【大学课件】金属材料的制备 冶金

金属材料的制备冶金学是一门研究金属材料制备和应用的学科，涉及从矿石开采到金属制品生产的全过程。课程目标了解金属材料的分类和性质从宏观和微观角度了解金属材料的种类、性能和应用。例如，了解钢铁、铝合金、铜合金等常见的金属材料。掌握金属材料的制备工艺了解金属材料从矿石到产品的整个生产过程，包括冶炼、铸造、锻造、轧制、焊接等工艺。学习金属材料的应用和发展了解金属材料在航空航天、机械制造、建筑、电子等领域的应用，以及金属材料的未来发展趋势。金属材料的概述金属材料是指由金属元素或以金属元素为主组成的具有金属特性的材料。金属材料具有导电性、导热性、延展性、光泽等特性，广泛应用于各个领域。常见的金属材料包括铁、铜、铝、金、银、铂等，以及它们的合金。金属材料的性能和应用取决于其成分、结构和加工工艺。金属的原子结构和结合状态金属的原子结构金属原子最外层电子数目较少，容易失去电子，形成正离子。金属的结合状态金属原子之间的结合力为金属键，是由自由电子与金属离子之间相互作用形成的。金属的性能强度抵抗变形和断裂的能力，例如抗拉强度、屈服强度等。硬度抵抗物体压入或划伤的能力，例如布氏硬度、洛氏硬度等。塑性在不破坏的情况下承受塑性变形的能力，例如延伸率、断面收缩率等。韧性吸收冲击能量的能力，例如冲击韧性、断裂韧性等。金属的结构组织金属的结构组织是指金属原子在空间中的排列方式，它决定了金属材料的许多性能，如强度、硬度、塑性、韧性等。常见的金属结构组织有：晶体结构：大多数金属在固态下以晶体形式存在，晶体结构是指金属原子在空间中呈规则排列。常见的晶体结构有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。非晶态结构：某些金属在快速冷却或特殊条件下可以形成非晶态结构，非晶态结构是指金属原子在空间中呈无序排列。金属的相图相图是表示物质在不同温度和压力下存在的相态变化关系的图形。金属的相图可以用来确定金属在不同温度和压力下的相组成、相结构和相变过程。相图是金属材料制备和热处理的重要参考依据。铁的相图铁的相图是描述铁在不同温度和压力下存在的不同相的图。铁的相图是一个复杂的图，因为它包含了许多不同的相，包括α-铁、γ-铁和δ-铁。α-铁是铁在常温下存在的相，它具有体心立方结构。γ-铁是铁在高温下存在的相，它具有面心立方结构。δ-铁是铁在更高温度下存在的相，它也具有体心立方结构。铁的相图中还包括了铁的碳合金，包括钢和铸铁。钢是铁和碳的合金，其中碳含量小于2.11%。铸铁是铁和碳的合金，其中碳含量大于2.11%。钢和铸铁的相图与铁的相图相似，但它们也包含了碳的相，例如渗碳体。钢材的热处理淬火将钢材加热到奥氏体化温度，然后迅速冷却到室温，以提高钢材的硬度和强度。回火将淬火后的钢材加热到低于淬火温度的温度，并保持一段时间后，再进行冷却，以降低钢材的硬度，提高钢材的韧性和塑性。正火将钢材加热到奥氏体化温度，然后缓慢冷却到室温，以改善钢材的组织，提高钢材的韧性和塑性。退火将钢材加热到一定温度，并保持一段时间后，再缓慢冷却，以消除钢材的内应力，改善钢材的加工性能。钢材的组织和性能组织结构钢材的组织结构决定了其性能，影响其强度、韧性、硬度等。强度钢材能够承受的外力而不发生断裂的能力。韧性钢材在断裂前能够吸收能量的能力，与抗冲击性能有关。铜及其合金的性能和应用导电性铜的导电性优异，广泛用于电线、电缆、电子元件等。导热性铜的导热性也很好，常用于散热器、热交换器等。耐腐蚀性铜的耐腐蚀性较好，在许多环境中可长期使用。可加工性铜的机械性能良好，易于加工成各种形状。铝及其合金的性能和应用轻质，密度低强度高，硬度高耐腐蚀性强，抗氧化性好可回收利用，环保镁及其合金的性能和应用轻质镁合金密度低，仅为铝合金的2/3，是轻金属材料。高强度镁合金具有良好的强度和刚度，可以承受较大的载荷。优异的加工性能镁合金可通过铸造、锻造、轧制等方法进行加工。广泛应用镁合金广泛应用于汽车、航空航天、电子产品等领域。钛及其合金的性能和应用1轻质高强度钛的密度比钢低，但强度却很高，是航空航天、医疗等领域的理想材料。2耐腐蚀性强钛具有良好的耐腐蚀性，可以抵抗各种酸、碱和盐的侵蚀。3生物相容性好钛与人体组织相容性好，不会引起排斥反应，是制造医疗器械的理想材料。炼铁工艺1原料准备铁矿石、焦炭和石灰石等原料被破碎和筛选，以确保它们的大小和质量符合冶炼要求。2高炉冶炼原料在高炉中被加热至高温，焦炭燃烧产生的高温和还原性气体将铁矿石中的氧化铁还原成铁。3熔融铁的收集熔融的铁水被收集到铁水池中，并被送往炼钢厂进一步加工。炼钢工艺1转炉炼钢主要工艺流程2电炉炼钢高纯度钢材3真空冶炼特殊钢材铸造工艺1熔炼将金属材料加热至熔化状态2浇注将熔化的金属倒入模具中3冷却凝固金属在模具中冷却凝固，形成铸件4清理去除铸件上的浇口、冒口等锻造工艺1塑性变形通过锤击或压力使金属材料产生塑性变形，改变其形状和尺寸。2晶粒细化锻造过程中的塑性变形会使金属材料的晶粒尺寸变小，提高强度和韧性。3组织均匀锻造过程可以消除金属材料中的组织缺陷，使组织更加均匀，提高材料的性能。轧制工艺塑性变形通过金属在轧辊之间的压缩，改变金属的形状和尺寸。冷轧在室温下进行轧制，可获得高精度和表面光洁度。热轧在高温下进行轧制，提高金属的塑性和可加工性。应用广泛用于生产各种形状和尺寸的金属制品，如板材、型材、管材等。焊接工艺1熔焊利用高温将金属加热至熔化状态，形成熔池，冷却凝固后形成接头的焊接方法。2压焊在压力作用下，使金属表面互相接触，并通过原子间的相互扩散而形成接头的焊接方法。3钎焊利用熔点低于母材的钎料在压力下填充接缝，使之与母材冶金结合的焊接方法。热处理工艺1退火降低硬度，提高塑性，改善加工性能2正火细化晶粒，提高强度和韧性3淬火提高硬度和强度，降低塑性和韧性4回火降低淬火后的硬度，提高韧性和塑性金属材料的缺陷检测显微镜检查利用光学显微镜或电子显微镜观察金属材料的微观结构，识别缺陷。超声波检测通过超声波在金属材料中的传播和反射，检测内部缺陷。X射线检测利用X射线穿透金属材料，在底片上形成影像，识别内部缺陷。金属材料的改性技术合金化通过添加其他元素改变金属的性能。例如，添加碳元素可以提高钢材的强度和硬度。热处理通过控制加热和冷却过程改变金属的微观结构，从而改变其性能。例如，淬火可以提高钢材的硬度，而退火可以提高其韧性。表面处理通过在金属表面进行特殊处理，例如镀层、喷涂或热喷涂，来改善金属的耐腐蚀性、耐磨性或外观。金属材料的表面处理表面清洁去除金属表面的氧化物、油污和杂质，提高金属表面的清洁度和光洁度。表面镀层在金属表面镀上其他金属或合金，以提高金属的耐腐蚀性、耐磨性或美观性。表面涂层在金属表面涂上涂料或其他保护层，以提高金属的耐腐蚀性、耐磨性或美观性。金属材料的环境问题矿产资源开采开采金属矿物会造成土壤侵蚀、水污染和生物多样性丧失。工业生产和加工金属冶炼、加工和制造过程中会排放有毒气体和废水，污染环境。金属废弃物处理不合理的金属废弃物处理会造成土壤和水体污染，影响生态环境。金属材料的循环利用1节约资源减少对原生金属矿产的开采，保护自然环境。2降低成本回收金属比开采新金属更经济，降低生产成本。3减少污染回收金属可以减少冶炼过程中的污染排放，保护环境。金属材料在航空航天领域的应用轻量化是航空航天领域的关键指标，高强度的铝合金、镁合金、钛合金等广泛应用于飞机、火箭和卫星制造。航空航天器需要承受极端温度变化，耐高温合金、陶瓷基复合材料等材料用于发动机、热防护等关键部位。高性能金属材料在航空航天器的结构件、发动机、控制系统等方面发挥着至关重要的作用，确保其安全性和可靠性。金属材料在建筑领域的应用结构钢铁是现代建筑中不可或缺的结构材料。钢筋混凝土、钢结构框架和钢板墙体广泛应用于高层建筑、桥梁、体育场馆等。装饰金属材料还被用于建筑装饰，例如铝合金门窗、不锈钢饰面、铜板屋顶等。这些金属材料不仅耐用，而且具有美观的外观，为建筑增添了现代感和时尚感。金属材料在机械制造领域的应用齿轮金属齿轮广泛应用于各种机械，例如汽车、飞机和工业设备，用于传递动力和运动。轴承金属轴承提供低摩擦和低磨损的滑动表面，确保机械设备的平稳运行和延长使用寿命。机床金属机床是制造其他机械的关键工具，它们使用各种金属材料来制造精密零件。金属材料在电子电气领域的应用导体铜、铝和金等金属具有良好的导电性，广泛用于制造电线、电缆、印刷电路板和电子元件。磁性材料铁、钴、镍等磁性金属用于制造电机、发电机、变压器和其他磁性设备。合金特殊合金，如不锈钢，具有耐腐蚀性和强度，适用于电子设备外壳和内部组件。金属材料的新发展趋势高性能合金高强度、高耐热性、高抗腐蚀性合金的发展，满足航空航天、能源、医疗等领域的需求。轻质金属材料镁合金、铝合金、钛合金等轻质金属材料在汽车、航空航天等领域应用广泛，减