《金属材料与工艺》课件

《金属材料与工艺》课件PPT课程介绍与学习目标课程介绍学习目标本课程系统讲解金属材料的种类、晶体结构、力学性能，以及热处理、合金化等关键工艺，深入剖析各种金属材料的特性与应用，旨在为学生构建全面的金属材料知识体系金属材料的基本概念定义特性12金属材料是指具有金属特性金属材料的特性包括高强的材料的总称，如良好的导度、高硬度、良好的塑性和电性、导热性、延展性等韧性，以及优异的耐腐蚀它们通常由金属元素或以金性这些特性使得金属材料属元素为主组成的合金构在结构件、功能件等方面具成，广泛应用于各个工业领有广泛的应用前景域应用金属材料的分类黑色金属有色金属特种金属主要指铁、铬、锰及其合金，如指除黑色金属以外的所有金属及其指具有特殊物理化学性能的金属材钢、铸铁、锰钢等黑色金属是工合金，如铜、铝、锌、铅、钛等料，如稀土金属、贵金属、半导体业中应用最广泛的金属材料，尤其有色金属具有各自独特的物理化学金属等特种金属在电子信息、新钢材在建筑、机械等领域占据重要性能，在电子、化工、航空航天等能源、新材料等高科技领域发挥着地位领域有重要应用关键作用金属晶体结构晶胞晶格晶体晶胞是晶体结构中最晶格是晶体结构中原晶体是由原子、离子小的重复单元，通过子排列的几何框架，或分子按照一定的周晶胞在三维空间中的它描述了原子在空间期性规律排列而成的周期性排列，可以构中的位置关系晶格固体金属晶体通常成整个晶体晶胞的的类型包括简单立具有良好的导电性、形状和大小决定了晶方、体心立方、面心导热性、延展性等特体的对称性和物理性立方等点能晶体结构的类型面心立方（）FCC1原子位于立方体的各个角上和每个面的中心，如铝、铜、金等具有良好的塑性和韧性，易于进行塑性变形体心立方（）BCC2原子位于立方体的各个角上和立方体的中心，如铁、铬、钨等强度较高，但塑性和韧性相对较差密排六方（）HCP3原子位于六边形晶胞的各个角上和上下底面的中心，以及晶胞的中心，如镁、钛、锌等塑性变形能力较差，具有各向异性晶粒与晶界晶粒晶粒是金属材料内部具有相同晶体取向的区域金属材料通常由大量的晶粒组成，晶粒的大小、形状和取向对金属的性能有重要影响晶界晶界是相邻晶粒之间的界面，是晶体结构中的缺陷晶界的存在会阻碍位错的运动，提高金属的强度和硬度，但也会降低金属的塑性和韧性影响晶粒细化可以提高金属的强度、硬度和韧性通过控制晶粒的大小和形状，可以改善金属材料的综合性能，满足不同应用的需求金属的微观组织组织形态金属材料的组织形态包括晶粒大小、形状、分布，以及相的种类、数量、2分布等组织形态对金属的强度、塑组成相性、韧性、耐腐蚀性等性能有重要影金属材料由不同的相组成，如铁素1响体、奥氏体、渗碳体等不同的相具有不同的晶体结构和物理化学性影响因素能，对金属的性能产生重要影响金属材料的微观组织受到成分、加工工艺、热处理等因素的影响通过控3制这些因素，可以获得所需的组织形态，从而改善金属材料的性能金属的物理性能热学性能1包括热导率、热膨胀系数、比热容等，影响金属的热加工和使用温度电学性能2包括电导率、电阻率等，影响金属在电子电气领域的应用磁学性能3包括磁导率、磁滞回线等，影响金属在磁性材料领域的应用光学性能4包括反射率、吸收率等，影响金属在光学领域的应用金属的机械性能强度1抵抗塑性变形和断裂的能力硬度2抵抗局部塑性变形的能力塑性3产生永久变形而不破坏的能力韧性4吸收能量和抵抗断裂的能力金属强度与硬度强度MPa硬度HB该图表展示了几种常见金属材料的强度和硬度数据强度是指金属抵抗塑性变形和断裂的能力，硬度是指金属抵抗局部塑性变形的能力强度和硬度是金属材料的重要机械性能指标，对金属的应用具有重要意义金属的塑性与韧性塑性韧性金属材料在受到外力作用时，产生永久变形而不破坏的能力塑性好的金属材料在受到冲击载荷作用时，吸收能量和抵抗断裂的能力韧性好金属材料易于进行冷加工和热加工，可以制造各种形状的零件的金属材料可以抵抗冲击载荷，防止发生脆性断裂塑性和韧性是金属材料的重要机械性能指标，对金属的安全可靠性具有重要意义在工程设计中，需要根据不同的应用需求，选择具有适当塑性和韧性的金属材料金属的疲劳与断裂疲劳断裂金属材料在交变应力作用下，经过长时间的循环加载，在远金属材料在受到外力作用时，发生分离的现象断裂分为脆低于材料屈服强度的应力水平下发生的断裂现象疲劳断裂性断裂和韧性断裂两种类型脆性断裂是指金属材料在没有是金属材料失效的重要形式之一明显塑性变形的情况下发生的断裂，韧性断裂是指金属材料在发生明显塑性变形后发生的断裂金属材料的变形弹性变形塑性变形12金属材料在受到外力作用金属材料在受到外力作用时，发生变形，当外力时，发生变形，当外力后，变形消失弹后，变形不能完全Remove Remove性变形是一种可逆的变形消失塑性变形是一种不可逆的变形断裂3金属材料在受到外力作用时，发生分离的现象断裂是一种破坏性的变形塑性变形机制位错滑移孪晶晶界滑移位错是晶体结构中的一种线缺陷，孪晶是指晶体中一部分原子按照一在高温条件下，晶界处的原子会发在外力作用下，位错会在晶体中移定的规律发生对称排列，形成与母生扩散，导致晶粒之间的相对滑动，导致晶体的塑性变形位错滑晶体呈镜像关系的区域孪晶的形动，从而引起金属材料的塑性变移是金属材料塑性变形的主要机制成也会导致晶体的塑性变形形晶界滑移是高温蠕变的重要机之一制之一冷加工与热加工冷加工热加工在低于金属再结晶温度下进行的加在高于金属再结晶温度下进行的加工，如冷轧、冷拔、冷锻等冷加工，如热轧、热锻、热挤压等热工可以提高金属的强度和硬度，但加工可以提高金属的塑性和韧性，会降低金属的塑性和韧性但会降低金属的强度和硬度金属热处理基础定义1通过加热、保温和冷却等手段，改变金属材料的组织结构，从而改善其性能的工艺热处理是金属材料加工的重要环节目的2提高金属的强度、硬度、塑性、韧性、耐腐蚀性等性能，满足不同的使用需求消除金属的内应力，改善其加工性能类型3包括退火、正火、淬火、回火等，不同的热处理工艺可以获得不同的组织结构和性能退火过程加热将金属材料加热到适当的温度，通常高于再结晶温度加热速度要缓慢，以避免产生过大的热应力保温在加热温度下保持一段时间，使金属材料的组织结构发生均匀化保温时间要根据金属材料的成分、尺寸和所需的组织结构来确定冷却将金属材料缓慢冷却到室温，通常采用炉冷或空冷的方式冷却速度要缓慢，以避免产生过大的热应力正火处理保温在加热温度下保持一段时间，使金属2材料的组织结构发生均匀化保温时加热间要根据金属材料的成分、尺寸和所需的组织结构来确定1将金属材料加热到适当的温度，通常高于退火温度加热速度要比退火快冷却将金属材料在空气中冷却冷却速度3比退火快，可以获得比退火更细小的晶粒组织淬火处理加热将金属材料加热到适当的温度，通常高于相变点温度加热速度要快，以避免1发生氧化和脱碳保温2在加热温度下保持一段时间，使金属材料的组织结构发生均匀化保温时间要根据金属材料的成分、尺寸和所需的组织结构来确定冷却3将金属材料迅速冷却，通常采用水冷或油冷的方式冷却速度要快，以获得马氏体组织回火处理加热1将淬火后的金属材料加热到低于相变点温度的适当温度保温2在加热温度下保持一段时间，使马氏体组织发生分解，析出细小的碳化物冷却3将金属材料冷却到室温，通常采用空冷的方式金属合金基础铁Fe碳C锰Mn硅Si其他合金是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的材料合金可以改善金属的性能，如强度、硬度、塑性、韧性、耐腐蚀性等合金的基本原理固溶强化析出强化通过在金属中加入适量的合金元素，形成固溶体，可以提高金属的通过在金属中加入适量的合金元素，并进行适当的热处理，使合金强度和硬度元素在金属中析出细小的粒子，可以提高金属的强度和硬度合金化是改善金属材料性能的重要手段通过选择合适的合金元素和控制适当的加工工艺，可以获得所需的合金性能二元合金相图定义作用描述二元合金在不同温度和成分下的相组成和相结构的图可以用来确定合金在不同温度下的相组成和相结构，预测合相图是研究合金的重要工具金的性能，指导合金的成分设计和热处理工艺铁碳合金相图关键相关键点12铁素体（）、奥氏体、、这些点是F A1A3Acm（）、渗碳体铁碳合金相图中的关键温度A（）、珠光体点，对钢的热处理工艺有重Fe3C（）、马氏体（）这要指导意义P M些相是钢的重要组成相，对钢的性能有重要影响应用3可以用来确定钢在不同温度下的相组成和相结构，预测钢的性能，指导钢的成分设计和热处理工艺钢的分类碳钢主要成分是铁和碳，碳含量一般在之间碳钢是应用

0.02%~

2.11%最广泛的钢材，根据碳含量不同，可以分为低碳钢、中碳钢和高碳钢合金钢在碳钢的基础上，加入一种或多种合金元素，以改善钢的性能合金钢的种类很多，根据合金元素的含量和作用，可以分为低合金钢、中合金钢和高合金钢碳钢的性能强度硬度塑性强度随碳含量增加而硬度随碳含量增加而塑性随碳含量增加而提高提高降低焊接性焊接性随碳含量增加而降低合金钢概述定义1在碳钢的基础上，加入一种或多种合金元素，以改善钢的性能合金钢的种类很多，根据合金元素的含量和作用，可以分为低合金钢、中合金钢和高合金钢作用2提高钢的强度、硬度、塑性、韧性、耐腐蚀性、耐磨性、耐热性等性能，满足不同的使用需求类型3包括低合金高强度钢、合金工具钢、不锈钢、耐热钢等不锈钢定义含铬量大于的合金钢，具有优异的耐腐蚀性不锈钢12%的种类很多，根据组织结构不同，可以分为奥氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、马氏体型不锈钢等特点优异的耐腐蚀性、良好的加工性能、美观的表面、可回收利用应用广泛应用于化工、食品、医疗、建筑、装饰等领域工具钢特点2高的硬度、耐磨性、红硬性和韧性定义1用于制造各种刀具、模具、量具等的合金钢，具有高的硬度、耐磨性、红硬性和韧性类型包括碳素工具钢、合金工具钢、高速3工具钢等有色金属材料铝及铝合金1密度小、强度高、耐腐蚀性好、易于加工铜及铜合金2导电性好、导热性好、耐腐蚀性好、易于加工钛及钛合金3强度高、密度小、耐腐蚀性好、耐热性好镁及镁合金4密度最小的金属结构材料、减震性好、易于加工铝及铝合金特点1密度小、强度高、耐腐蚀性好、易于加工、可回收利用类型2变形铝合金、铸造铝合金应用3航空航天、汽车、建筑、包装、电子等领域铜及铜合金导电率%强度MPa该图表展示了几种常见铜合金的导电率和强度数据铜合金是在纯铜的基础上，加入一种或多种其他金属元素，以改善铜的性能导电率和强度是铜合金的重要性能指标，对铜合金的应用具有重要意义钛及钛合金特点应用强度高、密度小、耐腐蚀性好、耐热性好、生物相容性好航空航天、医疗、化工、体育等领域钛合金被誉为太空金属，是航空航天领域不可或缺的关键材料其优异的性能使其在医疗器械领域也得到广泛应用，如人工关“”节、牙种植体等镁及镁合金特点应用密度最小的金属结构材料、减震性好、易于加工、可回收利汽车、电子、航空航天等领域随着环保意识的提高，镁合用金在汽车轻量化方面的应用越来越受到重视金属加工工艺铸造锻造冲压123将熔融金属注入铸型，冷却凝固对金属坯料施加压力，使其产生利用冲模对金属板料施加压力，后获得所需形状的零件塑性变形，获得所需形状的零使其分离或变形，获得所需形状件的零件焊接切削加工45将两个或两个以上的金属零件连接在一起，形成一个利用刀具金属材料，获得所需形状的零件Remove整体铸造工艺砂型铸造精密铸造利用砂型制造铸件，成本低、利用熔模或陶瓷型制造铸件，工艺简单，适用于批量生产精度高、表面光洁，适用于制造复杂形状的零件压力铸造将熔融金属在高压下注入铸型，凝固后获得铸件，生产效率高、铸件质量好，适用于批量生产锻造工艺自由锻模锻利用简单的工具对金属坯料进行锻利用模具对金属坯料进行锻打，生打，生产灵活性大，适用于单件小产效率高、锻件质量好，适用于批批量生产量生产冲压工艺特点1生产效率高、材料利用率高、操作简单、易于实现自动化类型2冲裁、弯曲、拉深、成形等应用3汽车、电子、家电等领域焊接工艺电弧焊利用电弧产生高温，熔化金属，形成焊接接头气焊利用气体火焰产生高温，熔化金属，形成焊接接头电阻焊利用电流通过金属产生的电阻热，熔化金属，形成焊接接头激光焊利用激光束产生高温，熔化金属，形成焊接接头切削加工车削铣削1利用车刀对旋转的工件进行切削，加利用铣刀对工件进行切削，加工平工外圆、内孔、螺纹等2面、沟槽、曲面等磨削刨削4利用砂轮对工件进行切削，加工精度利用刨刀对工件进行切削，加工平3高、表面光洁度好面、沟槽等金属表面处理目的1提高金属表面的耐腐蚀性、耐磨性、硬度、美观性等类型2电镀、化学镀、阳极氧化、喷涂、热喷涂等应用3汽车、电子、家电、建筑等领域电镀技术原理1利用电解原理，在金属表面沉积一层金属薄膜优点2镀层均匀、致密、结合力强应用3装饰性镀层、防护性镀层、功能性镀层热喷涂火焰喷涂等离子喷涂电弧喷涂其他热喷涂是一种利用热源将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷射到工件表面形成涂层的技术热喷涂可以提高工件表面的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性等性能金属防腐蚀腐蚀的危害防腐蚀的重要性降低金属材料的强度、塑性、韧性，缩短使用寿命，造成经济延长金属材料的使用寿命，提高设备的安全可靠性，节约能源损失和安全隐患和资源，保护环境金属腐蚀是一个普遍存在的现象，对国民经济和人民生活造成巨大的影响因此，金属防腐蚀具有重要的意义腐蚀机理化学腐蚀电化学腐蚀金属与干燥气体或非电解质液体直接发生化学反应引起的腐金属与电解质溶液接触，发生电化学反应引起的腐蚀蚀防腐技术改变材料1使用耐腐蚀的金属材料，如不锈钢、钛合金等缓蚀剂2在腐蚀介质中加入少量能减缓腐蚀速度的化学物质阴极保护3利用电化学原理，使金属结构成为阴极，受到保护涂层保护4在金属表面涂覆一层保护层，隔离金属与腐蚀介质金属材料的选择性能要求工艺要求根据零件的使用条件和功能要根据零件的形状、尺寸、精度求，确定所需的强度、硬度、要求，确定所需的铸造性能、塑性、韧性、耐腐蚀性、耐磨锻造性能、冲压性能、焊接性性、耐热性等性能指标能、切削加工性能等经济性在满足性能要求和工艺要求的前提下，选择成本最低的金属材料材料选择的基本原则满足强度要求满足耐腐蚀要求考虑经济性材料的强度必须满足材料的耐腐蚀性能必在满足性能要求的前零件承受载荷的要须满足零件使用环境提下，应尽量选择成求，保证零件在使用的要求，保证零件在本较低的材料，以降过程中不发生断裂或使用过程中不发生腐低生产成本塑性变形蚀失效工程设计中的材料选择明确设计要求1明确零件的功能、使用环境、载荷情况、精度要求、寿命要求等收集材料数据2收集各种金属材料的性能数据、工艺数据、价格数据等初步选择3根据设计要求和材料数据，初步选择几种合适的金属材料详细分析4对初步选择的金属材料进行详细分析，包括强度分析、刚度分析、腐蚀分析、工艺分析、经济性分析等最终确定5根据详细分析结果，最终确定最合适的金属材料金属材料的性能测试力学性能测试测试金属材料的强度、硬度、塑性、韧性等性能化学成分分析分析金属材料的化学成分，确定其是否符合标准要求金相检验观察金属材料的微观组织，分析其是否符合工艺要求无损检测在不破坏金属材料的情况下，检测其内部缺陷金属材料的检测方法破坏性检测无损检测1需要破坏金属材料才能进行的检不需要破坏金属材料就能进行的检测，如拉伸试验、冲击试验、硬度测，如超声波检测、射线检测、磁2试验等粉检测等力学性能测试拉伸试验1测定金属材料的强度、塑性等性能冲击试验2测定金属材料的韧性硬度试验3测定金属材料的硬度金属材料的应用领域航空航天1飞机、火箭、卫星等汽车工业2汽车车身、发动机、底盘等机械制造3机床、设备、工具等电子电气4电子元件、电器设备、电线电缆等建筑5桥梁、房屋、钢结构等航空航天领域航空航天领域对材料的性能要求非常高，需要高强度、轻量化、耐高温、耐腐蚀等铝合金、钛合金、钢等金属材料在航空航天领域得到广泛应用汽车工业车身发动机底盘高强度钢、铝合金铝合金、铸铁钢、铝合金汽车工业是金属材料的重要应用领域随着汽车轻量化、节能、环保的要求越来越高，铝合金、高强度钢等轻质高强金属材料在汽车上的应用越来越广泛机械制造机床设备工具铸铁、钢钢、铝合金工具钢、高速钢电子电气电子元件电器设备12铜、铝、金、银等钢、铜、铝等电线电缆3铜、铝课程总结与展望课程总结本课程系统介绍了金属材料的基础知识、性能特点、加工工艺以及应用领域，为学生提供全面深入的学习资源课程展望随着科技的不断发展，金属材料将在更多领域发挥重要作用希望学生能够继续学习和探索，为金属材料的发展做出贡献未来金属材料发展趋势轻量化耐高温耐腐蚀发展轻质高强金属材料，发展耐高温金属材料，如发展耐腐蚀金属材料，如如铝合金、镁合金、钛合高温合金、金属间化合物不锈钢、钛合金等，以满金等，以满足航空航天、等，以满足航空航天、能足化工、海洋等领域的需汽车等领域的需求源等领域的需求求绿色环保发展可回收利用的金属材料，减少环境污染，实现可持续发展。