金屬材料學(全套課件)

匯報人：2023-12-20金屬材料學(全套課件)12021/10/10星期日目錄金屬材料概述金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)金屬材料的相變與熱處理金屬材料的力學性能22021/10/10星期日目錄金屬材料的物理與化學性能金屬材料的加工與成型金屬材料的選擇與應用32021/10/10星期日01金屬材料概述42021/10/10星期日金屬材料是指金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱。定義根據(jù)金屬材料的成分和特性，可將其分為黑色金屬、有色金屬和特種金屬材料三大類。分類金屬材料的定義與分類52021/10/10星期日金屬材料具有良好的導電性、導熱性、延展性和可塑性。物理性能化學性能力學性能金屬材料在空氣中或化學介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕和氧化。金屬材料具有較高的強度、硬度、韌性和耐磨性。030201金屬材料的性能特點62021/10/10星期日生物醫(yī)學金屬材料在生物醫(yī)學領域也有應用，如醫(yī)療器械、人體植入物等。航空航天金屬材料在航空航天領域應用廣泛，如飛機機身、發(fā)動機零部件等。電力電子金屬材料在電力電子領域應用較多，如電線電纜、電機繞組等。機械制造金屬材料在機械制造領域應用廣泛，如制造機床、汽車、船舶等。建筑工程金屬材料在建筑領域也有重要應用，如鋼結(jié)構(gòu)橋梁、建筑用鋼材等。金屬材料的應用領域72021/10/10星期日02金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)82021/10/10星期日體心立方晶格（BCC）01體心立方晶格的晶胞是一個立方體，在其中心有一個原子，八個頂點上各有一個原子。具有此晶格的金屬有鉻、鎢、鉬、鐵、鈮等。面心立方晶格（FCC）02面心立方晶格的晶胞是一個立方體，在其八個頂點上各有一個原子，六個面的中心各有一個原子。具有此晶格的金屬有鋁、銅、鎳、鉛、金等。密排六方晶格（HCP）03密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，在其十二個頂點上各有一個原子，上下底面的中心各有一個原子，內(nèi)部還有三個原子。具有此晶格的金屬有鎂、鋅、鎘、鈦等。金屬的晶體結(jié)構(gòu)類型92021/10/10星期日點缺陷包括空位和間隙原子?？瘴皇侵妇w中某些位置沒有原子占據(jù)，而間隙原子是指原子擠入晶格間隙中。點缺陷對金屬材料的性能有很大影響，如降低強度、硬度等。線缺陷主要是指位錯。位錯是晶體中一種常見的線缺陷，它破壞了晶體的周期性排列，導致晶體變形。位錯對金屬材料的塑性變形和強度有很大影響。面缺陷包括晶界和亞晶界。晶界是不同取向的晶粒之間的界面，而亞晶界是同一晶粒內(nèi)不同取向的亞晶粒之間的界面。面缺陷對金屬材料的性能也有很大影響，如降低韌性、增加脆性等。金屬晶體中的缺陷102021/10/10星期日晶體結(jié)構(gòu)對力學性能的影響不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的滑移系和孿生系，從而導致不同的力學性能。例如，面心立方晶格的金屬具有較好的塑性和韌性，而體心立方晶格的金屬則具有較高的強度和硬度。晶體結(jié)構(gòu)對物理性能的影響金屬的晶體結(jié)構(gòu)還會影響其物理性能，如導電性、導熱性、磁性等。例如，具有密排六方晶格的金屬通常具有較好的導電性和導熱性。晶體結(jié)構(gòu)對化學性能的影響金屬的晶體結(jié)構(gòu)還會影響其化學性能，如耐腐蝕性、氧化性等。例如，具有面心立方晶格的金屬通常具有較好的耐腐蝕性。金屬的晶體結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系112021/10/10星期日03金屬材料的相變與熱處理122021/10/10星期日金屬在固態(tài)下發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)和性能的變化。包括重結(jié)晶、共析反應、馬氏體相變等。固態(tài)相變金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中所發(fā)生的相變。如鋼的鑄造、結(jié)晶等。液態(tài)相變金屬在氣態(tài)下發(fā)生的相變，如金屬蒸發(fā)、升華等。氣態(tài)相變金屬材料的相變類型132021/10/10星期日通過加熱、保溫和冷卻的手段，改變金屬材料的內(nèi)部組織或表面狀態(tài)，從而獲得所需性能。包括退火、正火、淬火、回火等。每種方法都有其特定的加熱溫度、保溫時間和冷卻方式。熱處理原理與方法熱處理方法熱處理原理142021/10/10星期日

熱處理對金屬材料性能的影響力學性能熱處理可以改變金屬材料的硬度、強度、韌性等力學性能。如淬火可以提高硬度，但降低韌性；回火可以降低硬度，提高韌性。物理性能熱處理對金屬材料的物理性能也有顯著影響，如導熱性、導電性、磁性等?；瘜W性能熱處理可以改變金屬材料的化學性能，如耐腐蝕性、抗氧化性等。例如，不銹鋼經(jīng)過熱處理后，其耐腐蝕性會得到顯著提高。152021/10/10星期日04金屬材料的力學性能162021/10/10星期日通過拉伸試驗測定金屬材料的強度、塑性和韌性等力學性能指標。拉伸試驗描述金屬材料在拉伸過程中的應力與應變關(guān)系，反映材料的彈性、屈服、強化和斷裂等階段。應力-應變曲線包括屈服強度、抗拉強度、延伸率和斷面收縮率等，用于評價金屬材料的拉伸性能。拉伸性能指標金屬的拉伸性能172021/10/10星期日韌性試驗通過沖擊試驗或彎曲試驗測定金屬材料的韌性，反映材料在沖擊或彎曲載荷下的抗斷裂能力。硬度試驗通過硬度試驗測定金屬材料的硬度，反映材料抵抗局部變形的能力。硬度與韌性的關(guān)系硬度高的材料通常韌性較差，而韌性好的材料硬度可能較低。因此，在選擇金屬材料時需要根據(jù)具體應用場景權(quán)衡硬度與韌性。金屬的硬度與韌性182021/10/10星期日斷裂韌性描述金屬材料在裂紋擴展過程中的阻力，反映材料抵抗裂紋擴展的能力。疲勞與斷裂的關(guān)系疲勞裂紋的擴展最終可能導致金屬材料的斷裂。因此，提高金屬材料的疲勞性能有助于延緩斷裂的發(fā)生。疲勞試驗通過交變應力作用下的疲勞試驗測定金屬材料的疲勞性能，反映材料在循環(huán)載荷下的抗疲勞破壞能力。金屬的疲勞與斷裂192021/10/10星期日05金屬材料的物理與化學性能202021/10/10星期日密度導熱性導電性延展性與塑性金屬的物理性能01020304金屬通常具有較高的密度，這是由于金屬原子間存在緊密的金屬鍵。金屬是良好的導熱體，其導熱性能主要依賴于自由電子的運動。金屬具有優(yōu)異的導電性能，自由電子在金屬晶格中的運動形成了電流。金屬在受到外力作用時，可以發(fā)生塑性變形而不易斷裂，表現(xiàn)出良好的延展性和塑性。212021/10/10星期日金屬的化學性能金屬原子間通過共享自由電子形成的化學鍵，決定了金屬的一些基本化學性質(zhì)。金屬在化學反應中通常作為還原劑，容易失去電子被氧化。金屬可以與非金屬元素反應形成離子鍵或共價鍵的化合物。金屬可以與其他金屬或非金屬元素形成合金，改變其物理和化學性能。金屬鍵氧化還原反應與非金屬的反應合金化222021/10/10星期日金屬在潮濕環(huán)境中與電解質(zhì)溶液接觸時，會發(fā)生電化學腐蝕現(xiàn)象。電化學腐蝕不同金屬在相同環(huán)境中的耐蝕性不同，可以通過耐蝕性等級來評估金屬的耐蝕性能。耐蝕性等級為了提高金屬的耐蝕性能，可以采取表面涂層、合金化、改變環(huán)境等防護措施。防護措施不銹鋼是一種具有良好耐蝕性能的金屬材料，其耐蝕性主要來源于鉻元素的氧化膜保護作用。不銹鋼的耐蝕性金屬的耐蝕性能232021/10/10星期日06金屬材料的加工與成型242021/10/10星期日金屬在鑄造過程中表現(xiàn)出來的流動性、收縮性、偏析等特性。鑄造性能包括模具設計、熔煉、澆注、冷卻、落砂、清理等步驟，影響鑄件的質(zhì)量和性能。鑄造工藝常用的鑄造合金有鑄鐵、鑄鋼、鋁合金等，具有不同的鑄造性能和機械性能。鑄造合金金屬的鑄造性能與鑄造工藝252021/10/10星期日03金屬的塑性金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，與金屬的成分、組織結(jié)構(gòu)和變形條件有關(guān)。01壓力加工通過外力使金屬坯料產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀、尺寸和性能的加工方法。02成型工藝包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔等，可生產(chǎn)各種形狀和規(guī)格的金屬材料和制品。金屬的壓力加工與成型工藝262021/10/10星期日焊接性能金屬在焊接過程中表現(xiàn)出來的焊接性、裂紋敏感性、氣孔敏感性等特性。焊接工藝包括焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、激光焊等多種焊接方法，適用于不同金屬材料和焊接要求。焊接接頭焊接接頭由焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)組成，其質(zhì)量和性能直接影響焊接結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。金屬的焊接性能與焊接工藝272021/10/10星期日07金屬材料的選擇與應用282021/10/10星期日根據(jù)使用條件和要求，選擇具有適當力學、物理和化學性能的金屬材料。性能原則經(jīng)濟性原則可靠性原則環(huán)境適應性原則在滿足性能要求的前提下，盡量選擇價格低、來源廣、加工容易的金屬材料。優(yōu)先選用經(jīng)過長期使用考驗、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的金屬材料和成熟的加工技術(shù)?？紤]金屬材料在使用過程中的環(huán)境適應性，如耐腐蝕性、耐高溫性等。金屬材料的選擇原則與方法292021/10/10星期日具有高強度、良好的塑性和韌性，廣泛應用于建筑、橋梁、車輛、船舶等領域。鋼鐵材料密度小、比強度高、耐腐蝕性好，用于航空航天、汽車、電子等領域。鋁合金導電性、導熱性好，耐腐蝕性優(yōu)良，用于電氣、化工、建筑等領域。銅合金比強度高、耐腐蝕性好、高溫性能優(yōu)異，用于航空航天、醫(yī)療等領域。鈦合金典型金屬材料的性能與應用302021/10/10星期日發(fā)展