大学化学-金属材料化学解读课件

由金属或由以金属元素为主形成的具有一般金属特性的材料称为金属材料。金属单质合金

由一种金属与其它金属或非金属融合在一起形成的具有金属特性的物质。如:钢、铝合金金属材料由金属或由以金属元素为主形成的具有一15.1金属概论

金属的存在金属的分类金属的性质5.1金属概论金属的存在2

1金属加工工艺金属材料的一般加工过程如下：1金属加工工艺金属材料的一般加工过程如下：3（2）工程技术分类

轻金属铁、锰、铬及其合金

黑色金属有色金属密度小于5g·cm-3的金属重金属密度大于5g·cm-3的金属贵金属地壳中含量少，开采提取困难,

价格贵的金属包括金、银和铂族元素。稀有金属在自然界分布较少，发现较迟，提取难，工业应用较晚。放射性金属原子核能自发放射出射线的金属。金属的分类（2）工程技术分类轻金属铁、锰、铬及其合43.金属的性质(1)物理性质①光泽大多数金属呈银白色光泽。②密度除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密度都大于1g·

cm-3。最轻的金属是锂，最重的金属是锇。3.金属的性质(1)物理性质①光泽大多数金属5③熔点S区金属原子半径较大，多数熔点较低。d区金属熔点大都较高。

VB-VIIB族金属(除锰外)是高熔点金属。熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞。IIB族和P区金属是低熔点金属。③熔点S区金属原子半径较大，多数熔点较低。熔点最高的金属6④导电性金属一般是良导体，尤其ds区的银、铜和p区的铝。金属的导电性一般随温度的升高而下降，杂质对金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越高，导电性越好。⑤导热性导电性好的金属一般导热性能也较好。⑥延展性延展金属时，虽然发生了变形，但并不破坏金属键，故不发生断裂。④导电性金属一般是良导体，尤其ds区的银、铜和p区的7

5.3合金

合金的结构和类型合金材料 5.3合金 合金的结构和类型81.合金的结构和类型合金从结构上可分为以下三种基本类型：（1）混合物合金两种或多种金属的机械混合物。熔融:完全或部分互溶凝固:金属各自结晶混合物合金的导电、导热等性质与组分金属有很大的不同。1.合金的结构和类型合金从结构上可分为以下三种基本类型：9

2.固溶体合金

⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。

2.固溶体的性能

通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。

2.固溶体合金⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置10（3）金属化合物合金两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和原子半径差别较大时所形成的金属化合物。通常分为正常价化合物和电子化合物。正常价化合物：金属原子间通过化学键形成，成分固定，符合氧化数规则。电子化合物：金属原子间通过金属键形成，成分在一定范围内变化，不符合氧化数规则。（3）金属化合物合金两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和112合金材料（1）铁的合金—钢

熟铁

铁按含碳量多少可分为：<0.1%韧性好,可锻打成型锻铁

铁勺,锅铲

2合金材料（1）铁的合金—钢熟铁铁按含12

碳素钢

生铁(<0.25%)韧性好,强度低,焊接性能优良

薄铁皮、铁丝铁管等低碳钢中碳钢高碳钢(0.25~0.6%)强度较高,韧性较好

铁轨车轮等

(0.6~1.7%)硬而脆，弹性较好

医疗器具，弹簧工具等

(1.7~4.5%)硬而脆,可浇铸成型铸铁

机床车身,内燃机汽缸 碳素钢生铁(<0.25%)韧13镍钢

含镍36%,几乎不热胀冷缩,可制造精密仪器零件。钨钢

含钨18%,即使赤热仍坚硬制造高速切削车床的车刀。钒钢钢的弹性增加1倍，制造各种弹簧。硅钢含硅2.5%，用作变压器的铁心。不仅减少其发热，还节省能源。不锈钢含铬,锰等,抗蚀性能优良。含铬>12%合金钢：镍钢含镍36%,几乎不热胀冷缩,可制造精密14①铝合金

（2）轻质合金铝:地壳中藏量为7.45%,是含量最多的金属。目前年产量仅次于铁。

密度小，导电性好，常用铝代替铜制造电线。

硬铝合金:加入少量铜、锰、镁等金属，再经过热处理使其强度大为提高。轻盈美观不易生锈

铝合金强度可与钢媲美，但却比其轻近1/4，可广泛用于航空航天业.

①铝合金（2）轻质合金铝:地壳中藏量为7.4515钛:拉丁文“Titanium”特点：a.密度较小b.钛合金强度高c.抗蚀性好d.工作温度范围宽(-200

~500℃)②钛合金钛:拉丁文“Titanium”特点：a.密16由于钛合金抗蚀性好，工作温度范围宽，可用作液氮或液氦等的低温容器。钛合金强度高，几乎是铝合金的5倍。热处理后，它的强度与高强度钢相当，但密度仅为钢的57%。“空间金属”美国新式战斗机含钛量大于90%“深海金属”1977年，前苏联用3500多吨钛制造当时航行速度最快的核潜艇。

由于钛合金抗蚀性好，工作温度范围宽，可用作17形状记忆合金的简称，指在一定外力作用下，使其几何形态发生改变。但当加热到某一温度时，它又能够完全恢复到变形前的几何形态。记忆合金

形状记忆合金的简称，指在一定外力作用下，使其几何形态发生改18

在医疗器械，减震消噪，生活用品等方面具有广阔的应用前景。记忆合金

在医疗器械，减震消噪，生活用品等方面具有广阔的应用前景。19硬质合金

以硬质化合物为硬质相，以金属或合金作粘接相的复合材料。硬质合金以硬质化合物为硬质相，以金属20两种特定金属的合金，一种可以大量吸进H2形成稳定氢化物；而另一种金属与氢的亲和力小，使氢很容易在其中移动.是开发利用氢能源、分离精制高纯氢的理想材料。（5）储氢合金

（6）超导

对高温超导材料的要求，除零电阻外还要求有抗磁性、稳定性和重复性。两种特定金属的合金，一种可以大量吸进（5）储21传统硅酸盐材料：以天然硅酸盐为材料的制品如陶瓷、玻璃、水泥

新型非金属材料：人工合成不含硅或少含SiO2的材料如半导体、光导纤维、激光材料

非金属材料传统硅酸盐材料：以天然硅酸盐为材料的制品新型非金属材料22非金属材料非金属材料23新型非金属材料新型非金属材料241.硅酸盐材料硅酸或多硅酸的盐如长石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸盐，组成复杂，用途广泛。基本结构单元:SiO4四面体(1)天然硅酸盐普通水泥(硅酸盐水泥)砂渣水泥高铝水泥耐酸水泥1.硅酸盐材料硅酸或多硅酸的盐如长石、云25（3）玻璃a.普通玻璃b.特种玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2→Na2O·CaO·6SiO2+2CO2光导纤维、钢化玻璃、有色玻璃、半导体玻璃、透红外玻璃等。（3）玻璃a.普通玻璃b.特种玻璃Na2CO3+26（4）陶瓷结构陶瓷功能陶瓷智能陶瓷生物陶瓷结构陶瓷与功能陶瓷的复合产物用于人体器官替换修补及外科矫形的陶瓷材料如氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等改变陶瓷组成、使其具有某些独特功能的材料。（4）陶瓷结构陶瓷功能陶瓷智能陶瓷生物陶瓷结构陶瓷与功能272.新型非金属材料(1)半导体材料①半导体②导电机理导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。符合金属能带理论。2.新型非金属材料(1)半导体材料①半导体②28温度升高，半导体满带中有更多电子被激发进入导带，电子数目和空穴数目相应增多，导电性增强。a.温度金属导体与半导体导电性的区别：温度升高，金属导体中的原子振动加剧，导电性下降；温度升高，半导体满带中有更多电子被激发进入导带，电子数目和空29金属导体中增加杂质，阻碍电子的定向移动，导电性下降。b.杂质半导体中增加微量杂质，导电性大大增加下降。金属导体中增加杂质，阻碍电子的定向移动，导电性下降。b.杂30由激光器发出的光称为激光。能产生激光的半导体材料有：GaAs、ZnSb、GaAlAs、ZnS、CdTe等。特征：光源亮度强有极高的方向性有极高的单色性（3）激光材料由激光器发出的光称为激光。能产生激光的半导体材料有：31

激光应用激光是最亮光源，在焦点处可产生上百万度的高温，使难熔物质瞬间熔化或气化，激光切割、激光打孔、激光焊接正是最好的应用；在激光方向性和单色性方面，可用激光测距，距离远，精度高。激光雷达已用于气象预测。激光应用激光是最亮光源，在焦点处可产生上百万度的高温，使难32闪烁晶体在射线（X-射线，г-射线）或高能粒子的作用下会发出紫外光或可见光，这种现象叫做闪烁效应。具有闪烁效应的晶体称为闪烁晶体。闪烁晶体在射线（X-射线，г-射线）或高能粒子的作用下会发出33光纤以传光和传像为目的的一种光波传导介质。光纤通讯优点：信息容量大重量轻抗干扰保密性好耐腐蚀（4）光导纤维光纤以传光和传像为目的的一种光波传导介质。光纤通讯优点：信息34

由金属或由以金属元素为主形成的具有一般金属特性的材料称为金属材料。金属单质合金

由一种金属与其它金属或非金属融合在一起形成的具有金属特性的物质。如:钢、铝合金金属材料由金属或由以金属元素为主形成的具有一355.1金属概论

金属的存在金属的分类金属的性质5.1金属概论金属的存在36

1金属加工工艺金属材料的一般加工过程如下：1金属加工工艺金属材料的一般加工过程如下：37（2）工程技术分类

轻金属铁、锰、铬及其合金

黑色金属有色金属密度小于5g·cm-3的金属重金属密度大于5g·cm-3的金属贵金属地壳中含量少，开采提取困难,

价格贵的金属包括金、银和铂族元素。稀有金属在自然界分布较少，发现较迟，提取难，工业应用较晚。放射性金属原子核能自发放射出射线的金属。金属的分类（2）工程技术分类轻金属铁、锰、铬及其合383.金属的性质(1)物理性质①光泽大多数金属呈银白色光泽。②密度除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密度都大于1g·

cm-3。最轻的金属是锂，最重的金属是锇。3.金属的性质(1)物理性质①光泽大多数金属39③熔点S区金属原子半径较大，多数熔点较低。d区金属熔点大都较高。

VB-VIIB族金属(除锰外)是高熔点金属。熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞。IIB族和P区金属是低熔点金属。③熔点S区金属原子半径较大，多数熔点较低。熔点最高的金属40④导电性金属一般是良导体，尤其ds区的银、铜和p区的铝。金属的导电性一般随温度的升高而下降，杂质对金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越高，导电性越好。⑤导热性导电性好的金属一般导热性能也较好。⑥延展性延展金属时，虽然发生了变形，但并不破坏金属键，故不发生断裂。④导电性金属一般是良导体，尤其ds区的银、铜和p区的41

5.3合金

合金的结构和类型合金材料 5.3合金 合金的结构和类型421.合金的结构和类型合金从结构上可分为以下三种基本类型：（1）混合物合金两种或多种金属的机械混合物。熔融:完全或部分互溶凝固:金属各自结晶混合物合金的导电、导热等性质与组分金属有很大的不同。1.合金的结构和类型合金从结构上可分为以下三种基本类型：43

2.固溶体合金

⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。

2.固溶体的性能

通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。

2.固溶体合金⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置44（3）金属化合物合金两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和原子半径差别较大时所形成的金属化合物。通常分为正常价化合物和电子化合物。正常价化合物：金属原子间通过化学键形成，成分固定，符合氧化数规则。电子化合物：金属原子间通过金属键形成，成分在一定范围内变化，不符合氧化数规则。（3）金属化合物合金两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和452合金材料（1）铁的合金—钢

熟铁

铁按含碳量多少可分为：<0.1%韧性好,可锻打成型锻铁

铁勺,锅铲

2合金材料（1）铁的合金—钢熟铁铁按含46

碳素钢

生铁(<0.25%)韧性好,强度低,焊接性能优良

薄铁皮、铁丝铁管等低碳钢中碳钢高碳钢(0.25~0.6%)强度较高,韧性较好

铁轨车轮等

(0.6~1.7%)硬而脆，弹性较好

医疗器具，弹簧工具等

(1.7~4.5%)硬而脆,可浇铸成型铸铁

机床车身,内燃机汽缸 碳素钢生铁(<0.25%)韧47镍钢

含镍36%,几乎不热胀冷缩,可制造精密仪器零件。钨钢

含钨18%,即使赤热仍坚硬制造高速切削车床的车刀。钒钢钢的弹性增加1倍，制造各种弹簧。硅钢含硅2.5%，用作变压器的铁心。不仅减少其发热，还节省能源。不锈钢含铬,锰等,抗蚀性能优良。含铬>12%合金钢：镍钢含镍36%,几乎不热胀冷缩,可制造精密48①铝合金

（2）轻质合金铝:地壳中藏量为7.45%,是含量最多的金属。目前年产量仅次于铁。

密度小，导电性好，常用铝代替铜制造电线。

硬铝合金:加入少量铜、锰、镁等金属，再经过热处理使其强度大为提高。轻盈美观不易生锈

铝合金强度可与钢媲美，但却比其轻近1/4，可广泛用于航空航天业.

①铝合金（2）轻质合金铝:地壳中藏量为7.4549钛:拉丁文“Titanium”特点：a.密度较小b.钛合金强度高c.抗蚀性好d.工作温度范围宽(-200

~500℃)②钛合金钛:拉丁文“Titanium”特点：a.密50由于钛合金抗蚀性好，工作温度范围宽，可用作液氮或液氦等的低温容器。钛合金强度高，几乎是铝合金的5倍。热处理后，它的强度与高强度钢相当，但密度仅为钢的57%。“空间金属”美国新式战斗机含钛量大于90%“深海金属”1977年，前苏联用3500多吨钛制造当时航行速度最快的核潜艇。

由于钛合金抗蚀性好，工作温度范围宽，可用作51形状记忆合金的简称，指在一定外力作用下，使其几何形态发生改变。但当加热到某一温度时，它又能够完全恢复到变形前的几何形态。记忆合金

形状记忆合金的简称，指在一定外力作用下，使其几何形态发生改52

在医疗器械，减震消噪，生活用品等方面具有广阔的应用前景。记忆合金

在医疗器械，减震消噪，生活用品等方面具有广阔的应用前景。53硬质合金

以硬质化合物为硬质相，以金属或合金作粘接相的复合材料。硬质合金以硬质化合物为硬质相，以金属54两种特定金属的合金，一种可以大量吸进H2形成稳定氢化物；而另一种金属与氢的亲和力小，使氢很容易在其中移动.是开发利用氢能源、分离精制高纯氢的理想材料。（5）储氢合金

（6）超导

对高温超导材料的要求，除零电阻外还要求有抗磁性、稳定性和重复性。两种特定金属的合金，一种可以大量吸进（5）储55传统硅酸盐材料：以天然硅酸盐为材料的制品如陶瓷、玻璃、水泥

新型非金属材料：人工合成不含硅或少含SiO2的材料如半导体、光导纤维、激光材料

非金属材料传统硅酸盐材料：以天然硅酸盐为材料的制品新型非金属材料56非金属材料非金属材料57新型非金属材料新型非金属材料581.硅酸盐材料硅酸或多硅酸的盐如长石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸盐，组成复杂，用途广泛。基本结构单元:SiO4四面体(1)天然硅酸盐普通水泥(硅酸盐水泥)砂渣水泥高铝水泥耐酸水泥1.硅酸盐材料硅酸或多硅酸的盐如长石、云59（3）玻璃a.普通玻璃b.特种玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2→Na2O·CaO·6SiO2+2CO2光导纤维、钢化玻璃、有色玻璃、半导体玻璃、透红外玻璃等。（3）玻璃a.