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1、金属材料学基础知识第一页，本课件共有40页20世纪中国科技的发展新新中中国国建建立立之之初初，中中国国只只有有500500人人的的科科研研队队伍伍，80%80%的的国国民为文盲，与发达国家的科技实力差距为民为文盲，与发达国家的科技实力差距为100100年。年。现现在在，中中国国在在高高科科技技的的某某些些领领域域已已经经赶赶上上或或超超过过了了世世界界先先进进水水平平。但但在在有有些些领领域域与与发发达达国国家家相相比比还还要要落落后后几十年。几十年。第二页，本课件共有40页20世纪中国科技的发展v 原子弹和氢弹爆炸成功；原子弹和氢弹爆炸成功；v 6000 6000米水下无缆机器人研制成功；米
2、水下无缆机器人研制成功；v 作为唯一的发展中国家参与人类基因组计划；作为唯一的发展中国家参与人类基因组计划；v 导弹和人造卫星成功发射，宇宙飞船顺利遨游太空；导弹和人造卫星成功发射，宇宙飞船顺利遨游太空；v 第三页，本课件共有40页20世纪中国科技的发展“神州神州”五号载人飞船五号载人飞船第四页，本课件共有40页科学技术成为国家安全的核心要素科学技术成为国家安全的核心要素 q 科科技技水水平平将将在在相相当当程程度度上上决决定定各各国国在在政政治治舞舞台台上上的的地地位位，“为为了了外外交交的的科科技技”将将彻彻底底转转变变为为“为为了了科科技的外交技的外交”。q 以以军军事事安安全全为为核核
3、心心的的安安全全观观正正在在拓拓展展为为包包括括经经济济安安全全、军军事事安安全全、文化安全、等内容的现代大安全观。文化安全、等内容的现代大安全观。q 未未来来战战争争将将成成为为核核威威慑慑、信信息息威威慑慑及及生生物物威威慑慑的的高高技技术术战战争争，其其影影响响和和破破坏范围将远远超过传统战争。坏范围将远远超过传统战争。q 可以说，没有强大的科学技术为后盾，就没有未来的国家安全保障。可以说，没有强大的科学技术为后盾，就没有未来的国家安全保障。第五页，本课件共有40页当前高新科学技术领域的三大支柱当前高新科学技术领域的三大支柱：n n信息技术n n生物技术n n新 材 料 材料科学是基础材
4、料科学是基础,即信即信息技术和生物工程必须依托息技术和生物工程必须依托于新材料的研究和开发于新材料的研究和开发.没没有新材料有新材料,就没有高技术的就没有高技术的应用和发展应用和发展.第六页，本课件共有40页晶体学基础晶体学基础n n晶体结构n n空间点阵n n晶面n n晶向n n晶粒n n金属的结晶过程第七页，本课件共有40页三种典型的金属晶体结构面心立方体心立方密排六方第八页，本课件共有40页塑性的基本概念n n什么是塑性 塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。第九页，本课件共有40页单晶体的塑性变形在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的，此外，尚有孪在
5、常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行的，此外，尚有孪生和扭折等方式。生和扭折等方式。滑移第十页，本课件共有40页孪生孪生第十一页，本课件共有40页多晶体的塑性变形n n实际使用的材料通常是由多晶体组实际使用的材料通常是由多晶体组成的。室温下，多晶体中每个晶粒成的。室温下，多晶体中每个晶粒变形的基本方式与单晶体相同，但变形的基本方式与单晶体相同，但由于相邻晶粒之间取向不同，以及由于相邻晶粒之间取向不同，以及晶界的存在，因而多晶体的变形既晶界的存在，因而多晶体的变形既需克服晶界的阻碍，又要求各晶粒需克服晶界的阻碍，又要求各晶粒的变形相互协调与配合，故多晶体的变形相互协调与配合，故多晶
6、体的塑性变形较为复杂。的塑性变形较为复杂。多晶体试样多晶体试样经拉伸后，每一晶粒中的滑移带都经拉伸后，每一晶粒中的滑移带都终止在晶界附近。终止在晶界附近。第十二页，本课件共有40页n n弹性弹性(elasticity)(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性：卸载后变形可以恢复特性，可逆性n n塑性塑性(plasticity)(plasticity)：物体产生永久变形的能力，不可逆性：物体产生永久变形的能力，不可逆性n n屈服屈服(yielding)(yielding)：开始产生塑性变形的临界状态：开始产生塑性变形的临界状态n n损伤损伤(damage)(damage)：材料内
7、部缺陷产生及发展的过程：材料内部缺陷产生及发展的过程n n断裂断裂(fracture)(fracture)：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程：宏观裂纹产生、扩展到变形体破断的过程 金属材料塑性加工的几个基本概念第十三页，本课件共有40页n n可逆性：弹性变形可逆性：弹性变形可逆；塑性变形可逆；塑性变形不可逆不可逆n n-关系：弹性变形关系：弹性变形线性；塑性变形线性；塑性变形非线性非线性n n对组织和性能的影响：弹性变形对组织和性能的影响：弹性变形无影响；塑性变形无影响；塑性变形影响影响大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等）大（加工硬化、晶粒细化、位错密度增加、形成织构等）n
8、n变形机理：变形机理：弹性变形弹性变形原子间距的变化；原子间距的变化；塑性变形塑性变形位错运动为主位错运动为主n n弹塑性共存：整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变弹塑性共存：整体变形中包含弹性变形和塑性变形；塑性变 形形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑性变形的发生必先经历弹性变形；在材料加工过程中，工件的塑性变形与工模具的弹性变形共存与工模具的弹性变形共存。弹性、塑性变形的力学特征第十四页，本课件共有40页提高金属塑性的主要途径提高塑性的主要途径有以下几个方面：1.1.控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的均匀性；和
9、组织的均匀性；2.2.采用合适的变形温度采用合适的变形温度速度制度；速度制度；3.3.选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性，尽量造成均匀的变形状态；4.4.避免加热和加工时周围介质的不良影响。避免加热和加工时周围介质的不良影响。第十五页，本课件共有40页钢铁材料的分类钢铁材料的分类n n按冶炼方法分类:平炉钢、转炉钢、电炉钢平炉钢、转炉钢、电炉钢n n按用途分类：结构钢、工具钢、特殊性能钢结构钢、工具钢、特殊性能钢n n按正火组织分类：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢奥氏体钢n n按化学成分分类：碳素钢、合金钢碳素钢、合金钢第十六页，本课件共有4
10、0页钢的热处理钢的热处理n n退火n n淬火n n回火n n正火n n时效第十七页，本课件共有40页钢的合金化n n置换固溶体置换固溶体n n间隙固溶体间隙固溶体n n金属间化合物金属间化合物钢的低倍缺陷 疏松疏松 缩孔残余缩孔残余 偏析偏析 气泡气泡 裂纹裂纹 夹杂夹杂钢的高倍缺陷带状组织液析非金属夹杂物第十八页，本课件共有40页铸铸 铁铁n n白口铸铁n n麻口铸铁n n灰口铸铁第十九页，本课件共有40页有色金属及其合金有色金属及其合金n n轻金属 比重小于比重小于3.53.5的金属，如铝、镁、铍、锂等的金属，如铝、镁、铍、锂等n n重金属 比重大于比重大于3.53.5的金属，如铜、锌、铅
11、、镍等的金属，如铜、锌、铅、镍等n n贵金属 金、银、铂等金、银、铂等n n稀有金属 钨、钼、钒、钛等钨、钼、钒、钛等n n放射性金属 镭、铀等镭、铀等3.682.653.682.65第二十页，本课件共有40页铜及其合金铜的导电、导热性好，仅次于银位居第二位。铜的导电、导热性好，仅次于银位居第二位。工业纯金属的导电导热性：银、铜、金、铝、镁、锌、镍、镉、钴、铁、工业纯金属的导电导热性：银、铜、金、铝、镁、锌、镍、镉、钴、铁、铂、锡、铅、锑铂、锡、铅、锑 n n纯铜纯铜 ：又称紫铜：又称紫铜n n黄铜黄铜 ：铜锌合金：铜锌合金n n青铜青铜 ：锡青铜、铝青铜、铍青铜：锡青铜、铝青铜、铍青铜n n
12、白铜白铜 ：铜镍合金：铜镍合金铜的热处理：铜无同素异构转变，不能热处理强化，铜的热铜的热处理：铜无同素异构转变，不能热处理强化，铜的热 处理主要是退火，包括低温退火和再结晶退火。处理主要是退火，包括低温退火和再结晶退火。第二十一页，本课件共有40页金属基复合材料金属基复合材料通常按增强体的形式分类：n n连续纤维增强连续纤维增强n n短纤维或晶须增强短纤维或晶须增强n n颗粒增强以及片层叠合颗粒增强以及片层叠合第二十二页，本课件共有40页继电器触点材料n n对触点材料的要求对触点材料的要求(1)(1)良好的导电性和导热性。这是对触点材料的基本要求良好的导电性和导热性。这是对触点材料的基本要求,
13、材料本身要具有低而稳定的电阻材料本身要具有低而稳定的电阻,同时在工作一段时间后同时在工作一段时间后,要保证接触电阻不会急剧增大，温度不会升高太多。要保证接触电阻不会急剧增大，温度不会升高太多。(2)(2)耐电磨损。小型化的大功率继电器无疑会使触点材料在大耐电磨损。小型化的大功率继电器无疑会使触点材料在大电流、高电压下工作电流、高电压下工作,而且由于触点尺寸较小而且由于触点尺寸较小,承受的电流密承受的电流密度较大度较大,触点材料必须要能经受强电弧的侵蚀触点材料必须要能经受强电弧的侵蚀,保证有足够的保证有足够的使用寿命。使用寿命。(3)(3)抗熔焊能力强。小型大功率继电器在使用中往往还存在着抗熔焊
14、能力强。小型大功率继电器在使用中往往还存在着大的浪涌电流大的浪涌电流,极易造成触点熔焊或剧烈烧损，触点材料在极易造成触点熔焊或剧烈烧损，触点材料在选择材料成分和结构时要充分考虑到这一点。选择材料成分和结构时要充分考虑到这一点。(4)(4)良好的机械加工性。触点材料要加工成各种形状良好的机械加工性。触点材料要加工成各种形状,特别特别是大量的铆钉型触点是大量的铆钉型触点,材料应具有高强度兼顾很好的塑性。材料应具有高强度兼顾很好的塑性。第二十三页，本课件共有40页继电器触点材料n nAgNiAgNin nAgCdOAgCdO 1972 1972 年日本限制使用年日本限制使用AgCdO AgCdO 触
15、点材料并寻找代替品触点材料并寻找代替品,随后随后美国、法国、英国等也相继研制美国、法国、英国等也相继研制AgCdOAgCdO的代替品。的代替品。20042004年年8 8月欧月欧洲议会和欧盟部长理事会共同批准了关于限制在电子电气设洲议会和欧盟部长理事会共同批准了关于限制在电子电气设备中使用某些有害物质的指令，要求各成员国确保从备中使用某些有害物质的指令，要求各成员国确保从20062006年年7 7月月1 1日起投放于市场的新的电子和电器设备不包含铅、汞、镉日起投放于市场的新的电子和电器设备不包含铅、汞、镉等六种有害物质，并规定了六种有害物质的浓度上限，要求同等六种有害物质，并规定了六种有害物质
16、的浓度上限，要求同质物料所含铅、汞、镉等的最高浓度不得超过重量的质物料所含铅、汞、镉等的最高浓度不得超过重量的0.01%0.01%（100ppm100ppm）。）。第二十四页，本课件共有40页继电器触点材料AgSnOAgSnO2 被认为是最有可能替代AgCdO的触点材料AgCdOAgCdO的特点：的特点：1.1.CdOCdO在高温分解成在高温分解成CdCd蒸气和氧气，体积增大几个数量级，蒸气和氧气，体积增大几个数量级，产生剧烈的蒸发，起到吹弧作用，并清洁触点表面产生剧烈的蒸发，起到吹弧作用，并清洁触点表面2.2.CdOCdO分解时吸收大量的热，有利于电弧的冷却与熄灭分解时吸收大量的热，有利于电
17、弧的冷却与熄灭3.3.弥散的弥散的CdOCdO微粒能增加熔融材料的粘度，减少金属的飞微粒能增加熔融材料的粘度，减少金属的飞溅损耗。溅损耗。AgSnOAgSnO2 2 的特点：的特点：SnO SnO2 2的耐高温性能好，熔融的的耐高温性能好，熔融的AgAg对对SnOSnO2 2的润湿性差的润湿性差 第二十五页，本课件共有40页影响触点材料电寿命的因素 n n1 1）组元的影响）组元的影响 对触点材料抗电弧侵蚀性能影响重大的三个方面是对触点材料抗电弧侵蚀性能影响重大的三个方面是:(a):(a)液液态银对第二组份的润湿性态银对第二组份的润湿性;(b);(b)分散体系的粘性分散体系的粘性;(c)MeO
18、;(c)MeO组份的组份的分布及热稳定性。分布及热稳定性。n n2 2）组织的影响）组织的影响 在一定组元条件下，材料的组织结构对电寿命的影响在一定组元条件下，材料的组织结构对电寿命的影响也是关键的因素。组织的优化设计包括下述内容也是关键的因素。组织的优化设计包括下述内容:(1)MeO:(1)MeO的粒度的粒度:适度适度(应可控制应可控制)；(2)MeO(2)MeO的体积分数的体积分数:适度；适度；(3)MeO(3)MeO 颗粒在颗粒在Ag Ag 基体中的分布状况基体中的分布状况:均匀分布在均匀分布在Ag Ag 基基体中而不是在体中而不是在Ag Ag 晶界上；晶界上；(4)(4)孔隙大小孔隙大
19、小:愈小愈好；愈小愈好；(5)(5)孔隙含量孔隙含量:愈少愈好；愈少愈好；(6)(6)孔隙在材料中的分布状况孔隙在材料中的分布状况:均均匀分布在匀分布在AgAg基体中最好；基体中最好；(7)MeO(7)MeO与与AgAg界面结合强度界面结合强度:愈愈强愈好；强愈好；(8)MeO(8)MeO与与AgAg熔液的润湿程度熔液的润湿程度:润湿角愈小愈好。润湿角愈小愈好。第二十六页，本课件共有40页继电器触点材料的制备方法内氧化法粉末冶金法高压内氧化法化学共沉淀法反应合成法反应喷雾法预氧化法第二十七页，本课件共有40页第二十八页，本课件共有40页第二十九页，本课件共有40页第三十页，本课件共有40页金属
20、功能材料金属功能材料n n按性能分主要包括：按性能分主要包括：磁性、电性、力学、声学、热学、光学、化学、生物功能材料磁性、电性、力学、声学、热学、光学、化学、生物功能材料和特种功能材料和特种功能材料n n当前研究比较多的功能材料有当前研究比较多的功能材料有：1.1.金属软磁材料金属软磁材料 2.2.稀土永磁合金稀土永磁合金 3.3.纳米材料纳米材料4.4.稀土功能材料稀土功能材料5.5.大块非晶材料大块非晶材料6.6.真空快淬材料真空快淬材料7.7.磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金 第三十一页，本课件共有40页纳米材料纳米材料第三十二页，本课件共有40页第三十三页，本课件共有40页材料科学与纳
21、米技术v 纳米技术(主要应用于纳米材料和纳米器件两个方面)是材料科学的重要支撑，即对原子和分子进行加工，并将其组装成具有特定功能的结构。v 纳米技术所引起的世界性技术革命和产业革命，将会比历史上任何一次技术革命对社会经济、政治、国防等领域所产生的冲击更为巨大。第三十四页，本课件共有40页磁性材料磁性材料n n抗磁性物质n n顺磁性物质n n铁磁性物质n n软磁材料软磁材料n n硬磁材料（永磁材料）硬磁材料（永磁材料）第三十五页，本课件共有40页形状记忆合金形状记忆合金第三十六页，本课件共有40页大磁致伸缩材料第三十七页，本课件共有40页磁控形状记忆材料第三十八页，本课件共有40页金属材料检测分析金属材料检测分析n n力学性能检测n n残余应力检测n n缺陷检测n n微观组织检测n n晶粒度、颗粒度检测n n磁性能检测n n电性能检测第三十九页，本课件共有40页完第四十页，本课件共有40页