《金屬學與造船材料》課件

《金屬學與造船材料》課程概述本課程旨在深入了解金屬學原理和造船材料的特性，為學生提供堅實的理論基礎，并幫助他們掌握應用金屬材料于造船領域的專業(yè)技能。課程目標理論知識掌握金屬材料的基本結構、性能和應用。了解不同金屬的分類和特性，以及在造船領域的應用。實踐技能學習金屬材料的熱處理、焊接和防腐技術。培養(yǎng)學生實際操作的能力，為從事造船相關工作打下基礎。金屬的基本結構金屬材料的結構是指其內部原子或離子的排列方式，決定了金屬的物理、化學和力學性能。金屬的基本結構包括晶體結構和非晶體結構，其中晶體結構是金屬材料最常見的結構形式，也是影響金屬材料性能的主要因素。晶體結構金屬材料通常以晶體形式存在。晶體具有規(guī)則的原子排列，形成周期性的三維結構。晶體結構是影響金屬材料性能的關鍵因素之一，如強度、硬度、導電性和導熱性。金屬的力學性質強度金屬承受外力而不發(fā)生斷裂的能力，即抵抗破壞的能力。塑性金屬在外力作用下發(fā)生永久變形的能力，體現金屬的延展性。硬度金屬抵抗外力壓入或刻劃的能力，反映金屬的抵抗變形的能力。韌性金屬在斷裂前吸收能量的能力，衡量金屬材料的抗沖擊能力。塑性變形和回復機理1塑性變形金屬在受力狀態(tài)下，發(fā)生永久性形狀改變，晶體結構發(fā)生變化。塑性變形是金屬材料重要的力學性質，也是金屬加工的基礎。2回復塑性變形后，金屬內部積累了大量的能量，需要通過回復過程來釋放能量。回復過程包括晶粒長大、位錯重排和亞晶粒形成等。3再結晶在一定溫度下，塑性變形的金屬會發(fā)生新的晶粒重新生成，形成新的無應力晶粒，消除變形引起的內部應力。再結晶過程會提高金屬的塑性和韌性。強化機理晶粒細化減小晶粒尺寸，增加晶界數量，阻礙位錯運動，提高強度和硬度。固溶強化在金屬中添加少量合金元素，形成固溶體，提高強度和硬度。位錯強化引入更多位錯，增加位錯密度，阻礙位錯運動，提高強度和硬度。彌散強化在金屬中加入第二相粒子，這些粒子會阻礙位錯的運動，提高材料的強度和硬度。熱處理基礎1退火消除內應力，提高韌性。2正火細化晶粒，提高強度。3淬火提高硬度，改善強度。4回火降低硬度，提高韌性。熱處理是通過控制加熱、保溫和冷卻速度，改變金屬材料內部組織結構，從而改變其力學性能的一種工藝。熱處理工藝通常包含四個主要步驟：加熱、保溫、冷卻和回火。金屬相變與狀態(tài)圖金屬相變是指金屬在溫度、壓力等外界條件變化時，其內部原子排列方式和晶體結構發(fā)生變化的過程。狀態(tài)圖是描述金屬在不同溫度和成分條件下存在的相及其相互關系的圖形，是研究金屬相變和材料性能的重要工具。狀態(tài)圖可以幫助我們理解金屬的熔化、凝固、相變、以及不同相的穩(wěn)定性等現象，從而指導我們選擇合適的熱處理工藝，改善金屬材料的性能。鐵碳合金狀態(tài)圖平衡狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖是顯示鐵碳合金在不同溫度和碳含量下相平衡狀態(tài)的圖表。相變過程它可以用于確定合金在不同溫度和碳含量下，所處的相組成、相含量和相結構。實際應用狀態(tài)圖對于理解鋼鐵材料的性質、熱處理過程、工藝選擇和性能預測至關重要。鋼的分類與性能1碳素鋼碳含量決定鋼的強度和硬度，碳含量越高，強度和硬度越高。2合金鋼添加其他金屬元素，以提高鋼的強度、韌性、耐腐蝕性等性能。3特殊性能鋼包括高速鋼、不銹鋼、耐熱鋼等，具有特殊用途和性能。鋼的熱處理正火正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。正火可以細化晶粒，提高鋼的韌性和塑性。淬火淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間，然后在水中、油中或其他冷卻介質中快速冷卻的熱處理工藝。淬火可以提高鋼的硬度和強度。回火回火是將淬火后的鋼加熱到一定溫度，保溫一段時間，然后在空氣中緩慢冷卻的熱處理工藝。回火可以降低鋼的硬度和強度，提高鋼的韌性和塑性。表面熱處理表面熱處理是指只對鋼材表面進行熱處理，以改變其表面性能的一種工藝。常用的表面熱處理方法有滲碳、氮化和碳氮共滲。船用鋼牌號船用鋼牌號船用鋼牌號通常包含字母和數字，例如：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、Q、R、S、T、U、V、W、X、Y、Z，數字則代表鋼的性能等級。示例A級鋼：用于船體結構，強度較高，耐腐蝕性良好。B級鋼：用于船體結構，強度適中，耐腐蝕性較好。C級鋼：用于船體結構，強度較低，耐腐蝕性較差。用途船用鋼牌號用于區(qū)分不同類型的船用鋼，便于選擇合適的鋼材用于不同的船體結構和用途。船用鋼的性能要求強度船用鋼需承受高強度載荷，抗拉強度、屈服強度等指標要求較高。韌性船用鋼需要具備良好的韌性，以抵御沖擊載荷和防止斷裂。耐腐蝕性船用鋼在海水環(huán)境中工作，需要耐腐蝕，防止生銹和腐蝕穿孔。焊接性能船體結構通常采用焊接工藝，船用鋼需要具備良好的焊接性能，確保焊接接頭的強度和可靠性。鑄鐵的分類與性能灰鑄鐵灰鑄鐵是應用最廣泛的鑄鐵，具有良好的鑄造性能和減震性能。它包含片狀石墨，導致強度和韌性較低，易于加工。球墨鑄鐵球墨鑄鐵具有近似于鋼的強度和韌性，同時保持良好的鑄造性能。它包含球狀石墨，提高了抗拉強度和沖擊韌性?？慑戣T鐵可鍛鑄鐵具有良好的延展性和韌性，可鍛鑄鐵通過熱處理獲得石墨球狀化，形成球狀石墨，具有較好的綜合力學性能。蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵具有高強度、高韌性和耐磨性，廣泛應用于高負荷的機械零件，其石墨呈蠕蟲狀，具有良好的減震性能和耐磨性。鑄鐵的熱處理1退火降低硬度和強度，提高韌性2正火細化晶粒，提高強度和韌性3調質獲得良好的綜合力學性能鑄鐵的熱處理主要包括退火、正火和調質。退火可以降低硬度和強度，提高韌性；正火可以細化晶粒，提高強度和韌性；調質可以獲得良好的綜合力學性能。有色金屬合金鋁合金鋁合金強度高、密度低，耐腐蝕性好，廣泛應用于航空航天、船舶、汽車等領域。銅合金銅合金具有優(yōu)異的導電性、導熱性和耐腐蝕性，常用于電氣設備、管道、建筑材料等。鎂合金鎂合金密度低、比強度高，易于加工，適用于航空航天、電子產品等領域。鈦合金鈦合金具有高強度、耐腐蝕性、耐高溫性，應用于航空發(fā)動機、醫(yī)療器械、化學工業(yè)等。鋁合金輕質鋁合金的密度較低，重量輕，常用于航空航天。耐腐蝕鋁合金表面形成致密的氧化膜，具有良好的耐腐蝕性能?？杉庸ば凿X合金具有良好的塑性，易于加工成各種形狀。應用廣泛鋁合金廣泛應用于交通運輸、建筑、電子等領域。銅合金優(yōu)異的導電性銅合金廣泛應用于電子電氣領域，如電線電纜和電路板。良好的導熱性銅合金具有優(yōu)良的導熱性能，適合用作散熱器和熱交換器。耐腐蝕性部分銅合金具有良好的耐腐蝕性能，可用于制造管道和閥門等設備。機械加工性銅合金具有良好的機械加工性能，易于加工成各種形狀和尺寸。鎂合金輕質材料鎂合金密度低，僅為鋁合金的三分之二，是航空航天、汽車等領域輕量化材料的選擇。高強度鎂合金具有良好的強度和剛度，可用于制造高強度、輕質的結構部件。優(yōu)異的加工性能鎂合金易于加工成型，適合各種加工工藝，如鑄造、擠壓、鍛造等。耐腐蝕性鎂合金的耐腐蝕性優(yōu)于其他輕金屬，可用于制造各種耐腐蝕的部件。鈦合金高強度鈦合金擁有高強度和高韌性，重量輕。鈦合金具有良好的耐腐蝕性，能夠抵抗各種環(huán)境的侵蝕。應用廣泛鈦合金在航空航天、醫(yī)療器械、化學工業(yè)等領域得到廣泛應用。它用于制造飛機、火箭、人造衛(wèi)星、醫(yī)療器械和化學反應器等。金屬腐蝕1化學腐蝕金屬與周圍環(huán)境中的物質發(fā)生化學反應，形成氧化物或其他化合物。2電化學腐蝕金屬表面形成微電池，發(fā)生電化學反應，導致金屬腐蝕。3生物腐蝕微生物在金屬表面生長，分解金屬，導致腐蝕。4應力腐蝕金屬在拉伸應力作用下，加速腐蝕。腐蝕因素氧氣氧氣是金屬腐蝕的主要因素，它與金屬發(fā)生氧化反應形成氧化物。水水是電解質，它可以加速金屬的腐蝕過程，尤其是含有鹽類或酸性物質的水。酸酸性物質會加速金屬的腐蝕速度，它們可以與金屬發(fā)生化學反應，形成鹽類和氫氣。溫度溫度越高，金屬的腐蝕速度越快，因為溫度升高會加速化學反應的速度。防腐措施涂層保護涂層可以有效隔絕金屬與腐蝕性介質接觸，延長其使用壽命。表面處理通過表面處理改變金屬表面性質，增強其抗腐蝕能力。陰極保護利用外加電流或犧牲陽極，使金屬成為陰極，阻止腐蝕發(fā)生。合金材料使用耐腐蝕合金，例如不銹鋼或耐海水腐蝕合金，提高材料的抗腐蝕能力。金屬焊接11.熔焊將焊接金屬加熱至熔化狀態(tài)，然后用填充金屬或母材熔化金屬進行焊接，從而形成接頭的焊接方法。22.壓力焊在壓力作用下，將金屬加熱或不加熱至塑性狀態(tài)，并施加壓力使焊件結合，無需填充金屬的焊接方法。33.釬焊將熔點低于母材的填充金屬加熱至熔化狀態(tài)，填充在焊件間隙處，然后冷卻凝固，形成接頭的焊接方法。焊接工藝1準備階段清理焊件表面，去除油污、銹蝕，確保焊接質量。對接焊縫角焊縫搭接焊縫T形焊縫2焊接過程選擇合適的焊接方法，控制焊接電流、焊接速度、焊絲送進速度等參數，保證焊接質量。手工電弧焊氣體保護焊埋弧焊激光焊3冷卻階段控制焊接冷卻速度，防止焊接殘余應力過大，降低焊接性能。自然冷卻強制冷卻保溫冷卻焊接缺陷焊接裂紋焊接裂紋是焊接中最常見的缺陷之一。它會導致結構強度下降，甚至造成斷裂。氣孔氣孔是指焊接過程中產生的氣體孔洞。氣孔會導致強度降低，并可能成為腐蝕的起始點。未熔合未熔合是指焊接接頭兩側金屬未完全熔化，導致接頭強度不足。焊縫咬邊焊縫咬邊是指焊接過程中焊絲熔化過度，導致母材被燒穿。焊接冶金金屬熔化焊接過程中的金屬熔化，形成熔池。熔池中的金屬成分發(fā)生變化，形成新的組織結構。焊縫形成熔池凝固后，形成焊縫。焊縫的組織結構和性能取決于焊接參數、金屬材料和填充材料。熱影響區(qū)熱影響區(qū)是指焊縫周圍受熱影響的區(qū)域。熱影響區(qū)會發(fā)生組織變化，可能導致強度降低或脆化。焊接缺陷焊接過程中的熱應力、組織變化等因素，可能導致焊接缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等。焊接應力與變形焊接過程會產生焊接應力，導致焊接接頭和周圍區(qū)域產生變形。焊接應力是焊接過程中熱輸入和冷卻過程中金屬收縮導致的內部應力。焊接變形是由于焊接應力引起的幾何形狀變化。1焊接殘余應力焊接完成后，仍存在于焊接接頭的應力2