(完整版)金属材料学(全套课件)
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《金属材料学》课件
在金属表面电镀一层耐 腐蚀的金属，提高耐蚀
性。
合金化
通过改变金属的成分， 提高其耐蚀性。
缓蚀剂
添加缓蚀剂抑制金属腐 蚀的化学反应速度。
金属材料在特定环境下的耐腐蚀性
01
02
03
04
酸性环境
钢铁、不锈钢等对酸有一定的 耐蚀性，但不同金属差异较大
。
碱性环境
铝、镁等金属在碱性环境中容 易发生腐蚀。
海洋环境
04 金属材料的腐蚀与防护
CHAPTER
金属材料的腐蚀机理
电化学腐蚀
金属与电解质溶液接触，通过电极反应发生的腐 蚀。
化学腐蚀
金属与非电解质直接反应，生成金属氧化物的腐 蚀。
生物腐蚀
金属在有微生物的环境下发生的腐蚀。
金属材料的防腐蚀方法
涂层保护
在金属表面涂覆防腐蚀 涂层，隔离金属与腐蚀
介质。
电镀
金属材料的化学性能是指其在各种环 境中的稳定性，包括耐腐蚀性、抗氧 化性、耐候性等。
耐腐蚀性是指金属材料抵抗腐蚀的能 力，抗氧化性是指金属材料在高温下 抵抗氧化的能力，耐候性是指金属材 料在自然环境中抵抗光、热、水、大 气等因子的作用的能力。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指其在受力作用下的行为表现，包括强度、塑性、韧性、 硬度等。
详细描述
金属材料主要是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有 金属特性的工程材料，如铁、铝、铜等。根据成分和用途， 金属材料可以分为钢铁、有色金属、贵金属等类型。
金属材料的特性与用途
总结词
金属材料具有导电性、导热性、延展性等特性，广泛应用于建筑、机械、电子 等领域。
详细描述
金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，这些特性使得金属在建筑、机 械、电子等领域得到广泛应用。例如，钢铁用于制造桥梁和建筑结构，铜用于 电线和电缆，铝用于包装和航空航天领域。
性。
合金化
通过改变金属的成分， 提高其耐蚀性。
缓蚀剂
添加缓蚀剂抑制金属腐 蚀的化学反应速度。
金属材料在特定环境下的耐腐蚀性
01
02
03
04
酸性环境
钢铁、不锈钢等对酸有一定的 耐蚀性，但不同金属差异较大
。
碱性环境
铝、镁等金属在碱性环境中容 易发生腐蚀。
海洋环境
04 金属材料的腐蚀与防护
CHAPTER
金属材料的腐蚀机理
电化学腐蚀
金属与电解质溶液接触，通过电极反应发生的腐 蚀。
化学腐蚀
金属与非电解质直接反应，生成金属氧化物的腐 蚀。
生物腐蚀
金属在有微生物的环境下发生的腐蚀。
金属材料的防腐蚀方法
涂层保护
在金属表面涂覆防腐蚀 涂层，隔离金属与腐蚀
介质。
电镀
金属材料的化学性能是指其在各种环 境中的稳定性，包括耐腐蚀性、抗氧 化性、耐候性等。
耐腐蚀性是指金属材料抵抗腐蚀的能 力，抗氧化性是指金属材料在高温下 抵抗氧化的能力，耐候性是指金属材 料在自然环境中抵抗光、热、水、大 气等因子的作用的能力。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指其在受力作用下的行为表现，包括强度、塑性、韧性、 硬度等。
详细描述
金属材料主要是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有 金属特性的工程材料，如铁、铝、铜等。根据成分和用途， 金属材料可以分为钢铁、有色金属、贵金属等类型。
金属材料的特性与用途
总结词
金属材料具有导电性、导热性、延展性等特性，广泛应用于建筑、机械、电子 等领域。
详细描述
金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，这些特性使得金属在建筑、机 械、电子等领域得到广泛应用。例如，钢铁用于制造桥梁和建筑结构，铜用于 电线和电缆，铝用于包装和航空航天领域。
金属材料学课件PPT(17页)
组织描述：6－5－4－2高速钢
马氏体＋碳 化物颗粒， 碳化物颗粒 沿原奥氏体 晶界分布
6－5－4－2高速钢
碳化物颗粒 均匀分布在 马氏体基体 上
金属材料的性能
物理性能： 导电、导热、磁性等 化学性能： 耐酸、碱腐蚀等
力学性能： 抵抗作用在它上面的外力的能力
• 工艺性能： 铸造、锻压、拉拔、弯பைடு நூலகம்、切削、
分类 组织描述：T8钢共晶组织
组织描述：T8钢共晶组织 贵金属：金、银、铂等
教材和主要参考书
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第1节 金属材料(课件 32张ppt).ppt
合金的特性：
根据以上实验可得到合金与组成它们的纯金属的性质有何异同？
1、 一般地，合金的硬度和强度高于组成它们的纯金属。
2、 合金的熔点低于组成它们的纯金属。
3、 一般地，合金的抗腐蚀性能强于组成它们的纯金属。
合作探究
延展性
导电性
导热性
密度
硬度
金属
良好
良好
良好
大多密度较大
一般较大
非金属
不具有延展性
大多较差（石墨较好）
大多为热的不良导体（石墨较好）
大多密度较小
一般较小，但差异很大（金刚石硬度极大，而石墨硬度就较小）
金属一定能导电、导热，但能导电导热的单质不一定 是金属。如非金属石墨也能导电，也能导热。
为什么有的铁制品如水龙头等要镀铬？如果镀金怎么样？
用来铸造硬币的金属材料需要具有什么性质？
资源丰富无毒轻便耐磨耐腐蚀美观、易加工
金称为形状记忆合金。
记忆合金
1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。
状态
固态
铝、锌、铁、碳、硫、磷
汞、溴
液态
金属都有特殊的金属光泽，非金属大多无光泽
金属大多呈银白色或灰色，非金属大多外表暗淡
金属常温下呈固态，汞除外，非金属常温下大多是气态或固态，溴除外
总结一下
金属
非金属
光泽
特殊的金属光泽
大多数无金属光泽
颜色
大多数银白色或灰色（铜：紫红色，金：金黄色）
多种颜色，大多外表暗淡
钢
(1)成分
金属材料学(全套课件)
物理性能
化学性能
热处理可以改变金属材料的化学性能 ，如耐腐蚀性、抗氧化性等。例如， 不锈钢经过热处理后，其耐腐蚀性会 得到显著提高。
热处理对金属材料的物理性能也有显 著影响，如导热性、导电性、磁性等 。
04
金属材料的力学性能
金属的拉伸性能
拉伸试验
通过拉伸试验测定金属材料的强 度、塑性和韧性等力学性能指标
02
金属材料的晶体结构
金属的晶体结构类型
01
体心立方晶格（BCC）
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在其中心有一个原子，八个顶点上
各有一个原子。具有此晶格的金属有铬、钨、钼、铁、铌等。
02 03
面心立方晶格（FCC）
面心立方晶格的晶胞是一个立方体，在其八个顶点上各有一个原子，六 个面的中心各有一个原子。具有此晶格的金属有铝、铜、镍、铅、金等 。
铝合金
密度小、比强度高、耐腐蚀性好，用于航空 航天、汽车、电子等领域。
钛合金
比强度高、耐腐蚀性好、高温性能优异，用 于航空航天、医疗等领域。
金属材料的发展趋势与挑战
高性能化
轻量化
发展更高强度、更高韧性、更耐腐蚀的金 属材料，以满足高端制造的需求。
通过合金化、复合化等手段降低金属材料 的密度，以适应节能减排的要求。
包括模具设计、熔炼、浇注、冷却、落砂、清理 等步骤，影响铸件的质量和性能。
铸造合金
常用的铸造合金有铸铁、铸钢、铝合金等，具有 不同的铸造性能和机械性能。
金属的压力加工与成型工艺
压力加工
01
通过外力使金属坯料产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸
和性能的加工方法。
成型工艺
02
包括锻造、轧制、挤压、拉拔等，可生产各种形状和规格的金
金属材料学 全套课件360
铁素体形成元素：Hα<Hγ,△H>0, Cα>Cγ, γ相区缩小。
奥氏体形成元素：Hα>Hγ，△H<0， Cα<Cγ，γ相区扩大。
31
二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度 1、间隙固溶体： γ－Fe中间隙尺寸大，故溶解度较大。 α－Fe中间隙尺寸小，故溶解度较小。
2、置换固溶体： 铁素体形成元素在α－Fe中溶解度大；在γ－ Fe中小。 奥氏体形成元素在γ－Fe中溶解度大；在α－ Fe中小。
9
非合金钢 低合金钢 合金钢 Mn <1% 1~1.4% ≥1.4% Mo <0.05% 0.05~0.1% ≥0.10%
10
我国低合金钢从50年代开始研制，生产。 目前标准牌号约100个，以Mn为主，重点牌 号为16Mn，有些加入微量元素Mo，V，Nb， Cu，N，Re等。如按照国际标准划类，16Mn 等这类钢只能划为“非合金钢”，与我国历史、 现状和发展前途不适应。
39
(2) 低于临界温度时不发生显著内吸附 不同原子都有一个发生显著内吸附的临界
温度： H：0℃以下； C，N：室温附近。 P：350℃； Nb，Mo：500℃。
3.原始浓度（C0） C0越低，产生显著晶界偏聚的时间也越长。
40
4. 多种溶质原子之间的相互作用 (1)畸变能差大的元素优先发生偏聚。（如铈的晶
主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯 性；切削性；淬透性；焊接性等。
4
使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是 保证能不能生产和制造的问题。 如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。
两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时 互相矛盾。
如含铜时效钢06MnNiCuNb。
5
四.钢铁材料的分类 非合金钢; 低合金钢; 合 金 钢 高温合金; 铸 钢; 铸 铁
奥氏体形成元素：Hα>Hγ，△H<0， Cα<Cγ，γ相区扩大。
31
二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度 1、间隙固溶体： γ－Fe中间隙尺寸大，故溶解度较大。 α－Fe中间隙尺寸小，故溶解度较小。
2、置换固溶体： 铁素体形成元素在α－Fe中溶解度大；在γ－ Fe中小。 奥氏体形成元素在γ－Fe中溶解度大；在α－ Fe中小。
9
非合金钢 低合金钢 合金钢 Mn <1% 1~1.4% ≥1.4% Mo <0.05% 0.05~0.1% ≥0.10%
10
我国低合金钢从50年代开始研制，生产。 目前标准牌号约100个，以Mn为主，重点牌 号为16Mn，有些加入微量元素Mo，V，Nb， Cu，N，Re等。如按照国际标准划类，16Mn 等这类钢只能划为“非合金钢”，与我国历史、 现状和发展前途不适应。
39
(2) 低于临界温度时不发生显著内吸附 不同原子都有一个发生显著内吸附的临界
温度： H：0℃以下； C，N：室温附近。 P：350℃； Nb，Mo：500℃。
3.原始浓度（C0） C0越低，产生显著晶界偏聚的时间也越长。
40
4. 多种溶质原子之间的相互作用 (1)畸变能差大的元素优先发生偏聚。（如铈的晶
主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯 性；切削性；淬透性；焊接性等。
4
使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是 保证能不能生产和制造的问题。 如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。
两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时 互相矛盾。
如含铜时效钢06MnNiCuNb。
5
四.钢铁材料的分类 非合金钢; 低合金钢; 合 金 钢 高温合金; 铸 钢; 铸 铁
《金属材料学》PPT课件
式中：V为新相体积；S为新、旧相的界面积；△GV和△Ge分别 表示形成单位体积新相时自由能和应变能；σ表示新、旧相界单位面 积的界面能。（液态形核只有前两项）
脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界 面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不 但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。
本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、铜 及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能特点，合 金化及热处理以及材料一般用途等。
完整版ppt
5
第八章 铝 合 金
第一节 铝合金中的合金元素 第二节 变形铝合金 第三节 铸造铝合金
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6
第一节 铝合金中的合金元素
概述
1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）； 2、密度低（ 2.63～2.85g/cm3 ），比强度高； 3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au
3）淬火后合金性能的变化 对铝合金及大多数有色金属合金而言：经过淬火，不
同合金的性能变化也大不相同。可能有四种情况：①σ↑， δ或ψ↓；②σ↓，δ或ψ↑；③σ↑，δ或ψ↑；④σ，δ或ψ基本无 变化。
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21
通常，变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高， 其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金淬火后强度 和塑性通常都有所提高。
完整版ppt
9
铝合金的为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某 些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其 机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。
目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、 Mn、Zn和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。由此 得到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外，许
脱溶过程（以及其他固态相变）中，相变的阻力除了界 面能外，还包括弹性应变能。界面能和应变能的大小，不 但影响新相的形核方式，而且影响新相的形状。
本篇主要介绍目前工程中广泛应用的铝、镁、钛、铜 及其合金和相关材料，了解这些材料的典型性能特点，合 金化及热处理以及材料一般用途等。
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5
第八章 铝 合 金
第一节 铝合金中的合金元素 第二节 变形铝合金 第三节 铸造铝合金
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第一节 铝合金中的合金元素
概述
1、产量占有色金属首位；成本低廉（地壳含量8.2%）； 2、密度低（ 2.63～2.85g/cm3 ），比强度高； 3、导电，导热性好（纯铝的导电性仅次于Ag、Cu、Au
3）淬火后合金性能的变化 对铝合金及大多数有色金属合金而言：经过淬火，不
同合金的性能变化也大不相同。可能有四种情况：①σ↑， δ或ψ↓；②σ↓，δ或ψ↑；③σ↑，δ或ψ↑；④σ，δ或ψ基本无 变化。
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通常，变形铝合金在保持高塑性的情况下强度提高， 其塑性可能与退火状态相差无几。铸造铝合金淬火后强度 和塑性通常都有所提高。
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铝合金的为改善铝的机械性能，研究发现向铝中加入适量的某 些合金元素，并进行冷变形加工或热处理，可大大提高其 机械性能，其强度甚至可以达到钢的强度指标。
目前铝中主要可能加入的合金元素有Cu、Mg、Si、 Mn、Zn和Li等，它们可单独加入，也可配合加入。由此 得到多种不同工程应用的铝合金。除上述主加元素外，许
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0.2 现代金属材料
先进结构材料的研究与开发是永恒的主题。
开发高性能结构材料：高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨 损→降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。 复合材料→结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。开 发各种系列用途的低温奥氏体钢。
改造传统结构材料：重要途径是组织更细更均匀，材料更 纯洁 →关键是工艺。“新一代钢铁材料” 强度相当于 现有钢铁材料两倍。
自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后， 各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类零部件的材料要求也越来 越高。主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能。
世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的.在 “9.11”事件中，该双子大楼 遭到袭击， 毁于一旦。但它作为 一个大量使用铝合金贴面的的雄伟建筑将 永远载入史册。
海 水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可从海水中
独立地提出了位错理论，解释钢的塑性变形；马氏 体转变的晶体学。 1938年：发明了电子显微镜。 1910年：发明A不锈钢，1912年发明了F不锈钢等。 1990年：发明了布氏硬度计，Griffith提出了应力集中会导 致产生微裂纹。
4、第四阶段——微观理论的深入研究 微观理论的深入研究：
原子扩散及其本质的研究；钢TTT曲线测定； 贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。
1、第一阶段——原始钢铁生产 公元前4300年：自然的金、铜及锻打等工艺 公元前2800年：铁的熔炼 公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、
周、春秋战国） 东汉时：反复锻打钢→最原始形变热处理工艺。 淬火技术:“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂” →现代的水淬、油淬。
上图：吴王夫差矛和越王勾践剑 右上：商周时期的青铜敦和尊
材料工程系
一、课程特点和要求
课程特点：综合性 、应用性、经验性。 金属材料学核心课程是专业知识教学中最后一门课程
课程要求：掌握合金化理论的基本知识，了解材料成分设计 的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、 组织、性能之间的关系，根据零件技术要求，能正确地 选择材料和制订工艺。
二、课程要点及思路
位错理论建立：
电子显微镜的发明 →看到了钢中第二相沉淀析出，位错 滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell 气团等现象 → 位错理论。
新科学仪器不断发明：
电子探针，场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫 描透射电镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子 力显微镜（AFM）等 .
这是Fe3C。 1861年：俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度的概念。 19世纪末：马氏体研究已成为时髦，Gibbs得到了相律，
Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建 立了Fe-Fe3C系的平衡图。
钢ห้องสมุดไป่ตู้组织命名：
Austenite→英金属学家Austen； Bainite→美科学家Bain； Sorbite→英科学家Sorby； Martensite→德科学家Marten； Troostite→法化学家Troost； Ledeburite→德学者Ledebur
熟，已应用。
现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向
材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变
水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车
美国飞行汽车将于2009年上市销售
MX-400空中汽车 美国莫勒潜心研究.被誉为“汽车演 变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞 行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。
新合金钢发明：
1820年，铁-铬合金； 1857年，钨钢；1898年,含钨高速钢雏形 1871年，锰钢和硅钢。
开始了合金钢的新纪元
3、第三阶段——微观组织理论大发展 合金相图，X射线发明及应用，位错理论的建立。
1912年：发现X射线，证实α（δ）-Fe是bcc，γ-Fe是 fcc；固溶体规律。
1931年：发现合金元素的扩大和缩小γ区作用. 1934年：俄国Polanyi、匈牙利Orowan和英国Taylor各自
泰坦尼克号快速沉没的原因
小问题引大灾难.泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没,经查明是 因为含有9%矿渣的48根铆钉使泰坦尼克号钢板散架.
0.3 金属材料的可持续发展与趋势
2004年提出了 “循环型社会的材料产业——材料产业 的可持续发展”。
微生物冶金:无废物的生产，已在许多国家进行了工
业性生产。美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的 10%，日本人工培植海鞘以提取钒。海水是一种液态矿，
盘- 国家一级文物 右下：商代青铜纵目人面像
擂鼓礅二号墓编钟复制件 1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音色 优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达5个8度以上，可 自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。须五人合 作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。
2、第二阶段——金属材料学科的基础
奠定金属材料学科基础：金属学、金相学、相变和合金钢等。 1803年：道尔顿提出原子学说，阿伏加德罗提出分子论。 1830年：Hessel提出32种晶体类型，普及晶体指数。 1891年：俄、德、英等国科学家分别独立地创立了点阵结
构理论。 1864年：Sorby制备第一张金相照片，9倍，但意义重大。 1827年：Karsten从钢中分离出了Fe3C，1888年Abel证明了
主线：材料成分-工艺-组织-性能-应用之间的有机关系 核心：合金化原理 “思想”：作用的辨证与矛盾的转化。
三、教学安排
教学：详略，有的内容自学； 实践：课堂讨论，小论文，综合性实验，思考题； 考试：考试+平时+课堂讨论与实验
图 材料学主线示意图
绪论
—— 金属材料的过去、现在和将来
0.1 金属材料发展简史
美“9.11”事件，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差 → 开发高强热轧耐火耐候钢。
开发其他高性能钢： 利用各种新工艺新方法制造出韧性
和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的 一个发展方向，工具材料的各种表面处理技术开发，在 新型工具材料的开发上具有重要的意义。
先进制备工艺：如金属半固态加工技术，铝镁合金技术成