第三章 金属材料.ppt

1、1,第三章 金属材料,2,第一节 金属特性与金属键,一、金属特性,1. 不透明、有光泽 2. 良导体（热、电） 3. 延展性（拉成细丝，碾成薄片）,二、金属键,（特殊的离域共价键）,特点：参加成键的原子数多 离域电子在三维空间运动,3,1. 自由电子理论,自由电子模型: 金属中的价电子类似于理想气体分子，价电子间没有相互作用，由价电子组成的气体“电子气”在金属晶体中受一恒定势场的作用，可以在整块晶体内自由运动，但不能超出表面。,4,满带：能带完全被电子所充满叫满带。 导带：能带中有电子但未充满叫导带。 空带：能带中无电子叫空带。 禁带：各能带的间隙是电子不能存在的区域，叫禁带。,2. 能带理论

2、,（1）非完全自由电子模型,5,6,（2）分子轨道理论法多原子轨道线性组合,按照分子轨道理论，形成多原子离域建时，N个原子轨道线性组合得到N个分子轨道，N的数值越大，所得分子轨道能级间的间隔越小。当N非常大时，能级间隔非常小，成为连续的能带。,7,（3）价键理论方法单电子键双电子键共振的方式,8,第二节 金属单质结构,一、金属单质结构的近似模型等径圆球密堆积,1. 密置列：是沿直线方向伸展的等径圆球密堆积的唯一的 一种排列方式 2. 密置层：是沿二维空间伸展的等径圆球密堆积的唯一的 一种排列方式。 3. 密置双层：由两个密置层组成的最密堆积称为密置双层。,9,二、三维密堆积的三种典型型式,1.

3、 立方最紧密堆积,2. 六方最紧密堆积,3.体心立方密堆积,三、金属结构概况,少数金属单质还可采取其他形式的结构。 非最紧密堆积也还有简单立方、简单六方、体心四方、金刚石型堆积等多种形式。,10,11,12,四、金属原子半径,1. 同一族元素原子半径随原子序数的增加而增加。 2. 同一周期元素原子半径随原子序数的增加而下降。 3. 同一周期过渡元素的原子半径开始时稳定下降，以后稍有增大，但变化幅度不大。 4. 镧系元素在原子序数递增时，半径缩小。,13,第三节 合金结构,合金是指两种或两种以上的金属（或金属与某些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系。按合金的结构和相图等的特点，合金一般分为金属固

4、溶体和金属化合物两种。,一、金属固溶体,所谓金属固溶体，就是两种或多种金属或金属化合物相互溶解组成的均匀物相，其中组分的比例可以改变而不破坏均匀性。,1. 置换固溶体,当A、B两种金属的结构形式相同，原子半径相差很小，原子的价电子层结构和电负性相近时，则A、B两种金属可按任意比例形成置换固溶体。,14,构成无限互溶度的必要条件： 组分A和B具有相同的结构形式。 组分金属的原子半径相近，两者相差不能超过15%。 组分金属的电负性不能相差太多，否则倾向于生成金属化合物。,2. 间隙固溶体 3. 缺位固溶体,15,二、金属化合物,当合金组分的原子半径，原子电负性和价电子层结构以及单质的结构形式间差别

5、增大时，倾向于生成金属化合物物相，金属化合物物相有两种主要形式，一种是组成确定的“正常价化合物”，另一种是组成可变的“电子化合物”。,结构特征： 第一，金属化合物的结构形式一般不同于纯组分在独立存在时的结构形式。 第二，在金属A与B形成的金属化合物物相中，各种原子在结构中的位置已经有了分化，它们已分为两套不同的结构位置，而两种原子分别占据其中的一套。,16,1. 正常价化合物 其组成在不丧失均匀性的前提下没有变化的余地，即组成是唯一确定的。 2. 电子化合物 其组成可在一个可大可小的范围内变化，即组成是可变的。通常其结构形式决定于每个原子平均摊到的价电子数（常称为电子浓度，即电子浓度=价电子数

6、/原子数），故称为电子化合物。,17,三、合金结构与性能,1. 单相合金,工业上应用的单相合金都是单相固溶体，其性能决定于溶剂金属的性质和溶质元素的种类、数量和溶入方式。,对于一定的溶剂和溶质，溶入的溶质越多，溶剂晶格畸变越大，固溶体强度、硬度和电阻越高。单相固溶体合金还具有较高的塑性、韧性和耐蚀性。,2. 多相合金,多相合金中各相仍保持各自的性能特点，因此其性能一般是组成相的算术平均值。但是，除了组成相性能和相对数量外，决定多相合金性能的还有组成相的形状、大小和分布情况。 最常见的多相合金相结构是以一种固溶体为基体，在其上分布着第二相。,18,根据第二相的作用情况，可以把多相合金分为四种情况

7、：,（1）脆性相以网状分布于基体的晶界上 （2）脆性相以片状分布于基体晶粒内 （3）脆性相以颗粒状分布于基体晶粒内 （4）脆性相呈弥散的质点分布于基体晶粒内,19,一、钢铁材料 钢铁是以铁和碳为基本元素的 合金体系的总称。,第四节 金属材料,（一）钢铁材料中的基本相及组成,20,21,铁素体：纯铁在912以下为体心立方晶格-Fe， 而铁素体则是碳在 -Fe中的间隙固溶体。,奥氏体： 纯铁在912以上的一定 温度范围内为面心立方晶 格的-Fe，而奥氏体是 碳溶于-Fe中形成的间 隙固溶体。,22,渗碳体（Fe3C）：为铁与碳形成的金属化合物，晶格 复杂。,23,珠光体：共析转变的产物是铁素体与渗

8、碳体的机械混合 物，称为珠光体，用字母P表示。含碳量大于 0.0218%的铁碳合金，冷却至727 时，其中 的奥氏体必将发生共析转变，形成珠光体。,莱氏体：共晶转变的产物是奥氏体与渗碳体的机械 混合物，称为莱氏体，用符号Ld表示。凡 是含碳量大于2.11%的铁碳合金冷却到 1148时，都会发生共晶反应，形成莱氏体。,24,马氏体： 为碳在-Fe中的“超过饱和”固溶体，由奥氏体淬火冷却后转变而来，是一种非平衡组织，常需再配合回火处理后才可使用。,贝氏体：可看作是含碳稍过饱和的极细铁素体上分 布弥散的碳化物而组成的机械混合物。,25,（二）钢铁的炼制,1. 钢铁生产的历程,2. 炼铁,原料：铁矿石

9、、焦炭、和石灰石,主要设备：高炉,高炉产品：生铁、高炉煤气、炉渣,26,27,3. 炼钢,目的：去除生铁中多余的碳和大量杂质，使成分达到 钢的要求。,生铁,28,29,30,31,32,（三）钢铁的分类,按钢的含碳量分类,33,按钢中有害杂质元素硫、磷，结构钢可分为： 普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢,按用途和性能可分为结构钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐蚀钢和耐热钢等。,按成分可分为非合金钢（碳素钢）、低合金钢及合金钢。,34,（四）常见钢铁材料,铸铁：是含碳量大于2.11%（一般为2.5%4.3%）的铁碳合金，受原料及冶炼工艺的限制，其中还含少量硅、锰、磷等杂质。因其熔点比钢低，熔化后

10、流动性好，并且由于其塑性很差而不可塑性加工成形及不好焊接，仅适于铸造成形而得名。,35,36,武汉长江大桥,37,武汉长江二桥,38,南京长江大桥,39,九江长江大桥,40,41,42,43,二、有色金属材料,1. 铝合金 第二大金属材料,（1）纯铝,三大优点：质量轻，比强度大。 具有良好的导电、导热性。 耐蚀性好。,44,（2）铝合金, 变形铝合金,防锈铝合金 AlMg、AlMn,硬铝合金 AlCuMg,超硬铝合金 AlZnMgCu,锻铝合金 AlCuMgSi AlCuMgFeNi,45, 铸造铝合金,铸造铝合金的合金含量较高，熔点较低，适于铸造成形。,AlSi系铸造铝合金,AlCu系铸造铝

11、合金,AlMg系铸造铝合金,AlZn系铸造铝合金,AlLi系铸造铝合金,AlRE系铸造铝合金,46,47,48,49,50,51,2. 镁合金,镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，但与铝合金相比，镁合金的研究和发展还很不充分，镁合金的应用还很有限。,主要问题：由于镁元素极为活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，因此，镁合金的生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差；现有工业镁合金的高温强度、蠕变性能较低，限制了镁合金在高温（150350）场合的应用；镁合金的常温力学性能，特别是强度和韧性有待进一步提高；镁合金的合金系列相对很

12、少，变形镁合金的研究开发严重滞后，不能适应不同应用场合的要求。,52,（4）高强高韧镁合金,（1）耐热镁合金,（2）耐蚀镁合金,（3）阻燃镁合金,（5）变形镁合金,53,54,55,（1）. 钛及钛合金的特性,优点：银白色金属 =4.5g/cm3 铁 熔点1668，比铁还要高 热胀系数小，作为耐热材料很有潜力 钛合金强度大 钛和钛合金的低温韧性很好 耐蚀性好,缺点：提炼比较困难,3. 钛合金,56,（2）. 钛合金的种类及应用,型钛合金（密排六方晶格）,型钛合金（体心立方晶格）,+型钛合金,57,58,59,60,（1）纯铜,颜色：玫瑰红，表面形成氧化膜则呈紫红色，故又称紫铜。 密度：8.9g

13、/cm3 熔点：1083 晶体结构：面心立方晶格 强度低，塑性好 导电、导热性仅次于银，居第二位。 电极电位较高,4. 铜及合金,61,（2）铜合金及其应用, 黄铜,以锌为主要合金元素的铜合金，其色泽似金黄色，故称为黄铜。,普通黄铜：单相黄铜、双相黄铜,特殊黄铜：铅黄铜、铝黄铜、硅黄铜等, 青铜, 白铜,62,63,64,65,5. 镍合金,（1）纯镍,银白色金属，密度8.9g/cm3，熔点1455 ，面心立方晶体，强度较高，塑性较好，导热性差，电阻较大。有极强的耐蚀性。,（2）镍合金及其应用,NiCu型合金（蒙乃尔合金） NiCr型合金（因科内尔合金） NiMo型合金（哈氏合金）,66,三、

14、稀有金属,锂 钨 钼,67,车刀,麻花钻,68,刀型开关,断路器,69,四、稀土元素（RE）,钪（Sc）、钇（Y）,70,稀土元素应用： 冶金行业 玻璃陶瓷行业 石油化工行业 生物方面 轻工印染行业 磁性材料 储氢材料 汽车尾气净化用催化剂材料,71,三、特殊功能的金属材料,1. 形状记忆合金,是指具有一定初始形状的材料经变形并固定成另一种形状后，通过热、光、电等物理刺激或化学刺激的处理后，又可恢复成初始状态（形状）的材料，即无生命的材料却具有一定的记忆功能。,72,2. 形状记忆合金的分类,Ti-Ni系形状记忆合金 Cu基系形状记忆合金 Fe基系形状记忆合金,73,记忆合金妙用无穷,74,75,76,镍钛合金丝支架,内支架放送器,77,脊柱固定装置及记忆合金支架,78,79,80,2. 储氢合金,Mx