金屬材料科學與工藝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構 2325752.1晶體結構 2102132.2合金的相結構 329952第三章金屬材料的凝固與結晶 3267493.1純金屬的結晶 3117223.2合金的凝固 411781第四章金屬的塑性變形與再結晶 5283204.1金屬的塑性變形 550774.2金屬的再結晶 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表面強化處理 769716.2表面防腐處理 74993第七章金屬材料的功能測試 851617.1力學功能測試 8171427.2物理功能測試 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，根據其化學成分和用途的不同，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度，廣泛應用于建筑、機械制造等領域。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。銅具有良好的導電性和導熱性，常用于電氣、電子領域制作導線、連接器等。鋁是一種輕質金屬，具有良好的耐腐蝕性和可加工性，廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域。鎂合金具有密度小、強度高的特點，在汽車輕量化方面具有重要的應用前景。鋅主要用于鍍鋅鋼板的生產，以提高鋼板的耐腐蝕性。鈦具有高強度、耐腐蝕的特點，在航空航天、醫療器械等領域有著廣泛的應用。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出來的各種特性，主要包括力學功能、物理功能和化學功能等。力學功能是金屬材料在受力作用下所表現出來的功能，如強度、硬度、韌性、塑性等。強度是指金屬材料抵抗外力破壞的能力，通常用屈服強度和抗拉強度來表示。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、導電性、導熱性、磁性等。密度是指金屬材料的質量與體積之比，不同的金屬材料具有不同的密度。熔點是指金屬材料從固態轉變為液態的溫度，熔點的高低對于金屬材料的加工和使用具有重要的影響。導電性和導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電性和導熱性，廣泛應用于電氣、電子和傳熱領域。磁性是指金屬材料在磁場中表現出來的特性，如鐵、鈷、鎳等金屬具有鐵磁性，可用于制造磁鐵和電磁器件。化學功能是指金屬材料在化學介質作用下所表現出來的功能，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，對于在高溫環境下使用的金屬材料，抗氧化性是一個重要的功能指標。第二章金屬材料的結構2.1晶體結構晶體是原子、離子或分子在三維空間呈周期性規則排列的固體物質。金屬材料大多是晶體，其晶體結構對金屬的功能有著重要的影響。常見的金屬晶體結構有體心立方結構（BCC）、面心立方結構（FCC）和密排六方結構（HCP）。體心立方結構的金屬原子分布在立方體的八個頂點和體心位置，如鐵、鉻、鎢等。這種結構的金屬具有較高的強度和硬度，但塑性相對較差。面心立方結構的金屬原子分布在立方體的八個頂點和六個面心位置，如銅、鋁、鎳等。這種結構的金屬具有良好的塑性和導電性，但強度和硬度相對較低。密排六方結構的金屬原子分布在六棱柱的十二個頂點和上下底面的中心位置，如鎂、鋅、鈦等。這種結構的金屬具有較高的強度和硬度，但塑性相對較差。晶體結構的不同導致了金屬材料功能的差異。例如，面心立方結構的金屬通常比體心立方結構的金屬更容易發生塑性變形，因為面心立方結構的原子排列更加緊密，滑移系更多。晶體中的缺陷，如點缺陷、線缺陷和面缺陷等，也會對金屬的功能產生重要的影響。點缺陷如空位和間隙原子，會影響金屬的擴散和電學功能；線缺陷如位錯，是金屬塑性變形的主要機制；面缺陷如晶界和相界，會影響金屬的強度和耐腐蝕功能。2.2合金的相結構合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經熔煉、燒結或其他方法組合而成并具有金屬特性的物質。合金的相結構是指合金中不同相的組成、結構和功能。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。根據溶質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。置換固溶體是溶質原子占據溶劑晶格中的某些結點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度和硬度提高，同時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構與組成它的組元的晶體結構不同，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、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晶3.1純金屬的結晶純金屬的結晶過程是一個從液態到固態的相變過程。當液態金屬冷卻到一定溫度時，開始出現晶核，然后晶核不斷長大，最終形成晶體。這個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間變化的曲線。在冷卻曲線上，出現一個平臺，這個平臺對應的溫度就是金屬的結晶溫度。純金屬的結晶過程包括形核和長大兩個階段。形核是結晶的開始階段，液態金屬中的原子在一定的過冷度下，聚集形成晶核。晶核可以分為自發形核和非自發形核兩種。自發形核是指在液態金屬中，依靠自身的結構起伏和能量起伏形成的晶核。非自發形核是指依靠液態金屬中存在的雜質或型壁等外來質點作為核心形成的晶核。在實際的結晶過程中，非自發形核往往比自發形核更容易發生。長大是指晶核形成后，液態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，始終保持規則的外形，以平面的形式向前推進。這種長大方式需要較大的過冷度，在實際的結晶過程中很少發生。樹枝狀長大是指晶核在長大過程中，優先沿著晶體的某些晶向生長，形成樹枝狀的晶體。這種長大方式在實際的結晶過程中較為常見，因為它只需要較小的過冷度。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發生溶質的再分配和偏析現象。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溫度的變化而不斷變化。當合金冷卻到液相線溫度時，開始從液相中結晶出固溶體。溫度的繼續降低，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結晶出兩種固相的過程。共晶反應的產物是共晶組織，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上有著廣泛的應用。包晶凝固是指在一定的溫度下，由液相和一種固相反應另一種固相的過程。包晶反應的產物是包晶組織，它的功能與反應物和物的成分、結構以及反應條件等因素有關。第四章金屬的塑性變形與再結晶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，產生永久變形而不破壞的現象。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的運動來實現的。位錯是晶體中的一種缺陷，它的運動可以使晶體產生滑移，從而實現塑性變形。當金屬受到外力作用時，位錯會在應力的作用下發生運動。位錯的運動方式主要有滑移和攀移兩種。滑移是指位錯在晶面上沿著一定的方向滑動，是金屬塑性變形的主要方式。攀移是指位錯在垂直于滑移面的方向上運動，需要在高溫下才能發生。金屬的塑性變形還會受到晶體結構、晶粒大小、溫度等因素的影響。例如，面心立方結構的金屬比體心立方結構的金屬更容易發生塑性變形；晶粒越小，金屬的塑性變形能力越強；溫度升高，金屬的塑性變形能力也會增強。4.2金屬的再結晶金屬在經過塑性變形后，內部會產生大量的位錯和畸變，導致金屬的強度和硬度增加，而塑性和韌性下降。為了恢復金屬的塑性和韌性，需要對金屬進行再結晶處理。再結晶是指在一定的溫度下，經過塑性變形的金屬重新形成無畸變的等軸晶粒的過程。再結晶的過程可以分為形核和長大兩個階段。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晶的核心。再結晶核心可以在晶界、位錯堆積處等地方形成。長大是指再結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晶晶粒所取代。再結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，再結晶溫度越低；金屬的熔點越高，再結晶溫度也越高。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下加熱、保溫和冷卻，以改變其組織結構和功能的工藝方法。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律，通過控制加熱溫度、保溫時間和冷卻速度等參數，使金屬材料獲得所需的組織結構和功能。在熱處理過程中，金屬材料的組織結構會發生變化。例如，鋼在加熱到奧氏體化溫度以上時，會發生奧氏體轉變。奧氏體是一種高溫相，具有良好的塑性和韌性。在保溫一段時間后，將鋼快速冷卻，可以使奧氏體轉變為馬氏體。馬氏體是一種高強度、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構和功能，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的溫度，保溫一定時間，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，消除內應力，改善組織和功能。退火可以分為完全退火、球化退火、去應力退火等多種類型，根據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，強度和硬度比退火高。正火主要用于改善低碳鋼和中碳鋼的切削加工功能，消除過共析鋼的網狀滲碳體，為淬火作組織準備。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度的馬氏體組織。淬火介質有水、油、鹽水等，根據不同的材料和要求選擇合適的淬火介質。淬火后的金屬材料內部存在很大的內應力，脆性增加，因此需要進行回火處理。回火是將淬火后的金屬材料加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后冷卻的熱處理工藝。回火的目的是消除淬火內應力，降低脆性，提高韌性，調整硬度和強度。回火可以分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種類型，根據不同的要求選擇合適的回火溫度和時間。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表面強化處理金屬材料的表面強化處理是提高其表面功能的重要手段。常見的表面強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。感應加熱表面淬火具有加熱速度快、效率高、淬火質量好等優點，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備簡單，操作方便，但加熱溫度不易控制，淬火質量不如感應加熱表面淬火。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點。滲氮適用于在高溫、高速、重載及腐蝕介質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金屬材料表面進行處理的工藝。激光表面處理可以實現表面淬火、熔覆、合金化等多種功能，具有處理速度快、變形小、質量高等優點。6.2表面防腐處理金屬材料在使用過程中容易受到腐蝕，因此需要進行表面防腐處理。常見的表面防腐處理方法包括電鍍、化學鍍、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。化學鍍是在無外加電流的情況下，利用化學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。化學鍍具有鍍層均勻、孔隙率低、結合力好等優點。化學鍍鎳是一種常用的化學鍍方法，廣泛應用于電子、航空航天、汽車等領域。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，廣泛應用于建筑、電力、交通等領域。涂裝是將涂料涂覆在金屬工件表面，形成一層保護膜的方法。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試7.1力學功能測試力學功能是金屬材料在受力作用下所表現出來的功能，是評