《金属和金属材料的思维导图》

一、金属概述

1. 定义

• 具有金属光泽，延展性，导电性和导热性的材料。
  • 通常呈固态（汞除外）。

2. 分类

• 按用途分类:
  • 结构金属：钢、铝、镁、钛等，用于承受载荷。
  • 功能金属：稀土金属、贵金属、半导体金属等，利用其特殊物理化学性质。
    • 按纯度分类:
  • 纯金属：含杂质少，具有特定化学成分和物理性能，如铁、铝、铜。
  • 合金：由两种或多种金属或金属与非金属熔合而成，具有优于纯金属的性能。
    • 按状态分类:
  • 黑色金属：铁、铬、锰及其合金。
  • 有色金属：除黑色金属以外的金属及其合金，如铜、铝、铅、锌。

3. 常见金属的性质

• 铁 (Fe):
  • 磁性，易生锈，强度适中，价格低廉。
  • 应用：钢材主要成分，建筑、机械制造。
    • 铝 (Al):
  • 轻质，耐腐蚀，导电性好，易加工。
  • 应用：航空航天、包装、电子产品。
    • 铜 (Cu):
  • 导电性好，导热性好，延展性好，耐腐蚀。
  • 应用：电线电缆、管道、电子元件。
    • 镁 (Mg):
  • 轻质，强度高，但易燃。
  • 应用：航空航天、汽车、轻合金。
    • 钛 (Ti):
  • 强度高，耐腐蚀，密度小，耐高温。
  • 应用：航空航天、医疗器械、化工设备。

二、金属材料的组织结构

1. 晶体结构

• 晶胞: 晶体结构的基本单元，重复排列构成整个晶体。
  • 常见晶体结构:
    • 面心立方 (FCC): 如铝、铜、镍、金、银。
    • 体心立方 (BCC): 如铁 (α-Fe)、铬、钨、钼。
    • 密排六方 (HCP): 如镁、钛、锌、镉。
  • 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、相界。
    • 体缺陷：气孔、夹杂物。
  • 晶粒: 晶体材料由许多小晶体组成，每个小晶体称为晶粒。
  • 晶界: 相邻晶粒之间的界面。

2. 合金的组织结构

• 固溶体: 一种或多种溶质原子溶解在溶剂晶格中形成的均匀相。
  • 置换固溶体：溶质原子占据溶剂原子的晶格位置。
  • 间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙位置。
    • 化合物: 金属元素与金属元素或金属元素与非金属元素以一定的原子比结合形成的具有一定晶体结构的物质。
    • 机械混合物: 不同相的微观组织以机械混合方式存在。

三、金属材料的性能

1. 力学性能

• 强度: 材料抵抗塑性变形和断裂的能力。
  • 抗拉强度：材料抵抗拉伸破坏的最大应力。
  • 屈服强度：材料开始发生塑性变形的应力。
    • 硬度: 材料抵抗局部塑性变形（如压痕）的能力。
  • 布氏硬度 (HB)：用钢球或硬质合金球压入材料表面。
  • 洛氏硬度 (HR)：用金刚石圆锥或钢球压入材料表面。
  • 维氏硬度 (HV)：用金刚石正四棱锥压入材料表面。
    • 塑性: 材料在不发生断裂的情况下承受塑性变形的能力。
  • 延伸率：试样拉伸断裂后伸长的长度与原始长度之比。
  • 断面收缩率：试样拉伸断裂后断面面积缩小的比例。
    • 韧性: 材料吸收能量直到断裂的能力。
  • 冲击韧性：材料抵抗冲击载荷的能力。
    • 弹性: 材料受力变形后，除去外力后能完全恢复原状的性能。
  • 弹性模量：衡量材料刚度的指标。
    • 疲劳强度: 材料在循环应力作用下抵抗断裂的能力。
    • 蠕变: 材料在恒定载荷和高温下缓慢塑性变形的现象。

2. 物理性能

• 密度: 单位体积的质量。
  • 熔点: 固态变为液态的温度。
  • 导电性: 传输电流的能力。
  • 导热性: 传输热量的能力。
  • 热膨胀性: 温度变化时体积变化的程度。
  • 磁性: 材料对磁场的反应。

3. 化学性能

• 耐腐蚀性: 材料抵抗化学或电化学腐蚀的能力。
  • 钝化：金属表面形成一层致密的氧化膜，阻止进一步腐蚀。
    • 抗氧化性: 材料在高温下抵抗氧化的能力。

四、金属材料的强化方法

1. 细晶强化

• 细化晶粒可以增加晶界数量，阻碍位错运动，提高强度和韧性。
  • 实现方法：控制凝固过程、塑性变形、热处理。

2. 固溶强化

• 溶质原子进入溶剂晶格，造成晶格畸变，阻碍位错运动，提高强度。
  • 影响因素：溶质原子的种类、浓度和尺寸。

3. 形变强化 (加工硬化)

• 通过塑性变形增加材料内部的位错密度，阻碍位错运动，提高强度。
  • 缺点：降低塑性和韧性。

4. 沉淀强化 (时效硬化)

• 在过饱和固溶体中析出弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动，提高强度。
  • 关键：控制析出质点的大小、数量和分布。

5. 相变强化

• 通过改变材料的相组成和组织结构，提高强度和韧性。
  • 例：钢的回火、淬火。

五、常见的金属材料

1. 钢

• 碳钢: 主要成分是铁和碳。
  • 低碳钢：含碳量低于0.25%，焊接性好，强度较低。
  • 中碳钢：含碳量为0.25%～0.60%，强度和韧性较好。
  • 高碳钢：含碳量高于0.60%，强度高，但脆性大。
    • 合金钢: 在碳钢的基础上添加一种或多种合金元素。
  • 不锈钢：含有大量的铬，具有良好的耐腐蚀性。
  • 锰钢：含有锰，具有高强度和耐磨性。
  • 硅钢：含有硅，具有良好的磁性能。

2. 铝合金

• 铸造铝合金: 适用于铸造工艺，如汽车发动机缸体。
  • 变形铝合金: 适用于挤压、轧制等工艺，如航空结构件。
  • 常见合金元素：铜、镁、硅、锰。

3. 铜合金

• 黄铜: 铜和锌的合金，具有良好的延展性和耐腐蚀性。
  • 青铜: 铜和锡的合金，具有较高的强度和耐磨性。
  • 白铜: 铜和镍的合金，具有良好的耐腐蚀性和导热性。

4. 钛合金

• 广泛应用于航空航天领域，具有高强度、低密度、耐腐蚀和耐高温等优点。
  • 常用合金元素：铝、钒、钼。

六、金属材料的应用

1. 建筑领域

• 钢结构、铝合金门窗、铜制管道。

2. 机械制造领域

• 钢制零件、轴承、齿轮、发动机部件。

3. 航空航天领域

• 铝合金、钛合金、高温合金。

4. 电子领域

• 铜导线、半导体材料。

5. 医疗领域

• 钛合金植入物、不锈钢医疗器械。

6. 汽车工业

• 钢板、铝合金轮毂、发动机部件。

七、金属材料的发展趋势

1. 高性能化

• 开发更高强度、更高韧性、更高耐腐蚀性的金属材料。

2. 轻量化

• 发展铝合金、镁合金、钛合金等轻质金属材料。

3. 功能化

• 开发具有特殊物理化学性能的金属材料，如形状记忆合金、超导材料。

4. 绿色化

• 采用清洁生产工艺，减少环境污染，实现金属材料的可持续发展。

5. 智能化

• 开发具有自修复、自诊断等功能的智能金属材料。

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