《金属与金属材料》课件

《金属与金属材料》课程简介本课程介绍金属和合金的性质、结构、加工和应用。涵盖了金属材料的基础知识，以及材料科学和工程的基本原理。金属的定义和特性1定义金属是具有光泽、延展性、导电性和导热性的一类物质。金属原子以金属键结合形成金属晶体，具有独特的物理和化学性质。2特性金属的特性包括：良好的导电性和导热性、延展性、韧性、强度、硬度、熔点等，这些特性使得金属成为广泛应用于各种工业和生活领域的材料。3分类根据金属的化学成分和物理性质，可将金属分为黑色金属和有色金属两大类，如铁、铜、铝等。4应用金属广泛应用于建筑、机械、航空航天、电子等领域，是现代社会不可或缺的重要材料。金属的基本结构原子结构金属材料主要由金属原子组成。原子内部包含原子核和围绕原子核运动的电子。晶体结构金属原子以规则的排列方式形成晶体结构，常见的晶体结构包括体心立方、面心立方和密排六方。晶格结构晶体结构可以被简化为晶格结构，晶格结构是由许多相同的晶胞组成的。晶胞是晶格中最小的重复单元。金属的晶体结构金属原子以规则的方式排列，形成晶格结构。常见的金属晶格类型包括面心立方(FCC)、体心立方(BCC)和密排六方(HCP)。不同的晶格结构决定了金属的物理和机械性能，例如强度、硬度、延展性等。金属的塑性变形1定义金属的塑性变形是指在外力作用下，金属材料发生永久性形状改变而不发生断裂的现象。2机制金属的塑性变形主要由晶体内部的位错运动引起的，位错是指晶体结构中的一种缺陷，在应力作用下，位错会沿着滑移面移动。3影响因素金属的塑性变形程度受多种因素影响，例如金属的种类、温度、应变速率、晶粒尺寸等。金属的强化方法细化晶粒减小晶粒尺寸，增加晶界数量，提高强度和硬度。固溶强化添加合金元素，形成固溶体，提高强度和硬度。形变强化通过塑性变形，增加位错密度，提高强度和硬度。弥散强化在金属基体中形成弥散的第二相，阻碍位错运动，提高强度和硬度。金属的热处理金属热处理是通过控制加热和冷却速度来改变金属的微观结构，从而改善其性能的技术。1退火降低硬度和强度，提高塑性。2正火改善金属的性能和组织。3淬火提高金属的硬度和强度。4回火降低淬火金属的硬度和脆性。常见的热处理方法包括退火、正火、淬火和回火。每种热处理方法都会导致金属组织结构发生变化，进而改变其物理和机械性能。金属的相变固态相变金属在固态下发生的一种结构变化，通常伴随着性质的变化，例如硬度和强度。影响因素温度、压力和合金元素的含量都会影响金属的相变。相变类型常见的相变类型包括：同素异形转变、共析转变、共晶转变。铁碳合金系统铁碳合金是铁和碳组成的合金，是金属材料中应用最广泛的一种。铁碳合金中碳的含量决定其性能和用途。铁碳合金包括钢和铸铁。钢是含碳量低于2.11%的铁碳合金，具有高强度、韧性好等优点。铸铁是含碳量高于2.11%的铁碳合金，具有高硬度、耐磨性好等特点。铁碳合金系统研究铁和碳在不同温度和压力下形成的相和组织，并探讨其对材料性能的影响。铁的相图和组织铁碳合金相图铁碳合金相图展示了不同温度下铁和碳的相变关系，揭示了不同组织的形成规律。铁的组织结构铁的组织结构是指铁碳合金中各相的排列方式，影响着材料的性能。铁的显微组织显微组织是指用显微镜观察到的铁碳合金的组织结构，能更直观地了解材料的内部结构。钢的分类与性能碳素钢含碳量是关键指标。含碳量高，强度和硬度高，但延展性和韧性低。分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢添加合金元素，例如铬、镍、锰等，以提高钢的强度、耐腐蚀性和耐高温性。包括不锈钢、工具钢、耐热钢等。铸铁的性能及应用铸铁的性能铸铁具有高强度、高硬度、高耐磨性和良好的减震性能。铸铁的缺点是塑性差、脆性大、易断裂，无法承受冲击载荷。铸铁的应用机械部件：机床床身、发动机缸体、齿轮、轴承等建筑材料：管道、排水沟、井盖、路面等日常生活用品：锅、壶、水龙头、暖气片等铸铁的类型灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁有色金属及合金概述铜铜拥有优异的导电性和导热性，广泛应用于电子、电气和建筑领域。铝铝轻盈且耐腐蚀，是航空航天、汽车和包装行业的理想材料。钛钛具有高强度、耐腐蚀和生物相容性，在航空航天、医疗和体育器材等领域发挥重要作用。贵金属金、银和铂等贵金属因其耐腐蚀性和高价值，被广泛应用于珠宝、电子和金融领域。铜及铜合金优异导电性广泛应用于电子电器、电力设备等领域。良好的耐腐蚀性在潮湿环境中不易锈蚀，延长使用寿命。优良的加工性能易于塑形、加工，广泛应用于装饰、建筑等领域。铝及铝合金铝的性质铝是银白色轻金属，具有良好的导电、导热、延展性和耐腐蚀性。铝的密度低，约为铁的三分之一，广泛应用于航空航天等领域。铝合金铝合金是铝与其他金属元素形成的合金，具有更强的强度、硬度和耐磨性。常见的铝合金包括铝铜合金、铝镁合金和铝硅合金，应用于汽车、建筑和机械制造等行业。镁及镁合金1轻质材料镁是世界上最轻的结构金属，密度仅为铝的2/3，所以镁合金具有优异的比强度和比刚度，可用于制造轻量化零件。2高比强度与同体积的铝合金相比，镁合金的强度更高，可用于制造承受高负载的零件，例如汽车和飞机的结构件。3优异的加工性能镁合金易于加工，可以采用多种加工方法制造各种形状的零件，例如铸造、挤压、锻造和切削。4优良的耐腐蚀性镁合金在空气中表面会形成一层氧化膜，能够有效地防止腐蚀，延长其使用寿命。钛及钛合金轻质且坚固钛密度低，强度高，与钢铁相比，钛合金具有更高的强度重量比。耐腐蚀钛对大多数酸、碱和盐的耐腐蚀性强，在多种环境中保持稳定。生物相容性钛具有良好的生物相容性，在医疗领域广泛应用，例如人工关节、骨骼固定器等。应用广泛钛合金应用于航空航天、医疗、化工等领域。金属的腐蚀与防护腐蚀类型金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，化学腐蚀是指金属与周围环境中的气体或液体直接发生化学反应而引起的腐蚀，而电化学腐蚀则是由于金属表面存在电位差而引起的腐蚀。腐蚀影响因素金属的腐蚀速度受多种因素影响，包括金属本身的性质、环境介质的性质、温度、应力等。防护方法常见的金属腐蚀防护方法包括表面处理、涂层防护、电化学保护等。腐蚀测试为了评估金属材料的耐腐蚀性能，需要进行各种腐蚀测试，例如盐雾试验、浸泡试验等。金属表面热处理淬火淬火是将金属加热到一定温度，保温一定时间，然后快速冷却的热处理工艺，目的是提高金属的硬度和强度。回火回火是将淬火后的金属加热到低于淬火温度的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，目的是降低金属的硬度和脆性，改善其韧性和塑性。表面淬火表面淬火是只对金属表面进行加热和淬火的热处理工艺，目的是提高金属表面的硬度和耐磨性，而保持其内部的韧性和塑性。金属表面镀层镀层分类镀层类型多种多样，包括电镀、化学镀、热镀、真空镀等。每种方法都拥有不同的特点和应用场景，例如电镀适用于大规模生产，化学镀适用于复杂形状的零件。镀层作用金属表面镀层能显著提高金属的耐腐蚀性、耐磨性、硬度、美观度等。镀层还可以改变金属的表面颜色、纹理，赋予金属更多的功能和装饰性。金属表面涂层涂层类型有机涂层无机涂层复合涂层涂层功能防腐蚀耐磨耐高温涂层工艺喷涂、浸涂、电镀等。应用领域航空航天、汽车、建筑等。金属的成形加工工艺1铸造将金属熔化后，灌入模具，冷却凝固成型2锻造利用锤击或压力使金属材料变形3焊接用熔焊或压焊的方法将金属工件连接4切削加工用刀具切削金属材料，达到尺寸和形状要求金属成形加工工艺是将金属材料通过各种工艺方法，使其转变为具有特定形状和尺寸的金属制品铸造工艺熔炼将金属材料加热至熔化状态。熔炼过程需要控制温度和时间，以确保金属材料完全熔化并达到最佳状态。浇注将熔化的金属材料注入模具中，形成所需形状的铸件。浇注过程中需要控制浇注温度、速度和压力，以确保铸件的质量。凝固熔化的金属材料在模具中冷却凝固，形成固态的铸件。凝固过程需要控制冷却速度和冷却方式，以确保铸件的组织结构和性能。清理将铸件从模具中取出，并进行清理工作。清理过程包括去除浇口、毛刺、砂芯等，以确保铸件的尺寸和表面质量。检验对铸件进行检验，以确保其符合设计要求和质量标准。检验过程包括尺寸检验、外观检验、性能检验等。锻造工艺1预备将金属坯料加热到适当温度2成形在压力机或锤子作用下变形3冷却缓慢冷却至室温锻造是一种古老的金属加工方法，通过对金属坯料施加压力使其塑性变形来改变其形状和尺寸。锻造工艺通常需要高温加热，以提高金属的塑性，使它更容易变形。锻造工艺可以制造出高强度、高韧性、高耐磨性的金属制品，广泛应用于航空航天、机械制造、汽车制造等领域。焊接工艺熔化焊接利用高温将金属加热至熔化状态，并使之熔合在一起，形成一个整体。压力焊接利用外力将金属材料压紧，使之在固态下发生结合的一种焊接方法。钎焊利用熔点低于母材的金属（钎料）将母材连接在一起的一种焊接方法。切削加工工艺1车削去除材料以形成圆柱形或锥形形状2铣削使用旋转刀具来创建平坦的表面3钻孔创建圆形孔4磨削使用砂轮去除材料以获得高精度表面切削加工是通过去除材料来改变金属材料形状和尺寸的工艺。通常使用旋转刀具，对金属表面进行切削。切削加工精度高，应用广泛，是金属加工中的重要工艺。金属材料的性能测试金属材料的性能测试是评估材料的性能指标，例如强度、硬度、韧性、塑性、疲劳强度、耐腐蚀性等。这些指标对材料的应用和设计具有重要的指导意义，通过测试可以了解材料的优缺点，从而选择合适的材料进行加工和使用。金属材料的检验与检测11.外观检验肉眼观察材料表面，检查是否有裂纹、气孔等缺陷。22.化学成分分析使用光谱仪等设备，测定材料的化学成分，确保符合要求。33.机械性能测试通过拉伸试验、硬度试验等方法，评估材料的强度、韧性、硬度等性能指标。44.微观结构分析使用显微镜观察材料的内部组织结构，判断材料的质量和性能。金属材料的应用领域建筑钢铁、铝合金等金属材料是现代建筑的重要组成部分，为高楼大厦、桥梁等提供结构支撑。汽车汽车制造广泛使用钢铁、铝合金、镁合金等金属材料，它们在车身、发动机、底盘等方面发挥关键作用。航空航天航空航天领域对金属材料的强度、耐高温、耐腐蚀性等性能要求极高，钛合金、铝合金等材料在飞机、火箭等制造中不可或缺。电子铜、铝、金等金属材料在电子元器件、电路板、芯片等方面应用广泛，它们是现代电子产品的核心材料。金属材料发展趋势轻量化金属材料的轻量化趋势日益显著，例如高强度铝合金、镁合金和钛合金等新型材料的应用，可有效降低产品重量，提高燃油效率和节能环保效益。高性能化随着科技的进步，对金属