金属材料与热处理 绪论

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金属材料的性能取决于它的内部组织结构。材料不同，成分和结构不同，性能就不同， 也就有着不同的应用场合。因此，正确地选择金属材料，并且通过不同的热处理方法改变 金属材料的结构，来制造不同使用环境下的零件，就有必要掌握金属材料和热处理的知识。
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一、金属材料与热处理课程的性质、内容和学习目的
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金属材料与热处理课程是一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料的性能间 的关系和变化规律的学科，并且介绍常用工程材料及其应用等基本知识。本课程是大中专 学校机械类专业的一门专业技术基础课。
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本课程的内容涉及面广，包括了金属学、材料学、化学、物理学、力学以及热处理工艺 等方面的基础知识，是一门综合性极强的课程。
每一部分内容都具有一定的独立性，有它自己所需要解决的问题，但各部分之间又有内 在联系。本课程系统性较强，主要内容包括金属的性能、机械零部件的失效与材料的选择、 金属学的基础知识、热处理的基本知识、金属材料及其应用等。
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二、金属材料与热处理的发展简史
我国是世界上最早使用金属材料和热处理技术的国家之一，从各地陆续出土的古代文物 表明，我国古代在使用金属材料和热处理技术方面取得了辉煌成就。早在四千年以前，我 们的祖先开始使用天然存在的红铜，到公元前一千多年的殷商时代，我国的青铜冶铸技术 已达到了很高的水平。如图0-1所示，为河南安阳出土的司母戊大方鼎，重达832 84千克， 体积庞大、花纹精巧、造型精美，是殷商祭祀时所用的器皿。春秋时期，我国已对青铜冶 铸技术做出规律性的总结，如《周礼·考工记》是世界上最早的有关金属材料的成分、性 能和用途之间关系的总结。图0-2为春秋晚期越王勾践青铜剑，剑长55.7 cm，宽4.6 cm， 剑身有鸟篆铭文，剑首为同心圆，铸纹细于 1 mm
18世纪，工业革命使人类使用材料的历史产生了重大突破，人类已经掌握了炼钢的方 法。钢铁时代的到来和蒸汽机的发明，使生产力得到了空前的发展，人们不再简单地使用 工具，而开始使用真正的机器。
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随着科学技术和生产的飞跃发展，我国已能够采用自主生产的钢铁和各种金属材料， 建成了长江大桥、鸟巢等，制造了原子弹、氢弹、人造卫星（见图0-8）、洲际火箭，等 等。近年来，我国在新材料新工艺的研究和应用方面也取得重大成果，2003年10月15日 中国第一艘载人飞船“神舟”五号飞行成功（见图0-9）；2012年9月25日中国第一艘航 母辽宁舰正式服役。然而，当今世界各国的科学技术都在飞速发展，与世界上最先进国 家相比，我国在金属材料与热处理科学方面仍有一定差距。因此，我们必须努力学习， 刻苦钻研，赶超世界先进水平。
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材料又可分为金属材料和非金属材料。金属材料是指金属及其合金的总称。金属是由 单一元素构成的具有特殊光泽、延展性、导电性和导热性的物质，如金、银、铜、铁、锰、 锌、铝等；合金是由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成 的具有一般金属特性的物质。所以，金属材料是指由金属元素或以金属元素为主而构成的 具有金属特性的物质。金属材料已成为我国现代农业、工业、国防及科学技术的重要物质 基础，是国民经济发展的支柱产业之一。机械工业部门所用的材料中有90%以上是金属材 料，可以用来制造各种机器设备、船舶、车辆、仪器仪表等，应用十分广泛。这是因为金 属材料不仅来源广，种类繁多，而且具有优良的物理、化学和力学性能，能够满足各种零 件的使用要求，还具有良好的加工工艺性能，适合制造各种产品，金属材料还可以通过不 同的成分配比、不同的加工方法和热处理工艺来改变其组织与性能，从而进一步扩大其使 用范围。
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我国早在2500年前的周代就已经开始了冶铁，比欧洲最早使用生铁的时间约早2000年。 如图0-6所示，是在河北出土的一件商代铁刃铜钺。这说明大约公元前1400年我国劳动人 民就已经掌握了锻打和焊接铜与铁的技术。图0-7为宋代大型铸铁件：山西太原晋祠铁人。
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许多历史记载和出土文物已证明我国古代人民在热处理技术方面也做出了很大的贡献。 远在西汉时期司马迁所著《史记·天官书》中就有“水与火合为焠”；东汉班固所著的 《汉书·王褒传》中“巧冶铸干将之朴、清水淬其锋”等有关热处理技术方面的记载。明 代宋应星所著《天工开物》一书，记载有冶铁、铸钟、锻铁、淬火等各种金属加工方法， 它是世界上有关金属工艺的最早的科学著作之一。从辽阳三道壕出土的西汉钢剑，经金相 检验，发现其内部组织完全符合现在的淬火马氏体组织。
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知识拓展
第一种是从矿石中直接炼出自然钢。用这种钢做的剑 在东方各国享有盛誉，
第二种是西汉时期的经过“百次”冶炼锻打的百炼钢；
第三种是南北朝时期生产的灌钢，先炼铁后炼钢的两 步炼钢技术，我国要比其他国家早1 600多年。图0-11所 示为古代炼钢方法。
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思考题
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三、金属材料与热处理课程的特点和学习方法
金属材料与热处理课程是广大劳动人民和科学工作者经过长期生产实践和科学实验，反 复总结提高而逐步发展和完善起来的。它既有一定的理论性，又有较强的实践性，各种概 念和名词术语众多，内容庞杂，结构严密，前后内容密切关联。为了帮助读者加深对理论 知识的理解，本课程设置了相关的实验内容。因此，在学习时，应认真听讲，按照材料的 成分和热处理决定其组织，组织决定其性能，性能又决定其用途这一内在关系进行学习和 记忆。在记忆的基础上，注重理解、分析和应用，并注意前后内容的衔接与综合应用，理 论联系实际，认真完成作业和实验等教学环节，一定可以学好这门课。
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陕西临潼出土的秦朝皇陵铜车马（见图0-3），全车长3.17米，高1.06米，由 3 462个零 部件组装而成，其中铜铸件1 742件，金铸件737件，银铸件983件，总重量 1 241千克，其 中金铸件3千克多，银铸件4千克多，这些零部件基本上都是铸造成形，还使用了嵌铸、焊 接、镶嵌、锉磨、抛光、錾刻等技术。它虽在地下沉睡了两千多年，腐蚀深度却不超过万 分之一毫米。车上各活动部分至今仍很灵活，车窗开启自如，牵引辕衡还能使车轮转动， 使车辆前行。两骖马脖子上由42节金管和42节银管组成的金银项圈等，每节扁状金银管长 仅0.8厘米，一节金管与一节银管以子母卯形式相连接，其精细和灵活程度较之现代的表 链毫不逊色。更令人感到惊奇的是每匹马脖子下的璎络，这些璎络是由青铜细丝精制而成， 并且铜丝表面无锻打痕迹，粗细均匀，表明很可能是用拔丝法制成的。尤其是以铜丝组成 的链环由铜丝两端对接焊成，对接面合缝严密。如此纤细的铜丝（直径0.1毫米）到底是 用什么方法制作的，采取什么样的工艺焊接，目前还是一个谜。这说明我们的祖先早在两 千多年前就掌握了相当成熟的金属材料及相关工艺知识。
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西汉时期铸造的青铜铜镜，体现了光学和力学原理。镜面微凸，既可映照人面，又能在
阳光照射下，将镜背上的图文完整地映照到墙上，仿佛光线从镜背穿透镜体再映射到墙上 一样。透光镜（见图0-4）的出现表明汉代在铜合金的冶炼、铸造和加工方面均已达到较 高的技术水平，是中国古代铸造三大代表产品之一。图0-5所示为河北满城出土的西汉青 铜鎏金长信宫灯，现藏河北省博物馆。
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材料是指人类能够用来制造各种有用器件的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。 人类文明的发展史，就是一部学习利用材料、制造材料、创造材料的历史。历史学家根据 人类所使用的材料，将人类历史划分为：石器时代、陶器时代、青铜器时代、铁器时代、 钢铁时代（资本主义大工业时期）、合成材料时代（20世纪）、复合材料时代。人类社会 的发展史表明，人类社会的发展伴随着材料的发明和发展，同时材料对社会、经济、技术 发展有巨大的影响，所以到了20世纪后期，人们把材料、能源、生命和信息并列称为现代 技术和现代文明的四大基础和支柱，这都说明材料的应用和发展与社会文明进步有着十分 密切的关系。
作为一名机械行业的技术工人，从手中的工具到加工的零件，每天都会和各种各样的金 属材料打交道。为了能够正确地认识和使用金属材料，合理地确定不同金属材料的加工方 法，充分发挥金属材料的潜力，就必须掌握有关金属材料与热处理的基本知识和基本理论， 熟悉金属材料的牌号、成分、组织、性能和应用以及零件设计时的合理选材，初步掌握正 确运用热处理工艺，合理安排零件工艺路线的方法，并且具有一定的分析问题、解决问题 的能力，树立质量、成本、安全规范的操作意识，养成文明生产，保护环境的良好习惯。