《金屬學(xué)與造船材料》課件

《金屬學(xué)與造船材料》課程概述本課程旨在深入了解金屬學(xué)原理和造船材料的特性，為學(xué)生提供堅實的理論基礎(chǔ)，并幫助他們掌握應(yīng)用金屬材料于造船領(lǐng)域的專業(yè)技能。課程目標(biāo)理論知識掌握金屬材料的基本結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。了解不同金屬的分類和特性，以及在造船領(lǐng)域的應(yīng)用。實踐技能學(xué)習(xí)金屬材料的熱處理、焊接和防腐技術(shù)。培養(yǎng)學(xué)生實際操作的能力，為從事造船相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。金屬的基本結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)是指其內(nèi)部原子或離子的排列方式，決定了金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的基本結(jié)構(gòu)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，也是影響金屬材料性能的主要因素。晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)是影響金屬材料性能的關(guān)鍵因素之一，如強度、硬度、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬的力學(xué)性質(zhì)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(xiàn)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(fù)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(jié)構(gòu)發(fā)生變化。塑性變形是金屬材料重要的力學(xué)性質(zhì)，也是金屬加工的基礎(chǔ)。2回復(fù)塑性變形后，金屬內(nèi)部積累了大量的能量，需要通過回復(fù)過程來釋放能量?；貜?fù)過程包括晶粒長大、位錯重排和亞晶粒形成等。3再結(jié)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(yīng)力晶粒，消除變形引起的內(nèi)部應(yīng)力。再結(jié)晶過程會提高金屬的塑性和韌性。強化機理晶粒細(xì)化減小晶粒尺寸，增加晶界數(shù)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(chǔ)1退火消除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。2正火細(xì)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(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改變其力學(xué)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(nèi)部原子排列方式和晶體結(jié)構(gòu)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(guān)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(xiàn)象，從而指導(dǎo)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(jié)構(gòu)。實際應(yīng)用狀態(tài)圖對于理解鋼鐵材料的性質(zhì)、熱處理過程、工藝選擇和性能預(yù)測至關(guān)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(xì)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(zhì)中快速冷卻的熱處理工藝。淬火可以提高鋼的硬度和強度?；鼗鸹鼗鹗菍⒋慊鸷蟮匿摷訜岬揭欢囟?，保溫一段時間，然后在空氣中緩慢冷卻的熱處理工藝?；鼗鹂梢越档弯摰挠捕群蛷姸?，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(shù)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(shù)字則代表鋼的性能等級。示例A級鋼：用于船體結(jié)構(gòu)，強度較高，耐腐蝕性良好。B級鋼：用于船體結(jié)構(gòu)，強度適中，耐腐蝕性較好。C級鋼：用于船體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)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(xué)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(yīng)用于高負(fù)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(xì)化晶粒，提高強度和韌性3調(diào)質(zhì)獲得良好的綜合力學(xué)性能鑄鐵的熱處理主要包括退火、正火和調(diào)質(zhì)。退火可以降低硬度和強度，提高韌性；正火可以細(xì)化晶粒，提高強度和韌性；調(diào)質(zhì)可以獲得良好的綜合力學(xué)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(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等領(lǐng)域。銅合金銅合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，常用于電氣設(shè)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(chǎn)品等領(lǐng)域。鈦合金鈦合金具有高強度、耐腐蝕性、耐高溫性，應(yīng)用于航空發(fā)動機、醫(yī)療器械、化學(xué)工業(yè)等。鋁合金輕質(zhì)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。可加工性鋁合金具有良好的塑性，易于加工成各種形狀。應(yīng)用廣泛鋁合金廣泛應(yīng)用于交通運輸、建筑、電子等領(lǐng)域。銅合金優(yōu)異的導(dǎo)電性銅合金廣泛應(yīng)用于電子電氣領(lǐng)域，如電線電纜和電路板。良好的導(dǎo)熱性銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)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(shè)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(zhì)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(lǐng)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(zhì)的結(jié)構(gòu)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(yīng)用廣泛鈦合金在航空航天、醫(yī)療器械、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它用于制造飛機、火箭、人造衛(wèi)星、醫(yī)療器械和化學(xué)反應(yīng)器等。金屬腐蝕1化學(xué)腐蝕金屬與周圍環(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物或其他化合物。2電化學(xué)腐蝕金屬表面形成微電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)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(dǎo)致腐蝕。4應(yīng)力腐蝕金屬在拉伸應(yīng)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(yīng)形成氧化物。水水是電解質(zhì)，它可以加速金屬的腐蝕過程，尤其是含有鹽類或酸性物質(zhì)的水。酸酸性物質(zhì)會加速金屬的腐蝕速度，它們可以與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)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(zhì)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(zhì)，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(jié)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(zhǔn)備階段清理焊件表面，去除油污、銹蝕，確保焊接質(zhì)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(shù)，保證焊接質(zhì)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(yīng)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度下降，甚至造成斷裂。氣孔氣孔是指焊接過程中產(chǎn)生的氣體孔洞。氣孔會導(dǎo)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(cè)金屬未完全熔化，導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)。焊縫形成熔池凝固后，形成焊縫。焊縫的組織結(jié)構(gòu)和性能取決于焊接參數(shù)、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(dǎo)致強度降低或脆化。焊接缺陷焊接過程中的熱應(yīng)力、組織變化等因素，可能導(dǎo)致焊接缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等。焊接應(yīng)力與變形焊接過程會產(chǎn)生焊接應(yīng)力，導(dǎo)致焊接接頭和周圍區(qū)域產(chǎn)生變形。焊接應(yīng)力是焊接過程中熱輸入和冷卻過程中金屬收縮導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力。焊接變形是由于焊接應(yīng)力引起的幾何形狀變化。1焊接殘余應(yīng)力焊接完成后，仍存在于焊接接頭的應(yīng)力2