金属材料科学与工艺研究进展

金属材料科学与工艺研究进展TOC\o"1-2"\h\u27364第一章金属材料的基础知识 1300241.1金属材料的分类 1178451.2金属材料的功能 2200471.3金属材料的结构 211473第二章金属材料的制备方法 3139692.1铸造法 3161082.2锻造法 3134952.3粉末冶金法 326546第三章金属材料的加工工艺 438013.1切削加工 485923.2磨削加工 4142373.3特种加工 55839第四章金属材料的热处理 5126374.1退火 593994.2淬火 6325884.3回火 66285第五章金属材料的表面处理 6156075.1电镀 6321635.2化学镀 7303545.3热喷涂 719675第六章金属材料的功能测试 8289156.1力学功能测试 844216.2物理功能测试 8179646.3化学功能测试 829388第七章金属材料的应用领域 992477.1航空航天领域 9243217.2汽车工业领域 9第一章金属材料的基础知识1.1金属材料的分类金属材料的种类繁多，按照不同的标准可以进行多种分类。从化学成分上看，金属材料可以分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要包括铁、铬、锰及其合金，如钢、铸铁等。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，它们具有各自独特的功能和用途。另外，根据金属材料的用途，还可以分为结构材料和功能材料。结构材料主要用于承受载荷、传递力和能量，如建筑结构中的钢材、机械设备中的铸铁等。功能材料则主要利用其特殊的物理、化学或生物功能，实现某种特定的功能，如磁性材料、超导材料、储氢材料等。金属材料的分类方法还有很多，不同的分类方法有助于我们更好地了解和应用金属材料。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。力学功能是金属材料在外力作用下所表现出的功能，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，硬度则是衡量金属材料抵抗局部变形的能力。韧性反映了金属材料在断裂前吸收能量的能力，而塑性则表示金属材料产生永久变形而不被破坏的能力。物理功能包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性等。密度决定了金属材料的质量与体积的关系，熔点则影响着金属材料的加工和使用温度。导电性和导热性对于金属材料在电子、电气和热交换领域的应用具有重要意义，磁性则使金属材料在磁性材料领域得到广泛应用。化学功能主要指金属材料在化学介质中的耐腐蚀性和抗氧化性。耐腐蚀性是金属材料抵抗腐蚀介质侵蚀的能力，抗氧化性则是金属材料在高温下抵抗氧化的能力。这些功能对于金属材料在各种环境下的使用稳定性和可靠性。1.3金属材料的结构金属材料的结构对其功能有着重要的影响。从微观角度来看，金属材料的晶体结构主要有体心立方、面心立方和密排六方三种类型。不同的晶体结构决定了金属材料的物理、化学和力学功能。在实际的金属材料中，往往存在着各种缺陷，如点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷包括空位和溶质原子，它们会影响金属材料的扩散和相变过程。线缺陷主要是位错，位错的运动是金属材料塑性变形的主要机制。面缺陷包括晶界和相界，它们对金属材料的强度、韧性和耐腐蚀功能等都有着重要的影响。金属材料的组织结构还包括晶粒大小、相组成和织构等。晶粒大小对金属材料的力学功能有显著影响，一般来说，晶粒越细小，金属材料的强度和韧性越高。相组成则决定了金属材料的功能和用途，不同的相具有不同的功能特点。织构是指金属材料中晶粒的择优取向，它会影响金属材料的各向异性功能。第二章金属材料的制备方法2.1铸造法铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和功能的铸件的工艺过程。铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。铸造的方法有很多种，常见的有砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造等。砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法，它以砂作为主要造型材料，制作铸型。熔模铸造则是用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂耐火材料，经硬化后，再将模样熔化排出型外，从而获得无分型面的铸型。金属型铸造是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。压力铸造是在高压作用下，将液态或半液态金属快速压入压铸模型腔中，并在压力下凝固而获得铸件的方法。不同的铸造方法具有各自的特点和适用范围，在实际生产中，需要根据零件的形状、尺寸、功能要求以及生产批量等因素，选择合适的铸造方法。2.2锻造法锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械功能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。锻造按成形方法可分为自由锻和模锻两大类。自由锻是将金属坯料放在上下砧之间，利用冲击力或压力使坯料产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的锻件。自由锻的灵活性较大，可以锻造各种形状的零件，但生产效率较低，劳动强度较大。模锻是将金属坯料放在具有一定形状的锻模模膛内，使坯料受压而产生塑性变形，从而获得与锻模模膛形状一致的锻件。模锻的生产效率较高，锻件的尺寸精度和表面质量也较好，但模具成本较高，适用于大批量生产。锻造可以改善金属材料的组织和功能，提高其力学功能，如强度、韧性和疲劳寿命等。因此，锻造在机械制造中得到了广泛的应用。2.3粉末冶金法粉末冶金是一种以金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物为原料，通过成型和烧结等工艺制造金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金的工艺流程一般包括粉末制备、成型、烧结和后处理等环节。粉末制备是粉末冶金的基础，常用的粉末制备方法有雾化法、还原法、电解法等。成型是将粉末制成具有一定形状和尺寸的坯件，常用的成型方法有压制成型、注射成型、等静压成型等。烧结是将成型后的坯件在高温下加热，使粉末颗粒之间发生粘结和扩散，从而形成具有一定强度和功能的制品。后处理则是根据制品的要求，进行进一步的加工和处理，如精整、热处理、表面处理等。粉末冶金法具有许多优点，如可以制备高熔点、难熔金属材料，可以实现近净成形，减少材料的浪费，还可以生产具有特殊功能的材料和制品。因此，粉末冶金在汽车、航空航天、电子等领域得到了广泛的应用。第三章金属材料的加工工艺3.1切削加工切削加工是利用切削刀具从工件上切除多余材料，以获得所需形状、尺寸和表面质量的加工方法。切削加工的主要方法有车削、铣削、钻削、镗削、磨削等。车削是通过工件的旋转运动和车刀的直线运动来实现切削加工的，主要用于加工轴类、盘类零件的外圆、内孔、端面等。铣削是通过铣刀的旋转运动和工件的直线或旋转运动来实现切削加工的，可用于加工平面、台阶、沟槽、成形表面等。钻削是用钻头在工件上钻孔的加工方法，主要用于加工孔。镗削是用镗刀对已有的孔进行扩大加工的方法。磨削则是用磨具以较高的线速度对工件表面进行加工的方法，可获得较高的表面质量。在切削加工过程中，切削速度、进给量和切削深度是三个重要的参数，它们直接影响着加工效率和加工质量。刀具的材料、几何形状和切削液的选择也对切削加工的效果有着重要的影响。3.2磨削加工磨削加工是一种精密加工方法，它是利用磨具对工件表面进行磨削，以获得高精度和高表面质量的加工方法。磨削加工可以分为外圆磨削、内圆磨削、平面磨削、无心磨削等多种类型。外圆磨削是磨削外圆柱面和外圆锥面的方法，内圆磨削则是磨削内圆柱面和内圆锥面的方法，平面磨削用于加工平面，无心磨削适用于磨削圆柱形工件的外圆。磨削加工时，磨粒在磨削力的作用下，对工件表面进行切削、刻划和滑擦，使工件表面产生大量的热量。为了降低磨削温度，防止工件烧伤和变形，通常需要使用磨削液进行冷却和润滑。磨削液的种类和功能对磨削加工的质量和效率有着重要的影响。磨削参数的选择，如磨削速度、进给量、磨削深度等，也会直接影响磨削加工的效果。在实际加工中，需要根据工件的材料、形状、尺寸和加工要求，合理选择磨削参数和磨削液，以获得最佳的加工效果。3.3特种加工特种加工是指利用电能、热能、光能、化学能等能量形式对材料进行加工的方法，与传统的切削加工方法相比，特种加工具有许多独特的优点。特种加工的方法有很多种，如电火花加工、电解加工、激光加工、超声加工等。电火花加工是利用工具电极和工件电极之间在脉冲放电时产生的电腐蚀作用来去除材料的，可用于加工各种形状复杂的型腔和型面。电解加工是利用电解作用来去除材料的，适用于加工高硬度、高强度的金属材料。激光加工是利用激光束的高能量密度来对材料进行加工的，可用于切割、焊接、打孔、表面处理等。超声加工是利用超声振动的能量来去除材料的，适用于加工硬脆材料。特种加工的出现，为解决传统加工方法难以加工的材料和复杂形状零件的加工问题提供了有效的途径，在航空航天、电子、模具等领域得到了广泛的应用。第四章金属材料的热处理4.1退火退火是将金属材料加热到一定温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的一种热处理工艺。退火的目的是降低材料的硬度，改善其切削加工功能；消除残余应力，稳定尺寸；细化晶粒，改善组织，提高材料的力学功能。根据退火的目的和工艺特点，退火可以分为完全退火、球化退火、去应力退火等多种类型。完全退火是将钢加热到Ac3以上30～50℃，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺，主要用于过共析钢和共析钢，以改善其切削加工功能和力学功能。去应力退火是将工件加热到较低温度，保温一段时间后缓慢冷却，以消除残余应力的热处理工艺。退火工艺的选择需要根据材料的成分、功能要求和加工工艺等因素来确定。在实际生产中，正确地选择退火工艺，可以有效地提高材料的功能和加工质量。4.2淬火淬火是将金属材料加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却的一种热处理工艺。淬火的目的是使材料获得高硬度和高强度的马氏体组织，提高材料的耐磨性和抗压强度。淬火时，冷却速度是关键因素，冷却速度越快，马氏体的转变越充分，材料的硬度和强度越高。常用的淬火介质有水、油、盐水等，不同的淬火介质具有不同的冷却能力，需要根据材料的特性和要求来选择。淬火工艺的实施需要严格控制加热温度、保温时间和冷却速度等参数，以保证淬火质量。如果淬火工艺不当，可能会导致材料出现变形、开裂等缺陷，影响材料的功能和使用寿命。4.3回火回火是将淬火后的金属材料加热到一定温度，保温一段时间，然后冷却的一种热处理工艺。回火的目的是消除淬火产生的内应力，降低材料的脆性，提高材料的韧性和塑性；调整材料的功能，使材料达到所需的力学功能。根据回火温度的不同，回火可以分为低温回火、中温回火和高温回火。低温回火的温度一般在150～250℃，主要用于降低淬火钢的脆性，保持其高硬度和耐磨性，适用于工具钢和模具钢等。中温回火的温度在350～500℃，主要用于获得较高的弹性极限和屈服强度，适用于弹簧钢等。高温回火的温度在500～650℃，主要用于获得良好的综合力学功能，即较高的强度、韧性和塑性，通常将淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理，适用于轴类、连杆等重要的结构零件。第五章金属材料的表面处理5.1电镀电镀是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止金属氧化（如锈蚀），提高耐磨性、导电性、反光性、抗腐蚀性（硫酸铜等）及增进美观等作用。电镀时，将待镀件作为阴极，镀层金属作为阳极，含有镀层金属离子的溶液作为电镀液。在直流电的作用下，阳极的金属溶解成金属离子进入电镀液，而电镀液中的金属离子在阴极上得到电子被还原成金属原子，并沉积在待镀件的表面上，形成一层均匀、致密的镀层。电镀的种类很多，常见的有镀锌、镀铜、镀镍、镀铬等。不同的镀层具有不同的功能和用途，如镀锌可以提高钢铁的耐腐蚀性，镀铜可以提高导电性和导热性，镀镍可以提高耐磨性和耐腐蚀性，镀铬可以提高表面硬度和耐磨性。5.2化学镀化学镀是一种不需要外加电流，通过化学反应将溶液中的金属离子还原成金属单质，并沉积在具有催化活性的物体表面上，形成镀层的一种表面处理技术。与电镀相比，化学镀具有镀层均匀、孔隙率低、不需要电源设备等优点。化学镀的镀液一般由金属盐、还原剂、络合剂、缓冲剂等组成。在化学镀过程中，还原剂将金属离子还原成金属单质，并沉积在催化活性表面上，形成镀层。化学镀的应用范围很广，可用于电子、机械、化工、航空航天等领域。例如，在电子领域，化学镀可以用于制造印刷电路板、集成电路的封装等；在机械领域，化学镀可以用于提高零件的耐磨性、耐腐蚀性等。5.3热喷涂热喷涂是将金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，并用高速气流将其雾化成细小的颗粒，喷射到工件表面，形成涂层的一种表面处理技术。热喷涂的涂层材料可以是金属、合金、陶瓷、塑料等，根据不同的工作条件和要求，可以选择不同的涂层材料。热喷涂的方法有很多种，如火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等。火焰喷涂是利用可燃气体与氧气混合燃烧产生的火焰将材料加热熔化并喷涂到工件表面；电弧喷涂是利用两根金属丝之间产生的电弧将材料熔化并喷涂到工件表面；等离子喷涂是利用等离子体将材料加热熔化并喷涂到工件表面。热喷涂涂层具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等功能，可以有效地延长工件的使用寿命，提高工件的功能。热喷涂技术广泛应用于航空航天、石油化工、电力、冶金等领域。第六章金属材料的功能测试6.1力学功能测试力学功能测试是评估金属材料在受力情况下的功能表现，主要包括拉伸试验、硬度试验、冲击试验和疲劳试验等。拉伸试验是最基本的力学功能测试方法，通过对标准试样进行拉伸，测量其在拉伸过程中的应力应变曲线，从而获得材料的强度、塑性等功能指标，如屈服强度、抗拉强度、延伸率和断面收缩率等。硬度试验则是通过一定形状的压头在规定的载荷下压入材料表面，根据压痕的大小或深度来测定材料的硬度值。常用的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。冲击试验是用来测定材料在冲击载荷下的韧性和抗冲击能力，常见的冲击试验有夏比冲击试验和艾氏冲击试验。疲劳试验是评估材料在交变载荷作用下的疲劳寿命和疲劳强度，通过对试样进行反复加载，观察其在一定循环次数后的破坏情况。6.2物理功能测试金属材料的物理功能测试包括密度测试、熔点测试、导电性测试、导热性测试和热膨胀性测试等。密度测试是测量金属材料的质量与体积之比，常用的方法有排水法和密度计法。熔点测试是确定金属材料从固态转变为液态的温度，通常采用差热分析或热重分析等方法。导电性测试是测量金属材料的导电能力，常用的方法有四探针法和电桥法。导热性测试则是评估金属材料的传热功能，可通过热导率测试仪进行