金属材料工程概论金属材料工程概论主主 编编 刘宗昌刘宗昌 任慧平任慧平 郝少祥郝少祥教教 师师 陈召松陈召松电电 话话 17708533131177085331311本教材主要内容第一章第一章 材料在国民经济中的地位材料在国民经济中的地位第二章第二章 金属材料导论金属材料导论第三章 金属材料的生产及加工第四章 金属结构材料第五章 不锈钢和耐热钢第六章 金属耐磨材料第七章 金属功能材料第八章 亚稳态材料第九章 铸铁第十章 有色金属及合金第十一章 非金属材料第十二章 金属整合系统第十三章 材料科学基础理论知识23 3.1 金属冶炼与质量控制 3.2 铸造 3.3 冷加工与热加工 3.4 焊接工程 3.5 金属热处理技术及其发展 3.6 粉末冶金 3.7 表面工程 第三章 金属材料的生产及加工第三章 金属材料的生产及加工3.1金属冶炼与质量控制 金属冶炼方法分为 ： 湿法冶金 火法冶金湿法冶金就是金属矿物原料在酸 性介质或碱性介质的水溶液进行 化学处理或有机溶剂萃取、分离 杂质、提取金属及其化合物的过 程。湿法冶金作为一项独立的技 术是在第二次世界大战时期迅速 发展起来的，在提取铀等一些矿 物质的时候不能采用传统的火法 冶金，而只能用化学溶剂把他们 分离出来，这种提炼金属的方法 就是湿法冶金。 中国古代的“湿法冶金”：西汉时期刘安所著 淮南万毕术中记载有“曾青得铁则化为 铜”其含义是把铁片放入硫酸铜溶液或其它 铜盐溶液中，可以置换出单质铜。这种方 法是现代湿法冶金先驱。53.1金属冶炼与质量控制l 火法冶金是指在高温下应用冶 金炉把有价金属和精矿中的大 量矿石分离开的各种作业。火 法冶金是提取纯金属最古老、 最常用的方法。 l 钢的生产过程大致为： l 采矿选矿炼铁炼钢连 铸轧钢钢材6 成分的控制 气体与夹杂 组织结构控制3.1金属冶炼与质量控制 连铸连续铸造，二十世纪五十年代在 欧美国家首先出现，是一项把钢 水直接浇筑成型的先进技术。 与传统的模铸法相比，具有大幅 提高金属收得率和铸胚质量、节 约能源等显著优势。3.1.2 成分的控制原则：生产金属材料，由于难于控制多相 反应的物理化学过程，势必要求合金中需 要控制的合金元素及杂志含量具有尽量宽 的规格 从原则上来看，解决方法： 1.从金属材料学角度考虑，应该尽可能使所 开发的材料成分简单，且性能随成分的变 化不大。这样便可提出成分简单而规格较 宽的金属材料。 2.从冶金学角度考虑，应该尽可能改善设备 及原材料状态，并提高技术水平。这样便 可以生产成分较为复杂而规格较窄的金属 材料。 实际生产中，应相互配合。例如：奥氏体不锈钢（无缝钢管 ） 不许有铁素体，硅是促进铁素体 形成的元素，冶炼时尽可能降低 硅的含量。 镍可以抵消硅的效应，镍含量控 制在上限。 上面为金属材料学角度。 冶金学： 改善设备和技术，不再生产中增 加额外杂志 能精确生产设计合金，确保各元 素含量。3.1.3 气体与夹杂来源 1.炉内的气体介质 2.炉料 3. 氧化剂和还原剂 4.炉渣、炉壁、炉底的氧化物和 硅酸盐等。 提高方向： 1.提高钢的纯净度 2.控制钢中非金属夹杂物的数量 和形态。3.1.4 组织结构控制 组织结构除受成分 控制，还要由铸造 条件、压力加工条 件、热处理条件和 其他条件决定。3.2 铸造1铸造将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的 工艺方法。铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其 他工艺方法相比，铸造成型生产成本低，工艺灵活性大，适应性 强，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生 产。但它的缺点是公差较大，容易产生内部缺陷。铸造按铸型所 用材料及浇注方式分为砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力 铸造以及离心铸造等。常用的铸造材料有铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等，通常根据不 同的使用目的、使用寿命和成本等方面来选用铸件材料。113.2 铸造3.2.1 铸造过程及铸造性能 铸造过程 1.液态金属的冷却 2.液固结晶 3.固态金属的冷却3.2.2 特种铸造方法 冷硬铸造 金属型铸造 压力铸造 离心铸造 熔模铸造3.3 冷加工和热加工 冷加工：在低于回 复及再结晶的温度 下进行的加工。 例如：切削、冷 轧、冷拔、冷锻、 冲压、冷挤压等。 热加工：在金属的 再结晶温度以上进 行的加工。 例如：金属铸造、 热轧、锻造、焊接 和金属热处理等。3.4 焊接工程 压力焊接冷压焊 超声波焊接 锻焊 气焊 接触焊 摩擦焊 融化焊接气焊 驻焊 电弧焊 电渣焊 真空电子束焊接 激光束焊3.4 焊接工程3.5 金属热处理技术及其发展热处理是钢材、机器零件及工具生产 过程中的重要工序，对发掘金属材料 强度的潜力、改善零件使用性能、提 高产品质量和延长其使用寿命具有重 要意义。 金属热处理在我国有悠久历史： 商代已经有结晶退火的金箔饰物 洛阳出土的战国时代的铁锛，由白口 铁经脱碳退火制成 战国时代燕下都城出土的兵器采用淬 火、正火和渗碳等工艺 近代出土的秦兵俑佩戴的长剑、箭簇 ，经表面处理 史料记载最早的史料记载见于汉王王褒传 中的“清水淬其锋” 明代科学见宋应星的天工开物对 退火、淬火、固体渗碳、形变强化均 有详细的描述3.5 金属热处理技术及其发展定义：将金属按一定速度加热到 一定温度，保温一定时间，然后 以预定的速度冷却下来，以期得 到预定的组织结构和性能的工艺 规范或操作。 分为: 整体热处理 表面热处理 化学热处理：渗碳、离子化学热 处理等。3.5 金属热处理技术及其发展国内外热处理技术发展的现状：1.清洁的热处理技术2.精密的热处理技术3.节能的热处理技术4.少无氧化的热处理技术热处理技术的发展方向：1.少无污染2.少无畸变3.少无分散4.少无浪费5.少无氧化6.少无脱碳7.少无废品8.少无人工3.5 金属热处理技术及其发展3.5 金属热处理技术及其发展铁碳相图有A0、A1、A2、A3、A4、Acm线 请大家翻开书到P22页 A0线：温度230，渗碳体的居里点 A1线：PSK线，共析转变温度，727 A2线：MO线，770，铁素体的居里点 A3线：GS线，温度727912，铁素体 转变为奥氏体的终了线或奥氏体转变为铁 素体的开始线 A4线：NJ线，温度13941495摄氏度， 奥氏体转变为高温铁素体的开始线或高温 铁素体转变为奥氏体的结束线 Acm线:ES线，7271148，碳在奥氏体 的溶解度曲线，也成为渗碳体的析出线 另：由于加热、冷却不同，角标不同： 加热用C表示，例：Ac1、Ac3、Accm 冷却用r表示，例：Ar1、Ar3、Arcm3.5 金属热处理技术及其发展 常用热处理包括退 火、正火、淬火和 回火。退火是将金属加热到临界温度(Ac3 ：或Ac1，)以上，保温一段时间后度 冷却，使其组织结构接近均衡状态， 从而消除或减少内应力，均化组织和 成分，有利于加工作业。正火是将金属加热保温后，在室温 下空气中进行冷却，是一种特殊的退 火处理。其目的是在于使晶粒细化和 碳化物分布均匀化，去除材料的内应 力。 淬火是将金属加热至临界温度以上 ，保温后快速冷却至室温，以达到强 化金属组织，提高金属的强度、硬度 等机械性能。 回火是将淬火后的金属重新加热， 再进行保温冷却。其目的是为了消除 淬火应力，以达到所要求的组织和性 能。3.6 粉末冶金粉末冶金是以金属粉末或金属 化合物粉末为原料状和性能的 材料或制品的工艺方法，又称 金属陶瓷法。其主要工序为：粉末原料的制取和准备。将粉末加工成所需形状的坯 料。经混合、成形和烧结，获 得所需形状将坯料在低于主要组元熔点 的温度下进行烧结，使之获得 最终的性能。用途：难熔金属加工，如W、 Mo；生产特殊用途的型材，如 刹车片、轴承、电子工业中的磁 性元件、火箭技术中的高温构 件。 制粉方法：机械研 磨法、还原法、电 解法等。3.6 粉末冶金3.6 粉末冶金3.7表面工程金属材料表面处 理及装饰的功效一方 面是保护作用，另一方面是装饰作 用。金属材料的表面装饰技术 （1）金属表面着色工艺 化学着色 电解着色 阳极氧化染色 镀覆着色 涂覆着色 珐琅着色 热处理着色 传统着色技术金属表面肌理工艺 表面锻打 表面抛光 表面镶嵌 表面蚀刻