大學(xué)化學(xué)-金屬材料化學(xué)解讀課件

由金屬或由以金屬元素為主形成的具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料。金屬單質(zhì)合金

由一種金屬與其它金屬或非金屬融合在一起形成的具有金屬特性的物質(zhì)。如:鋼、鋁合金金屬材料由金屬或由以金屬元素為主形成的具有一15.1金屬概論

金屬的存在金屬的分類金屬的性質(zhì)5.1金屬概論金屬的存在2

1金屬加工工藝金屬材料的一般加工過程如下：1金屬加工工藝金屬材料的一般加工過程如下：3（2）工程技術(shù)分類

輕金屬鐵、錳、鉻及其合金

黑色金屬有色金屬密度小于5g·cm-3的金屬重金屬密度大于5g·cm-3的金屬貴金屬地殼中含量少，開采提取困難,

價格貴的金屬包括金、銀和鉑族元素。稀有金屬在自然界分布較少，發(fā)現(xiàn)較遲，提取難，工業(yè)應(yīng)用較晚。放射性金屬原子核能自發(fā)放射出射線的金屬。金屬的分類（2）工程技術(shù)分類輕金屬鐵、錳、鉻及其合43.金屬的性質(zhì)(1)物理性質(zhì)①光澤大多數(shù)金屬呈銀白色光澤。②密度除鋰、鈉、鉀比水輕外，其余金屬的密度都大于1g·

cm-3。最輕的金屬是鋰，最重的金屬是鋨。3.金屬的性質(zhì)(1)物理性質(zhì)①光澤大多數(shù)金屬5③熔點(diǎn)S區(qū)金屬原子半徑較大，多數(shù)熔點(diǎn)較低。d區(qū)金屬熔點(diǎn)大都較高。

VB-VIIB族金屬(除錳外)是高熔點(diǎn)金屬。熔點(diǎn)最高的金屬是鎢，熔點(diǎn)最低的金屬是汞。IIB族和P區(qū)金屬是低熔點(diǎn)金屬。③熔點(diǎn)S區(qū)金屬原子半徑較大，多數(shù)熔點(diǎn)較低。熔點(diǎn)最高的金屬6④導(dǎo)電性金屬一般是良導(dǎo)體，尤其ds區(qū)的銀、銅和p區(qū)的鋁。金屬的導(dǎo)電性一般隨溫度的升高而下降，雜質(zhì)對金屬的導(dǎo)電性能力影響很大，一般說來，金屬純度越高，導(dǎo)電性越好。⑤導(dǎo)熱性導(dǎo)電性好的金屬一般導(dǎo)熱性能也較好。⑥延展性延展金屬時，雖然發(fā)生了變形，但并不破壞金屬鍵，故不發(fā)生斷裂。④導(dǎo)電性金屬一般是良導(dǎo)體，尤其ds區(qū)的銀、銅和p區(qū)的7

5.3合金

合金的結(jié)構(gòu)和類型合金材料 5.3合金 合金的結(jié)構(gòu)和類型81.合金的結(jié)構(gòu)和類型合金從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種基本類型：（1）混合物合金兩種或多種金屬的機(jī)械混合物。熔融:完全或部分互溶凝固:金屬各自結(jié)晶混合物合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)與組分金屬有很大的不同。1.合金的結(jié)構(gòu)和類型合金從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種基本類型：9

2.固溶體合金

⑴按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。

2.固溶體的性能

通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方式之一。固溶體的綜合力學(xué)性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。

2.固溶體合金⑴按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置10（3）金屬化合物合金兩種金屬元素原子的外層電子結(jié)構(gòu)、電負(fù)性和原子半徑差別較大時所形成的金屬化合物。通常分為正常價化合物和電子化合物。正常價化合物：金屬原子間通過化學(xué)鍵形成，成分固定，符合氧化數(shù)規(guī)則。電子化合物：金屬原子間通過金屬鍵形成，成分在一定范圍內(nèi)變化，不符合氧化數(shù)規(guī)則。（3）金屬化合物合金兩種金屬元素原子的外層電子結(jié)構(gòu)、電負(fù)性和112合金材料（1）鐵的合金—鋼

熟鐵

鐵按含碳量多少可分為：<0.1%韌性好,可鍛打成型鍛鐵

鐵勺,鍋鏟

2合金材料（1）鐵的合金—鋼熟鐵鐵按含12

碳素鋼

生鐵(<0.25%)韌性好,強(qiáng)度低,焊接性能優(yōu)良

薄鐵皮、鐵絲鐵管等低碳鋼中碳鋼高碳鋼(0.25~0.6%)強(qiáng)度較高,韌性較好

鐵軌車輪等

(0.6~1.7%)硬而脆，彈性較好

醫(yī)療器具，彈簧工具等

(1.7~4.5%)硬而脆,可澆鑄成型鑄鐵

機(jī)床車身,內(nèi)燃機(jī)汽缸 碳素鋼生鐵(<0.25%)韌13鎳鋼

含鎳36%,幾乎不熱脹冷縮,可制造精密儀器零件。鎢鋼

含鎢18%,即使赤熱仍堅(jiān)硬制造高速切削車床的車刀。釩鋼鋼的彈性增加1倍，制造各種彈簧。硅鋼含硅2.5%，用作變壓器的鐵心。不僅減少其發(fā)熱，還節(jié)省能源。不銹鋼含鉻,錳等,抗蝕性能優(yōu)良。含鉻>12%合金鋼：鎳鋼含鎳36%,幾乎不熱脹冷縮,可制造精密14①鋁合金

（2）輕質(zhì)合金鋁:地殼中藏量為7.45%,是含量最多的金屬。目前年產(chǎn)量僅次于鐵。

密度小，導(dǎo)電性好，常用鋁代替銅制造電線。

硬鋁合金:加入少量銅、錳、鎂等金屬，再經(jīng)過熱處理使其強(qiáng)度大為提高。輕盈美觀不易生銹

鋁合金強(qiáng)度可與鋼媲美，但卻比其輕近1/4，可廣泛用于航空航天業(yè).

①鋁合金（2）輕質(zhì)合金鋁:地殼中藏量為7.4515鈦:拉丁文“Titanium”特點(diǎn)：a.密度較小b.鈦合金強(qiáng)度高c.抗蝕性好d.工作溫度范圍寬(-200

~500℃)②鈦合金鈦:拉丁文“Titanium”特點(diǎn)：a.密16由于鈦合金抗蝕性好，工作溫度范圍寬，可用作液氮或液氦等的低溫容器。鈦合金強(qiáng)度高，幾乎是鋁合金的5倍。熱處理后，它的強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相當(dāng)，但密度僅為鋼的57%?！翱臻g金屬”美國新式戰(zhàn)斗機(jī)含鈦量大于90%“深海金屬”1977年，前蘇聯(lián)用3500多噸鈦制造當(dāng)時航行速度最快的核潛艇。

由于鈦合金抗蝕性好，工作溫度范圍寬，可用作17形狀記憶合金的簡稱，指在一定外力作用下，使其幾何形態(tài)發(fā)生改變。但當(dāng)加熱到某一溫度時，它又能夠完全恢復(fù)到變形前的幾何形態(tài)。記憶合金

形狀記憶合金的簡稱，指在一定外力作用下，使其幾何形態(tài)發(fā)生改18

在醫(yī)療器械，減震消噪，生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。記憶合金

在醫(yī)療器械，減震消噪，生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。19硬質(zhì)合金

以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相，以金屬或合金作粘接相的復(fù)合材料。硬質(zhì)合金以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相，以金屬20兩種特定金屬的合金，一種可以大量吸進(jìn)H2形成穩(wěn)定氫化物；而另一種金屬與氫的親和力小，使氫很容易在其中移動.是開發(fā)利用氫能源、分離精制高純氫的理想材料。（5）儲氫合金

（6）超導(dǎo)

對高溫超導(dǎo)材料的要求，除零電阻外還要求有抗磁性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。兩種特定金屬的合金，一種可以大量吸進(jìn)（5）儲21傳統(tǒng)硅酸鹽材料：以天然硅酸鹽為材料的制品如陶瓷、玻璃、水泥

新型非金屬材料：人工合成不含硅或少含SiO2的材料如半導(dǎo)體、光導(dǎo)纖維、激光材料

非金屬材料傳統(tǒng)硅酸鹽材料：以天然硅酸鹽為材料的制品新型非金屬材料22非金屬材料非金屬材料23新型非金屬材料新型非金屬材料241.硅酸鹽材料硅酸或多硅酸的鹽如長石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸鹽，組成復(fù)雜，用途廣泛?；窘Y(jié)構(gòu)單元:SiO4四面體(1)天然硅酸鹽普通水泥(硅酸鹽水泥)砂渣水泥高鋁水泥耐酸水泥1.硅酸鹽材料硅酸或多硅酸的鹽如長石、云25（3）玻璃a.普通玻璃b.特種玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2→Na2O·CaO·6SiO2+2CO2光導(dǎo)纖維、鋼化玻璃、有色玻璃、半導(dǎo)體玻璃、透紅外玻璃等。（3）玻璃a.普通玻璃b.特種玻璃Na2CO3+26（4）陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷智能陶瓷生物陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷的復(fù)合產(chǎn)物用于人體器官替換修補(bǔ)及外科矯形的陶瓷材料如氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷等改變陶瓷組成、使其具有某些獨(dú)特功能的材料。（4）陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷智能陶瓷生物陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷與功能272.新型非金屬材料(1)半導(dǎo)體材料①半導(dǎo)體②導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。符合金屬能帶理論。2.新型非金屬材料(1)半導(dǎo)體材料①半導(dǎo)體②28溫度升高，半導(dǎo)體滿帶中有更多電子被激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，電子數(shù)目和空穴數(shù)目相應(yīng)增多，導(dǎo)電性增強(qiáng)。a.溫度金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體導(dǎo)電性的區(qū)別：溫度升高，金屬導(dǎo)體中的原子振動加劇，導(dǎo)電性下降；溫度升高，半導(dǎo)體滿帶中有更多電子被激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶，電子數(shù)目和空29金屬導(dǎo)體中增加雜質(zhì)，阻礙電子的定向移動，導(dǎo)電性下降。b.雜質(zhì)半導(dǎo)體中增加微量雜質(zhì)，導(dǎo)電性大大增加下降。金屬導(dǎo)體中增加雜質(zhì)，阻礙電子的定向移動，導(dǎo)電性下降。b.雜30由激光器發(fā)出的光稱為激光。能產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體材料有：GaAs、ZnSb、GaAlAs、ZnS、CdTe等。特征：光源亮度強(qiáng)有極高的方向性有極高的單色性（3）激光材料由激光器發(fā)出的光稱為激光。能產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體材料有：31

激光應(yīng)用激光是最亮光源，在焦點(diǎn)處可產(chǎn)生上百萬度的高溫，使難熔物質(zhì)瞬間熔化或氣化，激光切割、激光打孔、激光焊接正是最好的應(yīng)用；在激光方向性和單色性方面，可用激光測距，距離遠(yuǎn)，精度高。激光雷達(dá)已用于氣象預(yù)測。激光應(yīng)用激光是最亮光源，在焦點(diǎn)處可產(chǎn)生上百萬度的高溫，使難32閃爍晶體在射線（X-射線，г-射線）或高能粒子的作用下會發(fā)出紫外光或可見光，這種現(xiàn)象叫做閃爍效應(yīng)。具有閃爍效應(yīng)的晶體稱為閃爍晶體。閃爍晶體在射線（X-射線，г-射線）或高能粒子的作用下會發(fā)出33光纖以傳光和傳像為目的的一種光波傳導(dǎo)介質(zhì)。光纖通訊優(yōu)點(diǎn)：信息容量大重量輕抗干擾保密性好耐腐蝕（4）光導(dǎo)纖維光纖以傳光和傳像為目的的一種光波傳導(dǎo)介質(zhì)。光纖通訊優(yōu)點(diǎn)：信息34

由金屬或由以金屬元素為主形成的具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料。金屬單質(zhì)合金

由一種金屬與其它金屬或非金屬融合在一起形成的具有金屬特性的物質(zhì)。如:鋼、鋁合金金屬材料由金屬或由以金屬元素為主形成的具有一355.1金屬概論

金屬的存在金屬的分類金屬的性質(zhì)5.1金屬概論金屬的存在36

1金屬加工工藝金屬材料的一般加工過程如下：1金屬加工工藝金屬材料的一般加工過程如下：37（2）工程技術(shù)分類

輕金屬鐵、錳、鉻及其合金

黑色金屬有色金屬密度小于5g·cm-3的金屬重金屬密度大于5g·cm-3的金屬貴金屬地殼中含量少，開采提取困難,

價格貴的金屬包括金、銀和鉑族元素。稀有金屬在自然界分布較少，發(fā)現(xiàn)較遲，提取難，工業(yè)應(yīng)用較晚。放射性金屬原子核能自發(fā)放射出射線的金屬。金屬的分類（2）工程技術(shù)分類輕金屬鐵、錳、鉻及其合383.金屬的性質(zhì)(1)物理性質(zhì)①光澤大多數(shù)金屬呈銀白色光澤。②密度除鋰、鈉、鉀比水輕外，其余金屬的密度都大于1g·

cm-3。最輕的金屬是鋰，最重的金屬是鋨。3.金屬的性質(zhì)(1)物理性質(zhì)①光澤大多數(shù)金屬39③熔點(diǎn)S區(qū)金屬原子半徑較大，多數(shù)熔點(diǎn)較低。d區(qū)金屬熔點(diǎn)大都較高。

VB-VIIB族金屬(除錳外)是高熔點(diǎn)金屬。熔點(diǎn)最高的金屬是鎢，熔點(diǎn)最低的金屬是汞。IIB族和P區(qū)金屬是低熔點(diǎn)金屬。③熔點(diǎn)S區(qū)金屬原子半徑較大，多數(shù)熔點(diǎn)較低。熔點(diǎn)最高的金屬40④導(dǎo)電性金屬一般是良導(dǎo)體，尤其ds區(qū)的銀、銅和p區(qū)的鋁。金屬的導(dǎo)電性一般隨溫度的升高而下降，雜質(zhì)對金屬的導(dǎo)電性能力影響很大，一般說來，金屬純度越高，導(dǎo)電性越好。⑤導(dǎo)熱性導(dǎo)電性好的金屬一般導(dǎo)熱性能也較好。⑥延展性延展金屬時，雖然發(fā)生了變形，但并不破壞金屬鍵，故不發(fā)生斷裂。④導(dǎo)電性金屬一般是良導(dǎo)體，尤其ds區(qū)的銀、銅和p區(qū)的41

5.3合金

合金的結(jié)構(gòu)和類型合金材料 5.3合金 合金的結(jié)構(gòu)和類型421.合金的結(jié)構(gòu)和類型合金從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種基本類型：（1）混合物合金兩種或多種金屬的機(jī)械混合物。熔融:完全或部分互溶凝固:金屬各自結(jié)晶混合物合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)與組分金屬有很大的不同。1.合金的結(jié)構(gòu)和類型合金從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種基本類型：43

2.固溶體合金

⑴按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。

2.固溶體的性能

通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方式之一。固溶體的綜合力學(xué)性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。

2.固溶體合金⑴按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置44（3）金屬化合物合金兩種金屬元素原子的外層電子結(jié)構(gòu)、電負(fù)性和原子半徑差別較大時所形成的金屬化合物。通常分為正常價化合物和電子化合物。正常價化合物：金屬原子間通過化學(xué)鍵形成，成分固定，符合氧化數(shù)規(guī)則。電子化合物：金屬原子間通過金屬鍵形成，成分在一定范圍內(nèi)變化，不符合氧化數(shù)規(guī)則。（3）金屬化合物合金兩種金屬元素原子的外層電子結(jié)構(gòu)、電負(fù)性和452合金材料（1）鐵的合金—鋼

熟鐵

鐵按含碳量多少可分為：<0.1%韌性好,可鍛打成型鍛鐵

鐵勺,鍋鏟

2合金材料（1）鐵的合金—鋼熟鐵鐵按含46

碳素鋼

生鐵(<0.25%)韌性好,強(qiáng)度低,焊接性能優(yōu)良

薄鐵皮、鐵絲鐵管等低碳鋼中碳鋼高碳鋼(0.25~0.6%)強(qiáng)度較高,韌性較好

鐵軌車輪等

(0.6~1.7%)硬而脆，彈性較好

醫(yī)療器具，彈簧工具等

(1.7~4.5%)硬而脆,可澆鑄成型鑄鐵

機(jī)床車身,內(nèi)燃機(jī)汽缸 碳素鋼生鐵(<0.25%)韌47鎳鋼

含鎳36%,幾乎不熱脹冷縮,可制造精密儀器零件。鎢鋼

含鎢18%,即使赤熱仍堅(jiān)硬制造高速切削車床的車刀。釩鋼鋼的彈性增加1倍，制造各種彈簧。硅鋼含硅2.5%，用作變壓器的鐵心。不僅減少其發(fā)熱，還節(jié)省能源。不銹鋼含鉻,錳等,抗蝕性能優(yōu)良。含鉻>12%合金鋼：鎳鋼含鎳36%,幾乎不熱脹冷縮,可制造精密48①鋁合金

（2）輕質(zhì)合金鋁:地殼中藏量為7.45%,是含量最多的金屬。目前年產(chǎn)量僅次于鐵。

密度小，導(dǎo)電性好，常用鋁代替銅制造電線。

硬鋁合金:加入少量銅、錳、鎂等金屬，再經(jīng)過熱處理使其強(qiáng)度大為提高。輕盈美觀不易生銹

鋁合金強(qiáng)度可與鋼媲美，但卻比其輕近1/4，可廣泛用于航空航天業(yè).

①鋁合金（2）輕質(zhì)合金鋁:地殼中藏量為7.4549鈦:拉丁文“Titanium”特點(diǎn)：a.密度較小b.鈦合金強(qiáng)度高c.抗蝕性好d.工作溫度范圍寬(-200

~500℃)②鈦合金鈦:拉丁文“Titanium”特點(diǎn)：a.密50由于鈦合金抗蝕性好，工作溫度范圍寬，可用作液氮或液氦等的低溫容器。鈦合金強(qiáng)度高，幾乎是鋁合金的5倍。熱處理后，它的強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相當(dāng)，但密度僅為鋼的57%?！翱臻g金屬”美國新式戰(zhàn)斗機(jī)含鈦量大于90%“深海金屬”1977年，前蘇聯(lián)用3500多噸鈦制造當(dāng)時航行速度最快的核潛艇。

由于鈦合金抗蝕性好，工作溫度范圍寬，可用作51形狀記憶合金的簡稱，指在一定外力作用下，使其幾何形態(tài)發(fā)生改變。但當(dāng)加熱到某一溫度時，它又能夠完全恢復(fù)到變形前的幾何形態(tài)。記憶合金

形狀記憶合金的簡稱，指在一定外力作用下，使其幾何形態(tài)發(fā)生改52

在醫(yī)療器械，減震消噪，生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。記憶合金

在醫(yī)療器械，減震消噪，生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。53硬質(zhì)合金

以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相，以金屬或合金作粘接相的復(fù)合材料。硬質(zhì)合金以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相，以金屬54兩種特定金屬的合金，一種可以大量吸進(jìn)H2形成穩(wěn)定氫化物；而另一種金屬與氫的親和力小，使氫很容易在其中移動.是開發(fā)利用氫能源、分離精制高純氫的理想材料。（5）儲氫合金

（6）超導(dǎo)

對高溫超導(dǎo)材料的要求，除零電阻外還要求有抗磁性、穩(wěn)定性和重復(fù)性。兩種特定金屬的合金，一種可以大量吸進(jìn)（5）儲55傳統(tǒng)硅酸鹽材料：以天然硅酸鹽為材料的制品如陶瓷、玻璃、水泥

新型非金屬材料：人工合成不含硅或少含SiO2的材料如半導(dǎo)體、光導(dǎo)纖維、激光材料

非金屬材料傳統(tǒng)硅酸鹽材料：以天然硅酸鹽為材料的制品新型非金屬材料56非金屬材料非金屬材料57新型非金屬材料新型非金屬材料581.硅酸鹽材料硅酸或多硅酸的鹽如長石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸鹽，組成復(fù)雜，用途廣泛?；窘Y(jié)構(gòu)單元:SiO4四面體(1)天然硅酸鹽普通水泥(硅酸鹽水泥)砂渣水泥高鋁水泥耐酸水泥1.硅酸鹽材料硅酸或多硅酸的鹽如長石、云59（3）玻璃a.普通玻璃b.特種玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2→Na2O·CaO·6SiO2+2CO2光導(dǎo)纖維、鋼化玻璃、有色玻璃、半導(dǎo)體玻璃、透紅外玻璃等。（3）玻璃a.