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1、材料科学与工程导论材料科学与工程导论主讲人：黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院 2011年11月24日一、金属材料的性质第三章第三章 金属材料金属材料包括纯金属及其合金。合金是由两种或两种以上元素 组成，其中至少有一种为金属元素组成具有金属性的材料 。金属材料的结合健主要为金属健，延展性大，导热和导 电性好。铁及铁基合金：纯铁、钢、铸铁非铁金属及其合金：轻金属 Al Mg Ca Na Li重金属 Ni Cu Zn Pb Sn 贵金属 Ag Au Pt Ir 稀有金属 Zr Ti Nb 稀土金属 Sc Y La 放射性金属 Ra Po U Th 金属材料金属材料贵金属Ir的配合物：发射磷光金属
2、材料金属材料夜光材料 光致发光：当光能作用于某些发光材 料，其中一部分电子被“激发”从低能带 跃入高能带，而当电子从高能带再返回 低能带时，便将获得的能量以可见光的 形式释放出来。光致发光 荧光：寿命短，有激发光照射时会发光，激发光停止后荧光就 立即没有了。磷光：有一定长度的延时（驰豫时间），激发光停止后，样品 还能继续发光一段时间。发出磷光的退激发过程是被量子力学 的跃迁选择规则禁阻的，因此这个过程很缓慢。 稀土金属 ：元素周期表B族中钪、钇、镧系17种元素的总称，是典型的 金属元素，活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，具有未充满的电子层结 构，并由此而产生多种多样的电子能级。可以作为优良的荧
3、光，激光和电 光源材料，且已广泛应用于电子、能源、磁性材料等众多先进材料领域。金属材料金属材料金属材料金属材料放射性金属 Ra：居里夫人发现了放射性元素钋(Po)和镭(Ra)，并因此了1903 年诺贝尔物理学奖。之后，居里夫人继续研究了镭在在化学和医学上的应用， 并且因分离出纯的金属镭而又获得1911年诺贝尔化学奖。她研究工作的杰出应 用之一就是应用放射性治疗癌症。地壳中元素含量示意图金属之最硬度最高的金属 铬熔点最高的金属 钨熔点最低的金属 汞密度最大的金属 锇 密度最小的金属 锂地壳中含量最高的金属元素 铝 目前世界上应用最广、用量最大的金属元素 铁 人体中含量最高的金属元素 钙 导电、导
4、热性最好的金属 银金属的导电性、导热性 导电性：由于自由电子在外加电场的作用下产生定向 移动形成电流。故金属容易导电。 导热性：自由电子在运动时与金属离子相互碰撞，在 碰撞过程中发生能量交换，使整块金属达到同样的 温度。金属共同的物理性质正的电阻温度系数金属共同的物理性质电阻温度系数： 温度上升1时，电阻率 的变化系数。正电阻温度系数：导体的电阻率随温度的升高而增大。负电阻温度系数：半导体材料的电阻率随温度的升高而减 小。如以锰、钴、镍和铜等金属氧化物材料具有半导体性 质，温度低时，这些材料的载流子（电子和空穴）数目少 ，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加 ，所以电阻值降低。绝大
5、多数金属有延展性（塑性）：当金属受到外力时，金属内原子层之间容易作相 对位移，而金属离子和自由电子仍保持着金属键的 结合力，金属发生变形而不易断裂，因此金属具有 良好的延展性。金属共同的力学性质最细的白金丝直径不过1/5000 mm最薄的金箔只有1/10000 mm厚压拉金属一般具有哪些化学性质金属一般具有哪些化学性质 金属具有还原性 与氧等非金属反应 与水反应 与酸反应 与盐反应为什么地球上的绝大多数金属元素是以化合态存在于自然界？金属活动顺序表,从左到右,金属与氧气反应 ，条件不同，产物也不同，难易程度是:易难K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb Cu Hg Ag Pt Au
6、常温时生成正常价 态氧化物，加热时 生成复杂氧化物。不与氧气反应常温反应成膜，点 燃或加热条件下生 成氧化物二、铁及铁基二、铁及铁基合金合金前 言钢铁于公元前1500出现，是当前最重要的 材料之一；地壳中平均含量: 4.7%, 储量集中，易于开 采和冶炼；铁的强度和塑性配合得比较好；通过热处理可以获得多种组织结构，性能 范围广；有铁磁性。1.纯铁-Fe (912 ) -Fe (1394 ) -Fe (1538 ，熔点 ) Liquid Fe与-Fe 的晶格结构完全相同，为体心立方 晶格； -Fe 为面心立方晶格因为强度较低、硬度低，一般不作结构材料塑性好，一般用于软磁材料，如变压器的铁芯 什么
7、是合金？由两种或两种以上的金属（或金属与非 金属）熔合而成的具有金属特性的物质。2.合金 为什么我们使用的金属材料主要是合 金，而不是纯金属？合金的性质 一般情况下，合金比纯金属硬度更大、更坚固。 多数合金的熔点一般比各成分金属的低。 一般来说，合金的性质并不是各成分的性质的总和，合金 具有良好的物理、化学和机械性能。 合金的性能可以通过所添加的合金元素的种类、含量和生 成合金的条件等来加以调节。熔点硬度延展性 韧性纯金属相对高较软良好合金相对低相对硬一般相对差为什么一般情况下，合金比纯金属硬度更大、 更坚固？纯金属和合金的结构并不相同，在纯金属内，所有 原子的大小和形状都是相同的，原子的排列
8、十分规整； 而合金内加入其他元素或大或小的原子，改变了金属原 子有规则的层状排列，使原子层与层之间的相对滑动变 得困难。 为什么一般情况下合金的熔点比纯金属低？合金中的晶格发生了畸变，不像原始的那么稳定了 ，要破坏它们之间的化学键，需要的能量比原始的要少 ，即熔点会降低。纯金属合金铸铁碳钢含碳量硅、锰含量硫、磷含量性质加工分类0.3 2 .112.11 4 %较少较少 少量几乎不含硬而脆硬度大，有韧性、弹性以铸为主，设 备工艺简单可铸可锻，设备工 艺较复杂白口铸铁、灰口铸 铁、球墨铸铁等普通碳钢、合金钢3. 铁碳合金铸锻含义组织结 构铸件的气孔大，叫 做气泡，因为在熔 化过程中，液态金 属中的
9、气没有来得 及跑，是很容易断 裂的地方经过紧 密锻打产生的 气孔是非常细腻的， 因而产品性能更好把金属融化后的 液态物倒入事先 做好的模具中使 其冷却成形把金属加热到软 化的状态，通过 外力击打，形成 所需要的形状铸与锻碳铸铁（生铁）铸铁冶炼成钢碳化铁适当地降低铸铁 里的含碳 量，除去大部分硫、磷等有害 杂质 ，调整钢里合金元素含 量到规定范围之内。炼钢 的主要反应原理，是 利用氧化还原反应，在高温下 ，用氧化剂把生铁里过多的碳 和其它杂质 氧化成为气体或炉 渣除去。要改善提高碳钢的使 用性能，通常要对钢进 行热 处理。石墨石墨的强度、硬度和韧性 不高，但具有润滑作用， 它的存在能增加铸铁 的
10、铸 造、切削和耐磨性能碳化铁硬而脆，塑性低 ，含量适当可提高生铁 的强度和硬度，含量过 多，则使生铁难于削切 加工 铸铁4. 碳钢4.1 碳在铁中的存在形式：（1）形成固溶体铁素体：碳以间隙形式存在于-Fe中，其最大溶解度为 0.0218% (727 )；强度低、硬度低、塑性好，机械性能与工业纯铁相当。奥氏体：碳以间隙形式存在于-Fe中，其最大溶解度2.11% (1148 )；强度较低、硬度较低、塑性较好。固溶体 ：碳以间隙形式存在于-Fe中，又称为高温铁素体。（2）形成化合物：Fe3C，称为渗碳体，含碳量6.69%，熔 点1227；强度高、硬度高、塑性几乎为零。（3）单质-石墨：简单六方晶格
11、，强度和硬度不高，塑性几乎为零；4.2 相图及其应用 相：在相同的温度、压力和成分条件下，系统中单个均匀部分称为相 。 相变：外界条件发生变化的过程中，物相于某一特定条件下（临界值 ）时发生突变。 相图：描述系统的温度、压力及成分等状态之间的关系的一种图解， 又称为状态图或平衡图。 相律：是分析和使用相图的重要理论依据，它表示在相平衡条件下， 系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。 （独立变量数或自由度）= n（独立化学组元数） + 2 (相数)利用相图，可以了解各种成分的材料在不同温度、压力下的相 组成，多种相的成分与相对量以及组织的变化规律等，这对于 对制定材料热加工工艺、分析和检
12、测材料的性能以及研究开发 新材料等都有重要作用和指导意义。相图的建立一般采用热分析法，其基本思路是先配制一系列不同 成分的给定合金，绘制它们各自的冷却曲线，然后由冷却曲线上的 临界点绘制相图。100%Ni温 度 时间Cu 20 40 60 80 NiNi %TNiTCu80%Ni 60%Ni 40%Ni 20%Ni100%Cu（a） （b） Cu-Ni合金相图的测绘 （a）冷却曲线 （b）Cu-Ni相图二元相图的建立固相线液相线LSL + S10831452A1083B1452L1L2L3L4S4S3S2LSL+S温 度Cu XL X0 XS Ni % Ni 时间（a） （b） Cu-Ni合金
13、相图LLSSS1t1t2t3t4固溶体合金的平衡结晶过程固溶体合金的平衡结晶过程 铁碳合金相图在钢中分别按一定的比例熔合锰、钨、镍、硅等 物质后，分别得到锰钢、钨钢、镍钢、硅钢等合金钢 (也叫特种钢)。种类类性能用途 不锈钢锈钢坚韧坚韧 、耐腐蚀蚀制作化工耐酸塔、医疗疗器械 、建筑材料、日常用品等 锰钢锰钢很强的耐磨性和韧韧 性制造拖拉机履带带、钢轨钢轨 和汽 车车轴车车轴 等 钨钢钨钢耐高温，硬度大制作切削金属的刀具常见的合金钢5. 合金钢合金钢中合金元素的作用铬：增强耐腐蚀性和抗氧化性；增强高温强度，提高高碳 钢的耐磨性。镍: 提高耐腐蚀性，改善塑性，提高强度。锰：防止硫引起的脆性；增强钢
14、的强度和韧性。钼：减少脆性；增强高温强度；提高红热时的硬度和耐磨 性等。钨：提高高温时的强度和硬度；增强工具钢的耐磨性等。钴：提高红热时的硬度和耐磨性；用于制造磁性合金等。硅: 提高低合金钢的强度和硬度，增强高温时的抗氧化性 等。不锈钢是一类高合金钢（即在碳钢中加入的合 金元素的总含量在10以上的合金钢）。各种不锈 钢实际上都含有铬在12 以上。铬是使不锈钢具有耐腐蚀性的最主要的元素。 当钢中含铬量达12 左右时，其表面形成一层极薄 而致密的铬的氧化物膜，阻止钢中金属基体被继续 侵蚀。镍的作用是改善加工性能和增强抗蚀性（特别 是对热碱的抗蚀性）。铬镍不锈钢具有优良的抗蚀性，且延展性良好 ，适于
15、加工成复杂的形状。不锈钢金属腐蚀的危害 金属的腐蚀对国民经济带来的损失是惊人的，据70年代美国的一份统 计报告，全世界每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料，约相当于金属年 产量的1/3，至于因设备腐蚀损坏而引起的停工减产、产品质量下降、污染 环境、危害人体健康甚至造成严重事故的损失，就更无法估计。钢铁生锈造成大桥断裂！铁管生锈1、化学腐蚀金属跟接触到的物质 (如O2、Cl2 、SO2等)直接发生化学 反应而引起的腐蚀。例如：铁与氯气直接反应，钢管被原油 中的含硫化合物腐蚀。金属的腐蚀金属或合金跟周围接触到的气体或液体进行化学反应而 腐蚀损耗的过程，即为金属的腐蚀。其本质为金属原子失去 电子被氧化的过程。升温可 加快金 属腐蚀左边家用燃气 灶的中心部位 很容易生锈， 而右边的食品 罐头放在南极 80多年了，却 很少生锈。2、电化学腐蚀不纯的金属（或合金）跟电解质溶液接触时，会发生原 电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化的反应。与化 学腐蚀往往同时发生，电化学腐蚀更普遍。例如：钢铁在潮湿的空气中更容易腐蚀
