1、化學與金屬材料第1頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一金屬制品第2頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一材料分類按材料本身的性質： 金屬材料、非金屬材料、陶瓷材料 高分子材料、復合材料、液晶材料 按材料的作用： 結構材料：如金屬材料（強度、耐熱） 功能材料：如高吸水樹脂、液晶材料 第3頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一金屬材料的分類 黑色金屬：指鐵、錳、鉻及它們的合金。 有色金屬： 黑色金屬以外的金屬統稱為有色金屬。 重金屬(如鎳、鉛等密度在5g/cm3以上) 輕金屬(如鈉、鈣、鋁等4.5g/cm3以下)。 第4頁，共67頁，2

2、022年，5月20日，22點21分，星期一鐵藝 第5頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一常用金屬材料第6頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一s區元素及其有關工程材料特點：少（價電子數）、大（原子半徑） 輕（密度）、軟（硬度）、易熔、活潑。銣和銫：光電管中的光電陰極材料，自動控制。鈹：鈹鋁合金質輕、強度大、耐溫、加工性能好等優點，除應用于導彈、火箭、超音速飛機的結構部件外，還常用于電子計算機、核燃料包套。鈹與鎳、銅、錫的合金受沖擊時不產生火花的優異性質，因而在石油化工、礦山工業和電器等行業中是不可缺少的，用來防止火災和爆炸事故。鎂合金是鎂和鋁、鋅、錳等

3、的合金。該類合金密度小，強度高，抗沖擊，制造儀器、儀表零件、飛機的起落架等。第7頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一堿金屬第8頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一p區與B族金屬元素工程材料Bi、Sn、Pb、Hg等是硬度較小的低熔點金屬。汞在室溫時呈液態，用作溫度氣壓計中的液柱。鉍的某些合金的熔點在100以下，制焊錫。p區的金屬唯有鋁較活潑，但易“鈍化”鋁中加少量銅、鎂、錳、鋅等形成鋁合金，可用來代替鋼鐵和銅，用作航空、航天飛行器的主要結構材料。此外，鋁還具有良好的導電、導熱性能，常用來代替銅制造導電材料，特別是高壓電纜。第9頁，共67頁，2022年，

4、5月20日，22點21分，星期一鋁 箔 第10頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一第11頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一d區與B族金屬元素工程材料d區均為金屬元素，屬于重金屬大多是高熔點金屬，鎢3410除B族較軟外，其余都有較高的硬度，鉻是所有金屬中最硬的。很多都是重要的合金材料（如高溫合金、硬質合金等）第12頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一高溫合金：它們廣泛應用于制造航空渦輪發動機、各種燃氣輪機熱端部件（如渦輪工作葉片、燃燒室等），應有領域涉及艦艇、火車、汽車、火箭發動機、核反應堆等高技術領域。硬質合金：是制造高速切削

5、和鉆探等工具主要部件的優良材料。第13頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一幾種金屬第14頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一金 屬 之 最最輕的金屬是鋰 最重的金屬是鋨； 熔點最低的金屬是汞； 最難熔金屬為鎢；3410 導電性最強的金屬是銀：精密儀表延展性最好的金屬是金；光照下最易產生電流的金屬是銫：光電管第15頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一合金的基本類型1、機械混合物 兩種金屬在熔融狀態時互熔，但在凝固時各組分分別結晶。是成分不同晶體的混合物。2、金屬固溶體 一種溶質金屬（或非金屬）溶解到另一種溶劑金屬的晶體中形成的均勻

6、固態溶液成為金屬固溶體。固溶體的強度、硬度比純金屬高，同時延展性、導電性比金屬差 3、金屬化合物 金屬化合物比組分金屬的熔點高，硬度和脆性更大，但仍能導電、傳熱，具有金屬性質。如金屬碳化物、氮化物和硼化物（硬質合金）。第16頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一幾種合金第17頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 新型金屬材料1、形狀記憶合金 形狀記憶合金是一種新的功能金屬材料，用這種合金做成的金屬絲，即使將它揉成一團，但只要達到某個溫度，它便能在瞬間恢復原來的形狀。 最早研究成功的形狀記憶合金是Ni-Ti合金，稱為鎳鈦腦 目前已發現的形狀記憶合金達幾十

7、種之多，其中應用較多的是鈦鎳基合金和銅基合金兩大種類。 廣泛地用于衛星、航空、生物工程、醫藥和自動化等方面。在宇航工作中，人造衛星和月球上的傘形天線都可以用形狀記憶合金制作；美國在噴氣式戰斗機的油壓系統中也使用了鈦鎳形狀記憶合金；形狀記憶合金還可用于多種驅動裝置，控制著從機器人的手臂到隨溫度變化而自動開啟的窗戶； 第18頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一第19頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一第20頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一第21頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一第22頁，共67頁，2022

8、年，5月20日，22點21分，星期一2、高溫合金 大多是利用d區合金元素制成的鐵基、鎳基、鉬基、鈮基、鉭基和鎢基合金等，在高溫下具有良好的高溫性能（蠕變強度和持久強度等）和化學穩定性。 較早時采用多晶鑄造工藝，讓熔融的合金在鑄型中逐漸冷卻凝固，一開始就產生無數的晶粒，形狀接近球形，稱為等軸晶， 晶粒之間的界面稱為晶界，晶界是葉片中最薄弱的易破壞區 第23頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一3、儲氫合金 貯氫合金是利用金屬或合金與氫氣形成氫化物而把氫貯存起來。金屬都是緊密堆積的結構，結構中存在許多四面體和八面體空隙，可以容納半徑較小的氫原子。在貯氫合金中，一個金屬原子能與2

9、個、3個甚至更多的氫原子結合，生成金屬氫化物。 第24頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 具有使用價值的貯氫材料要求貯氫量大，金屬氫化物既容易形成，稍稍加熱又容易分解，室溫下吸氫、放氫的速度快，使用壽命長和成本低。 鎂系貯氫合金如MgH2，Mg2Ni等； 稀土系貯氫合金如LaNi5，MnNiAl等 鈦系貯氫合金如TiH2、TiMn1.5等。第25頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一4、低溫合金低溫合金是指在低溫下使用而不至于產生脆性破壞的合金。通常，把常溫以下直到絕對零度的較大溫度范圍稱為低溫。 超低溫材料必須具備以下幾方面的條件材料不會在所工作的

10、低溫下變脆。 材料的熱膨脹系數應盡可能地小， 材料必須是非磁性的。 第26頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 鐵錳鋁鋅合金鋼。其強度、韌性都十分優異。它們在常溫下還有良好的加工性。據認為這是一種在超低溫下強度、延伸率、耐沖擊值都大的，可能對低溫技術發展產生重要影響的優秀材料。第27頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一、金屬陶瓷第28頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一6、金屬多孔物質采用不規則的金屬（Ti、Mo、W等）粉末，經過壓型、燒結等工藝，使金屬顆粒既能熔接起來，又能保持由表及里、縱橫交錯、相互貫通的眾多小空隙。透過性強

11、，過濾性能高，經久耐用。消音器、減震器、催化劑、熱交換器 、過濾膜 第29頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一7、第四代金屬人類使用金屬材料的歷史源遠流長。早在6000年前，人類就發現并使用了金屬銅。 第二代金屬是鐵，在我國，春秋末年，就已經大量煉鐵和使用鐵器了 第三代金屬是鋁，鋁的產量之大，用途之廣，僅次于鋼鐵。金屬的第四代就是近幾年才嶄露頭角的鈦了 。鈦這種以希臘神話中的大力神泰坦命名的金屬，它具有鋼鐵般的強度，卻不像鋼鐵那么沉重；它又像鋁質輕，抗腐蝕，但其強度卻比鋁高得多 第30頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一納米金屬讓炸彈更小更強Nano

12、metals 將像納米鋁（nanoaluminum）這樣的納米金屬與像氧化鐵這樣的金屬氧化物組合到一起，制造出被稱為超級鋁熱劑（Su鄄perthermites）的材料，把這種材料添加到武器中可以極大地提高武器的威力。洛斯阿拉莫斯國家實驗室爆炸科學技術的項目領導人史蒂文森說，超級鋁熱劑的化學反應速度是普通速度的上千倍，因而可以在更短的時間內釋放更多的能量。 第31頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 金屬的腐蝕分為：化學腐蝕和電化學腐蝕 由單純化學作用引起的腐蝕叫化學腐蝕； 由電化學作用引起的腐蝕叫電化學腐蝕。 電化學腐蝕分為：析氫腐蝕和吸氧腐蝕金屬的腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕

13、析氫腐蝕吸氧腐蝕金屬的腐蝕與防護第32頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一化學腐蝕金屬在高溫干燥氣體中以及非電解質環境中的腐蝕一般都屬于化學腐蝕。 例如：金屬于干燥氣體如O2，H2S，SO2和Cl2等接觸時，在金屬表面形成相應的化合物而被腐蝕；鋼鐵在高溫下的脫碳現象以及石油中各種有機物對輸油管道和容器的腐蝕等都屬于化學腐蝕。第33頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一腐蝕電池的形成 由于金屬表面吸附了空氣中的水分，形成一層水膜，因而使空氣中的CO2、SO2和NO2等溶解在這層水膜中形成電解質溶液，而浸泡于水膜中的金屬往往不是純金屬。如鋼鐵，除Fe之外，

14、還含有滲碳體（Fe3C）、碳以及其他金屬和雜質。它們沒有鐵活潑，這樣形成的腐蝕電池陽極是鐵，而陰極是雜質，由于鐵與雜質緊密接觸，使得腐蝕不斷進行。第34頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 析氫腐蝕在酸性條件下發生 陰極：2H+ + 2e = H2 （在Fe3C上進行） 陽極：Fe = Fe2+ + 2e Fe2+ + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H+ 總反應： Fe + 2H2O = Fe(OH)2 + H2第35頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 吸氧腐蝕在堿性條件下發生 陰極：O2 + H2O + 4e = 4OH- 陽極：2Fe =

15、 2Fe2+ + 4e 總反應： 2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2第36頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 濃差腐蝕在水中深度不同的鋼鐵上發生 腐蝕反應與吸氧腐蝕相同是由于水中不同深度氧的濃度差別造成的上段不腐蝕，下段腐蝕。上段下段FeO2 + H2O + 4e = 4OH-Fe = Fe2+ + 2e總反應： 2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2第37頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一金屬的加工電解加工是利用金屬在電解液中可以發生陽極溶解的原理，將金屬器件加工成型的。它將工件作為陽極，以模件作為陰極，兩極之間

16、保持很小間隙（0.11mm），使電解液高速流動通過兩極，陽極金屬不斷地溶解，最后變成與陰極模件工作表面相吻合的形狀。化學刻蝕是將金屬表面按規定的部位用腐蝕液使之溶解，而在工件上留下凹槽或孔洞的一種加工方法，化學拋光則是利用化學腐蝕將金屬表面的凸出部分腐蝕掉，從而達到使金屬表面平滑和光澤的一種加工方法，第38頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一金屬的防護 組成合金（不銹鋼） 隔離介質：油漆、搪瓷、噴塑等。 介質處理：除去溶解氧緩蝕劑 電化學方法：犧牲陽極法、外加電流法。第39頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一1、組成合金此法可直接提高金屬本身耐腐蝕性

17、例如不銹鋼，鐵與鉻、鎳等的合金。合金能提高電極電勢，降低陽極活性，從而使金屬的穩定性大大提高。第40頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一2、金屬材料的表面處理金屬表面處理方法有化學熱處理、化學氣相沉積、金屬鈍化處理和金屬表面鍍覆等。 化學熱處理工藝，在高溫下使活性非金屬原子深入并在金屬表面形成一種間隙化合物，從而達到改善金屬的性能。目前常采用滲碳、滲氮或滲硼等。化學氣相沉積工藝則是使間隙化合物涂覆在金屬表面，這樣既可以保持材料內部的韌性又可以增強表層的強度、硬度、耐磨性和抗腐蝕性能。發黑處理是金屬鈍化常見的方法之一，主要是將金屬器件的表面進行氧化處理，使其表面生成一層致密

18、的氧化保護膜。金屬鍍覆有電鍍、化學鍍、熱浸鍍等。例如通過熱浸鍍方法在鐵表面鍍上一層金屬錫，就是常見的馬口鐵。 第41頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一3、緩蝕劑法在腐蝕介質中加入少量能減緩腐蝕速率的物質來防止金屬腐蝕的方法叫緩蝕劑法。所加的物質稱為緩蝕劑。 有機緩蝕劑的緩蝕作用機理較復雜，目前還不很清楚。最簡單的一種機理認為，緩蝕劑被吸附在陰極表面上，鉆了H+在陰極放電，從而使金屬的腐蝕減緩。第42頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一4、電化學保護法鑒于金屬電化學腐蝕時陽極金屬（較活潑金屬）被腐蝕，可以使用外加陽極將被保護的金屬作為陰極保護起來。因

19、此電化學保護法亦稱陰極保護法。根據外加的陽極不同，該法又分為犧牲陽極保護法和外加電流保護法兩種。第43頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一犧牲陽極保護法 將較活潑金屬或合金連接在被保護的金屬設施上形成腐蝕電池，較活潑金屬作為腐蝕電池的陽極而被腐蝕，被保護金屬作為陰極而得到保護。常用的犧牲陽極材料有Mg，Al，Zn及其合金。犧牲陽極法常用于蒸氣鍋爐的內壁、海船的外殼和海底設備等。通常犧牲陽極占有被保護金屬表面積的1%5%，分散布置在被保護金屬的表面上。第44頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一 外加電流法 被保護金屬與另一附加電極（常用廢鋼或石墨）組成

20、電解池。外加直流電源的負極接被保護金屬作陰極，附加電極作陽極，在直流電作用下，陰極發生還原反應保護。這種保護法廣泛應用于防止土壤、海水及河流中的金屬設備的腐蝕。第45頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一金屬的電化學腐蝕和防腐 該腐蝕是一電化學過程，對經濟的影響很大。單美國每年金屬腐蝕就會造成大約700億美元的損失。船塢上鐵的腐蝕第46頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一鐵生銹過程是鐵被O2氧化生成水合氧化物的過程 ：陽極: Fe(s) Fe2+(aq) + 2 e - 陰極: O2(g) + 4 H3O+(aq) + 4 e- 6 H2O(l) 陽極

21、生成的Fe2+最終被氧化為Fe3+, 后者形成的水合氧化物即鐵銹:4 Fe2+(aq) + O2(g) + 4 H2O(l) + (2x+8) H2O(l) 2 (Fe2O3xH2O)(s) + 8 H3O+(aq) 第47頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一第48頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一鍍層為鋅的鐵叫白鐵： 陽極: Zn(s) Zn2+(aq) + 2 e - 陰極: O2(g) + 4 H3O+(aq) + 4 e- 6 H2O(l) 最終結果是, Zn代替Fe被腐蝕。將被保護的金屬作為電化學電池的陰極而得到保護, 化學上叫作陰極保護

22、(Cathodic protection) 用來保護陰極的那個被氧化的活潑金屬叫殉葬陽極(Sacrificial Anode)。第49頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一化學腐蝕金屬在高溫干燥氣體中以及非電解質環境中的腐蝕一般都屬于化學腐蝕。 例如：金屬于干燥氣體如O2，H2S，SO2和Cl2等接觸時，在金屬表面形成相應的化合物而被腐蝕；鋼鐵在高溫下的脫碳現象以及石油中各種有機物對輸油管道和容器的腐蝕等都屬于化學腐蝕。第50頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一電化學腐蝕當金屬與電解質接觸時，由電化學作用而引起的腐蝕稱之為電化學腐蝕。當金屬置于水溶液或

23、潮濕大氣中時，金屬表面會形成一種微電池，也稱腐蝕電池。習慣上，稱腐蝕電池的電極為陰極和陽極。陽極上發生氧化反應，使陽極發生溶解，陰極上發生還原反應，起傳遞電子的作用。第51頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一腐蝕電池的形成：主要是由于金屬表面吸附了空氣中的水分，形成一層水膜，因而使空氣中的CO2、SO2和NO2等溶解在這層水膜中形成電解質溶液，而浸泡于水膜中的金屬往往不是純金屬。如鋼鐵，除Fe之外，還含有滲碳體（Fe3C）、碳以及其他金屬和雜質。它們沒有鐵活潑，這樣形成的腐蝕電池陽極是鐵，而陰極是雜質，由于鐵與雜質緊密接觸，使得腐蝕不斷進行。電化學腐蝕：可分為析氫腐蝕、吸

24、氧腐蝕和差異充氣腐蝕。第52頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一1、析氫腐蝕（鋼鐵表面吸附水膜酸性較強時）析氫腐蝕主要發生如下反應：陽極（Fe） Fe(s)Fe2+ (aq) + 2e- Fe2+ (aq) + 2H2O(l) Fe(OH)2(s) + 2H-(aq)陰極（雜質） 2H+（aq） + 2e- H2(g)總反應 Fe(s) + 2H2O Fe(OH)2 (s) + H2(g)由于腐蝕過程中有氫氣析出，故稱為析氫腐蝕。第53頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一2、吸氧腐蝕（鋼鐵表面吸附水膜酸性較弱時）當鋼鐵暴露在中性或弱酸性介質中，在氧氣

25、充足的條件下，由于O2/OH-電對的電極電勢大于H+/H2電對的電極電勢，故溶解在水中的氧氣優先在陰極上得到電子被還原成OH-,陽極上仍然是鐵被氧化為Fe3+。 第54頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一主要反應如下：陽極（Fe） Fe(s)Fe2+ (aq) + 2e-陰極（雜質） O2(g) + 2H2O（l） + 4e- 4OH- (aq)總反應 2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l) 2Fe(OH)2 (s) 這類腐蝕主要消耗氧氣，故稱吸氧腐蝕。析氫腐蝕和吸氧腐蝕生成的Fe(OH)2還可被O2氧化，生成的Fe(OH)3,脫水后形成Fe2O3鐵銹。第55頁

26、，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一3、差異充氣腐蝕（鋼鐵表面氧氣分布不均勻時）當金屬表面氧氣分布不均時，也會引起金屬的腐蝕。例如置于水中或泥土中的鐵樁，常常發現浸在水中的下部分或埋在泥土中的部分發生腐蝕，而水中靠近水面的部分或泥土上方卻不被腐蝕。這是因為水中接近水面部分溶解的氧氣與水下層和泥土中溶解的氧氣濃度不同。相當于鐵樁浸入含有氧氣的溶液中，構成氧電極。其電極電勢表達式為O2(g) + 2H2O（l） + 4e- 4OH- (aq)第56頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一陽極（下段） Fe(s)Fe2+ (aq) + 2e-陰極（上段） O2(

27、g) + 2H2O（l） + 4e- 4OH- (aq)總反應 2Fe(s) + O2(g) + 2H2O(l) 2Fe(OH)2 (s) 這種因金屬表面氧氣分布不均而 引起的腐蝕叫差異充氣腐蝕。第57頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一1.6金屬防腐技術1、組成合金此法可直接提高金屬本身的耐腐蝕性。例如不銹鋼，就是鐵與鉻、鎳等的合金。合金能提高電極電勢，降低陽極活性，從而使金屬的穩定性大大提高。第58頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一2、金屬材料的表面處理與加工金屬表面處理方法有化學熱處理、化學氣相沉積、金屬鈍化處理和金屬表面鍍覆等。 化學熱處理

28、工藝，在高溫下使活性非金屬原子深入并在金屬表面形成一種間隙化合物，從而達到改善金屬的性能。目前常采用滲碳、滲氮或滲硼等。化學氣相沉積工藝則是使間隙化合物涂覆在金屬表面，這樣既可以保持材料內部的韌性又可以增強表層的強度、硬度、耐磨性和抗腐蝕性能。第59頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一化學氣相沉積工藝則是使間隙化合物涂覆在金屬表面，這樣既可以保持材料內部的韌性又可以增強表層的強度、硬度、耐磨性和抗腐蝕性能。第60頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一發黑處理是金屬鈍化常見的方法之一，主要是將金屬器件的表面進行氧化處理，使其表面生成一層致密的氧化保護膜。磷化處理則是金屬鈍化的另一種方法，其原理主要是在金屬表面上形成一層難溶的磷酸鹽膜。 金屬鍍覆有電鍍、化學鍍、熱浸鍍等。例如通過熱浸鍍方法在鐵表面鍍上一層金屬錫，就是常見的馬口鐵。第61頁，共67頁，2022年，5月20日，22點21分，星期一金屬的加工主要有電解加工和化學加工兩類。電解加工是利用金屬在電解液中可以發生陽極溶解的原