[材料科学]第4章 金属材料.ppt

材料科学 与工程概论 目 录 第1 章 绪论 第2 章 材料的原子结构和原子间结合键 第3 章 无机非金属材料 第4 章 金属材料 第5 章 高分子材料 第6 章 复合材料 第7 章 纳米材料 第8 章 生物材料 主要内容 1.概述 2.晶体学基础与结构 3.晶体缺陷 4.金属的凝固 5.结晶理论的实际应用 6.相图 1 概 论 材料是社会发展的标志，而金属材料是现代文明的基础。金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括铁、铬、锰等金属及其合金，有色金属则是铁、铬、锰金属以外的其它金属材料，如轻有色金属铝、镁、锂，重有色金属铜、锌、铅，稀有金属钛、锆、钒、钨、钼等，都是有色金属的代表。从金属材料的总体来看，钢铁材料的产量很大，约占世界金属的95％，而且价格低廉。由于钢铁材料的性能良好，能满足大多数情况下使用，所以用量较大。其他金属材料虽然产量不大，但就其性能与应用方面考虑，有着不可替代的位置，所以金属材料的发展也十分迅速。 1）钢铁材料 钢铁是用量最大的材料，我国钢铁产量突破一亿吨，目前钢铁企业仍然较为红火（投资热，国家限制，江苏铁本公司100 亿的项目都关停了，和前几年相比、每吨涨价1000元，如果1000万吨的厂，净盈利100亿）。 但纯铁的应用并不广泛，因为它强度不高，不耐腐蚀，加入少量合金元素后能使其机械性能得到改观。（加什么元素呢？） 加入C元素，C在铁中的最大固溶量6.69％ （1） 小于C 0.0218％，相对纯净，我们称之为工业纯铁；（线圈铁心中用到） （2） 0.0218% C 2.11％，称为共析钢；（钢筋、各种板材、铁轨等） （3）2.11% C 6.69％，共晶铸铁。（复杂铸件、铸造轧辊等） 根据性能要求，合理改善组织（热处理，回复再结晶）。钢中的有害杂质S、P。使钢的塑性明显下降，除 S、P（冶炼钢用的脱S剂）；加入精炼剂。目前比较成熟的是稀土(工业味精）添加剂。因为稀土可以抗氧化、除气除杂。钢中的气体主要是H2，产生氢脆（安钢赔款的例子）。 这种能攻能防又能跑的怪物就是坦克，它一出现就在战场上显示出巨大的威力。可是过了不久，所向披靡的英国坦克，出乎意料地被德国的一种特殊炮弹击穿。英方分析了德军弹头的成分，发现里面含有钨这种元素，钨和钢中的碳结合，生成很硬的碳化钨，用这种钢制成的炮弹穿透力很强，所以能摧毁坦克。现在的坦克装甲厚度达150—240毫米，采用铬锰硅钢或铬镍钼钢，经过热处理制成，可以经得住直径120毫米的炮弹轰击。但是增加装甲的厚度，坦克的重量也会增加。为了提高防弹能力和减轻重量，又出现了金属和非金属复合结构的装甲材料（防弹衣上要用到）。 (1).造船（航空母舰与造船厂位置）； (2).高速公路及桥梁建设（桥墩问题）； (3).铁丝生锈（组织与应力问题）； (4).钢铁热处理问题（轴承的内柔外刚）。 铝属于轻金属范畴，铝合金的用量仅次于钢铁材料，尤其是航天材料中用量较大。因为： （1） 铝合金的密度小；（轻质） （2） 耐腐蚀性能好；（Al与O2作用生成Al2O3保护膜） （3）铝的塑性好，冷热加工均可。（具有面心立方结构，略提金属的三种典型结构） 与钢铁一样，工程材料中大都使用加入合金元素的铝合金，而不使用纯铝，因为纯铝的强度与硬度很低（强度大约80～100MPa）。通常加入的合金元素有：Cu（显著提高铝合金强度)、Mg、Zn、Si、Mn及Re稀土元素等。 纯铝一般多用在导电、输电方面（因为其导电性能好、损耗低，空中输电一般用铝线） (1).电脑散热片（材料问题、设计问题）； (2).铝导线输电而不用铜导线； (3).铝合金耐空气腐蚀但不耐酸碱； (4).高强度铝合金的开发与应用(电梯、建筑)。 铝合金的分类 按合金成分和生产工艺特点可分为：变形铝合金、铸造铝合金。（图示分析） 变形铝合金：一定成分的铝合金熔化后，浇铸成圆形坯锭，然后压力加工出一定形状的制品。（要求塑性好、工艺成型性好） 铸造铝合金：将熔融的合金液体直接浇铸到定型模具里，获得成型铸件。（要求铸造性能好，如流动性好、收缩率小等） 铝合金的强化 细晶强化：想方设法使晶粒细小，如加大冷却强度、添加细化剂等。 热处理强化：根据合金元素不同温度下在铝基体中的溶解度不同，加热到一定温度，突然急冷，形成过饱和的固溶体。当然并不是所有铝合金都能热处理。 冷变形强化：又称加工硬化。也就是合金材料随变形量的增加而强度升高的现象。 纯铜呈紫红色，所以又称紫铜，属于重有色金属范畴，纯铜最显著的特点是导电、导热性好，仅决于银（银导电、导热性最好）