1、材料科學(xué)與工程導(dǎo)論,主講人：黃艷琴 南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2011年11月24日,一、金屬材料的性質(zhì),第三章 金屬材料,包括純金屬及其合金。合金是由兩種或兩種以上元素組成，其中至少有一種為金屬元素組成具有金屬性的材料。金屬材料的結(jié)合健主要為金屬健，延展性大，導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好。,鐵及鐵基合金：,純鐵、鋼、鑄鐵,非鐵金屬及其合金：,輕金屬 Al Mg Ca Na Li,重金屬 Ni Cu Zn Pb Sn ,貴金屬 Ag Au Pt Ir ,稀有金屬 Zr Ti Nb ,稀土金屬 Sc Y La ,放射性金屬 Ra Po U Th ,金屬材料,貴金屬Ir的配合物：發(fā)射磷光,金屬材料,夜光材

2、料,光致發(fā)光：當(dāng)光能作用于某些發(fā)光材料，其中一部分電子被“激發(fā)”從低能帶躍入高能帶，而當(dāng)電子從高能帶再返回低能帶時，便將獲得的能量以可見光的形式釋放出來。,光致發(fā)光,熒光：壽命短，有激發(fā)光照射時會發(fā)光，激發(fā)光停止后熒光就立即沒有了。,磷光：有一定長度的延時（馳豫時間），激發(fā)光停止后，樣品還能繼續(xù)發(fā)光一段時間。發(fā)出磷光的退激發(fā)過程是被量子力學(xué)的躍遷選擇規(guī)則禁阻的，因此這個過程很緩慢。,稀土金屬 ：元素周期表B族中鈧、釔、鑭系17種元素的總稱，是典型的金屬元素，活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬元素，具有未充滿的電子層結(jié)構(gòu)，并由此而產(chǎn)生多種多樣的電子能級。可以作為優(yōu)良的熒光，激光和電光源材料，且已廣泛應(yīng)

3、用于電子、能源、磁性材料等眾多先進材料領(lǐng)域。,金屬材料,金屬材料,放射性金屬 Ra：居里夫人發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)，并因此了1903年諾貝爾物理學(xué)獎。之后，居里夫人繼續(xù)研究了鐳在在化學(xué)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，并且因分離出純的金屬鐳而又獲得1911年諾貝爾化學(xué)獎。她研究工作的杰出應(yīng)用之一就是應(yīng)用放射性治療癌癥。,地殼中元素含量示意圖,金屬之最,硬度最高的金屬 鉻 熔點最高的金屬 鎢 熔點最低的金屬 汞 密度最大的金屬鋨 密度最小的金屬 鋰,地殼中含量最高的金屬元素 鋁 目前世界上應(yīng)用最廣、用量最大的金屬元素 鐵 人體中含量最高的金屬元素 鈣 導(dǎo)電、導(dǎo)熱性最好的金屬 銀,金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱

4、性 導(dǎo)電性：由于自由電子在外加電場的作用下產(chǎn)生定向移動形成電流。故金屬容易導(dǎo)電。 導(dǎo)熱性：自由電子在運動時與金屬離子相互碰撞，在碰撞過程中發(fā)生能量交換，使整塊金屬達到同樣的溫度。,金屬共同的物理性質(zhì),正的電阻溫度系數(shù),金屬共同的物理性質(zhì),電阻溫度系數(shù)：,溫度上升1時，電阻率 的變化系數(shù)。,正電阻溫度系數(shù)：導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而增大。 負電阻溫度系數(shù)：半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度的升高而減小。如以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物材料具有半導(dǎo)體性質(zhì)，溫度低時，這些材料的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。,絕大多數(shù)金屬有延展性（塑性）： 當(dāng)金屬受

5、到外力時，金屬內(nèi)原子層之間容易作相對位移，而金屬離子和自由電子仍保持著金屬鍵的結(jié)合力，金屬發(fā)生變形而不易斷裂，因此金屬具有良好的延展性。,金屬共同的力學(xué)性質(zhì),最細的白金絲直徑不過1/5000 mm,最薄的金箔只有1/10000 mm厚,壓,拉,金屬一般具有哪些化學(xué)性質(zhì),金屬具有還原性,與氧等非金屬反應(yīng) 與水反應(yīng) 與酸反應(yīng) 與鹽反應(yīng),為什么地球上的絕大多數(shù)金屬元素是以化合態(tài)存在于自然界？,金屬活動順序表,從左到右,金屬與氧氣反應(yīng)，條件不同，產(chǎn)物也不同，難易程度是:,易,難,K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au,常溫時生成正常價態(tài)氧化物，加熱時生成復(fù)雜氧

6、化物。,不與氧氣反應(yīng),常溫反應(yīng)成膜，點燃或加熱條件下生成氧化物,二、鐵及鐵基合金,前 言,鋼鐵于公元前1500出現(xiàn)，是當(dāng)前最重要的材料之一； 地殼中平均含量: 4.7%, 儲量集中，易于開采和冶煉； 鐵的強度和塑性配合得比較好； 通過熱處理可以獲得多種組織結(jié)構(gòu)，性能范圍廣； 有鐵磁性。,1.純鐵,-Fe (912 ) -Fe (1394 ) -Fe (1538 ，熔點 ) Liquid Fe與-Fe 的晶格結(jié)構(gòu)完全相同，為體心立方晶格； -Fe 為面心立方晶格 因為強度較低、硬度低，一般不作結(jié)構(gòu)材料 塑性好，一般用于軟磁材料，如變壓器的鐵芯,什么是合金？,由兩種或兩種以上的金屬（或金屬與非金屬

7、）熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。,2.合金,為什么我們使用的金屬材料主要是合金，而不是純金屬？,合金的性質(zhì),一般情況下，合金比純金屬硬度更大、更堅固。 多數(shù)合金的熔點一般比各成分金屬的低。 一般來說，合金的性質(zhì)并不是各成分的性質(zhì)的總和，合金具有良好的物理、化學(xué)和機械性能。 合金的性能可以通過所添加的合金元素的種類、含量和生成合金的條件等來加以調(diào)節(jié)。,為什么一般情況下，合金比純金屬硬度更大、更堅固？,純金屬和合金的結(jié)構(gòu)并不相同，在純金屬內(nèi)，所有原子的大小和形狀都是相同的，原子的排列十分規(guī)整；而合金內(nèi)加入其他元素或大或小的原子，改變了金屬原子有規(guī)則的層狀排列，使原子層與層之間的相對滑動變得困難。,

8、為什么一般情況下合金的熔點比純金屬低？,合金中的晶格發(fā)生了畸變，不像原始的那么穩(wěn)定了，要破壞它們之間的化學(xué)鍵，需要的能量比原始的要少，即熔點會降低。,純金屬,合金,3. 鐵碳合金,把金屬融化后的液態(tài)物倒入事先做好的模具中使其冷卻成形,把金屬加熱到軟化的狀態(tài)，通過外力擊打，形成所需要的形狀,鑄與鍛,碳化鐵硬而脆，塑性低，含量適當(dāng)可提高生鐵的強度和硬度，含量過多，則使生鐵難于削切加工,鑄鐵,4. 碳鋼,4.1 碳在鐵中的存在形式： （1）形成固溶體 鐵素體：碳以間隙形式存在于-Fe中，其最大溶解度為0.0218% (727 )；強度低、硬度低、塑性好，機械性能與工業(yè)純鐵相當(dāng)。 奧氏體：碳以間隙形式

9、存在于-Fe中，其最大溶解度2.11% (1148 )；強度較低、硬度較低、塑性較好。 固溶體 ：碳以間隙形式存在于-Fe中，又稱為高溫鐵素體。 （2）形成化合物：Fe3C，稱為滲碳體，含碳量6.69%，熔點1227；強度高、硬度高、塑性幾乎為零。 （3）單質(zhì)-石墨：簡單六方晶格，強度和硬度不高，塑性幾乎為零；,4.2 相圖及其應(yīng)用,相：在相同的溫度、壓力和成分條件下，系統(tǒng)中單個均勻部分稱為相。 相變：外界條件發(fā)生變化的過程中，物相于某一特定條件下（臨界值）時發(fā)生突變。 相圖：描述系統(tǒng)的溫度、壓力及成分等狀態(tài)之間的關(guān)系的一種圖解，又稱為狀態(tài)圖或平衡圖。 相律：是分析和使用相圖的重要理論依據(jù)，它

10、表示在相平衡條件下，系統(tǒng)的自由度數(shù)、組元數(shù)和平衡相數(shù)之間的關(guān)系式。 （獨立變量數(shù)或自由度）= n（獨立化學(xué)組元數(shù)） + 2 (相數(shù)) 利用相圖，可以了解各種成分的材料在不同溫度、壓力下的相組成，多種相的成分與相對量以及組織的變化規(guī)律等，這對于對制定材料熱加工工藝、分析和檢測材料的性能以及研究開發(fā)新材料等都有重要作用和指導(dǎo)意義。,相圖的建立一般采用熱分析法，其基本思路是先配制一系列不同成分的給定合金，繪制它們各自的冷卻曲線，然后由冷卻曲線上的臨界點繪制相圖。,二元相圖的建立,固相線,液相線,L,S,L + S,1083,1452,固溶體合金的平衡結(jié)晶過程,鐵碳合金相圖,在鋼中分別按一定的比例熔合

11、錳、鎢、鎳、硅等物質(zhì)后，分別得到錳鋼、鎢鋼、鎳鋼、硅鋼等合金鋼(也叫特種鋼)。,常見的合金鋼,5. 合金鋼,合金鋼中合金元素的作用,鉻：增強耐腐蝕性和抗氧化性；增強高溫強度，提高高碳鋼的耐磨性。 鎳: 提高耐腐蝕性，改善塑性，提高強度。 錳：防止硫引起的脆性；增強鋼的強度和韌性。 鉬：減少脆性；增強高溫強度；提高紅熱時的硬度和耐磨性等。 鎢：提高高溫時的強度和硬度；增強工具鋼的耐磨性等。 鈷：提高紅熱時的硬度和耐磨性；用于制造磁性合金等。 硅: 提高低合金鋼的強度和硬度，增強高溫時的抗氧化性等。,不銹鋼是一類高合金鋼（即在碳鋼中加入的合金元素的總含量在10以上的合金鋼）。各種不銹鋼實際上都含有

12、鉻在12 以上。 鉻是使不銹鋼具有耐腐蝕性的最主要的元素。當(dāng)鋼中含鉻量達12 左右時，其表面形成一層極薄而致密的鉻的氧化物膜，阻止鋼中金屬基體被繼續(xù)侵蝕。,鎳的作用是改善加工性能和增強抗蝕性（特別是對熱堿的抗蝕性）。 鉻鎳不銹鋼具有優(yōu)良的抗蝕性，且延展性良好，適于加工成復(fù)雜的形狀。,不銹鋼,金屬腐蝕的危害,金屬的腐蝕對國民經(jīng)濟帶來的損失是驚人的，據(jù)70年代美國的一份統(tǒng)計報告，全世界每年由于腐蝕而報廢的金屬設(shè)備和材料，約相當(dāng)于金屬年產(chǎn)量的1/3，至于因設(shè)備腐蝕損壞而引起的停工減產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量下降、污染環(huán)境、危害人體健康甚至造成嚴(yán)重事故的損失，就更無法估計。,鋼鐵生銹造成大橋斷裂！,鐵管生銹,1、化

13、學(xué)腐蝕,金屬跟接觸到的物質(zhì) (如O2、Cl2 、SO2等)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕。例如：鐵與氯氣直接反應(yīng)，鋼管被原油中的含硫化合物腐蝕。,金屬的腐蝕,金屬或合金跟周圍接觸到的氣體或液體進行化學(xué)反應(yīng)而腐蝕損耗的過程，即為金屬的腐蝕。其本質(zhì)為金屬原子失去電子被氧化的過程。,升溫可加快金屬腐蝕,左邊家用燃氣灶的中心部位很容易生銹，而右邊的食品罐頭放在南極80多年了，卻很少生銹。,2、電化學(xué)腐蝕,不純的金屬（或合金）跟電解質(zhì)溶液接觸時，會發(fā)生原電池反應(yīng)，比較活潑的金屬失去電子而被氧化的反應(yīng)。與化學(xué)腐蝕往往同時發(fā)生，電化學(xué)腐蝕更普遍。,例如：鋼鐵在潮濕的空氣中更容易腐蝕。原因：空氣中溶解CO2的水

14、分酸性增強（形成電解質(zhì)溶液），F(xiàn)e和C構(gòu)成原電池的兩極。,金屬的腐蝕,析氫腐蝕（水膜酸性較強，pH4.3）,吸氧腐蝕（水膜酸性很弱或中性）,金屬的防護方法,1、改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)：制成各種合金。,金屬的防護方法,2、加保護層： 涂油漆，覆蓋油脂、搪瓷、塑料，電鍍，噴鍍，制成氧化膜等,金屬的防護方法,3、電化學(xué)保護法： 在要保護的金屬上連接比該金屬更活潑的金屬或合金，例如：犧牲鋅塊來保護船身、犧牲鎂塊來保護地下鋼鐵管道,三、非鐵金屬及其合金,一、 鋁合金,1.純鋁：地殼中含量最高的金屬元素（7.73%） 面心立方晶格，密度較?。?.72g/cm3），僅為鐵的1/3；純鋁熔點660； 具有良好的導(dǎo)電

15、、導(dǎo)熱性（導(dǎo)電性：Ag、Cu、Al）； 抗腐蝕性能好（鈍化現(xiàn)象）； 純鋁較軟，塑性好。 2. 鋁合金 在純鋁中加入少量鎂、銅、錳、硅、鐵、鎳、鋅等各種元素制得合金，其硬度比純鋁的硬度大的多，而且保留了質(zhì)輕的特點，抗腐蝕能力強。,鋁及其鋁合金廣泛的應(yīng)用于飛機、汽車、火車、輪船等制造工業(yè)，制造導(dǎo)彈、宇宙火箭、人造衛(wèi)星時也使用大量的鋁及其合金，因此，有些人把鋁譽為“帶翼的金屬”，即能飛的意思。,例如：一架超音速飛機約為70是由鋁及其合金構(gòu)成的，每枚導(dǎo)彈的用鋁量約為其總質(zhì)量的10 15 ，一艘15000噸的大型客輪的用鋁量高達2000噸。,帶翼的金屬 鋁,生活中的鋁制品,二、 銅合金,純銅呈紫紅色，常

16、稱紫銅，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能極佳，塑性好，耐磨，耐腐蝕，但強度低，地殼中儲量較小，價格昂貴 ，屬于應(yīng)節(jié)約使用的材料。,密度低，塑性好：鈦的比重僅是鐵的二分之一，卻像銅一樣經(jīng)得起錘擊和拉延。 低溫韌性好：在超低溫世界里，鈦會變得更為堅硬，并有超導(dǎo)體的性能，鋼則變得脆弱無能。 很強的耐酸堿腐蝕能力：鈦在海中浸年不銹蝕，鋼鐵在海水中則會腐蝕變質(zhì)。用鈦合金為船只制造外殼，海水無法腐蝕它。 用鈦合金制成的“鈦潛艇”，可潛入4500米的深度，一般鋼鐵潛艇在超過300米，就容易被水壓壓壞。,三、鈦合金,鈦被譽為“21世紀(jì)金屬”，鈦合金具有較高的強度，優(yōu)異的耐腐蝕性，良好的抗氧化性，對人體無毒和無不良反應(yīng)，還可作為

17、人造骨的材料，因而又被稱為“親生物金屬”，應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、頭蓋骨的修復(fù)或再造，還廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，航天工業(yè) ，石油工業(yè)、冶金工業(yè)、潛艇的制造。,三、鈦合金,“鈦飛機”堅實又輕便，一架大型鈦客機可比同樣重的普通飛機多載余人，飛機時速每小時可超過千米；而鋁合金飛機最多是千米。在航天事業(yè)中，鈦可制成飛船的“外衣”，防高溫的侵襲。,鈦還能與金屬鎳一起制成具有記憶功能的“記憶合金”。,目前鈦金屬的提煉成本太高，故只在一些異常重要的領(lǐng)域使用，如航空航天、電子工業(yè)、精密儀器制造等方面。隨著各種新的提煉方法的出現(xiàn)，鈦金屬已被看作是一種極有使用前景的金屬。,三、鈦合金,1. 儲氫合金：TiFe, LaN

18、i,四、新型合金,2. 記憶合金：Ni-Ti, Au-Cd,用于以H2為燃料的汽車,（1）氫能利用存在兩大難題： 制取和儲存。 氫氣是一種易燃、易爆的氣體，要利用氫氣，關(guān)鍵要解決氫氣的安全儲存和運輸問題，一般情況下，氫氣采用氣態(tài)或液態(tài)儲存。但運裝有氫氣的鋼瓶又不安全、不方便。,1. 儲氫合金,（2）對儲氫合金的要求： 1. 能夠大量吸收氫氣，并與氫氣結(jié)合成金屬氫化物。 2. 儲氫量大，金屬氫化物既容易形成，稍稍加熱又容易分解，室溫下吸、放氫的速度快。 正在研究開發(fā)的儲氫合金主要有三大系列： 鎂系儲氫合金、稀土儲氫合金、鈦系儲氫合金,形狀記憶合金是在20世紀(jì)60年代初期發(fā)現(xiàn)的，它是一種特殊的合金

19、，有一種不可思議的性質(zhì)，即使把它揉成一團，一旦達到一定溫度，它便能在瞬間恢復(fù)到原來的形狀。具有這種形狀記憶效應(yīng)的合金，先后發(fā)現(xiàn)鎳鈦，銅鋅，金鎘，鎳鋁等約20種合金，其中記憶效果最好的是鎳鈦合金（稱為NT合金）。,2. 形狀記憶合金,將預(yù)先加工成某一種形狀的這種NT合金，在3001000 高溫下熱處理幾分鐘至半小時，這樣NT合金就會記憶被加工的形狀。以后在室溫下無論形狀怎么變化，一旦將它的溫度升至一定的溫度，它就會恢復(fù)成原來被加工的形狀。,Why?,形狀記憶合金的應(yīng)用廣泛，可用于溫度控制裝置、飛船的發(fā)射和接受天線、集成電路引線、汽車零件和機械零件、眼鏡框架等，由于它與生物體的相容性好、耐腐蝕性強，還可用于骨折部位的固定、牙齒和脊椎的校正。,形狀記憶合金的應(yīng)用,實現(xiàn)月、地之間的信息溝通,1969年7月20日，乘坐“阿波羅-11號”登月艙的美國宇航員阿