常用金属材料教材共40页

第十六页，共67页。
2.生物相容性
医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造 成的腐蚀产物所引起的组织反应有关。其腐蚀行为涉及均匀腐蚀、 点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨蚀和疲劳腐蚀。
由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织或整个 机体，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如出现水肿、感 染、组织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。在多数情况下，人 体只能容忍微量浓度的金属腐蚀物存在。因此，必须从材料的组成、 制造工艺和器件设计等多方面着手，尽量避免不锈钢在机体内的腐 蚀和磨损的发生。
无炎性反应，不引起感染，不被排斥。
• (2)优良的机械性能:
有助于愈合和附着。
•
强度与弹性模量（与生物体匹配）
• 人体骨的强度不高，如股骨头的抗压强度仅为143MPa，具有较低的弹性模 量；股骨头的强度纵向弹性模量约为13.8GPa，径向弹性模量为纵向的1/3 ，其断裂韧性较高
• 健康骨骼还具有自行调节能力，不易损坏或断裂。与人体骨相反，生物医用 金属材料通常具有较高的弹性模量，一般高出人体骨一个数量级，即使模量 较低的钛合金也高出人体骨4-5倍
≤2.00 － －
≤0.10 －
14～16 － － －
≤0.20 － － －
余量 － － － － － － － － －
≤0.03
≤0.015
≤0.018
≤0.25 － － －
余量 5.5～6.5 3.4～4.5
－ － － － － － －
≤0.05
≤0.0125
≤0.13 0.40合计
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医用钴基合金的制造加工方法主要有精密铸造、机械变形加工和粉末冶金三种。
健第康四骨 十骼四•还页具，有共自67行页调。2节0能世力纪，不5易0损年坏或代断裂，。 316不锈钢的碳含量由0.08%降低为0.03%， 表3-2为常用医进用一金属步材料提的成高分表了，相其应的在机械含性C能l见溶表3-液1 体系中的耐蚀性能，降低了材料致

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2.金属化合物 是指合金各组元的原子按一定的整数比化
合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不 同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比 较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。 例如铁碳合金中的Fe3C。当合金中出现金属化合 物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低 其塑性和韧性。
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固溶体晶格的畸变使合金强度和硬度升高， 而塑性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化 是提高合金机械性能的重要途径之一。
汽车应用材料 第一章
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固溶强化
形成固溶体使金属强度和硬度提高,而塑性下降的现象.
正常晶格
晶格畸变
汽车应用材料 第一章
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汽车应用材料 第一章
晶体:固态金属
金刚石、NaCl、冰 等。
非晶体 ： 蜂蜡、玻第2页/共79页
常用固态金属基本上都属于晶体，大部分非 金属如氯化钠、天然金刚石、水晶等属晶体；而 常用的石蜡、松香、塑料、玻璃、橡胶等属非晶 体。
汽车应用材料 第一章
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一、纯金属的晶体结构与结晶
不同，铸件的结构是不均匀的。从铸锭的剖面 来看，明显地分为三个各具特征的晶区：表面 细晶粒区、柱状晶粒区和中心粗大等轴晶粒区。
汽车应用材料 第一章
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汽车应用材料 第一章
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二、合金的晶体结构及结晶
合金：合金是以一种金属为基础，加入其它金属 或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材 料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的 金属材料。例如，工业上广泛应用的钢铁材料就 是铁和碳组成的合金。
汽车应用材料 第一章
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1.1×105
0.125
单体搪瓷板
2.1×105
0.30
复合搪瓷体
1.2 ×105
0.25
混凝土
砖混
线胀系数
α （ 0 c −1 ）
1.2 ×10−5 1.2-1.8 ×10−5 2.35 ×10−5 2.35 ×10 −5 0.25 ×10 −5 0.25 ×10 −5 0.25 ×10 −5 0.25 ×10 −5 1.0 ×10 −5 0.8 ×10 −5 0.8 ×10 −5 0.8 ×10−5 1.2 ×10−5 0.9 ×10−5 1.0 ×10−5 0.5 ×10 −5
表 1 碳素结构钢的化学成分
牌号 等级
化学成分（ 0 0 ）
C
Q195 —— Q215 A
B
Q235 A
B C D
0.06-0.12 0.09-0.15
0.14-0.22 0.12-0.20
≤ 0 . 18 ≤ 0 .17
Mn
0.25-0.50 0.25-0.55
0.30-0.65 0.30-0.70 0.35-0.80
LD31
6063A 0.3-0.6 0.15- 0.10
0.15 0.6-0.9 0.05
0.15 0.10 0.05 0.15 余量
0.35
表 3 铝合金型材强度设计值
N mm2
合金 状 牌号 态
6061 T4
T6
6063 T5
T6
6063A T5
壁厚
所有 所有 所有 所有
≤ 10
规定非比 抗 拉 抗 剪
(一) 密封胶分类及选用； (二) 结构硅酮密封胶； (三) 建筑密封胶（耐候胶）； (四) 中空玻璃密封胶； (五) 防火密封胶；

(滚珠轴承钢)
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二、合金工具钢
合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度 和耐磨性,还具有更高的红硬性。
1、合金刃具钢
用途：主要用于制造各种
铣
金属切削刀具，如车刀、铣刀、
刀
钻头等。
英制模板刀
性能： （1）高硬度，60HRC以上； （2）高的耐磨性； （3）高热硬性 ； （4）足够的塑性和韧性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金 钢.它主要包括不锈钢,耐磨钢等.
1、不锈钢 能抵抗大气,酸,咸或其它介质腐蚀的钢。
不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生 活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵， 医疗手术器械，防锈刃具和量具等。
碳钢
1、常存杂质对碳钢性能影响
•
（3）硫的影响
杂质S几乎不溶于铁素体，而与Fe形成FeS存在于钢中或与Fe形成 共晶体。FeS及其共晶体溶点均低于热形变加工温度（1150～1250℃）， 使钢在热形变加工中产生“热脆性”。Mn使硫形成MnS，其熔点高达 1620℃，从而消除S引起的热脆性。
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前两位数字表示平均含碳量的万倍，后面数字表示合金元素的 百倍。如60Si2Mn,40Cr等。Wc=0.60%
(2)合金工具钢的牌号 其牌号表示方法与合金结构钢类似，但其平均 Wc>1% 时不标出；当Wc<1%前面数字表示含碳量的千倍。 如：9SiCr, Cr12,5CrMnMo等。Wc=0.9% 但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。
合金调质钢、合金轴承钢
合金钢
合金工具钢
合金刃具钢：低刃合具金钢刃、具高钢速、钢高合金 合金模具钢 ：冷作模具钢、热作模具钢

电阻热：Q=I2Rt
焊条
-
焊接电弧
工件
d
+
d离
焊接电弧的稳定燃烧 — 就是带电粒子产生、 运动、复合、产生的动态平衡过程。
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2 . 电弧的构造及热量分布 阴极区：2400k 36% 阳极区：2600k 42% 弧柱区：5000~8000k 21%
3 . 电弧的极性
1 . 设备简单、应用灵活方便。
2 . 劳动条件差、生产率低、质量不稳定。
二、手工电弧焊焊接过程
①引弧 ② 形成熔池
三、焊接电弧
③形成焊缝
1 . 焊接电弧的概念
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在焊条末端和工件两极之间的气体介 质中，产生强烈而持久的放电现象。
使气体电离 具备两个条件
阴极发射电子
接触电阻：R 短路电流：I
适用于易氧化的有色金属及合金钢材料的焊接。 如：铝、镁、钛及其合金和耐热钢、不锈钢等。
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三、 CO2气体保护焊
以CO2气体作为保护性介质的电弧焊方法。
焊接热源：电弧热
保护介质：CO2
① 与金属发生化学反应—产生夹渣缺陷
CO2 ② 溶解于液体金属中—产生 CO 气孔缺陷
③ 比重大于空气（25%）
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非熔化极亚弧焊
熔化极亚弧焊
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3）氩弧焊的特点及应用 ① 机械保护效果好，焊缝金属纯净，焊缝成形美观，
焊接质量优良。 ② 电弧燃烧稳定，飞溅小。 ③ 焊接热影响区和变形小。 ④ 可进行全位置焊接。 ⑤ 氩气昂贵，设备造价高。
应用： 适用所有金属材料的焊接。
镍及镍合金焊条—Ni ； 铜及铜合金焊条—T；

有金属光泽，一般为银白色
金饰 铜——紫红色（红色）
金——黄色
水银温度计
常温下，金属都是固体， 汞 (Hg)除外。
电线
良好的导电性
Ag>Cu>Al>Fe
铁锅 良好的导热性
铝片
铜线
铝罐
良好的延展性
金属的共性：①有金属光泽的固体 ②有良好的导电性 、导热性，延展性(延性、展性) ③密度较大，熔点较高
.金属的物理性质
哗！我要是有一个该多好！
这种交通工具你坐过吧！
这种你坐过吗！
青铜器时代
• 司母戊鼎是中国目前 已发现的最重的青铜 器。司母戊鼎含铜 84.77％、锡11.64％、 铅27.9％。充分显示 出商代青铜铸造业的 生产规模和技术水平。
东汉晚期的青铜奔马（马踏飞燕）
铁器时代 河北沧州铁狮子
一架波音767大型飞 机约由70%的铝及其 合金构成。
20世纪，铝和 铝合金的应用
二十一世纪的金属材料—钛和钛合金
可 作 人 造 骨 的 钛 合 金
根据下面的图片，你能说出金属的用途吗？从中 你又可以总结出金属具有哪些物理性质？
有金属光泽
良好的导电性
良好的导热性
延展性（展成薄片）
良好的延展性 （能拉成细丝）
能够弯曲
二、金属的物理性质： 共性（物理性质）
课题1 金属材料
3．科学家发现了一种新金属，它的一些性质如下：
这种金属的表面有一层氧化 物保护层，试设想这种金属 的可能用途。
⑴用于航空航天，制造火箭、飞 机等；⑵作船舶外壳； ⑶作通讯设备；⑷制厨房设备等。
4．人类利用金属的历史经历了从青铜器时代到铁器时代，
再到铝合金大量使用的过程。这一事实与下列因素有关

38
《金属材料与热处理》
第二节 铁碳合金相图
共晶白口铸铁室温下的组织是由珠光体、二次渗碳 体和共晶渗碳体组成，这种组织称为低温莱氏体，用 符号Ld′表示，低温莱氏体仍旧保持了共晶转变的特性。 亚共晶白口铸铁室温下的组织为珠光体、二次渗碳 体和低温莱氏体构成。 过共晶白口铸铁室温下的组织由一次渗碳体和低温 莱氏体构成。
（2）面心立方体晶格
模型
晶胞
晶胞原子数
属于这种晶格类型的金属有铝（Al）、铜（C u）、镍 （Ni）、金（Au）、银（Ag）、γ铁（γ-Fe）等。
11
《金属材料与热处理》
第一节 金属的结构
（3）密排六方晶格
模型
晶胞
晶胞原子数
属于这类晶格类型的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、 铍（Be）、α钛（α-Ti）等。
第二节 铁碳合金相图
2.铁碳合金的基本相 （1）铁素体 碳溶入α-Fe中形成的间 隙固溶体称为铁素体。用 符号F表示，铁素体仍保 持α-Fe的体心立方晶格。
铁素体的显微组织示意图
铁素体的性能和纯铁相似，即强度、硬度低，但 具有良好塑性和韧性。
18
《金属材料与热处理》
第二节 铁碳合金相图
（2）奥氏体
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《金属材料与热处理》
第二节 铁碳合金相图
为保证工业用的碳钢具有足够的强度、一定的塑性和韧 性，一般钢的Wc＜1.3%。
Wc＞2.11%的白口铸铁，由于组织中有多的渗碳体，性能 硬而脆，难以切削加工，故机械工程上很少直接应用。
42
《金属材料与热处理》
小结
金属的常见晶格类型主要有三种：体心立晶格、面心 立方晶格和密排六方晶格。 合金的基本相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 铁是我们最常用的金属之一，并且在不同的温度表现 同素异构的特性。通过铁碳合金相图对我们研究铁碳 合金的成分、温度和组织之间的关系，利用铁碳合金 相图制定各种热加工及热处理工艺的加热温度以及通 过它分析钢铁材料的性能有重要的意义。

两种理论的差异涉及到钝化的定义和成相膜、吸 附膜的定义，许多实验事实与所用体系、实验方 法、试验条件有关
尽管成相膜理论和吸附理论对金属钝化原因的看 法不同，但有两点是很重要的
✓ 已钝化的金属表面确实存在成相的固体产物膜，多数是 氧化物膜
✓ 氧原子在金属表面的吸附可能是钝化过程的第一步骤
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两个特征电流密度
ip、 imax
金属在整个阳极过程中，由于电极电位所处范围不 同，电极反应不同，腐蚀速度也不一样
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4.3 金属的钝化过程
12
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1. 氧化剂的氧化能力对金属的钝化行为的影响
f
Ept
e IV
d
c
III
Epp
a
b II
I
ip
易钝化金属在氧化能力不同的介质中钝化行为示意图
加入阳极性缓蚀剂，抑制阳极反应，使Ep和ip降 低
22
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(2)影响阴极极化曲线
使真实阴极极化曲线向上、向右移动 使阴极反应在金属表面上更容易进行。比如铬镍
不锈钢在稀硫酸中不能钝化，加入低氢过电位合 金元素Pt，能够钝化 增加溶液的氧化性，增大总的阴极电流密度。如 加入强氧化剂(铬酸盐，硝酸盐，亚硝酸盐等)、 通氧或增大溶解氧浓度
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EF愈正，表明金属丧失钝态的可能性愈大；反之， 则容易保持钝态
EF与溶液的pH值之间存在线形关系 EF =EF0- 0.0591PH
（EF0为标准状态下的Flade电位）
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4.4 金属的自钝化过程
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❖ 铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗 拉强度就是材料的断裂强度。
❖ 断裂是零件最严重的失效形式，所以，抗拉强度也是机械工 程设计和选材的主要指标，特别是对脆性材料来讲。
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4、强度的意义
❖ 强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一般钢材的屈服强度 在200～1000MPa 之间。
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1. 拉伸试样 有圆形、矩形、六方等形状。
长试样：L0=10d0 短试样：L0=5d0
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万能材料试验机 a) WE系列液压式 b) WDW系列电子式
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2. 力－伸长曲线 拉伸试验中得出的拉伸力与伸长量的关系曲线。
❖ 金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、 扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形 的能力。
❖ 常用的力学性能有：强度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。
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材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。 外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。 外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。
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四、小结
1、强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料的工程应用中， 要提高强度，就要牺牲一部分塑性。反之，要改善塑性，就必须牺牲 一部分强度。
2、正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属材料的 显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性。
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3、强度、塑性各符号及其含义 GB/T 228-2002新标准
强化阶段

K SCN
(3)氧化性:Fe3+>Cu2+>Fe2+｡
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类比迁移 1.向一定量的FeO､Fe､Fe3O4的混合物中加入100 mL 1 mol/L的盐酸,恰好使混合物完全溶解,放出224 mL(标准状
况)的气体,在所得溶液中加入KSCN溶液无血红色出现｡若
用足量的CO在高温下还原相同质量的此混合物,能得到铁 的质量是( A.11.2 g C.2.8 g ) B.5.6 g D.无法计算
现这种转化｡例如:Fe+CuSO4
===Cu+FeSO4;Fe+S===FeS;Fe+2H+===Fe2++H2↑｡ 2.Fe2+→Fe 比较活泼的金属(如Al､Zn)､CO､H2､C等能从亚铁化合物中置 换出铁来｡例如:FeCl2+Zn===ZnCl2+Fe;
FeO+H2

Fe+H2O｡
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(3)写出Cl2将Z氧化为K2EO4的化学方程式: 10KOH+3Cl2+2Fe(OH)3===2K2FeO4+6KCl+8H2O ___________________________________________｡
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解析:M为红色金属,与酸反应得蓝色溶液,推知M为Cu｡ 由Y中加KSCN得红色溶液,确定Y中含有Fe3+,从而确定E为 Fe｡M为Cu,X为FeSO4,Y为Fe2(SO4)3,Z为Fe(OH)3,K2EO4
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反应一段时间后,有肥皂泡吹起时,用点燃的火柴靠近肥皂泡, 肥皂泡破裂,有爆鸣声 当__________________时(填实验现象),说明“铁与水蒸 气”能够进行反应｡写出铁与水蒸气反应的化学方程式