《金屬材料特性》課件

金屬材料特性探索金屬世界的奧秘了解工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料全球金屬年產(chǎn)量：鋼鐵、鋁、銅、鋅、鎂金屬材料的定義基本特征導(dǎo)電導(dǎo)熱性強(qiáng)金屬光澤與延展性結(jié)晶結(jié)構(gòu)規(guī)則排列元素周期表位置主要分布左側(cè)和中部過渡金屬占主導(dǎo)電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)自由電子決定性質(zhì)金屬鍵結(jié)合牢固金屬材料的主要分類1工業(yè)分類方法用途和性能導(dǎo)向2合金與純金屬成分和結(jié)構(gòu)差異3黑色金屬與有色金屬基本分類標(biāo)準(zhǔn)黑色金屬介紹鐵基材料含鐵量高，價(jià)格適中鋼材種類碳鋼、合金鋼、特種鋼中國產(chǎn)量領(lǐng)先2023年粗鋼：10.18億噸有色金屬概述鋁全球產(chǎn)量6,800萬噸銅導(dǎo)電性優(yōu)異鎂最輕結(jié)構(gòu)金屬鈦高強(qiáng)度低密度鋅防腐應(yīng)用廣泛貴金屬與稀有金屬黃金儲(chǔ)值功能最佳白銀工業(yè)用量最大鉑族金屬催化性能突出稀有金屬鎢、鈮、鉭戰(zhàn)略價(jià)值高金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)(CCP)銅、鋁、鉛、銀典型代表密堆積度高，塑性優(yōu)良體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)鐵、鉬、鎢、鉻常見強(qiáng)度高，變形能力適中六方密堆積結(jié)構(gòu)(HCP)鋅、鎂、鈦等金屬方向性明顯，塑性較差晶粒與力學(xué)性能關(guān)系晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高霍爾-佩奇公式：σy=σ0+k·d^(-1/2)金屬的力學(xué)性能概述強(qiáng)度抵抗變形的能力塑性永久變形的能力硬度抵抗壓痕的能力韌性吸收能量不斷裂的能力應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析應(yīng)變(%)低碳鋼鋁合金高強(qiáng)鋼屈服點(diǎn)：材料開始塑性變形極限強(qiáng)度：最高應(yīng)力點(diǎn)強(qiáng)度的具體分類抗拉強(qiáng)度最常用強(qiáng)度指標(biāo)抗壓強(qiáng)度混凝土等關(guān)注指標(biāo)抗剪強(qiáng)度連接件重要參數(shù)抗扭強(qiáng)度軸類零件關(guān)注重點(diǎn)塑性與延展性40%低碳鋼延伸率塑性最好的常用金屬30%純銅延伸率導(dǎo)電材料中塑性優(yōu)秀15%鋁合金延伸率中等塑性材料2%高強(qiáng)鋼延伸率高強(qiáng)低塑是常見趨勢(shì)韌性與斷裂行為溫度(°C)低碳鋼韌性(J)高強(qiáng)鋼韌性(J)韌脆轉(zhuǎn)變溫度：低碳鋼約-10°C夏比沖擊試驗(yàn)：材料吸收能量的能力金屬的硬度指標(biāo)硬度類型適用范圍壓頭類型布氏硬度(HB)鑄鐵和軟鋼鋼球洛氏硬度(HRC)淬火鋼和硬質(zhì)合金金剛石圓錐維氏硬度(HV)薄片和表面處理層金剛石棱錐肖氏硬度(HS)橡膠和塑料彈性反彈疲勞性能與壽命循環(huán)次數(shù)(對(duì)數(shù))低碳鋼應(yīng)力(MPa)鋁合金應(yīng)力(MPa)疲勞極限：鋼材具有，鋁合金不存在飛機(jī)材料：107次循環(huán)壽命要求蠕變特性與高溫材料瞬時(shí)變形加載立即產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)蠕變恒定速率階段加速蠕變變形加劇直至斷裂汽輪機(jī)葉片：鎳基高溫合金耐650°C鈦合金蠕變極限：不超過500°C金屬材料的物理性能總體密度鎂最輕1.8g/cm3熔點(diǎn)鎢最高3422°C導(dǎo)電性銀最佳，銅次之導(dǎo)熱性銀、銅、鋁領(lǐng)先金屬密度具體對(duì)比輕金屬：密度小于5g/cm3重金屬：密度大于5g/cm3金屬的熔化與沸點(diǎn)熔點(diǎn)決定加工工藝選擇高熔點(diǎn)金屬用于極端環(huán)境金屬的導(dǎo)電性62.1銀導(dǎo)電率(×10?S/m)價(jià)格高限制大規(guī)模應(yīng)用58.5銅導(dǎo)電率(×10?S/m)電線電纜首選材料37.7鋁導(dǎo)電率(×10?S/m)高壓輸電線常用9.93鋼導(dǎo)電率(×10?S/m)建筑鋼筋基本參數(shù)金屬的導(dǎo)熱性散熱器：銅、鋁最適合保溫結(jié)構(gòu)：不銹鋼導(dǎo)熱率低磁性金屬材料鐵磁性鐵、鈷、鎳順磁性鋁、鈦、錳抗磁性鉍、鉛、銅3特種磁合金釹鐵硼、鐵硅鋁金屬的熱膨脹性能橋梁設(shè)計(jì)：伸縮縫考慮膨脹精密儀器：選用低膨脹合金金屬材料的化學(xué)性質(zhì)活潑金屬鉀、鈉、鋰、鈣中等活潑鋁、鋅、鐵、鉻貴金屬銅、銀、金、鉑金屬活動(dòng)性順序：K>Na>Ca>Mg>Al>Zn>Fe>Cu>Ag>Au金屬的耐蝕性與腐蝕類型化學(xué)腐蝕干燥氣體或非電解質(zhì)介質(zhì)中氧化膜形成機(jī)制電化學(xué)腐蝕水溶液中形成電池陽極區(qū)金屬溶解全球經(jīng)濟(jì)損失4%~5%GDP（世界銀行數(shù)據(jù)）約3萬億美元/年大氣腐蝕與防護(hù)海洋環(huán)境：腐蝕速率最快防護(hù)措施：涂層、電鍍、合金化腐蝕疲勞現(xiàn)象腐蝕微裂紋應(yīng)力集中點(diǎn)起始石油管道失效疲勞加速腐蝕過程船舶螺旋槳循環(huán)載荷與海水共同作用金屬表面處理技術(shù)1電鍍形成鍍層：鍍鉻、鍍鎳、鍍鋅噴涂涂層保護(hù)：環(huán)氧、聚氨酯3陽極氧化鋁表面硬質(zhì)膜：提高耐磨性50倍化學(xué)鍍無需電流：均勻性好金屬與非金屬材料性能對(duì)比性能金屬陶瓷聚合物密度中-高低-中低韌性高低中導(dǎo)電性高低低耐熱性中-高高低加工性良好困難容易金屬材料的結(jié)構(gòu)缺陷點(diǎn)缺陷空位、間隙原子線缺陷位錯(cuò)：刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)面缺陷晶界、相界、孿晶界體缺陷夾雜物、氣孔、縮孔位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與金屬塑性變形變形量(%)位錯(cuò)密度(×101?/cm2)加工硬化原理：位錯(cuò)密度增加強(qiáng)化機(jī)制：固溶、細(xì)晶、析出金屬的再結(jié)晶與晶粒長大再結(jié)晶溫度：鋁約200°C，鐵約450°C熱處理工藝：退火、正火控制晶粒金屬間化合物獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)原子規(guī)則排列高溫應(yīng)用耐熱性優(yōu)異鈦鋁化合物航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料合金的形成與基本原理固溶體合金兩種金屬完全互溶置換型原子尺寸相近：黃銅間隙型小原子嵌入間隙：鋼共晶型兩相混合物：鋁硅合金鐵基合金與鋼的分類特種鋼工具鋼、不銹鋼、電工鋼合金鋼低合金鋼、高合金鋼碳鋼低、中、高碳鋼鋁合金性能與應(yīng)用航空：2xxx、7xxx系高強(qiáng)鋁汽車：6xxx系良好成形性銅合金簡介黃銅(銅鋅)易加工，裝飾性好青銅(銅錫)耐磨性好，強(qiáng)度高白銅(銅鎳)耐蝕性優(yōu)異特種銅合金鈹青銅：高彈性超高強(qiáng)鋼與先進(jìn)高強(qiáng)度鋼汽車輕量化：減重20%以上油耗降低：每減重10%省油6-8%金屬材料的熱處理退火緩慢冷卻軟化改善加工性1正火空冷提高強(qiáng)度和韌性2淬火快速冷卻大幅提高硬度回火淬火后再加熱平衡強(qiáng)度與韌性熱處理對(duì)性能的影響淬火：硬度增加3-5倍，韌性降低芯部與表面：硬度梯度形成表面強(qiáng)化方法滲碳表面形成高硬度層滲氮提高耐磨性和疲勞強(qiáng)度噴丸強(qiáng)化表面產(chǎn)生壓應(yīng)力激光強(qiáng)化局部快速淬火典型金屬材料失效案例鋁合金腐蝕應(yīng)力腐蝕開裂鋼軌斷裂疲勞裂紋擴(kuò)展脆性斷裂低溫環(huán)境突發(fā)性失效新型金屬材料概覽形狀記憶合金能記住原始形狀市場(chǎng)年增長12%醫(yī)療器械、太空技術(shù)金屬玻璃無定形金屬結(jié)構(gòu)超高強(qiáng)度、彈性高爾夫球桿、電子產(chǎn)品超導(dǎo)材料零電阻電流傳輸強(qiáng)磁場(chǎng)應(yīng)用醫(yī)療成像、磁懸浮列車金屬基復(fù)合材料金屬基體鋁、鎂、鈦等輕金屬增強(qiáng)相碳纖維、陶瓷顆粒綜合性能強(qiáng)度提高30-50%航空發(fā)動(dòng)機(jī)：鋁基SiC顆粒增強(qiáng)汽車活塞：鋁基氧化鋁纖維增強(qiáng)金屬3D打印材料150鈦合金粉末($/kg)醫(yī)療植入物首選80鋁合金粉末($/kg)航空航天零件30不銹鋼粉末($/kg)工業(yè)部件常用35%年市場(chǎng)增長率快速發(fā)展新興領(lǐng)域金屬材料的環(huán)保與回收鋁銅鉛鋼鐵鎳鋅回收鋁：能耗僅為原生產(chǎn)的5%廢鋼再利用：減少CO?排放量70%金屬材料在航空航天領(lǐng)域鋁合金復(fù)合材料鈦合金鋼其他鋁合金：機(jī)身和機(jī)翼鈦合金：發(fā)動(dòng)機(jī)和起落架金屬材料在交通運(yùn)輸與建筑建筑鋼材Q235、Q345常用高鐵鋼軌U75V、U71Mn橋梁結(jié)構(gòu)耐候鋼Q355NH汽車車身AHSS先進(jìn)高強(qiáng)鋼金屬材料發(fā)展趨勢(shì)輕量