《金屬與金屬材料》課程簡介本課程介紹金屬和合金的性質、結構、加工和應用。涵蓋了金屬材料的基礎知識，以及材料科學和工程的基本原理。金屬的定義和特性1定義金屬是具有光澤、延展性、導電性和導熱性的一類物質。金屬原子以金屬鍵結合形成金屬晶體，具有獨特的物理和化學性質。2特性金屬的特性包括：良好的導電性和導熱性、延展性、韌性、強度、硬度、熔點等，這些特性使得金屬成為廣泛應用于各種工業和生活領域的材料。3分類根據金屬的化學成分和物理性質，可將金屬分為黑色金屬和有色金屬兩大類，如鐵、銅、鋁等。4應用金屬廣泛應用于建筑、機械、航空航天、電子等領域，是現代社會不可或缺的重要材料。金屬的基本結構原子結構金屬材料主要由金屬原子組成。原子內部包含原子核和圍繞原子核運動的電子。晶體結構金屬原子以規則的排列方式形成晶體結構，常見的晶體結構包括體心立方、面心立方和密排六方。晶格結構晶體結構可以被簡化為晶格結構，晶格結構是由許多相同的晶胞組成的。晶胞是晶格中最小的重復單元。金屬的晶體結構金屬原子以規則的方式排列，形成晶格結構。常見的金屬晶格類型包括面心立方(FCC)、體心立方(BCC)和密排六方(HCP)。不同的晶格結構決定了金屬的物理和機械性能，例如強度、硬度、延展性等。金屬的塑性變形1定義金屬的塑性變形是指在外力作用下，金屬材料發生永久性形狀改變而不發生斷裂的現象。2機制金屬的塑性變形主要由晶體內部的位錯運動引起的，位錯是指晶體結構中的一種缺陷，在應力作用下，位錯會沿著滑移面移動。3影響因素金屬的塑性變形程度受多種因素影響，例如金屬的種類、溫度、應變速率、晶粒尺寸等。金屬的強化方法細化晶粒減小晶粒尺寸，增加晶界數量，提高強度和硬度。固溶強化添加合金元素，形成固溶體，提高強度和硬度。形變強化通過塑性變形，增加位錯密度，提高強度和硬度。彌散強化在金屬基體中形成彌散的第二相，阻礙位錯運動，提高強度和硬度。金屬的熱處理金屬熱處理是通過控制加熱和冷卻速度來改變金屬的微觀結構，從而改善其性能的技術。1退火降低硬度和強度，提高塑性。2正火改善金屬的性能和組織。3淬火提高金屬的硬度和強度。4回火降低淬火金屬的硬度和脆性。常見的熱處理方法包括退火、正火、淬火和回火。每種熱處理方法都會導致金屬組織結構發生變化，進而改變其物理和機械性能。金屬的相變固態相變金屬在固態下發生的一種結構變化，通常伴隨著性質的變化，例如硬度和強度。影響因素溫度、壓力和合金元素的含量都會影響金屬的相變。相變類型常見的相變類型包括：同素異形轉變、共析轉變、共晶轉變。鐵碳合金系統鐵碳合金是鐵和碳組成的合金，是金屬材料中應用最廣泛的一種。鐵碳合金中碳的含量決定其性能和用途。鐵碳合金包括鋼和鑄鐵。鋼是含碳量低于2.11%的鐵碳合金，具有高強度、韌性好等優點。鑄鐵是含碳量高于2.11%的鐵碳合金，具有高硬度、耐磨性好等特點。鐵碳合金系統研究鐵和碳在不同溫度和壓力下形成的相和組織，并探討其對材料性能的影響。鐵的相圖和組織鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖展示了不同溫度下鐵和碳的相變關系，揭示了不同組織的形成規律。鐵的組織結構鐵的組織結構是指鐵碳合金中各相的排列方式，影響著材料的性能。鐵的顯微組織顯微組織是指用顯微鏡觀察到的鐵碳合金的組織結構，能更直觀地了解材料的內部結構。鋼的分類與性能碳素鋼含碳量是關鍵指標。含碳量高，強度和硬度高，但延展性和韌性低。分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。合金鋼添加合金元素，例如鉻、鎳、錳等，以提高鋼的強度、耐腐蝕性和耐高溫性。包括不銹鋼、工具鋼、耐熱鋼等。鑄鐵的性能及應用鑄鐵的性能鑄鐵具有高強度、高硬度、高耐磨性和良好的減震性能。鑄鐵的缺點是塑性差、脆性大、易斷裂，無法承受沖擊載荷。鑄鐵的應用機械部件：機床床身、發動機缸體、齒輪、軸承等建筑材料：管道、排水溝、井蓋、路面等日常生活用品：鍋、壺、水龍頭、暖氣片等鑄鐵的類型灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵有色金屬及合金概述銅銅擁有優異的導電性和導熱性，廣泛應用于電子、電氣和建筑領域。鋁鋁輕盈且耐腐蝕，是航空航天、汽車和包裝行業的理想材料。鈦鈦具有高強度、耐腐蝕和生物相容性，在航空航天、醫療和體育器材等領域發揮重要作用。貴金屬金、銀和鉑等貴金屬因其耐腐蝕性和高價值，被廣泛應用于珠寶、電子和金融領域。銅及銅合金優異導電性廣泛應用于電子電器、電力設備等領域。良好的耐腐蝕性在潮濕環境中不易銹蝕，延長使用壽命。優良的加工性能易于塑形、加工，廣泛應用于裝飾、建筑等領域。鋁及鋁合金鋁的性質鋁是銀白色輕金屬，具有良好的導電、導熱、延展性和耐腐蝕性。鋁的密度低，約為鐵的三分之一，廣泛應用于航空航天等領域。鋁合金鋁合金是鋁與其他金屬元素形成的合金，具有更強的強度、硬度和耐磨性。常見的鋁合金包括鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁硅合金，應用于汽車、建筑和機械制造等行業。鎂及鎂合金1輕質材料鎂是世界上最輕的結構金屬，密度僅為鋁的2/3，所以鎂合金具有優異的比強度和比剛度，可用于制造輕量化零件。2高比強度與同體積的鋁合金相比，鎂合金的強度更高，可用于制造承受高負載的零件，例如汽車和飛機的結構件。3優異的加工性能鎂合金易于加工，可以采用多種加工方法制造各種形狀的零件，例如鑄造、擠壓、鍛造和切削。4優良的耐腐蝕性鎂合金在空氣中表面會形成一層氧化膜，能夠有效地防止腐蝕，延長其使用壽命。鈦及鈦合金輕質且堅固鈦密度低，強度高，與鋼鐵相比，鈦合金具有更高的強度重量比。耐腐蝕鈦對大多數酸、堿和鹽的耐腐蝕性強，在多種環境中保持穩定。生物相容性鈦具有良好的生物相容性，在醫療領域廣泛應用，例如人工關節、骨骼固定器等。應用廣泛鈦合金應用于航空航天、醫療、化工等領域。金屬的腐蝕與防護腐蝕類型金屬腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，化學腐蝕是指金屬與周圍環境中的氣體或液體直接發生化學反應而引起的腐蝕，而電化學腐蝕則是由于金屬表面存在電位差而引起的腐蝕。腐蝕影響因素金屬的腐蝕速度受多種因素影響，包括金屬本身的性質、環境介質的性質、溫度、應力等。防護方法常見的金屬腐蝕防護方法包括表面處理、涂層防護、電化學保護等。腐蝕測試為了評估金屬材料的耐腐蝕性能，需要進行各種腐蝕測試，例如鹽霧試驗、浸泡試驗等。金屬表面熱處理淬火淬火是將金屬加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后快速冷卻的熱處理工藝，目的是提高金屬的硬度和強度?；鼗鸹鼗鹗菍⒋慊鸷蟮慕饘偌訜岬降陀诖慊饻囟鹊臏囟?，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，目的是降低金屬的硬度和脆性，改善其韌性和塑性。表面淬火表面淬火是只對金屬表面進行加熱和淬火的熱處理工藝，目的是提高金屬表面的硬度和耐磨性，而保持其內部的韌性和塑性。金屬表面鍍層鍍層分類鍍層類型多種多樣，包括電鍍、化學鍍、熱鍍、真空鍍等。每種方法都擁有不同的特點和應用場景，例如電鍍適用于大規模生產，化學鍍適用于復雜形狀的零件。鍍層作用金屬表面鍍層能顯著提高金屬的耐腐蝕性、耐磨性、硬度、美觀度等。鍍層還可以改變金屬的表面顏色、紋理，賦予金屬更多的功能和裝飾性。金屬表面涂層涂層類型有機涂層無機涂層復合涂層涂層功能防腐蝕耐磨耐高溫涂層工藝噴涂、浸涂、電鍍等。應用領域航空航天、汽車、建筑等。金屬的成形加工工藝1鑄造將金屬熔化后，灌入模具，冷卻凝固成型2鍛造利用錘擊或壓力使金屬材料變形3焊接用熔焊或壓焊的方法將金屬工件連接4切削加工用刀具切削金屬材料，達到尺寸和形狀要求金屬成形加工工藝是將金屬材料通過各種工藝方法，使其轉變為具有特定形狀和尺寸的金屬制品鑄造工藝熔煉將金屬材料加熱至熔化狀態。熔煉過程需要控制溫度和時間，以確保金屬材料完全熔化并達到最佳狀態。澆注將熔化的金屬材料注入模具中，形成所需形狀的鑄件。澆注過程中需要控制澆注溫度、速度和壓力，以確保鑄件的質量。凝固熔化的金屬材料在模具中冷卻凝固，形成固態的鑄件。凝固過程需要控制冷卻速度和冷卻方式，以確保鑄件的組織結構和性能。清理將鑄件從模具中取出，并進行清理工作。清理過程包括去除澆口、毛刺、砂芯等，以確保鑄件的尺寸和表面質量。檢驗對鑄件進行檢驗，以確保其符合設計要求和質量標準。檢驗過程包括尺寸檢驗、外觀檢驗、性能檢驗等。鍛造工藝1預備將金屬坯料加熱到適當溫度2成形在壓力機或錘子作用下變形3冷卻緩慢冷卻至室溫鍛造是一種古老的金屬加工方法，通過對金屬坯料施加壓力使其塑性變形來改變其形狀和尺寸。鍛造工藝通常需要高溫加熱，以提高金屬的塑性，使它更容易變形。鍛造工藝可以制造出高強度、高韌性、高耐磨性的金屬制品，廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車制造等領域。焊接工藝熔化焊接利用高溫將金屬加熱至熔化狀態，并使之熔合在一起，形成一個整體。壓力焊接利用外力將金屬材料壓緊，使之在固態下發生結合的一種焊接方法。釬焊利用熔點低于母材的金屬（釬料）將母材連接在一起的一種焊接方法。切削加工工藝1車削去除材料以形成圓柱形或錐形形狀2銑削使用旋轉刀具來創建平坦的表面3鉆孔創建圓形孔4磨削使用砂輪去除材料以獲得高精度表面切削加工是通過去除材料來改變金屬材料形狀和尺寸的工藝。通常使用旋轉刀具，對金屬表面進行切削。切削加工精度高，應用廣泛，是金屬加工中的重要工藝。金屬材料的性能測試金屬材料的性能測試是評估材料的性能指標，例如強度、硬度、韌性、塑性、疲勞強度、耐腐蝕性等。這些指標對材料的應用和設計具有重要的指導意義，通過測試可以了解材料的優缺點，從而選擇合適的材料進行加工和使用。金屬材料的檢驗與檢測11.外觀檢驗肉眼觀察材料表面，檢查是否有裂紋、氣孔等缺陷。22.化學成分分析使用光譜儀等設備，測定材料的化學成分，確保符合要求。33.機械性能測試通過拉伸試驗、硬度試驗等方法，評估材料的強度、韌性、硬度等性能指標。44.微觀結構分析使用顯微鏡觀察材料的內部組織結構，判斷材料的質量和性能。金屬材料的應用領域建筑鋼鐵、鋁合金等金屬材料是現代建筑的重要組成部分，為高樓大廈、橋梁等提供結構支撐。汽車汽車制造廣泛使用鋼鐵、鋁合金、鎂合金等金屬材料，它們在車身、發動機、底盤等方面發揮關鍵作用。航空航天航空航天領域對金屬材料的強度、耐高溫、耐腐蝕性等性能要求極高，鈦合金、鋁合金等材料在飛機、火箭等制造中不可或缺。電子銅、鋁、金等金屬材料在電子元器件、電路板、芯片等方面應用廣泛，它們是現代電子產品的核心材料。金屬材料發展趨勢輕量化金屬材料的輕量化趨勢日益顯著，例如高強度鋁合金、鎂合金和鈦合金等新型材料的應用，可有效降低產品重量，提高燃油效率和節能環保效益。高性能化隨著科技的進步，對金屬