材料科学导论三

材料科学导论三第1页/共74页中国海洋大学材料学院第三章金属材料第一节金属材料概述第二节金属材料的加工第三节铁及铁合金材料第四节非铁金属材料第2页/共73页第2页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述一、金属材料的定义二、金属键三、金属材料的共性四、金属材料的分类和性质五、金属在自然界的分布及提炼六、金属合金第3页/共73页第3页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述一、金属材料的定义

金属是以金属键为主相互结合的物质，以金属为主构成的材料称为金属材料。金属材料包括铁及铁合金（黑色金属）和非铁金属（有色金属）两大类。第4页/共73页第4页/共74页中国海洋大学材料学院

从元素周期表可看出，在100多种化学元素中，金属大约占80%。金属材料具有许多宝贵的机械、力学、物理、化学性能，是使用最为广泛的且用量最大的一种材料。第5页/共73页第5页/共74页中国海洋大学材料学院第6页/共73页第6页/共74页中国海洋大学材料学院第7页/共73页第7页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述二、金属键

由于自由电子在金属晶体中运动而将金属正离子“联系”在一起，这种多原子的共价键，称为金属键。 由于金属原子的半径比较大，价电子数较少，这些价电子容易从原子上脱落而在整个金属的范围内自由运动，称为自由电子第8页/共73页第8页/共74页中国海洋大学材料学院金属键的特点：金属阳离子紧密堆积，它们之间被自由电子充满，并被所有金属原子所共享。金属阳离子与自由电子依靠静电引力相互吸引而结合。特点是价电子的离域性和原子堆积的紧密性与无向性。第9页/共73页第9页/共74页中国海洋大学材料学院

所有金属原子的最外层都有ns电子，金属原子价电子层的s电子云是球形的，只要空间条件允许，它们可以在任意方向与任何数目的邻近原子的价电子云重叠。 因此，金属原子的排列不受饱和性和方向性的限制，使金属晶体中的金属原子都采取紧密堆积结构。第10页/共73页第10页/共74页中国海洋大学材料学院第11页/共73页第11页/共74页中国海洋大学材料学院金属键的“自由电子”模型（经典理论）1916年，由荷兰理论物理学家咯伦兹（Lorentz,H.A.1853-1928)提出。第12页/共73页第12页/共74页中国海洋大学材料学院金属键的“自由电子”模型（经典理论）

1916年，由荷兰理论物理学家咯伦兹（Lorentz,H.A.1853-1928)提出。典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud），金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。 这也就是所谓金属键的“自由电子”经典模型。第13页/共73页第13页/共74页中国海洋大学材料学院由于自由电子几乎可以吸收所有波长的可见光，随即又发射出来，因而使金属具有金属光泽；金属中的自由电子有突出的流动性，这使金属的传导性能良好；金属键是在整个晶体范围起作用，因此要断开金属比较困难。但由于金属键没有方向性，原子排列方式简单，重复周期短，因此，在原子之间（主要是密置层之间）比较容易产生“滑动”。在滑动过程中，自由电子起一定“调剂”“润滑”作用，因此金属有较好的延展性和可塑性。“自由电子”模型可以解释以下问题：第14页/共73页第14页/共74页中国海洋大学材料学院金属键的能带（EnergyBand）理论

索末菲(A.J.W.Sommerfeld)与其他研究工作者，从1928年到30年代广泛发展了金属的量子力学理论，建立起现代金属键和固体理论——能带理论。能带理论把金属晶体看成为一个大分子，这个分子由晶体中所有原子按照分子轨道理论组合而成。能带：形成金属晶体的各个原子，其能量相近的原子轨道组合成一系列的分子轨道，合称为能带。能带可以看作是延伸到整个晶体中的分子轨道。第15页/共73页第15页/共74页中国海洋大学材料学院第16页/共73页第16页/共74页中国海洋大学材料学院金属能带类型←价电子层的空轨道组成的能带称为空带←价带与空带之间的能级差为禁带←充有价电子的轨道所组成的能带称为价带第17页/共73页第17页/共74页中国海洋大学材料学院重带（叠带）—相邻两个能带相互重叠的区域。满带与空带重叠，禁带消失，使满带变成导带。金属镁的价电子层结构为3s2，其能带应是满带，3p能带没有电子（空带），但是由于金属镁中3s能带与3p能带部分重叠，使3s满带中的电子极易跃迁到空的3p能带中，使之呈现良好的导电性和金属性。导带—最高价带之上未充满或全空的能带，它是电子的可活动区域。满带—充满电子的能带。满带中的电子无法自由流动；第18页/共73页第18页/共74页中国海洋大学材料学院第19页/共73页第19页/共74页中国海洋大学材料学院第20页/共73页第20页/共74页中国海洋大学材料学院第21页/共73页第21页/共74页中国海洋大学材料学院第22页/共73页第22页/共74页中国海洋大学材料学院

按能带中充填电子情况和禁带宽度不同，可把物质分为导体，半导体和绝缘体。导体具有导带或重带,禁带宽度为带隙Eg绝缘体只有满带和空带,而且禁带宽度(Eg)不小于5eV半导体只有满带和空带,而且禁带宽度(Eg)小于3eV第23页/共73页第23页/共74页中国海洋大学材料学院第24页/共73页第24页/共74页中国海洋大学材料学院第25页/共73页第25页/共74页中国海洋大学材料学院第26页/共73页第26页/共74页中国海洋大学材料学院能带理论的应用：

能带理论能说明金属的导电性，即金属能导电主要是通过导带中的电子来负载电流的。温度上升时，由于金属原子的热振动增剧，电子与它们的碰撞频率增加了，从而导电能力略有降低。金属导带中的电子能够吸收各种波长的可见光，而跳到能量较高的轨道上去，使金属晶体不透明；当激发的电子跳回去时，又可放射出不同波长的光，因而使其具有金属光泽。当金属的某一部分受热时，由于导带中电子的快速运动，很快把能量传递开来，因而金属具有良好的导热性。第27页/共73页第27页/共74页中国海洋大学材料学院一个地方的金属键被破坏，在另一个地方又会形成新的金属键，因此金属受力时一般不会脆裂，只会改变其形状，所以金属具有良好的延展性。半导体的导电一般随温度升高而上升。温度升高了，满带中的电子被激发至空带中，从而在满带中留下空穴，而在空带中放入了自由电子，它们都能导电。能带理论的应用：第28页/共73页第28页/共74页中国海洋大学材料学院有机聚合物材料等固态的结构一般比较复杂，它们的电子运动轨道是现有的能带理论无法解决的。人们所研究的特定物质的微观结构与宏观性能间的相互关系，也是现有的能带理论所无法处理的。杂质对固态的性能有很大影响，而能带理论无法解决杂质态的电子运动轨道。无法解决非晶态的电子轨道运动问题。无法处理固态表面的电子运动规律。随着科学技术的进一步发展，能带理论显出它的局限性：第29页/共73页第29页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述三、金属材料的共性1）良好的导电性；2）良好的导热性；3）正温度系数（低温超导性）；4）良好的光反射性，具有金属光泽，不透明；5）良好塑性（延展性）；6）强度高，可焊接；7）金属容易失去电子成为阳离子。第30页/共73页第30页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述四、金属材料的分类和性质1）碱金属和碱土金属－化学性质活泼，是强还原性材料；2）轻金属－具有比重小，强度高的特点，主要作为结构材料；3）贵金属－化学性质稳定，可以长期保存。其中铂系金属可以耐受强酸；铁、钴、镍是铁磁性材料；铜、银、金、铝是良导体材料。第31页/共73页第31页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述五、金属在自然界的分布及提炼以单质形态存在以合金形式存在以化合物形式存在。1、存在形态第32页/共73页第32页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述五、金属在自然界的分布及提炼热分解法：提炼惰性比较高的金属。电解法：适用于提取活泼性高的金属2、金属的提炼热还原法碳还原法氢还原法活泼金属还原法第33页/共73页第33页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述六、金属合金（alloy）1、合金的定义合金是一种金属为主，与其他金属或非金属熔合而成的材料。是由两种或两种以上金属元素或由金属元素与非金属组成的具有金属特性的物质第34页/共73页第34页/共74页中国海洋大学材料学院第一节金属材料概述六、金属合金固溶体合金－不分相的单相态合金2、合金的分类混合物合金－分相的多相态合金金属互化物合金－两种组分间形成化合物替代固溶体填隙固溶体第35页/共73页第35页/共74页中国海洋大学材料学院填隙固溶体替代固溶体第36页/共73页第36页/共74页中国海洋大学材料学院组元(component)：组成合金的最基本独立单元。二元合金－由两个组元组成的合金称为三元合金－由三个组元组成的合金称为多元合金－多个组元组成的合金18Cr8Ni不锈钢为三元单相合金

含C为0.8%的碳钢为二元多相合金第37页/共73页第37页/共74页中国海洋大学材料学院Cu+ZnCu+SnFe+CAl+Cu+Mg黄铜青铜碳钢or铸铁硬铝第38页/共73页第38页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工一、热加工铸造、锻压、焊接二、冷加工切削三、热处理四、成型加工第39页/共73页第39页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工一、热加工铸造锻压焊接—液态成形—固态塑变成形—连接成形第40页/共73页第40页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工铸造是将金属熔融，倒入铸型中，冷却凝固后形成一定形状和性能器件的加工方法。熔模铸造金属型铸造压力铸造低压铸造离心铸造实型铸造一、热加工分类1、铸造砂型铸造特种铸造第41页/共73页第41页/共74页中国海洋大学材料学院第42页/共73页第42页/共74页中国海洋大学材料学院

第43页/共73页第43页/共74页中国海洋大学材料学院特种铸造金属型铸造离心铸造压力铸造熔模铸造低压铸造挤压铸造陶瓷型铸造特种铸造第44页/共73页第44页/共74页中国海洋大学材料学院特种铸造-压力铸造第45页/共73页第45页/共74页中国海洋大学材料学院第46页/共73页第46页/共74页中国海洋大学材料学院第47页/共73页第47页/共74页中国海洋大学材料学院特种铸造-离心铸造第48页/共73页第48页/共74页中国海洋大学材料学院特种铸造-挤压铸造第49页/共73页第49页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工铸造性能

FoundryTechnologicalProperties

表示合金铸造成形获得优质铸件的能力，是一个极其重要的工艺性能。通常用流动性和收缩性等来衡量。

1、铸造第50页/共73页第50页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工锻压是对坯料使用外力使之发生塑性变形，改变尺寸和外型，并改善性能的加工方法。锻造冲压2、锻压自由锻模锻落料冲孔成型第51页/共73页第51页/共74页中国海洋大学材料学院第52页/共73页第52页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工

焊接是通过加热或加压（或两者并用），用或不用填充金属，使焊件形成原子间结合，从而连接金属件的加工方法。3、焊接第53页/共73页第53页/共74页中国海洋大学材料学院熔焊方法常以热源的种类命名，气焊（气体火焰为热源）电弧焊（电弧为热源）电渣焊（熔渣电阻热为热源）激光焊（激光束为热源）电子束焊（电子束为热源）等离子弧焊（压缩电弧为热源）钎焊：利用熔点比母材低的填充金属熔化以后,填充接头间隙并与固态的母材相互扩散实现连接的一种方法。压力焊：如电阻焊，焊接过程中需要加压的一类焊接方法。第54页/共73页第54页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工切削是使用刀具对材料进行的一种加工方法。利用切削工具从工件上切去多余的材料，以获得符合图样规定的形状、尺寸和表面粗糙度的零件的加工方法。二、冷加工车削、钻孔、锯割、攻丝、刨削、铣削、磨削1、切削加工2、特种加工电火花、激光、超声波、电解等第55页/共73页第55页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工f)滚齿a)车削b)钻削c)铣削d)刨削e)磨削第56页/共73页第56页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工热处理是通过加热、保温、冷却等温度控制过程改善材料组织结构与性能的加工方法。三、热处理加热、保温、冷却热处理工艺中的三大基本要素通常是将材料加热到相变温度以上发生相变，然后施以冷却再发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能变化。第57页/共73页第57页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工三、热处理退火－加热后缓慢冷却，用于消除内应力，提高材料的塑性和韧性正火－加热后以稍快的速度冷却，用于调整硬度淬火－加热后快速冷却，用于提高硬度和耐磨性回火－加热到较低温度并保温，用于处理淬火后的器件，消除应力，降低脆性问题：温度曲线？第58页/共73页第58页/共74页中国海洋大学材料学院第59页/共73页第59页/共74页中国海洋大学材料学院第二节金属材料的加工轧制成型－利用压力，通过轧辊碾压制备板材的方法。有热轧、冷轧等。拉拔成型－通过拉力成型的一种加工方法，用于制备生产条、丝等形状的材料。挤压成型－通过挤出方式生产异型材和管材的方法。四、成型加工第60页/共73页第60页/共74页中国海洋大学材料学院第三节铁及铁合金材料一、纯铁二、碳钢三、合金钢四、铸铁第61页/共73页第61页/共74页中国海洋大学材料学院第三节铁及铁合金材料一、纯铁熔点：1538℃密度：7.87弹性模量：2000MPa特点：强度低，塑性好，铁磁性，主要作为磁性材料使用第62页/共73页第62页/共74页中国海洋大学材料学院第三节铁及铁合金材料二、碳钢碳钢是指以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入的元素。根据含碳量分为低碳钢（<0.25%），中碳钢（0.25～0.6%）和高碳钢（>0.6%）。根据用途分为碳素结构钢和碳素工具钢。

第63页/共73页第63页/共74页中国海洋大学材料学院

按用途分：按品质分：按含碳量分：按合金元素总量分:(合金钢)钢的分类普通质量钢（0.045%P，0.05%S）优质钢（0.035%P，0.035%S）高级优质钢（0.025%P，0.025%S）低碳钢（<0.25%C）中碳钢（0.25~0.6%C）高碳钢（>0.6%C）

低合金钢（<5%）中合金钢（5~10%）高合金钢（>10%）结构钢、工具钢、特殊性能钢第64页/共73页第64页/共74页中国海洋大学材料学院第三节铁及铁合金材料三、合金钢合金钢是指特意加入其他非铁元素的钢材。包括低合金钢，合金渗碳钢，合金调制钢，弹簧钢，轴承钢，合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢，不锈钢，高温合金钢等。性能优异，并具有特殊使用性质是合金钢的最大优点。第65页/共73页第65页/共74页中国海洋大学材料学院第三节铁及铁合金材料四、铸铁铸铁指碳含量大于2.11%，并含有较多的Si、Mn、S、P等元素。包括灰口铸铁（抗拉和塑像差），球墨铸铁（石墨成球状），蠕墨铸铁（石墨介于片状和球状之间），可锻铸铁（退火处理），合金铸铁（加入其他元素），合金铸铁还可以分为耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁等。第66页/共73页第66页/共74页中国海洋大学材料学院第四节非铁金属材料一、铝及铝合金材料二、铜及铜合金材料三、钛及钛合金材料四、镁合金材料

第67页/共73页第67页/共74页中国海洋大学材料学院第四节非铁金属材料一、铝及铝合金材料1、特性具有比重低比强度高导电率高铝土矿防腐性能好加工性能好无磁性的特点2、铝的制