《金屬結(jié)構(gòu)》課件

金屬結(jié)構(gòu)金屬結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑、橋梁和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。金屬材料的強(qiáng)度、耐久性和可塑性使其成為各種工程應(yīng)用的首選材料。認(rèn)識(shí)金屬材料金屬材料是人類歷史上最早使用的材料之一，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢。金屬材料是指以金屬元素為主體組成的材料，包括純金屬、合金、金屬間化合物等。金屬材料在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，從日常生活中使用的餐具、車輛、建筑材料到尖端科技領(lǐng)域的航空航天器、電子設(shè)備等，金屬材料無處不在。金屬的基本結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)金屬原子具有一個(gè)或多個(gè)價(jià)電子，這些電子可以自由移動(dòng)。這些自由電子負(fù)責(zé)金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。晶體結(jié)構(gòu)金屬原子通常以緊密堆積的晶格結(jié)構(gòu)排列，形成金屬晶體。常見的金屬晶格結(jié)構(gòu)包括面心立方(FCC)、體心立方(BCC)和密排六方(HCP)結(jié)構(gòu)。金屬的原子結(jié)構(gòu)1原子核原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，帶正電荷，質(zhì)量幾乎占整個(gè)原子的全部。2電子云電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)，帶負(fù)電荷，形成電子云，電子云的形狀和大小決定了原子的化學(xué)性質(zhì)。3能級電子在原子核外按照一定的能級分布，不同的能級對應(yīng)著不同的電子層。4價(jià)電子最外層電子決定了金屬的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)，參與金屬鍵的形成。金屬的晶體結(jié)構(gòu)規(guī)則排列金屬原子以規(guī)則、周期性的方式排列，形成晶格。晶胞晶格中的最小重復(fù)單元，代表了整個(gè)晶體結(jié)構(gòu)。類型常見金屬晶體結(jié)構(gòu)包括面心立方、體心立方、密排六方等。金屬的晶胞類型面心立方結(jié)構(gòu)原子排列方式，如銅、鋁、銀、金等。體心立方結(jié)構(gòu)原子排列方式，如鐵、鉻、鎢等。密排六方結(jié)構(gòu)原子排列方式，如鎂、鋅、鎘等。金屬的晶面與晶向晶面晶面是晶體中原子排列規(guī)則的平面。晶面可以用米勒指數(shù)來表示，它代表著晶面在晶胞三個(gè)軸上的截距。晶向晶向是晶體中原子排列規(guī)則的直線方向。晶向也可用米勒指數(shù)來表示，它代表著晶向在晶胞三個(gè)軸上的方向向量。晶面與晶向的關(guān)系晶面和晶向是描述晶體結(jié)構(gòu)的重要概念。晶面的性質(zhì)，例如強(qiáng)度和硬度，與晶向密切相關(guān)。晶格缺陷定義金屬晶體結(jié)構(gòu)中的不規(guī)則性，導(dǎo)致金屬材料的性能發(fā)生改變。影響影響金屬的強(qiáng)度、韌性、硬度、導(dǎo)電性和磁性等性質(zhì)。點(diǎn)缺陷空位晶格中原子缺失，形成空缺位置，稱為空位?？瘴皇屈c(diǎn)缺陷的一種，影響金屬的力學(xué)性能和擴(kuò)散速率。間隙原子原子位于晶格間隙位置，稱為間隙原子。間隙原子會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，增加金屬的硬度和強(qiáng)度。置換原子一種原子被另一種原子取代，稱為置換原子。置換原子改變了金屬的化學(xué)成分，影響其物理和化學(xué)性質(zhì)。線缺陷位錯(cuò)位錯(cuò)是晶體結(jié)構(gòu)中的一種線性缺陷，它是一種一維缺陷，其特征是原子排列的局部不規(guī)則性。刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)是指在晶體中存在一個(gè)額外的半原子平面，該平面終止于位錯(cuò)線。螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)是指晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的螺旋形扭曲，其軸線與位錯(cuò)線平行?；旌衔诲e(cuò)混合位錯(cuò)兼具刃型位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)的特征，它在晶體結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在額外的半原子平面和螺旋形扭曲。面缺陷晶界晶界是不同晶粒之間的界面，影響金屬材料的強(qiáng)度和韌性。孿晶界孿晶界是晶體內(nèi)部的特殊界面，其中兩個(gè)晶粒呈鏡像對稱關(guān)系。表面金屬材料的表面是與外界環(huán)境接觸的地方，容易受到腐蝕和磨損。金屬的力學(xué)性能11.強(qiáng)度指金屬材料抵抗外力破壞的能力，通常用抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)表示。22.硬度指金屬材料抵抗外力壓入的能力，通常用布氏硬度、洛氏硬度等指標(biāo)表示。33.塑性指金屬材料在受力變形后能保持變形的能力，通常用伸長率、斷面收縮率等指標(biāo)表示。44.韌性指金屬材料抵抗斷裂的能力，通常用沖擊韌性等指標(biāo)表示。金屬的屈服與蠕變1屈服強(qiáng)度金屬在發(fā)生永久變形之前的最大應(yīng)力。超過屈服強(qiáng)度后，金屬將發(fā)生永久變形。2蠕變在持續(xù)應(yīng)力作用下，金屬材料在高溫下緩慢發(fā)生永久變形的現(xiàn)象。3蠕變的影響因素溫度、應(yīng)力水平、時(shí)間、金屬材料的成分和結(jié)構(gòu)都會(huì)影響蠕變。4蠕變的應(yīng)用在高溫應(yīng)用領(lǐng)域，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆和燃?xì)廨啓C(jī)，需要考慮蠕變的影響。金屬的硬度定義金屬硬度是指金屬抵抗外力壓入或刻劃的能力。硬度是金屬材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)之一。測量方法常用的硬度測試方法包括布氏硬度試驗(yàn)、洛氏硬度試驗(yàn)和維氏硬度試驗(yàn)等。不同測試方法適用于不同的金屬材料，并能反映材料的抗壓強(qiáng)度、抗劃痕能力等特性。金屬的斷裂脆性斷裂金屬在低溫或高速載荷下，斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口平整，常伴有裂紋擴(kuò)展。韌性斷裂金屬在拉伸載荷下，斷裂前會(huì)發(fā)生明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，斷裂前常伴有頸縮現(xiàn)象。金屬的疲勞循環(huán)載荷金屬在反復(fù)加載和卸載的作用下，即使應(yīng)力水平低于屈服強(qiáng)度，也會(huì)出現(xiàn)裂紋并最終斷裂。疲勞極限在一定應(yīng)力水平以下，金屬材料可以承受無限次的循環(huán)載荷而不發(fā)生斷裂，這個(gè)應(yīng)力水平被稱為疲勞極限。疲勞壽命金屬在一定應(yīng)力水平下，能夠承受的循環(huán)載荷次數(shù)，稱為疲勞壽命。疲勞斷裂疲勞斷裂通常發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域，表現(xiàn)為裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷裂。金屬的斷裂韌性定義金屬斷裂韌性是指金屬材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，是衡量材料抵抗脆性斷裂的重要指標(biāo)。影響因素金屬的斷裂韌性受多種因素影響，包括材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、溫度、加載速率等。測試方法常用的斷裂韌性測試方法包括KIC（臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子）測試和J積分測試。應(yīng)用斷裂韌性測試在材料科學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安全評估等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。金屬的相變11.定義金屬的相變是指金屬在溫度、壓力或成分發(fā)生變化時(shí)，其內(nèi)部原子排列方式和物理性質(zhì)發(fā)生改變的過程。22.類型常見的相變類型包括固態(tài)相變、液態(tài)相變和氣態(tài)相變，其中固態(tài)相變是最常見的。33.影響因素溫度、壓力、合金元素的加入以及形變等因素都會(huì)影響金屬的相變。44.應(yīng)用相變在金屬材料的熱處理工藝中起著至關(guān)重要的作用，例如淬火、回火、調(diào)質(zhì)等。金屬的相圖相圖是描述金屬及其合金在不同溫度、壓力下，各相（固相、液相、氣相）的組成和數(shù)量關(guān)系的圖表。相圖可以幫助我們理解金屬在不同條件下的物理和化學(xué)性質(zhì)，并為金屬材料的加工、熱處理和應(yīng)用提供理論依據(jù)。二元相圖二元相圖是指由兩種金屬元素組成的合金系統(tǒng)在不同溫度和成分下的相平衡關(guān)系圖。相圖可以幫助我們了解合金的相組成、相變過程以及材料的性能變化，為合金的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要的指導(dǎo)。溝-合金相圖溝-合金相圖是一種用來描述兩種金屬混合物相變的圖表。它顯示了不同溫度下不同合金組成的相組成。它幫助人們了解金屬合金在不同溫度下是如何溶解、析出、固化和相變的，從而為材料設(shè)計(jì)和加工提供參考依據(jù)。金屬的熱處理1加熱將金屬加熱到特定溫度，使其內(nèi)部組織發(fā)生改變。2保溫在特定溫度下保溫一段時(shí)間，使組織變化充分進(jìn)行。3冷卻以特定的速度冷卻，使金屬內(nèi)部組織固定。通過改變金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，可改善其性能。不同的熱處理方式，可以改善金屬的硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性等。金屬的淬火淬火是一種熱處理工藝，旨在通過快速冷卻將金屬從高溫轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。1加熱金屬被加熱至奧氏體化溫度2保溫在奧氏體化溫度保持一定時(shí)間3冷卻快速冷卻至室溫或更低溫度淬火后，金屬的硬度和強(qiáng)度會(huì)顯著提高，但韌性和塑性會(huì)降低。金屬的回火回火目的降低硬度和脆性，提高韌性和塑性，改善加工性能?；鼗疬^程將淬火后的工件加熱到低于淬火溫度的特定溫度，保溫一段時(shí)間后，再緩慢冷卻?；鼗痤愋偷蜏鼗鼗稹⒅袦鼗鼗?、高溫回火，分別對應(yīng)不同的溫度范圍和性能目標(biāo)?；鼗鹩绊懟鼗饻囟仍礁?，硬度越低，韌性越好，反之亦然。金屬的調(diào)質(zhì)處理1淬火淬火是將金屬加熱到適當(dāng)溫度后，迅速冷卻到室溫或更低溫度，以改變金屬的組織結(jié)構(gòu)，提高其硬度、強(qiáng)度和耐磨性。2回火回火是在淬火后，將金屬重新加熱到低于淬火溫度的某一溫度，并保溫一定時(shí)間后，再進(jìn)行冷卻，以降低金屬的硬度和脆性，提高其韌性。3正火正火是將金屬加熱到高于臨界點(diǎn)溫度后，在空氣中冷卻，以細(xì)化晶粒，提高金屬的強(qiáng)度和塑性。金屬的表面處理1清潔去除油污、灰塵和氧化物2表面處理提高耐腐蝕性和美觀度3涂層增加耐磨性和耐熱性4表面改性改變表面性質(zhì)，例如增加硬度金屬表面處理是指對金屬表面進(jìn)行處理，以改善其性能，例如提高耐腐蝕性、耐磨性、美觀性等。不同的表面處理方法可以達(dá)到不同的效果，并應(yīng)用于不同的領(lǐng)域?；瘜W(xué)性質(zhì)與耐蝕性金屬的化學(xué)性質(zhì)金屬元素在周期表中位于左、下區(qū)域，易失去電子形成陽離子，具有較強(qiáng)的還原性。金屬的腐蝕金屬在環(huán)境介質(zhì)作用下，表面發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬材料破壞的過程。腐蝕類型化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕耐蝕性金屬材料抵抗腐蝕的能力，指金屬材料在一定環(huán)境條件下抵抗腐蝕的能力。金屬的抗腐蝕性腐蝕環(huán)境環(huán)境因素如溫度、濕度和酸堿度都會(huì)影響金屬的腐蝕速率。金屬類型不同金屬的抗腐蝕性差異很大，例如不銹鋼比普通鋼材更耐腐蝕。表面處理表面處理如鍍層、噴涂或氧化可以顯著提高金屬的抗腐蝕性。金屬的表面處理技術(shù)電鍍在金屬表面沉積一層金屬或合金提高耐腐蝕性和美觀性噴砂使用噴砂機(jī)將磨料噴射到金屬表面去除氧化層、油污、銹蝕熱噴涂將金屬或陶瓷材料加熱到熔融狀態(tài)噴涂到金屬表面，形成保護(hù)層化學(xué)鍍通過化學(xué)反應(yīng)在金屬表面沉積金屬無需電流，適用于復(fù)雜形狀零件金屬的應(yīng)用分類結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)材料主要用于承載負(fù)載，例如橋梁、建筑、汽車、飛機(jī)等。結(jié)構(gòu)材料要求強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕性強(qiáng)。功能材料功能材料具備特殊功能，例如導(dǎo)電、導(dǎo)熱、磁性、