1、2.1 金属材料1金属材料的定义及性质1金属材料与社会发展2金属材料的基础知识3金属材料的制备成型4金属材料展望5一、金属材料的定义及性质无处不在的金属材料金银铜铁锡2五金：金 银 铜 铁 锡贵重金属的金和银，是财富的象征紫红色的金属铜导热性和导电性优越，电子、电气元件最常用的材料。金属铁则是我们日常生活中最常用的建筑用和机械材料。锡和铜人类最早发现和使用的金属，锡铜合金就是我们常说的青铜。锡能抗腐蚀，防毒，所以常作为镀件使用铝锌汞镁钨3一、金属材料的定义及性质无处不在的金属材料金属铝的质量轻，强度大，广泛用于建筑，航空、汽车三大工业。金属锌主要用于制作合金，可以用作小五金制件，锌的另一个用途
2、是用作电池材料金属汞在常温下呈液态，最常见的就是温度计中的膨胀显示材料。镁作为轻质金属，主要用于制作轻金属合金，科学仪器等金属钨熔点高，常温下不受空气侵蚀；主要用途为制造灯丝和高速切削合金钢4一、金属材料的定义及性质从硼（B）向右下方画线延伸到砹（ At ）的斜线，将元素分为金属和非金属两部分，斜线的右上方大部分是非金属，斜线左下方为金属，斜线附近为准金属。已知的元素109种，22种非金属，87种为金属。5金属材料：化学周期表中的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。纯金属：不含其他杂质或其他金属成分的金属金属间化合物：两个及以上金属或类金属组元按比例组成的具有金属特性和长程
3、有序晶体结构的化合物合金：两种或两种以上的金属元素或以金属为基的具有金属特性的金属材料一、金属材料的定义及性质渗碳体Fe3C复合正交晶格，与组元C和Fe的晶体结构都不相同合金的晶体结构与组成合金的某金属元素相同，也称固溶体。如青铜是铜锡合金，其晶体结构和铜的晶体结构相同，都是面心立方结构。金属间化合物与各个组元结构均不相同青铜面心立方结构6一、金属材料的定义及性质 金属材料的力学特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延展性材料在受到交变应力或重复循环应力时产生微裂纹，经一定循环次数后，裂纹扩展到临界点，导致金属材
4、料在工作应力小于屈服强度的情况下发生突然断裂，这种现象称为疲劳失效。疲劳失效，导致美军F-15C战斗机在空中突然解体往金属里加入稀土元素或是进一步改进金属的微观结构，增强金属抗疲劳性能7一、金属材料的定义及性质 金属材料的力学特性冲击韧性硬度冲击韧性：反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力。可以揭示材料的变脆倾向。泰坦尼克的钢板含硫高，韧性差，冲击试样是典型的脆性端口，而近代船用钢板的冲击试样则具有良好的韧性。硬度：材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。金属的硬度一般较大，它们之间也有很大差别。有的坚硬,如铬、钨等；有些软,可用小刀切割如钠、钾等8一、金属材料的定义及性质 金属材料的物理特性金属光泽
5、熔点当光线投射到金属表面上时，自由电子吸收所有频率的光,然后放出各种频率的光(全反射),绝大多数金属呈现灰色以至银白色光泽。金显黄色，铜显赤红色，铋为淡红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色，因为它们较易吸收某些频率的光。不同金属的熔点差异很大，汞熔点最低（-38.9 ）钨熔点最高（3410 ），熔点的高低显示了金属键的强弱9一、金属材料的定义及性质 金属材料的物理特性导电性导热性金属导电性：金属材料最外层电子受原子核的束缚作用较弱，根据能带理论，可以在整个金属中自由运动。电场作用下的自由电子越多，散射（晶格缺陷阻碍电子运动）越少，导电性就越好。金属导热性：电子在温度场作用下四处扩散，通过碰撞交换能量，
6、从而传导热量；原子就跟弹簧一样，带动其他原子振动，能量从振动剧烈的地方传导到振动较弱的地方。10一、金属材料的定义及性质 金属材料的化学特性青铜器文物粉状锈缓蚀保护前后对比金属材料抗化学腐蚀性较差，金属的腐蚀是金属与气体或液体发生电化学反应的过程。青铜器文物中，每微区中都具有不同的电位，形成许多微电池，使得青铜器表面生成了粉状绣。其主要成分为碱式碳酸铜和碱式氯化铜。使用过氧化氢除锈法。文物表面生成了棕黑色CuO，造成文物颜色发暗、发深。11一、金属材料的定义及性质 金属材料的工艺特性铸造性能锻造性能金属材料的工艺性能：是指金属材料适应加工工艺要求的能力。铸造性能：指利用金属的可熔性将其熔化后，
7、注入铸型制成铸件的难易程度；包括金属液体的流动性和收缩性。 锻造性能：指金属材料在锻造过程中承受压力加工而具有的塑性变形能力。12一、金属材料的定义及性质 金属材料的工艺特性焊接性能切削加工性焊接性：材料被焊接的难易性质。 切削加工性：表示对材料进行切削的难易程度，可用切削抗力的大小，加工表面质量、排屑的难易程度，切削刀具的寿命来衡量。13二、金属材料与社会发展金属材料发展的四个阶段Step 1原始金属材料生产 Step 2金属材料学科奠基Step 3微观组织理论大发展 Step 4微观理论的深入研究14二、金属材料与社会发展第一阶段 原始金属材料生产 狗头金商代青铜纵目人面像吴王夫差矛越王勾
8、践剑公元前4300年：使用自然的金、铜，诞生锻打、热加工等工艺公元前1500年：铁的熔炼 古代小亚细亚半岛（也就是现今的土耳其）的赫梯人第一次从铁矿石中熔炼铁。 公元前2000年：（商、周、春秋战国）青铜器兴盛，商代青铜纵目人面像 武器 ：吴王夫差矛越王勾践剑15二、金属材料与社会发展第二阶段 金属材料学科奠基 19 世纪道尔顿原子模型晶体结构空间群索拜和珠光体金相组织吉布斯相律19世纪，冶金学家和晶体学家的工作奠定了金属材料学科的基础知识1803年，道尔顿的原子学说，阿伏加德罗提出分子论18901891年,费道罗夫推导出230个晶体学空间群,建立了晶体结构理论的基本框架。1864年，索拜第一
9、个对金属进行制片，抛光、腐蚀和照相观察，第一张金相组织照片。1873年，美国的吉布斯得到了相律，相变有了理论指导。16二、金属材料与社会发展第三阶段 微观组织理论大发展 20世纪初塔曼及二元合金相图劳厄诞辰100周年纪念邮票主要成就是合金相图，X射线发明及应用，位错理论的建立。20世纪初，塔曼测定了大量的合金相图，尝试总结合金相组成的一般规律。1912年劳厄发现了晶体的X射线衍射现象，即：晶体可以作为X射线的空间衍射光栅,即当一束X射线通过晶体时将会发生衍射；分析在照相底片上获得的衍射花样，便可确定晶体结构。17位错的TEM像格里菲斯和车轮宏观端口形貌二、金属材料与社会发展第三阶段 微观组织理
10、论大发展 20世纪初1920年Griffith提出了应力集中会导致材料内部有很多显微裂纹，并从能量平衡出发得出了裂纹扩展的判据，一举奠定了断裂力学的基石。1934年：提出了位错理论，用以解释钢的塑性变形。图为位错的TEM像。在位错存在的区域附近，晶格发生了畸变，因此衍射强度亦将随之变化，于是位错附近区域所成的像便会与周围区域形成衬度反差，这就是用TEM观察位错的基本原理。18二、金属材料与社会发展第四阶段 微观组织理论的深入u热动力学理论的深入研究：原子扩散及其本质的研究；钢TTT曲线测定；贝氏体、马氏体转变形成了比较完整的理论。u位错理论完善：电子显微镜的发明 钢中第二相沉淀析出，位错滑移，
11、发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell气团等现象u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 .u这些仪器提供了大量金属表面和界面的微观结构信息，导致了金属表面和界面科学的产生。19二、金属材料与社会发展国防支撑材料铝材是飞机的主要结构材料钛及其合金在新型飞机上用作结构材料导弹与火箭的构件基本上采用铝合金、钛合金、镍基高温合金、镁合金和部分难熔金属合金。20二、金属材料与社会发展国防支撑材料美国航母甲板：690 MPa级高强钢日本“亲湖”级潜艇：NS110钢（屈服强度1000 M
12、Pa）。锆是核动力潜艇核动力堆的结构材料。 钛、铝及其合金是舰船耐压壳体的主要材料。铍的比刚度大制造精密陀螺仪。21二、金属材料与社会发展国防支撑材料钨合金穿甲弹钨合金火箭喷嘴钼合金块钽合金发动机喷管铌合金火箭发动机22高新技术关键材料 二、金属材料与社会发展Nb3Sn超导线超导核磁共振成像仪托卡马克核聚变反应堆铌、钛、锡、铋、钇等都是制取超导材料的基本组元，Nb3Sn实用低温超导材料已商品化。超导核磁共振成像仪已在医学上应用，用超导磁体可产生几十特斯拉的强磁场，而功耗降低到1100。可控核聚变反应堆工程需要大量锂、钼、锆、钛等。 23高新技术关键材料 二、金属材料与社会发展发光玩具三效催化剂
13、稀土元素的特殊电子层结构使其在光、电、磁、化学上表现出奇异性能，已出现的一大批功能材料，如稀土发光材料、稀土尾气净化材料等图为稀土夜光材料制成的玩具。图为汽车尾气净化采用的三效催化剂。催化剂涂层由稀土储氧材料（由氧化铈，氧化镧和氧化锆制备）、稀土稳定的氧化铝材料和贵金属组成。24国民经济基础材料 二、金属材料与社会发展鸟巢基建钢铁在基件领域是巨无霸材料。如图鸟巢共使用Q460E型钢材11万吨 ，京沪高铁京沪高速铁路使用钢铁735万吨 。25国民经济基础材料 铝基复合材料刹车鼓二、金属材料与社会发展汽车轻量化车辆中以铝代钢，减重50，增加运载量10，节能9.612.5，日常检修工时减少45。 图
14、为轻量化汽车金属基复合材料广泛使用的切削刀具、钻头、耐磨工件、模具和耐磨涂层。 图为铝基复合材料耐磨刹车鼓。26三、金属材料的基础知识 体 心 立 方 面 心 立 方 密 排 六 方 固 溶 体 金 属 化 合 物 机 械 混 合 物 晶 体 结 构 合 金 组 织 结 晶 过 程 同 素 异 构 转 变27三、金属材料的基础知识纯金属的晶体结构体心立方晶格：八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心钾、钼、钨面心立方晶格：金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心铝、铜、镍密排六方晶格：柱体的上、下底面六个角及中心各有一个原子,柱体中心还有三个原子镁、锌、镉28三、金属材料的基础知
15、识合金：由两种或两种以上的组元通过熔炼后所获得的新的物质。仍然具有金属特性。合金是单相组元：组成合金的基本元素。相：凡是成分相同、结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。固溶体： 由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构。金属化合物： 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，而是一种独立的结构。29三、金属材料的基础知识结晶由熔体转变为固态晶体的过程。金属的结晶过程纯金属的冷却曲线（实际）TmT时 间温 度T过冷度理论结晶温度实际结晶温度由图可见，液态金属冷却到理论结晶温度Tm（熔点）时，并没有开始结晶，而是冷却到低于 Tm
16、 时，固相才开始结晶析出（形核并长大），这种现象叫做过冷，同时放出大量潜热，当释放的潜热正好补偿系统向外界传出的热量时，结晶在恒定温度下进行，直到结晶结束。在冷却曲线上形成一段水平线。30三、金属材料的基础知识1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912- Fe -Fe- Fe同素异构转变体心立方面心立方体心立方纯铁的冷却曲线我们来看看纯铁的冷却曲线，整个曲线有三个平台，说明发生了三次相变过程。纯铁熔体冷却到1534C时开始凝固结晶，生成了体心立方结构的- Fe继续冷却到1394C，发生了同素异构转变，从- Fe 转变为面
17、心立方结构的- Fe；继续降温，在912C则转变为升温下的体心立方结构的-Fe。金属材料的制备成型31四、金属材料的制备成型金属的冶炼金属的成型金属的热处理32四、金属材料的制备成型 金属冶炼金属冶炼：把金属从化合态变为游离态的过程。用碳、一氧化碳、氢气等还原剂与金属氧化物在高温下发生还原反应，获得金属单质。金属冶炼电解冶炼利用电化学方法从矿石中提取，回收和精炼金属火法冶炼 利用高温从矿石中提取金属或其化合物湿法冶炼 利用化学溶剂的化学作用提纯和分离金属冶炼的原因：自然界中大多数金属元素都不是单独存在的，而是以各种化合物或盐类的形式存在于各种矿物中。33四、金属材料的制备成型 金属冶炼火法冶炼
18、结合电解精炼CuO + C Cu + CO2Cu的工业冶炼34四、金属材料的制备成型 金属冶炼热还原法：2Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2高炉炼铁35四、金属材料的制备成型铸造铸造：是将熔融态的金属浇注于铸型里，经冷却凝固，清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的金属材料成型方法。铸造砂型铸造特种铸造金属型铸造压力铸造离心铸造熔模铸造等 金属成型实质：金属玻璃充填铸型型腔并在其中凝固冷却。微观凝固：原子在平衡位置的振动幅度减弱，排列趋于规则。宏观变化（铸件）手工造型机器造型36四、金属材料的制备成型利用金属的可塑性，在外力的作用下使其形成需要的形状的加工方法，包括拉拔、锻造和轧制等，其
19、中锻造又分为自由锻、模锻和特种锻造。 塑性成型轧制：在轧辊作用下平板轧制锻造：通过模具和工具利用压力使工件成型拉拔：金属胚料通过具有一定形状的模孔使其横截面积减小、长度增加 金属成型37四、金属材料的制备成型焊接：利用局部加热或加压的手段，使分离的两部分金属通过原子的扩散与结合而形成永久连接的工艺，其涉及到金属的熔化与凝固过程。 焊接成型 金属成型摩擦焊焊接机器人及激光焊接示意图38 粉末冶金粉末冶金：用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成型和烧结来得到各种类型制品的工艺技术。四、金属材料的制备成型 金属成型39四、金属材料的制备成型 3D打印3D打印：平面打印的叠加，图
20、像一层一层的覆盖和凝固，从平面逐渐增高，渐渐形成立体的物件。3D打印原理实物打印打印加工后的零部件 金属成型3D 打印市场分析40 金属热处理四、金属材料的制备成型金属热处理：将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。热处理的四把火：退火（缓慢冷却）；正火（空气中冷却）；淬火（在水或油等介质中快速冷却）；回火（淬火后的长时间保温）。41五、金属材料展望继续重视高性能的新型金属材料 具有高强度、高韧性、耐高、低温、抗腐蚀等性能。非晶（亚稳态）材料日益受到重视 非晶态或亚稳
21、态合金材料、金属纳米材料。 特殊条件下应用的金属材料 低温、高压、高温、外场以及辐照条件材料的结构、组织和性能的研究。 材料的设计及选用科学化 ：按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。42五、金属材料展望储氢合金储氢材料是一类能可逆地吸收和释放氢气的材料。最早发现的是金属钯，1体积钯能溶解几百体积的氢气，但钯很贵，缺少实用价值。储氢合金：一种新型合金，一定条件下能可逆的吸收、放出氢气43五、金属材料展望储氢合金金属储氢的基本原理QMHxyHMHxyyx222u 金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热；u 改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行
22、，实现材料的吸释氢功能。换言之，是金属吸氢生成金属氢化物还是金属氢化物分解释放氢，受温度、压力与合金成分的控制。44五、金属材料展望目前研究和已投入使用的储氢合金主要有稀土系、钛系、镁系几类储氢合金储氢合金的分类的分类AB型钛系储氢合金A2B7型镁系储氢合金AB5型稀土系及钙系储氢合金体心立方固溶体钒系储氢合金AB2型Lare相储氢合金储氢合金45五、金属材料展望金属玻璃金属玻璃（Metallic glasses）也称液态合金（Liquid Metal），或非晶态合金（Amorhpous alloy）。金属玻璃的原材料是各种金属元素，按照一定的比例配合会降低结晶趋势，当冷却速率非常大的时候就会
23、出现非晶态，即金属玻璃。中国科学院物理研究所研制的大块金属玻璃的照片46五、金属材料展望金属玻璃金属玻璃强度是镁铝合金的10 倍以上，不锈钢、钛合金的2 倍以上；硬度同样是镁铝合金的10 倍以上，不锈钢、钛合金的1.5 倍以上。而密度适中，比不锈钢轻，比钛合金略重，以上特性，决定金属玻璃成为工程塑料、轻合金之后的3C 产品的第三代新材料。3C 产品的第三代新材料iPhone 金属玻璃SIM 卡针Omega Liquidmetal 手表47五、金属材料展望金属玻璃u 金属玻璃是金属吗？大部分金属玻璃体系都是由100%金属组成的合金，比如Cu, Zr, Al, Fe, Co, Ni, Mg,Zn,
24、 Ca, Yb, Ce等。但是也有非金属（或类金属）元素，比如Si，C, P，B等，含量可能达到20 at.%以上。金属玻璃都是导电的，电阻率比普通金属高12个数量级，具体和成分以及制备条件相关。u 金属玻璃是玻璃吗？透明吗？ 透明是玻璃的本质吗？金属玻璃是玻璃态物质，一般是不透明的（块体、普通条带），但是当厚度降到纳米级别后就变得透明了。是否透明（透射可见光）是由材料的电子结构决定的，很多晶态的绝缘体（如NaCl,氧化物、聚合物）也都是透明的。所以透明不是玻璃的本质；原子无序排列是玻璃的本质。48五、金属材料展望金属玻璃微观结构u 在微观结构上,金属玻璃更像是非常黏稠的液体.金属玻璃因此又被
25、称作“被冻结的熔体”。u 金属玻璃拥有无序的原子堆积结构，这和普通金属中的原子晶格结构完全不同。高分辨透射电子显微镜拍摄得到的照片 大部分的金属在冷却时都会结晶，把它们的原子排列成有规则的图案。如果结晶不出现，原子便会随机排列，成为金属玻璃。普通玻璃的原子也是随机排列，但它不是金属。49五、金属材料展望金属玻璃u 大多数金属在冷却时会出现结晶现象，所以需要非常快的冷却急冷u 目前：生产的金属玻璃是比较薄或者比较细的。u 难点：制造厚的、笨重形状的块体金属玻璃。u 主要存在的问题：在基础研究方面,非晶的结构表征、玻璃转变以及形变机制是金属玻璃中三大有挑战性的基本科学问题,至今仍然是未解之谜,它们制约了块体金属玻璃材料研究的进一步发展。主要制备方法注：块体金属玻璃通常是指3维尺寸都在毫米以上的金属玻璃。50五、金属材料展望金属玻璃典型大块金属玻璃样品：(a)Mg-Cu-Y 金属玻璃；(b)直径超过 70 mm 的金属玻璃棒；(c)公斤级别的Zr-Ti-Cu-Ni-Be 金属玻璃；(d)中国科学院物理研究所制备的金属玻璃。块体金属玻璃材料我国在这方面处于领先地位：
