金屬材料開發(fā)與工藝技術(shù)

金屬材料開發(fā)與工藝技術(shù)TOC\o"1-2"\h\u19706第一章金屬材料概述 1315701.1金屬材料的分類 1175551.2金屬材料的功能 2238411.3金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域 28950第二章金屬材料開發(fā)基礎(chǔ) 275952.1金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計 263692.2金屬材料的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計 313676第三章金屬材料的制備方法 312043.1鑄造法 3311863.2鍛造法 4154943.3粉末冶金法 428017第四章金屬材料的熱處理工藝 446214.1退火處理 4222224.2淬火處理 599164.3回火處理 531374第五章金屬材料的表面處理技術(shù) 665845.1電鍍技術(shù) 6317535.2化學(xué)鍍技術(shù) 698815.3噴涂技術(shù) 616276第六章金屬材料的焊接技術(shù) 7171696.1電弧焊 7174096.2氣保焊 8314706.3激光焊 821789第七章金屬材料的加工工藝 813047.1切削加工 8182397.2磨削加工 9第一章金屬材料概述1.1金屬材料的分類金屬材料的種類繁多，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)可以進行多種分類。從化學(xué)成分上看，金屬材料可以分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬主要包括鐵、鉻、錳以及它們的合金，如鋼、生鐵等。有色金屬則是指除黑色金屬以外的其他金屬，如銅、鋁、鋅、鎂、鈦等，這些金屬具有各自獨特的功能和用途。另外，根據(jù)金屬材料的用途，還可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料主要用于承受載荷、傳遞力和能量，如建筑結(jié)構(gòu)中的鋼材、機械制造中的鑄鐵等。功能材料則是具有特殊物理、化學(xué)或生物功能的材料，如磁性材料、超導(dǎo)材料、生物醫(yī)用材料等。1.2金屬材料的功能金屬材料的功能是決定其使用范圍和應(yīng)用價值的重要因素。金屬材料的功能主要包括力學(xué)功能、物理功能、化學(xué)功能和工藝功能等。力學(xué)功能是金屬材料在受力作用下所表現(xiàn)出的功能，包括強度、硬度、韌性、塑性等。強度是指金屬材料抵抗外力破壞的能力，硬度是指金屬材料抵抗局部變形的能力，韌性是指金屬材料在斷裂前吸收能量的能力，塑性是指金屬材料在斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。物理功能是指金屬材料的物理特性，如密度、熔點、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等。這些功能對于金屬材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義，例如，導(dǎo)電性好的金屬材料常用于制造電線、電纜等，導(dǎo)熱性好的金屬材料常用于制造散熱器等?；瘜W(xué)功能是指金屬材料在化學(xué)作用下所表現(xiàn)出的功能，如耐腐蝕性、抗氧化性等。這些功能對于金屬材料在惡劣環(huán)境下的使用，例如，在化工設(shè)備中使用的金屬材料需要具有良好的耐腐蝕性。工藝功能是指金屬材料在加工過程中所表現(xiàn)出的功能，如鑄造功能、鍛造功能、焊接功能、切削功能等。這些功能直接影響到金屬材料的加工成本和產(chǎn)品質(zhì)量。1.3金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域金屬材料在各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在建筑領(lǐng)域，鋼材是主要的結(jié)構(gòu)材料，用于建造橋梁、高樓大廈等。在機械制造領(lǐng)域，各種金屬材料被用于制造機床、汽車、飛機等零部件。在電子領(lǐng)域，銅、鋁等金屬材料被用于制造電線、電纜、電子元器件等。在航空航天領(lǐng)域，鈦合金、鋁合金等高功能金屬材料被廣泛應(yīng)用于制造飛機、火箭等航天器。在能源領(lǐng)域，金屬材料被用于制造石油化工設(shè)備、核電站設(shè)備等。金屬材料還在醫(yī)療器械、日用品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。第二章金屬材料開發(fā)基礎(chǔ)2.1金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計是金屬材料開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。通過合理設(shè)計金屬材料的化學(xué)成分，可以獲得具有特定功能的材料。在化學(xué)成分設(shè)計中，需要考慮材料的使用要求、加工工藝以及成本等因素。例如，對于高強度結(jié)構(gòu)鋼，需要在鋼中加入適量的碳、錳、硅等元素，以提高鋼的強度和韌性。對于耐腐蝕不銹鋼，需要在鋼中加入鉻、鎳等元素，以形成致密的氧化膜，提高鋼的耐腐蝕性。還可以通過添加微量合金元素來改善金屬材料的功能，如在鋼中加入釩、鈮等元素，可以細(xì)化晶粒，提高鋼的強度和韌性。2.2金屬材料的組織結(jié)構(gòu)設(shè)計金屬材料的組織結(jié)構(gòu)對其功能有著重要的影響。通過合理設(shè)計金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，可以獲得具有優(yōu)異功能的材料。組織結(jié)構(gòu)設(shè)計包括晶粒尺寸、相組成、織構(gòu)等方面的設(shè)計。晶粒尺寸是影響金屬材料功能的重要因素之一。一般來說，晶粒越小，金屬材料的強度和韌性越高。因此，可以通過控制加工工藝參數(shù)，如變形溫度、變形量、冷卻速度等，來細(xì)化晶粒，提高金屬材料的功能。相組成也是影響金屬材料功能的重要因素之一。通過調(diào)整化學(xué)成分和熱處理工藝，可以控制金屬材料中的相組成，從而獲得具有特定功能的材料。例如，通過淬火和回火處理，可以使鋼中的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，獲得具有高強度和高韌性的回火馬氏體組織?？棙?gòu)是指金屬材料中晶粒的擇優(yōu)取向。通過控制加工工藝，可以使金屬材料中形成特定的織構(gòu)，從而提高材料的功能。例如，在軋制過程中，可以使鋼材中形成有利于提高強度和韌性的織構(gòu)。第三章金屬材料的制備方法3.1鑄造法鑄造是將液態(tài)金屬澆入鑄型中，使其冷卻凝固后獲得零件或毛坯的方法。鑄造法具有生產(chǎn)效率高、成本低、可以制造形狀復(fù)雜的零件等優(yōu)點，因此在機械制造中得到了廣泛的應(yīng)用。鑄造法可以分為砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、壓力鑄造等多種方法。砂型鑄造是最常用的鑄造方法，它以砂為主要造型材料，制作鑄型。金屬型鑄造則是采用金屬材料制作鑄型，適用于大批量生產(chǎn)形狀簡單的鑄件。熔模鑄造是一種精密鑄造方法，它可以制造形狀復(fù)雜、精度高的鑄件。壓力鑄造是在高壓下將液態(tài)金屬壓入鑄型中，使其快速凝固成型，適用于生產(chǎn)薄壁、形狀復(fù)雜的鋁合金、鋅合金鑄件。在鑄造過程中，需要控制好澆注溫度、澆注速度、鑄型溫度等工藝參數(shù)，以保證鑄件的質(zhì)量。同時還需要對鑄件進行清理、熱處理等后續(xù)加工，以提高鑄件的功能。3.2鍛造法鍛造是利用鍛壓機械對金屬坯料施加壓力，使其產(chǎn)生塑性變形，以獲得具有一定形狀、尺寸和機械功能的鍛件的加工方法。鍛造法可以改善金屬材料的組織結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)功能，因此在機械制造中得到了廣泛的應(yīng)用。鍛造法可以分為自由鍛造和模型鍛造兩種方法。自由鍛造是在自由鍛設(shè)備上，利用簡單的通用性工具，使金屬坯料在上下砧之間產(chǎn)生塑性變形。自由鍛造適用于單件、小批量生產(chǎn)，以及大型鍛件的生產(chǎn)。模型鍛造則是在模鍛設(shè)備上，利用模具使金屬坯料在模具型腔內(nèi)產(chǎn)生塑性變形。模型鍛造適用于大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜、精度要求高的鍛件。在鍛造過程中，需要控制好鍛造溫度、變形程度、變形速度等工藝參數(shù)，以保證鍛件的質(zhì)量。同時還需要對鍛件進行熱處理等后續(xù)加工，以提高鍛件的功能。3.3粉末冶金法粉末冶金是一種以金屬粉末或金屬粉末與非金屬粉末的混合物為原料，通過成型和燒結(jié)等工藝制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法具有材料利用率高、可以制造形狀復(fù)雜的零件、可以實現(xiàn)近凈成形等優(yōu)點，因此在汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。粉末冶金法的工藝流程包括粉末制備、成型、燒結(jié)和后處理等環(huán)節(jié)。粉末制備是粉末冶金的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，常用的粉末制備方法有霧化法、還原法、電解法等。成型是將粉末制成具有一定形狀和尺寸的坯件，常用的成型方法有壓制、注射成型、等靜壓成型等。燒結(jié)是將成型后的坯件在高溫下加熱，使粉末顆粒之間發(fā)生粘結(jié)和擴散，形成致密的材料。后處理包括熱處理、機加工、表面處理等，以提高制品的功能和精度。第四章金屬材料的熱處理工藝4.1退火處理退火是將金屬材料加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的是消除金屬材料的內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，提高塑性，改善切削加工功能，為后續(xù)的加工和使用做好準(zhǔn)備。退火可以分為完全退火、不完全退火、球化退火等多種類型。完全退火是將鋼加熱到Ac3以上30～50℃，保溫一定時間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。不完全退火是將鋼加熱到Ac1～Ac3之間，保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝。球化退火是使鋼中的碳化物球化，以降低硬度，改善切削加工功能的熱處理工藝。在退火過程中，需要控制好加熱溫度、保溫時間和冷卻速度等工藝參數(shù)，以保證退火效果。不同的金屬材料和工件形狀需要選擇不同的退火工藝，以達(dá)到最佳的處理效果。4.2淬火處理淬火是將金屬材料加熱到臨界溫度以上，保溫一定時間，然后快速冷卻的熱處理工藝。淬火的目的是使金屬材料獲得馬氏體組織，提高硬度和耐磨性。淬火可以分為水淬、油淬、鹽浴淬火等多種方法。水淬是將金屬材料加熱到淬火溫度后，迅速放入水中冷卻。油淬則是將金屬材料加熱到淬火溫度后，迅速放入油中冷卻。鹽浴淬火是將金屬材料加熱到淬火溫度后，迅速放入鹽浴中冷卻。不同的淬火方法適用于不同的金屬材料和工件形狀，需要根據(jù)實際情況進行選擇。在淬火過程中，需要控制好淬火溫度、保溫時間和冷卻速度等工藝參數(shù)，以保證淬火效果。如果淬火工藝不當(dāng)，可能會導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)裂紋、變形等缺陷，影響其使用功能。4.3回火處理回火是將淬火后的金屬材料加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后冷卻的熱處理工藝?；鼗鸬哪康氖窍慊甬a(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，調(diào)整硬度，使金屬材料具有良好的綜合力學(xué)功能。回火可以分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種類型。低溫回火的溫度一般在150～250℃，主要用于提高硬度和耐磨性，如刀具、模具等的回火處理。中溫回火的溫度一般在350～500℃，主要用于獲得較高的彈性和屈服強度，如彈簧的回火處理。高溫回火的溫度一般在500～650℃，主要用于獲得良好的綜合力學(xué)功能，如軸類零件的回火處理。在回火過程中，需要根據(jù)金屬材料的功能要求和工件的使用條件，選擇合適的回火溫度和保溫時間，以達(dá)到最佳的回火效果。第五章金屬材料的表面處理技術(shù)5.1電鍍技術(shù)電鍍是利用電解原理在金屬表面上鍍上一層其它金屬或合金的過程。電鍍可以提高金屬材料的耐腐蝕性、耐磨性、裝飾性等功能。電鍍的基本原理是將待鍍金屬制品作為陰極，鍍層金屬作為陽極，放入含有鍍層金屬離子的電解液中，通過直流電的作用，使鍍層金屬離子在陰極上得到電子被還原成金屬原子，并沉積在陰極表面形成鍍層。電鍍的工藝過程包括鍍前處理、電鍍和鍍后處理三個部分。鍍前處理是為了去除待鍍金屬制品表面的油污、銹跡等雜質(zhì)，以保證鍍層的質(zhì)量。電鍍過程中需要控制好電流密度、電鍍時間、電解液溫度等參數(shù)，以獲得均勻、致密的鍍層。鍍后處理則是為了提高鍍層的功能和外觀，如進行鈍化處理、拋光處理等。電鍍技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域，如汽車零部件的電鍍、電子元器件的電鍍等。5.2化學(xué)鍍技術(shù)化學(xué)鍍是一種不需要外加電流，在金屬表面的催化作用下，經(jīng)化學(xué)還原法進行金屬沉積的過程。化學(xué)鍍可以在各種形狀的工件表面上沉積均勻的鍍層，具有鍍層厚度均勻、孔隙率低、結(jié)合力好等優(yōu)點?；瘜W(xué)鍍的原理是利用溶液中的還原劑將金屬離子還原成金屬原子，并沉積在具有催化活性的工件表面上。常用的化學(xué)鍍鍍層有化學(xué)鍍鎳、化學(xué)鍍銅、化學(xué)鍍銀等?；瘜W(xué)鍍的工藝過程包括工件表面預(yù)處理、化學(xué)鍍和鍍后處理。工件表面預(yù)處理的目的是去除工件表面的油污、銹跡等雜質(zhì)，并使其表面具有催化活性?；瘜W(xué)鍍過程中需要控制好溶液的組成、溫度、pH值等參數(shù)，以保證鍍層的質(zhì)量。鍍后處理則是為了提高鍍層的功能和外觀，如進行熱處理、鈍化處理等?；瘜W(xué)鍍技術(shù)在電子、航空航天、機械制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如電子線路板的化學(xué)鍍、航空發(fā)動機葉片的化學(xué)鍍等。5.3噴涂技術(shù)噴涂是利用熱源將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并用高速氣流將其霧化成細(xì)小的顆粒，噴射到工件表面形成涂層的過程。噴涂技術(shù)可以提高金屬材料的耐腐蝕性、耐磨性、隔熱性等功能。噴涂技術(shù)可以分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等多種方法。火焰噴涂是利用可燃?xì)怏w與氧氣混合燃燒產(chǎn)生的火焰作為熱源，將噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，并通過壓縮空氣將其霧化成細(xì)小的顆粒，噴射到工件表面形成涂層。電弧噴涂是利用兩根金屬絲之間產(chǎn)生的電弧作為熱源，將噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)，并通過壓縮空氣將其霧化成細(xì)小的顆粒，噴射到工件表面形成涂層。等離子噴涂是利用等離子弧作為熱源，將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并通過高速氣流將其霧化成細(xì)小的顆粒，噴射到工件表面形成涂層。噴涂技術(shù)的工藝過程包括表面預(yù)處理、噴涂和涂層后處理。表面預(yù)處理的目的是去除工件表面的油污、銹跡等雜質(zhì)，并提高涂層的附著力。噴涂過程中需要控制好噴涂材料的種類、粒度、噴涂距離、噴涂角度等參數(shù)，以獲得質(zhì)量良好的涂層。涂層后處理則是為了提高涂層的功能和外觀，如進行封孔處理、拋光處理等。噴涂技術(shù)在航空航天、石油化工、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如飛機發(fā)動機葉片的噴涂、石油管道的噴涂、汽車零部件的噴涂等。第六章金屬材料的焊接技術(shù)6.1電弧焊電弧焊是利用電弧作為熱源的焊接方法。電弧焊具有設(shè)備簡單、操作方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的焊接方法之一。電弧焊可以分為手工電弧焊、埋弧焊和氣體保護焊等多種類型。手工電弧焊是利用手工操作焊條進行焊接的方法，適用于各種位置的焊接，但勞動強度大，生產(chǎn)效率低。埋弧焊是利用焊絲和焊劑進行焊接的方法，適用于平焊位置的長焊縫焊接，生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好。氣體保護焊是利用氣體作為保護介質(zhì)的焊接方法，常用的保護氣體有氬氣、二氧化碳等。氣體保護焊具有焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強等優(yōu)點。在電弧焊過程中，需要控制好焊接電流、焊接電壓、焊接速度等工藝參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。同時還需要選擇合適的焊條、焊絲和保護氣體，以滿足不同的焊接要求。6.2氣保焊氣保焊全稱氣體保護電弧焊，是利用氣體作為電弧介質(zhì)并保護電弧和焊接區(qū)的一種電弧焊方法。氣保焊具有焊接效率高、焊縫質(zhì)量好、焊接變形小等優(yōu)點。氣保焊根據(jù)保護氣體的不同，可以分為氬弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護焊和混合氣體保護焊等。氬弧焊是使用氬氣作為保護氣體的焊接方法，適用于焊接不銹鋼、鋁、鎂等有色金屬及其合金。二氧化碳?xì)怏w保護焊是以二氧化碳?xì)怏w作為保護氣體的焊接方法，適用于焊接低碳鋼和低合金鋼。混合氣體保護焊則是采用兩種或兩種以上氣體按一定比例混合作為保護氣體的焊接方法，可根據(jù)具體焊接要求進行調(diào)配，以獲得更好的焊接效果。在氣保焊過程中，需要合理設(shè)置焊接電流、電壓、氣體流量等參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。同時要注意焊接環(huán)境的通風(fēng)，防止有害氣體對操作人員的危害。6.3激光焊激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法。激光焊具有焊接速度快、焊縫窄、熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點，特別適用于高精度、高要求的焊接場合。激光焊可以分為連續(xù)激光焊和脈沖激光焊兩種。連續(xù)激光焊適用于焊接較厚的板材和長焊縫，脈沖激光焊則適用于焊接薄板和微型零件。在激光焊過程中，需要精確控制激光功率、焊接速度、焦點位置等參數(shù)，以保證焊接質(zhì)量。激光焊對焊件的裝配精度要求較高，需要在焊接前進行嚴(yán)格的裝配和定位。第七章金屬材料的加工工藝7.1切削加工切削加工是利用切削刀具從工件上切除多余材料，以獲得所需形狀、尺寸和表面質(zhì)量的加工方法。切削加工是機械