《金属学与造船材料》课件

《金属学与造船材料》课程概述本课程旨在深入了解金属学原理和造船材料的特性，为学生提供坚实的理论基础，并帮助他们掌握应用金属材料于造船领域的专业技能。课程目标理论知识掌握金属材料的基本结构、性能和应用。了解不同金属的分类和特性，以及在造船领域的应用。实践技能学习金属材料的热处理、焊接和防腐技术。培养学生实际操作的能力，为从事造船相关工作打下基础。金属的基本结构金属材料的结构是指其内部原子或离子的排列方式，决定了金属的物理、化学和力学性能。金属的基本结构包括晶体结构和非晶体结构，其中晶体结构是金属材料最常见的结构形式，也是影响金属材料性能的主要因素。晶体结构金属材料通常以晶体形式存在。晶体具有规则的原子排列，形成周期性的三维结构。晶体结构是影响金属材料性能的关键因素之一，如强度、硬度、导电性和导热性。金属的力学性质强度金属承受外力而不发生断裂的能力，即抵抗破坏的能力。塑性金属在外力作用下发生永久变形的能力，体现金属的延展性。硬度金属抵抗外力压入或刻划的能力，反映金属的抵抗变形的能力。韧性金属在断裂前吸收能量的能力，衡量金属材料的抗冲击能力。塑性变形和回复机理1塑性变形金属在受力状态下，发生永久性形状改变，晶体结构发生变化。塑性变形是金属材料重要的力学性质，也是金属加工的基础。2回复塑性变形后，金属内部积累了大量的能量，需要通过回复过程来释放能量。回复过程包括晶粒长大、位错重排和亚晶粒形成等。3再结晶在一定温度下，塑性变形的金属会发生新的晶粒重新生成，形成新的无应力晶粒，消除变形引起的内部应力。再结晶过程会提高金属的塑性和韧性。强化机理晶粒细化减小晶粒尺寸，增加晶界数量，阻碍位错运动，提高强度和硬度。固溶强化在金属中添加少量合金元素，形成固溶体，提高强度和硬度。位错强化引入更多位错，增加位错密度，阻碍位错运动，提高强度和硬度。弥散强化在金属中加入第二相粒子，这些粒子会阻碍位错的运动，提高材料的强度和硬度。热处理基础1退火消除内应力，提高韧性。2正火细化晶粒，提高强度。3淬火提高硬度，改善强度。4回火降低硬度，提高韧性。热处理是通过控制加热、保温和冷却速度，改变金属材料内部组织结构，从而改变其力学性能的一种工艺。热处理工艺通常包含四个主要步骤：加热、保温、冷却和回火。金属相变与状态图金属相变是指金属在温度、压力等外界条件变化时，其内部原子排列方式和晶体结构发生变化的过程。状态图是描述金属在不同温度和成分条件下存在的相及其相互关系的图形，是研究金属相变和材料性能的重要工具。状态图可以帮助我们理解金属的熔化、凝固、相变、以及不同相的稳定性等现象，从而指导我们选择合适的热处理工艺，改善金属材料的性能。铁碳合金状态图平衡状态图铁碳合金状态图是显示铁碳合金在不同温度和碳含量下相平衡状态的图表。相变过程它可以用于确定合金在不同温度和碳含量下，所处的相组成、相含量和相结构。实际应用状态图对于理解钢铁材料的性质、热处理过程、工艺选择和性能预测至关重要。钢的分类与性能1碳素钢碳含量决定钢的强度和硬度，碳含量越高，强度和硬度越高。2合金钢添加其他金属元素，以提高钢的强度、韧性、耐腐蚀性等性能。3特殊性能钢包括高速钢、不锈钢、耐热钢等，具有特殊用途和性能。钢的热处理正火正火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在空气中冷却的一种热处理工艺。正火可以细化晶粒，提高钢的韧性和塑性。淬火淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在水中、油中或其他冷却介质中快速冷却的热处理工艺。淬火可以提高钢的硬度和强度。回火回火是将淬火后的钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在空气中缓慢冷却的热处理工艺。回火可以降低钢的硬度和强度，提高钢的韧性和塑性。表面热处理表面热处理是指只对钢材表面进行热处理，以改变其表面性能的一种工艺。常用的表面热处理方法有渗碳、氮化和碳氮共渗。船用钢牌号船用钢牌号船用钢牌号通常包含字母和数字，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，数字则代表钢的性能等级。示例A级钢：用于船体结构，强度较高，耐腐蚀性良好。B级钢：用于船体结构，强度适中，耐腐蚀性较好。C级钢：用于船体结构，强度较低，耐腐蚀性较差。用途船用钢牌号用于区分不同类型的船用钢，便于选择合适的钢材用于不同的船体结构和用途。船用钢的性能要求强度船用钢需承受高强度载荷，抗拉强度、屈服强度等指标要求较高。韧性船用钢需要具备良好的韧性，以抵御冲击载荷和防止断裂。耐腐蚀性船用钢在海水环境中工作，需要耐腐蚀，防止生锈和腐蚀穿孔。焊接性能船体结构通常采用焊接工艺，船用钢需要具备良好的焊接性能，确保焊接接头的强度和可靠性。铸铁的分类与性能灰铸铁灰铸铁是应用最广泛的铸铁，具有良好的铸造性能和减震性能。它包含片状石墨，导致强度和韧性较低，易于加工。球墨铸铁球墨铸铁具有近似于钢的强度和韧性，同时保持良好的铸造性能。它包含球状石墨，提高了抗拉强度和冲击韧性。可锻铸铁可锻铸铁具有良好的延展性和韧性，可锻铸铁通过热处理获得石墨球状化，形成球状石墨，具有较好的综合力学性能。蠕墨铸铁蠕墨铸铁具有高强度、高韧性和耐磨性，广泛应用于高负荷的机械零件，其石墨呈蠕虫状，具有良好的减震性能和耐磨性。铸铁的热处理1退火降低硬度和强度，提高韧性2正火细化晶粒，提高强度和韧性3调质获得良好的综合力学性能铸铁的热处理主要包括退火、正火和调质。退火可以降低硬度和强度，提高韧性；正火可以细化晶粒，提高强度和韧性；调质可以获得良好的综合力学性能。有色金属合金铝合金铝合金强度高、密度低，耐腐蚀性好，广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域。铜合金铜合金具有优异的导电性、导热性和耐腐蚀性，常用于电气设备、管道、建筑材料等。镁合金镁合金密度低、比强度高，易于加工，适用于航空航天、电子产品等领域。钛合金钛合金具有高强度、耐腐蚀性、耐高温性，应用于航空发动机、医疗器械、化学工业等。铝合金轻质铝合金的密度较低，重量轻，常用于航空航天。耐腐蚀铝合金表面形成致密的氧化膜，具有良好的耐腐蚀性能。可加工性铝合金具有良好的塑性，易于加工成各种形状。应用广泛铝合金广泛应用于交通运输、建筑、电子等领域。铜合金优异的导电性铜合金广泛应用于电子电气领域，如电线电缆和电路板。良好的导热性铜合金具有优良的导热性能，适合用作散热器和热交换器。耐腐蚀性部分铜合金具有良好的耐腐蚀性能，可用于制造管道和阀门等设备。机械加工性铜合金具有良好的机械加工性能，易于加工成各种形状和尺寸。镁合金轻质材料镁合金密度低，仅为铝合金的三分之二，是航空航天、汽车等领域轻量化材料的选择。高强度镁合金具有良好的强度和刚度，可用于制造高强度、轻质的结构部件。优异的加工性能镁合金易于加工成型，适合各种加工工艺，如铸造、挤压、锻造等。耐腐蚀性镁合金的耐腐蚀性优于其他轻金属，可用于制造各种耐腐蚀的部件。钛合金高强度钛合金拥有高强度和高韧性，重量轻。钛合金具有良好的耐腐蚀性，能够抵抗各种环境的侵蚀。应用广泛钛合金在航空航天、医疗器械、化学工业等领域得到广泛应用。它用于制造飞机、火箭、人造卫星、医疗器械和化学反应器等。金属腐蚀1化学腐蚀金属与周围环境中的物质发生化学反应，形成氧化物或其他化合物。2电化学腐蚀金属表面形成微电池，发生电化学反应，导致金属腐蚀。3生物腐蚀微生物在金属表面生长，分解金属，导致腐蚀。4应力腐蚀金属在拉伸应力作用下，加速腐蚀。腐蚀因素氧气氧气是金属腐蚀的主要因素，它与金属发生氧化反应形成氧化物。水水是电解质，它可以加速金属的腐蚀过程，尤其是含有盐类或酸性物质的水。酸酸性物质会加速金属的腐蚀速度，它们可以与金属发生化学反应，形成盐类和氢气。温度温度越高，金属的腐蚀速度越快，因为温度升高会加速化学反应的速度。防腐措施涂层保护涂层可以有效隔绝金属与腐蚀性介质接触，延长其使用寿命。表面处理通过表面处理改变金属表面性质，增强其抗腐蚀能力。阴极保护利用外加电流或牺牲阳极，使金属成为阴极，阻止腐蚀发生。合金材料使用耐腐蚀合金，例如不锈钢或耐海水腐蚀合金，提高材料的抗腐蚀能力。金属焊接11.熔焊将焊接金属加热至熔化状态，然后用填充金属或母材熔化金属进行焊接，从而形成接头的焊接方法。22.压力焊在压力作用下，将金属加热或不加热至塑性状态，并施加压力使焊件结合，无需填充金属的焊接方法。33.钎焊将熔点低于母材的填充金属加热至熔化状态，填充在焊件间隙处，然后冷却凝固，形成接头的焊接方法。焊接工艺1准备阶段清理焊件表面，去除油污、锈蚀，确保焊接质量。对接焊缝角焊缝搭接焊缝T形焊缝2焊接过程选择合适的焊接方法，控制焊接电流、焊接速度、焊丝送进速度等参数，保证焊接质量。手工电弧焊气体保护焊埋弧焊激光焊3冷却阶段控制焊接冷却速度，防止焊接残余应力过大，降低焊接性能。自然冷却强制冷却保温冷却焊接缺陷焊接裂纹焊接裂纹是焊接中最常见的缺陷之一。它会导致结构强度下降，甚至造成断裂。气孔气孔是指焊接过程中产生的气体孔洞。气孔会导致强度降低，并可能成为腐蚀的起始点。未熔合未熔合是指焊接接头两侧金属未完全熔化，导致接头强度不足。焊缝咬边焊缝咬边是指焊接过程中焊丝熔化过度，导致母材被烧穿。焊接冶金金属熔化焊接过程中的金属熔化，形成熔池。熔池中的金属成分发生变化，形成新的组织结构。焊缝形成熔池凝固后，形成焊缝。焊缝的组织结构和性能取决于焊接参数、金属材料和填充材料。热影响区热影响区是指焊缝周围受热影响的区域。热影响区会发生组织变化，可能导致强度降低或脆化。焊接缺陷焊接过程中的热应力、组织变化等因素，可能导致焊接缺陷，如裂纹、气孔、未熔合等。焊接应力与变形焊接过程会产生焊接应力，导致焊接接头和周围区域产生变形。焊接应力是焊接过程中热输入和冷却过程中金属收缩导致的内部应力。焊接变形是由于焊接应力引起的几何形状变化。1焊接残余应力焊接完成后，仍存在于焊接接头的应力2