金属材料及热处理

,你所知道的金属材料有哪些呢？,材料是一种物质，有一定的形状，有一定的功能。材料始终是人们获取改善生活能力的一种工具。人类对材料的重视，以致于将人类的生存时代以材料的发展命名。如旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等等。,材料按物质结构不同分：金属材料、非金属材料（有机高分子材料和陶瓷料)、复合材料材料按用途不同分：机械工程材料、人类社会发展的重要物质基础。土木工程材料、电工材料、电子材料材料按功能不同分：结构材料、功能材料、磁性材料等,世界四大材料：钢铁、木材、塑料、水泥,材料分：金属材料、非金属材料、复合材料,金属材料指钢铁、有色金属等材料,非金属材料无机高分子材料（陶瓷、水泥、木材等），有机高分子材料（如塑料、橡胶），复合材料-玻璃钢、碳纤维复合材料、硼纤维材料。,现在新材料-纳米材料、智能材料,材料分类,在日常生产、生活和科学技术中，金属材料是非常重要的。我们周围的很多物品都是由金属材料制成的。,金属材料及热处理,锰钢,锰钢制成的钢轨,制造飞机的材料中大量使用铝合金！,铝合金制成的箱子,镁铝合金制成笔记本电脑外壳,白铜饰品,黄金制成的饰品,18K白金,钛合金镜框,绪论,三、本书的内容及特点,绪论,一、本课程的性质和目的,二、,四、金属材料与机械产品制造过程简介,金属材料及热处理的发展史,一、本课程的性质和目的,2、目的：,a获得有关金属热处理、金属材料的基本知识。,c具有选择零件材料的能力，确定加工工艺路线的能力。,d为后续课程和从事技术工作打下基础。,1、性质：,本课学习方法是：预习、笔记、复习、讨论问题本教材的重点：常见的材料牌号及应用，钢的热处理,基础课。,（一）、金属材料的历史地位,1.材料发展与社会进步有着密切关系,它是衡量人类社会文明程度的标志之一，金属材料是现代文明的基础。人类认识材料和使用材料的各个历史阶段：石器时代青铜器时代铁器时代钢铁时代人工合成材料时代2.目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子材料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。,二、金属材料及热处理的发展史,人类认识材料和使用材料的各个历史阶段,石器时代,青铜器时代：,司母戊鼎（公元前1116世纪）11307801100,战国编钟（前475221年）65个总重2500Kg,天然石，兽骨，树枝从人类起源到距今约6000所至4000年。,18世纪的工业革命开始标志着工业时代的来临,铁器时代沧州大狮（公元953年）重50T,长5.3m,宽3m,人工合成材料,20世纪初酚醛树脂的合成标志着人类进入到了人工合成材料时代。有几十万种。每年以5%的速度增长，目前人工合成的化合物已有800多万种。以每年25万种的速度增长。塑料、橡胶、陶瓷、钛合金、碳纤维、纳米等,钢铁时代,约从公元前4000年至公元初年,距今3400年以前铁器比铜器的硬度高4倍,材料的发展,石器和陶瓷,猿猴250万年270万年前，用石头敲打另一块石头，开创了一个时代旧石器时代第一个打磨石犁的人，开创了新石器时代。其标志就是人类学会了使用和制造工具。工具是不同材料制作的器具。,材料的发展,青铜器,材料的发展,沧州铁狮铸造于公元953年。铁狮高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米，重约40吨,材料的发展,钢铁,材料的发展,材料的发展,高分子材料,材料的发展,复合材料,材料的发展,（二）、金属材料的分类,金属材料,合金材料,纯金属,金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的，具有金属特性的物质。,1.金属与合金的定义,(1)金属定义：由单一元素构成的具有特殊光泽、延展性、导电性、导热性的物质。如：金、银、铜、铁、锌、锰、铝等。,（2）合金定义：一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如：黄铜：铜与锌的合金；碳素钢：铁和碳的合金,2.金属的性质*高的导电性和导热性；*金属光泽；*良好的延展性(塑性)；*不透明,（三）、金属结构材料的应用情况,1.从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，价格低廉。2.在世界金属矿储量中，铁矿资源虽然比较丰富和集中，但就世界地壳中金属矿产储量来讲，则非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1，而非铁金属中铝为8.8镁为2.1，钛为0.6。3.非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长。4.非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。,（四）、金属材料的发展史,商朝，人们已开始使用青铜器春秋时期，开始使用铁器100年前开始了铝的大规模使用,铝窗,1.公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，我国在公元前3000年出现锡青铜甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含610Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。2.自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。3.中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著天工开物中有详细的阐述。4.现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。,5.在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。6.19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。7.20世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。,（五）、金属材料的发展热点,1继续重视高性能的新型金属材料具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。2非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶态或亚稳态合金材料、金属纳米材料。3特殊条件下应用的金属材料低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。4材料的设计及选用科学化按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。,三、本书的内容及特点,（一）、本课程研究对象和任务1、研究的对象金属和合金。什么是金属？什么是合金？,2本课程的主要任务：研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间的关系与变化规律。此亦为材料科学的研究内容实际中我们最关心的是性能,（二）.本课程的主要内容金属材料基本知识金属性能金属学基础知识金属材料及其应用热处理基本知识,（三）.成绩考核方式期末试卷（50%）+平时综合（50%）,课堂提问,1.人类认识材料和使用材料经历了哪几个阶段？,2.说明下列哪些是金属，哪些是合金？,1.铁2.紫铜3.黄铜4.青铜5.碳钢6.不锈钢7.铝8.镀锌铁皮,四、金属材料与机械产品制造过程简介,（一）、金属材料的分类,1.基本概念：金属材料：由金属元素或以金属元素为主要材料构成的并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金两类。纯金属特点：强度、硬度较低，冶炼技术复杂，价格较高。因此，在使用上受到限制。合金：是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。如：普通黄铜是由锌和铜两元素组成的合金。碳素钢是由铁和碳的合金。特点：较好的力学性能。,黑色金属（钢铁材料）,有色金属（非铁金属）,金属材料,铸铁,钢,工程构件用钢,机器零件用钢,工具钢,特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢),轻金属(铝,镁,钛),重金属(铜,锌,铅,镍),贵重金属(金,银),稀有金属(钨钼钒铌钴),放射金属(镭铀钍),结构金属材料功能金属材料,2.金属材料的分类,钢铁材料：以铁或以它为主要成分的金属材料。或称黑色金属，如钢和生铁,金属材料的分类,金属材料,黑色金属,有色金属,非合金钢,低合金钢,合金钢,铸铁,滑动轴承合金,钛及钛合金,其他非铁合金,铜及铜合金,铝及铝合金,钢铁材料以外的其他金属,（二）钢铁材料生产过程简介1.钢铁材料生产过程简介钢铁是铁和碳的合金。包括工业纯铁、钢和生铁。生铁由铁矿石经高炉冶炼而得，它是炼钢和铸造的主要原材料。钢材生产是以生铁为主要原料，将生铁装入高温的炼钢炉里，通过氧化作用降低生铁中碳和杂质的质量分数炼成钢液，然后将钢液铸成钢锭，再经过热轧或冷轧后，制成各种类型的钢材。2.炼铁原料：铁的氧化物。如赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、褐铁矿等实质：就是从铁矿石中提取铁及其有用元素形成生铁的过程。方法：高炉炼铁。（炉料主要是铁矿石、燃料、熔剂）注：炼出的铁不是纯铁，是生铁。生铁包括铸造生铁和炼钢生铁。高炉炼铁产生的副产品是煤气和炉渣。炉气中含有大量的CO、CH4和H2等可燃性气体，具有很高的经济价值可以回收利用。炉渣的主要成分是CaO和SiO2，它们可以回收利用，生成水泥、渣棉和渣砖等建筑材料。,3.炼钢原料：生铁或废钢（再加入熔剂、氧化剂和脱氧剂）实质：用生铁炼钢是一个氧化过程。方法：氧气转炉炼钢法（生铁和废钢为主要原料，产品是碳素钢和低合金钢）电弧炉炼钢法（废钢为主要原料，产品是合金钢）。钢液脱氧：在浇注前对钢液进行脱氧按脱氧程度不同，钢可分为特殊镇静钢（TZ）、镇静钢（Z），半镇静钢（b）和沸腾钢（F）四种。镇静钢是脱氧完全的钢。钢液冶炼后期用锰伯、硅铁和铝块进行充分脱氧，钢液在钢锭模内平静地凝固。特点：钢锭化学成分均匀，内部组织致密，质量较高。但由于钢锭头部形成相当深的缩孔，轧制时被切除，钢材浪费较大。沸腾钢是指脱氧不完全的钢。钢液在冶炼后期仅用锰铁进行不充分的脱氧，钢液浇入钢锭模后，钢液中的FeO和碳相互作用，脱氧过程仍在进行，生成的CO气体引起钢液产生沸腾现象。凝固时大部分气体逸出，少量气体被封闭在钢锭内部，形成许多小气泡。这类钢锭不产生缩孔，切头浪费小。但钢的化学成分不均匀，组织不够致密，质量较差。半镇静钢的脱氧程度和性能状况介于镇静钢和沸腾钢之间。特殊镇静钢脱氧质量优于镇静钢，其内部材质均匀，非金属夹杂物含量少，可满足特殊需要。,钢液浇注钢液经脱氧后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭或连铸坯。钢锭用于轧制钢或锻造大型锻釿。连铸坯是采用连铸法生产的，连铸法由于生产率高、钢坯质量好、节约能源、生产成本低等优点，目前得到广泛采用。炼钢的最终产品板材：一般分为厚板和薄板。460mm为厚板，常用于造船、锅炉和压力容器；板材厚度在4mm以下的为薄板，分为冷轧钢板和热轧钢板。薄板轧制后可直接交货或经过酸洗镀锌或镀锡后交货使用。管材：分为无缝钢管和有缝钢管两种。无缝钢管用于石油、锅炉等行业；有缝钢管是采用带钢焊接制成，用于制作煤气及自来水管道等。型材：有方钢、圆钢、扁钢、工字钢、槽钢、钢轨等。线材：用圆钢或方钢经冷拔制成的。高碳钢丝用于制作弹簧丝或钢丝绳、低碳钢丝用于捆绑或编织等。其他材料:指要求具有特种形状与尺寸的异形钢材、如车轮轮箍、齿轮轮坯等。,(三）机械产品制造过程简介1、设计阶段先总体，后部件，画装配图和零件图，选材料及加工方法2、制造阶段生产部门根据工艺规程与机械零件图进行制造。然后进行装配。通常不能根据设计图直接进行加工，而应根据设计图绘制出制造图，再按制造图进行加工。先备料后加工。装配完后，试验。合格后，进行涂装、包装和装箱，最后投入市场。3、使用阶段注意收集与积累使用过程中零件失效的资料并反馈给制造、设计部门以进一步提高机械产品的质量。赢得良好的信誉和市场,机械产品的制造过程,(四）机械产品加工工艺简介1、铸造指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能金属零件毛坯的成形方法。用铸造方法得到的金属毛坯称为铸件。铸件一般作为毛坯用，多数铸件需经切削加工后才能成为零件。铸造生产有砂型铸造和特种铸造。2、压力加工利用压力使金属产生塑性变形，使其改变形状、尺寸和改善性能，获得型材、棒材、板材、线材和锻压件的加工方法。包括锻造、冲压、轧制、拉拔等3、焊接通过回热、加压或同时加热加压，并且用或不用直填充使工件达到结合的一种工艺方法。方法很多，通常分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。4、粉末冶金利用金属粉末作原料，经过压制成形、烧结等工序，制成各种金属制品或金属材料的一种冶金方法。与陶瓷生产相似。产品有含油轴承、制动片、硬质合金等。5、切削加工从工件表面切除一层多余的金属，从而形成已加工表面的过程。如：钻削、车削、铣削