金属材料论文讲解.pdf

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1、金属材料科学概论 内容摘要： 本文简单地介绍了金属材料的概念、特质及其性能， 着重阐述了金属 材料的分类、 金属材料科学的制备及合成以及金属材料的成型工艺, 同时就金属 材料的应用及发展前景提出了看法。 关键词： 金属材料；发展和兴起；概念；分类；性能；制备及合成；成型；应用 一、金属材料简介 1、 金属材料的概念 金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统 称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。 2、 金属材料的分类 金属材料的分类可按照成分和用途分为两大类。其中按金属成份分类可分为 钢铁、有色（非铁）金属和复合金属材料三大类；按材料用途分类可分为

2、结构材 料和工程材料。 （一） 、金属材料的成分分类 （1）钢铁 钢铁可细分为以下几种：工业纯铁、碳钢、合金钢和铸铁四种。其中工业纯 铁为含碳约在 0.01% 以下的铁一碳合金；碳钢为含碳在0.01-1.5% 间的铁 -碳合 金；合金钢为含镍、铬、钨、钒、钛、钴、铜、锰、硅等合金元素的铁一碳合金； 铸铁为含碳 2.0-4.0% 间的铁一碳合金 (也可含其它合金元素 )。 （2）有色（非铁）金属 有色（非铁）金属可分为重有色金属、轻有色金属、稀有和难熔金属、稀土 金属、稀散金属、贵金属和放射性金属七大类。重有色金属为铜、铅、锌、镍、 锡等及其合金； 轻有色金属为铝、 镁、钛、铍等及其合金； 稀有

3、、难熔金属为钨、 钼、铂、铌、铪、钒、铬等及其合金；稀土金属为镧、铈、镨、钕、钷、钐等； 稀散金属为镓、铟、铊等；贵金属为金、银、铂族金属及其合金；放射性金属为 铀、钍、镭。 （3）复合金属材料 复合金属材料主要为以下几种：镀层一镀锌铁皮、 钢丝, 镀锡铁皮 ( 马口铁 ) 等；渗层一渗铬、渗铝钢板、钢管等；包层一包铜钢丝, 包镍( 及镍合金 ) 钢板, 农用钢板等；机械混合合金银一钨、铜一钨合金, 硬质合金 , 金属陶瓷等； 纤维增强合金一铍丝增强铝合金, 钨丝增强高温合金 , 碳、硼丝增强合金等。 （二） 、金属材料的用途分类 （1）结构材料 结构材料可主要分为三类： 一类为结构钢 , 不

4、锈钢 , 耐热钢 , 耐酸钢 , 弹簧钢 , 轴承钢 , 工具钢 , 模具钢 , 铸铁( 包括可锻铸铁 , 球墨铸铁等 ) ；第二类为结构用 的铝、镁、钦、铜等及其合金；第三类为复合材料一纤维增强, 复层, 蜂窝结构 等材料。 （2）功能材料 功能材料主要有以下： 精密合金一磁性、 导电、电阻、弹性，恒膨胀等材料， 低熔点合金；电子材料一半导体，电真空材料，封接材料，消气材料；超导材料 一金属、固溶体、金属间化合物； 能源材料一太阳能电池材料， 制氢、储氢材料 , 夹层材料等；医用材料一牙科材料，人造骨骼、关节，记忆材料，医疗器械材料 等；催化剂一金属微粉、细丝等。 二、金属材料的特质 1.疲

5、劳 许多机械零件和工程构件，是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作 用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的应力反复循环 作用以后，也会发生突然脆性断裂，这种现象叫做金属材料的疲劳。 金属材料疲劳断裂的特点是：载荷应力是交变的，载荷的作用时间较 长，断裂是瞬时发生的以及无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区 都是脆性的。所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。 金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：高周疲劳、低周 疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳和接触疲劳。 2.塑性 塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑性变形） 而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和

6、横截面积都要发生变 化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延伸率）和断面的收缩（断面 收缩率）两个指标来衡量。 金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好，即材 料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材 料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称 为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内 产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而 提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利 地进行某些成型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金 属材料作机械零件时，必须满足一

7、定的塑性指标 3.耐久性 金属材料的耐久性是指在金属材料在使用过程中经受环境的作用，而能保 持其使用性能的能力。 4.硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性 能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、 洛氏硬度和维氏硬度。 三、金属材料的性能 金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的 性能主要分为四个方面，即：机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。 1.金属材料的机械性能 金属材料的机械性能指金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用 时，抵抗变形和断裂的能力（也称为力学性能）。金属材料承受的载荷有 多种形式，它可以是静态载

8、荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受 的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、 冲击等等，衡量金属材料机械性能的主要指标为强度、塑性、应用范围及 韧性。 2.金属材料的化学性能 金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应 用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力，这是特别指金 属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性），以及不同金属之间、 金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性 能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。 3.金属材料的物理性能 金属的物理性能主要从密度（比重）、熔点、热膨胀、磁性

9、能吸引铁 磁性物体的性质、电学性能等考虑。 4.金属材料的工艺性能 金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有 以下四个方面：切削加工性能、可锻性、可铸性、可焊性。 四、金属材料的制备与合成 材料制备的质量直接影响零件的后续生产制造和使用性能。下面对以 工程领域中铁的制备方法及特点为例作简要介绍。 （一）高炉炼铁 1、高炉炼铁原料 炼铁的主要原料是铁矿石（赤铁矿石、磁铁矿石、褐铁矿石、菱铁矿 石），它是由铁的氧化物和含SiO2、Al2O3 、CaO、MgO 等成分的脉石构成。 铁矿石的主要作用是提供铁元素。冶炼前铁矿石经选矿筛分后，破碎磨成 粉料，然后烧结成块以备后续冶炼使用

10、。另外，炼铁原料还有燃烧（焦炭） 和造渣用的熔剂（石灰石）。焦炭在高炉中的主要作用一是为炼铁提供热 源，二是作为还原剂把铁和其它元素从矿石中还原出来。熔剂石灰石的作 用是在高炉内受热分解形成CaO和MgO 。 2、炼铁设备及过程 炼铁是在高炉中进行的，高炉炉体是由耐火材料砌成，外面包裹钢板 的圆截面炉子。为使矿石在炉内充分还原，炉子高度可达几十米。 高炉底部和炉腹被焦炭填充，炉身中装有层层相间的铁矿石、焦炭和 石灰石。冶炼过程中，炉底焦炭燃烧产生的高温炉气向上运动，把热量传 给炉料，经过一系列的物理化学过程，形成铁液和炉渣滴入炉内。每隔3-4 小时放一次铁液，每隔1-1.5小时放一次炉渣。下图

11、为炼铁高炉剖面图。 3、高炉内发生的基本反应 自然界中铁都是以化合物形式存在于铁矿石中，炼铁的实质是在高炉中将铁 矿石中的铁还原；将氧化物、磷酸盐、焦炭和矿石中的锰、硅、磷、硫还原，并 与碳一起溶于铁液中的一系列物理化学过程。 （1）燃料的燃烧焦炭的燃烧反应因条件不同， 碳与氧之间可能发生四种 不同的化学反应。 空气供应充足时，发生完全燃烧反应：C+O2CO2+34070KJ/kg 空气供应不充足时，发生不完全燃烧反应：C+1/2O2CO+10270KJ/kg CO遇到空气时，会燃烧： CO+1/2O2CO2+23800KJ/kg 焦炭除以上外，还有一个还原吸热反应：CO2+CCO2-1262

12、8 KJ/kg （2）冶金反应 1）铁的还原。铁主要存在于矿石中的Fe2O3、Fe3O4内，其还原过程是靠高 价氧化物向低价转化来实现的。炼铁的主要还原剂是CO，他是由高炉底部厚厚 的焦炭层在高温下不完全燃烧产生的。它的还原能力并不强但由于容易在矿石中 扩散，故还原效果大大提高。 i）一氧化碳还原铁的氧化物。在1000以上还原能力大大提高，它是炼铁 过程中的主要还原剂。 570以上主要还原反应如下： Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2 Fe3O4+CO=3FeO+CO2 FeO+CO=Fe+CO2 ii）固体碳还原铁的氧化物。固体碳的还原作用主要经CO的还原和碳的气 化反应共同完成的，即 F

13、eO+CO=Fe+CO2 CO2+C=2CO2 iii ）氢还原铁的氧化物。反应式如下： 3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O Fe3O4+ H2=3FeO+H2O FeO+ H2=Fe+H2O 2）锰的还原。矿石中锰也是以氧化物的形式存在，从氧化物中还原锰的过 程与还原铁一样， CO依次将从锰的高价氧化物还原为锰的低价氧化物。然后再 由固体碳直接将 MnO还原成锰。 由于MnO与C作用是一个强吸热反应， 因此高温 有利于锰的还原，其反应为 MnO+C=Mn+CO 3）硅的还原。硅一般存在于矿石中的SiO2氧化物内， SiO2很稳定，所以绝 大部分进入炉渣， 仅有少量被固体碳还原后进入生铁

14、。SiO2被还原的程度与炉温 有关，温度高，硅容易还原，其反应为 SiO2+2C=Si+2CO 4）磷的还原。磷一般存在于矿石中的磷酸钙内，在1000以上通过固体碳 直接还原，其反应为 （CaO）3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO 磷酸钙中的 CaO可以与 SiO2作用，使 P2O5游离出来，从而加速上式还原， 其反应为 2（3CaOP2O5）+3Si02=3（2CaOSiO2）+2P2O5 P2O5容易挥发，而且与焦炭的接触条件较好，故有利于P2O5的还原，其反 应式为 2P2O5+10C=4P+10CO 磷除少量挥发外，大部分还原后都溶入铁液中。 5）脱硫反应。硫是钢铁材料中的有害元

15、素之一。它主要来自于矿石和燃料 焦炭，常以硫化铁的形式存在，当石灰石中CaO及固体碳作用后生成炉渣，可以 使铁液脱硫。 还原剂越多，温度越高，脱硫效果越佳。 脱硫后大部分硫进入炉渣， 一部分随炉气排出，其余溶于铁液中，其反应式为 FeS+CaO+C=Fe+CaS+CO 6)铁的溶碳过程。由高炉顶部加入的炉料，当下降至1000-1100温区时， 从铁矿石中还原出来的铁与一氧化碳、焦炭互相作用会溶进大量的碳， 使铁的溶 点降低，铁在高炉下部开始熔化成铁液流入炉缸。 综上所述，炼铁过程主要发生的是还原反应，在铁被还原的同时， 其它非铁 元素锰、硅、磷、硫也分别从它们的化合物中被还原，并与碳一起溶入铁

16、中，故 生铁中除了含有较高碳外，常常还有一定数量的锰、硅、磷、硫，其中磷硫属于 有害元素，应在冶炼时严格控制其含量， 因此它们的存在将增加钢铁材料的脆性。 （3）造渣熔炼过程中， 铁料表面的锈蚀物及粘附的泥沙、燃料中的灰分、 金属元素氧化烧损成氧化物以及侵蚀剥落的炉材料等相互作用，结成炉渣，其主 要成分为 SiO2和Al2O3.这种粘滞的炉渣包覆在焦炭表面，不仅阻碍燃烧， 而且不 利于冶炼。主要采用的是石灰石，造渣时所发生的化学反应为 石灰石分解： CaCO3CaO+CO2 硅酸盐的形成： CaO+SiO2CaOSiO2 熔剂石灰石不仅具有清除杂质和灰膜、加速燃烧反应进行的作用， 同时炉渣 还

17、可以直接参与冶金反应。 4、产品 （1）生铁和铁合金生铁是高炉冶炼的主要产品，根据不同的使用要求， 其产品有两类： 一是炼钢生铁， 不同炼钢方法对生铁成分要求不同。二是铸造生 铁，占生铁总产量 10%-20%，用于生产各种铸造零件的原料。除此之外，高炉中 还可以冶炼用于炼钢的脱氧剂和合金添加剂，如硅铁、锰铁等。 （2） 炉渣和煤气炉渣和煤气是高炉冶炼的副产品， 炉渣成分与水泥类似， 可用来制造水泥、渣砖、陶瓷等材料。高炉煤气可作为燃料，用于炼焦、炼钢和 各种加热炉，具有较高的经济价值。 五、金属材料的成型工艺 各种方法制备的金属材料一般在经过铸造、压力加工、焊接和机加工成型， 并进行材料改性工

18、艺处理后才能满足不同条件下的服役要求。机加工成型的金属 构件，只改变零件的形状和材料的内在质量均产生较大影响。但铸造、压力加工、 焊接成型工艺则对零件的形状和材料的内在质量产生较大的影响，从而影响零件 的使用寿命。下面简洁扼要介绍铸造、压力加工、焊接成型的基本工艺和应用。 1.液态金属的成型方法（铸造） 液态金属的成型又称铸造， 是机器零件毛坯成型的主要方法之一。将液态金 属浇注到铸型型腔中，使其冷却凝固获得一定形状的毛坯或零件的方法称为铸 造。这种成型工艺主要有以下优势：可以一次成型内腔、外形复杂的毛坯，这是 其它金属成型方法极难实现的；工艺灵活，不受零件尺寸、形状、重量的限制， 能满足各种

19、金属材料的铸件生产；成本低，原材料可回收利用。 但铸造成型方法并非尽善尽美，它存在生产工序较多； 工艺难控制； 废品率 高；铸件质量不稳定等问题。 液态金属成型工艺根据造型材料不同，主要分为砂 型铸造和特种铸造。 2.金属压力加工 金属压力加工是借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形， 从而获得一定 形状、尺寸和力学性能加工方法。 由于金属铸态组织往往存在晶粒粗大和组织部 均匀等缺陷， 所以金属材料经冶炼烧注后，大多要进行各种压力加工， 通过压力 加工不仅改变了材料的外形， 而且是铸锭内部原有的气孔、 疏松等缺陷压合在一 起，使金属更加致密， 组织和性能由此也得到改善。各种钢和非铁合金都具有一

20、 定的塑性，因此它们均可以在热态和冷态下进行压力成型。 金属压力加工按加工目的可分为两大类：一类是主要用于生产建筑结构和塑 性加工的等截面型材、 管材和板材等； 另一类主要是用于生产各种毛坯、半成品 或成品零件。 3.焊接 焊接是一种连接金属工艺方法， 主要用于制造各种金属结构和机器零件。焊 接过程其实质是通过加热或压力等手段，使金属原子扩散与结合， 最终将分离的 金属材料能够牢固地连接起来。 焊接的方法很多，按焊接过程的特点可分为熔化焊、压力焊、钎焊三大类。 （1）熔化焊熔化焊简称熔焊， 是利用局部加热的方法， 将欲连接的两工 件结合处加热到熔化状态， 并与熔化的填充金属一起形成熔池，冷却结

21、晶后形成 牢固地焊接整体。根据热能来源的不同，熔焊又细分为气焊、电弧焊、电渣焊、 等离子焊和电子束焊。 （2）压力焊压力焊是在焊接时无论加热与否，必须对焊件施加压力， 使 被焊接工件的两接合面紧密接触。压力焊种类很多， 其中常用的有电阻焊、 摩擦 焊、扩散焊等。 （3）钎焊低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用 液态钎料填充固态工件的隙缝使金属连接的焊接方法称为钎焊。钎焊时，首先要 除去母材接触面上的氧化物和油污，以利于毛细管在钎料熔化后发挥作用，增加 钎料的润湿性和毛细流动性。根据钎料熔点不同，钎焊又分为硬钎焊和软钎焊。 六、金属材料的应用情况及发展前景 金属制品行业包括结构

22、性金属制品制造、金属工具制造、 集装箱及金属包装 容器制造、 集装箱不锈钢及类似日用金属制品制造，船舶及海洋工程制造等。 随 着社会的进步和科技的发展， 金属制品在工业、 农业以及人们的生活各个领域的 运用越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。 金属制品行业在发展过程中也遇到一些困难，例如技术单一，技术水平偏低， 缺乏先进的设备，人才短缺等，制约了金属制品行业的发展。为此，可以采取提 高企业技术水平，引进先进技术设备，培养适用人才等提高金属制品业的发展。 金属制品行业的产品将越来越趋向于多元化，业界的技术水平也将越来越 高，产品质量会稳步提高， 竞争与市场将进一步合理化。随着金属行业的进一步

23、 规范，以及相关行业优惠政策的实施， 未来，金属制品行业将有巨大的发展空间。 参考文献 1 刘燕萍 .工程材料 .北京：国防工业出版社， 2009. 2 王高潮 .材料科学与工程导论 M. 南昌：机械工业出版社， 2006. 3 励杭泉 .材料导论 M. 北京：中国轻工业出版社，2000. 4 朱静.材料科学与工程学科建设 C/ 全国首届高校材料学院院长论坛文集.浙 江台州， 2004. 5 王从曾 .材料性能学 M. 北京：北京工业大学出版社，2001. 6 田莳.材料物理性能 M. 北京：北京航空航天大学出版社，2000. 7 李隆盛 .铸造合金及熔炼 M. 北京：机械工业出版社， 200

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