金属材料论文 金属材料的性质.doc

目录一、金属材料的性质二、铁碳合金三、金属的工艺性能四、金属材料的改性方法五、金属材料的发展趋势六、参考文献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（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 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是一种综合性能，是金属材料在工艺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：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，满足了科学迅速发展对金属制品的各种要求。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。（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氏体状态下的工件首先淬入略高于钢的马氏体转变开始温度点的盐浴或碱浴沪中淬火，保温一定时间后，使工件的内外温度与淬火剂的温度一致，然后取出在空气中冷却，完成马氏体转变。此法的优点是降低了工件内外温度差，降低了马氏体转变的冷却速度，从而减少了淬火应力，防止变形和开裂。缺点是因为硝盐浴或碱浴的冷却能力较弱，不适合大型件的处理。（4） 等温淬火法将加热到奥氏体化后的工件在稍高于马氏体转变温度点温度的盐浴中冷却并保温足够时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。等温淬火的内应力很小，工件不易变形和开裂，而且具有良好的综合力学性能。（5） 局部淬火法有些工件按其工作条件只是局部要求高硬度，则可进行局部加热淬火，以避免工件其它部分产生变形与裂纹。2.回火是把淬火后的钢加热到一定温度，保温后冷却至室温的处理工艺。这是淬火工件必须进行的一个工序，它决定了该工件在使用状态时的组织和性能，也可以说是决定了工件的使用性能和寿命。回火的目的是为了消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低淬火工件的脆性，稳定工件尺寸和使工件具有符合工作条件的性能。根据回火加热温度的不同，回火可分为以下三种：（1） 低温回火低温回火后的组织为回火马氏体，目的在于保持钢在淬火后高硬度和高耐磨性的情况下，适当提高淬火钢的韧性和减少淬火内应力。（2） 中温回火中温回火后的组织为回火屈氏体，目的在于大大减少淬火钢中的内应力，显著提高钢的弹性极限，同时又使其具有足够的强度、塑性和韧性。（3） 高温回火高温回火后组织为回火索氏体，目的在于使钢具有一定强度、硬度的前提下，具有高的塑性、韧性，即较好的综合力学性能。二、表面热处理方法许多零件在工作中，表面层承受着比零件心部更高的应力和受到磨损。因而，要求零件的表面具有高强度、高硬度、耐磨和抗疲劳能力，而心部则应保持较好的塑性和韧性，能经受重载荷作用和传递大的扭矩，为实现同一零件各部性能一同的要求，表面改性处理是有效手段，其中表面热处理应用得较为广泛。1. 表面淬火钢的表面淬火是一种不改变表层化学成分，但改变表层组织的处理方法。表面淬火时的加热方法很多，如电感应、火焰、电接触、浴炉、电解液、脉冲能量等加热方法。目前在我国采用较为普遍的是电感应加热和火焰加热。（1） 感应加热表面淬火感应加热表面淬火是把工件置于通有一定频率电流的感应器中，表面快速升温达淬火温度随即将工件放入淬火介质中冷却的处理工艺。工件在感应器产生的交变磁场中，会形成涡流加热工件。通入感应器的电流频率越高，感应电流越向工件表面集中，被加热的金属层百度越小，淬火后的淬硬层深度越小。感应加热具有加热快、淬火组织细密、工件表面为残余应力和生产率高，易实现机械化和自动化生产等优点，但加热需复杂昂贵的设备，形状复杂的零件，所需加热器制造困难，故不适合单件、小批量生产。（2） 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是用高温火焰快速加热工件表面达淬火温度，随即喷水使表面快速冷却，获得所需表面硬层的工艺方法。该法淬硬层一般为26mm，适合于中碳钢、中碳合金钢制成的异型、大型或特大型工件的表面淬火。此法不需复杂设备，操作简便，但淬火效果不够稳定。2. 化学热处理化学热处理是将工件放在一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，达到强化工件表面或保护工件表面作用的处理工艺。渗碳指提高工件表面含碳质量分数的工艺方法。目前工业中较为普遍的是固体渗碳和气体渗碳两种方法。固体渗碳时采用木炭和碳酸盐，气体渗碳则采用炼油、丙酮、甲醇等有机物。渗碳剂在高温下都可分解出活性碳原子，被工件吸收，然后碳原子向表面深处扩散，从而使工件在一定深度的表层含碳质量分数达0.35%1.05%。渗碳中加热时间的长短、渗碳层的厚薄，视工件的大小和要求而定。渗碳工件应选用低碳钢，渗碳后的工件一定要进行淬火和低温回火处理，使表层具有回火马氏体结构和消除渗碳过程中形成的粗晶粒结构。一般渗碳工艺路线有：锻造正火机加工渗碳淬火和低温回火精加工。或 锻造正火机加工渗碳去碳机加工淬火和低温回火。渗氮是指提高钢件表面含氮质量分数的处理工艺。工业中应用较广泛的是气体渗氮法。钢制零件氮化的主要目的是提高零件的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。氮化处理的特点和氮化层的性能： 钢氮化后无需淬火便具有很高的表面硬度、耐磨性和高的热硬性。高热硬性是由于氮化物相是热稳定性高的硬相。 氮化可显著提高钢件的疲劳强度，这主要是由于形成氮化物时体积增大，使钢件表面产生大的残余应力。 氮化处理温度低，氮化后又是缓冷，故变形很小，由于变形小，氮化后一般不必再进行机械加工，只需精磨或研磨抛光即可。上述各点使氮化处理得到了较为广泛的应用，如各种高速传动精密齿轮、高精度机床主轴，在交换负荷下要求高疲劳强度的零件，以及要求热处理变形小、抗热、耐蚀、抗磨损的零件等，均需进行氮化。氮化零件的工艺路线一般如下：锻造退火粗加工调质精加工去应力回粗磨氮化精磨或研磨。氮化零件的技术指标是：氮化层深度（一般小于0.6-0.7mm）、表面硬度和心部硬度。对于重要零件，还必须满足心部力学性能、金相组织、氮化层脆性级别等具体要求。（3） 碳氮共渗碳氮共渗是向钢件表层同时渗入碳、氮的热处理工艺。目前应用较广泛的是中浊气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗。中温气体碳氮共渗 此工艺一般是将渗碳剂和氨气同时通入罐内，或直接通入三乙醇胺，借助高温下发生的一系列气相反应，形成碳和氮的活性原子，通过吸收和扩散过程，使碳和氮同时渗入钢件的表层。中温气体碳氮共渗后一般可直接淬火，淬火后于160-200低温回火。低温气体碳氮共渗（气体软氮化） 在Fe-C-N三元系共析温度附近进行的气体碳氮共渗称为气体软氮化。经软氮化后的零件，表面可得到10-20um厚的无脆性氮化层，因而赋予零件耐磨、耐疲劳、抗咬合抗擦伤等性能。与一般氮化工艺相比，气体软氮化的优点是：时间短、零件变形小、渗层具有一定的韧性、不易发生剥落现象。并且软氮化无需进行任何热处理。金属材料的发展趋势金属材料，尤其是新型金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的时间长短。一、镁及镁合金镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。1、汽车、摩托车等交通类产品用镁合金20世纪70年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，1993-1994年欧洲汽车制造商提出“3公升汽油轿车”的新概念。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。2、电子及家电用镁合金汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。3、其它应用领域其它如铝合金添加剂、镁牺牲阳极和型材用镁合金等。镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。目前，作为镁牺牲阳极的镁合金有34万吨/年的市场需求量，且每年以20%的速度增长。镁合金型材、管材，以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。二、钛及钛合金钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐