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1、1,8.1 金属材料的化学组成,8.2 金属材料的结构,8.3 金属材料的生产工艺,第八章,金属材料概况,8.1 金属材料的化学组成,金属材料包括：纯金属和合金,2,特点：良好的强度、塑性、韧性、导热性、导电 性以及可加工性等。,纯金属： 从天然矿物中冶炼出来，然后用电冶、电 解等方法提纯。,金属合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素 与非金属元素构成的具有金属性质的物 质。,3,合金：固溶体、共熔晶、金属间化合物以及它们的 聚集体。,如： 黄铜（铜和锌的合金） 二元合金 硬铝（铝、铜、镁合金） 三元合金,8.2 金属材料的结构,金属晶体多数分别属于典型金属型晶体结构,少部分属于金刚石型晶
2、体结构。,4, 金属材料（多晶体）包括：纯金属（单质）、合金。一般情况都是多晶体。, 合金 按化学组成合金是两种以上金属元素or金属元素与非金属元素构成具有金属性质的物质。,按晶体结构合金分为固溶体和金属化合物两大类。,按溶质原子在溶剂晶格中的分布位置，固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。 随着溶质含量的提高，通常都会使固溶体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。 这种溶入溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象，称之为固溶强化。,5,1 固溶强化,2 金属化合物,合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时将析出新相。若新相的晶格不同于任一组元，则新相是组元间形成的一种新物质化合物。 这些化合物均
3、具有相当程度的金属键及明显的金属特性，故称为金属化合物。这种化合物均具有复杂的晶格、熔点高，硬而脆。 当合金中形成这种化合物时，将使合金的熔点、强度、硬度提高。塑性、韧性下降。是合金的重要组成相。,6,金属材料的结构是由晶相、晶粒的形状、大小和分布等基本组织所组成的。 晶粒内部的结合力是化学键；晶粒间、晶界上的的结合力是机械结合（共析体）。晶粒间的结合力比晶粒内部的结合力小。 一种金属材料的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的微观组织。,7,3 金属材料的显微结构,4 金属材料一般特性,在常温下一般为固体； 熔点一般较高，Sn、Pb、Zn、Al等较低； 密度一般都较大，Mg、Al密度较
4、小； 呈现固有的金属光泽； 纯金属的延展性较大； 导热性和导电性好； 多数金属在空气中易被氧化； 合金的性质取决于母相金属的性质和合金的组成，一般合金较硬、较脆，延展性变小、导电性也变小。,8,根据方程（33），还原磁铁矿的总反应方程为：,反应式（3-5ab）的复合反应称为矿石与煤炭的间接还原反应。,矿石直接还原似乎是可能的。事实上，若温度低于1100时，这种反应是不可能出现的，因为一旦在矿石外表产生了金属铁，它就立即把还原反应的双方隔开，使反应无法继续进行下去。 实际的还原反应是两步的气固反应，COCO2混合气体起着把氧从金属“M”传递给还原剂“R”的作用:,8.3 金属材料的生产工艺,1）
5、高炉是根据逆流反应器原理建造的竖式鼓风炉，如图3-18所示，其简要的运行过程如下：,10,金属材料的加工工艺,材料的加工 是把材料制备成具有一定形状尺寸和性能的制品的过程。主要指材料的成形加工、内部组织结构的控制以及表面处理等。,11,金属材料的加工工艺包括 铸造、压力加工、焊接和粘接、热处理、切削加工等等，热处理工艺是只改变组织性能，不改变形状的过程。,铸造是将金属材料由液态直接成形的一种通用方法，即将熔融金属浇注到型腔内，凝固后得到一定形状的铸件。,12,（1） 铸造,特点,13,一次成形 用于各种成分、形状和重量的构件，内腔形状复杂的零件。 成本低廉。 适用于韧性很差的材料如铸铁， 适用
6、于高温合金复杂形状成形。 缺点机械性能。,应用,14,汽缸体、汽缸盖、凸轮轴、活塞环、挺杆、进气管、曲 轴、摇壁， 机床床身、齿轮箱、水暖管道。,各种金属材料铸造性能比较,人为地向熔融金属中添加一些高熔点的、晶体结构相近的细小的杂质作为核心，促进不均匀形核的发生而得到更多更细的晶粒。 如： 铝合金加入细化剂之后，晶粒大小可以由毫米量级减少到原来的十分之一。,细化组织，消除粗大的枝晶的方法,铸造工艺和铸件结构设计与铸件的质量的关系,缺陷的存在影响铸件的质量 浇不满、缩孔、夹杂、气孔、裂纹等。 铸造新方法 金属型铸造、压力铸造、离心铸造和熔模铸造等等。 铸件的结构设计 必须充分考虑到壁厚均匀合理、
7、转角处逐步过渡等因素。,对固态金属施加外力，通过塑性变形得到一定形状尺寸和性能的制品的过程即压力加工。 特点： 成形的独特优势（如薄板、细丝）， （重要特点）可改善金属材料的机械性能。,（2） 压力加工,通过再结晶细化晶粒，纤维流线的定向控制，晶粒内偏析组织的均匀化，夹杂物及其它组织的破碎和重新分布以及材料内部缩松的焊合等方式，提高材料的强度和韧性。 因此，加工工艺对材料性能有至关重要的影响。,压力加工分类,1 根据加工方式的不同分为： 锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等过程。 2 根据加工温度的不同分为： 热加工和冷加工。,指在再结晶温度以上进行的加工过程。再结晶温度可近似用熔点的0.4倍来估计
8、（以绝对温度表示）， 如纯铁为450。,20,1 热加工,特点,热加工过程中，材料不断回复和再结晶，消除加工硬化。 高温时材料的强度低、塑性好，可以进行大变形量、大速率的加工，（如锻造和热轧就是典型的热加工） 可以改善材料的内部组织结构。 主要缺点是不可避免表面的氧化，影响表面质量， 尺寸精度较低。 常常用于成形毛坯，供后续工序进一步精加工。,加工温度、变形量、冷却条件都可以直接影响到产品的性能。 温度高，材料的强度低，塑性变形容易，有利于提高生产效率；但氧化和脱碳程度越大，材料损耗也越大；更关键的是温度过高，晶粒过于粗大，更严重出现局部熔化的过烧现象，将使材料的韧性急剧降低。温度低，虽然对性
9、能有利，但受设备限制，温度过低则很难加工。 热加工温度的上限一般要低于熔点150-300。 合理地选择加工的温度区间是非常重要的，尤其是对于一些高温强度高的材料（高温合金）。,直接影响到产品的性能热加工的条件,4 足够的变形量和科学的变形方式（如反复锻造）能打碎材料内部的一些脆性相和减弱严重的组织偏析，对于一些高碳高合金钢，常常要求大于一定的锻压比。 5 冷却，冷却过快（包括在空气自然中冷却），导致很大的热应力和组织应力，造成产品的开裂；较快的冷速有利于提高产品的强度，如近年来发展起来的控冷控轧新技术，就是通过控制轧制和冷却工艺（吹风或喷雾），在成分不做大的改变的前提下，得到更优越的力学性能的
10、。,是指低于再结晶温度下进行的加工过程。 （1）由于温度较低，冷加工过程不能产生回复和再结晶现象。工件将不断受到加工硬化，在使工件成形的同时也使其得到强化，进一步的加工越来越困难。 （2） 冷加工可以获得较精密的尺寸和良好的表面质量。,24,2. 冷加工,（3）材料的强度很高，设备条件限制，多用于加工比较薄的产品。 如易拉罐的生产过程是先热轧得到厚板，再冷轧成薄板，最后可以通过冷冲压的方式得到制品。 （4）冷加工过程晶粒会发生变形和流动，因此冷轧产品一般在轧制的方向上性能要大大优于其它方向。,一般的金属型材、如棒材、板材、管材和线材等大都是通过轧制、挤压和拉拔等形式制成的。如汽车外壳钢板、建筑
11、钢筋、钢轨。拉拔通常是轧制或挤压的后步工序，主要用来生产各种细丝（拉丝）和薄管（拔管），如电线、电缆、钢绞线等。由于锻造可以改善金属内部的组织结构和机械性能，所以工程上的承受载荷的重要零部件必须要用锻造方式制造。如机器的主轴、重要的齿轮、炮弹的弹头、汽车的前桥等。 超塑性加工是近年来发展的新技术。金属在超细等轴晶（微米量级），高温和较慢的变形速率下，塑性会比常态提高几倍到几十倍（延伸率由10%提高到1001000%），而变形抗力则大大降低，表现象高温的玻璃一样，这种奇特的性质就是超塑性。利用超塑性现象可以用来加工形状复杂的部件，如通过压缩空气成形可以制造航天上使用球状气体容器等。其主要缺点是受
12、应变速率的限制，生产率低，成本过高，目前还只应用在一些特殊的领域。,要把各种零部件组成一个整体，成为一个有机的结构以完成一定的功能，就需要一定的连接手段。几乎所有的工程结构都是由连接在一起的不同零件组成的。一种方式是机械连接，如螺钉连接、铆接等，这种方式对材料本身的性能几乎没有影响；另一种是在工程上广泛使用的借助于物理化学过程的焊接，它往往在很大程度上改变了材料原有的成分、组织和性能，在这里重点加以介绍。,（3） 焊 接,焊接是使两个分离的固态物质借助于原子间结合力而连接在一起的连接方法。焊接是一种高速高效的连接方法，通过金属间（也可以用于金属和非金属间）的压结、熔合、扩散、合金化、再结晶等现
13、象，而使零件永久地结合，广泛地用于制造桥梁、船舶、车辆、压力容器、建筑物等大型工程结构。焊接过程对材料的影响很大，尤其是工程上大量应用的熔化焊接，相当于焊接区的局部重新冶炼和热处理过程，可以显著改变焊接区的成分、组织和性能，处理不当，会导致焊接船舶的脆断事故以及局部腐蚀失效事故等，因此焊接是一个很重要的工艺过程。,28,根据焊接过程是否施加压力，可以把焊接分为压力焊接和熔化焊接，前者主要靠压力作用，在固态下连接，后者则利用热源把母材局部或焊条合金熔化成液态，不加压的情况下，互相熔合在一起 。每一种焊接又可以根据加压、加热方式的不同分为几十种具体的焊接工艺，,29,熔化焊接包括电弧焊、气焊、气体
14、保护焊、电渣焊和钎焊等，是工程上钢铁材料的主要焊接方法。 电弧焊是应用最广泛的焊接方法，利用焊条与母材之间的电弧放电来加热熔化金属； 气焊是利用氧和乙炔气体燃烧来熔化金属，设备简单，但焊后变形大，被电弧焊逐步取代； 气体保护焊就是利用外加气体（如氩气和二氧化碳）保护焊接熔池的电弧焊，以获得高质量的焊缝； 电渣焊是利用电流通过液体熔渣所产生的电阻热来焊接，适合于厚板，生产率高，质量好。,很多零部件在通过铸造、压力加工和焊接成形之后，还要通过切削加工（也叫机加工）来提高其尺寸精度和表面光洁度，或者获得其它手段不易得到的特殊的形状。金属的切削加工可分为车、铣、刨、钻和磨五种基本的方法。此外，还有一些特殊的切削方法，如化学蚀刻、电化学加工、超声波加工、电火花加工和激光加工等，主要用于一些特定的精度要求很高的场合。切削过程基本上是零件的纯粹形状改变过程，一般不引起材料内部组织和性能的变化（少量的加工硬化除外），因此，对各种切削方法的选择主要是从其成形能力和加工精度来考虑的。另外，切削过程生产效率较低，成本相当高，所以经济因素考虑也是一个很重要的指标。如除非精度要求必要，磨削一般尽量避免。,（4） 切削加工,
