金屬材料性能與加工技術(shù)手冊

金屬材料功能與加工技術(shù)手冊TOC\o"1-2"\h\u1896第一章金屬材料基礎(chǔ)知識 184451.1金屬材料的分類 1281611.2金屬材料的結(jié)構(gòu)與功能 21438第二章金屬材料的力學(xué)功能 279312.1強(qiáng)度與硬度 2239912.2塑性與韌性 216057第三章金屬材料的物理功能 2192023.1密度與熔點 3172523.2導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性 316633第四章金屬材料的化學(xué)功能 363354.1耐腐蝕性 3209454.2抗氧化性 33997第五章金屬材料的加工工藝 4237155.1鑄造工藝 4240645.2鍛造工藝 428046第六章金屬材料的切削加工 4238456.1車削加工 4266346.2銑削加工 523824第七章金屬材料的熱處理 553267.1退火與正火 5249147.2淬火與回火 514328第八章金屬材料的表面處理 5310068.1電鍍與化學(xué)鍍 5146778.2噴涂與涂裝 6第一章金屬材料基礎(chǔ)知識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、錳以及它們的合金，如鋼、生鐵等。有色金屬則是指除黑色金屬以外的其他金屬，如銅、鋁、鋅、鎂、鈦等。根據(jù)用途的不同，金屬材料還可以分為結(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)械制造中的鑄鐵等。功能材料則主要用于實現(xiàn)某種特殊的物理、化學(xué)或生物學(xué)功能，如磁性材料、超導(dǎo)材料、生物醫(yī)用材料等。1.2金屬材料的結(jié)構(gòu)與功能金屬材料的功能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。金屬的晶體結(jié)構(gòu)決定了其許多物理和化學(xué)性質(zhì)。常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的原子排列方式和原子間結(jié)合力，從而導(dǎo)致了金屬材料在強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等方面的差異。例如，面心立方結(jié)構(gòu)的金屬通常具有較好的塑性和韌性，而體心立方結(jié)構(gòu)的金屬則在強(qiáng)度和硬度方面表現(xiàn)較為突出。金屬材料的微觀組織也會對其功能產(chǎn)生重要影響。通過熱處理、加工變形等手段，可以改變金屬材料的微觀組織，從而達(dá)到改善其功能的目的。第二章金屬材料的力學(xué)功能2.1強(qiáng)度與硬度強(qiáng)度和硬度是金屬材料重要的力學(xué)功能指標(biāo)。強(qiáng)度是指金屬材料抵抗外力作用而不發(fā)生破壞的能力，通常用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度來表示。屈服強(qiáng)度是指金屬材料開始產(chǎn)生塑性變形時的應(yīng)力值，抗拉強(qiáng)度則是指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值。硬度是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。常用的硬度測試方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等。不同的硬度測試方法適用于不同類型的金屬材料和工件。強(qiáng)度和硬度之間存在一定的關(guān)系，一般來說，材料的硬度越高，其強(qiáng)度也越高，但這種關(guān)系并不是絕對的，還受到材料的組織結(jié)構(gòu)等因素的影響。2.2塑性與韌性塑性和韌性是金屬材料的另外兩個重要力學(xué)功能指標(biāo)。塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生不可逆塑性變形的能力，通常用伸長率和斷面收縮率來表示。伸長率是指試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比；斷面收縮率是指試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。韌性是指金屬材料在斷裂前吸收能量的能力，通常用沖擊韌性和斷裂韌性來表示。沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力，斷裂韌性則是指材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。塑性和韌性對于金屬材料的加工和使用具有重要意義，良好的塑性和韌性可以使金屬材料在加工過程中易于變形，同時在使用過程中能夠承受一定的沖擊和振動載荷。第三章金屬材料的物理功能3.1密度與熔點金屬材料的密度和熔點是其重要的物理功能參數(shù)。密度是指物質(zhì)單位體積的質(zhì)量，不同的金屬材料具有不同的密度。例如，鋁的密度相對較小，約為2.7g/cm3，而鐵的密度則較大，約為7.8g/cm3。密度的大小對于金屬材料的應(yīng)用具有重要影響，例如在航空航天領(lǐng)域，為了減輕飛行器的重量，通常會選用密度較小的金屬材料。熔點是指金屬材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時的溫度，不同的金屬材料具有不同的熔點。例如，鎢的熔點非常高，約為3410℃，而汞的熔點則非常低，為38.87℃。熔點的高低決定了金屬材料的加工和使用溫度范圍，對于高溫環(huán)境下使用的金屬材料，需要具有較高的熔點。3.2導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性是金屬材料的另兩個重要物理功能。金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，這是由于金屬原子中的自由電子在電場作用下能夠自由移動，從而形成電流，實現(xiàn)導(dǎo)電；同時自由電子的運動也能夠傳遞熱量，實現(xiàn)導(dǎo)熱。不同的金屬材料的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性存在差異，例如銀的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都非常好，銅的導(dǎo)電性也很好，但導(dǎo)熱性略遜于銀，而鐵的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性則相對較差。導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性在金屬材料的應(yīng)用中具有重要意義，例如在電子領(lǐng)域，需要選用導(dǎo)電性好的金屬材料制作導(dǎo)線和電路元件；在散熱領(lǐng)域，需要選用導(dǎo)熱性好的金屬材料制作散熱器。第四章金屬材料的化學(xué)功能4.1耐腐蝕性耐腐蝕性是金屬材料在特定環(huán)境下抵抗腐蝕的能力。金屬材料在使用過程中，可能會受到各種腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，如酸、堿、鹽溶液等。不同的金屬材料對腐蝕性介質(zhì)的抵抗能力不同，例如不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，能夠在空氣中和一些腐蝕性介質(zhì)中保持穩(wěn)定的功能；而鐵在潮濕的空氣中容易生銹，發(fā)生腐蝕。影響金屬材料耐腐蝕性的因素主要有金屬的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)以及環(huán)境條件等。通過合理選擇金屬材料、進(jìn)行表面處理以及采取防護(hù)措施等，可以提高金屬材料的耐腐蝕性，延長其使用壽命。4.2抗氧化性抗氧化性是金屬材料在高溫環(huán)境下抵抗氧化的能力。在高溫條件下，金屬材料容易與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，形成氧化物，從而導(dǎo)致材料的功能下降。例如，鋼鐵在高溫下容易氧化鐵銹，降低其強(qiáng)度和韌性。不同的金屬材料的抗氧化性不同，一些金屬如鋁、鉻等具有較好的抗氧化性，能夠在高溫下形成致密的氧化膜，阻止氧氣進(jìn)一步侵入。提高金屬材料的抗氧化性可以通過添加合金元素、進(jìn)行表面處理以及控制使用環(huán)境等方法來實現(xiàn)。第五章金屬材料的加工工藝5.1鑄造工藝鑄造是將液態(tài)金屬澆入鑄型中，使其凝固成型的加工方法。鑄造工藝具有生產(chǎn)效率高、成本低、可以制造形狀復(fù)雜的零件等優(yōu)點，因此在機(jī)械制造中得到了廣泛的應(yīng)用。鑄造工藝可以分為砂型鑄造、熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造等多種方法。砂型鑄造是最常用的鑄造方法，它是以型砂為主要造型材料，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。金屬型鑄造是將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型中，獲得鑄件的方法。壓力鑄造是在高壓下將液態(tài)金屬高速壓入金屬鑄型中，并在壓力下凝固成型的鑄造方法。不同的鑄造方法適用于不同的生產(chǎn)需求和零件形狀，選擇合適的鑄造方法可以提高鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。5.2鍛造工藝鍛造是利用鍛壓機(jī)械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，以獲得具有一定機(jī)械功能、一定形狀和尺寸的鍛件的加工方法。鍛造可以改善金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)功能。鍛造工藝可以分為自由鍛造和模型鍛造兩種。自由鍛造是將金屬坯料放在自由鍛造設(shè)備上，通過局部施加壓力，使坯料產(chǎn)生塑性變形。模型鍛造則是將金屬坯料放在具有一定形狀的模具內(nèi)，通過模具對坯料施加壓力，使其成型。鍛造工藝可以生產(chǎn)出各種形狀和尺寸的鍛件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車制造、航空航天等領(lǐng)域。第六章金屬材料的切削加工6.1車削加工車削加工是利用車床對旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行切削加工的方法。車削加工可以加工各種回轉(zhuǎn)體表面，如外圓柱面、內(nèi)圓柱面、圓錐面、球面、螺紋等。車削加工的刀具主要有車刀、鏜刀、螺紋車刀等。在車削加工過程中，工件旋轉(zhuǎn)作主運動，車刀作進(jìn)給運動，通過車刀與工件的相對運動，實現(xiàn)對工件的切削加工。車削加工具有加工精度高、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，是機(jī)械加工中最常用的加工方法之一。6.2銑削加工銑削加工是利用銑床對工件進(jìn)行切削加工的方法。銑削加工可以加工平面、臺階、溝槽、成形表面等。銑削加工的刀具主要有銑刀，如立銑刀、圓柱銑刀、三面刃銑刀等。在銑削加工過程中，銑刀旋轉(zhuǎn)作主運動，工件作進(jìn)給運動，通過銑刀與工件的相對運動，實現(xiàn)對工件的切削加工。銑削加工具有加工范圍廣、生產(chǎn)效率高、加工精度較高等優(yōu)點，在機(jī)械加工中得到了廣泛的應(yīng)用。第七章金屬材料的熱處理7.1退火與正火退火和正火是金屬材料熱處理中常用的兩種工藝。退火是將金屬材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保溫一段時間后，緩慢冷卻的熱處理工藝。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，細(xì)化晶粒，提高材料的塑性和韌性。正火是將金屬材料加熱到奧氏體化溫度后，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，得到的組織比退火后的組織更細(xì)，強(qiáng)度和硬度也比退火后的高。退火和正火的工藝參數(shù)，如加熱溫度、保溫時間、冷卻速度等，根據(jù)材料的種類、化學(xué)成分和工件的要求等因素來確定。7.2淬火與回火淬火和回火是金屬材料熱處理中重要的工藝。淬火是將金屬材料加熱到奧氏體化溫度后，快速冷卻的熱處理工藝。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。但淬火后的材料存在較大的內(nèi)應(yīng)力，脆性增加，因此需要進(jìn)行回火處理?；鼗鹗菍⒋慊鸷蟮慕饘俨牧霞訜岬揭欢囟?，保溫一段時間后，冷卻的熱處理工藝。回火的目的是消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，提高韌性，同時保持材料的高硬度和高強(qiáng)度?；鼗鸬臏囟群蜁r間根據(jù)材料的功能要求和工件的使用條件來確定，不同的回火溫度會得到不同的回火組織和功能。第八章金屬材料的表面處理8.1電鍍與化學(xué)鍍電鍍是利用電解原理在金屬表面上鍍上一層其他金屬或合金的過程。電鍍可以提高金屬材料的耐腐蝕性、耐磨性、裝飾性等功能。電鍍的過程包括預(yù)處理、電鍍和后處理三個步驟。預(yù)處理是為了去除工件表面的油污、銹跡等雜質(zhì)，提高鍍層的附著力；電鍍是在工件表面上沉積金屬鍍層的過程；后處理是為了提高鍍層的質(zhì)量和功能，如進(jìn)行鈍化處理、除氫處理等。化學(xué)鍍是一種不需要外加電流，通過化學(xué)反應(yīng)在金屬表面上沉積金屬鍍層的方法?；瘜W(xué)鍍具有鍍層均勻、孔隙率低、結(jié)合力好等優(yōu)點，適用于形狀復(fù)雜的工件和非金屬材料的表面金屬化。8.2噴涂與涂裝噴涂是將涂料通過噴槍或其他噴涂設(shè)備，以霧狀形式噴涂到工件表面上，形