《金属材料资料》PPT课件.ppt

第二篇复合材料的基体材料,2.金属材料,2.1 金属材料的性能与结构,2.2常见金属及合金的特点和用途,司母戊鼎是中国目前已发现的最重的青铜器。司母戊鼎含铜84.77、锡11.64、铅27.9。充分显示出商代青铜铸造业的生产规模和技术水平。,青铜器时代,马踏飞燕（铜奔马、东汉青铜器）,1969年，在甘肃武威出土。中国雕塑史上的不朽之作。1984年，定为中国旅游标志图形。2002年，“马踏飞燕”的仿制品作为国礼赠布什。,秦陵铜车马严格按真车马的制作。造型精美，比例恰当，装饰华丽，工艺精湛，形体庞大，所以很多专家学者把它称之为“青铜之冠”。,铁器时代,铁耙 两汉时期西汉农具,1996年我国钢产量超过一亿吨，变成世界第一产钢大国。这是为纪念钢产量突破一亿吨而发行的邮票。,一架波音767大型飞机约由70%的铝及其合金构成。,20世纪，铝和铝合金的应用,二十一世纪的金属材料钛和钛合金,可作人造骨的钛合金,应用广泛的金属材料,物理化学性能,2.1金属材料的性能与结构,热处理性,6,金属都有光泽(光性能);,在常温下，大多数呈固态(汞除外）;,大多数是电和热的优良导体;,有延展性、密度较大、熔点较高。,2.1.1 金属材料的物理和化学性能,一、金属共有的物理性质,优,良,金 铅 银 铜 铁 锌 铝,19.3 11.3 10.5 8.92 7.86 7.14 2.70,大,小,钨 铁 铜 金 银 铝 锡,3410 1535 1083 1064 962 660 232,高,低,铬 铁 银 铜 金 铝 铅,9 45 2.54 2.53 2.53 22.9 1.5,大,小,银 铜 金 铝 锌 铁 铅,100 99 74 61 27 17 7.9,金 属 之 最,地壳中含量最高的金属元素人体中含量最高的金属元素目前世界年产量最高的金属导电、导热性最好的金属硬度最高的金属熔点最高的金属熔点最低的金属密度最大的金属密度最小的金属,铝,钙,银,铁,铬,汞,钨,锂,锇,2.1.2 金属材料的机械性能,强度 材料在外力作用，抵抗塑性变形和断裂的能力。根据承受载荷的形式不同分为拉伸强度、压缩强度和弯曲强度等；通常以拉伸强度为基本的强度值。,1、拉伸试验及拉伸曲线,拉伸试验机,op段：比例弹性变形 阶段；pe段：非比例弹性变形阶段；平台或锯齿（s段）：屈服阶段；sb段：均匀塑性变形阶段，是强化阶段。b点：形成了“缩颈”。bk段：非均匀变形阶段，承载下降，到k点断裂。,金属在外力作用下，变形过程可分为：,2.1.2 金属材料的机械性能,弹性变形：金属的组织和性质上不产生任何明显的永久变化。,弹塑性变形：随着外载荷能量的增加，致使金属内某一原于面之间产生不可逆的相对滑移。,断裂：起源于位错的微裂隙，在外加裁荷能量足以破坏金属原子间的结合键所自发生长引致的。,2.1.2 金属材料的机械性能,工程上常用的金属材料的强度指标：,拉伸强度(b),材料在拉伸条件下所能承受最大力的应力值,是设计和选材的主要依据之一，是工程技术上的主要强度指标。,试样的原始截面积（mm2),屈服强度(s),2.1.2 金属材料的机械性能,材料抵抗开始产生大量塑性变形的应力。,试样的原始截面积（mm2),2.1.2 金属材料的机械性能,弹性阶段：,-胡克弹性定律,塑性:材料在外力作用，产生永久变形而不破坏的能力。(塑性变形的能力),常用的塑性判据：拉伸时的断后伸长率和断面收缩率,2.1.2 金属材料的机械性能,1）使材料具有良好的成形性；2）受到外力变形时，有强化作用。,1、断后伸长率,由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率数值不同，因此应注明试样尺寸比例。,2、断面收缩率,硬度 材料抵抗更硬的物体压入其内的能力。最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度(HRA-C)和维氏硬度HV。布氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；,2.1.2 金属材料的机械性能,洛氏硬度HRC可以用于硬度很高的材料，在钢件热处理质量检查中应用最多,维氏硬度适合各种软、硬金属，尤其是极薄零件、渗碳、渗氮工件。操作不易，效率低，不宜用于大批量生产.,布氏硬度试验法一般用于试验各种硬度不高的钢材、铸铁、有色金属等，也用于试验经淬火、回火但硬度不高的钢件。,零件发生疲劳破坏是没有预兆而突然断裂，此时发生疲劳破坏的应力远远小于抗拉强度，甚至比屈服强度还小，非常危险。,冲击韧度:金属材料抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力。常用的指标有冲击韧度(Ak)。,疲劳强度:金属材料抵抗交变载荷的作用而不 破坏的能力。常用的指标有疲劳强度(-1)。,2.1.2 金属材料的机械性能,提高材料疲劳极限的途径,1、设计方面 尽量使用零件避免交角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其所引起的疲劳裂纹。2、材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和由于热加工不当引起的缺陷。如疏松、气孔和表面氧化等。3、机械加工方面 要降低零件表面粗糙度值。4、零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使零件表面造成压应力，以抵消或降低表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。,2.1.2 金属材料的机械性能,2.1.2 金属材料的机械性能,小结：金属材料的力学性能是在外力作用下表现出的力学性能，在实际生产中应用相当广泛。,蠕变强度:在某一恒定温度下，经过一定时间后，使其残留变形量达到一定数值时的应力值。持久强度:在某一恒定温度下，经过一定时间而引起的断裂的应力值。,高温强度：蠕变强度和持久强度,焊接性,压力加工性,铸造性,热处理性,金属材料在工艺过程中所具有和表现出来的性能。,主要包括,2.1.3 金属材料的工艺性能,切削加工性能,2.1.3 金属材料的工艺性能,铸造性能,金属材料在铸造成型过程中所表现的性能：主要指液体金属的流动性、凝固过程中的收缩和偏析倾向，以及气体的吸收和排除等。,铸造性好：铸件形状准确、结构复杂、外形清晰,反之铸造成性差！,实验确定,压力加工性能,2.1.3 金属材料的工艺性能,金属材料在冷热状态下塑性变形的能力，包括：充填模具所需的固态流动性对模壁的摩擦阻力对氧化起皮的抗力热烈趋势冷变形时形变硬化趋势不均匀变形趋势等,焊接性能,2.1.3 金属材料的工艺性能,金属材料获得优质焊接接头的难易程度,可焊性熔接合金成分的改变吸气性与氧化性内应力及冷热开裂倾向热影响区的组织改变及晶粒长大趋势等,切削加工性能,2.1.3 金属材料的工艺性能,主要指：切削速度、切削表面光洁程度、刀具寿命及切削功耗等,热处理性能,2.1.3 金属材料的工艺性能,金属材料在加热和冷却中获得所需性能的能力,2.1.4 金属材料的组织结构,晶体：原子排列时有序的，原子在三维空间做规则的、周期性的、重复排列。有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性。,非晶体:原子排列杂乱无章呈无序状态，没 有一 定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。,2.1.4 金属材料的组织结构,基本概念,2.1.4 金属材料的组织结构,晶格：把晶体中原子看成几何点，用平行直线连接后得到的三维格架。,晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小单元。,金属晶体的类型,(1)体心立方晶格(2)面心立方晶格(3)密排六方晶格,2.1.4 金属材料的组织结构,各向异性,晶体内部原子有规则排列，但不同位向的原子排列密度不同，使原子间结合力不同，因此单晶在不同的结晶学方向上表现出的性能不同。,固定熔点,金属晶体与非晶体的两大区别点,金属的熔化是晶体结构中原子（离子）从有序排列向无序化转变的过程，转变过程吸收热量摆脱结合键束缚的熔化热，此时液固两态能在一段时间内共存于同一平衡温度。（熔点）,金属的实际晶体结构,2.1.4 金属材料的组织结构,：很多结晶位向都不同的小晶粒组成的多晶体。,单晶体 各部分位向完全一致的晶体,多晶体 许多位向不同的单晶体的聚合体,实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：点缺陷、线缺陷、面缺陷,点缺陷晶体空格、间 隙原子线缺陷位错面缺陷晶界、亚晶界,在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。,(1)、点缺陷晶格空位和间隙原子,2.1.4 金属材料的组织结构,由于空位和间隙原子的存在，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。晶体中空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。,(2)线缺陷：两个方向上的尺寸都很短，在一个方向上的尺寸很长的缺陷。,刃型位错:刃型位错如图所示。,2.1.4 金属材料的组织结构,螺型位错:螺型位错如图所示。,2.1.4 金属材料的组织结构,位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。,(3)面缺陷,面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小而呈面状分布的缺陷。面缺陷主要是指金属中的晶界和表面。,2.1.4 金属材料的组织结构,晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界,晶界处的主要特征：原子排列不规则，因此对金属的塑性变形起着阻碍作用，晶界越多，其作用越明显。显然，晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度和硬度也就越高。所以在常温下使用的金 属材料，一般总是力求获得细小的晶粒。晶界处原子具有较高的能量，且杂质（往往是一些低熔点的杂质）较多，因此其熔点较低，有时还未加热到金属的熔点，晶界处就已先熔化了。晶界处原子能量较高而容易满足固态相变所需要的能量起伏，因此新相往往在旧相晶界处形核。晶粒越细小，晶界越多，新相的形核率就越高。晶界处有较多的空位，因此原子沿晶界的扩散速度较快。晶界处电阻较高，且易被腐蚀。,2.1.4 金属材料的组织结构,总之，实际金属的晶体结构不是理想完整的，而是存在着各种晶体缺陷，并且这些缺陷在不断地运动变化着，金属中的许多重要变化过程，都是依靠晶体缺陷的运动来进行的，并且金属的许多性能也都与晶体缺陷密切相关。,2.1.4 金属材料的组织结构,2.1.5 金属材料的结晶过程,结晶的概念,凝固,结晶,金属由液态转变为固态(晶体)的过程。,结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。（近程有序到远程有序）,近程有序结构,结构起伏,结晶,远程有序结构,T0：平衡结晶温度（理论结晶温度）T1：纯金属的实际结晶温度,纯金属结晶时的冷却曲线,过冷度是结晶的必要条件。,过冷度：T=T0 T1,为什么？,2.1.5 金属材料的结晶过程,金属结晶的热力学条件,由于液体与晶体的结构不同，其在同一温度下的自由能是不同的，液相与固相的自由能曲线的交点对应的温度即是理论结晶温度。当温度低于理论结晶温度时，由于液相的自由能高于固相，液相就会向固相转变，即发生结晶，结晶的推动力就是液相与固相的自由能差F,F 越大结晶越容易。而过冷度T越大，F越大。,在某温度时，固态金属的自由能必须小于液态金属的自由能，结晶才能自发进行。,2.1.5 金属材料的结晶过程,金属结晶的一般规律,金属的结晶规律与非金属的结晶规律一样，都是分两个步骤：晶核的形成 晶核的成长 金属从液态冷却过程中，首先产生不稳定的原子排列小集团（晶胚），随着温度的降低，形成稳定的晶核，晶核形成的初期，原子排列规则，但随着晶核的成长，由于棱角处的散热条件优于其它部位，因而便得到优先成长，即呈“枝晶成长”，首先长出枝干，再长出分枝，最后把晶间填满。过冷度越大，枝晶成长的特点越明显。,2.1.5 金属材料的结晶过程,金属实际结晶过程中，结晶开始时，晶核数量少，结晶很慢；随着温度的降 低，晶核大量形成并成长，结晶速度加快。当晶体长大并相互抵触时，结晶速 度又变慢。正是由于结晶过程中各晶体的成长相互抵触、相互限制，所以最后 形成的晶粒具有不规则的外形，并产生各种缺陷。,2.1.5 金属材料的结晶过程,晶粒大小及其控制,晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大影响。细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀性好。作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则磁导率越大，磁滞损耗减少。,金属结晶后晶粒大小取决于形核率N晶核形成数目（mm3.s）和长大率G（mm/s）,金属的同素异晶转变的慨念 金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。金属的同素异晶转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性 能的目的。,2.1.5 金属材料的结晶过程,2.1.6 金属材料的合金相结构,合金相的基本概念,合金：由两种或两种以上的元素通过熔炼后 所获得的新的物质仍然具有金属特性的新物质。,组元：组成合金的基本物质。,相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分。,单相合金：固态下由一个固相组成的合金。,多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金。,相变：一定条件下，一种相可以变为另一种相。,固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。,2.1.6 金属材料的合金相结构,固溶体,一种溶质元素的原子溶入另一种元素或 化合物的溶剂晶格中，且不改变原来溶剂的晶格类型形成的合金相。,保持原晶体结构的元素 溶剂失去原晶体结构的元素 溶质,2.1.6 金属材料的合金相结构,固溶体分类,溶质在溶剂中的位置：置换和间隙固溶体,溶质在溶剂中的排列：有序和无序固溶体,溶质在溶剂中的溶解度：有限溶解和无限溶解固溶体,固溶体的特性,1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬 度提高即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因 此常作为结构材料的基本相。3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电 阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。,金属间化合物,特征：有金属性质 晶体结构不同于任何组元 成分固定或小有变化，有一定成分比例，可用分子式表示,2.1.6 金属材料的合金相结构,A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。,2.1.6 金属材料的合金相结构,当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上，可使合金的强度，硬度，耐磨性 弥散强化（第二相强化）,性能：硬，脆，熔点高。,金属间化合物分类：,正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物。,金属也有很大的差异，Hg常温下为液态，硬度、密度、熔沸点都有差别，少数金属延展性差。如铂的密度特别大，钨的熔点特别高，铬的硬度相对较大，相当于刚玉等。合金：由金属与金属、金属与非金属组成，具有金属的特性，熔点较成份金属低。如，钠钾合金属在常温下为液态，比钠、钾都低。金属根据冶金工业分类分为黑色金属（Fe、Cr、Mn）和有色金属。,2.2金属及合金各论,2.2金属及合金各论,包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等,1、黑金属,又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳 2%4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。钢材是钢锭、钢坯通过压力加工制成我们所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。根据断面形状的不同、一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类。,钢材的主要加工方法,轧制：将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙，因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的。锻造：利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需的形状和尺寸的一种方法。拉拨：是将已经轧制的金属坯料（型、管、制品等）通过模孔拉拨成截面减小长度增加的加工方法。挤压：是将金属放在密闭的挤压简内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出而得到有同形状和尺寸的成品的加工方法。,2、有色金属,有色金属是指除铁、铬、锰等几种黑色金属之外的多种金属的统称。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。在自然界有色金属共64种。其中，铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞等10种有色金属被视为“家族”中的“十大金刚”。有色金属工业是一个高能耗的产业。近年来，采用富氧闪速熔炼工艺，使铜生产能耗大大降低。,有色金属的分类,（1）有色纯金属：分为重金属、轻金属、贵金属、半金属和稀有金属五类。（2）有色合金（3）有色材：按化学成份可分，铜和铜合金材、铝和铝合金材、铅和铅合金材、镍和镍合金材、钛和钛合金材。,铝,超硬铝合金的强度可达600Mpa。普通硬铝合金的抗拉强度也达200-450Mpa。,铝的导电性仅次于银和铜，居第三位，用于制造各种导线。铝具有良好的导热性，可用作各种散热材料。铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性，适合于各种压力加工。,铝是一种轻金属,密度小,具有良好的强度和塑性，铝合金具有较好的强度。它的比钢度远高于钢，因此在机械制造中得到广泛的运用。,铝的用途,导电性很好，可以做电线、电缆,铝的用途,延展性很好，做成铝箔可以用在食品工业,铝的用途,热的良导体:导热能力比铁大三倍，可以做炊具以及各种热交换器。,铝的用途,制铝合金，硬铝:含铝、镁、铜、锰、硅,广泛应用于飞机、汽车、船舶等制造业，窗门框等建筑业。,铝的用途,京广铁路的焊接现场,焊接铁轨（铝热剂）,铜,黄铜是铜与锌的合金。黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。工业中采用的黄铜含锌量不超过45%，含锌量再高将会产生脆性。青铜原指铜锡合金，因颜色呈青灰色，故称青铜。有较高的机械性能，耐蚀性比黄铜、减摩性和好的铸造性能。为了改善性能，青铜内还加入其它合金元素，如铅、锌、磷等。白铜指铜镍合金。纯铜加镍能显著提高强度、耐蚀性、电阻和热电性。加锰、铁、锌和铝等元素的铜镍合金称为复杂白铜。,纯铜是玫瑰红色金属，表面形成氧化铜膜后呈紫色，故工业纯铜常称紫铜或电解铜。,比较纯金属与合金的硬度大小,黄铜是铜与锌的合金,新金属钛,1791年英国牧师W格雷戈尔(Gregor)发现钛。1940年卢森堡科学家WJ克劳尔(kroll)用镁还原TiCl：制得了纯钛。从此，镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。钛工业的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。实际产量1990年达到历史最高水平，为105kt/a。,钛,纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54gcm3，比钢轻43%。机械强度大（与钢相差不多）。钛耐高温，熔点1942K。有很强的抗腐蚀性。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛具有“亲生物“性，在人体中能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，医学上用来做“钛骨”。钛在地壳中的丰度为0.63%，居元素分布序列中的第十位，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢。主要的矿物有金红石（TiO2）和钛铁矿（FeTiO3）组成复杂的钒钛铁矿。我国钛蕴藏量居全球之首，仅四川攀枝花地区的矾钛铁矿，储量约15亿吨，占全国已探明储量的97%。,合金与纯金属的性质比较,合金与纯金属相比，性能上发生了改变，说明物质的组成的改变会使其性能发生改变，合金的用途比纯金属的用途广得多。,结论：合金与纯金属相比,更大的硬度较低的熔点更高的强度(韧性好,耐拉伸、耐弯曲、耐压打)更好的抗腐蚀性能所以，尽管目前人类已制得的纯金属只有90余种，但人们为适用各种用途而将这些纯金属按一定组成和质量比制得的合金已达几千种。,制造飞机的材料中为什么大量使用铝合金而不用纯铝？,用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线,思考,1、哪些金属可用来打造首饰？为什么？金、铂可用来打造首饰，原因是它们具有永恒而美丽的光泽2、哪些金属可用来制造电线，为什么？铜可以用来制造电线是因为它易导电3、哪些金属可用来制造炊具，为什么？铁可以可用来制造炊具是因为它传热快4、哪些金属可拉成细丝或压成薄片，为什么？金、银、铜、铝可拉成细丝或压成薄片，这是由于它们有延展性，容易加工,1、为什么菜刀、镰刀、锤子等用铁制而不用铅制？铅的硬度小,而铁的硬度大.2、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制而不用银制？银的价格比铜高许多,3、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制的话，可能会出现什么情况？钨的熔点高，锡的熔点低,锡丝易烧断.4、为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬？如果镀金怎么样?铬硬度大,耐磨、美观，又防锈，如果镀金则会增加成本且不耐用，日久，金脱落则铁又会生锈而缩短水龙头的使用寿命,