《金屬材料概論》課件

金屬材料概論本課程將深入探討金屬材料的定義、性質(zhì)、分類、結(jié)構(gòu)以及加工工藝。我們將著重介紹不同類型金屬材料的特性及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，并探討金屬材料的腐蝕和防護(hù)措施。課程介紹目標(biāo)了解金屬材料的基本知識(shí)，掌握金屬材料的性能和應(yīng)用，為后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)和實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。內(nèi)容從金屬材料的定義和特性入手，涵蓋結(jié)構(gòu)、性能、加工工藝、腐蝕與防護(hù)、應(yīng)用等方面，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行講解。金屬材料的定義和特性定義金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主組成的材料，具有金屬鍵合結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和光澤。特性金屬材料具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等特性，這些特性使其在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。金屬材料的分類黑色金屬以鐵為主要元素的金屬材料，如鋼鐵、鑄鐵等。具有強(qiáng)度高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、交通等領(lǐng)域。有色金屬除黑色金屬外的金屬材料，包括銅、鋁、鋅、錫、鉛等，具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子、化工、航空航天等領(lǐng)域。特種金屬材料具有特殊性能的金屬材料，包括金屬陶瓷、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物等，在航空航天、電子信息等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。金屬的結(jié)構(gòu)1金屬材料的結(jié)構(gòu)主要包括晶體結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)，其中晶體結(jié)構(gòu)是金屬材料最常見的結(jié)構(gòu)形式。晶體結(jié)構(gòu)是指原子在空間中規(guī)則排列形成的周期性結(jié)構(gòu)。2常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方結(jié)構(gòu)（BCC）、面心立方結(jié)構(gòu)（FCC）、密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）等。不同的晶體結(jié)構(gòu)決定了金屬材料不同的性能，例如強(qiáng)度、延展性、硬度等。3除了晶體結(jié)構(gòu)，金屬材料也可能存在非晶體結(jié)構(gòu)，即原子在空間中無序排列。非晶體結(jié)構(gòu)的金屬材料通常具有較高的強(qiáng)度、韌性、耐磨性等特性，但其加工難度較大。晶體結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)原子在立方體的頂點(diǎn)和中心位置排列，例如鐵、鉻、鎢等。面心立方結(jié)構(gòu)原子在立方體的頂點(diǎn)和面心位置排列，例如鋁、銅、銀、金等。密排六方結(jié)構(gòu)原子在六角形的頂點(diǎn)和面心位置排列，例如鎂、鋅、鈦等。晶粒和晶界12晶粒金屬材料中具有相同晶體結(jié)構(gòu)和取向的原子集合，晶粒大小和形狀對(duì)材料性能有重要影響。晶界不同晶粒之間相鄰區(qū)域，是原子排列不規(guī)則的區(qū)域，晶界是金屬材料的重要結(jié)構(gòu)特征，影響材料的強(qiáng)度和韌性。點(diǎn)陣缺陷空位晶格中缺少一個(gè)原子，影響材料的強(qiáng)度和塑性。間隙原子一個(gè)原子位于晶格間隙位置，影響材料的強(qiáng)度和硬度。位錯(cuò)晶格中原子排列的局部錯(cuò)位，影響材料的塑性和強(qiáng)度。金屬的力學(xué)性能強(qiáng)度金屬材料抵抗外力破壞的能力，衡量標(biāo)準(zhǔn)包括抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等。硬度金屬材料抵抗外力壓入的能力，衡量標(biāo)準(zhǔn)包括布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等。塑性金屬材料在外力作用下發(fā)生塑性變形的能力，衡量標(biāo)準(zhǔn)包括伸長率、斷面收縮率等。韌性金屬材料抵抗外力沖擊和斷裂的能力，衡量標(biāo)準(zhǔn)包括沖擊韌性、彎曲韌性等。拉伸性能1屈服強(qiáng)度材料開始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力。2抗拉強(qiáng)度材料斷裂時(shí)的最大應(yīng)力。3伸長率材料斷裂后長度的增加量與原長度的比值。4斷面收縮率材料斷裂后斷面面積的減少量與原斷面面積的比值。硬度布氏硬度用一定大小和形狀的壓頭在材料表面壓入，測量壓痕面積大小來確定硬度。洛氏硬度用一定大小和形狀的壓頭在材料表面壓入，測量壓痕深度來確定硬度。維氏硬度用一定大小和形狀的金剛石壓頭在材料表面壓入，測量壓痕對(duì)角線長度來確定硬度。塑性和韌性1塑性金屬材料在外力作用下發(fā)生永久變形的能力，也稱為可塑性。2韌性金屬材料抵抗沖擊和斷裂的能力，也稱為沖擊韌性或彎曲韌性。金屬的熱處理1退火將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，可以使金屬軟化、消除內(nèi)應(yīng)力，改善加工性能。2淬火將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后快速冷卻的熱處理工藝，可以使金屬硬化、提高強(qiáng)度，但也會(huì)增加脆性。3回火將淬火后的金屬再加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻的熱處理工藝，可以降低金屬的硬度和脆性，提高其韌性。退火目的降低硬度、提高塑性、消除內(nèi)應(yīng)力，改善金屬材料的加工性能。過程將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，使晶粒長大，降低內(nèi)部應(yīng)力。淬火目的提高硬度和強(qiáng)度，提高金屬材料的耐磨性和抗疲勞性。過程將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后快速冷卻，使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成硬度更高的馬氏體組織?；鼗鹉康慕档痛慊鸷蟮慕饘儆捕群痛嘈?，提高韌性，改善其綜合性能。過程將淬火后的金屬再加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻，使馬氏體組織部分轉(zhuǎn)變，降低硬度和脆性，提高韌性。鐵素體和鐵素體鋼鐵素體鐵的晶體結(jié)構(gòu)之一，屬于體心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的強(qiáng)度和韌性，但塑性較差。鐵素體鋼主要由鐵素體組成的鋼材，具有強(qiáng)度高、韌性好、焊接性能良好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、制造等領(lǐng)域。鐵素體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體心立方結(jié)構(gòu)鐵原子在立方體的頂點(diǎn)和中心位置排列。磁性鐵素體具有磁性，其磁性與鐵原子的排列方式有關(guān)。鐵素體鋼的性能強(qiáng)度鐵素體鋼具有較高的強(qiáng)度，但其強(qiáng)度與含碳量有關(guān)，含碳量越高，強(qiáng)度越高。韌性鐵素體鋼具有良好的韌性，但其韌性與含碳量有關(guān)，含碳量越高，韌性越低。塑性鐵素體鋼的塑性較差，但其塑性與含碳量有關(guān)，含碳量越高，塑性越低。奧氏體和奧氏體鋼奧氏體鐵的晶體結(jié)構(gòu)之一，屬于面心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的塑性和韌性，但強(qiáng)度較低。奧氏體鋼主要由奧氏體組成的鋼材，具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。奧氏體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)面心立方結(jié)構(gòu)鐵原子在立方體的頂點(diǎn)和面心位置排列。無磁性奧氏體通常不具有磁性，因?yàn)殍F原子在空間中排列比較混亂。奧氏體鋼的性能塑性奧氏體鋼具有良好的塑性，可以進(jìn)行較大的冷變形，適用于制造各種形狀的零件。韌性奧氏體鋼具有良好的韌性，可以承受較大的沖擊載荷，適用于制造承受沖擊載荷的零件。耐腐蝕性奧氏體鋼具有良好的耐腐蝕性，適用于制造在腐蝕環(huán)境中工作的零件。馬氏體和馬氏體鋼馬氏體鐵的晶體結(jié)構(gòu)之一，屬于體心四方結(jié)構(gòu)，具有很高的強(qiáng)度和硬度，但塑性和韌性較差。馬氏體鋼主要由馬氏體組成的鋼材，具有很高的強(qiáng)度和硬度，但塑性和韌性較差，常用于制造刀具、模具等需要高強(qiáng)度和硬度的零件。馬氏體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)體心四方結(jié)構(gòu)鐵原子在立方體的頂點(diǎn)和面心位置排列，但鐵原子排列不規(guī)則。磁性馬氏體具有磁性，其磁性與鐵原子的排列方式有關(guān)。馬氏體鋼的性能強(qiáng)度馬氏體鋼具有很高的強(qiáng)度，是所有鋼材中強(qiáng)度最高的。硬度馬氏體鋼具有很高的硬度，是所有鋼材中硬度最高的。塑性馬氏體鋼的塑性很差，易于斷裂。韌性馬氏體鋼的韌性很差，易于斷裂。鑄鐵定義鐵碳合金，含碳量大于2.11%，主要包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵等。特點(diǎn)鑄鐵具有較好的鑄造性能，可以制造各種形狀的零件，但強(qiáng)度和塑性較差?；诣T鐵結(jié)構(gòu)碳以石墨形式存在，呈片狀或團(tuán)狀，石墨含量越高，強(qiáng)度越低。性能具有良好的減震性能，成本低廉，但強(qiáng)度和塑性較差，耐磨性也不好。球墨鑄鐵結(jié)構(gòu)碳以球狀石墨形式存在，強(qiáng)度和塑性都比灰鑄鐵好。性能強(qiáng)度高、塑性好、減震性能良好，廣泛應(yīng)用于制造各種機(jī)械零件。可鍛鑄鐵結(jié)構(gòu)碳以片狀石墨形式存在，經(jīng)過可鍛化處理后，石墨形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閳F(tuán)狀或球狀。性能強(qiáng)度高、韌性好，具有良好的抗沖擊性能，廣泛應(yīng)用于制造承受沖擊載荷的零件。有色金屬材料定義除鐵以外的金屬材料，包括銅、鋁、鋅、錫、鉛等，通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性等特點(diǎn)。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于電子、化工、航空航天、建筑等領(lǐng)域，在現(xiàn)代科技和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。銅及銅合金特點(diǎn)導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐腐蝕性優(yōu)異，具有良好的加工性能和裝飾性。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于電子、電力、建筑、機(jī)械、化工、藝術(shù)等領(lǐng)域，例如電線電纜、管道、裝飾材料、工具等。鋁及鋁合金特點(diǎn)密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好，可回收利用，是重要的輕金屬材料。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、建筑、包裝、電子等領(lǐng)域，例如飛機(jī)機(jī)身、汽車部件、建筑材料、包裝材料等。鎂及鎂合金特點(diǎn)密度最低的金屬材料，強(qiáng)度高、比強(qiáng)度高，是重要的輕質(zhì)合金材料。應(yīng)用主要應(yīng)用于航空航天、汽車、電子等領(lǐng)域，例如飛機(jī)零部件、汽車零部件、電子產(chǎn)品外殼等。特種金屬材料定義具有特殊性能的金屬材料，包括金屬陶瓷、金屬基復(fù)合材料、金屬間化合物等，在航空航天、電子信息等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)用在航空航天、電子信息、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，推動(dòng)著高新技術(shù)的發(fā)展。金屬陶瓷特點(diǎn)將金屬和陶瓷材料復(fù)合，兼具金屬和陶瓷材料的優(yōu)異性能，例如高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，例如發(fā)動(dòng)機(jī)部件、刀具、軸承、生物材料等。金屬基復(fù)合材料特點(diǎn)將金屬材料與其他材料復(fù)合，例如纖維、陶瓷、金屬間化合物等，可以獲得更高的強(qiáng)度、韌性、耐高溫、耐腐蝕等性能。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、電子等領(lǐng)域，例如飛機(jī)機(jī)身、汽車部件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、電子器件等。金屬間化合物特點(diǎn)由兩種或兩種以上金屬元素通過化學(xué)鍵合形成的化合物，具有特殊的性能，例如高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕等。應(yīng)用廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，例如發(fā)動(dòng)機(jī)部件、刀具、模具、生物材料等。金屬材料的加工工藝1鑄造：將液態(tài)金屬澆入模具中，冷卻凝固成型，適合制造形狀復(fù)雜的零件。2鍛造：利用機(jī)械力對(duì)金屬材料進(jìn)行塑性變形，提高其強(qiáng)度、韌性、致密性，適合制造高強(qiáng)度、高韌性的零件。3焊接：利用熱或壓力將金屬材料熔接在一起，適合制造大型結(jié)構(gòu)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。鑄造過程將液態(tài)金屬澆入模具中，冷卻凝固成型，主要包括熔煉、澆注、凝固、清理等工序。特點(diǎn)適合制造形狀復(fù)雜的零件，生產(chǎn)效率高，成本低廉，但鑄造件的強(qiáng)度和塑性較差。鍛造過程利用機(jī)械力對(duì)金屬材料進(jìn)行塑性變形，主要包括預(yù)熱、成形、冷卻等工序。特點(diǎn)可以提高金屬材料的強(qiáng)度、韌性、致密性，適合制造高強(qiáng)度、高韌性的零件，但生產(chǎn)效率低，成本較高。焊接過程利用熱或壓力將金屬材料熔接在一起，主要包括熔化、凝固、冷卻等工序。特點(diǎn)適合制造大型結(jié)構(gòu)或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，可以將不同的金屬材料連接在一起，但焊接質(zhì)量受多種因素影響。金屬材料的腐蝕與防護(hù)定義金屬材料在周圍環(huán)境的作用下，表面發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬材料性能下降或失效的現(xiàn)象。危害金屬材料腐蝕會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低、性能下降、壽命縮短，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。腐蝕的類型化學(xué)腐蝕金屬材料與周圍環(huán)境中的物質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如金屬與酸、堿、鹽的反應(yīng)。電化學(xué)腐蝕金屬材料在電解質(zhì)溶液中形成微電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，例如金屬在潮濕空氣中的腐蝕。腐蝕的機(jī)理電化學(xué)腐蝕金屬在電解質(zhì)溶液中形成微電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面發(fā)生氧化，形成金屬氧化物或金屬鹽，造成金屬材料腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕金屬材料與周圍環(huán)境中的物質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如金屬與酸、堿、鹽的反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面發(fā)生氧化，形成金屬氧化物或金屬鹽，造成金屬材料腐蝕。腐蝕的防護(hù)措施表面處理在金屬表面進(jìn)行涂層、鍍層、氧化等處理，隔絕金屬與腐蝕性環(huán)境接觸，例如涂漆、鍍鋅、陽極氧化等。改變金屬成分在金屬中添加合金元素，提高金屬材料的耐腐蝕性能，例如添加鉻、鎳等元素，形成不銹鋼。電化學(xué)保護(hù)利用電化學(xué)原理，對(duì)金屬材料進(jìn)行保護(hù)，例如陰極保護(hù)、陽極保護(hù)等。金屬材料的應(yīng)用1航空航天領(lǐng)域：金屬材料是航空航天器制造的重要材料，例如機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件。2汽車工業(yè)：金屬材料是汽車制造的重要材料，例如車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件。3電子電氣領(lǐng)域：金屬材料是電子電氣設(shè)備制造的重要材料，例如導(dǎo)線、電纜、芯片、電路板等。航空航天領(lǐng)域應(yīng)用鋁合金、鈦合金、鎂合金、高溫合金等是航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，用于制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭、衛(wèi)星等。特點(diǎn)這些金屬材料具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，能夠滿足航空航天器在極端環(huán)境下的使用要求。汽車工業(yè)應(yīng)用鋼鐵、鋁合金、鎂合金等是汽車工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，用于制造汽車車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪轂等。特點(diǎn)這些金屬材料具有強(qiáng)度高、韌性好、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，能夠滿足汽車在各種路況下的使用要求。電子電氣領(lǐng)域應(yīng)用銅、鋁、金、銀、鉑等是電子電氣領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料