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1、金属技术，第1章金属材料基础知识，图0-1国家大剧院，图0-2航空母舰，第1章金属材料基础知识， 第1节金属材料分类第2节钢铁材料生产工艺概述第3节机械制造工艺概述第4节金属材料特性第5节金属材料晶体结构第6节纯金属结晶过程第7节金属材料同构转变第8节合金晶体结构和结晶过程第9节金属材料铸锭结构特征第1节金属材料分类，图1-1金属材料分类，1。 钢铁材料2。有色金属，第2节：钢铁材料生产工艺概述，图1-2:钢铁材料生产工艺示意图，第1节：炼铁，第2节：钢铁材料生产工艺概述，炼铁原料主要是含铁氧化物。含铁量和冶炼价值高的矿物包括赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、褐铁矿石等。除了氧化铁之外，铁矿石还含有硅、

2、锰、硫和磷等元素的氧化物杂质，称为脉石。炼铁的本质是从铁矿石中提取铁及其有用元素并形成生铁的过程。现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。高炉炼铁的原料主要是铁矿石、燃料(焦炭)和熔剂(石灰石)。第二，炼钢，第二节是钢铁材料生产过程的概述。在炼钢中，生铁(铁水或生铁锭)和废钢是主要原料。此外，还需要添加熔剂(石灰石、萤石)、氧化剂(O2、铁矿石)和脱氧剂(铝、硅铁、锰铁)。炼钢的主要任务是将生铁熔化成液体，或直接将高炉铁水注入高温炼钢炉中，通过氧化将碳等杂质元素还原到规定的化学成分范围，从而获得所需的钢。因此，用生铁炼钢本质上是一个氧化过程。1.炼钢方法，表1-1氧气转炉炼钢和电弧炉炼钢的比较，第2节钢

3、生产工艺概述，2。钢脱氧，图1-3镇静钢锭、半镇静钢锭和沸腾钢锭，第2节钢生产工艺概述，(1)镇静钢(z)指完全脱氧的钢。(2)沸腾钢(f)指脱氧不完全的钢。(3)半镇静钢(B)的脱氧程度和性能介于镇静钢和沸腾钢之间。(4)特殊镇静钢(TZ)的脱氧质量优于镇静钢，内部材质均匀，非金属夹杂物含量少，能满足特殊需要。3.钢的铸造炼钢的最终产品(1)板材通常分为厚板和薄板。(2)管材分为无缝钢管和开槽钢管。(3)常用型材包括方钢、圆钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢和钢轨。第二节是钢铁材料生产工艺概述。(4)盘条由圆钢或方钢冷拉制成。(5)其他材料其他材料主要是指具有特殊形状和尺寸的异形钢，如车轮箍和齿轮

4、毛坯。第三部分是机械制造过程的概述。首先，在设计阶段，机械产品首先要从市场调研、产品性能和生产数量等方面制定生产发展计划。在设计中，首先进行总体设计，然后进行部件设计，并绘制装配图和零件图。然后根据机械零件的使用条件、场合、性能和环保要求，选择合适的材料和合理的添加剂。不同的机械产品有不同的性能要求。例如，汽车必须满足动力性能、控制性能、机动性、安全性、使用舒适性、低油耗率、低噪音和维修方便的要求。在满足产品性能和成本要求的前提下，工艺部门应编制生产加工工艺规程或工艺图纸并交付生产。第3节：机械制造过程概述，图1-4:机械产品人的三个阶段在加工过程中，必须根据制造图纸准备合适的毛坯，并进行预定

5、的加工。材料准备好后，可根据不同的零件采用不同的加工方法，如铸造、锻造、加工和热处理，并可分别在不同的车间加工。零件加工后，被组装成零件或整机。机械产品组装后，必须根据设计要求进行各种试验，如空载和负载试验、性能和寿命试验以及其他单项试验。整机通过质量验收后，可进行涂装、包装和装箱，最后准备投入市场。第三部分是机械制造过程的概述。第三，一旦机械产品在使用阶段投入使用，就会出现磨损、腐蚀、失效、断裂等问题，暴露出设计和制造过程中存在的质量问题。一个好的机械产品不仅要注重设计功能、外观特征和制造过程，还要注重收集和积累使用中零件的失效数据，然后反馈给制造或设计部门，以进一步提高机械产品的功能和质量

6、。这不仅会使机械产品获得良好的可靠性，而且会以良好的信誉赢得市场。1.金属材料的机械性能金属材料的机械性能是指金属材料与弹性和非弹性反应或应力应变关系有关的性能，如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。物体受到外力后，引起物体内部相互作用的力称为内力。单位面积的内力称为应力(牛顿/平方毫米)。金属材料的强度指数是通过应力来测量的。应变是指外力引起的物体原始尺寸或形状的相对变化(%)。(1)强度和塑性1。拉伸试验(1)拉伸试样拉伸试样的尺寸按照国家标准中金属拉伸试样的有关规定制作。通常采用圆柱形拉伸试样，可分为短试样和长试样，工程中一般采用短试样。第4节，金属材料的特性，图1-5圆形拉伸试样，(2

7、)试验方法拉伸试验在拉伸试验机上进行(图1-6)。2.力-伸长曲线(1)在弹性变形阶段观察图1-7中的力-伸长曲线。在倾斜直线操作阶段，当拉力F增加时，样品的伸长率L也成比例地增加。第4节：金属材料的性能，图1-6:拉伸试验机示意图，第4节：金属材料的性能，图1-7:退火低碳钢的拉伸伸长曲线，第4节：金属材料的性能，(2)当屈服阶段拉伸力f超过Fe时，试样将产生塑性变形，消除拉伸力后变形不能完全恢复，塑性伸长将被保留。(3)在变形强化阶段，当拉伸力超过屈服拉伸力时，试样的变形抗力会提高，导致冷变形强化。(4)当拉伸力在颈缩和断裂阶段达到Fb时，试样的局部截面开始收缩，产生颈缩现象。3.强度指数

8、(1)屈服点和规定的残余伸长应力屈服点是指在拉伸试验过程中，试样可以继续伸长(变形)而不增加(保持恒定)力时的应力。(2)抗拉强度抗拉强度指断裂前样品的最大标称拉伸应力。4.塑性指数(1)断裂后的伸长率当进行拉伸试验时，在力的作用下发生塑性变形，原始样品中的规距将不断延长。(2)面积收缩是指拉伸断裂后颈缩处原始横截面积的百分比和横截面积的最大减少量。表1-2金属材料强度和塑性新旧标准术语和符号的比较，第4节金属材料的特性，(2)硬度1。布氏硬度，图1-8布氏硬度试验示意图，第4节金属材料的特性，2。洛氏硬度，图1-9洛氏硬度试验示意图，第4节性能图1-11夏比摆锤冲击试样，第4节，金属材料的特

9、性，(2)夏比摆锤冲击试验方法夏比摆锤冲击试验是对摆锤冲击试验进行的，图1-12夏比冲击试验原理，第4节，金属材料的特性。图1-13，吸收能量与温度的关系曲线，第4节，金属材料的特性，(3)吸收能量与温度的关系金属材料的吸收能量与试验温度有关。第4节金属材料的特性，2。多重冲击试验，图1-14多重冲击弯曲试验示意图，第4节金属材料特性，(4)疲劳1。疲劳现象，图1-15对称循环交变应力，第4节金属材料特性，图1-16疲劳断裂示意图，2。疲劳强度，第4节金属材料的特性，和2。(2)熔点金属和合金从固态变为液态的温度称为熔点。(3)导热性金属导热的能力被称为导热性。(4)导电金属可以传导电流，这就

10、是所谓的导电性。(5)金属材料随温度变化的热膨胀称为热膨胀。(6)磁性金属材料在磁场中被磁化，以显示磁强度，这就是所谓的磁性。2.金属材料的化学性质(1)耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧气、水和其他化学介质的腐蚀损伤的能力称为耐腐蚀性。第四节是金属材料的性能。(2)金属材料受热时抗氧化的能力称为抗氧化性。(3)化学稳定性化学稳定性是金属材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称。3.金属材料的技术性能(1)铸造性能金属在铸造过程中获得具有精确形状和良好内部的铸件的能力称为铸造性能。(2)锻造性能通过锻造加工形成金属材料的难度称为锻造性能。(3)焊接性能焊接性能是指在有限的施工条件下，材料按照规定的设计要求焊接

11、成部件，并满足预定使用要求的能力。(4)可加工性可加工性是指金属切削的难度。第5节金属材料的晶体结构1。晶体和无定形所有物质都是由原子组成的。根据原子排列的特点，固体物质可以分为晶体和无定形。晶体是指其组成粒子(原子、离子或分子)规则排列的物质，如图118a所示。晶体具有固定的熔点和凝固点，规则的几何形状和各向异性特征，如金刚石、石墨和一般固体金属材料都是晶体；无定形是指组成颗粒随机堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等。无定形晶体没有固定的熔点，它们的性质是各向同性的。随着现代科学技术的发展，晶体和无定形可以转化。例如，人们已经通过快速冷却技术制造出具有特殊性能的非晶金属材料。第5节：

12、金属材料的晶体结构，图1-18:简单立方晶格及其晶胞图；第2节：金属的晶体结构(1)晶格(2)晶胞(3)常见的金属晶格类型；第5节：金属材料的晶体结构；1:体心立方晶格；2:面心立方晶格；图1-19:体心立方晶格图；第5节：金属材料的晶体结构，图1第5节：金属材料的晶体结构，图1-21密排六方晶格的示意图，第3节：金属的实际晶体结构，金属材料的晶体结构，由核心(或原子核)的原子沿同一方向排列和生长形成的晶体称为单晶。单晶存在于自然界，如水晶、钻石等。单晶也可以通过特殊方法获得，如单晶硅、单晶锗等。单晶具有明显的各向异性特征。尽管实际使用的金属材料体积很小，但它仍然含有许多颗粒状的小晶体，每个小

13、晶体中的原子排列在不同的方向。如图122所示，这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。(1)点缺陷，图1-22金属的多晶结构图，第5节金属材料的晶体结构，图1-23晶格空位和间隙原子的晶体结构图，第5节金属材料的晶体结构，(2)线缺陷，(3)平面缺陷，第5节金属材料的晶体结构，图1-24边缘位错图，第5节金属材料的晶体结构，图1-25具体方法如下：首先熔化金属，然后低速冷却。在冷却过程中，定期测量温度。最后，测量结果绘制在温度-时间坐标上，可以获得图126a所示的纯金属冷却曲线。图1-26纯金属结晶冷却曲线，第6节纯金属结晶过程，二。金属的结晶过程实验证明，晶核的形成和生长是金属结晶的基本过程。当

14、液态金属达到结晶温度时，它首先形成一些极细的微晶，称为晶核。随着时间的推移，形成的晶核不断生长。同时，新的晶核形成并长大，直到所有液态金属凝固。凝固后，从每个晶核生长的晶粒相互接触，如图127所示。图1-27是纯金属结晶过程的示意图，第6节是纯金属结晶过程，图1-28是枝晶生长模式，第6节是纯金属结晶过程，图1-29是金属锭中的枝晶，第3节是结晶后金属的晶体尺寸，第6节是纯金属结晶过程，1。晶体尺寸对金属2机械性能的影响。控制晶体尺寸(1)加速液态金属的冷却速度(2)变质是在铸造前向熔融金属中加入少量固体材料的方法，以促进熔融金属的成核并改善其结构和性能。(3)其他方法采用机械搅拌、机械振动、

15、超声波振动和电磁振动等。它可以破坏和细化生长中的枝晶，而被破坏的枝晶可以起到新的晶核的作用，增加晶核的数量，从而细化晶粒。第7节：金属材料的异构化转化；图1-30:纯铁的冷却曲线和异构化转变；第7节：金属材料的异构化转化；1)异构化转化通过两个基本过程完成：成核和成核生长，新的核优先在原始晶界形成。2)异构也有过冷(或过热)现象，在转化过程中有很大程度的过冷。3)在同分异构转化过程中，发生相变潜热，冷却曲线上出现水平线段，但这种转化是以固态进行的。4)异构化通常伴随着金属的体积变化。图1-31滑铁卢战役，第8节合金的晶体结构和结晶过程，1。基本概念1。组件2。合金系统3。第四阶段。组织2。合金

16、的晶体结构根据合金中各组分之间的相互作用，合金的晶体结构可分为三种类型：固溶体、金属化合物和机械混合物。(1)固溶体1。置换固溶体，第8节合金的晶体结构和结晶过程，2。间隙固溶体，图1-32固溶体的类型，图1-33合金的晶体结构和结晶过程，固溶体形成时产生的晶格畸变，(2)金属化合物，(3)机械混合物，第8节合金的晶体结构和结晶过程其结晶过程与纯金属相同，也是成核和成核生长两个过程。同时，结晶过程中需要一定程度的过冷，结晶后形成多晶。与纯金属的结晶过程相比，合金的结晶过程具有以下特点：1)纯金属的结晶是在恒温下进行的，只有一个结晶温度。2)在合金的结晶过程中，相的化学成分(即浓度)在局部范围内是不同的。当结晶终止时，整个晶体的平均化学成分与原始合金的相同。3)合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是单相固溶体的形成；第二种情况是同时形成单相金属化合物或结晶两相机械混合物(如共晶)；在第三种情况下，在结晶开始时形成单相固溶体，同时从剩余液体中结晶出两相机械混合物(如共晶)