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《金属工艺学》课程笔记

第一章：绪论，金属材料主要性能

一、金属材料的基本概念

1.金属

金属是一种具有金属光泽、良好的导电性、导热性和可塑性的物质。在自然界中，金属以元素形式存在或者以化合物的形式存在。

2.合金

合金是由两种或两种以上的金属，或者金属与非金属通过熔合制成的具有金属特性的物质。合金的性能通常优于其组成的纯金属。

二、金属材料的分类

1.按化学成分分类

-纯金属：如铁、铜、铝等。

-合金：如不锈钢、黄铜、青铜等。

2.按用途分类

-结构材料：用于承受力的材料，如建筑用钢材、飞机用铝合金。

-功能材料：具有特殊物理、化学或生物功能的材料，如超导材料、形状记忆合金。

3.按冶金工艺分类

-铸造合金：适用于铸造工艺的合金，如铸铁、铸钢。

-变形合金：适用于压力加工的合金，如冷轧钢板、热轧型钢。

三、金属材料的主要性能

1.物理性能

-密度：不同金属的密度差异较大，如铁的密度约为7.87g/cm3，铝的密度约为2.70g/cm3。

-熔点：金属的熔点范围很广，如钨的熔点高达3422°C，而汞的熔点为-38.83°C。

-导电性：金属的导电性通常很好，银的导电性最高，铜和铝也具有良好的导电性。

-导热性：金属的导热性与其导电性有关，银的导热性最好，其次是铜和铝。

2.化学性能

-耐腐蚀性：金属在特定环境下的抗腐蚀能力，如不锈钢在空气中具有良好的耐腐蚀性。

-抗氧化性：金属在高温下抵抗氧化的能力，如镍基合金在高温下具有良好的抗氧化性。

3.力学性能

-强度：金属抵抗外力作用的能力，分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。

-塑性：金属在受力时产生永久变形而不破裂的能力，如金、银具有良好的塑性。

-韧性：金属在受到冲击载荷时吸收能量并产生塑性变形的能力，如低碳钢具有较高的韧性。

-硬度：金属抵抗局部塑性变形的能力，常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度等。

四、影响金属材料性能的因素

1.化学成分：不同元素的加入会改变金属的晶格结构，从而影响其性能。例如，铬的加入可以提高不锈钢的耐腐蚀性。

2.冶金工艺：如熔炼、铸造、锻造、热处理等工艺都会影响金属的内部组织和性能。

3.热处理：通过控制加热温度、保温时间和冷却速度，可以调整金属的力学性能和晶粒大小。

第二章：铁碳合金，钢的热处理

一、铁碳合金的基本概念

1.铁碳合金的定义

铁碳合金是由铁和碳组成的合金，它们可以是简单的二元合金，也可以包含其他元素如锰、硅、镍等，以改善特定性能。

2.铁碳合金的分类

-钢：碳含量在0.03%至2.0%之间，具有良好的韧性和塑性，广泛用于建筑、机械制造等领域。

-铸铁：碳含量在2.0%以上，硬度高但较脆，主要用于铸造产品。

二、铁碳合金的晶体结构

1.铁的晶体结构

-α-铁（体心立方晶格）：在室温下稳定，具有良好的韧性和塑性。

-γ-铁（面心立方晶格）：在高温下稳定，具有良好的韧性和塑性，但硬度较低。

2.碳在铁中的存在形式

-游离碳：碳原子以原子形式存在于铁的晶格间隙中。

-渗碳体（Fe3C）：碳与铁形成的化合物，硬而脆，对铁碳合金的硬度有显著贡献。

三、铁碳合金相图

1.铁碳合金相图的基本构成

-纵轴表示温度，横轴表示碳含量百分比。

-相图中的关键点包括固相线、液相线、共晶点、共析点等。

2.重要相变线

-Acm线：表示奥氏体和渗碳体的共晶转变温度。

-A1线：表示铁素体向奥氏体转变的开始温度。

-A3线：表示铁素体向奥氏体转变的结束温度。

-GS线：表示铁素体和渗碳体的共析转变温度。

四、钢的热处理

1.热处理的基本概念

-热处理是通过加热、保温和冷却的工艺过程，改变金属材料的内部组织，从而获得所需的性能。

2.热处理的种类

-退火：分为完全退火、去应力退火和球化退火等，目的是降低硬度，改善塑性和韧性，消除内应力。

-正火：加热到A1线以上30-50°C，然后在空气中冷却，目的是提高硬度、强度和韧性。

-淬火：快速冷却，通常在水中或油中进行，目的是提高硬度和强度，但会降低韧性。

-回火：淬火后的材料加热到一定温度，然后冷却，目的是调整硬度，提高韧性和稳定性。

3.热处理工艺参数

-加热温度：根据钢的成分和所需性能确定，通常在相变温度范围内。

-保温时间：确保材料内部温度均匀，组织转变充分，取决于材料厚度和加热设备。

-冷却速度：影响材料的最终组织和性能，快速冷却用于淬火，缓慢冷却用于退火和正火。

五、热处理对钢性能的影响