《金属和金属材料思维导图》
一、金属概述
1.1 定义
- 具有金属光泽、良好的导电性、导热性、延展性等特性的物质。
1.2 分类
- 黑色金属
- 铁 (Fe)
- 锰 (Mn)
- 铬 (Cr)
- 有色金属
- 重金属：铜 (Cu)、锌 (Zn)、铅 (Pb)、锡 (Sn) 等
- 轻金属：铝 (Al)、镁 (Mg)、钛 (Ti) 等
- 稀有金属：钨 (W)、钼 (Mo)、稀土金属 (镧系元素) 等
- 贵金属
- 金 (Au)
- 银 (Ag)
- 铂 (Pt)
- 钯 (Pd)
1.3 物理性质
- 光泽：金属光泽，能反射光线
- 导电性：电子自由移动，易导电
- 导热性：电子自由移动，易导热
- 延展性：易拉成丝、压成片
- 熔点：高低不等，差异较大
- 密度：高低不等，差异较大
1.4 化学性质
- 易失电子：容易失去最外层电子，形成阳离子
- 与氧气反应：
- 常温下：铝、钠等易氧化
- 加热条件下：多数金属与氧气反应
- 与酸反应：
- 活泼金属与酸反应生成盐和氢气
- 与盐溶液反应：
- 活泼金属可以置换出不活泼金属
- 缓蚀性：某些金属表面形成致密的氧化膜，具有缓蚀性（如铝）
二、金属材料
2.1 定义
- 以金属或合金为主要成分的材料。
2.2 分类
- 钢铁材料
- 钢
- 碳素钢
- 低碳钢：含碳量较低，强度较低，韧性好
- 中碳钢：含碳量适中，强度和韧性较好
- 高碳钢：含碳量较高，强度高，硬度高，但韧性较差
- 合金钢
- 低合金钢：合金元素含量较低，性能优于碳素钢
- 高合金钢：合金元素含量较高，具有特殊性能
- 不锈钢：耐腐蚀性能优异
- 碳素钢
- 铸铁
- 灰铸铁：含碳量较高，强度较低，减震性能好
- 球墨铸铁：性能介于钢和铸铁之间，具有较好的强度和韧性
- 可锻铸铁：韧性较好，可进行锻造
- 钢
- 有色金属材料
- 铜及铜合金
- 纯铜：良好的导电性和导热性
- 黄铜：铜锌合金，强度和耐磨性较好
- 青铜：铜锡合金，耐腐蚀性和耐磨性较好
- 白铜：铜镍合金，耐腐蚀性好
- 铝及铝合金
- 纯铝：密度低，耐腐蚀性好
- 铝合金：提高强度和硬度
- 铸铝合金
- 变形铝合金
- 镁及镁合金
- 密度极低，强度较高，可加工性好
- 钛及钛合金
- 密度低，强度高，耐腐蚀性极好，耐高温
- 其他有色金属材料
- 锌、铅、锡、镍、钼、钨等及其合金
- 铜及铜合金
- 特种金属材料
- 高温合金：在高温下保持强度和耐腐蚀性的合金
- 耐蚀合金：具有极高的耐腐蚀性
- 精密合金：具有特定的物理性能
- 形状记忆合金：具有形状记忆效应
2.3 性能
- 力学性能
- 强度：抵抗变形和断裂的能力
- 硬度：抵抗局部塑性变形的能力
- 塑性：材料产生永久变形的能力
- 韧性：材料抵抗冲击的能力
- 弹性：材料发生弹性变形的能力
- 疲劳强度：材料在循环应力作用下抵抗破坏的能力
- 蠕变：材料在高温下长时间承受载荷发生缓慢塑性变形的现象
- 物理性能
- 密度：单位体积的质量
- 熔点：固态转化为液态的温度
- 导电性：传导电流的能力
- 导热性：传导热量的能力
- 磁性：被磁场吸引或排斥的性质
- 膨胀系数：温度变化引起的尺寸变化程度
- 化学性能
- 耐腐蚀性：抵抗腐蚀的能力
- 氧化性：与氧气反应的能力
- 工艺性能
- 可铸性：易于铸造的程度
- 可焊性：易于焊接的程度
- 可锻性：易于锻造的程度
- 切削加工性：易于切削加工的程度
2.4 应用
- 钢铁材料
- 建筑：钢结构、桥梁
- 机械制造：汽车、火车、船舶、飞机
- 日常生活：餐具、工具
- 有色金属材料
- 电子工业：电线、电缆、电子元件
- 航空航天：飞机、火箭
- 化工：耐腐蚀设备
- 医疗：医疗器械
- 特种金属材料
- 航空航天：发动机、结构件
- 核工业：反应堆材料
- 精密仪器：精密零件
三、金属材料的加工
3.1 热加工
- 铸造：将熔融金属注入模具成型
- 锻造：利用冲击力使金属变形
- 轧制：通过旋转轧辊使金属变形
- 拉拔：通过模具使金属拉伸成丝或管
- 焊接：将金属连接在一起
- 热处理：通过加热、保温、冷却改变金属组织和性能
3.2 冷加工
- 冲压：利用冲模使金属变形
- 拉延：将金属拉伸成特定形状
- 弯曲：使金属弯曲成一定角度
- 切削加工：利用刀具去除金属材料
- 车削
- 铣削
- 刨削
- 磨削
- 钻孔
四、金属材料的防护
4.1 腐蚀类型
- 化学腐蚀：金属与干燥气体或非电解质液体直接反应
- 电化学腐蚀：金属在电解质溶液中发生氧化还原反应
4.2 防护方法
- 改变材料成分：添加合金元素提高耐腐蚀性 (如不锈钢)
- 表面覆盖层：
- 金属镀层：镀锌、镀铬、镀镍等
- 非金属涂层：油漆、塑料、陶瓷等
- 缓蚀剂：在腐蚀介质中加入少量能减缓腐蚀的物质
- 阴极保护：
- 牺牲阳极法：连接更活泼的金属 (牺牲阳极)
- 外加电流法：施加外部电流，使金属成为阴极
- 改善环境：控制腐蚀介质的pH值、温度、湿度等
五、金属材料的发展趋势
- 高性能化：更高的强度、韧性、耐腐蚀性、耐高温性
- 轻量化：更低的密度
- 复合化：利用多种材料的优点，提高综合性能
- 智能化：具有自修复、自适应等功能
- 绿色化：环保、节能、可回收