【大學課件】金屬材料的制備 冶金

金屬材料的制備冶金學是一門研究金屬材料制備和應(yīng)用的學科，涉及從礦石開采到金屬制品生產(chǎn)的全過程。課程目標了解金屬材料的分類和性質(zhì)從宏觀和微觀角度了解金屬材料的種類、性能和應(yīng)用。例如，了解鋼鐵、鋁合金、銅合金等常見的金屬材料。掌握金屬材料的制備工藝了解金屬材料從礦石到產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程，包括冶煉、鑄造、鍛造、軋制、焊接等工藝。學習金屬材料的應(yīng)用和發(fā)展了解金屬材料在航空航天、機械制造、建筑、電子等領(lǐng)域的應(yīng)用，以及金屬材料的未來發(fā)展趨勢。金屬材料的概述金屬材料是指由金屬元素或以金屬元素為主組成的具有金屬特性的材料。金屬材料具有導電性、導熱性、延展性、光澤等特性，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。常見的金屬材料包括鐵、銅、鋁、金、銀、鉑等，以及它們的合金。金屬材料的性能和應(yīng)用取決于其成分、結(jié)構(gòu)和加工工藝。金屬的原子結(jié)構(gòu)和結(jié)合狀態(tài)金屬的原子結(jié)構(gòu)金屬原子最外層電子數(shù)目較少，容易失去電子，形成正離子。金屬的結(jié)合狀態(tài)金屬原子之間的結(jié)合力為金屬鍵，是由自由電子與金屬離子之間相互作用形成的。金屬的性能強度抵抗變形和斷裂的能力，例如抗拉強度、屈服強度等。硬度抵抗物體壓入或劃傷的能力，例如布氏硬度、洛氏硬度等。塑性在不破壞的情況下承受塑性變形的能力，例如延伸率、斷面收縮率等。韌性吸收沖擊能量的能力，例如沖擊韌性、斷裂韌性等。金屬的結(jié)構(gòu)組織金屬的結(jié)構(gòu)組織是指金屬原子在空間中的排列方式，它決定了金屬材料的許多性能，如強度、硬度、塑性、韌性等。常見的金屬結(jié)構(gòu)組織有：晶體結(jié)構(gòu)：大多數(shù)金屬在固態(tài)下以晶體形式存在，晶體結(jié)構(gòu)是指金屬原子在空間中呈規(guī)則排列。常見的晶體結(jié)構(gòu)有體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)：某些金屬在快速冷卻或特殊條件下可以形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)是指金屬原子在空間中呈無序排列。金屬的相圖相圖是表示物質(zhì)在不同溫度和壓力下存在的相態(tài)變化關(guān)系的圖形。金屬的相圖可以用來確定金屬在不同溫度和壓力下的相組成、相結(jié)構(gòu)和相變過程。相圖是金屬材料制備和熱處理的重要參考依據(jù)。鐵的相圖鐵的相圖是描述鐵在不同溫度和壓力下存在的不同相的圖。鐵的相圖是一個復雜的圖，因為它包含了許多不同的相，包括α-鐵、γ-鐵和δ-鐵。α-鐵是鐵在常溫下存在的相，它具有體心立方結(jié)構(gòu)。γ-鐵是鐵在高溫下存在的相，它具有面心立方結(jié)構(gòu)。δ-鐵是鐵在更高溫度下存在的相，它也具有體心立方結(jié)構(gòu)。鐵的相圖中還包括了鐵的碳合金，包括鋼和鑄鐵。鋼是鐵和碳的合金，其中碳含量小于2.11%。鑄鐵是鐵和碳的合金，其中碳含量大于2.11%。鋼和鑄鐵的相圖與鐵的相圖相似，但它們也包含了碳的相，例如滲碳體。鋼材的熱處理淬火將鋼材加熱到奧氏體化溫度，然后迅速冷卻到室溫，以提高鋼材的硬度和強度?；鼗饘⒋慊鸷蟮匿摬募訜岬降陀诖慊饻囟鹊臏囟龋⒈３忠欢螘r間后，再進行冷卻，以降低鋼材的硬度，提高鋼材的韌性和塑性。正火將鋼材加熱到奧氏體化溫度，然后緩慢冷卻到室溫，以改善鋼材的組織，提高鋼材的韌性和塑性。退火將鋼材加熱到一定溫度，并保持一段時間后，再緩慢冷卻，以消除鋼材的內(nèi)應(yīng)力，改善鋼材的加工性能。鋼材的組織和性能組織結(jié)構(gòu)鋼材的組織結(jié)構(gòu)決定了其性能，影響其強度、韌性、硬度等。強度鋼材能夠承受的外力而不發(fā)生斷裂的能力。韌性鋼材在斷裂前能夠吸收能量的能力，與抗沖擊性能有關(guān)。銅及其合金的性能和應(yīng)用導電性銅的導電性優(yōu)異，廣泛用于電線、電纜、電子元件等。導熱性銅的導熱性也很好，常用于散熱器、熱交換器等。耐腐蝕性銅的耐腐蝕性較好，在許多環(huán)境中可長期使用?？杉庸ば糟~的機械性能良好，易于加工成各種形狀。鋁及其合金的性能和應(yīng)用輕質(zhì)，密度低強度高，硬度高耐腐蝕性強，抗氧化性好可回收利用，環(huán)保鎂及其合金的性能和應(yīng)用輕質(zhì)鎂合金密度低，僅為鋁合金的2/3，是輕金屬材料。高強度鎂合金具有良好的強度和剛度，可以承受較大的載荷。優(yōu)異的加工性能鎂合金可通過鑄造、鍛造、軋制等方法進行加工。廣泛應(yīng)用鎂合金廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。鈦及其合金的性能和應(yīng)用1輕質(zhì)高強度鈦的密度比鋼低，但強度卻很高，是航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的理想材料。2耐腐蝕性強鈦具有良好的耐腐蝕性，可以抵抗各種酸、堿和鹽的侵蝕。3生物相容性好鈦與人體組織相容性好，不會引起排斥反應(yīng)，是制造醫(yī)療器械的理想材料。煉鐵工藝1原料準備鐵礦石、焦炭和石灰石等原料被破碎和篩選，以確保它們的大小和質(zhì)量符合冶煉要求。2高爐冶煉原料在高爐中被加熱至高溫，焦炭燃燒產(chǎn)生的高溫和還原性氣體將鐵礦石中的氧化鐵還原成鐵。3熔融鐵的收集熔融的鐵水被收集到鐵水池中，并被送往煉鋼廠進一步加工。煉鋼工藝1轉(zhuǎn)爐煉鋼主要工藝流程2電爐煉鋼高純度鋼材3真空冶煉特殊鋼材鑄造工藝1熔煉將金屬材料加熱至熔化狀態(tài)2澆注將熔化的金屬倒入模具中3冷卻凝固金屬在模具中冷卻凝固，形成鑄件4清理去除鑄件上的澆口、冒口等鍛造工藝1塑性變形通過錘擊或壓力使金屬材料產(chǎn)生塑性變形，改變其形狀和尺寸。2晶粒細化鍛造過程中的塑性變形會使金屬材料的晶粒尺寸變小，提高強度和韌性。3組織均勻鍛造過程可以消除金屬材料中的組織缺陷，使組織更加均勻，提高材料的性能。軋制工藝塑性變形通過金屬在軋輥之間的壓縮，改變金屬的形狀和尺寸。冷軋在室溫下進行軋制，可獲得高精度和表面光潔度。熱軋在高溫下進行軋制，提高金屬的塑性和可加工性。應(yīng)用廣泛用于生產(chǎn)各種形狀和尺寸的金屬制品，如板材、型材、管材等。焊接工藝1熔焊利用高溫將金屬加熱至熔化狀態(tài)，形成熔池，冷卻凝固后形成接頭的焊接方法。2壓焊在壓力作用下，使金屬表面互相接觸，并通過原子間的相互擴散而形成接頭的焊接方法。3釬焊利用熔點低于母材的釬料在壓力下填充接縫，使之與母材冶金結(jié)合的焊接方法。熱處理工藝1退火降低硬度，提高塑性，改善加工性能2正火細化晶粒，提高強度和韌性3淬火提高硬度和強度，降低塑性和韌性4回火降低淬火后的硬度，提高韌性和塑性金屬材料的缺陷檢測顯微鏡檢查利用光學顯微鏡或電子顯微鏡觀察金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)，識別缺陷。超聲波檢測通過超聲波在金屬材料中的傳播和反射，檢測內(nèi)部缺陷。X射線檢測利用X射線穿透金屬材料，在底片上形成影像，識別內(nèi)部缺陷。金屬材料的改性技術(shù)合金化通過添加其他元素改變金屬的性能。例如，添加碳元素可以提高鋼材的強度和硬度。熱處理通過控制加熱和冷卻過程改變金屬的微觀結(jié)構(gòu)，從而改變其性能。例如，淬火可以提高鋼材的硬度，而退火可以提高其韌性。表面處理通過在金屬表面進行特殊處理，例如鍍層、噴涂或熱噴涂，來改善金屬的耐腐蝕性、耐磨性或外觀。金屬材料的表面處理表面清潔去除金屬表面的氧化物、油污和雜質(zhì)，提高金屬表面的清潔度和光潔度。表面鍍層在金屬表面鍍上其他金屬或合金，以提高金屬的耐腐蝕性、耐磨性或美觀性。表面涂層在金屬表面涂上涂料或其他保護層，以提高金屬的耐腐蝕性、耐磨性或美觀性。金屬材料的環(huán)境問題礦產(chǎn)資源開采開采金屬礦物會造成土壤侵蝕、水污染和生物多樣性喪失。工業(yè)生產(chǎn)和加工金屬冶煉、加工和制造過程中會排放有毒氣體和廢水，污染環(huán)境。金屬廢棄物處理不合理的金屬廢棄物處理會造成土壤和水體污染，影響生態(tài)環(huán)境。金屬材料的循環(huán)利用1節(jié)約資源減少對原生金屬礦產(chǎn)的開采，保護自然環(huán)境。2降低成本回收金屬比開采新金屬更經(jīng)濟，降低生產(chǎn)成本。3減少污染回收金屬可以減少冶煉過程中的污染排放，保護環(huán)境。金屬材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用輕量化是航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵指標，高強度的鋁合金、鎂合金、鈦合金等廣泛應(yīng)用于飛機、火箭和衛(wèi)星制造。航空航天器需要承受極端溫度變化，耐高溫合金、陶瓷基復合材料等材料用于發(fā)動機、熱防護等關(guān)鍵部位。高性能金屬材料在航空航天器的結(jié)構(gòu)件、發(fā)動機、控制系統(tǒng)等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，確保其安全性和可靠性。金屬材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)構(gòu)鋼鐵是現(xiàn)代建筑中不可或缺的結(jié)構(gòu)材料。鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)框架和鋼板墻體廣泛應(yīng)用于高層建筑、橋梁、體育場館等。裝飾金屬材料還被用于建筑裝飾，例如鋁合金門窗、不銹鋼飾面、銅板屋頂?shù)?。這些金屬材料不僅耐用，而且具有美觀的外觀，為建筑增添了現(xiàn)代感和時尚感。金屬材料在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用齒輪金屬齒輪廣泛應(yīng)用于各種機械，例如汽車、飛機和工業(yè)設(shè)備，用于傳遞動力和運動。軸承金屬軸承提供低摩擦和低磨損的滑動表面，確保機械設(shè)備的平穩(wěn)運行和延長使用壽命。機床金屬機床是制造其他機械的關(guān)鍵工具，它們使用各種金屬材料來制造精密零件。金屬材料在電子電氣領(lǐng)域的應(yīng)用導體銅、鋁和金等金屬具有良好的導電性，廣泛用于制造電線、電纜、印刷電路板和電子元件。磁性材料鐵、鈷、鎳等磁性金屬用于制造電機、發(fā)電機、變壓器和其他磁性設(shè)備。合金特殊合金，如不銹鋼，具有耐腐蝕性和強度，適用于電子設(shè)備外殼和內(nèi)部組件。金屬材料的新發(fā)展趨勢高性能合金高強度、高耐熱性、高抗腐蝕性合金的發(fā)展，滿足航空航天、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域的需求。輕質(zhì)金屬材料鎂合金、鋁合金、鈦合金等輕質(zhì)金屬材料在汽車、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，減