《金属与金属材料思维导图》
一、金属材料概述
1.1 金属材料的定义
- 由金属元素或以金属元素为主组成的材料，具有金属光泽、导电性、导热性、延展性等特性。
1.2 金属材料的分类
* **1.2.1 黑色金属**:
* 主要指铁、铬、锰及其合金，如钢铁、铬铁、锰钢等。
* 其中钢铁是最主要的工程材料。
* 广泛应用于建筑、交通、机械制造等领域。
* **1.2.2 有色金属**:
* 指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，如铜、铝、锌、铅、锡、镁、钛等。
* 根据密度可分为轻金属（如铝、镁）和重金属（如铜、铅）。
* 根据稀有程度可分为稀有金属（如钛、锆、钨）和常见金属（如铜、铝）。
* 广泛应用于电子、航空航天、化工等领域。
* **1.2.3 特种金属材料**:
* 具有特殊性能的金属材料，如耐高温合金、耐腐蚀合金、形状记忆合金等。
* 应用于航空航天、核工业等特殊领域。
1.3 金属材料的性能
* **1.3.1 力学性能**:
* 强度：材料抵抗塑性变形和断裂的能力。包括抗拉强度、屈服强度、硬度等。
* 塑性：材料在受力作用下产生永久变形而不破坏的能力。包括延伸率、断面收缩率等。
* 韧性：材料吸收能量直到断裂的能力。包括冲击韧性等。
* 疲劳强度：材料在交变应力作用下抵抗断裂的能力。
* 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。
* **1.3.2 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：导电能力的大小。
* 导热性：导热能力的大小。
* 热膨胀系数：温度变化时体积变化的程度。
* **1.3.3 化学性能**:
* 耐腐蚀性：抵抗腐蚀的能力。
* 抗氧化性：抵抗氧化的能力。
* **1.3.4 工艺性能**:
* 铸造性：适合铸造的程度。
* 可焊性：适合焊接的程度。
* 热处理性：适合热处理的程度。
* 冷热加工性：适合冷热加工的程度。
二、金属的晶体结构
2.1 晶体结构的基本概念
- 晶格：晶体中原子或离子在空间有规则排列的几何格架。
2.2 常见的金属晶体结构
* **2.2.1 面心立方晶格(FCC)**:
* 例如：铝、铜、镍、金、银。
* 具有良好的塑性和韧性。
* 堆垛密度高，滑移系多。
* **2.2.2 体心立方晶格(BCC)**:
* 例如：铁、铬、钨、钼。
* 强度较高，塑性较差。
* 堆垛密度较低，滑移系较少。
* **2.2.3 密排六方晶格(HCP)**:
* 例如：镁、钛、锌、镉。
* 塑性和韧性较差，各向异性明显。
* 堆垛密度较高，滑移系少，塑性变形能力有限。
2.3 晶体缺陷
* **2.3.1 点缺陷**:
* 空位：晶格中原子缺失形成的空位。
* 间隙原子：原子占据晶格间隙的位置。
* 杂质原子：外来原子替代基体原子或占据晶格间隙。
* **2.3.2 线缺陷**:
* 位错：晶体中原子排列不完整的线状缺陷，包括刃型位错和螺型位错。
* 位错是金属塑性变形的主要载体。
* **2.3.3 面缺陷**:
* 晶界：晶粒之间的界面。
* 孪晶界：晶体中一部分原子相对于另一部分原子呈镜像对称排列形成的界面。
* 堆垛层错：晶体中原子堆垛顺序发生错误。
* **2.3.4 体缺陷**:
* 气孔：金属内部的气体形成的空洞。
* 夹杂物：金属内部存在的非金属夹杂。
三、金属合金
3.1 合金的定义
- 由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔合或烧结等方法形成的具有金属特性的物质。
3.2 合金的类型
* **3.2.1 固溶体合金**:
* 溶质原子溶解在溶剂晶格中，形成均匀的固溶体。
* 根据溶质原子占据的位置可分为置换固溶体和间隙固溶体。
* **3.2.2 机械混合物合金**:
* 由两种或两种以上的相机械混合而成，各相保持各自的晶体结构和性能。
* **3.2.3 金属化合物合金**:
* 溶质原子和溶剂原子通过化学结合形成金属化合物。
3.3 合金化对金属性能的影响
* **3.3.1 强度和硬度**:
* 通常合金化可以提高金属的强度和硬度。
* **3.3.2 塑性和韧性**:
* 合金化对金属的塑性和韧性影响复杂，取决于合金成分和组织。
* **3.3.3 耐腐蚀性**:
* 合金化可以提高金属的耐腐蚀性，如不锈钢。
* **3.3.4 其他性能**:
* 合金化可以改变金属的熔点、导电性、导热性等。
四、金属材料的加工与热处理
4.1 金属材料的加工
* **4.1.1 铸造**:
* 将熔融金属注入铸型，冷却凝固后获得所需形状的零件。
* **4.1.2 锻压**:
* 利用冲击或压力使金属产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件。
* **4.1.3 轧制**:
* 将金属通过旋转轧辊，使其产生塑性变形，从而改变形状和尺寸。
* **4.1.4 拉拔**:
* 将金属通过模具，使其产生塑性变形，从而减小直径或改变形状。
* **4.1.5 焊接**:
* 将金属零件连接在一起，形成整体。
* **4.1.6 切削加工**:
* 利用刀具从金属材料上切除多余部分，获得所需形状和尺寸的零件。
4.2 金属材料的热处理
* **4.2.1 退火**:
* 将金属加热到适当温度，保温一段时间后缓慢冷却，以消除内应力，降低硬度，提高塑性和韧性。
* **4.2.2 正火**:
* 将金属加热到适当温度，保温一段时间后在空气中冷却，以细化晶粒，提高强度和硬度。
* **4.2.3 淬火**:
* 将金属加热到适当温度，保温一段时间后迅速冷却，以获得马氏体组织，提高硬度和耐磨性。
* **4.2.4 回火**:
* 将淬火后的金属加热到低于临界温度的适当温度，保温一段时间后冷却，以降低脆性，提高塑性和韧性。
* **4.2.5 表面热处理**:
* 通过改变金属表面的组织和性能，提高表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，如渗碳、渗氮等。
五、金属材料的应用
5.1 钢铁材料的应用
* **5.1.1 碳素钢**:
* 根据含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。
* 应用于建筑、桥梁、机械零件等。
* **5.1.2 合金钢**:
* 添加合金元素以改善性能，如不锈钢、合金结构钢、合金工具钢等。
* 应用于耐腐蚀、耐高温、高强度等要求的场合。
5.2 有色金属材料的应用
* **5.2.1 铝合金**:
* 密度低、强度高、耐腐蚀性好，应用于航空航天、交通运输、建筑等领域。
* **5.2.2 铜合金**:
* 导电性好、耐腐蚀性好，应用于电线电缆、电子元件、管道等。
* **5.2.3 钛合金**:
* 强度高、密度低、耐腐蚀性好，应用于航空航天、生物医学等领域。
5.3 特种金属材料的应用
* **5.3.1 耐高温合金**:
* 在高温下具有良好的强度和抗氧化性，应用于航空发动机、燃气轮机等。
* **5.3.2 耐腐蚀合金**:
* 具有良好的耐腐蚀性，应用于化工、海洋工程等领域。
* **5.3.3 形状记忆合金**:
* 具有形状记忆效应，应用于智能材料、医疗器械等领域。
