金屬材料科學(xué)與工藝研究進(jìn)展

金屬材料科學(xué)與工藝研究進(jìn)展TOC\o"1-2"\h\u27364第一章金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí) 1300241.1金屬材料的分類 1178451.2金屬材料的功能 2200471.3金屬材料的結(jié)構(gòu) 211473第二章金屬材料的制備方法 3139692.1鑄造法 3161082.2鍛造法 3134952.3粉末冶金法 326546第三章金屬材料的加工工藝 438013.1切削加工 485923.2磨削加工 4142373.3特種加工 55839第四章金屬材料的熱處理 5126374.1退火 593994.2淬火 6325884.3回火 66285第五章金屬材料的表面處理 6156075.1電鍍 6321635.2化學(xué)鍍 7303545.3熱噴涂 719675第六章金屬材料的功能測試 8289156.1力學(xué)功能測試 844216.2物理功能測試 8179646.3化學(xué)功能測試 829388第七章金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域 992477.1航空航天領(lǐng)域 9243217.2汽車工業(yè)領(lǐng)域 9第一章金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)1.1金屬材料的分類金屬材料的種類繁多，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)行多種分類。從化學(xué)成分上看，金屬材料可以分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬主要包括鐵、鉻、錳及其合金，如鋼、鑄鐵等。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，它們具有各自獨(dú)特的功能和用途。另外，根據(jù)金屬材料的用途，還可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料主要用于承受載荷、傳遞力和能量，如建筑結(jié)構(gòu)中的鋼材、機(jī)械設(shè)備中的鑄鐵等。功能材料則主要利用其特殊的物理、化學(xué)或生物功能，實(shí)現(xiàn)某種特定的功能，如磁性材料、超導(dǎo)材料、儲(chǔ)氫材料等。金屬材料的分類方法還有很多，不同的分類方法有助于我們更好地了解和應(yīng)用金屬材料。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。力學(xué)功能是金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出的功能，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，硬度則是衡量金屬材料抵抗局部變形的能力。韌性反映了金屬材料在斷裂前吸收能量的能力，而塑性則表示金屬材料產(chǎn)生永久變形而不被破壞的能力。物理功能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性等。密度決定了金屬材料的質(zhì)量與體積的關(guān)系，熔點(diǎn)則影響著金屬材料的加工和使用溫度。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性對(duì)于金屬材料在電子、電氣和熱交換領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，磁性則使金屬材料在磁性材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)功能主要指金屬材料在化學(xué)介質(zhì)中的耐腐蝕性和抗氧化性。耐腐蝕性是金屬材料抵抗腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力，抗氧化性則是金屬材料在高溫下抵抗氧化的能力。這些功能對(duì)于金屬材料在各種環(huán)境下的使用穩(wěn)定性和可靠性。1.3金屬材料的結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)對(duì)其功能有著重要的影響。從微觀角度來看，金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)主要有體心立方、面心立方和密排六方三種類型。不同的晶體結(jié)構(gòu)決定了金屬材料的物理、化學(xué)和力學(xué)功能。在實(shí)際的金屬材料中，往往存在著各種缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。點(diǎn)缺陷包括空位和溶質(zhì)原子，它們會(huì)影響金屬材料的擴(kuò)散和相變過程。線缺陷主要是位錯(cuò)，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)是金屬材料塑性變形的主要機(jī)制。面缺陷包括晶界和相界，它們對(duì)金屬材料的強(qiáng)度、韌性和耐腐蝕功能等都有著重要的影響。金屬材料的組織結(jié)構(gòu)還包括晶粒大小、相組成和織構(gòu)等。晶粒大小對(duì)金屬材料的力學(xué)功能有顯著影響，一般來說，晶粒越細(xì)小，金屬材料的強(qiáng)度和韌性越高。相組成則決定了金屬材料的功能和用途，不同的相具有不同的功能特點(diǎn)?？棙?gòu)是指金屬材料中晶粒的擇優(yōu)取向，它會(huì)影響金屬材料的各向異性功能。第二章金屬材料的制備方法2.1鑄造法鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和功能的鑄件的工藝過程。鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一。鑄造的方法有很多種，常見的有砂型鑄造、熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等。砂型鑄造是應(yīng)用最廣泛的一種鑄造方法，它以砂作為主要造型材料，制作鑄型。熔模鑄造則是用易熔材料制成模樣，然后在模樣上涂掛耐火材料，經(jīng)硬化后，再將模樣熔化排出型外，從而獲得無分型面的鑄型。金屬型鑄造是將液體金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。壓力鑄造是在高壓作用下，將液態(tài)或半液態(tài)金屬快速壓入壓鑄模型腔中，并在壓力下凝固而獲得鑄件的方法。不同的鑄造方法具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際生產(chǎn)中，需要根據(jù)零件的形狀、尺寸、功能要求以及生產(chǎn)批量等因素，選擇合適的鑄造方法。2.2鍛造法鍛造是一種利用鍛壓機(jī)械對(duì)金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形以獲得具有一定機(jī)械功能、一定形狀和尺寸鍛件的加工方法。鍛造按成形方法可分為自由鍛和模鍛兩大類。自由鍛是將金屬坯料放在上下砧之間，利用沖擊力或壓力使坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的鍛件。自由鍛的靈活性較大，可以鍛造各種形狀的零件，但生產(chǎn)效率較低，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。模鍛是將金屬坯料放在具有一定形狀的鍛模模膛內(nèi)，使坯料受壓而產(chǎn)生塑性變形，從而獲得與鍛模模膛形狀一致的鍛件。模鍛的生產(chǎn)效率較高，鍛件的尺寸精度和表面質(zhì)量也較好，但模具成本較高，適用于大批量生產(chǎn)。鍛造可以改善金屬材料的組織和功能，提高其力學(xué)功能，如強(qiáng)度、韌性和疲勞壽命等。因此，鍛造在機(jī)械制造中得到了廣泛的應(yīng)用。2.3粉末冶金法粉末冶金是一種以金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物為原料，通過成型和燒結(jié)等工藝制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金的工藝流程一般包括粉末制備、成型、燒結(jié)和后處理等環(huán)節(jié)。粉末制備是粉末冶金的基礎(chǔ)，常用的粉末制備方法有霧化法、還原法、電解法等。成型是將粉末制成具有一定形狀和尺寸的坯件，常用的成型方法有壓制成型、注射成型、等靜壓成型等。燒結(jié)是將成型后的坯件在高溫下加熱，使粉末顆粒之間發(fā)生粘結(jié)和擴(kuò)散，從而形成具有一定強(qiáng)度和功能的制品。后處理則是根據(jù)制品的要求，進(jìn)行進(jìn)一步的加工和處理，如精整、熱處理、表面處理等。粉末冶金法具有許多優(yōu)點(diǎn)，如可以制備高熔點(diǎn)、難熔金屬材料，可以實(shí)現(xiàn)近凈成形，減少材料的浪費(fèi)，還可以生產(chǎn)具有特殊功能的材料和制品。因此，粉末冶金在汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第三章金屬材料的加工工藝3.1切削加工切削加工是利用切削刀具從工件上切除多余材料，以獲得所需形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。切削加工的主要方法有車削、銑削、鉆削、鏜削、磨削等。車削是通過工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和車刀的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切削加工的，主要用于加工軸類、盤類零件的外圓、內(nèi)孔、端面等。銑削是通過銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)切削加工的，可用于加工平面、臺(tái)階、溝槽、成形表面等。鉆削是用鉆頭在工件上鉆孔的加工方法，主要用于加工孔。鏜削是用鏜刀對(duì)已有的孔進(jìn)行擴(kuò)大加工的方法。磨削則是用磨具以較高的線速度對(duì)工件表面進(jìn)行加工的方法，可獲得較高的表面質(zhì)量。在切削加工過程中，切削速度、進(jìn)給量和切削深度是三個(gè)重要的參數(shù)，它們直接影響著加工效率和加工質(zhì)量。刀具的材料、幾何形狀和切削液的選擇也對(duì)切削加工的效果有著重要的影響。3.2磨削加工磨削加工是一種精密加工方法，它是利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削，以獲得高精度和高表面質(zhì)量的加工方法。磨削加工可以分為外圓磨削、內(nèi)圓磨削、平面磨削、無心磨削等多種類型。外圓磨削是磨削外圓柱面和外圓錐面的方法，內(nèi)圓磨削則是磨削內(nèi)圓柱面和內(nèi)圓錐面的方法，平面磨削用于加工平面，無心磨削適用于磨削圓柱形工件的外圓。磨削加工時(shí)，磨粒在磨削力的作用下，對(duì)工件表面進(jìn)行切削、刻劃和滑擦，使工件表面產(chǎn)生大量的熱量。為了降低磨削溫度，防止工件燒傷和變形，通常需要使用磨削液進(jìn)行冷卻和潤滑。磨削液的種類和功能對(duì)磨削加工的質(zhì)量和效率有著重要的影響。磨削參數(shù)的選擇，如磨削速度、進(jìn)給量、磨削深度等，也會(huì)直接影響磨削加工的效果。在實(shí)際加工中，需要根據(jù)工件的材料、形狀、尺寸和加工要求，合理選擇磨削參數(shù)和磨削液，以獲得最佳的加工效果。3.3特種加工特種加工是指利用電能、熱能、光能、化學(xué)能等能量形式對(duì)材料進(jìn)行加工的方法，與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，特種加工具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。特種加工的方法有很多種，如電火花加工、電解加工、激光加工、超聲加工等。電火花加工是利用工具電極和工件電極之間在脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電腐蝕作用來去除材料的，可用于加工各種形狀復(fù)雜的型腔和型面。電解加工是利用電解作用來去除材料的，適用于加工高硬度、高強(qiáng)度的金屬材料。激光加工是利用激光束的高能量密度來對(duì)材料進(jìn)行加工的，可用于切割、焊接、打孔、表面處理等。超聲加工是利用超聲振動(dòng)的能量來去除材料的，適用于加工硬脆材料。特種加工的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)加工方法難以加工的材料和復(fù)雜形狀零件的加工問題提供了有效的途徑，在航空航天、電子、模具等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第四章金屬材料的熱處理4.1退火退火是將金屬材料加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻的一種熱處理工藝。退火的目的是降低材料的硬度，改善其切削加工功能；消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸；細(xì)化晶粒，改善組織，提高材料的力學(xué)功能。根據(jù)退火的目的和工藝特點(diǎn)，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。完全退火是將鋼加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。球化退火是使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝，主要用于過共析鋼和共析鋼，以改善其切削加工功能和力學(xué)功能。去應(yīng)力退火是將工件加熱到較低溫度，保溫一段時(shí)間后緩慢冷卻，以消除殘余應(yīng)力的熱處理工藝。退火工藝的選擇需要根據(jù)材料的成分、功能要求和加工工藝等因素來確定。在實(shí)際生產(chǎn)中，正確地選擇退火工藝，可以有效地提高材料的功能和加工質(zhì)量。4.2淬火淬火是將金屬材料加熱到相變溫度以上，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻的一種熱處理工藝。淬火的目的是使材料獲得高硬度和高強(qiáng)度的馬氏體組織，提高材料的耐磨性和抗壓強(qiáng)度。淬火時(shí)，冷卻速度是關(guān)鍵因素，冷卻速度越快，馬氏體的轉(zhuǎn)變?cè)匠浞?，材料的硬度和?qiáng)度越高。常用的淬火介質(zhì)有水、油、鹽水等，不同的淬火介質(zhì)具有不同的冷卻能力，需要根據(jù)材料的特性和要求來選擇。淬火工藝的實(shí)施需要嚴(yán)格控制加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等參數(shù)，以保證淬火質(zhì)量。如果淬火工藝不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)變形、開裂等缺陷，影響材料的功能和使用壽命。4.3回火回火是將淬火后的金屬材料加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻的一種熱處理工藝?；鼗鸬哪康氖窍慊甬a(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低材料的脆性，提高材料的韌性和塑性；調(diào)整材料的功能，使材料達(dá)到所需的力學(xué)功能。根據(jù)回火溫度的不同，回火可以分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。低溫回火的溫度一般在150～250℃，主要用于降低淬火鋼的脆性，保持其高硬度和耐磨性，適用于工具鋼和模具鋼等。中溫回火的溫度在350～500℃，主要用于獲得較高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，適用于彈簧鋼等。高溫回火的溫度在500～650℃，主要用于獲得良好的綜合力學(xué)功能，即較高的強(qiáng)度、韌性和塑性，通常將淬火加高溫回火的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理，適用于軸類、連桿等重要的結(jié)構(gòu)零件。第五章金屬材料的表面處理5.1電鍍電鍍是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止金屬氧化（如銹蝕），提高耐磨性、導(dǎo)電性、反光性、抗腐蝕性（硫酸銅等）及增進(jìn)美觀等作用。電鍍時(shí)，將待鍍件作為陰極，鍍層金屬作為陽極，含有鍍層金屬離子的溶液作為電鍍液。在直流電的作用下，陽極的金屬溶解成金屬離子進(jìn)入電鍍液，而電鍍液中的金屬離子在陰極上得到電子被還原成金屬原子，并沉積在待鍍件的表面上，形成一層均勻、致密的鍍層。電鍍的種類很多，常見的有鍍鋅、鍍銅、鍍鎳、鍍鉻等。不同的鍍層具有不同的功能和用途，如鍍鋅可以提高鋼鐵的耐腐蝕性，鍍銅可以提高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，鍍鎳可以提高耐磨性和耐腐蝕性，鍍鉻可以提高表面硬度和耐磨性。5.2化學(xué)鍍化學(xué)鍍是一種不需要外加電流，通過化學(xué)反應(yīng)將溶液中的金屬離子還原成金屬單質(zhì)，并沉積在具有催化活性的物體表面上，形成鍍層的一種表面處理技術(shù)。與電鍍相比，化學(xué)鍍具有鍍層均勻、孔隙率低、不需要電源設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)鍍的鍍液一般由金屬鹽、還原劑、絡(luò)合劑、緩沖劑等組成。在化學(xué)鍍過程中，還原劑將金屬離子還原成金屬單質(zhì)，并沉積在催化活性表面上，形成鍍層?；瘜W(xué)鍍的應(yīng)用范圍很廣，可用于電子、機(jī)械、化工、航空航天等領(lǐng)域。例如，在電子領(lǐng)域，化學(xué)鍍可以用于制造印刷電路板、集成電路的封裝等；在機(jī)械領(lǐng)域，化學(xué)鍍可以用于提高零件的耐磨性、耐腐蝕性等。5.3熱噴涂熱噴涂是將金屬或非金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并用高速氣流將其霧化成細(xì)小的顆粒，噴射到工件表面，形成涂層的一種表面處理技術(shù)。熱噴涂的涂層材料可以是金屬、合金、陶瓷、塑料等，根據(jù)不同的工作條件和要求，可以選擇不同的涂層材料。熱噴涂的方法有很多種，如火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等?；鹧鎳娡渴抢每扇?xì)怏w與氧氣混合燃燒產(chǎn)生的火焰將材料加熱熔化并噴涂到工件表面；電弧噴涂是利用兩根金屬絲之間產(chǎn)生的電弧將材料熔化并噴涂到工件表面；等離子噴涂是利用等離子體將材料加熱熔化并噴涂到工件表面。熱噴涂涂層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性等功能，可以有效地延長工件的使用壽命，提高工件的功能。熱噴涂技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、電力、冶金等領(lǐng)域。第六章金屬材料的功能測試6.1力學(xué)功能測試力學(xué)功能測試是評(píng)估金屬材料在受力情況下的功能表現(xiàn)，主要包括拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等。拉伸試驗(yàn)是最基本的力學(xué)功能測試方法，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸，測量其在拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，從而獲得材料的強(qiáng)度、塑性等功能指標(biāo)，如屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和斷面收縮率等。硬度試驗(yàn)則是通過一定形狀的壓頭在規(guī)定的載荷下壓入材料表面，根據(jù)壓痕的大小或深度來測定材料的硬度值。常用的硬度測試方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。沖擊試驗(yàn)是用來測定材料在沖擊載荷下的韌性和抗沖擊能力，常見的沖擊試驗(yàn)有夏比沖擊試驗(yàn)和艾氏沖擊試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)是評(píng)估材料在交變載荷作用下的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度，通過對(duì)試樣進(jìn)行反復(fù)加載，觀察其在一定循環(huán)次數(shù)后的破壞情況。6.2物理功能測試金屬材料的物理功能測試包括密度測試、熔點(diǎn)測試、導(dǎo)電性測試、導(dǎo)熱性測試和熱膨脹性測試等。密度測試是測量金屬材料的質(zhì)量與體積之比，常用的方法有排水法和密度計(jì)法。熔點(diǎn)測試是確定金屬材料從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，通常采用差熱分析或熱重分析等方法。導(dǎo)電性測試是測量金屬材料的導(dǎo)電能力，常用的方法有四探針法和電橋法。導(dǎo)熱性測試則是評(píng)估金屬材料的傳熱功能，可通過熱導(dǎo)率測試儀進(jìn)行