化学金属材料思维导图
《化学金属材料思维导图》
一、金属材料基础知识
1.1 金属的定义与特性
- 定义：具有金属光泽、良好的导电性、导热性和延展性的物质。
- 物理特性：
- 光泽：金属光泽 (如金、银、铜)。
- 导电性：良好的导电性能，随温度升高而降低。
- 导热性：良好的导热性能。
- 延展性：易于塑性变形，可拉成丝、压成箔。
- 熔点：熔点范围广，高低不等。
- 密度：密度范围广，高低不等。
- 化学特性：
- 易失电子：容易失去电子，表现出还原性。
- 与氧气反应：在不同条件下与氧气反应，生成氧化物。
- 与酸反应：与酸反应生成氢气和盐。
- 与盐溶液反应：活泼金属能置换出较不活泼金属。
1.2 金属键
- 金属键的形成：金属原子失去价电子，形成金属阳离子，自由电子在金属阳离子之间移动，形成金属键。
- 金属键的本质：金属阳离子与自由电子之间的静电吸引力。
- 金属键的特性：
- 无方向性：自由电子可以自由移动，金属键没有方向性。
- 无饱和性：每个金属原子可以与多个原子形成金属键。
- 金属键对金属性质的影响：决定了金属的导电性、导热性、延展性等物理性质。
1.3 金属晶体结构
- 常见的金属晶体结构：
- 面心立方晶格 (FCC)：如铜、铝、金、银。
- 体心立方晶格 (BCC)：如铁、钨、铬、钼。
- 密排六方晶格 (HCP)：如镁、锌、钛。
- 晶格缺陷：
- 点缺陷：空位、间隙原子、置换原子。
- 线缺陷：位错 (刃型位错、螺型位错)。
- 面缺陷：晶界、孪晶界、堆垛层错。
- 晶格缺陷对金属性质的影响：影响金属的强度、塑性、硬度等。
二、金属材料的分类
2.1 黑色金属
- 定义：以铁为主要成分的金属材料。
- 主要分类：
- 钢：含碳量在0.02%～2.11%之间的铁碳合金。
- 碳素钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢。
- 合金钢：合金元素含量较高，具有特殊性能。
- 生铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。
- 应用：广泛应用于建筑、机械、交通运输等领域。
2.2 有色金属
- 定义：除铁、铬、锰以外的所有金属。
- 分类：
- 轻金属：密度小于4.5 g/cm³，如铝、镁、钛。
- 重金属：密度大于4.5 g/cm³，如铜、铅、锌、锡。
- 贵金属：价格昂贵，耐腐蚀性好，如金、银、铂。
- 稀有金属：储量稀少，具有特殊性能，如稀土金属、稀散金属。
- 应用：广泛应用于航空航天、电子、化工等领域。
2.3 合金
- 定义：由两种或两种以上的金属或金属与非金属经一定方法熔合而成的具有金属特性的物质。
- 合金的分类：
- 固溶体合金：合金组元在固态下形成固溶体。
- 共晶合金：合金组元在一定比例下共同结晶，形成共晶体。
- 中间相合金：合金组元之间形成新的化合物。
- 合金的性能：
- 强度：比纯金属更高。
- 硬度：比纯金属更高。
- 耐腐蚀性：某些合金具有更好的耐腐蚀性。
- 特殊性能：某些合金具有特殊的物理或化学性能。
三、金属材料的加工与处理
3.1 金属的冶炼
- 火法冶金：利用高温冶炼金属。
- 湿法冶金：利用化学溶剂溶解金属化合物，再进行提取。
- 电解冶金：利用电解原理提取金属。
3.2 金属的加工
- 铸造：将熔融金属注入铸型，冷却后获得所需形状的零件。
- 锻压：利用冲击力或压力使金属产生塑性变形。
- 焊接：将金属零件连接在一起。
- 热处理：通过加热、保温和冷却改变金属的组织结构，从而改变其性能。
- 表面处理：改善金属表面的性能。
四、金属材料的腐蚀与防护
4.1 金属的腐蚀
- 化学腐蚀：金属与干燥气体或非电解质溶液发生化学反应。
- 电化学腐蚀：金属与电解质溶液发生电化学反应。
- 影响腐蚀的因素：
4.2 金属的防护
- 改变金属内部结构：
- 改变金属表面状态：
- 涂覆保护层：油漆、塑料、金属镀层。
- 化学转化膜处理：磷化、钝化。
- 电化学保护：
- 外加电流保护：阴极保护。
- 牺牲阳极保护：利用活泼金属作阳极，保护被保护金属。
- 缓蚀剂：加入介质中，降低腐蚀速率。
五、金属材料的应用
5.1 钢铁材料的应用
- 建筑：钢结构、钢筋混凝土。
- 机械：各种机械设备、汽车、船舶。
- 交通运输：铁路、桥梁、飞机。
- 能源：石油管道、核电站。
5.2 有色金属材料的应用
- 电子：导线、电子元件。
- 航空航天：飞机、火箭、卫星。
- 化工：化工设备、管道。
- 医疗：医疗器械、植入物。
六、金属材料的发展趋势
- 高性能化：更高的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性。
- 轻量化：更低的密度，用于航空航天、汽车等领域。
- 复合化：将金属材料与其他材料复合，获得更优异的性能。
- 智能化：具有自修复、自适应等功能的金属材料。
- 绿色化：使用环保的材料和工艺，减少对环境的污染。
