金屬材料開發(fā)與利用

金屬材料開發(fā)與利用TOC\o"1-2"\h\u23974第一章金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí) 1170181.1金屬材料的分類 1312581.2金屬材料的功能 2143571.3金屬材料的結(jié)構(gòu) 218945第二章常見金屬材料 33422.1鋼鐵材料 3250802.2有色金屬材料 36112.3貴重金屬材料 46047第三章金屬材料的加工工藝 4317763.1鑄造工藝 427973.2鍛造工藝 5283593.3焊接工藝 57413.4切削加工工藝 530265第四章金屬材料的熱處理 62944.1退火與正火 655824.2淬火與回火 6191974.3表面熱處理 622445第五章金屬材料的功能測(cè)試 7235045.1力學(xué)功能測(cè)試 710225.2物理功能測(cè)試 751535.3化學(xué)功能測(cè)試 75734第六章金屬材料的腐蝕與防護(hù) 8208626.1金屬腐蝕的類型 832496.2金屬腐蝕的防護(hù)方法 8161506.3防腐涂料與鍍層 816287第七章新型金屬材料的開發(fā) 9275957.1高強(qiáng)高韌金屬材料 9161637.2高溫金屬材料 9230307.3納米金屬材料 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，根據(jù)其不同的特性和用途，可以分為多種類型。首先是黑色金屬，這其中最主要的就是鋼鐵，它在建筑、機(jī)械制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。鋼鐵的強(qiáng)度高、韌性好，而且價(jià)格相對(duì)較低，是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的材料。有色金屬則包括銅、鋁、鎂、鋅等多種金屬。這些金屬具有各自獨(dú)特的功能，比如銅具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，因此在電氣和電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；鋁的密度小，強(qiáng)度較高，常用于航空航天和汽車制造等領(lǐng)域，以減輕結(jié)構(gòu)重量。另外，還有貴重金屬材料，如金、銀、鉑等。這些金屬因?yàn)槠湎∮行院吞厥獾墓δ埽谥閷毷罪?、電子、化工等領(lǐng)域有著重要的地位。例如，金具有極好的延展性和化學(xué)穩(wěn)定性，常用于制作高檔首飾和電子元件的觸點(diǎn)。1.2金屬材料的功能金屬材料的功能是決定其用途的重要因素。金屬材料的功能主要包括力學(xué)功能、物理功能和化學(xué)功能。力學(xué)功能是金屬材料在受力作用下所表現(xiàn)出的功能，包括強(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在斷裂前發(fā)生永久變形的能力。這些力學(xué)功能對(duì)于金屬材料在各種工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件中的應(yīng)用具有重要意義。金屬材料的物理功能包括密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等。密度決定了金屬材料的重量，對(duì)于需要減輕重量的應(yīng)用場(chǎng)合，如航空航天領(lǐng)域，選擇低密度的金屬材料是非常重要的。熔點(diǎn)則影響著金屬材料的加工和使用溫度范圍。導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性對(duì)于金屬材料在熱交換和電氣領(lǐng)域的應(yīng)用。磁性則在電機(jī)、變壓器等電磁設(shè)備中有著重要的應(yīng)用?；瘜W(xué)功能主要包括金屬材料的耐腐蝕性和抗氧化性。在一些惡劣的環(huán)境中，如潮濕、酸性或堿性條件下，金屬材料容易發(fā)生腐蝕，因此需要具有良好的耐腐蝕性。抗氧化性則是指金屬材料在高溫下抵抗氧化的能力，這對(duì)于在高溫環(huán)境下工作的金屬材料來說是非常重要的。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。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可以分為體心立方、面心立方和密排六方三種類型。不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的原子排列方式和原子間結(jié)合力，從而導(dǎo)致金屬材料具有不同的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，金屬材料的組織結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)其功能產(chǎn)生影響。例如，通過熱處理可以改變金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，從而改善其功能。金屬材料中的雜質(zhì)、缺陷等也會(huì)影響其功能。因此，了解金屬材料的結(jié)構(gòu)對(duì)于合理選擇和使用金屬材料具有重要的意義。第二章常見金屬材料2.1鋼鐵材料鋼鐵是現(xiàn)代工業(yè)中最重要的金屬材料之一，它的應(yīng)用范圍非常廣泛。鋼鐵材料的種類繁多，根據(jù)其化學(xué)成分和功能的不同，可以分為碳素鋼、合金鋼和不銹鋼等。碳素鋼是含碳量在0.02%至2.11%之間的鐵碳合金。根據(jù)碳含量的不同，碳素鋼可以分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。低碳鋼具有良好的塑性和韌性，常用于制造薄板、鋼絲等；中碳鋼的強(qiáng)度和韌性適中，常用于制造軸、齒輪等機(jī)械零件；高碳鋼的硬度高，耐磨性好，常用于制造刀具、模具等。合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一些合金元素，如鉻、鎳、鉬、釩等，以改善其功能。合金鋼具有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐腐蝕性，常用于制造高強(qiáng)度的機(jī)械零件、壓力容器、船舶等。不銹鋼是一種具有耐腐蝕性的鋼鐵材料，它的主要成分是鐵、鉻和鎳。不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、耐熱性和耐磨性，常用于制造化工設(shè)備、醫(yī)療器械、餐具等。2.2有色金屬材料有色金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中也占有重要地位。銅是一種重要的有色金屬，它具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。純銅的強(qiáng)度較低，通常會(huì)加入一些合金元素來提高其強(qiáng)度，如黃銅（銅鋅合金）和青銅（銅錫合金）等。黃銅具有良好的塑性和耐腐蝕性，常用于制造管道、閥門、散熱器等；青銅的強(qiáng)度和耐磨性較高，常用于制造軸承、蝸輪等。鋁是地殼中含量最多的金屬元素，它具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。鋁合金是在純鋁中加入一些合金元素，如鎂、硅、銅等，以提高其強(qiáng)度和硬度。鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、建筑等領(lǐng)域，如飛機(jī)的蒙皮、汽車的輪轂、建筑的門窗等。鎂是一種輕金屬，它的密度比鋁還小，具有良好的減震性和切削加工性。鎂合金在航空航天、汽車制造、電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如飛機(jī)的座椅、汽車的變速箱殼體、手機(jī)的外殼等。2.3貴重金屬材料貴重金屬材料主要包括金、銀、鉑、鈀等。這些金屬具有很高的價(jià)值，不僅因?yàn)樗鼈兊南∮行?，還因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。金是一種黃色的貴重金屬，具有極好的延展性和化學(xué)穩(wěn)定性。它常用于制作首飾、金幣、電子元件的觸點(diǎn)等。由于金的價(jià)格較高，在一些工業(yè)應(yīng)用中，會(huì)使用金的合金來降低成本，同時(shí)保持一定的功能。銀是一種銀白色的貴重金屬，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。它常用于制作首飾、餐具、銀幣、電子元件等。在一些光學(xué)領(lǐng)域，銀還可以作為反射材料。鉑是一種銀白色的貴重金屬，具有很高的熔點(diǎn)和耐腐蝕性。它常用于制作首飾、催化劑、熱電偶等。鉑的價(jià)格較高，因此在一些應(yīng)用中，會(huì)使用鉑的合金來替代純鉑。鈀是一種銀白色的貴重金屬，具有良好的催化功能和耐腐蝕性。它常用于汽車尾氣凈化催化劑、電子元件、首飾等領(lǐng)域。第三章金屬材料的加工工藝3.1鑄造工藝鑄造是將液態(tài)金屬澆入鑄型中，使其凝固成形的一種加工方法。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(diǎn)，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。砂型鑄造的工藝過程包括制作模樣、制備型砂、造型、合型、澆注、落砂、清理等環(huán)節(jié)。熔模鑄造則是先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，從而獲得無分型面的鑄型。熔模鑄造可以制造形狀復(fù)雜、精度高的零件，但成本較高。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。金屬型鑄造的鑄件精度高、表面質(zhì)量好，但金屬型的制造成本高，而且不適合生產(chǎn)形狀復(fù)雜的零件。壓力鑄造是在高壓下將液態(tài)金屬高速壓入鑄型中，并在壓力下凝固成形的方法。壓力鑄造的生產(chǎn)效率高、鑄件精度高，但設(shè)備投資大，而且只適合生產(chǎn)小型薄壁零件。3.2鍛造工藝鍛造是在加壓設(shè)備及工（模）具的作用下，使坯料產(chǎn)生局部或全部的塑性變形，以獲得一定幾何形狀、尺寸和質(zhì)量的鍛件的加工方法。鍛造工藝可以改善金屬材料的內(nèi)部組織，提高其力學(xué)功能，因此常用于制造承受重載和沖擊載荷的零件。鍛造工藝可以分為自由鍛造和模型鍛造兩種。自由鍛造是將坯料放在鍛造設(shè)備上，通過局部施加壓力，使坯料產(chǎn)生塑性變形。自由鍛造的靈活性較大，可以生產(chǎn)各種形狀的鍛件，但精度較低。模型鍛造是將坯料放在具有一定形狀的模具中，通過施加壓力，使坯料充滿模具型腔，從而獲得與模具形狀一致的鍛件。模型鍛造的精度高，但模具成本高，只適合大批量生產(chǎn)。3.3焊接工藝焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，使焊件達(dá)到原子結(jié)合的一種加工方法。焊接工藝是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一種加工方法，它可以將各種金屬材料連接在一起，形成具有一定強(qiáng)度和密封性的結(jié)構(gòu)。焊接工藝的種類很多，根據(jù)焊接過程中金屬所處的狀態(tài)不同，可以分為熔焊、壓焊和釬焊三大類。熔焊是將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法。常見的熔焊方法有電弧焊、氣焊、激光焊等。壓焊是在焊接過程中，對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱），以完成焊接的方法。常見的壓焊方法有電阻焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊等。釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)、低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。常見的釬焊方法有火焰釬焊、感應(yīng)釬焊、爐中釬焊等。3.4切削加工工藝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)量的零件的加工方法。切削加工是機(jī)械制造中最基本的加工方法之一，它可以加工各種形狀和材料的零件，而且加工精度和表面質(zhì)量較高。切削加工的工藝過程包括工件的安裝、刀具的選擇、切削參數(shù)的確定、切削加工和檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。在切削加工過程中，刀具的選擇和切削參數(shù)的確定是非常重要的，它們直接影響到加工效率和加工質(zhì)量。刀具的材料、幾何形狀和刃磨質(zhì)量都會(huì)影響刀具的切削功能。切削參數(shù)包括切削速度、進(jìn)給量和切削深度，它們的選擇需要根據(jù)工件材料、刀具材料、加工要求等因素來確定。第四章金屬材料的熱處理4.1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?，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的過程。退火的目的是降低材料的硬度，提高塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，改善材料的加工功能和使用功能。根據(jù)退火的目的和工藝特點(diǎn)的不同，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。正火是將金屬材料加熱到奧氏體化溫度以上，保溫一定時(shí)間后，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，因此正火后的組織比退火后的組織細(xì)，強(qiáng)度和硬度也比退火后的高。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(wǎng)狀滲碳體，為后續(xù)的熱處理做好組織準(zhǔn)備。4.2淬火與回火淬火是將金屬材料加熱到奧氏體化溫度以上，保溫一定時(shí)間后，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的馬氏體組織，提高材料的耐磨性和強(qiáng)度。但是淬火后的馬氏體組織脆性較大，內(nèi)應(yīng)力也較大，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囟龋匾欢〞r(shí)間后，以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s的熱處理工藝?；鼗鸬哪康氖窍慊甬a(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，提高韌性，同時(shí)保持一定的硬度和強(qiáng)度。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三種類型。不同類型的回火處理可以使金屬材料獲得不同的功能，滿足不同的使用要求。4.3表面熱處理表面熱處理是只對(duì)工件表面進(jìn)行加熱、冷卻，改變其表層組織和功能的熱處理工藝。表面熱處理的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部仍保持較好的韌性。表面熱處理的方法主要有感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和化學(xué)熱處理等。感應(yīng)加熱表面淬火是利用感應(yīng)電流在工件表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面迅速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，實(shí)現(xiàn)表面淬火的目的?；鹧婕訜岜砻娲慊鹗怯没鹧婕訜峁ぜ砻妫蛊溥_(dá)到淬火溫度，然后進(jìn)行冷卻的熱處理方法?；瘜W(xué)熱處理是將工件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，改變其化學(xué)成分和組織，從而提高工件表面的功能。第五章金屬材料的功能測(cè)試5.1力學(xué)功能測(cè)試力學(xué)功能測(cè)試是評(píng)估金屬材料在受力情況下的功能表現(xiàn)的重要手段。常見的力學(xué)功能測(cè)試包括拉伸試驗(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(cè)試之一，通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸，測(cè)量其在拉伸過程中的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，從而得到材料的強(qiáng)度、塑性等指標(biāo)。硬度試驗(yàn)則是通過測(cè)量材料表面抵抗硬物壓入的能力來評(píng)估材料的硬度。沖擊試驗(yàn)用于測(cè)定材料在沖擊載荷下的韌性，常用的沖擊試驗(yàn)方法有夏比沖擊試驗(yàn)和艾氏沖擊試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)則是模擬材料在交變載荷下的工作情況，評(píng)估材料的疲勞壽命和疲勞強(qiáng)度。5.2物理功能測(cè)試金屬材料的物理功能測(cè)試包括密度測(cè)試、熔點(diǎn)測(cè)試、導(dǎo)熱性測(cè)試、導(dǎo)電性測(cè)試和磁性測(cè)試等。密度測(cè)試可以通過測(cè)量材料的質(zhì)量和體積來計(jì)算其密度，密度是材料的一個(gè)基本物理參數(shù)，對(duì)于材料的選擇和應(yīng)用具有重要意義。熔點(diǎn)測(cè)試用于確定材料的熔化溫度，這對(duì)于材料的加工和使用溫度范圍的確定非常重要。導(dǎo)熱性測(cè)試和導(dǎo)電性測(cè)試分別用于測(cè)量材料的熱傳導(dǎo)能力和電傳導(dǎo)能力，這兩個(gè)功能在熱交換和電氣領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。磁性測(cè)試則用于評(píng)估材料的磁性功能，如磁化強(qiáng)度、矯頑力等，這對(duì)于磁性材料的應(yīng)用具有重要意義。5.3化學(xué)功能測(cè)試金屬材料的化學(xué)功能測(cè)試主要包括耐腐蝕性測(cè)試和抗氧化性測(cè)試。耐腐蝕性測(cè)試是評(píng)估金屬材料在特定環(huán)境下抵抗腐蝕的能力。常見的耐腐蝕性測(cè)試方法有鹽霧試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)等。這些測(cè)試方法可以模擬不同的腐蝕環(huán)境，如海洋環(huán)境、潮濕環(huán)境等，以評(píng)估材料的耐腐蝕功能?？寡趸詼y(cè)試則是評(píng)估金屬材料在高溫下抵抗氧化的能力，常用的測(cè)試方法有高溫氧化試驗(yàn)和熱重分析等。通過這些測(cè)試，可以了解材料在高溫環(huán)境下的抗氧化功能，為材料的高溫應(yīng)用提供依據(jù)。第六章金屬材料的腐蝕與防護(hù)6.1金屬腐蝕的類型金屬腐蝕是指金屬材料在周圍環(huán)境的作用下，發(fā)生的損壞和變質(zhì)現(xiàn)象。金屬腐蝕的類型主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種?；瘜W(xué)腐蝕是金屬與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕。這種腐蝕過程中沒有電流產(chǎn)生，例如金屬在干燥的氣體或非電解質(zhì)溶液中的腐蝕。電化學(xué)腐蝕是金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，由于形成原電池而產(chǎn)生的腐蝕。在電化學(xué)腐蝕過程中，有電流產(chǎn)生，這種腐蝕是金屬腐蝕的主要形式，例如金屬在潮濕的空氣中或在海水里的腐蝕。6.2金屬腐蝕的防護(hù)方法為了防止金屬腐蝕，人們采取了多種防護(hù)方法。其中，最常見的方法是使用防護(hù)涂層。防護(hù)涂層可以將金屬與周圍環(huán)境隔離開來，從而防止金屬腐蝕。防護(hù)涂層可以是有機(jī)涂層，如油漆、塑料等，也可以是無機(jī)涂層，如陶瓷、金屬鍍層等。另外，還可以采用電化學(xué)保護(hù)的方法來防止金屬腐蝕。電化學(xué)保護(hù)包括陰極保護(hù)和陽(yáng)極保護(hù)兩種方法。陰極保護(hù)是通過向被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)施加陰極電流，使金屬的電位向負(fù)方向移動(dòng)，從而使金屬得到保護(hù)。陽(yáng)極保護(hù)則是通過向被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)施加陽(yáng)極電流，使金屬的電位向正方向移動(dòng)，從而使金屬進(jìn)入鈍化狀態(tài)，得到保護(hù)。6.3防腐涂料與鍍層防腐涂料是一種廣泛應(yīng)用的金屬腐蝕防護(hù)材料。它通過在金屬表面形成一層連續(xù)的涂膜，阻止腐蝕介質(zhì)與金屬表面接觸，從而達(dá)到防腐的目的。防腐涂料的種類很多，根據(jù)其成膜物質(zhì)的不同，可以分為環(huán)氧樹脂涂料、聚氨酯涂料、丙烯酸涂料等。這些涂料具有不同的功能和特點(diǎn)，可以根據(jù)不同的使用環(huán)境和要求進(jìn)行選擇。鍍層也是一種常用的金屬腐蝕防護(hù)方法。通過在金屬表面鍍上一層耐腐蝕的金屬或合金，如鋅、鎳、鉻等，可