《金属材料及其应用》课件

金属材料及其应用金属材料是现代工业文明的基石，从古代的青铜器时代到现代的钢铁工业，金属材料的发展推动着人类社会的进步本课程将系统地介绍金属材料的基本理论、加工工艺、组织结构与性能关系，以及在各个领域的工程应用通过学习金属材料科学，我们能够深入理解材料成分、工艺、组织与性能之间的内在联系，掌握材料设计的基本原理，为未来的工程实践和技术创新奠定坚实的理论基础课程概述课程总学时45学时教学主线清晰涵盖理论教学32学时，实验实践13学时，确保理论与实践以材料成分-工艺-组织-性能-应用关系为核心，构建完整的相结合的教学效果知识体系核心理念突出内容全面深入强调合金化原理及辩证思想，培养学生的系统思维和创新包含金属材料基本性能、晶体结构、热处理工艺等关键知能力识点第一章金属材料概述重要地位发展简史研究趋势金属材料在现代工业中占据核心地位，从新石器时代的天然金属使用，到青铜当前金属材料研究重点集中在高强度轻是机械制造、建筑工程、交通运输等领时代的合金技术，再到现代的高性能特量化、智能化响应、绿色环保等方向，域不可或缺的基础材料全球金属材料种合金，金属材料技术经历了数千年的纳米金属、记忆合金等新材料不断涌年产量超过20亿吨，产值达数万亿美发展历程现元金属材料的分类按化学成分分类按用途分类黑色金属以铁为主要成分，包括各种钢铁材料有色金属包括铝、铜、结构材料主要承受机械载荷，要求具有良好的强度和韧性功能材料具锌、镁、钛等非铁基金属及其合金黑色金属产量占总产量的90%以有特殊的物理化学性能，如导电、导磁、耐蚀等功能上按微观组织分类按加工状态分类单相合金具有均匀的显微组织结构，性能各向同性多相合金由两种或铸态材料直接从熔融状态凝固成型锻态、轧态材料经过塑性变形加多种相组成，可通过相的配合获得综合性能工，组织致密，性能提高不同加工状态决定了材料的最终性能黑色金属简介铁基合金为主体主要种类齐全经济优势明显以铁为基础元素，通过包括碳钢、合金钢、铸成本低廉，强度高，加添加碳、锰、硅、磷、铁三大类，每类又细分工性能好，资源丰富，硫等元素形成的合金系为多个品种，能满足不是最具性价比的结构材统，是工业应用最广泛同工程应用的性能要求料，广泛应用于各个工的金属材料业领域产量占主导地位产量占全球金属材料总产量的90%以上，年产量超过18亿吨，是现代工业文明的重要支柱有色金属简介航空航天应用电子电气领域密度低、比强度高的特点优异的导电导热性能•飞机机身结构件•电线电缆导体•火箭发动机部件•集成电路基板•卫星框架材料•散热器件材料交通运输工具化工设备制造轻量化和节能要求良好的耐腐蚀性能•汽车车身零件•化工反应器•高铁列车部件•海洋工程设备•船舶螺旋桨•食品加工设备第二章金属材料基本性能物理性能包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性等基本物理参数，这些性能反映了金属原子结构和电子状态的特征化学性能主要指金属在各种环境中的耐腐蚀能力、化学稳定性和电化学特性，决定了材料的使用寿命和适用环境力学性能包括强度、硬度、塑性、韧性等机械性能指标，是结构材料设计和选用的主要依据工艺性能反映材料在加工制造过程中的适应性，包括铸造、锻造、焊接、切削等工艺性能金属的物理性能

7.85钢材密度g/cm³，是结构设计中重要的基础参数1538铁的熔点摄氏度，决定了钢铁冶炼的工艺温度100铜的导电率%IACS，国际退火铜标准的导电性基准429银的导热系数W/m·K，金属中导热性能最优秀的材料金属的物理性能是由其电子结构和原子排列决定的固有特性密度影响材料的重量和使用经济性，熔点决定了加工温度范围，导电导热性决定了在电子电气领域的应用价值磁性材料如铁、钴、镍在电机制造和信息存储等领域具有重要应用金属的化学性能耐腐蚀性能金属在大气、海水、酸碱等环境中抵抗腐蚀的能力不锈钢通过添加铬元素形成致密氧化膜实现耐蚀，铝合金表面的氧化铝膜起到保护作用化学稳定性材料在化学介质中保持组织和性能稳定的能力钛合金在多种化学环境中表现出优异的稳定性，因此广泛用于化工设备制造抗氧化性能高温下抵抗氧化的能力对耐热材料至关重要镍基高温合金通过形成Cr2O3保护膜在1000℃以上仍能正常工作材料选择原则根据使用环境选择合适的材料海洋环境选用耐海水腐蚀的铜合金，高温环境选用耐热钢，化工环境选用耐酸不锈钢金属的力学性能I强度性能测试抗拉强度是材料在拉伸载荷下的最大承载能力，通常用σb表示屈服强度σs是材料开始产生塑性变形时的应力值，是结构设计的重要依据优质碳钢的抗拉强度一般在400-600MPa范围内硬度测试方法布氏硬度HB适用于较软材料，测试范围广但压痕较大洛氏硬度HRC/HRB测试快速方便，适合生产检验维氏硬度HV适用于薄片和表面硬化层测试，压痕小精度高塑性和韧性指标伸长率δ和断面收缩率ψ反映材料的塑性变形能力冲击韧性αk表示材料在冲击载荷下的能量吸收能力断裂韧性KIC是现代断裂力学的重要参数，用于评价材料的抗裂纹扩展能力金属的力学性能II疲劳性能材料在交变载荷下的破坏抗力蠕变性能高温长期载荷下的变形特性断裂性能材料的断裂模式和抗断能力应力腐蚀应力和腐蚀环境共同作用下的破坏疲劳破坏是工程中最常见的失效形式，约占机械零件失效的80%以上疲劳极限是材料能承受无限次循环而不发生疲劳破坏的最大应力蠕变现象在高温服役的燃气轮机叶片、锅炉管道等部件中尤为重要应力腐蚀开裂是应力、腐蚀介质和敏感材料三因素共同作用的结果金属的工艺性能第三章金属材料的晶体结构晶体结构基础缺陷对性能的影响结晶与相变金属原子按照一定规律在三维空间中周实际金属晶体中存在各种缺陷，这些缺金属的结晶过程和相变行为决定了最终期性排列形成晶体结构不同的晶体结陷虽然破坏了晶体的完整性，但往往是的组织结构理解结晶规律和相变机制构类型决定了金属的基本物理和化学性决定材料性能的关键因素通过控制缺对于控制材料组织和性能具有重要意质，是理解金属性能的重要基础陷可以调控材料性能义•原子排列的周期性•点缺陷的扩散作用•形核与长大过程•晶胞的几何特征•位错的强化机制•相变驱动力•配位数和致密度•晶界的阻碍效应•组织遗传性金属晶体的基本类型晶体结构典型金属配位数致密度主要特点体心立方BCCα-Fe、Cr、Mo、W868%强度高，塑性较差面心立方FCCγ-Fe、Al、Cu、Ni1274%塑性好，易变形密排六方HCP Mg、Ti、Zn、Co1274%各向异性明显不同晶体结构的金属表现出不同的力学性能特征面心立方结构具有较多的滑移系，因此塑性变形能力强，适合冷加工成形体心立方结构的滑移系较少，但强度较高密排六方结构的滑移系最少，表现出明显的各向异性晶体缺陷点缺陷零维缺陷，包括空位、间隙原子和置换原子线缺陷一维缺陷，主要是各种类型的位错面缺陷二维缺陷，如晶界、亚晶界、层错等体缺陷三维缺陷，包括夹杂物、气孔、裂纹等晶体缺陷是材料科学中的核心概念点缺陷影响扩散过程，是热处理的微观基础位错是塑性变形的载体，位错密度决定材料的强度晶界阻碍位错运动，细化晶粒可以提高强度体缺陷通常是有害的，应尽量避免通过缺陷工程可以实现材料性能的精确调控金属的结晶过程形核过程晶核长大液态金属中形成稳定晶核的过程，需要晶核通过界面迁移不断长大，伴随着热克服表面能形成临界晶核量和溶质的传递组织形成晶粒相遇最终形成由许多晶粒组成的多晶体组织不同晶核长大的晶粒相互接触，形成晶结构界完成结晶结晶过程的控制是获得理想组织的关键增加过冷度可以提高形核率，获得细小晶粒添加形核剂可以增加形核质点数量控制冷却速度可以调节晶粒大小，细小的晶粒组织通常具有更好的综合性能合金的晶体结构固溶体化合物共晶组织相图应用置换型和间隙型固溶体的形成金属间化合物的结构特点和性两相交替排列的层片状组织利用相图指导合金设计和工艺条件能制定合金的晶体结构比纯金属复杂得多，通常由多种相组成固溶体保持基体的晶体结构，通过固溶强化提高强度金属间化合物具有特殊的晶体结构和性能共晶组织具有良好的强韧性配合相图是合金设计的重要工具，通过相图可以预测不同成分和温度下的相组成和组织结构第四章金属的塑性变形微观变形机制金属塑性变形主要通过滑移和孪生两种机制实现滑移是原子面相对滑动，孪生是晶格的镜面对称变形加工硬化现象塑性变形过程中材料强度和硬度增加，塑性下降的现象这是由于位错密度增加导致的强化效应热处理恢复通过加热可以消除变形产生的内应力和缺陷，恢复材料的塑性，这包括回复和再结晶过程温度效应变形温度对材料性能有重要影响冷加工增加强度，热加工保持塑性，温加工兼顾强度和塑性塑性变形的微观机制滑移变形机制孪生变形特点位错运动规律结构差异影响滑移是最主要的塑性变形孪生变形产生镜面对称的位错的滑移和攀移是塑性不同晶体结构的变形能力方式，在滑移面上沿滑移晶体取向，在密排六方结变形的载体位错密度的差异巨大面心立方金属方向发生相对滑动面心构中较为常见孪生对变增加导致相互作用增强，塑性最好，密排六方次立方结构有12个滑移系，形的贡献通常小于滑移，使继续变形需要更高的应之，体心立方较差这直变形能力强体心立方结但在低温或高应变率条件力，这是加工硬化的微观接影响了不同金属的加工构滑移系较少，需要更高下更容易发生机制工艺选择的应力才能启动滑移加工硬化现象回复与再结晶晶粒长大控制再结晶过程再结晶完成后继续加热会导致晶粒长大，回复阶段特征当温度达到再结晶温度约

0.4Tm时，形核这是界面能减小的驱动结果过度的晶粒在较低温度下，变形产生的点缺陷开始消并长大出无畸变的新晶粒，完全替代变形长大会使材料塑性提高但强度下降，因此失，位错重新排列形成亚晶界，内应力部组织再结晶温度与变形程度、合金成需要合理控制退火工艺参数分释放此时强度略有下降，但塑性改善分、加热速度等因素有关，变形程度越大不明显，显微组织基本保持纤维状特征再结晶温度越低冷、热加工对性能的影响冷加工特点热加工特点温加工应用在再结晶温度以下进行的塑性加工称为在再结晶温度以上进行的塑性加工称为介于冷热加工之间的温加工可以兼顾两冷加工冷加工使材料产生加工硬化，热加工变形与再结晶同时进行，材料者的优点在钢铁工业中，控制轧制技强度和硬度提高30-80%，但塑性和韧性保持良好的塑性，变形抗力小，适合大术就是温加工的典型应用，既保证了变下降变形量加工形能力又获得了细晶强化效果•位错密度显著增加•变形抗力显著降低•能耗相对较低•晶粒拉长成纤维状•无加工硬化现象•组织性能可控•产生较大的残余应力•可获得等轴晶组织•表面质量较好•表面质量和尺寸精度高•能够破碎柱状晶•适合精密成形第五章金属的热处理工艺目标获得理想的组织和性能关键参数温度、时间、冷却速度的精确控制微观机制相变、扩散、析出等物理化学过程基本过程加热、保温、冷却三个基本工序热处理是通过加热、保温和冷却的方式改变金属内部组织结构，从而获得所需性能的重要工艺它是材料科学与工程的核心技术之一，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车工业等领域合理的热处理可以显著提高材料的使用性能和使用寿命热处理的基本概念工艺定义与目的基本工序流程热处理是在固态下通过加热、保加热到预定温度，保温使组织转温、冷却等方式改变金属内部组变充分进行，然后以适当速度冷织结构的工艺方法主要目的是却获得所需组织每个工序都需消除内应力、细化晶粒、改善组要精确控制，任何偏差都可能影织、提高性能响最终效果关键工艺参数加热温度决定相变类型，保温时间保证转变完全，冷却速度控制最终组织这三个参数相互关联，需要综合考虑材料成分和性能要求来确定热处理与成分、组织、性能关系成分决定基础合金元素含量决定了临界转变温度、转变动力学和最终可能获得的组织类型碳含量是钢铁材料最重要的成分因素，直接影响强度和硬度水平工艺控制过程热处理工艺参数控制着相变的进行过程，包括转变温度、转变速度和转变程度不同的工艺路径可以得到不同的组织结构组织决定性能最终形成的显微组织类型和形态特征直接决定了材料的力学性能、物理性能和化学性能细小均匀的组织通常具有更好的综合性能反馈优化循环通过性能测试结果反馈调整工艺参数，实现成分-工艺-组织-性能的最优匹配这是材料设计和工艺优化的基本思路钢在加热时的组织转变1铁素体转变低碳钢中的铁素体在Ac1温度以上开始向奥氏体转变，这是一个扩散控制的过程2珠光体分解珠光体中的渗碳体溶解，碳原子扩散到奥氏体中，形成均匀的奥氏体组织3奥氏体化完成当温度达到Ac3以上时，组织完全转变为单一的奥氏体相，为后续冷却转变做准备4奥氏体均匀化继续加热和保温使奥氏体成分和晶粒大小趋于均匀，消除成分偏析钢在加热过程中的组织转变是热处理的基础临界温度Ac

1、Ac3是重要的工艺参考点，加热速度影响转变的完全程度，过快加热可能导致转变不充分奥氏体化的充分程度直接影响后续冷却时的组织转变和最终性能钢在冷却时的组织转变珠光体转变贝氏体转变500-650℃温度范围内的共析分解200-500℃中温转变产物•层片状铁素体和渗碳体•上贝氏体和下贝氏体•扩散型相变机制•半扩散型相变•冷却速度适中时形成•强度韧性配合良好TTT和CCT曲线马氏体转变描述转变动力学的重要工具200℃以下的无扩散相变•等温转变图TTT•针状或板条状形态•连续冷却转变图CCT•硬度高但韧性差•临界冷却速度概念•快速冷却时形成钢的普通热处理工艺退火工艺正火工艺淬火回火完全退火加热至Ac3+30~50℃后缓慢冷加热至Ac3+30~50℃后空气中冷却，冷淬火获得马氏体组织，硬度高但脆性却，获得接近平衡的组织球化退火在却速度比退火快可细化晶粒，获得均大回火可调整强度和韧性的配合，根Ac1附近进行，使渗碳体球化应力消除匀组织，常作为预备热处理或最终热处据回火温度分为低温、中温、高温回退火在500-650℃进行理火•消除内应力•细化晶粒组织•获得高强度•降低硬度•提高强度韧性•调整强韧配合•改善切削性能•消除网状渗碳体•满足性能要求退火工艺详解完全退火工艺将钢加热至Ac3+30~50℃，保温充分奥氏体化后随炉缓慢冷却主要用于中碳钢和中碳合金钢，可获得细小均匀的珠光体组织球化退火特点将钢加热至Ac1+20~30℃或在Ac1附近温度反复加热冷却，使片状渗碳体球化主要用于高碳钢和工具钢，改善切削加工性能等温退火优势加热至奥氏体化温度后快速冷却至珠光体转变温度等温转变时间短、组织均匀、便于批量生产，特别适用于合金钢应力消除退火在500-650℃温度范围内加热保温，消除焊接、冷加工等产生的残余应力不改变组织类型，只是消除内应力和稳定尺寸淬火工艺详解淬火温度选择淬火介质特性淬透性概念亚共析钢选择水冷速度快但易开裂，油冷钢在淬火时心部能够淬成马Ac3+30~50℃，过共析钢选速度适中变形小，盐水和聚氏体的能力与钢的化学成择Ac1+30~50℃温度过高合物水溶液可调节冷却特分、奥氏体晶粒度、淬火介会导致奥氏体晶粒粗大，温性选择原则是保证淬透又质等因素有关合金元素提度过低则淬透性不足防止开裂高淬透性淬火组织特征主要为马氏体组织，具有高硬度但韧性差的特点马氏体的形态有板条状和针状两种，碳含量影响马氏体的形态和性能回火工艺钢的表面热处理

1.5700硬化层深度表面硬度mm，典型的表面硬化层厚度范围HV，感应淬火后可达到的表面硬度603硬度梯度主要方法数量HRC，从表面到心部的硬度变化火焰淬火、感应淬火、化学热处理表面热处理技术实现了表面高硬度与心部高韧性的理想配合感应淬火利用电磁感应快速加热表面，适合批量生产火焰淬火设备简单成本低，适合大型工件化学热处理通过渗入合金元素改变表面成分，可获得优异的耐磨和耐蚀性能这些技术广泛应用于齿轮、轴类、模具等关键零部件第六章钢的合金化合金元素作用机理通过固溶强化、析出强化等机制提高性能相图影响规律扩大或缩小奥氏体区，影响临界温度热处理特性改变提高淬透性，影响回火稳定性特殊性能获得耐蚀、耐热、磁性等功能特性钢的合金化是通过添加合金元素来改善钢的性能和扩大应用范围的重要手段不同的合金元素具有不同的作用机理和效果，需要根据使用要求合理选择和配比合金化不仅可以提高强度和韧性，还能赋予钢材特殊的功能性能，如不锈钢的耐腐蚀性、工具钢的耐磨性等合金元素在钢中的作用强化作用组织影响热处理影响特殊性能固溶强化和析出强化是主要机稳定奥氏体或铁素体相区改变淬透性和回火稳定性耐蚀、耐热、磁性等功能制合金元素通过多种机制影响钢的性能铬、钼、钨等元素提高淬透性和回火稳定性镍稳定奥氏体并提高韧性铬是最重要的耐蚀元素，含量超过12%时形成不锈钢硅提高弹性和电阻率锰是良好的脱氧剂和脱硫剂合理的合金元素配比可以获得优异的综合性能。