大学化学课件：金属材料

1、材料的分类传统上根据材料的成分与特性，把物质分为无机材料（金属材料和无机非金属材料）、有机高分子材料和复合材料依据材料的用途，通常将材料分为结构材料和功能材料两大类。结构材料是指利用材料具有的力学和物理、化学性质，被广泛用于机械制造、工程建设、交通运输及能源等部门的材料。功能材料是指利用具有的某种声、光、电、磁和热等性能，应用于微电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域的材料。智能材料是功能材料的最新发展，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，智能材料被誉为21世纪材料。7-2-1 金属材料金属材料可分为黑色金属材料和有色金属材料两大类。黑色金属材料包括铁、锰和铬以及它们的合

2、金。除黑色金属外的其他各种金属及其合金统称为有色金属。有色金属品种繁多，又可细分为轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属、稀散金属和贵金属7-2-1-1 钢铁（1）钢铁是使用最广泛的一类黑色金属材料，其消耗量约占金属材料的90。其冶炼方法是用焦炭高温还原精选过的氧化铁矿石，冶炼时还需加入一定比例的石灰石和二氧化硅作助熔剂造渣，其主要反应如下：铁水中含34%的C，以Fe3C形式存在7-2-1-1 钢铁（2）铁水以不同方式冷却，可以得到性质不同，用途也各不相同的生铁。当铁水缓慢冷却时，Fe3C分解为铁和石墨，因其断口为灰色被称为灰口铁；若将铁水骤冷，Fe3C来不及分解，其断口为白色故称为白口铁。钢铁

3、是铁碳合金的总称。钢铁中含碳2的叫生铁， 0.02的叫纯铁，介于二者之间的称为钢。其中含碳0.020.25的称为低碳钢，介于0.250.60的称为中碳钢，含碳量在0.602的称为高碳钢。7-2-1-1 钢铁（3）纯铁的晶体结构碳在钢中存在的方式是间充在铁晶格的空隙中，形成间隙合金结构。碳在钢中能够以4中方式间充在铁的金属晶格中，形成奥氏体、渗碳体、马氏体、铁素体4种物相。体心立方面心立方体心立方C的可能位置金属的腐蚀与防止当金属与周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏叫做金属的腐蚀。 估计每年腐蚀而报废的钢铁设备相当于钢铁年产量的1/4,发达国家年经济损失占GDP的34%。因

4、此在了解金属腐蚀机理的基础上懂得如何防止金属腐蚀和了解如何进行金属材料的化学保护十分必要。 金属腐蚀的本质都是金属原子失电子被氧化的过程。 钢铁的腐蚀钢铁的腐蚀：指钢铁和周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏。根据腐蚀发生的机理不同，可分为：化学腐蚀：指单纯由化学作用而引起的腐蚀。电化学腐蚀：指当金属与电解质溶液接触时，由于电化学作用而引起的腐蚀。腐蚀的分类 金属与周围介质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀叫化学腐蚀。1.化学腐蚀 化学腐蚀发生在非电解质溶液中或干燥的气体中，在腐蚀过程中不产生电流。如：钢铁的高温氧化脱碳、石油或天然气输送管部件的腐蚀等。化学腐蚀原理比较简单,属

5、于一般的氧化还原反应。化学腐蚀反应示例1)钢铁的高温氧化:高温高温致密疏松，易龟裂，向纵深腐蚀 2)钢的脱碳。O2,H2OCO钢的脱碳原理示意图金属与周围介质发生电化学作用而引起的金属腐蚀。例如,钢铁在潮湿的环境中生锈,发生的就是电化学腐蚀。 较小的金属易失电子，被氧化而腐蚀，是腐蚀电池的阳极（也称负极）。电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀的速率一般也快得多。2. 电化学腐蚀1）析氢腐蚀在酸性较强的条件下钢铁发生析氢腐蚀,电极反应为:阳极:Fe2e-=Fe2+阴极:2H+2e-=H2 在弱酸性或中性条件下钢铁发生吸氧腐蚀,电极反应为：阳极:Fe-2e-=Fe2+阴极:2H2O+O2+4e-=4

6、OH吸氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍。2）吸氧腐蚀金属腐蚀的防止1.改变金属的内部结构：例如，把铬、镍加入普通钢中制成不锈钢。2. 保护层法：例如，在金属表面涂漆、电镀或用化学方法形成致密而耐腐蚀的氧化膜等。如白口铁(镀锌铁)、马口铁(镀锡铁)。3.缓蚀剂法:在腐蚀介质中，加入少量能减小腐蚀速率的物质以防止腐蚀的方法。 (1)无机缓蚀剂：在中性或碱性介质中主要采用无机缓蚀剂，如铬酸盐、重铬酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐等。主要是在金属的表面形成氧化膜或沉淀物。 (2)有机缓蚀剂：在酸性介质中，一般是含有N、S、O的有机化合物。常用的缓蚀剂有乌洛托品、若丁等。 (3)气相缓蚀剂：如亚硝酸二环己烷基胺给机器产品（尤其是精密仪器）的包装技术常带来重大革新。4. 阴极保护法 将被保护的金属作为腐蚀电池或电解池的阴极而 不受腐蚀 。它一般分为牺牲阳极保护法和外加电流法 。(1) 牺牲阳极保护法 用较活泼的金属或其三元合金如(Zn、Al)连接在被保护的金属上，被保护的金属作为腐蚀电池阴极而达到不遭腐蚀的目的。(2) 外加电流法 将被保护金属与另一附加电极作