《金屬與金屬材料》課件

《金屬與金屬材料》課程簡(jiǎn)介本課程介紹金屬和合金的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、加工和應(yīng)用。涵蓋了金屬材料的基礎(chǔ)知識(shí)，以及材料科學(xué)和工程的基本原理。金屬的定義和特性1定義金屬是具有光澤、延展性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的一類物質(zhì)。金屬原子以金屬鍵結(jié)合形成金屬晶體，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。2特性金屬的特性包括：良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、延展性、韌性、強(qiáng)度、硬度、熔點(diǎn)等，這些特性使得金屬成為廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)和生活領(lǐng)域的材料。3分類根據(jù)金屬的化學(xué)成分和物理性質(zhì)，可將金屬分為黑色金屬和有色金屬兩大類，如鐵、銅、鋁等。4應(yīng)用金屬?gòu)V泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、航空航天、電子等領(lǐng)域，是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的重要材料。金屬的基本結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)金屬材料主要由金屬原子組成。原子內(nèi)部包含原子核和圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子。晶體結(jié)構(gòu)金屬原子以規(guī)則的排列方式形成晶體結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)包括體心立方、面心立方和密排六方。晶格結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)可以被簡(jiǎn)化為晶格結(jié)構(gòu)，晶格結(jié)構(gòu)是由許多相同的晶胞組成的。晶胞是晶格中最小的重復(fù)單元。金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子以規(guī)則的方式排列，形成晶格結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的金屬晶格類型包括面心立方(FCC)、體心立方(BCC)和密排六方(HCP)。不同的晶格結(jié)構(gòu)決定了金屬的物理和機(jī)械性能，例如強(qiáng)度、硬度、延展性等。金屬的塑性變形1定義金屬的塑性變形是指在外力作用下，金屬材料發(fā)生永久性形狀改變而不發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。2機(jī)制金屬的塑性變形主要由晶體內(nèi)部的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的，位錯(cuò)是指晶體結(jié)構(gòu)中的一種缺陷，在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)會(huì)沿著滑移面移動(dòng)。3影響因素金屬的塑性變形程度受多種因素影響，例如金屬的種類、溫度、應(yīng)變速率、晶粒尺寸等。金屬的強(qiáng)化方法細(xì)化晶粒減小晶粒尺寸，增加晶界數(shù)量，提高強(qiáng)度和硬度。固溶強(qiáng)化添加合金元素，形成固溶體，提高強(qiáng)度和硬度。形變強(qiáng)化通過(guò)塑性變形，增加位錯(cuò)密度，提高強(qiáng)度和硬度。彌散強(qiáng)化在金屬基體中形成彌散的第二相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度和硬度。金屬的熱處理金屬熱處理是通過(guò)控制加熱和冷卻速度來(lái)改變金屬的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善其性能的技術(shù)。1退火降低硬度和強(qiáng)度，提高塑性。2正火改善金屬的性能和組織。3淬火提高金屬的硬度和強(qiáng)度。4回火降低淬火金屬的硬度和脆性。常見(jiàn)的熱處理方法包括退火、正火、淬火和回火。每種熱處理方法都會(huì)導(dǎo)致金屬組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而改變其物理和機(jī)械性能。金屬的相變固態(tài)相變金屬在固態(tài)下發(fā)生的一種結(jié)構(gòu)變化，通常伴隨著性質(zhì)的變化，例如硬度和強(qiáng)度。影響因素溫度、壓力和合金元素的含量都會(huì)影響金屬的相變。相變類型常見(jiàn)的相變類型包括：同素異形轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變、共晶轉(zhuǎn)變。鐵碳合金系統(tǒng)鐵碳合金是鐵和碳組成的合金，是金屬材料中應(yīng)用最廣泛的一種。鐵碳合金中碳的含量決定其性能和用途。鐵碳合金包括鋼和鑄鐵。鋼是含碳量低于2.11%的鐵碳合金，具有高強(qiáng)度、韌性好等優(yōu)點(diǎn)。鑄鐵是含碳量高于2.11%的鐵碳合金，具有高硬度、耐磨性好等特點(diǎn)。鐵碳合金系統(tǒng)研究鐵和碳在不同溫度和壓力下形成的相和組織，并探討其對(duì)材料性能的影響。鐵的相圖和組織鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖展示了不同溫度下鐵和碳的相變關(guān)系，揭示了不同組織的形成規(guī)律。鐵的組織結(jié)構(gòu)鐵的組織結(jié)構(gòu)是指鐵碳合金中各相的排列方式，影響著材料的性能。鐵的顯微組織顯微組織是指用顯微鏡觀察到的鐵碳合金的組織結(jié)構(gòu)，能更直觀地了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。鋼的分類與性能碳素鋼含碳量是關(guān)鍵指標(biāo)。含碳量高，強(qiáng)度和硬度高，但延展性和韌性低。分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。合金鋼添加合金元素，例如鉻、鎳、錳等，以提高鋼的強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐高溫性。包括不銹鋼、工具鋼、耐熱鋼等。鑄鐵的性能及應(yīng)用鑄鐵的性能鑄鐵具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和良好的減震性能。鑄鐵的缺點(diǎn)是塑性差、脆性大、易斷裂，無(wú)法承受沖擊載荷。鑄鐵的應(yīng)用機(jī)械部件：機(jī)床床身、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、齒輪、軸承等建筑材料：管道、排水溝、井蓋、路面等日常生活用品：鍋、壺、水龍頭、暖氣片等鑄鐵的類型灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵有色金屬及合金概述銅銅擁有優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，廣泛應(yīng)用于電子、電氣和建筑領(lǐng)域。鋁鋁輕盈且耐腐蝕，是航空航天、汽車和包裝行業(yè)的理想材料。鈦鈦具有高強(qiáng)度、耐腐蝕和生物相容性，在航空航天、醫(yī)療和體育器材等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。貴金屬金、銀和鉑等貴金屬因其耐腐蝕性和高價(jià)值，被廣泛應(yīng)用于珠寶、電子和金融領(lǐng)域。銅及銅合金優(yōu)異導(dǎo)電性廣泛應(yīng)用于電子電器、電力設(shè)備等領(lǐng)域。良好的耐腐蝕性在潮濕環(huán)境中不易銹蝕，延長(zhǎng)使用壽命。優(yōu)良的加工性能易于塑形、加工，廣泛應(yīng)用于裝飾、建筑等領(lǐng)域。鋁及鋁合金鋁的性質(zhì)鋁是銀白色輕金屬，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性和耐腐蝕性。鋁的密度低，約為鐵的三分之一，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。鋁合金鋁合金是鋁與其他金屬元素形成的合金，具有更強(qiáng)的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。常見(jiàn)的鋁合金包括鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁硅合金，應(yīng)用于汽車、建筑和機(jī)械制造等行業(yè)。鎂及鎂合金1輕質(zhì)材料鎂是世界上最輕的結(jié)構(gòu)金屬，密度僅為鋁的2/3，所以鎂合金具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比剛度，可用于制造輕量化零件。2高比強(qiáng)度與同體積的鋁合金相比，鎂合金的強(qiáng)度更高，可用于制造承受高負(fù)載的零件，例如汽車和飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。3優(yōu)異的加工性能鎂合金易于加工，可以采用多種加工方法制造各種形狀的零件，例如鑄造、擠壓、鍛造和切削。4優(yōu)良的耐腐蝕性鎂合金在空氣中表面會(huì)形成一層氧化膜，能夠有效地防止腐蝕，延長(zhǎng)其使用壽命。鈦及鈦合金輕質(zhì)且堅(jiān)固鈦密度低，強(qiáng)度高，與鋼鐵相比，鈦合金具有更高的強(qiáng)度重量比。耐腐蝕鈦對(duì)大多數(shù)酸、堿和鹽的耐腐蝕性強(qiáng)，在多種環(huán)境中保持穩(wěn)定。生物相容性鈦具有良好的生物相容性，在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，例如人工關(guān)節(jié)、骨骼固定器等。應(yīng)用廣泛鈦合金應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、化工等領(lǐng)域。金屬的腐蝕與防護(hù)腐蝕類型金屬腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，化學(xué)腐蝕是指金屬與周圍環(huán)境中的氣體或液體直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕，而電化學(xué)腐蝕則是由于金屬表面存在電位差而引起的腐蝕。腐蝕影響因素金屬的腐蝕速度受多種因素影響，包括金屬本身的性質(zhì)、環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)、溫度、應(yīng)力等。防護(hù)方法常見(jiàn)的金屬腐蝕防護(hù)方法包括表面處理、涂層防護(hù)、電化學(xué)保護(hù)等。腐蝕測(cè)試為了評(píng)估金屬材料的耐腐蝕性能，需要進(jìn)行各種腐蝕測(cè)試，例如鹽霧試驗(yàn)、浸泡試驗(yàn)等。金屬表面熱處理淬火淬火是將金屬加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后快速冷卻的熱處理工藝，目的是提高金屬的硬度和強(qiáng)度?；鼗鸹鼗鹗菍⒋慊鸷蟮慕饘偌訜岬降陀诖慊饻囟鹊臏囟?，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，目的是降低金屬的硬度和脆性，改善其韌性和塑性。表面淬火表面淬火是只對(duì)金屬表面進(jìn)行加熱和淬火的熱處理工藝，目的是提高金屬表面的硬度和耐磨性，而保持其內(nèi)部的韌性和塑性。金屬表面鍍層鍍層分類鍍層類型多種多樣，包括電鍍、化學(xué)鍍、熱鍍、真空鍍等。每種方法都擁有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，例如電鍍適用于大規(guī)模生產(chǎn)，化學(xué)鍍適用于復(fù)雜形狀的零件。鍍層作用金屬表面鍍層能顯著提高金屬的耐腐蝕性、耐磨性、硬度、美觀度等。鍍層還可以改變金屬的表面顏色、紋理，賦予金屬更多的功能和裝飾性。金屬表面涂層涂層類型有機(jī)涂層無(wú)機(jī)涂層復(fù)合涂層涂層功能防腐蝕耐磨耐高溫涂層工藝噴涂、浸涂、電鍍等。應(yīng)用領(lǐng)域航空航天、汽車、建筑等。金屬的成形加工工藝1鑄造將金屬熔化后，灌入模具，冷卻凝固成型2鍛造利用錘擊或壓力使金屬材料變形3焊接用熔焊或壓焊的方法將金屬工件連接4切削加工用刀具切削金屬材料，達(dá)到尺寸和形狀要求金屬成形加工工藝是將金屬材料通過(guò)各種工藝方法，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ㄐ螤詈统叽绲慕饘僦破疯T造工藝熔煉將金屬材料加熱至熔化狀態(tài)。熔煉過(guò)程需要控制溫度和時(shí)間，以確保金屬材料完全熔化并達(dá)到最佳狀態(tài)。澆注將熔化的金屬材料注入模具中，形成所需形狀的鑄件。澆注過(guò)程中需要控制澆注溫度、速度和壓力，以確保鑄件的質(zhì)量。凝固熔化的金屬材料在模具中冷卻凝固，形成固態(tài)的鑄件。凝固過(guò)程需要控制冷卻速度和冷卻方式，以確保鑄件的組織結(jié)構(gòu)和性能。清理將鑄件從模具中取出，并進(jìn)行清理工作。清理過(guò)程包括去除澆口、毛刺、砂芯等，以確保鑄件的尺寸和表面質(zhì)量。檢驗(yàn)對(duì)鑄件進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保其符合設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)過(guò)程包括尺寸檢驗(yàn)、外觀檢驗(yàn)、性能檢驗(yàn)等。鍛造工藝1預(yù)備將金屬坯料加熱到適當(dāng)溫度2成形在壓力機(jī)或錘子作用下變形3冷卻緩慢冷卻至室溫鍛造是一種古老的金屬加工方法，通過(guò)對(duì)金屬坯料施加壓力使其塑性變形來(lái)改變其形狀和尺寸。鍛造工藝通常需要高溫加熱，以提高金屬的塑性，使它更容易變形。鍛造工藝可以制造出高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性的金屬制品，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、汽車制造等領(lǐng)域。焊接工藝熔化焊接利用高溫將金屬加熱至熔化狀態(tài)，并使之熔合在一起，形成一個(gè)整體。壓力焊接利用外力將金屬材料壓緊，使之在固態(tài)下發(fā)生結(jié)合的一種焊接方法。釬焊利用熔點(diǎn)低于母材的金屬（釬料）將母材連接在一起的一種焊接方法。切削加工工藝1車削去除材料以形成圓柱形或錐形形狀2銑削使用旋轉(zhuǎn)刀具來(lái)創(chuàng)建平坦的表面3鉆孔創(chuàng)建圓形孔4磨削使用砂輪去除材料以獲得高精度表面切削加工是通過(guò)去除材料來(lái)改變金屬材料形狀和尺寸的工藝。通常使用旋轉(zhuǎn)刀具，對(duì)金屬表面進(jìn)行切削。切削加工精度高，應(yīng)用廣泛，是金屬加工中的重要工藝。金屬材料的性能測(cè)試金屬材料的性能測(cè)試是評(píng)估材料的性能指標(biāo)，例如強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕性等。這些指標(biāo)對(duì)材料的應(yīng)用和設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義，通過(guò)測(cè)試可以了解材料的優(yōu)缺點(diǎn)，從而選擇合適的材料進(jìn)行加工和使用。金屬材料的檢驗(yàn)與檢測(cè)11.外觀檢驗(yàn)肉眼觀察材料表面，檢查是否有裂紋、氣孔等缺陷。22.化學(xué)成分分析使用光譜儀等設(shè)備，測(cè)定材料的化學(xué)成分，確保符合要求。33.機(jī)械性能測(cè)試通過(guò)拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)等方法，評(píng)估材料的強(qiáng)度、韌性、硬度等性能指標(biāo)。44.微觀結(jié)構(gòu)分析使用顯微鏡觀察材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，判斷材料的質(zhì)量和性能。金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域建筑鋼鐵、鋁合金等金屬材料是現(xiàn)代建筑的重要組成部分，為高樓大廈、橋梁等提供結(jié)構(gòu)支撐。汽車汽車制造廣泛使用鋼鐵、鋁合金、鎂合金等金屬材料，它們?cè)谲嚿?、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。航空航天航空航天領(lǐng)域?qū)饘俨牧系膹?qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕性等性能要求極高，鈦合金、鋁合金等材料在飛機(jī)、火箭等制造中不可或缺。電子銅、鋁、金等金屬材料在電子元器件、電路板、芯片等方面應(yīng)用廣泛，它們是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心材料。金屬材料發(fā)展趨勢(shì)輕量化金屬材料的輕量化趨勢(shì)日益顯著，例如高強(qiáng)度鋁合金、鎂合金和鈦合金等新型材料的應(yīng)用，可有效降低產(chǎn)品重量，提高燃油效率和節(jié)能環(huán)保效益。高性能化隨著科技的進(jìn)步，對(duì)金屬