金屬材料及合金制品課程概述1基礎(chǔ)原理金屬及合金的定義、分類與基本特性2主要金屬鋼鐵、鋁、銅、鎂、鈦和鎳等材料詳解3加工技術(shù)熱處理、成型、鑄造及表面處理技術(shù)4應(yīng)用與發(fā)展金屬材料的定義晶體結(jié)構(gòu)具有規(guī)則排列的金屬原子晶格結(jié)構(gòu)金屬鍵自由電子與金屬正離子形成特殊金屬鍵特性集合金屬材料的分類黑色金屬以鐵為基礎(chǔ)的金屬材料生鐵鋼鐵合金特點：密度大、硬度高、成本低有色金屬除鐵、鉻、錳外的其他金屬輕金屬：鋁、鎂等重金屬：銅、鋅、鉛等貴金屬：金、銀、鉑等特點：密度低、耐腐蝕、導(dǎo)電性好金屬的基本特性金屬光澤表面光滑有光澤，能反射電磁波良好導(dǎo)電性自由電子易于移動，導(dǎo)電導(dǎo)熱能力強塑性和韌性可塑性強，受力不易斷裂可加工性易于切削、鍛造、焊接和鑄造金屬的物理性質(zhì)熔點固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)的溫度密度單位體積的質(zhì)量導(dǎo)電性電流通過能力導(dǎo)熱性熱量傳遞效率磁性對磁場的響應(yīng)能力金屬的化學(xué)性質(zhì)氧化性與氧氣反應(yīng)形成氧化物的能力耐酸堿性抵抗酸堿腐蝕的能力耐腐蝕性抵抗環(huán)境介質(zhì)侵蝕的能力活潑性與其他物質(zhì)反應(yīng)的難易程度金屬的機械性能強度抵抗外力變形或破壞的能力硬度抵抗表面壓痕或劃傷的能力塑性受力后保持變形不回復(fù)的能力韌性吸收能量而不破裂的能力合金的定義混合物質(zhì)由兩種或多種金屬元素組成的混合物固溶體一種金屬溶解在另一種金屬中形成的固體溶液性能優(yōu)化通過合金化改善純金屬的物理和機械性能合金的分類1成分分類按主要元素分類結(jié)構(gòu)分類固溶體、金屬間化合物、共晶合金3性能分類強化合金、耐熱合金、耐蝕合金用途分類結(jié)構(gòu)合金、功能合金、特種合金合金的性質(zhì)1234強度高于純金屬合金元素固溶強化和析出強化熔點變化通常低于成分金屬的加權(quán)平均值導(dǎo)電性降低晶格畸變影響電子移動耐腐蝕性改善特定元素提高抗氧化和抗腐蝕能力常見合金元素及其作用元素鋼中作用鋁合金中作用碳(C)增加硬度和強度一般為有害元素錳(Mn)脫氧劑，增加韌性提高強度硅(Si)脫氧劑，提高彈性提高鑄造性能鉻(Cr)提高耐腐蝕性和硬度提高強度鎳(Ni)增加韌性，穩(wěn)定奧氏體提高耐腐蝕性鋼鐵材料概述鐵基合金以鐵為基體，碳含量一般小于2%大規(guī)模生產(chǎn)全球年產(chǎn)量超過18億噸廣泛應(yīng)用建筑、機械、交通、能源等領(lǐng)域經(jīng)濟優(yōu)勢成本低，性能價格比高鋼的分類按化學(xué)成分碳鋼合金鋼特種鋼按用途結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼按冶煉方法轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼坩堝鋼按脫氧程度沸騰鋼半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼碳鋼的性能與應(yīng)用低碳鋼C<0.25%，韌性好，易加工1中碳鋼C0.25-0.6%，強度韌性平衡2高碳鋼C>0.6%，硬度高，耐磨3合金鋼的種類低合金鋼合金元素總量<5%錳鋼硅錳鋼鉻鉬鋼應(yīng)用：車輛零部件、壓力容器中合金鋼合金元素總量5-10%鉻鎳鋼鉻鉬釩鋼應(yīng)用：高強度結(jié)構(gòu)、重型機械高合金鋼合金元素總量>10%不銹鋼耐熱鋼工具鋼應(yīng)用：特殊工況環(huán)境、高溫高壓不銹鋼的特性耐腐蝕性鉻含量>10.5%，形成鈍化膜耐熱性高溫下穩(wěn)定性好，不易氧化衛(wèi)生性表面光滑，易清潔，不易滋生細菌美觀性表面光亮，外觀精美工具鋼的應(yīng)用切削工具鋼用于制造各類刀具，硬度高，耐磨模具鋼用于制造各類模具，尺寸穩(wěn)定性好量具鋼用于制造精密量具，精度高特殊工具鋼特定工況下使用的工具材料鋁及鋁合金概述1輕質(zhì)高強密度僅為鋼的1/32優(yōu)良耐蝕性表面形成致密氧化膜導(dǎo)電導(dǎo)熱好電導(dǎo)率約為銅的60%4加工性能優(yōu)易于鑄造、鍛造、擠壓等鋁的性質(zhì)2.7g/cm3低密度僅為鐵的三分之一660°C熔點相對較低的熔化溫度37.7MS/m導(dǎo)電率銅導(dǎo)電率的61%237W/(m·K)導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)良的導(dǎo)熱性能鋁合金的分類變形鋁合金通過軋制、擠壓等加工成型鑄造鋁合金通過鑄造方法成型粉末冶金鋁合金通過粉末冶金工藝制備鋁合金的熱處理固溶處理加熱至固溶溫度，合金元素溶入基體2淬火快速冷卻，形成過飽和固溶體時效室溫或加熱條件下析出強化相4退火降低內(nèi)應(yīng)力，提高塑性銅及銅合金概述電氣特性導(dǎo)電性僅次于銀導(dǎo)熱性導(dǎo)熱系數(shù)高，熱交換效率好2耐腐蝕性抵抗多種腐蝕環(huán)境3加工性能塑性好，易于各種成型加工4銅的性質(zhì)1物理性質(zhì)玫瑰紅色，密度8.96g/cm32力學(xué)性能強度中等，塑性和韌性好3導(dǎo)電導(dǎo)熱性電導(dǎo)率高，僅次于銀4耐蝕性大氣中形成保護性氧化膜黃銅的特性與應(yīng)用成分特點銅鋅合金，鋅含量5-45%性能特點強度高于純銅，加工性能好主要應(yīng)用閥門、管件、樂器、裝飾品常見種類普通黃銅、特種黃銅、鉛黃銅青銅的特性與應(yīng)用錫青銅銅錫合金，錫含量5-20%耐磨、耐蝕，彈性好應(yīng)用：軸承、齒輪、彈簧、鐘表鋁青銅銅鋁合金，鋁含量5-12%強度高，耐蝕，耐磨應(yīng)用：船舶零件、泵部件、齒輪硅青銅銅硅合金，硅含量1-5%彈性好，抗疲勞應(yīng)用：彈簧、電氣導(dǎo)線、開關(guān)鎂及鎂合金概述基本特性最輕的工程金屬密度1.74g/cm3熔點650°C六方密堆晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)勢超輕質(zhì)比強度高減震性能好電磁屏蔽性能好局限性耐腐蝕性差抗蠕變性差易燃性加工困難鎂合金的性能超輕質(zhì)密度僅為鋁的2/3，鋼的1/4比強度高單位重量下的強度優(yōu)于多數(shù)金屬減震性能好吸收振動能力強，減振效果明顯電磁屏蔽性對電磁波有良好的屏蔽效果鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域汽車工業(yè)發(fā)動機部件、變速箱殼體、座椅框架電子產(chǎn)品筆記本電腦外殼、手機框架、相機殼體航空航天飛機座椅、儀表板、傳動箱殼體鈦及鈦合金概述發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)化1791年發(fā)現(xiàn)，1948年工業(yè)生產(chǎn)2特性概覽輕質(zhì)高強，耐腐蝕，生物相容性好3制備挑戰(zhàn)高活性元素，提煉與加工難度大價值定位高端應(yīng)用的關(guān)鍵材料鈦合金的性能特點高比強度密度低，強度高，比強度優(yōu)異1超強耐蝕性耐海水、酸、堿等介質(zhì)腐蝕2寬溫度適應(yīng)性可在-253°C至600°C范圍內(nèi)使用生物相容性與人體組織相容，無毒無害4鈦合金在航空航天中的應(yīng)用飛機發(fā)動機壓氣機葉片、風(fēng)扇盤、燃燒室機身結(jié)構(gòu)起落架、連接件、機翼框架航天器推進系統(tǒng)、燃料箱、結(jié)構(gòu)框架鎳及鎳合金概述基本特性銀白色金屬，強磁性，耐高溫耐腐蝕性抵抗多種腐蝕環(huán)境的能力極強主要用途航空航天、石化設(shè)備、電子電氣主要合金蒙乃爾合金、因科鎳合金、哈氏合金鎳基高溫合金成分特點以鎳為基體，添加鉻、鈷、鉬、鎢等通過固溶強化、析出強化、晶界強化性能優(yōu)勢高溫強度好：可在1000°C以上工作抗氧化性好：形成保護性氧化膜抗熱疲勞：熱循環(huán)條件下性能穩(wěn)定主要應(yīng)用燃氣輪機葉片航空發(fā)動機燃燒室石化設(shè)備高溫部件核反應(yīng)堆部件金屬間化合物定義特征兩種或多種金屬原子按確定比例結(jié)合具有特定的化學(xué)式和晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同于組成元素的簡單混合常見類型鎳鋁化合物(Ni?Al)鈦鋁化合物(TiAl,Ti?Al)鐵鋁化合物(Fe?Al)鎳鈦化合物(NiTi)應(yīng)用領(lǐng)域高溫結(jié)構(gòu)材料功能材料(形狀記憶、磁性材料)催化劑氫儲存材料金屬材料的腐蝕與防護腐蝕類型化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕應(yīng)力腐蝕點蝕晶間腐蝕防護方法表面涂層陰極保護陽極保護添加緩蝕劑合理設(shè)計常用防護層金屬鍍層轉(zhuǎn)化膜有機涂料陽極氧化膜陶瓷涂層金屬的熱處理原理加熱提高到特定溫度，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)保溫維持溫度一段時間，均勻化組織冷卻按特定速率冷卻，獲得所需組織常見熱處理方法1表面熱處理表面淬火、滲碳、氮化特殊熱處理時效處理、調(diào)質(zhì)處理、等溫處理3退火完全退火、應(yīng)力消除退火、再結(jié)晶退火4淬火與回火水淬、油淬、氣淬、低中高溫回火金屬材料的成型加工鑄造熔化金屬澆注成型鍛造通過錘擊或壓力成型軋制金屬通過軋輥變形切削切削工具去除多余材料金屬鑄造工藝模型制作按照產(chǎn)品設(shè)計制作模型造型與制芯制備鑄型和鑄芯熔煉金屬加熱金屬至熔融狀態(tài)澆注將熔融金屬注入鑄型清理與熱處理鑄件冷卻后脫模清理并熱處理金屬鍛造工藝加熱將金屬加熱至鍛造溫度成形通過壓力使金屬塑性變形冷卻控制冷卻速率獲得所需組織精整去除氧化皮和修整形狀金屬焊接技術(shù)熔焊電弧焊、氣焊、激光焊壓焊摩擦焊、超聲波焊、冷壓焊釬焊硬釬焊、軟釬焊特種焊接電子束焊、爆炸焊、電渣焊金屬表面處理技術(shù)電鍍電解沉積金屬薄層鉻、鎳、鋅、銅、金等用途：防腐、裝飾、提高硬度化學(xué)處理磷化、發(fā)藍、鈍化形成保護性轉(zhuǎn)化膜用途：防腐、提高涂層附著力熱噴涂火焰、電弧、等離子噴涂形成陶瓷或金屬涂層用途：耐磨、耐熱、修復(fù)磨損表面硬化滲碳、氮化、激光表面淬火提高表面硬度和耐磨性用途：高磨損部件表面強化金屬材料的檢測方法力學(xué)檢測拉伸、硬度、沖擊、疲勞測試無損檢測超聲波、X射線、磁粉、滲透檢測化學(xué)分析光譜分析、濕化學(xué)分析組織檢驗金相分析、電子顯微鏡觀察金屬材料的力學(xué)性能測試金屬材料的顯微組織分析樣品制備切割、鑲嵌、打磨、拋光、腐蝕光學(xué)顯微鏡觀察組織形貌，放大100-1000倍電子顯微鏡SEM和TEM，納米級精度觀察成分分析EDS/WDS，微區(qū)元素分布分析金屬材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用結(jié)構(gòu)材料鋼梁、鋼柱、鋼筋、結(jié)構(gòu)鋼板外墻材料鋁合金板、不銹鋼板、鈦鋅板屋面材料彩鋼板、鋁鎂錳板、鈦鋅板裝飾材料鋁合金型材、不銹鋼護欄、銅飾件金屬材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用車身高強度鋼、鋁合金、鎂合金發(fā)動機鑄鐵、鋁合金、特種鋼傳動系統(tǒng)合金鋼、鑄鐵、鋁合金底盤鋼材、鋁合金、鈦合金4金屬材料在電子行業(yè)中的應(yīng)用外殼材料鋁合金、鎂合金、不銹鋼導(dǎo)電材料銅、鋁、銀、金焊接材料錫鉛合金、無鉛焊料金屬材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用飛機結(jié)構(gòu)鋁合金：機身、機翼鈦合金：高溫部件鋼：起落架、連接件鎂合金：內(nèi)部結(jié)構(gòu)件發(fā)動機部件高溫合金：渦輪葉片鈦合金：風(fēng)扇和壓氣機特種鋼：軸、齒輪粉末冶金合金：特殊部件航天器鋁鋰合金：外殼結(jié)構(gòu)鈦合金：高強度部件特種鋼：連接件鎳基合金：高溫部件新型金屬材料概述超高強度材料先進高強鋼、納米結(jié)構(gòu)金屬特點：強度高，減輕結(jié)構(gòu)重量智能金屬材料形狀記憶合金、磁致伸縮材料特點：對外界刺激響應(yīng)變化超輕金屬材料金屬泡沫、多孔金屬特點：低密度、高比強度耐極端環(huán)境材料高熵合金、超高溫材料特點：耐極端溫度和腐蝕環(huán)境高強度鋼材高強低合金鋼添加小量合金元素，強度提高30-50%雙相鋼鐵素體和馬氏體雙相結(jié)構(gòu)，高強度高延展性TRIP鋼變形誘發(fā)相變，高吸能性能TWIP鋼高錳鋼，形變孿晶強化，超高塑性記憶合金1馬氏體相低溫形態(tài)，可自由變形2相變過程加熱至轉(zhuǎn)變溫度，晶格重組3奧氏體相高溫形態(tài)，恢復(fù)原始形狀4應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)療器械、航空部件、智能驅(qū)動裝置非晶態(tài)金屬結(jié)構(gòu)特點原子排列無長程有序性沒有晶界和位錯等缺陷類似于"凍結(jié)"的液體結(jié)構(gòu)制備方法急冷技術(shù)：熔體快速冷卻氣相沉積：原子無序堆積機械合金化：高能球磨獨特性能超高強度：接近理論強度高彈性極限：可逆形變大優(yōu)異的耐腐蝕性軟磁特性好：低矯頑力金屬基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)組成金屬基體+增強相（顆粒、纖維、晶須）常用基體鋁、鎂、鈦、銅、鎳等及其合金常用增強體碳化硅、氧化鋁、碳纖維、硼纖維性能優(yōu)勢高比強度、高比模量、高溫性能好金屬材料的回收與循環(huán)利用收集分類廢棄金屬分類收集預(yù)處理破碎、分選、去除雜質(zhì)2熔煉精煉熔化后調(diào)整成分成形加工鑄造或變形成新產(chǎn)品金屬材料的發(fā)展趨勢1更高強度納米結(jié)構(gòu)金屬，超高強度金屬多功能化智能金屬材料，功能梯度材料綠色低碳節(jié)能減排工藝，可回收設(shè)計定制化設(shè)計微觀結(jié)構(gòu)控制，性能精準調(diào)控