金属材料论文-修订编选

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1、1 目录目录 一、金属材料的性质一、金属材料的性质 二、铁碳合金二、铁碳合金 三、金属的工艺性能三、金属的工艺性能 四、金属材料的改性方法四、金属材料的改性方法 五、金属材料的发展趋势五、金属材料的发展趋势 六、参考文献六、参考文献 2 金属材料的性质金属材料的性质 在自然界中，金属元素占 75%。价电子数目少，电子层数较多，原子核对价电子的引 力较弱，价电子容易脱离原子核的束缚而形成自由电子是其金属原子的结构特点。 自由电子在正离子之间作高速运动， 形成带负电的电子云， 正离子与电子云之间产生强 烈的静电吸引力， 金属原子间这种正离子与自由电子的引力结合称为金属键。 金属键与非金 属原子间的

2、结合键不同。由于金属键的作用力很大，并且大量的原子结合成整体金属，固金 属的强度高 ； 金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在外力作用下发生原子位置的 相对移动时，金属健也不会遭到破坏，所以金属具有比较好的塑性变形能力 ； 由于金属中的 自由电子在电场的作用下作定向运动， 使金属具有导电性， 金属离子在平衡位置可以作热振 动，且温度越高，金属离子的振幅越大，因此金属具有良好的导热性。 固态金属的原子彼此靠金属键结合在一起， 表现出有规则的特征， 即固态金属具有晶体 结构。固态金属的晶格有多种形式，除少数具有复杂的结构外，大多数都属于体心立方，面 心立方和密排六方三种中的一种： 体心立方晶

3、格的结构特点：8 个原子组成一个立方体，立方体的中心处还有一个原子。 这种晶胞所占有的实际原子数为 2，各棱边长度相等；具有这种结构特点的金属有：W、Cr、 Mo、V、Nb 等。 面心立方晶格的结构特点：8 个原子组成一个立方体，立方体各面的中心处还分布有 1 个原子。这种晶胞所占有的实际原子数为 4，各棱边长度相等 ； 具有这种结构的金属有 ： Cu、 Al、Ni、Pb 等。 密排六方晶格的结构特点 ： 12 个原子组成一个六棱柱体，上下两个六边形中心处各有 1 个原子， 六棱柱体的心部所占有的实际原子数为 6。 具有这种晶格的金属有 ： Mg、 Be、 Cd、 Zn 等。 以上的三种晶格是

4、一种理想的状况， 与实际金属的晶体结构有很大的差距。 实际金属的 原子排列不可能像理想晶体那样规则和完整，由于要受到加工、凝固以及其它因素的影响， 实际晶体中总存在着偏离完整性的区域，这些区域就称为晶体缺陷。按几何特征，晶体缺陷 可分为点缺陷，线缺陷和面缺陷。 （1）点缺陷 结晶过程中，在高温下或由于辐照等，晶体中会产生点缺陷。其特征是三维 方向上尺寸都很小，仅引起几个原子范围的不完整，该缺陷就是点缺陷。包括空位， 间隙原子和异类原子三种。 （2）线缺陷 指晶格中某一列或若干列原子出现有规律的错排，破坏了晶格的规则而形成 的缺陷。位错的种类很多，但最简单、最基本的有两种类型：一种是刃型位错，另

5、一 种是螺型位错。 （3）面缺陷 面缺陷主要是指晶界、亚晶界等。其特点是两个方向尺寸较大，一个方向尺 寸很小。 铁碳合金铁碳合金 一 合金及其结构 两种或两种以上的元素组成的金属物质称为合金。合金是金属，因而合金的组元中含 有较大比例的金属元素。而其他含量少的元素可以是金属元素，也可以是非金属元素。如黄 铜是铜锌合金，黄铜的组成元素都是金属元素。而钢是铁、碳等元素组成的合金，所含铁、 锰等元素是金属元素， 但碳、 硅等则是非金属元素。 合金中各组元之间相互影响、 相互作用， 因而可组成各种不同的结构。 1.固溶体 3 固态合金中， 各组元相互溶解而形成的均匀物质称为固溶体。 固溶体根据溶质原子

6、在固 溶体中所处的位置不同，可分为两种： （1）置换式固溶体 溶质原子替代溶剂的部分原子占据着晶格的正常位置，仍结合成溶剂 的晶格类型所形成的固体，称为置换式固溶体。 （2）间隙式固溶体 溶质原子存在于溶剂晶格间隙处所形成的固溶体，称为间隙式固溶 体。 无论哪种固溶体，由于溶质原子的掺入，固溶体的晶格都存在畸变现象，从而改变了合 金性能，表现为强度指标升高。 2.化合物 合金的组元按固定比例经化合而形成的物质称为化合物。 3.机械混合物 合金中的组元以各自的晶格类型相互掺杂在一起的结构， 称为机械混合物。 机械混合物 可以是纯元素、固溶体或化合物各自存在的混合物，也可以是三者兼有的混合物结构（

7、此种 结构在实际生活中较为常见） 。合金的性能随混合物中各种结构的比例不同而在较大范围内 变化。 二 铁碳合金的基本组织 现在工业中广泛使用的碳钢和铸铁就是以铁和碳为主要元素组成的合金。当加入某些 元素后，更加扩大了钢铁材料的品种。钢铁材料的品种有百余种，其原因是与铁碳合金在结 构上的多样性和易变性有着密切的关系。 （1）铁素体 铁素体是碳溶解在-Fe 中的固溶体，用符号 F 表示。铁素体具有体心立方 晶格，属间隙式固溶体，溶碳量很有限。室温时仅可溶解 0.006%的碳，727时溶碳量可达 0.0218%。铁素体的性能与纯铁相近，强度较低，布氏硬度值约为 80，而塑性和韧性较好。 （2）奥氏体

8、 奥氏体是碳溶解在-Fe 中的固溶体，用符号 A 表示，奥氏体具有面心立方 晶格，属间隙式固溶体。奥氏体溶解碳的能力较强，温度在 1148时溶碳质量分数可达 2.11%。随着温度的降低，其溶碳能力下降，727时溶碳质量分数为 0.77%。奥氏体属高温 组织，无磁性。只有当某些合金元素含量较多时，奥氏体才能保持到室温。奥氏体的强度不 高，而塑性很好，适合塑性加工成形。 （3） 渗碳体 渗碳体是铁和碳形成的金属化合物， 用 Fe3C 表示。 其含碳质量分数为 6.69%， 具有复杂的晶格结构。渗碳体的硬度高，塑性和韧性很差，是一种脆性组织。铁碳合金的性 能在很大程度上与渗碳体的数量、形状和分布状态

9、有关。 （4） 珠光体 珠光体是奥氏体在恒温条件下分解而获得的机械混合物， 由铁素体和渗碳体 组成，用符号 P 表示。珠光体的含碳质量分数为 0.77%，呈层状结构。珠光体的力学性能介 于铁素体和渗碳体的性能之间，具有一定的塑性和韧性。 （5） 莱氏体 莱氏体是液态合金在恒温条件下结晶后获得的机械混合物， 由奥氏体和渗碳 体组成，用符号 Ld 表示。莱氏体的含碳质量分数为 4.3%。温度低于 727的莱氏体是由珠 光体与渗碳体组成的机械混合物，用符号 Ld表示。由于渗碳体在莱氏体中所占比例圈套， 故莱氏体属脆性组织。 金属的工艺性能金属的工艺性能 金属的工艺性能是一种综合性能，是金属材料在工艺

10、过程中所具有和表现出来的性能。 它与金属的物理性能、化学性能、力学性能等有关，也与环境有关。金属材料工艺性能的优 劣，不仅影响工艺过程的繁简难易程度，也影响金属制品质量的高低粗精。目前工业中的金 属制品，尤其是机械零件，仍以钢铁为主要材料。 金属的加热可以分为平衡加热和非平衡加热两种： 4 1.平衡加热 对金属进行平衡加热是指加热速度缓慢，金属发生的变化时间足够、不受约束、周围 介质不参与变化的加热状态。 整体金属受热，其温度达到该金属状态图的液态线温度后，就转变为液体状态。温度 低于该金属图的固态线时，金属内部应有组织转变过程发生。 2.非平衡加热 （1）金属组织转变 不具备平衡加热条件的升

11、温都是非平衡加热。表现为加热速度快、温度分布不均匀， 存在局部金属温度过高， 工件各部分之间或表层与心部之间温差大。 当周围介质再勇者参与 热过程时，必将使加热结果极不理想，影响零件的最终质量。实际生产中，非平衡加热是最 普通的加热状况。 金属非平衡加热时，其内部温度的分布很不均衡，因而金属组织的变化大大不同于平 衡加热时的组织结果。显然，此时金属组织的转变是一个与温度和时间有关的动态过程。组 织转变结果主要取决于各层金属所能的最高温度。据此，可以依据最高温度、参照平衡加热 转变的结果加以分析。 金属工件在热处理或塑性加工过程中，加热速度快、加热不均匀或保温时间过长，同 样会发生不理想变化，势

12、必影响产品性能。 （2）加热缺陷 加热缺陷包括过热和过烧，氧化和脱碳，吸气及蒸发，应力和变形。 由于实际金属材料中不可避免地有杂质存在， 同时在非平衡加热中周围介质一定参与反 应，极生过烧缺陷。过烧是指加热温度尚未到达该金属的熔点时，金属内部出现液态物质的 现象。这是由于杂质多以低熔点共晶体存在于晶界处，降低了该处物质的熔点所致。 金属在氧化性气氛中加热， 不可避免地会产生氧化现象， 对于钢铁材料就是形成氧化皮， 不仅损耗金属，还将影响产品的精度和表面质量。氧化皮附着在金属表面上，会降低模具的 寿命，加快切削刀具的磨损。氧化皮形成的同时，钢铁材料中其他元素也会被氧化，尤其是 碳元素会与氧结合生

13、成 CO 进入炉气中，使金属表面层的含碳量降低，此称为脱碳。脱碳后 的钢铁材料，表面硬度降低，耐磨性锐减，从而影响使用性能。 吸气和蒸发现象的出现，会严重改变金属成分和结构，即有害气体成分增多，有益元素 减少。这种金属再盗劫至室温时，其性能明显变差。 非平衡方式加热金属工件时，必然存在温差较大状态，引起工件各部分的膨胀量不同。 当彼此制约而不能自由伸长时，就会形成应力，变形或裂纹。 综上所述，非平衡加热会产生缺陷，甚至是出现严重后果的缺陷。因此，必须严格控制 加热规范，并针对加热条件、材料特性及工件结构特点等，采取必要的工艺措施来防止加热 缺陷的产生。 金属材料的改性方法金属材料的改性方法 金

14、属材料的原始性能能不能满足各种零件工作条件的要求， 必须采用某些工艺方法 （热 处理、塑性变形等）使之具有理想的性能。金属性能主要取决于内部结构，一切改变金属内 部结构的手段均属改性方法。其中，热处理工艺是主要方法。 一、整体热处理方法 热处理是指金属在固态下通过改变温度、 保温和随后调整至室温， 实现改变金属组织， 从而获得所需性能的工艺方法。 热处理中改变温度的目的是使金属内部发生组织转变， 保温 的作用主要是保证组织转变进行得彻底。 调整至室温的阶段是热处理中的重要阶段。 经过这 个阶段可使金属具有多种组织结构，且性能差异很大，极大地扩展了金属的使用范围，满足 5 了科学迅速发展对金属制

15、品的各种要求。因此，热处理工艺在工业中占有很重要的地位。 其中热处理方法包括退火，正火，淬火，回火几个方面。退火又可根据加热温度的不 同分为完全退火，球化退火，等温退火，扩散退火，去应力退火，再结晶退火。 正火冷却速度比退火快，得到的是非平衡组织，因而钢的性能有很大改变。正火的作 用因钢种不同且有很大的差别。 （1）对普通结构钢件或低碳钢、低合金钢件，正火的目的是消除过热组织、细化晶粒、 提高硬度、改善切削加工性，为保证后续加工质量和满足使用性能的要求奠定基 础。 （2）对中碳结构钢工件，正火可消除成形工艺过程中产生的某些组织缺陷，保持合适 的硬度，便于切削加工，为后续热处理作好组织准备。 （

16、3）对过共析钢，经正火后可消除网状二次渗碳体，为球化退火和后续淬火作组织准 备。 （4）结某些高合金钢件，正火的冷却速度有可能大于获得马氏体的临界冷却速度，因 而正火起到了淬火作用，故此时应把正火处理称为空淬。 1.淬火是指把钢加热到组织转变温度以上 3050，保温后快速冷却的处理工艺。其目 的在于获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。其中淬 火方法有以下几种： （1）单液淬火法 将加热到奥氏体状态下的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。 此法的 优点是操作简单，容易实现机械化，缺点是工件的表面与心部温差较大，易造成淬火应力或 硬度不均匀现象。 （2）双液淬火法 将加热到奥氏体状态下的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却到马氏体转变开始温度， 立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却， 直至完成马氏体转变。 此法的优点是既可避免奥 体在高温下的转变，又可使马氏体转变比较缓慢，以减小内应力、变形和开裂的倾向。缺点 是工件的表面与心部的温差仍然较大， 第一种介质中的停留时时间不易掌握， 需要有实践经 验。 （3）分级淬火法 将加热到奥