第一章金属概述课件

1主讲主讲:管登高管登高 博士后博士后 副教授副教授 硕导硕导2010.9金属学金属学.2自我介绍自我介绍1994年毕业于郑州纺织工学院机械系热加工专业年毕业于郑州纺织工学院机械系热加工专业;2001年硕士研究生毕业于四川大学金属材料系材料学专年硕士研究生毕业于四川大学金属材料系材料学专业业;2004年博士研究生毕业于四川大学金属材料系材料学专年博士研究生毕业于四川大学金属材料系材料学专业业;2010年从成都理工大学地质学博士后流动站出站年从成都理工大学地质学博士后流动站出站;主持四川省青年基金等研究项目；主持四川省青年基金等研究项目；获得一项国家发明专利授权获得一项国家发明专利授权,申请国家发明专利申请国家发明专利5项；项；作为合作者编写出版国家作为合作者编写出版国家“十五十五”重点图书重点图书1部部.3Tel:13540896730E-mail: 办公室办公室:马公馆马公馆102室室联系方式联系方式.1 课程研究的对象、目的及要求课程研究的对象、目的及要求 2 金属材料的性能金属材料的性能 3 金属材料制备原理及方法金属材料制备原理及方法 4 金属材料的应用和发展金属材料的应用和发展 5 金属资源的回收和利用金属资源的回收和利用第一章第一章 金属概述金属概述.1 课程研究的对象、目的及要求课程研究的对象、目的及要求 一一 研究对象、任务和目的研究对象、任务和目的 1 研究的对象研究的对象 金属和合金。金属和合金。什么是金属？什么是合金？什么是金属？什么是合金？（1）金属的性质）金属的性质 *高的导电性和导热性；高的导电性和导热性；*金属光泽；金属光泽；*良好的延展性良好的延展性(塑性塑性)；*不透明不透明第一章第一章 金属概述金属概述.即：具有即：具有正的电阻温度系数正的电阻温度系数。*电阻随温度升高而升高电阻随温度升高而升高 金属与非金属的本质差别金属与非金属的本质差别 t=0(1+T)T非金属非金属金属金属 某些纯金属在绝某些纯金属在绝对零度附近的超导电性对零度附近的超导电性.(2)(2)金属与合金的定义金属与合金的定义金属定义：金属定义：(1)具有正的电阻温度系数的物具有正的电阻温度系数的物质。质。(2)具特有光泽而不透明（对可见光强具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果），富有展性、延性及导热性、烈反射的结果），富有展性、延性及导热性、导电性的这一类物质。导电性的这一类物质。合金定义：合金定义：一种金属元素一种金属元素与另一种或几种其与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有具有金属特性金属特性的物质。的物质。.试用金属键模型解释：试用金属键模型解释：金属特性金属特性(3)(3)金属中原子的结合方式金属中原子的结合方式 在金属晶体中，金属原子失去价电子后在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子成为正离子,所有价电子成为自由电子并为所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有整个原子集团所公有,所有自由电子围绕所所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在浸在电子云中，并依靠与自由电子电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用而使金属原子之间的静电作用而使金属原子结合起来形成金属晶体。这种结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为原子结合方式称为金属键。金属键。.非金属中：非金属中：离子键、共价键离子键、共价键等等结合键强结合键强,具饱和性具饱和性较高硬度较高硬度结合键极强、方向性结合键极强、方向性很高硬度、无塑性很高硬度、无塑性.全属与非金属的比较全属与非金属的比较金属金属非金属非金属1常温时，除了汞是液体外，常温时，除了汞是液体外，其它金属都是固体其它金属都是固体常温时，除了溴是液体外，有常温时，除了溴是液体外，有些是气体，有些是固体些是气体，有些是固体2一般密度比较大一般密度比较大一般密度比较小一般密度比较小3有金属光泽有金属光泽大多没有金属光泽大多没有金属光泽4大多是热及电的良导体大多是热及电的良导体,电阻通常随着温度的增高而电阻通常随着温度的增高而增大增大大多不是热和电的良导体，电大多不是热和电的良导体，电阻通常随温度的增高而减小阻通常随温度的增高而减小5大多具有展性和延性大多具有展性和延性大多不具有展性和延性大多不具有展性和延性6固体金属大多属金属晶体固体金属大多属金属晶体 固体大多属分子型晶体固体大多属分子型晶体7蒸气分子大多是单原子的蒸气分子大多是单原子的蒸气（或气体）分子大多是双蒸气（或气体）分子大多是双原子或多原子的原子或多原子的.黑色金属黑色金属：铁和以铁为基的合金：铁和以铁为基的合金 纯铁、钢、铸铁、铁合金纯铁、钢、铸铁、铁合金 占工程材料的占工程材料的90 有色金属有色金属：黑色金属以外所有金属、合金：黑色金属以外所有金属、合金 轻金属、难熔金属、贵金属等轻金属、难熔金属、贵金属等 金属键金属键(过渡金属含少量共价键过渡金属含少量共价键)(4)金属材料的分类金属材料的分类.重金属重金属:指比重大于指比重大于5的金属（一般指密度大于的金属（一般指密度大于4.5克克/立方厘米立方厘米的金属）的金属）,约有约有45种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、种，如铜、铅、锌、铁、钴、镍、锰、镉、汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活汞、钨、钼、金、银等。尽管锰、铜、锌等重金属是生命活动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并动所需要的微量元素，但是大部分重金属如汞、铅、镉等并非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体非生命活动所必须，而且所有重金属超过一定浓度都对人体有毒。有毒。轻金属轻金属:其共同特点是比重小于其共同特点是比重小于5，（一般指密度小于，（一般指密度小于4.5克克/立立方厘米的金属），如铝的比重是方厘米的金属），如铝的比重是2.7，镁的比重是，镁的比重是1.7倍，而倍，而钾的比重只有钾的比重只有0.87，钠只有，钠只有0.97；其次是化学活性大，与氧、；其次是化学活性大，与氧、硫、碳和卤素的化合物均非常稳定。硫、碳和卤素的化合物均非常稳定。重金属与轻金属的区别重金属与轻金属的区别.难熔金属难熔金属：一般指熔点高于：一般指熔点高于1650并有一定储量并有一定储量的金属（的金属（钨钨、钽钽、钼钼、铌铌、铪铪、铬铬、钒钒、锆锆和和钛钛），也有将熔点高于锆熔点（，也有将熔点高于锆熔点（1852）的金属称为）的金属称为难熔金属。以这些金属为基体，添加其他元素形难熔金属。以这些金属为基体，添加其他元素形成的合金称为难熔金属合金。制造耐成的合金称为难熔金属合金。制造耐1093（2000F）以上高温的结构材料所使用的）以上高温的结构材料所使用的难熔金属主要是钨、钼、钽和铌。难熔金属主要是钨、钼、钽和铌。难熔金属难熔金属.贵金属贵金属：主要指金、银和铂族金属（钌、：主要指金、银和铂族金属（钌、铑、钯、锇、铱、铂）等铑、钯、锇、铱、铂）等8种金属元素。这种金属元素。这些金属大多数拥有美丽的色泽，对化学药些金属大多数拥有美丽的色泽，对化学药品的抵抗力相当大，在一般条件下不易引品的抵抗力相当大，在一般条件下不易引起化学反应。它们被用来制作珠宝和纪念起化学反应。它们被用来制作珠宝和纪念品，而且还有广泛的工业用途。品，而且还有广泛的工业用途。贵金属贵金属.稀有金属稀有金属：稀有金属通常指在自然界中含量较少或分布稀：稀有金属通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属。散的金属。它们难于从原料中提取，在工业上制备和应用较晚。它们难于从原料中提取，在工业上制备和应用较晚。但在现代工业中有广泛的用途，如用于制造特种钢、超硬但在现代工业中有广泛的用途，如用于制造特种钢、超硬质合金和耐高温合金，在电气工业、化学工业、陶瓷工业、质合金和耐高温合金，在电气工业、化学工业、陶瓷工业、原子能工业及火箭技术等方面。原子能工业及火箭技术等方面。稀有金属的名称具有一定的相对性，随着人们对稀有稀有金属的名称具有一定的相对性，随着人们对稀有金属的广泛研究，新产源及新提炼方法的发现以及它们应金属的广泛研究，新产源及新提炼方法的发现以及它们应用范围的扩大，稀有金属和其它金属的界限将逐渐消失，用范围的扩大，稀有金属和其它金属的界限将逐渐消失，如有的稀有金属在地壳中的含量比铜、汞、镉等金属还要如有的稀有金属在地壳中的含量比铜、汞、镉等金属还要多。多。稀有金属稀有金属.稀有轻金属稀有轻金属：包括锂、铷、铯、铍。比重较小，化学活性强。包括锂、铷、铯、铍。比重较小，化学活性强。稀有难熔金属稀有难熔金属：包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨。熔点较高，包括钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨。熔点较高，与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。与碳、氮、硅、硼等生成的化合物熔点也较高。稀有分散金属稀有分散金属：简称稀散金属，包括镓、铟、铊、锗、铼以及硒、简称稀散金属，包括镓、铟、铊、锗、铼以及硒、碲。大部分赋存于其他元素的矿物中。碲。大部分赋存于其他元素的矿物中。稀有稀土金属稀有稀土金属：简称稀土金属，包括钪、钇及镧系元素。它们的化简称稀土金属，包括钪、钇及镧系元素。它们的化学性质非常相似，在矿物中相互伴生。学性质非常相似，在矿物中相互伴生。稀有放射性金属稀有放射性金属：包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、包括天然存在的钫、镭、钋和锕系金属中的锕、钍、镤、铀，以及人工制造的锝、钷、锕系其他元素和钍、镤、铀，以及人工制造的锝、钷、锕系其他元素和104至至107号号元素。元素。稀有金属的类型稀有金属的类型.准金属准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、半导体，一般指硅、硒、碲、砷、硼。砷、硼。准金属准金属.2 本课程的主要任务：本课程的主要任务：研究金属与合金的研究金属与合金的化学成分化学成分、加工工艺加工工艺、组织结构组织结构和和性能四要素性能四要素及四要素之间的关系及四要素之间的关系与变化规律。与变化规律。此亦为材料科学的研究内容此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是实际中我们最关心的是性能性能.举例：举例：b(MPa)铝合金铝合金 400600铜合金铜合金 60070040钢钢(退火态退火态)50040钢钢(调质态调质态)800性能取决于什么因素呢？性能取决于什么因素呢？化学成分不同，性能不同化学成分不同，性能不同 纯铝纯铝 40 纯铜纯铜 60 纯铁纯铁 200.21越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发.22古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯梯度度材材料料古古已已有有之之这这是是古古代代剑剑刃刃截截面面图图.化学成分相同，化学成分相同，处理方式处理方式不同，性能不同不同，性能不同0.8CC 的钢锯条的钢锯条800，冷却方式不同，冷却方式不同 一根出炉后一根出炉后水冷水冷，性，性硬而脆硬而脆，一弯就断；，一弯就断；另一根随炉另一根随炉缓慢冷却缓慢冷却，性软性软，弯曲，弯曲90 不断。不断。又如：又如：石墨和金刚石均由碳原子构成，石墨和金刚石均由碳原子构成，但性能迥异。但性能迥异。原因：碳原子的空间排列方式不同原因：碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同即内部组织结构不同.提高材料性能的主要途径提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的一方面改变材料的化学成分化学成分，另一方面，另一方面改进材料的改进材料的生产工艺生产工艺，进而改变材料内部的，进而改变材料内部的组织结构与性能。组织结构与性能。*材料科学研究的材料科学研究的四要素四要素及相互关系线：及相互关系线：性性 能能Performance加工工艺加工工艺Process化学成分化学成分Composition组织结构组织结构Construction内因内因外因外因 .（1）原子结构）原子结构：取决于取决于原子种类原子种类什么是组织结构？什么是组织结构？材料不同层次的结构材料不同层次的结构（2）晶体结构）晶体结构：原子在空间的排列方式原子在空间的排列方式.合金相形貌合金相形貌金属多晶体结构金属多晶体结构 显微组织显微组织（3）组织结构（显微组织）组织结构（显微组织）：在不同放大倍数放大镜、显微镜下观察在不同放大倍数放大镜、显微镜下观察到的金属的内部形貌到的金属的内部形貌.1原子种类原子种类;2内部原子排列的方式内部原子排列的方式;3合金元素的存在方式合金元素的存在方式;4内部不同尺度的各种结构缺陷内部不同尺度的各种结构缺陷 材料的组织结构取决于材料的组织结构取决于:.3 目的目的 利用上述四要素关系和规律：利用上述四要素关系和规律：（1）进行科学研究；）进行科学研究；（2）指导生产实践；）指导生产实践；（3）研制新合金材料。）研制新合金材料。.二、本课程内容二、本课程内容 1 金属材料科学研究内容：金属材料科学研究内容：成分、组织结构、工艺、性能成分、组织结构、工艺、性能 其课程体系：其课程体系：金属学、金属热处理、金属材料学、金属学、金属热处理、金属材料学、金属性能、材料分析技术与方法等金属性能、材料分析技术与方法等 2.课程的主要内容与教学安排课程的主要内容与教学安排.PerformancePropertiesSynthesis and ProcessingCompositions and Structures.第一章第一章 金属学概述（金属学概述（3学时学时）第二章第二章 金属及合金的塑性变形与断裂（金属及合金的塑性变形与断裂（6学时学时）第三章第三章 金属及合金的回复和再结晶（金属及合金的回复和再结晶（4学时学时）第四章第四章 有色金属及其合金的组织及强化机理（有色金属及其合金的组织及强化机理（6学时学时）第五章第五章 铸铁的石墨化原理（铸铁的石墨化原理（4学时学时）第六章第六章 铁碳合金（铁碳合金（5学时学时）第七章第七章 三元合金相图（三元合金相图（8学时学时）第八章第八章 金属固态转变（金属固态转变（4学时学时）2.课程的主要内容与教学安排课程的主要内容与教学安排.教材：教材：金属学与热处理原理金属学与热处理原理.崔忠圻崔忠圻编编.机械工业出版社机械工业出版社.2009年年金属材料工程实践教学综合实验指导书金属材料工程实践教学综合实验指导书.吴润等编吴润等编.冶金工业出版社，冶金工业出版社，2008年年参考书：参考书：1.金属学原理金属学原理.余永宁编余永宁编.冶金工业出版社冶金工业出版社.2005 2.金属学原理习题解答金属学原理习题解答.余永宁编余永宁编.冶金工业出版社冶金工业出版社.2004 3.金属学教程金属学教程.钟家湘等编钟家湘等编.北京理工大学出版社北京理工大学出版社.1995年年 3.教材及参考书教材及参考书.(1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法；本实验方法；(2)掌握金属材料的掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、成分、组织结构、工艺、性能间关系性能间关系的一般规律；的一般规律；(3)了解金属材料常用的分析方法，主要掌握了解金属材料常用的分析方法，主要掌握金相分析方法。金相分析方法。三三 要求要求：.一、金属材料性能的种类一、金属材料性能的种类2 金属材料力学性能金属材料力学性能 金属材料加工过程：金属材料加工过程：冶炼冶炼铸造铸造铸锭铸锭板棒型管板棒型管焊接焊接机加工机加工冷轧冷轧冷拔冷拔深冲深冲锻件锻件铸件铸件机加工：机加工：车、铣、车、铣、刨、磨刨、磨零零件件或或构构件件热轧热轧热锻热锻工艺性能工艺性能使用性能使用性能.故材料性能包含故材料性能包含使用性能使用性能与与工艺性能工艺性能两方面：两方面：1 使用性能使用性能：在使用条件下所表现的性能：在使用条件下所表现的性能 力学性能力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等强度、硬度、塑性、韧性等)；物理性能物理性能（光、电、磁等）；（光、电、磁等）；化学性能化学性能(抗氧化性、抗腐蚀性等抗氧化性、抗腐蚀性等)；其它性能其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等耐磨性、热硬性、消振性等)；.2 工艺性能：工艺性能：材料制备、加工过程中所表现的材料制备、加工过程中所表现的 铸造性能铸造性能（流动性、收缩、偏析等（流动性、收缩、偏析等)；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等；切削加工性；切削加工性；焊接性；焊接性；热处理性能；热处理性能；等等等等.二、力学性能：二、力学性能：工程材料在外力作用下所反应出来的性能工程材料在外力作用下所反应出来的性能 又称机械性能又称机械性能 主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等强度与塑性的测定强度与塑性的测定借助应力应变曲线借助应力应变曲线结构材料最重要、最基本的性能结构材料最重要、最基本的性能.变形三阶段：变形三阶段：(1)弹性变形弹性变形、(2)塑性变形塑性变形、(3)断裂断裂弹弹性性变变形形塑塑性性变变形形断断裂裂 低碳钢的应力应变曲线低碳钢的应力应变曲线应变应变应应力力.低碳钢应力应低碳钢应力应变曲线变曲线(1)弹性变形弹性变形:特点特点：应力撤消后应力撤消后,变形消失；变形消失；应力与应变成正比关系；应力与应变成正比关系；总变形量很小：总变形量很小：1%主要性能指标主要性能指标：弹性极限弹性极限e：保持弹性：保持弹性变形的最大应力，变形的最大应力，MPa 弹性模量弹性模量E：=E.(2)塑性变形塑性变形:应力撤消后应力撤消后,变形仅部变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。分消失，存在残余、永久性的变形。特点：特点：(1)变形具永久性、不可逆变形具永久性、不可逆性性(2)应力与应变非正比关系；应力与应变非正比关系；(3)变形量较大变形量较大可以塑性加工的原因可以塑性加工的原因残余残余变形量变形量弹性弹性变形量变形量.sb塑性变形中的重要指标塑性变形中的重要指标:承受的应力大小：承受的应力大小：断裂前塑性变形量的大小断裂前塑性变形量的大小:抗拉强度抗拉强度(b):抵抗最大均匀塑性变抵抗最大均匀塑性变形的应力值形的应力值屈服强度屈服强度(s):抵抗微抵抗微量塑性变形的应力值量塑性变形的应力值断后伸长率断后伸长率()、断面收缩率、断面收缩率().三、力学性能及指标三、力学性能及指标（一）（一）强度强度 材料抵抗变形或断裂的能力称为。材料抵抗变形或断裂的能力称为。1 弹性极限弹性极限(e)：规定弹性极限：规定弹性极限r0.012 屈服强度屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的：材料开始发生明显塑性变形时的应力值应力值(s),Mpa。(1)实质是实质是抵抗微量塑性变形的抗力抵抗微量塑性变形的抗力。(2)无明显屈服现象时采用条件屈服极限无明显屈服现象时采用条件屈服极限0.2 规定残余伸长率为规定残余伸长率为0.2%时对应的应力值时对应的应力值.s0.2bbe 低碳钢与铸铁的应力应变曲线低碳钢与铸铁的应力应变曲线 断裂与塑性变形是材料断裂与塑性变形是材料失效的形式失效的形式.3 抗拉强度抗拉强度：材料在破断前所承受的最：材料在破断前所承受的最大应力值（大应力值（b）,Mpa。产生最大均匀塑性变形的抗力。产生最大均匀塑性变形的抗力。存在颈缩现象存在颈缩现象不均匀塑性变形不均匀塑性变形注意：注意：塑性变形中塑性变形中:s 2.（二）塑性（二）塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。(1)伸长率伸长率（）：试样拉断后标距的增）：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比长量与原始标距长度之比;=(L断后断后-L原始原始)/L原始原始%=L/L0%(2)断面收缩率断面收缩率（）：试样拉断处横截）：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比面积的缩减量与原始横截面积之比.=(A原始原始-A断后断后)/A原始原始%=A/A0%.、越高，材料的塑性越好越高，材料的塑性越好 通常通常 5%脆性材料脆性材料 塑性的意义：塑性的意义：成形成形 安全安全.（三）硬度（三）硬度 材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即受材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即受压时抵抗表面局部塑性变形的能力。压时抵抗表面局部塑性变形的能力。衡量材料软硬程度的指标衡量材料软硬程度的指标 硬度与强度间存在一定关系硬度与强度间存在一定关系(1)布氏硬度布氏硬度(HB)较软材料较软材料有色金属有色金属(2)洛氏硬度洛氏硬度(HR)硬度中等硬度中等钢铁材料钢铁材料 具体：具体：HRA、HRB、HRC 其中其中HRC：软硬范围较宽，应用最广：软硬范围较宽，应用最广 (3)维氏硬度维氏硬度(HV)较硬材料较硬材料(4)显微硬度显微硬度(HV)测定材料内部微区的相、测定材料内部微区的相、组织的硬度组织的硬度.球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值较软材料：有色金属、灰口铸铁等较软材料：有色金属、灰口铸铁等 布氏硬度布氏硬度(HB)通常碳素钢：通常碳素钢：bHB.测定压痕深度测定压痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：注：h:压痕深度压痕深度 k:常数，常数，0.2或或0.26mm;0.002mm:一个洛氏硬一个洛氏硬度单位度单位适合测量的材料适合测量的材料HRA：硬质合金：硬质合金；HRC:淬火钢淬火钢HRB:低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 洛氏硬度：洛氏硬度：.维氏硬度维氏硬度：压痕单位表面积上压痕单位表面积上所承受的平均压力值所承受的平均压力值金刚石正四棱锥体金刚石正四棱锥体压头压头 硬度表示方法硬度表示方法：HBS200 HBW400HRA55 HRB30 HRC45HV900 HV1100F.（四）韧性（四）韧性 当加载速度极快时，不能用静载当加载速度极快时，不能用静载荷下的荷下的 s、b作失效判据。作失效判据。1 引入引入冲击韧性冲击韧性(k):材料在材料在冲击载冲击载荷荷作用下抵抗破坏的能力作用下抵抗破坏的能力用破坏材料时所消耗的功衡量用破坏材料时所消耗的功衡量,是强度与塑性的综合指标是强度与塑性的综合指标 ，k；或或，k.k =Ak/s.金属的金属的k与温度直接相关：与温度直接相关：（1）T，k（2）存在韧脆转变温度）存在韧脆转变温度Tk：当：当T Tk 时，金属为脆性状态时，金属为脆性状态k 脆脆性性区区韧韧性性区区.当材料内部存在当材料内部存在裂纹裂纹缺陷时：缺陷时：2 断裂韧度断裂韧度K KIcIc裂纹尖端产生应力集中裂纹尖端产生应力集中应力被放大应力被放大.3 金属材料制备原理及方法金属材料制备原理及方法.2 本课程的主要任务：本课程的主要任务：研究金属与合金的研究金属与合金的化学成分化学成分、加工工艺加工工艺、组织结构组织结构和和性能四要素性能四要素及四要素之间的关系及四要素之间的关系与变化规律。与变化规律。此亦为材料科学的研究内容此亦为材料科学的研究内容 实际中我们最关心的是实际中我们最关心的是性能性能.少数化学性质不活泼的金属，在自然界中少数化学性质不活泼的金属，在自然界中能以游离态存在，如：能以游离态存在，如：Au Pt及少量及少量Ag Cu化学性质比较活泼的金属，在自然界中化学性质比较活泼的金属，在自然界中总是以化合态存在，如：总是以化合态存在，如：Na Mg Al 等等一、金属元素在自然界中的存在形式一、金属元素在自然界中的存在形式1.1.游离态游离态2.2.化合态化合态.蓝蓝铜铜矿矿磁磁铁铁矿矿.人们日常应用的金属材料，多为合金或纯人们日常应用的金属材料，多为合金或纯金属，这就需要把金属从矿石中提炼出来，这金属，这就需要把金属从矿石中提炼出来，这就是人们常说的金属的冶炼。就是人们常说的金属的冶炼。1.1.金属冶炼的实质金属冶炼的实质 用还原的方法，使金属化合物中的金属阳用还原的方法，使金属化合物中的金属阳离子得到电子变成金属原子。离子得到电子变成金属原子。即：即：M Mn+n+ne+ne-M二、二、金属的冶炼金属的冶炼.2.2.金属冶炼的步骤金属冶炼的步骤 矿石的富集矿石的富集除去杂质，提高矿石中有用成分的含量除去杂质，提高矿石中有用成分的含量 冶炼冶炼 利用氧化还原反应，在一定条件下，用还利用氧化还原反应，在一定条件下，用还原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属原剂把金属矿石中的金属离子还原成金属单质。单质。精炼精炼提高金属的纯度提高金属的纯度.金属的冶炼自然界中的金属大都以化合态存在用化学的方法把化合态的金属变成游离态要考虑的问题矿石的富集合适的冶炼方法如何精炼.铁矿石的开采铁矿石的开采.铁矿石的种类铁矿石的种类磁铁矿磁铁矿赤铁矿赤铁矿.炼钢炼铁 大多数金属矿石里含有杂质，如石英、石灰等，因此在冶炼金属时首先需要富集矿石。在富集好的矿石中利用不同方法将金属还原出来，最后进行提纯。.简单，实用，节省的原则简单，实用，节省的原则1 1、热分解法、热分解法有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。在金属活动性顺序表中，位于氢后面的某在金属活动性顺序表中，位于氢后面的某些金属的氧化物受热就能分解。些金属的氧化物受热就能分解。2HgO =2Hg+O2HgO =2Hg+O2 22Ag2Ag2 2O =4Ag+OO =4Ag+O2 23 3、冶炼方法的选择、冶炼方法的选择.2 2热还原法热还原法 多数金属的冶炼过程属于热还原多数金属的冶炼过程属于热还原法。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢法。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等。气和活泼金属等。高温高温高温高温Fe2O3+3CO =2Fe+3CO2WO3+3 H2 =W+3H2OCr2O3+2 Al =2Cr+Al2O3高温高温高温高温.2Al2O3=4Al+3O22NaCl=2Na+Cl23 3电解法电解法 在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其从化合物中还原出来，而只能用通原剂使其从化合物中还原出来，而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。电解电解电解电解.电解法电解法.冰晶石冰晶石冰晶石又名氟铝酸钠或氟化铝钠，分子式冰晶石又名氟铝酸钠或氟化铝钠，分子式为为Na3AlF6，白色细小的结晶体，无气味，白色细小的结晶体，无气味，溶解度比天然冰晶石大，比重为溶解度比天然冰晶石大，比重为3，硬度，硬度23，熔点，熔点1000，易吸水受潮。，易吸水受潮。冰晶石主要用作铝冰晶石主要用作铝电解电解的助熔剂，橡胶、的助熔剂，橡胶、砂轮的耐磨填充剂，搪瓷乳白剂，玻璃遮砂轮的耐磨填充剂，搪瓷乳白剂，玻璃遮光剂和金属熔剂，农作物的杀虫剂等。光剂和金属熔剂，农作物的杀虫剂等。.K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb（H）Cu Hg Ag电解法电解法热还原法热还原法热分解法热分解法不同金属冶炼方法的选择不同金属冶炼方法的选择.一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、矿石的一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、矿石的类型和经济效果等有关。金属的提炼方法与它们在周期表中类型和经济效果等有关。金属的提炼方法与它们在周期表中的位置大致关系见表。的位置大致关系见表。.金属的精练金属的精练现介绍几种常见的金属精炼方法。现介绍几种常见的金属精炼方法。一、电解精炼一、电解精炼:常用此法精炼提纯的金属有常用此法精炼提纯的金属有Cu、Au、Pb、Zn、Al等。等。二、气相精炼法二、气相精炼法镁、汞、锌、锡等可用直接蒸馏法提纯。例如，粗锡中的镁、汞、锌、锡等可用直接蒸馏法提纯。例如，粗锡中的锡和所含杂质具有不同的沸点，控制温度在锡的沸点以下，锡和所含杂质具有不同的沸点，控制温度在锡的沸点以下，“杂质沸点杂质沸点”以上，可使杂质挥发除去。为了改善蒸馏条件，以上，可使杂质挥发除去。为了改善蒸馏条件，采用真空蒸馏是很适合的。采用真空蒸馏是很适合的。羰化法：是提纯金属的一种较新的方法。现以镍为例。羰羰化法：是提纯金属的一种较新的方法。现以镍为例。羰化法提纯镍是基于镍能与一氧化碳生成易挥发并且也容易分化法提纯镍是基于镍能与一氧化碳生成易挥发并且也容易分解的一种化合物解的一种化合物四羰基合镍。四羰基合镍。Ni+4CO Ni(CO)4.金属的精练 碘化物热分解法：可用于提纯少量锆、铪、铍、硼、硅、钛和碘化物热分解法：可用于提纯少量锆、铪、铍、硼、硅、钛和钨等。钨等。三、区域熔炼三、区域熔炼 将要提纯的物质放进一个装有移动式加热线圈的套管内，将要提纯的物质放进一个装有移动式加热线圈的套管内，强热熔化一个小区域的物质，形成熔融带。将线圈沿管路缓慢强热熔化一个小区域的物质，形成熔融带。将线圈沿管路缓慢地移动，熔融带便随着它前进。地移动，熔融带便随着它前进。一般混合物的熔点较组成混合物的纯物质的熔点低，因此一般混合物的熔点较组成混合物的纯物质的熔点低，因此当线圈移动时，熔融带的末端即有纯物质晶体产生。不纯物则当线圈移动时，熔融带的末端即有纯物质晶体产生。不纯物则汇集在液相内，随线圈的移动而集中于管子末端，这样便能轻汇集在液相内，随线圈的移动而集中于管子末端，这样便能轻易地将不纯物自样品末端除去。此法常用于制备半导体材料易地将不纯物自样品末端除去。此法常用于制备半导体材料镓、锗、硅和高熔点金属等。产品中杂质含量可低于镓、锗、硅和高熔点金属等。产品中杂质含量可低于10-10%。.金属的精练碘化物热分解法：可用于提纯少量锆、铪、铍、碘化物热分解法：可用于提纯少量锆、铪、铍、硼、硅、钛和钨硼、硅、钛和钨等等。三、区域熔炼三、区域熔炼将要提纯的物质放进一个装有移动式加热线圈的将要提纯的物质放进一个装有移动式加热线圈的套管套管内，强热熔化一个小区域的物质，形成熔融带。内，强热熔化一个小区域的物质，形成熔融带。将线圈沿管路缓慢地移动，熔融带便随着它前进。将线圈沿管路缓慢地移动，熔融带便随着它前进。一般混合物的熔点较组成混合物的纯物质的熔一般混合物的熔点较组成混合物的纯物质的熔点低，因此当线圈移动时，熔融带的末端即有纯物点低，因此当线圈移动时，熔融带的末端即有纯物质晶体产生。不纯物则汇集在液相内，随线圈的移质晶体产生。不纯物则汇集在液相内，随线圈的移动而集中于管子末端，这样便能轻易地将不纯物自动而集中于管子末端，这样便能轻易地将不纯物自样品末端除去。此法常用于制备半导体材料样品末端除去。此法常用于制备半导体材料镓、镓、锗、硅和高熔点金属等。产品中杂质含量可低于锗、硅和高熔点金属等。产品中杂质含量可低于10-10%。.人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。展的重要物质基础。4 金属材料的应用和发展金属材料的应用和发展.材料与化学化工学院青铜时代青铜时代（公元前（公元前5000年）年）.834000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。司母戊鼎司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土河南安阳晚商遗址出土青铜铸造青铜铸造高高133厘米厘米 重重875kg饰纹优美饰纹优美.84越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓出土于湖北江陵楚墓 长长55.7厘米厘米 剑锷锋芒犀利剑锷锋芒犀利锋能割断头发锋能割断头发.85古代剑刃制造中的特殊技术古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的春秋战国时代的青铜剑，剑身及青铜剑，剑身及剑锋由不同成分剑锋由不同成分的青铜组成，是的青铜组成，是复合材料很好的复合材料很好的例子例子梯梯度度材材料料古古已已有有之之这这是是古古代代剑剑刃刃截截面面图图.86黄石铜矿遗址黄石铜矿遗址春秋晚期春秋晚期矿井深达矿井深达50m50m炼铜炉渣多达炼铜炉渣多达4040万吨万吨 .87 我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在天工开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命开物一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。理方面就已经有了较高的成就。生铁炒熟铁图生铁炒熟铁图宋应星宋应星.铁刃铁刃铜钺 铁器时代（公元前铁器时代（公元前1200年）年）双窄铁板双窄铁板.89金属材料新时代金属材料新时代 由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括特性的材料的统称。包括 纯金属纯金属 合金合金 金属间化合物金属间化合物 特种金属材料等特种金属材料等.90黑色金属：又称钢铁材料，包括含铁黑色金属：又称钢铁材料，包括含铁90以上的以上的工业纯铁，含碳工业纯铁，含碳24的铸铁，含碳小于的铸铁，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。包括铬、锰及其合金。钢是现代社会生产和生活所必需的基本材料，钢是现代社会生产和生活所必需的基本材料，而钢和钢材的产量、品种、质量已作为衡量一个而钢和钢材的产量、品种、质量已作为衡量一个国家工业、农业、国防和科学技术现代化的一个国家工业、农业、国防和科学技术现代化的一个重要标志。重要标志。.91有色金属：是指除铁、铬、锰以外的所有金属及有色金属：是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。系数小。特种金属材料：包括不同用途的结构金属材料和特种金属材料：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，以及金属基复合磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。材料等。.结构材料结构材料.93机械工业是金属材料应用的重要领域机械工业是金属材料应用的重要领域.94.歼十飞机歼十飞机.波音波音777客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件客机上的发动机的压缩机、叶片及紧固件.磁悬浮列车磁悬浮列车Maglev train magnetically levitated train.超级钢：超级钢：汽车用钢，比原先的轻汽车用钢，比原先的轻24%，而强度高，而强度高34%，称为超级钢称为超级钢.102.103.钛结构自行车钛结构自行车：“自行车发烧友自行车发烧友”选择钛合金制自行车。选择钛合金制自行车。钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，钛合金的应用场合很特殊。通常用于需要抗腐蚀，耐疲劳，高弹性的场合高弹性的场合。.核磁共振仪核磁共振仪NMR-Nuclear magnetic resonance instrument.各种金属零部件.107 随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对随着经济的飞速发展和科学技术的进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功刚度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照和多功能的方向发展。能的方向发展。国产东风国产东风4D-0088内燃机车内燃机车美国美国F-117隐身飞机隐身飞机.108随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。随着机械工业的发展，对产品的要求越来越高。在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的在产品设计与制造过程中，会遇到越来越多的材料及材料加工方面的问题。材料及材料加工方面的问题。要求工程技术人员掌握必要的材料科学与材料要求工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合工程知识，具备正确选择材料和加工方法、合理安排加工工艺路线的能力。理安排加工工艺路线的能力。.109鞍钢攀钢夜景新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢新中国成立后，先后建起了鞍山、攀枝花、宝钢等大型钢铁基地。钢产量由铁基地。钢产量由49年的年的15.8万吨上升到现在的一亿吨。万吨上升到现在的一亿吨。.110中中国国第第一一颗颗人人造造卫卫星星长长征征火火箭箭大大家家族族中中国国第第一一颗颗原原爆爆子子弹弹炸炸中中国国第第一一颗颗氢氢弹弹爆爆炸炸原子弹、氢原子弹、氢弹的爆炸，弹的爆炸，卫星、飞船卫星、飞船的上天等都的上天等都说明了我国说明了我国在材料的开在材料的开发、研究及发、研究及应用等方面应用等方面有了飞跃的有了飞跃的发展。发展。.111中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞船号飞船“神神舟舟二二号号”飞飞船船运运往往发发射射工工位位 “神神舟舟”一一号号飞飞船船“神舟神舟”一号一号发射成功发射成功“神舟神舟”二号发射成二号发射成功功.112 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”号飞船号飞船“神舟神舟”三号三号发射成功发射成功“神舟神舟”四号四号发射成功发射成功“神神舟舟”三三号号飞飞船船“神神舟舟”四四号号飞飞船船.113 中国的航天事业中国的航天事业-“神舟神舟”五号载人飞五号载人飞船船杨杨利利伟伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱.1、金属回收的意义金属回收的意义节约矿物资源；节约矿物资源；节约能源；节约能源；减少环境污染。减少环境污染。2、回收废金属的利用回收废金属的利用大多可以重新制成金属及其化合物再利用大多可以重新制成金属及其化合物再利用从电解精炼铜的阳极泥中，回收金、银等贵重金属。从电解精炼铜的阳极泥中，回收金、银等贵重金属。从定影液中回收提取金属银。从定影液中回收提取金属银。废铁屑可制取绿矾废铁屑可制取绿矾（FeSO47H2O)5 5 金属资源的回收和利用金属资源的回收和利用.思考题思考题 1 本课程的主要内容以及本课程的基本任务。本课程的主要内容以及本课程的基本任务。2 金属材料的性能与哪三大因素有关，提高金属材料的性能与哪三大因素有关，提高材料性能的两条主要途径是什么？材料性能的两条主要途径是什么？.