第三章 改变材料性能的主要途径

改善金属材料性能的主要方法金属材料是工程领域中常见的材料之一，其性能的好坏直接影响着产品的质量和使用寿命。

因此，改善金属材料的性能成为了工程领域中的重要课题。

在实际生产和应用中，我们可以通过多种方法来改善金属材料的性能。

首先，合金化是一种常用的方法。

通过向金属中添加其他元素，可以改变金属的晶体结构和化学成分，从而提高金属的硬度、强度、耐腐蚀性等性能。

例如，将铁与碳合金化可以制备出钢，钢比纯铁具有更高的硬度和强度。

此外，还可以通过添加其他合金元素如铬、镍、钛等来改善金属的性能，使其具有更多的特殊性能，如耐高温、耐磨等。

其次，热处理是另一种常用的方法。

金属经过热处理可以改变其晶体结构和内部应力状态，从而提高其硬度、强度和耐磨性。

常见的热处理方法包括退火、正火、淬火、回火等，通过不同的热处理工艺可以得到不同性能的金属材料。

例如，淬火可以使金属具有高硬度和强度，适用于制作刀具、轴承等零部件。

另外，表面处理也是改善金属材料性能的重要手段。

金属材料的表面处理可以改善其耐腐蚀性、耐磨性和外观质量。

常见的表面处理方法包括镀层、喷涂、氮化、氧化等。

例如，对钢铁材料进行镀锌处理可以提高其耐腐蚀性，延长其使用寿命；对铝合金进行阳极氧化处理可以提高其表面硬度和耐磨性。

此外，材料的形状设计也可以影响其性能。

合理的形状设计可以减少材料的应力集中，提高其承载能力和抗疲劳性能。

例如，在零部件设计中，通过合理的结构设计和工艺优化可以减少材料的应力集中，延长零部件的使用寿命。

综上所述，改善金属材料性能的方法包括合金化、热处理、表面处理和形状设计等多种途径。

在实际工程中，可以根据具体的要求和条件选择合适的方法来改善金属材料的性能，从而满足不同领域的需求。

通过不断的研究和实践，我们可以不断提高金属材料的性能，推动工程技术的发展。

改善金属材料性能的主要方法改善金属材料性能的主要方法包括合金化、热处理、塑性变形、表面处理和纳米材料应用等。

下面详细介绍这些方法及其作用。

首先是合金化。

合金化是通过向金属中添加其他元素，以改善金属的性能。

常见的合金元素有碳、硅、磷、锰、铬、镍、钼等。

合金化可以改变金属的晶体结构和相变温度，提高材料的强度、硬度、耐腐蚀性和热稳定性等性能。

例如，将钢中的碳含量控制在一定范围内，可以得到高强度、高韧性的淬火态钢；将铝中加入适量的铜、锰、镁等元素，可以获得高强度、耐蚀性好的铝合金。

其次是热处理。

热处理是指将金属材料加热至一定温度，然后冷却至室温的工艺。

热处理可以使金属材料的晶粒尺寸、晶界结构以及组织性能发生变化，从而改变材料的力学性能。

常见的热处理方法有退火、固溶处理、时效处理等。

退火可以消除材料内部应力，降低硬度，提高塑性和延展性，改善加工性能。

固溶处理是将合金加热至固溶温度，使合金元素溶解到金属基体中，然后通过快速冷却固化，使合金元素均匀分布在基体中，从而提高强度和硬度。

时效处理是将固溶处理后的合金在一定温度下保持一段时间，使固溶体析出出現析出相的長英，进一步提高强度和硬度。

第三是塑性变形。

塑性变形是通过机械力的作用，使金属材料发生塑性变形并改变组织结构和性能的方法。

常见的塑性变形方法有拉伸、压缩、挤压、弯曲等。

塑性变形可以改善材料的力学性能，提高韧性和塑性，并消除材料内部的缺陷和应力集中。

例如，将金属材料进行冷变形可以细化晶粒尺寸，提高硬度和强度，同时提高材料的延展性。

第四是表面处理。

表面处理是指通过对金属材料表面进行一系列化学或物理处理，改善材料的表面性能。

常见的表面处理方法有电镀、阳极氧化、喷涂、化学处理等。

表面处理可以提高金属材料的耐腐蚀性、耐磨性、耐疲劳性和耐热性等表面性能。

例如，通过电镀镀上一层防腐性能好的金属如镀锌，可以提高金属材料的抗腐蚀能力；通过阳极氧化对铝材进行表面氧化处理，可以得到一层耐磨、耐腐蚀的氧化层。

工程材料实验理论考试复习题参考答案1、二次渗碳体呈网状分布时对钢的机械性能有何影响？怎样才能避免？答：二次渗碳体呈网状分布时，弱化了晶界，会使钢变脆。

正火可以避免。

2、铸铁中的石墨有几种形态？那种形态对性能最有利？答：铸铁中的石墨有形态有：片状、蠕虫状、团絮状、球状。

球状石墨对性能最有利。

3、45钢和T12钢都采用正常淬火得到什么组织?有何区别?答：45钢正常淬火是完全淬火，得到片状马氏体和板条状马氏体的混合组织。

T12钢正常淬火是不完全淬火，得到片状马氏体和渗碳体的混合物。

4、铸铁中的基体组织是什么？为什么铸铁可以进行各种各样的热处理？答：铸铁中的基体组织是钢，由于钢能进行各种热处理，故以钢为基体的铸铁也能进行各种热处理。

5、40Cr钢淬火400℃回火后得到的组织名称是什么？该组织的性能如何？答：40Cr钢淬火400℃回火后得到的组织名称是回火屈氏体，该组织弹韧性比较好，屈强比也比较高，故通常用于弹簧的处理。

6、什么是变质处理？说明变质处理的工业应用。

答：所谓变质处理就是指在钢水、或铁水、或其它金属溶液浇铸以前，往其中加入一些高熔点的细小的变质剂，促进非均匀形核，提高形核率，以达到细化晶粒的目的。

变质处理广泛用于冶金工业上，用来细化金属组织，从而达到提高性能的目的。

7、珠光体组织在低倍和高倍观察时有何不同，为什么？答：珠光体在低倍（200倍以下）观察时，由于显微镜的分辨能力小于渗碳体片的厚度，一般看不到单独的渗碳体片，而只能看到被腐蚀成一条黑线的铁素体和渗碳体的边界。

当组织较细而放大倍数又较低时，珠光体的片层就不能分辨，看到的珠光体组织呈黑色。

在高倍（600倍以上）观察时，可以清楚地看到珠光体中平行相间的白亮宽条铁素体和白亮窄条渗碳体及黑条的相界线。

8、轴承合金的理想组织是什么？为什么？答：轴承合金的理想组织是在软基体上分布着硬质点。

这种既硬又软的混合相组织，保证了轴承合金具有足够的强度与塑性的配合以及良好的减摩性。

第三章改变材料性能的主要途径§1.金属塑性变形对材料性能的影响一.塑性变形过程及组织、性能的变化1．单晶体的塑性变形单晶体塑性变形的基本形式有以下两种：①滑移变形:即在一定的切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面（称滑移面，是晶体中原子密度最大的晶面）上的一定的晶向（称滑移方向，是晶体中原子密度排列最大的晶向）发生滑移。

②孪生变形:即在切应力作用下，晶体的一部分相对另一部分沿一定的晶面（称孪生面）和一定的晶向（称孪生方向）产生切变。

(2)滑移变形与位错滑移变形并不是滑移面两侧晶体的整体移动的刚性滑移，而是通过晶内的位错运动来实现的,当一个位错移动到晶体表面时，就产生一个位移量。

常把单晶体中所含位错线的总长度称作位错密度（ρ），即式中：V——晶体总体积（cm3）；S——位错线总长度（cm）。

（3）位错增殖:在滑移变形过程中造成位错数量增多的现象称为位错增殖。

（4）滑移系:金属材料的塑性变形主要是滑移变形，但在滑移过程中，不是沿着任何晶面和晶向发生的，而是沿着晶格中原子密度最大的滑移面和滑移方向进行的，不同的晶格类型的晶体，滑移面与滑移方向的数目是不同的，常将一个滑移面和其上的一个滑移方向合称为一个滑移系。

一般金属滑移系愈多，金属发生滑移的可能性就愈大，则金属的塑性变形愈容易，特别是滑移方向对塑性变形的作用比滑移面作用更大，故具有面心立方晶格的金属具有良好的塑性。

2．多晶体的塑性变形（1）多晶体的塑性变形是每个晶粒变形的总和（2）多晶体金属的晶界是位错运动的辟垒（3）冷变形纤维组织（4）变形织构二.塑性变形金属的再结晶1．再结晶过程（1）回复:工业上常利用回复过程对变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，保持加工硬化效果。

时，原子扩散能力增大，（2）再结晶：当将加工硬化的金属继续加热到（0.35～0.4）T熔在位错密度较高的晶界上，一些未变形的亚晶粒和回复时形成的多边化亚晶粒转变成再结晶晶粒，并进一步长大。