金属材料科学与工程

金属材料科学与工程TOC\o"1-2"\h\u27154第一章金属材料基础 1154471.1金属材料的分类 1161361.2金属材料的功能 225064第二章金属的晶体结构 2292162.1晶体结构的基本概念 2107202.2常见金属晶体结构 24248第三章金属的塑性变形 274173.1金属塑性变形的方式 2140613.2塑性变形对金属组织和功能的影响 327069第四章金属的热处理 3218804.1热处理的基本原理 3131054.2常用的热处理方法 328407第五章金属材料的强化 4219535.1固溶强化 4184965.2加工硬化 423706第六章金属材料的腐蚀与防护 4314136.1金属腐蚀的类型 4294046.2金属腐蚀的防护方法 510033第七章金属材料的焊接 5141487.1焊接的基本原理 5137027.2常见的焊接方法 520031第八章金属材料的应用 5114628.1结构材料中的应用 5116588.2功能材料中的应用 6第一章金属材料基础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、锰以及它们的合金，如钢、生铁等。有色金属则是指除黑色金属以外的其他金属，如铜、铝、锌、镁、钛等，这些金属具有各自独特的功能和用途。金属材料还可以按照用途进行分类，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、机械制造中的铸铁等。功能材料则主要利用其物理、化学或生物等特性来实现特定的功能，如磁性材料、超导材料、电子材料等。1.2金属材料的功能金属材料的功能是衡量其质量和适用性的重要指标。金属材料的功能主要包括力学功能、物理功能和化学功能。力学功能是指金属材料在受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，硬度是指金属材料抵抗局部变形的能力，韧性是指金属材料在断裂前吸收能量的能力，塑性是指金属材料产生永久变形而不破坏的能力。物理功能是指金属材料的物理特性，如密度、熔点、导热性、导电性、磁性等。化学功能是指金属材料在化学作用下所表现出的功能，如耐腐蚀性、抗氧化性等。这些功能相互影响，共同决定了金属材料的使用范围和使用寿命。第二章金属的晶体结构2.1晶体结构的基本概念晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性在空间排列形成的固体。金属的晶体结构是指金属原子在晶体中的排列方式。晶体结构的基本概念包括晶格、晶胞和原子半径等。晶格是描述晶体中原子排列规律的空间格子，晶胞是晶格中能够反映晶格特征的最小几何单元。原子半径是指原子在晶体中的有效半径，它与原子间的结合力和晶体结构有关。了解晶体结构的基本概念对于理解金属的功能和行为具有重要意义。2.2常见金属晶体结构常见的金属晶体结构有三种：体心立方结构（BCC）、面心立方结构（FCC）和密排六方结构（HCP）。体心立方结构的晶胞中心有一个原子，八个顶点各有一个原子，如铬、钼、钨等金属具有这种结构。面心立方结构的晶胞八个顶点各有一个原子，六个面的中心各有一个原子，如铜、铝、镍等金属具有这种结构。密排六方结构的晶胞十二个顶点各有一个原子，上下底面中心各有一个原子，体内还有三个原子，如镁、锌、钛等金属具有这种结构。不同的晶体结构决定了金属的不同功能，如密度、硬度、塑性等。第三章金属的塑性变形3.1金属塑性变形的方式金属的塑性变形是指金属在受到外力作用时，产生永久变形而不发生断裂的现象。金属塑性变形的方式主要有滑移和孪生两种。滑移是指晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑动的现象。滑移是金属塑性变形的主要方式，大多数金属的塑性变形都是通过滑移来实现的。孪生是指晶体在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生均匀切变的现象。孪生一般在低温、高速变形条件下发生，对金属的塑性变形贡献较小。3.2塑性变形对金属组织和功能的影响塑性变形不仅使金属的形状和尺寸发生变化，还会对金属的组织和功能产生重要影响。塑性变形会使金属的晶粒发生破碎，形成亚晶粒，从而增加了金属的位错密度。位错密度的增加会导致金属的强度提高，这就是加工硬化现象。同时塑性变形还会使金属的晶粒发生择优取向，形成织构，从而使金属在某些方向上具有更好的功能。塑性变形还会影响金属的韧性、导电性、导热性等功能。因此，了解塑性变形对金属组织和功能的影响，对于合理制定金属加工工艺具有重要意义。第四章金属的热处理4.1热处理的基本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。热处理的基本原理是利用金属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，使金属获得所需的组织结构和功能。在热处理过程中，金属的相变主要包括奥氏体化、珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变等。奥氏体化是将钢加热到奥氏体区，使珠光体转变为奥氏体的过程。珠光体转变是奥氏体在冷却过程中分解为铁素体和渗碳体的混合物的过程。贝氏体转变是奥氏体在中温区转变为贝氏体的过程。马氏体转变是奥氏体在快速冷却时形成马氏体的过程。4.2常用的热处理方法常用的热处理方法有退火、正火、淬火和回火等。退火是将金属材料加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是降低硬度，改善切削加工功能，消除残余应力，细化晶粒等。正火是将金属材料加热到奥氏体区，保温一定时间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。淬火是将金属材料加热到奥氏体区，保温一定时间后快速冷却的热处理工艺。淬火的目的是提高金属的硬度和耐磨性，但淬火后金属的脆性增加，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，保温一定时间后冷却的热处理工艺。回火的目的是消除淬火应力，降低脆性，提高韧性，调整金属的功能。第五章金属材料的强化5.1固溶强化固溶强化是通过向金属中加入溶质原子，形成固溶体，从而提高金属强度的方法。当溶质原子溶入溶剂晶格中时，会引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，从而使金属的强度提高。固溶强化的效果取决于溶质原子的种类、含量和原子半径等因素。一般来说，溶质原子与溶剂原子的半径差越大，固溶强化效果越显著。溶质原子的含量越高，固溶强化效果也越明显。但溶质原子的含量过高时，会导致金属的塑性下降。5.2加工硬化加工硬化是通过塑性变形使金属的强度提高的方法。如前所述，塑性变形会使金属的晶粒发生破碎，形成亚晶粒，增加位错密度，从而使金属的强度提高。加工硬化是金属材料在冷加工过程中普遍存在的现象，它可以使金属材料在一定程度上提高强度，但同时也会使金属的塑性下降。因此，在实际应用中，需要根据具体情况合理控制加工硬化的程度，以保证金属材料的综合功能。第六章金属材料的腐蚀与防护6.1金属腐蚀的类型金属腐蚀是指金属在周围环境的作用下，发生化学或电化学变化，导致金属损坏的现象。金属腐蚀的类型主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是指金属与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀，如金属在高温下与氧气、硫等气体发生的氧化反应。电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中形成原电池，发生电化学反应而引起的腐蚀，如钢铁在潮湿空气中的生锈。根据腐蚀的形态，还可以将金属腐蚀分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀是指金属表面均匀地发生腐蚀，局部腐蚀是指金属表面的某些局部区域发生严重的腐蚀，如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等。6.2金属腐蚀的防护方法为了防止金属腐蚀，需要采取一系列的防护措施。常见的金属腐蚀防护方法有以下几种：一是选择耐腐蚀的金属材料，如不锈钢、钛合金等。二是对金属表面进行处理，如涂漆、电镀、化学镀等，形成一层保护膜，将金属与周围介质隔开。三是采用电化学保护方法，如阴极保护和阳极保护。阴极保护是通过向被保护金属施加阴极电流，使金属表面成为阴极，从而防止金属腐蚀。阳极保护是通过向被保护金属施加阳极电流，使金属表面形成一层钝化膜，从而防止金属腐蚀。四是控制环境因素，如降低介质的腐蚀性、除去介质中的氧等。通过采取这些防护措施，可以有效地延长金属材料的使用寿命，减少金属腐蚀带来的损失。第七章金属材料的焊接7.1焊接的基本原理焊接是通过加热或加压，或两者并用，使焊件达到原子结合的一种加工方法。焊接的基本原理是利用热源将焊件局部加热到熔化或塑性状态，然后施加压力或不加压，使焊件形成永久性连接。在焊接过程中，焊件表面的氧化物、油污等杂质会影响焊接质量，因此需要在焊接前进行清理。焊接过程中会产生焊接应力和变形，需要采取相应的措施来减少其影响。7.2常见的焊接方法常见的焊接方法有电弧焊、气焊、电阻焊、钎焊等。电弧焊是利用电弧作为热源的焊接方法，包括手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。气焊是利用可燃气体与氧气混合燃烧产生的火焰作为热源的焊接方法。电阻焊是利用焊件间的接触电阻，通过电流产生的热量使焊件局部熔化而实现连接的焊接方法。钎焊是采用比焊件熔点低的金属材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于焊件熔点的温度，利用液态钎料润湿焊件，填充接头间隙并与焊件实现原子间的相互扩散而连接焊件的焊接方法。不同的焊接方法具有不同的特点和适用范围，在实际应用中需要根据焊件的材料、形状、尺寸和使用要求等因素选择合适的焊接方法。第八章金属材料的应用8.1结构材料中的应用金属材料在结构材料中有着广泛的应用。在建筑领域，钢材是主要的结构材料之一，用于建造桥梁、高层建筑、厂房等。钢材具有强度高、韧性好、可加工性强等优点，能够满足建筑结构对承载能力和安全性的要求。在机械制造领域，铸铁、碳钢、合金钢等金属材料被广泛用于制造各种机械零件，如轴、齿轮、箱体等。这些金属材料具有良好的力学功能和耐磨性，能够保证机械零件的正常运转。在交通运输领域，铝合金、钛合金等轻质金属材料被用于制造汽车、飞机、船舶等交通工具的结构部件，以减轻重量、提高燃油效率和运行速度。8.2功能材料中的应用金属材料在功能材料中也发挥着重要的作用。在磁性材料方面，铁、钴