第三章 金属材料.ppt

1、材料科学与工程导论,主讲人：黄艳琴 南京邮电大学材料科学与工程学院 2011年11月24日,一、金属材料的性质,第三章 金属材料,包括纯金属及其合金。合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性的材料。金属材料的结合健主要为金属健，延展性大，导热和导电性好。,铁及铁基合金：,纯铁、钢、铸铁,非铁金属及其合金：,轻金属 Al Mg Ca Na Li,重金属 Ni Cu Zn Pb Sn ,贵金属 Ag Au Pt Ir ,稀有金属 Zr Ti Nb ,稀土金属 Sc Y La ,放射性金属 Ra Po U Th ,金属材料,贵金属Ir的配合物：发射磷光,金属材料,夜光材

2、料,光致发光：当光能作用于某些发光材料，其中一部分电子被“激发”从低能带跃入高能带，而当电子从高能带再返回低能带时，便将获得的能量以可见光的形式释放出来。,光致发光,荧光：寿命短，有激发光照射时会发光，激发光停止后荧光就立即没有了。,磷光：有一定长度的延时（驰豫时间），激发光停止后，样品还能继续发光一段时间。发出磷光的退激发过程是被量子力学的跃迁选择规则禁阻的，因此这个过程很缓慢。,稀土金属 ：元素周期表B族中钪、钇、镧系17种元素的总称，是典型的金属元素，活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，具有未充满的电子层结构，并由此而产生多种多样的电子能级。可以作为优良的荧光，激光和电光源材料，且已广泛应

3、用于电子、能源、磁性材料等众多先进材料领域。,金属材料,金属材料,放射性金属 Ra：居里夫人发现了放射性元素钋(Po)和镭(Ra)，并因此了1903年诺贝尔物理学奖。之后，居里夫人继续研究了镭在在化学和医学上的应用，并且因分离出纯的金属镭而又获得1911年诺贝尔化学奖。她研究工作的杰出应用之一就是应用放射性治疗癌症。,地壳中元素含量示意图,金属之最,硬度最高的金属 铬 熔点最高的金属 钨 熔点最低的金属 汞 密度最大的金属锇 密度最小的金属 锂,地壳中含量最高的金属元素 铝 目前世界上应用最广、用量最大的金属元素 铁 人体中含量最高的金属元素 钙 导电、导热性最好的金属 银,金属的导电性、导热

4、性 导电性：由于自由电子在外加电场的作用下产生定向移动形成电流。故金属容易导电。 导热性：自由电子在运动时与金属离子相互碰撞，在碰撞过程中发生能量交换，使整块金属达到同样的温度。,金属共同的物理性质,正的电阻温度系数,金属共同的物理性质,电阻温度系数：,温度上升1时，电阻率 的变化系数。,正电阻温度系数：导体的电阻率随温度的升高而增大。 负电阻温度系数：半导体材料的电阻率随温度的升高而减小。如以锰、钴、镍和铜等金属氧化物材料具有半导体性质，温度低时，这些材料的载流子（电子和空穴）数目少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。,绝大多数金属有延展性（塑性）： 当金属受

5、到外力时，金属内原子层之间容易作相对位移，而金属离子和自由电子仍保持着金属键的结合力，金属发生变形而不易断裂，因此金属具有良好的延展性。,金属共同的力学性质,最细的白金丝直径不过1/5000 mm,最薄的金箔只有1/10000 mm厚,压,拉,金属一般具有哪些化学性质,金属具有还原性,与氧等非金属反应 与水反应 与酸反应 与盐反应,为什么地球上的绝大多数金属元素是以化合态存在于自然界？,金属活动顺序表,从左到右,金属与氧气反应，条件不同，产物也不同，难易程度是:,易,难,K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au,常温时生成正常价态氧化物，加热时生成复杂氧

6、化物。,不与氧气反应,常温反应成膜，点燃或加热条件下生成氧化物,二、铁及铁基合金,前 言,钢铁于公元前1500出现，是当前最重要的材料之一； 地壳中平均含量: 4.7%, 储量集中，易于开采和冶炼； 铁的强度和塑性配合得比较好； 通过热处理可以获得多种组织结构，性能范围广； 有铁磁性。,1.纯铁,-Fe (912 ) -Fe (1394 ) -Fe (1538 ，熔点 ) Liquid Fe与-Fe 的晶格结构完全相同，为体心立方晶格； -Fe 为面心立方晶格 因为强度较低、硬度低，一般不作结构材料 塑性好，一般用于软磁材料，如变压器的铁芯,什么是合金？,由两种或两种以上的金属（或金属与非金属

7、）熔合而成的具有金属特性的物质。,2.合金,为什么我们使用的金属材料主要是合金，而不是纯金属？,合金的性质,一般情况下，合金比纯金属硬度更大、更坚固。 多数合金的熔点一般比各成分金属的低。 一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金具有良好的物理、化学和机械性能。 合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生成合金的条件等来加以调节。,为什么一般情况下，合金比纯金属硬度更大、更坚固？,纯金属和合金的结构并不相同，在纯金属内，所有原子的大小和形状都是相同的，原子的排列十分规整；而合金内加入其他元素或大或小的原子，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层与层之间的相对滑动变得困难。,

8、为什么一般情况下合金的熔点比纯金属低？,合金中的晶格发生了畸变，不像原始的那么稳定了，要破坏它们之间的化学键，需要的能量比原始的要少，即熔点会降低。,纯金属,合金,3. 铁碳合金,把金属融化后的液态物倒入事先做好的模具中使其冷却成形,把金属加热到软化的状态，通过外力击打，形成所需要的形状,铸与锻,碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工,铸铁,4. 碳钢,4.1 碳在铁中的存在形式： （1）形成固溶体 铁素体：碳以间隙形式存在于-Fe中，其最大溶解度为0.0218% (727 )；强度低、硬度低、塑性好，机械性能与工业纯铁相当。 奥氏体：碳以间隙形式

9、存在于-Fe中，其最大溶解度2.11% (1148 )；强度较低、硬度较低、塑性较好。 固溶体 ：碳以间隙形式存在于-Fe中，又称为高温铁素体。 （2）形成化合物：Fe3C，称为渗碳体，含碳量6.69%，熔点1227；强度高、硬度高、塑性几乎为零。 （3）单质-石墨：简单六方晶格，强度和硬度不高，塑性几乎为零；,4.2 相图及其应用,相：在相同的温度、压力和成分条件下，系统中单个均匀部分称为相。 相变：外界条件发生变化的过程中，物相于某一特定条件下（临界值）时发生突变。 相图：描述系统的温度、压力及成分等状态之间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。 相律：是分析和使用相图的重要理论依据，它

10、表示在相平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。 （独立变量数或自由度）= n（独立化学组元数） + 2 (相数) 利用相图，可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相组成，多种相的成分与相对量以及组织的变化规律等，这对于对制定材料热加工工艺、分析和检测材料的性能以及研究开发新材料等都有重要作用和指导意义。,相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制一系列不同成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲线，然后由冷却曲线上的临界点绘制相图。,二元相图的建立,固相线,液相线,L,S,L + S,1083,1452,固溶体合金的平衡结晶过程,铁碳合金相图,在钢中分别按一定的比例熔合

11、锰、钨、镍、硅等物质后，分别得到锰钢、钨钢、镍钢、硅钢等合金钢(也叫特种钢)。,常见的合金钢,5. 合金钢,合金钢中合金元素的作用,铬：增强耐腐蚀性和抗氧化性；增强高温强度，提高高碳钢的耐磨性。 镍: 提高耐腐蚀性，改善塑性，提高强度。 锰：防止硫引起的脆性；增强钢的强度和韧性。 钼：减少脆性；增强高温强度；提高红热时的硬度和耐磨性等。 钨：提高高温时的强度和硬度；增强工具钢的耐磨性等。 钴：提高红热时的硬度和耐磨性；用于制造磁性合金等。 硅: 提高低合金钢的强度和硬度，增强高温时的抗氧化性等。,不锈钢是一类高合金钢（即在碳钢中加入的合金元素的总含量在10以上的合金钢）。各种不锈钢实际上都含有

12、铬在12 以上。 铬是使不锈钢具有耐腐蚀性的最主要的元素。当钢中含铬量达12 左右时，其表面形成一层极薄而致密的铬的氧化物膜，阻止钢中金属基体被继续侵蚀。,镍的作用是改善加工性能和增强抗蚀性（特别是对热碱的抗蚀性）。 铬镍不锈钢具有优良的抗蚀性，且延展性良好，适于加工成复杂的形状。,不锈钢,金属腐蚀的危害,金属的腐蚀对国民经济带来的损失是惊人的，据70年代美国的一份统计报告，全世界每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料，约相当于金属年产量的1/3，至于因设备腐蚀损坏而引起的停工减产、产品质量下降、污染环境、危害人体健康甚至造成严重事故的损失，就更无法估计。,钢铁生锈造成大桥断裂！,铁管生锈,1、化

13、学腐蚀,金属跟接触到的物质 (如O2、Cl2 、SO2等)直接发生化学反应而引起的腐蚀。例如：铁与氯气直接反应，钢管被原油中的含硫化合物腐蚀。,金属的腐蚀,金属或合金跟周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程，即为金属的腐蚀。其本质为金属原子失去电子被氧化的过程。,升温可加快金属腐蚀,左边家用燃气灶的中心部位很容易生锈，而右边的食品罐头放在南极80多年了，却很少生锈。,2、电化学腐蚀,不纯的金属（或合金）跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的反应。与化学腐蚀往往同时发生，电化学腐蚀更普遍。,例如：钢铁在潮湿的空气中更容易腐蚀。原因：空气中溶解CO2的水

14、分酸性增强（形成电解质溶液），Fe和C构成原电池的两极。,金属的腐蚀,析氢腐蚀（水膜酸性较强，pH4.3）,吸氧腐蚀（水膜酸性很弱或中性）,金属的防护方法,1、改变金属内部结构：制成各种合金。,金属的防护方法,2、加保护层： 涂油漆，覆盖油脂、搪瓷、塑料，电镀，喷镀，制成氧化膜等,金属的防护方法,3、电化学保护法： 在要保护的金属上连接比该金属更活泼的金属或合金，例如：牺牲锌块来保护船身、牺牲镁块来保护地下钢铁管道,三、非铁金属及其合金,一、 铝合金,1.纯铝：地壳中含量最高的金属元素（7.73%） 面心立方晶格，密度较小（2.72g/cm3），仅为铁的1/3；纯铝熔点660； 具有良好的导电

15、、导热性（导电性：Ag、Cu、Al）； 抗腐蚀性能好（钝化现象）； 纯铝较软，塑性好。 2. 铝合金 在纯铝中加入少量镁、铜、锰、硅、铁、镍、锌等各种元素制得合金，其硬度比纯铝的硬度大的多，而且保留了质轻的特点，抗腐蚀能力强。,铝及其铝合金广泛的应用于飞机、汽车、火车、轮船等制造工业，制造导弹、宇宙火箭、人造卫星时也使用大量的铝及其合金，因此，有些人把铝誉为“带翼的金属”，即能飞的意思。,例如：一架超音速飞机约为70是由铝及其合金构成的，每枚导弹的用铝量约为其总质量的10 15 ，一艘15000吨的大型客轮的用铝量高达2000吨。,带翼的金属 铝,生活中的铝制品,二、 铜合金,纯铜呈紫红色，常

16、称紫铜，导电、导热性能极佳，塑性好，耐磨，耐腐蚀，但强度低，地壳中储量较小，价格昂贵 ，属于应节约使用的材料。,密度低，塑性好：钛的比重仅是铁的二分之一，却像铜一样经得起锤击和拉延。 低温韧性好：在超低温世界里，钛会变得更为坚硬，并有超导体的性能，钢则变得脆弱无能。 很强的耐酸碱腐蚀能力：钛在海中浸年不锈蚀，钢铁在海水中则会腐蚀变质。用钛合金为船只制造外壳，海水无法腐蚀它。 用钛合金制成的“钛潜艇”，可潜入4500米的深度，一般钢铁潜艇在超过300米，就容易被水压压坏。,三、钛合金,钛被誉为“21世纪金属”，钛合金具有较高的强度，优异的耐腐蚀性，良好的抗氧化性，对人体无毒和无不良反应，还可作为

17、人造骨的材料，因而又被称为“亲生物金属”，应用于膝关节、肩关节、头盖骨的修复或再造，还广泛应用于航空工业，航天工业 ，石油工业、冶金工业、潜艇的制造。,三、钛合金,“钛飞机”坚实又轻便，一架大型钛客机可比同样重的普通飞机多载余人，飞机时速每小时可超过千米；而铝合金飞机最多是千米。在航天事业中，钛可制成飞船的“外衣”，防高温的侵袭。,钛还能与金属镍一起制成具有记忆功能的“记忆合金”。,目前钛金属的提炼成本太高，故只在一些异常重要的领域使用，如航空航天、电子工业、精密仪器制造等方面。随着各种新的提炼方法的出现，钛金属已被看作是一种极有使用前景的金属。,三、钛合金,1. 储氢合金：TiFe, LaN

18、i,四、新型合金,2. 记忆合金：Ni-Ti, Au-Cd,用于以H2为燃料的汽车,（1）氢能利用存在两大难题： 制取和储存。 氢气是一种易燃、易爆的气体，要利用氢气，关键要解决氢气的安全储存和运输问题，一般情况下，氢气采用气态或液态储存。但运装有氢气的钢瓶又不安全、不方便。,1. 储氢合金,（2）对储氢合金的要求： 1. 能够大量吸收氢气，并与氢气结合成金属氢化物。 2. 储氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸、放氢的速度快。 正在研究开发的储氢合金主要有三大系列： 镁系储氢合金、稀土储氢合金、钛系储氢合金,形状记忆合金是在20世纪60年代初期发现的，它是一种特殊的合金

19、，有一种不可思议的性质，即使把它揉成一团，一旦达到一定温度，它便能在瞬间恢复到原来的形状。具有这种形状记忆效应的合金，先后发现镍钛，铜锌，金镉，镍铝等约20种合金，其中记忆效果最好的是镍钛合金（称为NT合金）。,2. 形状记忆合金,将预先加工成某一种形状的这种NT合金，在3001000 高温下热处理几分钟至半小时，这样NT合金就会记忆被加工的形状。以后在室温下无论形状怎么变化，一旦将它的温度升至一定的温度，它就会恢复成原来被加工的形状。,Why?,形状记忆合金的应用广泛，可用于温度控制装置、飞船的发射和接受天线、集成电路引线、汽车零件和机械零件、眼镜框架等，由于它与生物体的相容性好、耐腐蚀性强，还可用于骨折部位的固定、牙齿和脊椎的校正。,形状记忆合金的应用,实现月、地之间的信息沟通,1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿