2.有色金属材料的制备
《金属工艺学》课程笔记 (2)
《金属工艺学》课程笔记第一章绪论一、金属工艺学概述1. 定义与重要性金属工艺学是研究金属材料的制备、加工、性能、组织与应用的科学。
它对于工程技术的进步和工业发展至关重要，因为金属材料在建筑、机械、交通、电子、航空航天等几乎所有工业领域都有广泛应用。
2. 研究内容（1）金属材料的制备：包括金属的提取、精炼、合金化等过程，以及铸造、粉末冶金等成型技术。
（2）金属材料的加工：涉及金属的冷加工（如轧制、拉伸、切削）、热加工（如锻造、热处理）、特种加工（如激光加工、电化学加工）等。
（3）金属材料的性能：研究金属的物理性能（如导电性、热导性）、化学性能（如耐腐蚀性）、力学性能（如强度、韧性）等。
（4）金属材料的组织与结构：分析金属的晶体结构、相变、微观缺陷、界面行为等。
（5）金属材料的应用：研究金属材料在不同环境下的适用性、可靠性及寿命评估。
3. 学科交叉金属工艺学是一门多学科交叉的领域，它与物理学、化学、材料学、力学、热力学、电化学等学科有着紧密的联系。
二、金属工艺学发展简史1. 古代金属工艺（1）铜器时代：人类最早使用的金属是铜，掌握了简单的铸造技术。
（2）青铜器时代：铜与锡的合金，青铜，使得工具和武器的性能得到提升。
（3）铁器时代：铁的发现和使用，推动了农业和手工业的发展。
2. 中世纪至工业革命（1）炼铁技术的发展：如鼓风炉、熔铁炉的发明，提高了铁的产量。
（2）炼钢技术的进步：如贝塞麦转炉、西门子-马丁炉的出现，实现了钢铁的大规模生产。
3. 近现代金属工艺（1）20世纪初：金属物理和金属学的建立，为金属工艺学提供了理论基础。
（2）第二次世界大战后：金属材料的快速发展，如钛合金、高温合金的出现。
4. 当代金属工艺（1）新材料的开发：如形状记忆合金、超导材料、金属基复合材料等。
（2）新技术的应用：如计算机模拟、3D打印、纳米技术等。
三、金属工艺学在我国的应用与发展1. 古代金属工艺的辉煌（1）商周时期的青铜器：技术水平高超，工艺精美。
第一篇 金属材料的制备与加工工艺
一、生铁冶炼
2、高炉设备及工艺过程
一、生铁冶炼
2、高炉设备及工艺过程
图 5-4 高炉内型示意图
炼 铁 高 炉 的 结 构
炼铁工业设备图
炼铁工业设备图
一、生铁冶炼
铁 矿 石 熔 剂 焦 炭
2、高炉设备及工艺过程
上料机
喷吹 燃料罐
燃料 高炉
热风 热风炉
冷风 鼓风机
空气
炉渣
生铁
煤气
水 渣
渣 棉
矿石中的磷主要以(CaO)3P2O5[Ca3(PO4)2]的形 式存在，磷酸钙在1200~1500℃以固体碳为还原剂 发生直接还原反应，反应为： (CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO 而SiO2存在，又能与磷酸钙中的CaO相结合， 使P2O5游离出来，从而加速磷酸钙的还原，反应为： 2(3CaO· 2O5)+3SiO2=3(2CaO· 2)+2P2O5 P SiO 2P2O5+10C=4P+10CO 被还原出来的磷除小部分挥发外都溶入铁中， 还原出来的磷与铁结合生成Fe2P或Fe3P并溶于生铁 中，因此控制生铁含磷量的唯一方法是控制炉料的 含磷量。
一、生铁冶炼
1、炼铁的原料
（2）熔剂
作用：
降低脉石熔点，生成熔渣； 去硫
种类：
通常用碱性熔剂石灰石
要求：
碱性氧化物高（CaO+MgO）＞50%，酸性氧化物低(SiO2+Al2O3） ≤3.5% P、S低，强度高，粒度均匀，一般25~75mm，最好与矿石粒度一 致
一、生铁冶炼
1、炼铁的原料
一、生铁冶炼
（2） 高炉渣
材料制备与加工
、八、•刖言材料制备与加工（液态成形）材料科学与工程学院党惊知1）材料制备铸造材料的熔炼（化），处理等。
2）材料加工铸造方法、工艺、铸型、设备等。
1、材料制备1）铸铁普通灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、特种铸铁等。
2）铸钢普通碳钢、低合金钢、特殊用钢等。
3）铸造有色合金铝合金、铜合金、锌合金、镁合金钛合金等。
材料的熔炼铸铁的熔炼铸钢的熔炼有色合金的熔炼熔炼设备铸铁——冲天炉，中频感应电炉等。
铸钢——电弧炉，中频感应电炉等。
有色合金——燃气、燃油炉，电阻炉，感应炉等。
熔炼工艺材料准备加料顺序熔炼温度化学成分处理工艺等液态合金的处理铸铁——孕育处理、球化处理、蠕化处理。
铸钢——净化处理。
有色合金——精炼处理、变质处理等。
2电磁泵低压铸造技术电磁泵系统是将电磁作用力直接作用于液态金属，驱动其定向移动，具有传输平稳、加压规范连续精确可调、炉体不需密封、生产过程稳定可靠等特点。
2. 1电磁泵低压铸造技术原理与过程电磁泵的工作参数是电磁铁磁隙间的磁感应强度和流过液态金属的电流密度。
它们与电磁泵的主要技术性能指标压头间存在如下关系：式中：厶p ――液态金属经过磁场作用区（长度为）后压强的增加量（即泵产生的理想压头）（N/m2）;j ------- 在金属液中垂直于磁感应强度方向和金属液体流动方向上的电流密度（A/m2）;B ----- 垂直于电流方向和金属液流动方向上的磁感应强度（T）；L --------- 处于磁隙间的升液方向上的金属液体长度（m）;2. 2电磁泵低压铸造工艺措施及参数选择1）铸型工艺参数的选择2）凝固方式的选择3）浇冒系统的选择2.3 浇注工艺参数的确定 低压铸造的浇注过程一般包括升液、充 型、结壳、增压、保压结晶、卸压等几个阶段。
加在密封坩埚内金属镁合金触变注射成形技术 近年来美国、日本和加拿大等国的 公司相4）铸型的排气充型模拟预测卷气、卷渣、冷隔等缺凝固过程模拟 -------- *•预测缩孔缩松 后处理设定初始条件及边界继成功开发出镁合金半固态触变注射成形机，其中主要有美国的Thixomat公司，日本的JSW公司等。
学案1：用途广泛的金属材料及开发利用 金属矿物
第4讲用途广泛的金属材料及开发利用金属矿物【明考纲要求】1.了解常见金属活动性顺序。
2.了解合金的概念及其重要应用。
3.了解铜及其重要化合物的主要性质及其应用。
【理主干脉络】【基础知识梳理】知识点一合金及常见的金属材料1．合金(1)概念：合金是指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)性能：①多数合金的熔点比它的各成分金属的熔点低；②合金的硬度一般比它的各成分金属的硬度大。
2．常见金属材料(1)黑色金属材料——钢铁。
①钢是用量最大，用途最广的合金。
②(2)有色金属材料——铜和铝。
①我国使用最早的合金是青铜，常见的铜合金有黄铜和白铜。
②铝合金：成分元素主要特性主要用途Al、Mg、Cu、密度小、强度高用于汽车、飞机、火箭、Si等船舶制造1.判断下列描述的正误(正确的打“√”，错误的打“×”)。
(1)铝合金的熔点比纯铝的高。
()(2)合金材料中不可能含有非金属元素。
()(3)四川地震灾区重建使用了大量钢材，钢材是合金。
()(4)合金中的金属元素以化合物的形式存在。
()(5)合金中各元素的含量一定，所以合金是纯净物。
()2．将下列合金与其用途连线①青铜A．不锈钢②铬镍合金B．司母戊鼎③低碳钢C．门窗框架④铝合金D．钢丝、钢管3．化学兴趣小组对某“金牌”的成分提出了猜想：一是由纯金制成，二是由黄铜(铜锌合金)制成。
请用化学方法判断哪种猜想是正确的。
4．铝镁合金因坚硬、轻巧、美观、洁净、易于加工而成为新型建筑装潢材料，主要用于制作窗框、卷帘门、防护栏等。
铝合金的这些用途是利用了它的哪些性质？定量测定合金成分与含量的两种方法(1)定量集气法：定量集气法是指收集合金中某种物质溶于酸或碱溶液时所产生的气体的量，应用化学方程式或关系式来判断合金的组成。
其原理的关键点是根据某组分的特殊性质(特别是与酸或碱反应能产生气体)，其操作要点和注意事项有：保证装置的气密性良好，注意收集气体的读数方法。
有色金属材料的制备与应用
有色金属材料的制备与应用有色金属材料是指除了铁、钢和铸铁之外的金属材料，包括铜、铜合金、铝、铝合金、镁、锌等。
这些材料具有密度低、导电性、导热性和抗腐蚀性能好等优点，在各个领域都有着广泛的应用。
一、有色金属材料的制备1.铜及铜合金的制备铜是最早被人类利用的金属之一，其开采和冶炼历史已有5000多年。
铜的制备方法主要包括火法、湿法和电解法等。
其中，电解法在现代铜冶炼中被广泛应用，其效率高、质量好、消耗小，被称为铜冶炼的未来趋势。
与铜相比，铜合金使用更为广泛。
铜合金通常由铜和其他金属（如锌、铝、锡等）合成，具有优异的物理力学性能和良好的耐蚀性能，广泛应用于汽车、电子、航空航天等领域。
2.铝及铝合金的制备与铜不同的是，铝的历史相对较短，其在19世纪末才被工业界广泛认识和应用。
铝的制备方法主要包括电解法、半连续法等，其中电解法是最常用的一种方法，也是制备高纯铝和铝合金的主要方法。
铝合金具有密度低、耐腐蚀、强度高、韧性好等优点，在航空航天、高速列车、汽车等领域被广泛应用。
铝合金的制备较铜合金难度大，需要进行复杂的热处理和加工工艺。
3.镁及镁合金的制备镁是密度最低的金属之一，具有较好的机械性能和抗腐蚀性能。
由于其密度较低，与其他金属相比，镁合金的强度和刚度较低，但是具有很好的成形性和焊接性能。
镁及镁合金的制备方法包括熔炼法、电解法、气相沉积法等。
其中熔炼法和电解法是较为常用的方法。
二、有色金属材料的应用有色金属材料在工业生产和民用领域都有着广泛的应用。
以下是几个典型的应用领域：1.电子领域有色金属材料在电子领域有着重要的应用，如铜箔、铝箔、锌锰干电池等。
其中，铜箔是制作聚酰亚胺电路板的重要材料，具有良好的导电性能和成型性能。
2.汽车制造有色金属材料在汽车制造领域有着广泛的应用，如铝合金、镁合金、铜合金等。
铝合金因其密度低、强度高而被广泛应用于汽车轮毂、车身结构等部件的制造。
而镁合金具有优异的成形性和强度，被广泛应用于汽车座椅结构等部件的制造。
有色金属标准溶液
有色金属标准溶液有色金属标准溶液（Standard Solution of Non-ferrous Metals）一、引言有色金属标准溶液是指所需浓度明确、化学纯度高且含量准确的有色金属离子所组成的稀溶液。
有色金属标准溶液在分析测试、环境监测、质量控制以及研究开发等领域具有重要的作用。
有色金属标准溶液的制备是通过溶解有色金属化合物，如盐类、氧化物等，在经过一系列反应步骤后，获得所需浓度的稀溶液。
二、有色金属标准溶液的制备方法制备有色金属标准溶液的方法有多种，以下将针对几种常见的有色金属离子进行详细说明。
1. 铜标准溶液的制备铜是一种常见的有色金属，其标准溶液的制备常用的方法是通过溶解硫酸铜（CuSO4）来实现。
首先，称取一定质量的硫酸铜，溶于去离子水中，搅拌使其充分溶解。
然后，用去离子水稀释到所需浓度，溶液即制备完成。
为了确保浓度的准确性，可通过原子吸收光谱仪等仪器进行浓度的测定。
2. 铅标准溶液的制备铅的标准溶液可以通过溶解硝酸铅（Pb(NO3)2）来制备。
首先，称取一定质量的硝酸铅，溶于去离子水中，搅拌使其充分溶解。
然后，用去离子水稀释到所需浓度，溶液即制备完成。
与制备铜标准溶液类似，为了确保浓度的准确性，可以使用仪器进行浓度的测定。
3. 锌标准溶液的制备制备锌标准溶液的常用方法是通过溶解硫酸锌（ZnSO4）来实现。
首先，称取一定质量的硫酸锌，溶于去离子水中，搅拌使其充分溶解。
然后，用去离子水稀释到所需浓度，溶液即制备完成。
与前两种标准溶液的制备方法相似，为了确保浓度的准确性，可以使用仪器进行浓度的测定。
4. 银标准溶液的制备银的标准溶液可以通过溶解硝酸银（AgNO3）来制备。
首先，称取一定质量的硝酸银，溶于去离子水中，搅拌使其充分溶解。
然后，用去离子水稀释到所需浓度，溶液即制备完成。
为了确保浓度的准确性，可以使用仪器进行浓度的测定。
5. 镍标准溶液的制备镍的标准溶液可以通过溶解硝酸镍（Ni(NO3)2）来制备。
有色金属行业基础知识(更新).
有色金属行业基础知识1.概述1.1 有色金属的分类有色金属是指铁、铬、锰三种金属以外所有的金属，包括：铜、铝、铅、锌、镍等常用金属；钨、钼、锡、锑等稀有金属；金、银等贵金属；铈、镧等稀土金属，以及硅、硒等半金属，共计64种元素。
国际上的研究机构大多数都将有色金属分为基本金属（Basemetals）、贵金属(Preciousmetals)、小金属(Minormetals)、稀土金属（rare earth metal）和半金属（semimetal）。
基本金属包括铜、铝、铅、锌、锡、镍六种金属；贵金属包括金、银、铂、钯、钌、铑、锇、铱；小金属主要包括钨、钼、锑、钛、镁等；稀土金属包括包括镧系元素及性质相近的钪和钇，共17种元素。
1.2 有色金属的生产过程有色金属的生产，包括地质勘探、采矿、选矿、冶炼和加工等过程。
地质勘探：“地质勘探”即是通过各种手段、方法对地质进行勘查、探测，需找、发现有工业意义的有色金属矿床，并查明矿产的质和量，以及开采利用的技术条件，提供矿山建设设计所需要的矿产储量和地质资料。
采矿：采矿是自地壳内或地表选择性地采集和搬运矿石的过程。
绝大部分矿床用普通机械化方法开采。
机械化开采又分为露天开采（包括矿石和砂矿）和地下开采两大类。
露天开采将矿体上覆的岩层剥离，然后自上而下顺次开采矿体。
露天矿敞露地表，可以使用大型采矿机械，作业较安全，矿石损失少，贫化率低，生产能力大，采矿成本低，大型贫铁矿床和建筑材料矿床多用此法。
当矿体赋存深度大，矿体厚度小,剥离工作量很大,其经济效益低于地下开采或需要保护地表和景观时，则用地下开采方法。
赋存条件复杂，工业储量较小的有色和稀有金属矿床多用此法。
采矿的主要生产过程包括：①采准：在已经开拓完毕的矿床里，按开采方法的要求掘进采准巷道，将阶段划分成矿块作为独立的回采单元。
②回采：将矿石崩落破碎,装入运输容器。
地下回采包括落矿、出矿作业；露天回采包括穿孔、爆破和采装作业。
有色金属复合材料
有色金属复合材料有色金属复合材料是一种新型的高性能材料，它是由有色金属或合金作为基体，与其他金属或非金属材料（如陶瓷、碳纤维、金刚石等）作为增强相，通过不同的制备工艺复合而成的。
有色金属复合材料具有许多优异的性能，如高强度、高硬度、高韧性、高耐磨性、高导热性、低热膨胀系数、低密度等，因此在航空航天、汽车、电子、能源等领域有广泛的应用前景。
本文将从以下几个方面介绍有色金属复合材料的基本概念、特点、分类、制备工艺、界面特性和应用领域。
一、有色金属复合材料的基本概念有色金属复合材料是一种多相材料，它由两种或两种以上不同的组分构成，其中一种称为基体，另一种或几种称为增强相。
基体是有色金属或合金，它决定了复合材料的整体性能和加工性能，同时也提供了与增强相之间的结合力。
增强相是金属或非金属材料，它可以提高复合材料的某些特定性能，如强度、硬度、耐热性等。
增强相可以是颗粒、晶须、纤维或片状等不同的形态，其尺寸和分布也影响了复合材料的性能。
有色金属复合材料的基本结构示意图如下：二、有色金属复合材料的特点有色金属复合材料具有以下几个显著的特点：高比强度和高比模量。
比强度和比模量是指单位质量的强度和模量，它们反映了材料的轻量化程度。
有色金属复合材料由于增加了高强度和高模量的增强相，使得其比强度和比模量大大提高，远高于单一的有色金属或合金。
例如，铝基复合材料的比强度和比模量分别是纯铝的2~3倍和3~5倍。
导电和导热性能。
有色金属复合材料由于基体是导电和导热的有色金属或合金，因此具有良好的导电和导热性能。
同时，如果增强相也是导电和导热的（如碳纤维、金刚石等），则可以进一步提高复合材料的导电和导热性能。
例如，碳纤维/铜复合材料的导电率是纯铜的1.5倍，碳纤维/铝复合材料的导热系数是纯铝的2倍。
热膨胀系数小和尺寸稳定性好。
热膨胀系数是指材料在温度变化时，单位长度的变化量，它反映了材料的热稳定性。
有色金属复合材料由于增加了热膨胀系数小的增强相（如陶瓷、碳纤维等），使得其热膨胀系数降低，尺寸稳定性提高，特别适用于高温或温度变化大的环境。
金属材料的冶炼ppt课件
▪ 粗铅熔析除铜所得到的铜 含铅要高于0.06％。
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➢ 主要讲解钢铁冶炼和有色金 属冶炼。
概述
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第1章
金属材料的制备
冶金工艺
1.1 冶金工艺
金属冶金按其原理可划分为：火法冶金(又称干 法冶金) 、湿法冶金、电冶金三大基本类型。
第1章 金属材料的制备
1.2 钢铁冶金
钢铁冶炼
铸造生铁
铁矿石
炼铁
炼钢
铸锭
轧制
钢材
一 炼铁： 铁矿石（化合态）→铁单质（游离态）
（1）基本反应原理： 3CO+
高温
Fe2O3=====2Fe+3CO2
利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要 是CO)从铁矿石中还原出铁。
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2 . 固-液分离：将浸出液与残渣分离成液相和固相。 3. 溶液净化 ：分离掉杂质，净化和富集溶液。 4. 提取金属或化合物：利用电解、化学置换和加压氢还原
等方发提取金属或化合物。
▪ 在有色金金属、稀有金属及贵金属的冶金中占重要地位。
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材料工程基础-第1章金属材料的制备--冶金
①矿石准备
选矿 焙烧 烧结(球化) 不加添加剂的焙烧，也称煅烧： I、分解矿石，如石灰石化学加工制成氧化钙，同时 制得二氧化碳气体； II、活化矿石，目的在于改变矿石结构，使其易于分 解，例如：将高岭土焙烧脱水，使其结构疏松多孔， 易于进一步加工生产氧化铝；
1.1 冶金工艺
1.2 钢铁冶炼
一、生铁冶炼 ㈠炼铁的原料 ①铁矿石 ②熔剂，用于除去SiO2CaOHgOAlO3。熔炼时，熔剂 和杂质生产密度较低的炉渣，浮于铁水表面 ③耐火材料。耐火度不低于1580℃的无机非金属材料 ④燃料。主要是焦炭，提供热量和还原剂
1.2 钢铁冶炼
一、生铁冶炼 ㈠炼铁的原料①铁矿石
1.2 钢铁冶炼
的化合物析出或造
渣。
◆ 物理法 基于在两相平衡时杂质和主金属在两相
间分
配比的不同。
◇ 利用粗金属凝固或熔化过程中，粗金属中的杂质和主金
属在液–固两相间分配比的不同——熔析精炼、区域精
炼（区域熔炼）。
◇ 利用杂质和主金属蒸气压的不同，因而粗金属蒸发过程
中，其易蒸发的组份将主要进入气相，与难蒸发组分分
离——蒸馏精炼、升华精炼。
1.1 冶金工艺
㈠、火法冶金的基本过程 ③精炼
利用主金属与杂质的物理和化学性质的差异， ◆ 形成与主金属不同的新相，将杂质富集于其中；
◆ 或者：将主金属全部转移至新相，而使杂质残留下
来。
1.1 冶金工艺
㈡、火法冶金的主要方法
◆ 化学法 基于杂质与主金属化学性质的不同，加
入某
种反应剂使之形成某种难溶于金属
1.1 冶金工艺
三、电冶金 ㈠电热熔炼 ②电磁熔炼 以电磁热流体力学理论为基础，研究冶金过程和 材料制备的科学。它是借助电流、磁场所形成的 电磁力，对冶金（材料制备）过程中金属的表面 形态、流动、传质、化学反应、结晶等过程施加 影响，以便控制其变化或反应过程。
金属材料试验标准对照表
金属材料试验标准对照表一、通用标准•GB/T1172-1999黑色金属硬度及强度换算值•GB/T2975-1998钢及钢产品力学性能试验取样位置及试验制备•GB/T10632-1989金属力学性能试验术语二、金属拉伸、压缩、弯曲及扭转试验•GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法•GB/T4338-1995金属材料高温拉伸试验•GB/T5027-1999金属薄板和薄带塑性应变比(r值)试验方法•GB/T5028-1999金属薄板和薄带拉伸应变硬化指数(n值)试验方法•GB/T7314-1987金属压缩试验方法•GB/T8358-1987钢丝绳破断拉伸试验方法•GB/T8653-1988金属杨氏模量、弦线模量、切线模量和泊松比试验方法（静态法）•GB/T10128-1988金属室温扭转试验方法•GB/T13229-1991金属低温拉伸试验方法•GB/T14452-1993金属弯曲力学性能试验方法•GB/T17600.1-1998钢的伸长率换算第1部分：碳素钢和低合金钢•GB/T17600.2-1998钢的伸长率换算第2部分：奥氏体钢三、金属硬度试验•GB/T230.1-2004金属洛氏硬度试验第1部分：试验方法 (A、B、C 、D 、E 、F 、G 、H 、K 、N 、T尺寸）•GB/T231.1-2002金属布氏硬度试验第1部分：试验方法•GB/T4340.1-1999-金属维氏硬度试验第1部分：试验方法•GB/T4341-2001金属肖氏硬度试验方法•GB/T17394-1998金属里氏硬度试验方法•GB/T18449.1-2001金属努氏硬度试验第1部分：试验方法四、金属韧性试验•GB/T229-1994金属夏比缺口冲击试验方法•GB/T4158-1984金属艾比冲击试验方法•GB/T4160-2004钢的应变时效敏感性试验方法(夏比冲击法)•GB/T5482-1993金属材料动态撕裂试验方法•GB/T6803-1986铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法•GB/T8363-1987铁素体钢落锤撕裂试验方法•GB/T12778-1991金属夏比冲击断口测定方法五、金属延性试验•GB/T232-1999金属材料弯曲试验方法•GB/T233-2000金属材料顶锻试验方法•GB/T235-1999金属材料厚度等于或小于3mm薄板和薄带反复弯曲试验方法•GB/T238-2002金属材料线材反复弯曲试验方法•GB/T239-1990金属线材扭转试验方法•GB.T241-1990金属管液压试验方法•GB/T242-1997金属管扩口试验方法•GB/T224-1997金属管弯曲试验方法•GB/T245-1997金属管卷边试验方法•GB/T246-1997金属管压扁试验方法•GB/T2976-2004金属材料线材缠绕试验方法•GB/T4156-1984金属杯突试验方法(厚度0.2~2mm)•GB/T17104-1997金属管管环拉伸试验方法六、金属高温长时试验•GB/T2039-1997金属拉伸蠕变及持久试验方法•GB/T10120-1996金属应力松驰试验方法七、金属疲劳试验•GB/T2107-1980金属高温旋转弯曲疲劳试验方法•GB/T3075-1982金属轴向疲劳试验方法•GB/T4337-1984金属旋转弯曲疲劳试验方法•GB/T6398-2000金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法•GB/T7733-1987金属旋转弯曲腐蚀疲劳试验方法•GB/T10622-1989金属材料滚动接触疲劳试验方法•GB/T12347-1996钢丝弯绳弯曲疲劳试验方法•GB/T12443-1990金属扭应力疲劳试验方法•GB/T15248-1994金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法八、金属断裂力学试验•GB/T2038-1991 金属材料延性断裂韧度JIc试验方法•GB/T2358-1994金属材料裂纹尖端开位移试验方法•GB/T4161-1984金属材料平面应变断裂韧度kIc试验方法•GB/T7732-1987 金属板材表面裂纹断裂韧度KIe试验方法九、其他力学性能试验•GB/T6396-1995复合钢板力学及工艺性能试验方法•GB/T6400-1986金属丝材和铆钉的高温剪切试验方法•GB/T12444.1-1990金属磨损试验方法 MM型磨损试验•GB/T12444.2-1990金属磨损试验方法环块型磨损试验内容简介第1章金属材料制备实验基础11 1黑色金属介绍及其制备11 1 1钢铁材料介绍11 1 1 1碳钢和合金钢11 1 1 2铸铁和铸钢31 1 2钢铁材料制备51 12 1钢铁材料的配料51 12 2铸钢的熔炼81 12 3铸铁的熔炼81 2有色金属材料介绍及制备91 2 1有色金属材料介绍91 2 1 1铝及其合金91 2 1 2镁及其合金121 2 1 3铜及其合金151 2 1 4钛及其合金17。
4 第3节 金属材料 复合材料
第3节金属材料复合材料金属材料复合材料1．金属矿物的开发利用(1)金属在自然界中的存在形式化合态—绝大多数金属化合物中的金属元素都显正价|游离态—金、铂等极少数金属(2)金属冶炼的一般步骤(3)金属冶炼的实质金属冶炼的过程就是使金属化合物中的金属离子得到电子被还原为金属单质的过程，即M n＋＋n e－===M。
(4)金属冶炼的方法(用化学方程式表示)电解法―→Na：2NaCl(熔融)=====通电2Na＋Cl2↑―→Mg：MgCl2(熔融)=====通电Mg＋Cl2↑―→Al：2Al2O3(熔融)=====通电Na3AlF64Al＋3O2↑|热还原法―→高炉炼铁：Fe 2O 3＋3CO=====高温2Fe ＋3CO 2 ―→铝热反应制铬：2Al ＋Cr 2O 3=====高温2Cr ＋Al 2O 3―→焦炭还原铜：C ＋2CuO=====高温2Cu ＋CO 2↑| 热分解法―→Hg ：2HgO=====△2Hg ＋O 2↑ ―→Ag ：2Ag 2O=====△4Ag ＋O 2↑2．合金(1)概念：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)性能①熔点：多数合金的熔点比它的各成分金属的熔点低。
②硬度：合金的硬度一般比它的各成分金属的硬度大。
3．常见金属材料 (1)常见黑色金属材料——钢铁①钢是用量最大、用途最广的合金。
②钢—⎪⎪⎪—碳素钢：包括低碳钢、中碳钢、高碳钢—合金钢：加入Ni 、Cr 制不锈钢(2)常见有色金属材料——铜、铝①铝及铝合金铝⎩⎨⎧性能：良好的导电性和导热性用途：制导线 铝合金⎩⎨⎧性能：密度小、强度高、塑性好、易于成型用途：主要用于建筑业、容器和包装业、交通运 输业、电子行业等②铜及铜合金铜⎩⎨⎧性能：良好的导电性和导热性用途：主要用于电器和电子工业、建筑业 铜合金：包括青铜、黄铜、白铜，其中青铜是我国使用最早的合金。
4．复合材料(1)概念：将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的一种材料。
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通过高能机械球磨和长时间低温退火处理，制备具有纳米级晶粒和优异性能的金属材料。
金属材料的加工工艺
通过将熔融的金属倒入模具中，冷却凝固后获得所需形状和尺寸的金属零件。
铸造工艺
通过施加外力，使金属坯料变形，获得所需形状和尺寸的金属零件。
锻造工艺
通过熔融或压接金属零件，使它们连接在一起，形成完整的金属结构。
2023
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目录
contents
金属材料概述金属材料的制备与加工常见金属材料及其性能特点金属材料的应用与前景金属材料的发展趋势与挑战案例分析与实践应用
金属材料概述
01
金属材料是指以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。
定义
金属材料包括纯金属、合金、金属间化合物、特种金属材料等。
功能金属材料是指具有特殊功能和用途的金属材料，如形状记忆合金、超导合金等，具有高灵敏度、高韧性等特点，广泛应用于医疗、能源等领域。
简介
功能金属材料包括形状记忆合金、超导合金、磁性合金等。
分类
功能金属材料的特殊功能和用途决定了其独特的性能特点，如形状记忆合金具有形状记忆效应，超导合金具有零电阻和强磁性等。
性能特点
功能金属材料及其性能特点
金属材料的应用与前景
04
航空航天领域的应用
航空航天领域是金属材料的重要应用领域，包括铝合金、钛合金、钢等金属材料。
钛合金在航空航天领域的应用也越来越广泛，如喷气发动机的叶片、火箭发动机等。
铝合金在航空航天领域应用广泛，如飞机机身、机翼、起落架等。
钢在航空航天领域的应用也十分重要，如飞机起落架、火箭壳体等。
案例三：不锈钢在建筑领域的应用
材料工程基础答案,考试必备
材料工程基础答案,考试必备材料工程基础1.材料科学与材料工程研究的对象有何异同？材料科学侧重于发现和揭示组成与结构、性能、使用效能，合成与加工等四要素之间的关系，提出新概念、新理论。
而材料工程指研究材料在制备过程中的工艺和工程技术问题，侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入使用，两者相辅相成。
2.材料的制备技术或方法主要有哪些？金属：铸造（砂型铸造、特种铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、连续铸造、消失模铸造），塑性加工（锻造、板料冲压、轧制和挤压、拉拔），热处理，焊接（熔化焊、压力焊、钎焊）橡胶：塑炼、混炼、压延、压出、硫化五部分高分子：挤制成型、干压成型、热压铸成型、注浆成型、轧膜成型、等静压成型、热压成型和流延成型3.如何区分传统材料与先进材料？传统材料指已经成熟且已经在工业批量生产的材料，如水泥、钢铁，这些材料量大，产值高，涉及面广，是很多支柱产业的基础，先进材料是正在发展，具有优异性能和应用前景的一类材料。
二者没有明显界限，传统材料采用新技术，提高技术含量、性能，大幅度增加附加值成为先进材料；先进材料长期生产应用后成为传统材料，传统材料是发展先进材料和高技术基础，先进材料推动传统材料进一步发展。
4.纳米材料与纳米技术的异同？它们对科技发展的作用？纳米材料指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。
纳米技术：能操作细小到1-100nm物件的一类新发展的高技术。
作用：对于高端的技术，如在超导的应用方面，集成电路的发展方面纳米技术有重要作用。
5.简述芯片的主要制备工艺步骤？步骤如下：1、氧化；2、光刻；3、浸蚀；4、扩散；5、离子注入；6、互连；7、封装；8、装配。
6.简述熔体法生长单晶的特点以及主要方法？答：特点：液相是均匀的单相熔体，熔点以下不发生相变。
方法：提拉法，坩埚下降法，水平区熔法，浮区法，尖端形核法。
7.为什么纤维通常具备高强度、高模量且韧性好的特点？当纤维材料制成时，拉伸强度变大是因为物体愈小，表面和内部包含一个能导致其脆性断裂的危险裂纹的可能性越小。
金属材料的制备冶金
第一章金属材料的制备—冶金．本章内容及要求1. 本章共三节，教授课时2 学时，通过本章学习，要掌握金属材料的三种冶金方法的工艺过程、特点及应用。
1.1 冶金工艺1.2 钢铁冶金1.3 有色金属冶炼2. 重点是生铁冶炼的过程（包括冶炼的方法，使用的原料及各自的作用，主要装置，以及主要的物理化学过程）和炼钢的基本过程（元素的氧化，脱硫，脱磷，脱氧，合金化）。
3. 难点：生铁冶炼过程中高炉中发生的物理化学变化。
4. 要求：①掌握常用的冶金方法，以及各自的特点；②掌握生铁冶炼的过程；③掌握炼钢的基本过程；④了解铜的冶炼工艺过程；⑤了解金属铝电冶金的原因和工艺过程。
具体内容第一节冶金工艺1.1.1冶金冶金的定义：关于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过程的工程技术。
冶金的原因和目的：地球上已发现86 种金属元素，除金、银、铂等金属元素能以自然状态存在外，其他绝大多数金属元素都以氧化物（例如Fe2O3）、硫化物（例如CuS）、砷化物（例如NiAs ）、碳酸盐（例如FeCQ）、硅酸盐（例如CuSiO3 2H2O）、硫酸盐（例如CuSO4 5H2O）等形态存在于各类矿物中。
因此，要获得各种金属及其合金材料，必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中提取出来，接着对粗炼金属产品进行精炼提纯和合金化处理，然后浇注成锭，轧制成材，才能得到所需成分、结构、性能和规格的金属材料。
1.1.2冶金的方法冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金和电冶金三大类1.1.2.1火法冶金火法冶金：利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。
特点：火法冶金是生产金属材料的重要方法，钢铁及大多数有色金属（铝、铜、镍、铅、锌等）材料主要靠火法冶金工艺生产。
用火法冶金方法提取金属的成本较低，所以，火法冶金是生产金属材料的主要方法。
缺点：火法冶金存在的主要问题是污染环境。
1．火法冶金的基本过程火法冶金通常包括矿石准备、冶炼和精炼三个过程。
（1）矿石准备采掘的矿石含有大量无用的脉石，需要经过选矿以获得含有较多金属元素的精矿。
高考化学金属材料及金属矿物的开发利用一轮复习(解析版)
金属材料及金属矿物的开发利用【考情分析】高考对讲内容的考查以金属及其化合物的性质、合金的性质、金属的冶炼、提纯以及在日常生活、生产中的应用为主。
以金属及其化合物化工生产为背景的工艺流程题和综合实验题是考查的热点。
【核心素养分析】1.宏观辨识与微观探析:认识铝与强酸、强碱的反应及其化合物的两性,理解铝及其化合物的性质。
2.证据推理与模型认知:具有证据意识,能基于证据对金属材料性质提出可能的假设,通过分析推理加以证实,能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。
3.科学探究与创新意识:能对金属的性质提出有探究价值的问题;能从问题和假设出发,确定探究目的,设计探究方案,进行实验探究。
【网络构建】【知识梳理】智能点一铜及其化合物1．单质铜(1)物理性质：紫红色固体，具有良好的延展性、导热性和导电性。
(2)化学性质写出图中有关反应的化学方程式或离子方程式：①化学方程式：2Cu＋O2＋CO2＋H2O===Cu2(OH)2CO3（铜绿的生成）。
②化学方程式：2Cu＋S Cu2S。
③与氧化性酸反应a．与浓硫酸共热的化学方程式：Cu＋2H2SO4(浓)CuSO4＋SO2↑＋2H2O；b．与稀硝酸反应的离子方程式：3Cu＋8H＋＋2NO－3===3Cu2＋＋2NO↑＋4H2O。
④与盐溶液反应(写离子方程式)a．与硝酸银溶液：Cu＋2Ag＋===2Ag＋Cu2＋；b．与FeCl3溶液：Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋。
2．氧化铜和氧化亚铜H2＋CuO Cu＋H2O H2＋Cu2O2Cu＋H2O高温2质为Cu2O，否则为Cu。
反应的化学方程式为Cu2O＋H2SO4===CuSO4＋Cu＋H2O。
3.氢氧化铜(1)物理性质：蓝色不溶于水的固体。
(2)化学性质及应用：反应①的化学方程式：Cu(OH)2CuO＋H2O；反应②的离子方程式：Cu(OH)2＋2H＋===Cu2＋＋2H2O。
4．铜盐(1)Cu2(OH)2CO3的名称为碱式碳酸铜，是铜绿的成分，是铜在潮湿的空气中被锈蚀的结果，其受热分解的化学方程式为Cu2(OH)2CO32CuO＋H2O＋CO2↑。
有色金属材料学
高温合金次之，铁基高温合金最低。
按强化方式，可分为固溶强化高温合金、时效强化高温
合金和氧化物弥散强化高温合金。
按主要用途又可分为板材合金、棒材合金和盘材合金
8.高温合金的表示方法
我国高温合金：汉语拼音字母＋成形方式＋强化类型与基体组元 变形高温合金：“GH＋ 4位阿拉伯数字”
有色金属材料学
----镍及镍基高温合金
1.镍在自然界的分布
镍在地壳中的质量分数为8.0×10-3% 镍的重要矿物有：硅镁镍矿 (Ni,Mg)6Si4O10(OH)8，镍黄铁矿(Ni,Fe)9S10， 黄/针镍矿NiS,红(砷)镍矿NiAs ，辉砷镍矿 NiAsS。我国甘肃等地有镍矿存在，镍的硫化物 矿储量居世界第二位。古巴是世界上最著名的 蕴藏镍矿的国家，在多米尼加也有大量的镍矿。 海底的锰结核中镍的储量很大，是镍的重要远 景资源。
11.镍基高温合金的用途
镍基变形高温合金 广泛地用来制造航空 喷气发动机、各种工 业燃气轮机的热端部 件，如工作叶片，导 向叶片、涡轮盘和燃 烧室等。
燃气轮机涡轮零件
高温合金汽车增压器喷嘴环叶片
12.镍基高温合金的发展
国产大飞机
近年来，随着国家
大型飞机、载人航 天、新型能源等领 域的快速发展，使 高温合金铸件的产
6.Ni基高温合金发展简史
30年代末
生产工艺的革新
变形高温合金
50年代中后期
铸造高温合金
60年代中期
定向凝固高温合金
70年代中期
60年代中期
单晶高温合金
7.高温合金的分类
高温合金材料按制造工艺，可分为变形高温合金、铸
造高温合金、粉末冶金高温合金和发散冷却高温合金。
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• 在中温(1500-1800K)液相还原中，除了铁的氧化物被 还反原应外生，成还金有属相铁当 和数低量价的钛氧TiO化2物被。还原，即主要进行还原
• • 在高温(1800-2000K)下，反应生成TiC和金属钛(熔于
铁成中低)价的钛量的增量加增。加可，见即，钛随的着氧温化度物的在升还高原，熔T炼iO过2被程还中原随生温 度的升高按下顺序逐渐发生变化：
• Ti02一Ti305一Ti203一TiO—TiC—Ti(Fe)
• 在熔炼过程中，不同价的钛化合物是共存的，它们的 数量的相互比例是随熔炼温度和还原度大小而变化。
• 氯化反应按与1个氯分子在900～1400K温区反应 可以分成四类：
• （1）TiO2无碳氯化
• 1/2TiO2+Cl2=1/2TiCl4+1/2O2
•
∆G01／kJ·mol-1>0
• （2）低价钛无碳氯化
• Ti2O3(TiO, Ti3O5 ) +Cl2 1/2TiCl4+5/2TiO2
•
∆G02／kJ·mol-1<0
• 该方法的电解反应如下: • 阴极还原反应： • 阳极氧化反应： • 总反应：
• 新工艺工艺流程短，简单快速，成本低，省去复 杂的工序，大大降低海绵钛的生产成本，特别是 没有氯气的放出避免了污染的产生，是一种新型 的无污染绿色冶金新技术。
第三节.现工业生产钛的冶金过程的主要步骤 （钛铁精矿）
• （1）钛铁矿还原熔炼生产富钛料 • （2）氯化法分解富钛料生产四氯化钛 • （3）粗四氯化钛提纯制取纯四氯化钛 • （4）还原四氯化钛制取海绵金属钛 • （5）真空熔炼制取金属钛锭
• 从下图的多种金属氯化物的△GoMeClx -T关系 曲线中看到，
• 能满足△GoMeClx<△GoTiCl4的活性金属比较多， 有钾、钠、钙、镁、锂、锰和钡等，它们 都可把TiCl4；还原成金属钛。
•
T／K
• 图：某些金属氯化物的∆G。值与温度的关系M*、B*·一金属熔点和沸点；M、B
一氯化物熔点和沸点； 虚线一计算值；实线一实测值
飞机
机翼、管道、蒙皮和机身骨架、连结件、发动机、
喷管、弹射舱、主起落架大 梁等各部件
航天
火箭 导弹 军用品
飞船船舱、蒙皮、后舱壁和地板构件、结构骨架、 液体燃料贮箱、 高压容器、制动火箭主起落架、 登月舱及推进系统、人造卫星外壳、 翼、推力构 件、油压配管
外壳、喷嘴、火箭发动机、高压容器、液体燃料 贮箱、机翼
水蒸气，在实验室条件下可以获得纯度为99.8%的Ti • ④加入 碘化钛热分解法：碘化钛的热分解是目前把粗钛
精炼为高纯钛的一种方法TiI4在1380℃时几乎可以完全分 解为金属钛和碘。
⑤卤化钛还原法
• 钛对卤素的亲和势远比氧小，容易把它 的卤化物还原成金属钛。研究得最多的方 法是TiCI4还原法。
• （3） TiO2加碳氯化产物为CO
• 1/2 TiO2( Ti2O3,TiO, Ti3O5 ) +Cl2+C
1/2TiCl4+CO
•
∆G03／kJ·mol-1<0
• （4）加碳氯化产物为CO2
• 1/2 TiO2( Ti2O3,TiO, Ti3O5 ) +Cl2+1/2C
•
1/2TiCl4+1/2CO2
军用机40．1％)，前苏联占50％，欧洲占57％， 日本仅占10．3％。 • 在非航空工业中： • 以日本为例，电力用钛占31．8％，化工用钛占 24．7％，电极用钛占4．1％，其他工业用钛占 29．1％。 • 由此看出，钛的应用已由航空航天工业扩展到化 工、冶金、电力、船艇和日常生活领域中。
钛4／kJ·mol-1<0
• 上述的四类氯化反应，在900～1400K区间 • 反应（1） ∆G01／kJ·mol-1>0，不具备热力学条件
，不能进行；
• 反应（2） ∆G02／kJ·mol-1<0，但负值不大，氯化 反应不完全；
• 比较 ∆G04和∆G03，可知： • 温度低于1000K时， ∆G04〈∆G03 ，氯化反应以（4
）为主，反应气体产物以CO2为主； • 温度大于1000K时， ∆G04〉∆G03 ，氯化反应以（3
）为主，反应气体产物以CO为主；
• 杂质氧化物的氯化反应 • 其它氧化物在C作用下也可以被氯化，
• 其氯化顺序为：
• CaO>MnO>FeO>MgO=Fe2O3>TiO2>Al2O3>SiO2
•
FeCl2 FeCl3
• 有些杂质还可能被TiCl4氯化： • 2CaO+ TiCl4=2CaCl2+TiO2 • 2MgO+ TiCl4=2MgCl2+TiO2
⑥熔盐电解法制取金属钛
• TiCl4电解 • 阴极反应
• 阳极反应
• TiO2电解制取金属钛
•
• 该方法是在熔融CaCl2中直接电解还原TiO2提取海 绵钛,已在实验室取得成功。
炮筒、车辆、装甲板、防弹背心、头盔、雷达三 角支架、坦克天窗
第二节 钛冶金的主要过程
• 制取金属钛的方法 • 由富含TiO2的原料制取金属钛的方法，按还原
过程的化合物可分为几大类：
• ① 金属热还原法 ：使用锂、钙、镁、钡、铝还原 • ② 碳还原法：反应的主要生成产物是TiC和低价钛氧化物
（TiCxOy）然后再还原成纯Ti • ③ 氢还原法：在高温下、大量过量氢并不断移去生成的
第一节 钛的资源
1．钛矿物 钛在地壳中的丰度为0．56％，按元
素丰度排列居第九位，仅次于氧、硅、 铝、铁、钙、钠、钾和镁。按结构金属 排列钛仅次于铝、铁、镁，占第四位， 比常见的铜、铅、锌金属储量的总和还 多。
钛的资源十分丰富，且分布很广， 几乎遍布全世界。
金属钛及合金的用途
• 金属钛的消费比例，因国家而异。 • 航空航天工业（应用最大的领域）： • 在此领域中，美国占80.4％(其中民用机40.1%，
一.富钛料的生产
• 1.钛铁矿还原熔炼原理
• 还原熔炼的实质是钛铁矿精矿中铁氧化物 的还原并伴随钛氧化物还原为低价。初始 还原在固态下进行，随着原料的渣化及温 度的提高，还原过程在熔融炉料中进行。 最终达到熔融生铁和高钛渣的分层分离。 还原过程中产生复杂的物理化学变化和晶 型转化。
• 常用的钛铁矿是一种以偏钛酸铁(FeTiO3)晶 格为基础的多组分复杂固溶体，碳还原偏 钛酸铁可能发生的反应如下：