《金屬材料特性》課件

金屬材料特性本課程將深入探討金屬材料的各種特性，包括其結(jié)構(gòu)、物理性能、力學(xué)性能、腐蝕性能以及熱處理和成型工藝。課程大綱金屬材料概述金屬的結(jié)構(gòu)特征金屬的物理性能金屬的力學(xué)性能金屬材料概述1定義與分類金屬材料通常由金屬元素或以金屬元素為主的合金組成，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延展性等特性。2應(yīng)用領(lǐng)域金屬材料廣泛應(yīng)用于建筑、交通、機(jī)械制造、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。金屬的結(jié)構(gòu)特征1原子結(jié)構(gòu)金屬原子具有自由電子，這些電子可以在整個(gè)金屬晶體中自由移動(dòng)，賦予了金屬獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)。2晶體結(jié)構(gòu)金屬材料通常以晶體結(jié)構(gòu)形式存在，即原子在三維空間中以周期性的方式排列，形成規(guī)則的結(jié)構(gòu)。3晶體缺陷金屬晶體中存在各種缺陷，例如空位、間隙原子、位錯(cuò)等，這些缺陷會(huì)影響金屬的性能。晶體結(jié)構(gòu)面心立方例如銅、鋁、金體心立方例如鐵、鉻密排六方例如鎂、鋅晶體缺陷空位晶格中原子缺失的位置間隙原子異類原子占據(jù)晶格間隙的位置位錯(cuò)晶格中的局部錯(cuò)位金屬微觀組織1晶粒具有相同晶體取向的金屬晶體集合2晶界相鄰晶粒之間相互作用的區(qū)域3第二相金屬中存在的其他相，例如合金元素或化合物金屬的相變定義金屬材料的物理或化學(xué)狀態(tài)發(fā)生改變的過程，通常伴隨著結(jié)構(gòu)、性能的變化。影響因素溫度、壓力、成分等因素都會(huì)影響金屬的相變過程。相變類型固相變金屬在固態(tài)下發(fā)生的相變1液相變金屬在液態(tài)下發(fā)生的相變2固液相變金屬在固態(tài)和液態(tài)之間發(fā)生的相變，例如熔化和凝固3平衡相圖1定義描述不同溫度和成分下金屬相平衡狀態(tài)的圖表2應(yīng)用用于預(yù)測(cè)金屬在不同條件下的相組成、性能和相變過程狀態(tài)圖分析1單相區(qū)金屬處于單一相狀態(tài)2兩相區(qū)金屬由兩種相組成3三相區(qū)金屬由三種相組成金屬的物理性能密度熔點(diǎn)導(dǎo)電性導(dǎo)熱性密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和磁性等物理性能決定了金屬材料的應(yīng)用范圍。密度2.7g/cm3鋁7.87g/cm3鐵11.34g/cm3鉛金屬的密度與其原子量和晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，影響其重量和應(yīng)用場(chǎng)景。熔點(diǎn)1538°C鐵1084.62°C金327.46°C鉛金屬的熔點(diǎn)與其原子間結(jié)合力有關(guān)，決定了其耐熱性以及在高溫下的應(yīng)用范圍。導(dǎo)電性銅電導(dǎo)率高，廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備銀電導(dǎo)率最高，但價(jià)格昂貴導(dǎo)熱性銅導(dǎo)熱性好，適用于烹飪器具鋁導(dǎo)熱性高，重量輕，常用于炊具磁性鐵磁性例如鐵、鈷、鎳，具有很強(qiáng)的磁性順磁性例如鋁、鉑，微弱的磁性抗磁性例如銅、金，排斥磁場(chǎng)金屬的力學(xué)性能彈性、塑性、硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能決定了金屬材料在受力情況下的行為和應(yīng)用范圍。彈性1定義金屬在外力作用下發(fā)生形變，當(dāng)外力去除后，能夠恢復(fù)原狀的性質(zhì)2指標(biāo)彈性模量，反映金屬抵抗形變的能力塑性1定義金屬在外力作用下發(fā)生永久變形而不破壞的性質(zhì)2指標(biāo)伸長(zhǎng)率和斷面收縮率，反映金屬抵抗斷裂的能力硬度1定義金屬抵抗局部壓入的能力2測(cè)試方法布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等強(qiáng)度1定義金屬抵抗斷裂的能力，即材料在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力2指標(biāo)抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等塑性失效1屈服金屬在外力作用下發(fā)生永久變形2頸縮金屬在拉伸過程中出現(xiàn)局部縮頸現(xiàn)象3斷裂金屬最終斷裂金屬的腐蝕性能定義金屬與周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面發(fā)生破壞危害降低金屬?gòu)?qiáng)度、影響外觀、縮短使用壽命化學(xué)反應(yīng)性氧化金屬與氧氣反應(yīng)形成氧化物酸蝕金屬與酸性物質(zhì)反應(yīng)堿蝕金屬與堿性物質(zhì)反應(yīng)電化學(xué)腐蝕1原理金屬在電解質(zhì)溶液中形成原電池，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致金屬腐蝕2條件金屬表面存在電解質(zhì)溶液、存在電位差、有電子流通路徑防腐措施表面處理例如鍍鋅、噴漆、氧化等合金化加入耐腐蝕元素陰極保護(hù)利用外加電流或犧牲陽極的方法保護(hù)金屬熱處理基礎(chǔ)1定義通過控制加熱、保溫和冷卻速度等工藝，改變金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善其性能2目的提高強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性等性能退火1定義將金屬加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻，以消除內(nèi)部應(yīng)力、細(xì)化晶粒、改善塑性和韌性2應(yīng)用用于消除加工硬化、降低硬度、改善加工性能正火1定義將金屬加熱到奧氏體區(qū)，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻，以獲得均勻的細(xì)小晶粒，提高強(qiáng)度和硬度2應(yīng)用用于提高金屬的綜合性能，為后續(xù)熱處理工藝做準(zhǔn)備淬火1定義將金屬加熱到奧氏體區(qū)，保溫一段時(shí)間，然后快速冷卻，以獲得馬氏體組織，提高硬度和強(qiáng)度2應(yīng)用用于提高金屬的硬度和耐磨性，適合制造刀具、模具等回火1定義將淬火后的金屬加熱到低于淬火溫度的某一溫度，保溫一段時(shí)間，然后冷卻，以降低硬度、提高韌性2應(yīng)用用于消除淬火后的內(nèi)應(yīng)力、提高韌性、降低硬度，使金屬具有更理想的綜合性能熱處理工藝1預(yù)熱將金屬預(yù)熱到適合的溫度，以減少熱應(yīng)力2保溫將金屬保持在目標(biāo)溫度，以確保組織轉(zhuǎn)變完成3冷卻根據(jù)需要選擇不同的冷卻方式，例如水冷、油冷、空氣冷卻等金屬的焊接定義利用熱能或壓力，將兩個(gè)或多個(gè)金屬工件熔化或壓接在一起，形成牢固的連接分類根據(jù)熱源不同，分為電弧焊、氣體保護(hù)焊、激光焊、電阻焊等電弧焊1原理利用電極與工件之間產(chǎn)生的電弧產(chǎn)生的高溫熔化金屬，形成焊縫2優(yōu)點(diǎn)適用范圍廣、效率高、設(shè)備簡(jiǎn)單氣體保護(hù)焊1原理在焊接過程中，使用惰性氣體或活性氣體保護(hù)焊縫區(qū)域，防止氧化和污染2優(yōu)點(diǎn)焊縫質(zhì)量高、外觀美觀、適用于各種金屬點(diǎn)焊1原理利用電流通過兩個(gè)金屬工件接觸點(diǎn)產(chǎn)生的熱量，熔化金屬，形成點(diǎn)狀焊點(diǎn)2優(yōu)點(diǎn)焊接速度快、效率高、適用于薄板焊接金屬成型工藝鍛造、壓鑄、擠壓、軋制等成型工藝可以將金屬材料塑造成各種形狀，滿足不同應(yīng)用需求。鍛造1定義利用錘擊或壓力，使金屬材料發(fā)生塑性變形，從而獲得所需形狀和性能2優(yōu)點(diǎn)提高金屬?gòu)?qiáng)度和韌性、改善晶粒組織、消除內(nèi)部缺陷壓鑄1定義將熔融金屬注入模具內(nèi)，在壓力作用下冷卻凝固成型2優(yōu)點(diǎn)生產(chǎn)效率高、形狀復(fù)雜、尺寸精度高、適用于批量生產(chǎn)擠壓1定義將金屬材料通過模具孔擠壓成型，獲得所需形狀和尺寸2優(yōu)點(diǎn)材料利用率高、生產(chǎn)效率高、適合制造管材、型材