛应用于建筑、电力、交通等领域。涂装是将涂料涂覆在金属工件表面，形成一层保护膜的方法。涂装可以提高工件的耐腐蚀性、装饰性和绝缘性。常用的涂料有油漆、粉末涂料等。第七章金属材料的功能测试7.1力学功能测试力学功能是金属材料在受力作用下所表现出来的功能，是评