金屬學(xué)

金屬學(xué)緒論

1 金屬的性能

1．1 金屬的力學(xué)性能

1．1．1 強(qiáng)度

1．1．2 塑性

1．1．3 硬度

1．1．4 韌性

1．1．5 疲勞強(qiáng)度

1．1．6 彎曲性能

1．1．7 力學(xué)性能

1．2 金屬的物理性能和化學(xué)性能

1．2．1 物理性能

1．2．2 金屬的化學(xué)性能

1．3 金屬的工藝性能

1．3．1 鑄造性能

1．3．2 鍛造性能

1．3．3 焊接性能

1．3．4 切削加工性能

金屬學(xué)思考題

2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)及結(jié)晶

2．1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2．1．1 金屬特性與金屬鍵

2．1．2 晶體的基本概念

2．1．3 金屬中常見的晶格類型

2．1．4 晶面與晶向

2．2 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響

2．2．1 多晶體的幾個(gè)基本概念

2．2．2 晶體缺陷及其對(duì)性能的影響

2．3 純金屬的結(jié)晶及其基本規(guī)律

2．3．1 熱分析實(shí)驗(yàn)與冷卻曲線

2．3．2 金屬結(jié)晶的過冷現(xiàn)象

2．3．3 金屬的結(jié)晶過程

2．3．4 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件

2．3．5 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件

2．3．6 晶核的形成

2．3．7 晶核長(zhǎng)大

金屬學(xué)思考題

3 合金的結(jié)構(gòu)及相圖

3．1 合金的基本知識(shí)

3．1．1 合金的基本概念

3．1．2 合金的相結(jié)構(gòu)

3．2 二元合金相圖的建立

3．2．1 二元合金相圖的表示方法

3．2．2 二元合金相圖的測(cè)繪方法

3．3 二元?jiǎng)蚓鄨D

3．3．1 相圖分析

3．3．2 杠桿定律

3．3．3 合金的結(jié)晶過程分析

3．3．4 固溶體的不平衡結(jié)晶

3．3．5 成分過冷及其對(duì)晶體成長(zhǎng)形狀的影響

3．4 二元共晶相圖

3．4．1 相圖分析

3．4．2 合金的結(jié)晶過程分析

3．4．3 密度偏析(區(qū)域偏析)

3．4．4 不平衡結(jié)晶及組織

3．5 其他相圖"para" label-module="para">

3．5．1 包晶相圖

3．5．2 形成穩(wěn)定化合物的相圖

3．6 二元相圖的分析和使用

3．6．1 相圖分析步驟

3．6．2 應(yīng)用相圖時(shí)要注意的問題

3．6．3 根據(jù)相圖判斷合金的性能

3．7 鑄錠的組織

3．7．1 鑄錠三晶區(qū)的形成

3．7．2 鑄錠組織的控制

金屬學(xué)思考題

4 鐵碳合金

4．1 鐵碳合金的組元及基本相

4．1．1 純鐵

4．1．2 滲碳體

4．2 Fe—Fe3c相圖分析

4．2．1 相圖中的點(diǎn)、線、區(qū)及其意義

4．3 鐵碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織

4．3．1 工業(yè)純鐵

4．3．2 共析鋼

4．3．3 亞共析鋼

4．3．4 過共析鋼

4．3．5 共晶白口鐵

4．3．6 亞共晶白口鐵

4．3．7 過共晶白口鐵

4．4 碳含量對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響及鐵碳相圖的應(yīng)用

4．4．1 碳含量對(duì)平衡組織的影響

4．4．2 碳含量對(duì)力學(xué)性能的影響

4．4．3 碳含量對(duì)工藝性能的影響

4．4．4 鐵碳合金相圖的應(yīng)用

4．5 連鑄鋼坯組織與缺陷

4．5．1 鑄坯低倍結(jié)構(gòu)特征

4．5．2 鑄坯結(jié)構(gòu)的控制

4．5．3 鑄坯及鋼材的缺陷

金屬學(xué)思考題

5 金屬塑性變形與再結(jié)晶

5．1 金屬的塑性變形

5．1．1 單晶體的塑性變形

5．1．2 多晶體的塑性變形

5．2 合金的塑性變形

5．2．1 固溶體合金的塑性變形特點(diǎn)

5．2．2 復(fù)相合金的塑性變形特點(diǎn)

5．3 冷塑性變形對(duì)金屬性能與組織的影響

5．3．1 冷塑性變形對(duì)金屬性能的影響

5．3．2 冷塑性變形對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)的影響

5．3．3 產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力

5．4 冷變形金屬在加熱時(shí)的變化

5．4．1 回復(fù)

5．4．2 再結(jié)晶

5．4．3 晶粒長(zhǎng)大

5．5 金屬的熱塑性變形(熱變形加工)

5．5．1 熱變形加工與冷變形加工的區(qū)別

5．5．2 熱變形加工對(duì)金屬組織與性能的影響

金屬學(xué)思考題

6 三元合金相圖

7 鋼的熱處理

8 鋼

9 鑄鐵

附錄

參考文獻(xiàn)

……

金屬學(xué)簡(jiǎn)介

研究金屬及其合金的組成、組織結(jié)構(gòu)和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系,以及在各種條件下的變化規(guī)律,為有效地使用金屬材料和為發(fā)展具有特定性能的金屬材料而服務(wù)的一門應(yīng)用科學(xué)。它是從冶金學(xué)的一個(gè)分支──金相學(xué)直接演變而來的。金屬學(xué)一詞,在中國(guó)始見于50年代初,是從俄文“Металловедение”翻譯過來的,字義與德文的”Metallkunde”一詞相當(dāng),科學(xué)內(nèi)容和英文的”Physicalmetallurgy”（物理冶金）大致相當(dāng)。

金屬學(xué)簡(jiǎn)史

19世紀(jì)，冶金學(xué)在生產(chǎn)力蓬勃發(fā)展的推動(dòng)下也得到了重視，到20世紀(jì)30年代發(fā)展衍生若干分支學(xué)科，金屬學(xué)或物理冶金就是其中之一。19世紀(jì)末至20世紀(jì)前葉，鋼的一般成分化學(xué)分析方法已經(jīng)建立，觀察大于微米級(jí)的顯微組織的金相學(xué)技術(shù)已普遍應(yīng)用，通過物理性能測(cè)定或熱分析方法研究相變已積累了一定經(jīng)驗(yàn)，用相律指導(dǎo)相圖的工作正在大量開展，這些都為金屬學(xué)的發(fā)展提供了條件。1863年英國(guó)人索比(H.C.Sorby)發(fā)明了金相技術(shù)，為研究合金中的相組成和顯微組織提供了有力工具。1868年俄國(guó)人切爾諾夫(Д.к.Чернов) 觀察到鋼必須加熱到超過某個(gè)臨界溫度才能淬火硬化，揭示了相變的存在和作用。1887年法國(guó)人奧斯蒙(F.Osmond)利用差熱分析方法系統(tǒng)地研究了鋼的相變。1899年英國(guó)人羅伯茨－奧斯汀(W.Roberts-Austen)指出鋼在臨界溫度以上的相是固溶體，并繪制出第一張鐵碳相圖。1900年德國(guó)人巴基烏斯-洛茲本(H.W.Bakhius-Roozeboom)在此基礎(chǔ)上應(yīng)用吉布斯(J.W.Gibbs)相律修訂了鐵碳相圖(見鐵碳平衡圖)。相圖的出現(xiàn),是金屬學(xué)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

20世紀(jì)以來，金屬學(xué)繼續(xù)汲取物理學(xué)、物理化學(xué)和力學(xué)等有關(guān)成就,內(nèi)容日益豐富。美國(guó)人貝茵(E.C.Bain)和達(dá)文波特(E.S.Davenport) 從1929～1930年開始研究鋼中奧氏體在不同恒溫條件下的轉(zhuǎn)變過程及其產(chǎn)物，創(chuàng)造了S曲線，后來改稱C曲線(見過冷奧氏體轉(zhuǎn)變圖)，闡明了鋼的熱處理的一般原理，對(duì)鋼的發(fā)展和有效利用有重要指導(dǎo)意義。X射線衍射分析在金屬學(xué)發(fā)展中也起了重要作用。通過應(yīng)用X射線,各種合金相結(jié)構(gòu)包括馬氏體的結(jié)構(gòu)及其與碳含量的關(guān)系搞清楚了；金屬冷加工形變及其在退火過程中的擇優(yōu)取向被提示了；鋁銅合金的時(shí)效硬化機(jī)理也得到闡明。1934年位錯(cuò)理論的提出，不但成功地指出了材料實(shí)際強(qiáng)度和理論強(qiáng)度相差千百倍的原因，而且正確地說明了金屬的形變和加工硬化現(xiàn)象。這些，都是第二次世界大戰(zhàn)以前的重要成就。50年代金屬物理、固體物理的發(fā)展，特別是電子顯微鏡的應(yīng)用以及薄膜透射技術(shù)的成功及衍襯理論的建立，對(duì)金屬的微觀結(jié)構(gòu)如位錯(cuò)的存在和運(yùn)動(dòng)等研究，提供了有力的工具，從而使金屬學(xué)中很多關(guān)鍵問題得以澄清（見晶體缺陷，金屬的強(qiáng)化）。

多年來，由于對(duì)鋼和其他合金的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系的研究工作不斷深入，性能優(yōu)越的新鋼種和新合金不斷涌現(xiàn)。高溫合金的發(fā)展便是這方面最突出的成就之一。對(duì)有關(guān)合金相的形成規(guī)律，各種元素及超微量雜質(zhì)在金屬中的作用的研究也愈趨深入，現(xiàn)在對(duì)選擇、處理和使用金屬材料的肓目性已大為減少，但要實(shí)現(xiàn)完全按照預(yù)定要求而不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)就能設(shè)計(jì)出合格的合金，還有很大距離。

金屬學(xué)金屬學(xué)的研究?jī)?nèi)容

金屬學(xué)以金屬電子論、晶體學(xué)(見晶體結(jié)構(gòu))及合金熱力學(xué)為理論基礎(chǔ)，依靠物理、化學(xué)的微觀和宏觀檢測(cè)技術(shù)，擴(kuò)展了金相學(xué)的內(nèi)容，保持應(yīng)用科學(xué)的傳統(tǒng)，其研究?jī)?nèi)容可分為兩方面：①聯(lián)系成分、處理過程對(duì)金屬組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，研究合金相結(jié)構(gòu)和組織的形成規(guī)律,包括:研究合金相的形成、相圖原理及其測(cè)定、合金元素及微量元素在合金相中的分布等合金組成的規(guī)律；研究晶體中原子的擴(kuò)散過程；晶體重構(gòu)的相變過程，包括金屬的凝固與溫度壓力變化下的固態(tài)相變；研究晶體缺陷和金屬形變過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；研究成分及雜質(zhì)對(duì)金屬性質(zhì)的影響，包括超微量元素以及微觀和宏觀偏析。②聯(lián)系金屬材料的使用，研究材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和斷裂行為（見形變和斷裂）；研究金屬材料在各種不同使用條件下的特性變化等（見范性形變，疲勞，蠕變,應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆）；研究金屬的強(qiáng)化原理。至于那些雖以金屬為對(duì)象，或雖與金屬有關(guān)，但主要研究晶體缺陷和金屬電子結(jié)構(gòu)以及它們之間，或它們與各種射線之間的交互作用等微觀過程；研究金屬和合金的物性本質(zhì)，或純屬探索自然規(guī)律的領(lǐng)域，則另列入金屬物理，屬凝聚態(tài)或固體物理的分支。按學(xué)科劃分慣例，有關(guān)磁性、電導(dǎo)、超導(dǎo)、半導(dǎo)等基礎(chǔ)性工作，不屬于金屬學(xué)，應(yīng)列入物理學(xué)范疇。

金屬學(xué)金屬學(xué)的新進(jìn)展

最近20年來金屬學(xué)出現(xiàn)不少新的突破，主要是由于新實(shí)驗(yàn)技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)而取得的。例如，應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖象處理，可以明顯地提高電子顯微鏡的分辨能力，能直接看到金屬中單個(gè)原子分布的圖象(見電子顯微學(xué))；分析電子顯微術(shù)和各種表面分析設(shè)備不斷出現(xiàn)，將金屬學(xué)的發(fā)展引向更加深入。又如應(yīng)用激冷技術(shù)制成的快冷微晶合金和某些合金體系形成的非晶態(tài)金屬，都各自顯示出特有的性能，有很大的理論意義和實(shí)用價(jià)值，為金屬學(xué)開拓了新園地。

金屬學(xué)在歷史上曾有力地推動(dòng)冶金學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在仍是廣義的冶金學(xué)中最活躍的學(xué)科。

《金屬學(xué)》內(nèi)容包括金屬的性能、金屬學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、鋼的熱處理及鋼鐵材料等部分。書中闡述了金屬的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能及有關(guān)測(cè)試方法；著重討論了金屬及其合金結(jié)晶的一般規(guī)律和相圖；簡(jiǎn)要說明了金屬塑性變形理論；分析了鋼的熱處理及合金元素在鋼中的作用；比較詳細(xì)地介紹了鋼與鑄鐵的分類、牌號(hào)、性能與用途。

金屬學(xué)一詞，在中國(guó)始見于50年代初，是從俄文“Металловедение”翻譯過來的，字義與德文的”Metallkunde”一詞相當(dāng)，科學(xué)內(nèi)容和英文的”Physicalmetallurgy”（物理冶金）大致相當(dāng)。

熱加工

（一）金屬材料的基本知識(shí)

1.金屬材料的力學(xué)性能

力學(xué)性能的概念。力學(xué)性能主要指標(biāo)（強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度）的符號(hào)、單位、物理意義與試驗(yàn)方法。

2.金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶，純金屬的晶體結(jié)構(gòu)，純金屬的結(jié)晶過程。冷卻曲線和過冷度。晶粒、晶界、晶格、晶胞、晶面的概念。晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響。金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。

3.合金的相結(jié)構(gòu)與相圖

合金的相結(jié)構(gòu)。二元合金相圖的概念。

4.鐵碳合金

鐵碳合金相圖中的相、特性點(diǎn)和特性線。典型鐵碳合金的組織轉(zhuǎn)變。鐵碳合金相圖的應(yīng)用。

5.鋼的熱處理

熱處理的基本概念。鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。鋼的退火、正火、淬火、回火的目的、工藝特點(diǎn)及應(yīng)用。鋼的表面淬火和化學(xué)熱處理。

6.常用鋼材

含碳量和常存元素對(duì)碳鋼力學(xué)性能的影響。鋼的分類、牌號(hào)和用途。

（二）鑄 造

1.鑄造的實(shí)質(zhì)、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍。鑄造方法分類。

2.合金鑄造性能

充型能力和流動(dòng)性的概念。充型能力和流動(dòng)性對(duì)鑄件質(zhì)量的影響。影響充型能力和流動(dòng)性的主要因素，提高充型能力和流動(dòng)性的主要措施。

收縮的概念。鑄造應(yīng)力、收縮對(duì)鑄件質(zhì)量的影響?？s孔、縮松、變形、裂紋等鑄造缺陷的形成機(jī)理和防止措施。

3.常用合金鑄件及其生產(chǎn)

灰鑄鐵件：灰鑄鐵的分類、牌號(hào)、組織和性能特點(diǎn)及應(yīng)用。鑄鐵的石墨化。孕育處理?；诣T鐵件的生產(chǎn)特點(diǎn)。

球墨鑄鐵件：球墨鑄鐵的分類、牌號(hào)、組織和性能特點(diǎn)及應(yīng)用。球墨鑄鐵件的生產(chǎn)工藝和鑄造工藝特點(diǎn)。

可鍛鑄鐵件：可鍛鑄鐵的分類、牌號(hào)、組織和性能特點(diǎn)及應(yīng)用?？慑戣T鐵件的制造過程和鑄造工藝特點(diǎn)。

蠕墨鑄鐵件和合金鑄鐵件。

鑄鐵的熔煉：沖天爐的工作原理。鐵水溫度和化學(xué)成分的控制。

鑄鋼件、銅合金鑄件和鋁合金鑄件生產(chǎn)。

4.砂型鑄造及鑄造工藝規(guī)程設(shè)計(jì)

鑄造工藝規(guī)程設(shè)計(jì)的意義、內(nèi)容及步驟。

常見手工造型方法的選擇。機(jī)器造型和造型生產(chǎn)線。鑄件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性分析。

鑄造工藝圖的制定：澆注位置和分型面的選擇；鑄造工藝參數(shù)（加工余量、起模斜度、鑄造收縮率、鑄造圓角等）的確定；型芯設(shè)計(jì)。鑄造工藝圖實(shí)例。

5.特種鑄造

熔模鑄造、金屬型鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造和離心鑄造等特種鑄造方法的工藝過程、特點(diǎn)及應(yīng)用。

（三）鍛 壓

1.鍛壓的實(shí)質(zhì)、特點(diǎn)和應(yīng)用。鍛壓方法分類。

2金屬的塑性變形

金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)。單晶體與多晶體的塑性變形。塑性變形對(duì)金屬組織和力學(xué)性能的 影響。冷變形與熱變形的概念。鍛造比與鍛造流線。金屬鍛造性能的概念。

3.自由鍛

自由鍛的特點(diǎn)和應(yīng)用。

坯料的加熱和鍛造溫度范圍。

自由鍛工藝規(guī)程的制定：繪制鍛件圖；確定變形工序；計(jì)算坯料的質(zhì)量和尺寸；選定鍛造設(shè)備等。

典型鍛件自由鍛工藝過程實(shí)例。

自由鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性。

高合金鋼的鍛造特點(diǎn)。

4.模 鍛

模鍛的特點(diǎn)和應(yīng)用。

模鍛的變形工藝和模鍛模膛。模鍛件圖的制定。

錘上、曲柄壓力機(jī)上、平鍛機(jī)上、摩擦壓力機(jī)上模鍛的特點(diǎn)和應(yīng)用。

模鍛件的結(jié)構(gòu)工藝性。

5.板料沖壓

板料沖壓的特點(diǎn)和應(yīng)用。

板料沖壓的基本工序。典型沖壓件工藝過程實(shí)例。

沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性。

6.其他壓力加工方法及新技術(shù)新工藝

精密模鍛、擠壓成形、輥軋成形、液態(tài)模鍛、超塑成形、精密沖壓的特點(diǎn)和應(yīng)用。

（四） 焊接和粘接

1.焊接的實(shí)質(zhì)。焊接方法分類。焊接在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

2.電弧焊質(zhì)量分析

電弧焊冶金過程。焊接接頭的組織和性能。焊接應(yīng)力和變形。焊接裂紋的產(chǎn)生原因及防止措施。

3.電弧焊常用方法

手弧焊的特點(diǎn)和應(yīng)用。焊條的組成、作用、種類、型號(hào)、牌號(hào)、特性和選用。

埋弧焊、氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、等離子弧焊的焊接過程、設(shè)備組成、特點(diǎn)和應(yīng)用。等離子弧切割。

4.其他常用焊接方法及焊接新工藝

電阻焊的實(shí)質(zhì)、基本形式、焊接過程、特點(diǎn)和應(yīng)用。

釬焊的實(shí)質(zhì)。軟釬焊和硬釬焊。釬焊特點(diǎn)和應(yīng)用。

電渣焊的焊接過程、特點(diǎn)和應(yīng)用。

電子束焊、激光焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊的原理、特點(diǎn)和應(yīng)用。

5.常用金屬材料的焊接

金屬焊接性的概念。鋼材焊接性的評(píng)估。

碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接。不銹鋼的焊接。鑄鐵件焊補(bǔ)。鋁、銅及其合金的焊接。

6.焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)

焊接方法的選擇。焊縫布置。焊接接頭設(shè)計(jì)。

7.粘接

粘接的原理與特點(diǎn)。膠粘劑和粘接工藝。

（五） 毛坯選擇

1.選擇毛坯類型及具加工方法的原則

2.鑄造、鍛壓、焊接等毛坯加工方法及其制品的綜合比較

3.常用機(jī)器零件和結(jié)構(gòu)件的毛坯類別

金屬工藝學(xué)課程定位

金屬工藝學(xué)課程是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生要學(xué)習(xí)的機(jī)械制造系列課程中先修課程；是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的一門主干技術(shù)基礎(chǔ)課程；是近機(jī)類和部分非機(jī)類專業(yè)普遍開設(shè)的一門課程；也是理工科學(xué)生建立機(jī)械制造生產(chǎn)過程概念，獲得機(jī)械制造基本知識(shí)的奠基課程。同時(shí)，該課程也是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的技術(shù)基礎(chǔ)課，是一門研究金屬零件制造工藝方法的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。

金屬工藝學(xué)適應(yīng)專業(yè)

金屬工藝學(xué)課程適用機(jī)械制造及其自動(dòng)化、機(jī)械工程、過程裝備與控制工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、工業(yè)工程、包裝工程、車輛工程、能源與動(dòng)力工程、汽車服務(wù)工程、物流工程、輪機(jī)工程、油氣與儲(chǔ)運(yùn)工程、船舶與海洋工程、材料成型與加工、船舶與海洋工程等專業(yè)學(xué)習(xí)。