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液相急冷法是一种制备金属功能材料的方法， 通过将熔融的金属迅速冷却，制备出具有所需 性能和结构的金属功能材料。
液相急冷法可以通过控制冷却速度和冷却方式， 实现材料的优化设计和制造，提高材料的性能和 可靠性。
03 金属功能材料的性能优化
合金化
总结词
合金化是金属功能材料性能优化的重要手段之一，通过添加合金元素，可以改变材料的物理、化学和机械性能。
01
03
熔炼法具有生产效率高、成本低、可加工大尺寸和复 杂形状等特点，是制备金属功能材料的重要手段之一。
04
熔炼法可以通过控制熔炼温度、熔炼时间和冷却速度 等参数，实现材料的优化设计和制造，提高材料的性 能和可靠性。
化学沉积法
化学沉积法是一种制备金属功 能材料的方法，通过化学反应 将金属离子还原成金属原子， 并在基材表面沉积形成金属功
金属功能材料
目录
CONTENTS
• 金属功能材料概述 • 金属功能材料的制备技术 • 金属功能材料的性能优化 • 金属功能材料的典型应用 • 金属功能材料的环境影响与可持续发展 • 金属功能材料的研究前沿与展望
01 金属功能材料概述
定义与分类
定义
金属功能材料是指具有特定物理或化 学功能的材料，这些功能包括但不限 于磁性、导电性、超导性、热敏性、 光敏性和催化性等。
性能、物理性能和化学性能的复合材料。
低成本化
总结词
低成本化是金属功能材料的另一个重要发展方向，旨在 通过降低生产成本、提高资源利用率等方式，降低金属 功能材料的应用成本。
详细描述
金属功能材料的生产成本较高，限制了其在一些领域的 应用。为了扩大金属功能材料的应用范围，研究者们致 力于降低其生产成本。例如，通过优化制备工艺、开发 低成本原料、提高资源利用率等方式，可以降低金属功 能材料的生产成本。此外，通过回收再利用废旧金属材 料，也可以降低金属功能材料的成本。

《功能材料学概论》
1995
四、关于本课程
绪论
4、徐婉棠 吴英凯编著 《固体物理学》 北京师范大学出版社 1990 5、程守洙 江之水编著 教育出版社 2001 《普通物理》
2、材料的分类 按性质和实际应用
绪论
能承受外加载荷而保持其形状和结 构稳定的材料，它具有优良的力学 性能（如我们学过的强度、刚度、 韧性、耐磨性、硬度、疲劳强度 等），在物件中起着“力能”的作 用。
结构材料
（structural materials)
材料
功能材料
(functional materials)
绪论
功能材料简介 金属功能材料的发展 关于本课程
一、功能材料简介 1、材料的地位
石器时代
绪论
人类进化与文明的标志

青铜时代

信息时代

铁器时代
一、功能材料简介 材料是现代文明的基石
现代文明
生物技术
绪论
材料与能源、信息 并列为现代科学技 术的三大支柱
信息技术
能源技术 材料科学与工程
一、功能材料简介
（3）结构材料常以材料形式为最终产品，而功能 材料有相当一部分是以元器件形式为最终产品， 集材料元件一体化。
一、功能材料简介
绪论
（4）功能材料是。
（5）功能材料的制备技术不同于结构材料的传统 技术，而是采用许多先进的新工艺和新技术，如 急冷、超净、超微、超纯、薄膜化、集成化、微 型化、密集化、智能化以及精细控制和检测技术。
（3）加强基础，拓宽专业知识面，适应知识经济的发展 和科技术中各学科的融合穿插，增强对市场经济的适应 性。
四、关于本课程
3、参考书目
1、王正品 张路 要玉宏 化学工业出版社 2004

由于含有极昂贵的Pt、Pd和Co,工业应用受到
特
限制.
点
Fe-Mn-Si系弹性模量与强度均明显高于铜基
和Ni-Ti合金,合金原料丰富,价格低.硅降低
合金塑性,一般应<6％Si.Fe-Mn-Si合金的缺
点是抗蚀性很差,易于发生氧化、腐蚀.
形状记忆合金应用例子
欧洲航天计划研制的
形状记忆合金材料<Ni-Ti 合金>可以像橡皮筋一样 拉伸,拉伸后一旦加热到 一定温度就会变回原来的 形状.
特 应用范围. 点
与Ti-Ni相比,Cu基记忆合金疲劳强度和循 环寿命等力学性能.强度较低,稳定性及耐疲 劳性能差,不具有生物相容性.
<3> Fe系形状记忆合金
类 型
具有热弹性可逆M相变的有Fe-Pt、Fe-Pd 、 Fe-Ni-Co-Ti 等和具有非热弹性可逆M相变的 Fe-Mn-Si等
热弹性马氏体相变驱动力很小、热滞很小.
单向记忆 双向记忆 全方位记忆 形状记忆效应的三种形式
2 、常用形状记忆台金 <1> Ti-Ni基形状记忆合金
具有记忆效应优良、性能稳定、可靠性高、生
特 点
物相容性好等一系列的优点.但成本高,加工困 难.Ti-Ni合金是所有记忆合金中抗疲劳性能最好 的材料.已用于航天航空、海军舰艇和海上石油
平台等方面
铁 Co、Cr、Cu,、Mn、Mo、Ni等元素置换部分铁
系 合
的TiFe1-xMx合金.过渡金属的加入,使合金活
金
化性能得到改善,氢化物稳定性增加.
钛
Ti-Mn二元合金中T.
系
TiMn原子比Mn/Ti=1.5时,合金吸氢量较大,
合 金
以TiMn为基的多元合金主要有

1.2 金属腐蚀的危害
• 金属腐蚀问题遍及国民经济和国防建设的 各个领域，从日常生活到工农业生产，凡 是使用材料的地方都存在腐蚀问题，对国 计民生的危害十分严重。
1.2.1腐蚀造成重大的经济损失
• 全世界每年因腐蚀报废和损耗的钢铁约为2亿多吨， 约占当年钢产量的10～20％。英国每年由于金属 腐蚀造成的经济损失达几十亿英镑；美国每年由 于金属腐蚀造成的经济损失为3000亿美元；世界 各发达国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约 占其国民生产总值3.5％～4.2 ％ 。超过每年各项 大灾（火灾、风灾及地震等）损失的总和。目前 我国的钢铁产量已高达数亿吨，但其中却有30% 由于锈蚀而白白损失掉。据不完全测算，我国每 年因钢铁腐蚀损失约有2700多亿元人民币。
石雕被酸雨风化
腐蚀环境
• 环境指的是与材料体系直接接触的所有介 质和气氛，包括水、大气、水蒸气、化学 气体、土壤、化学介质。此外，电磁场 （阳光、放射性辐射）、电场，电流、应 力、微生物等也属于导致材料体系腐蚀的 环境。
作用
• 材料体系与环境的作用包括化学反应、电 化学反应、物理溶解等。金属及其合金的 腐蚀主要是化学和电化学作用引起的破坏， 有时伴随有机械、物理或生物作用。
• (5) 电化学保护。对于电化学原因导致 的腐蚀，可以采用阴极保护或阳极保 护的措施。或者进行以上方法的综合 保护，这样可获得更好的效果。
1.5金属腐蚀的分类
• 为了便于系统地了解腐蚀现象及其内在规 律，并提出相应的有效防止和控制腐蚀的 措施，需要对腐蚀进行分类。但是由于金 属腐蚀的现象和机理比较复杂，所以金属 腐蚀有不同的分类，至今尚未统一。常用 的分类方法是按照腐蚀机理、腐蚀形态和 产生腐蚀的自然环境三方面来进行分类。

包晶反应
共析反应
珠光体P：共析反应 的产物，是铁素体与 渗碳体的共析混合物 珠光体机械性能：强 度较高、塑性、韧性 和硬度介于渗碳体和 铁素体之间。
P中的渗碳体为共析渗碳体，呈窄条状。
共晶反应
莱氏体Le：共晶反应 的产物，是奥氏体与 渗碳体的共晶体混合 物
Le中的渗碳体为共晶渗碳体，块状。
(4)相图中重要的线 ABCD:液相线 AHJECF:固相线
(4)相图中重要的线
GS:A中析出F的临 界线，A3线
ES:碳在A中的固溶线，Acm线： E点1148℃时 A中的溶碳量：2.11% S点727 ℃ A中的溶碳量： 0.77% 从1148℃冷到727 ℃，将从A中析出Fe3C(析出的渗 碳体称二次渗碳体， Fe3CⅡ)
(4)相图中重要的线
PQ:碳在F中的固溶线
P点727℃时 F中的溶碳量：0.0218% 室温时F中的溶碳量： 0.0008% 从727℃冷到室温，将从F中析出Fe3C(析出的渗碳 体称三次渗碳体， Fe3CⅢ)
图 铁碳相图
5个单相区： L δ γ α Fe3C
7个双相区：
L +δ
L+γ
L +Fe3C δ + γ γ+Fe3C α + γ α+Fe3C
2.测出上述合金的冷却曲线
3.根据各冷却曲线上的转折 点确定合金的临界点
相图的制作
4.将这些临界点标在 相图坐标系中的相应 位置上，最后把各意 义相同的临界点连起 来。
温度℃
100%Ni 80% 60% 40% 20% 0%
时间
Cu 20 40 60 80 Ni
P%14
2.2.1 匀晶相图(Cu-Ni)

马氏体逆转 变需要很大 的热量
加热过程中马 氏体将首先发 生分解，难以 直接逆转变回 母相
马 氏 体 相 变
非 热 弹 性
马氏体转变 只需要很小 的过冷度 马氏体逆转变 不需要过热， 由弹性能驱动
随马氏体形成，弹 性应变能增加，缺 陷少，界面可动 加热的过程中马 氏体直接逆转变 回母相
热 体弹 相性 变马 氏
1.磁性起源 磁性起源于电子运动。电子的轨道运动和自 旋运动使其具有轨道磁距和自旋磁距。 原子磁距就是所有电子轨道磁距和自旋磁距 合成的结果。 物质的宏观磁化强度就是单位物质中所有原 子磁距之和。
2.强磁性的必要条件 存在未填满的亚电子层。 磁性主要来源自3d亚电子层的磁距；稀土 元素中未填满的4f亚电子层的磁距也有重要 贡献。 不为零的原子磁距要平行排列起来，即自 发磁化。
1952年，发现了临界温度为17K的硅化钒， 不久又发现了临界温度为18K 的铌锡合金。 1960年，昆兹勒发现了铌锡合金在 8.8万 高斯磁场中仍具有超导性。 1973年，发现了铌锗合金，其临界温度可 达 23.2K。 1986年，IBM公司瑞士实验室的研究人员 米勒和贝德诺尔茨发现了临界温度为35K的 锎钡铜氧化物陶瓷超导材料，这一温度比 1973 年的记录又提高了 12K。
3.主要的几类记忆合金及性能
（1） Ti-Ni基形状记忆合金 基本特点：记忆效应优良、性能稳定、生物 相容性好。但制造过程较复杂、价格高昂 基本相： TiNi相 B2(CsCl结构)晶体结构的母相 棱面体点阵结构的R相 T两种相变过程： 母相 马氏体
Cu-Al-Ni合金的超弹性应力应变曲线
对于Cu-34.1Zn-1.8Sn（at%）合金：
• 在不施加外力时，合金的 Ms点为275 K， 低于环境温度，不发生马氏体相变。 • 施加外力，Ms升高，应力达到80MPa时Ms 升高至约330 K，达到环境温度，马氏体开 始形成。 • 应力继续增加，Ms高于环境温度的幅度更 大，马氏体转变的量随之增加，即马氏体 由应力诱发而形成。

• 1934年位错理论的提 出，解决了晶体理论 计算强度与实验测得 的实际强度之间存在 的巨大差别的矛盾， 对于人们认识材料的 力学性能及设计高强 度材料具有划时代的 意义。
2021/2/4
金属钛中的位错
• 1938年，提出TTT曲线、扩散、位错滑移、 第二相沉淀析出理论，Cottrell气团。
• 第一次工业革命（18世纪）：制钢工业的 发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基 础。
• 第二次工业革命（20世纪中页以来）：单 晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核 心作用。
2021/2/4
材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。
没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算 机技术。
国别 日本 美国 欧洲 俄罗斯 中国
能耗（TOE） 相对比例
150
1
391
2.6
287
1.9
563
2021/2/4
本课的内容: 绪论（2学时） 钢铁材料（34学时） （包括工程构件用钢、机器零件用钢、工模 具用钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢） 铸铁（4学时） （灰口铸铁、白口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸 铁、可锻铸铁） 有色金属及合金(8学时) （铝合金、铜合金、钛合金）
2021/2/4
0金属材料的过去、现在和将来
经有了较高的成就。
宋应星 高炉铁水流入炼钢炉 （方塘），人急速搅 动，利用空气氧化铁 水中的碳，用潮湿泥 灰做氧化剂加速脱碳 （20低21/碳2/4 钢，高碳钢）
0.1.2第二阶段―――金属材料学科的基础
• • 1803年—原子学说 • 1830年--32种晶体类型 • 1839年--Miller指数 • 1861年--钢的临界转变温度 • 1864年--金相照片 • 1888年--渗碳体 • 1891年--点阵理论 • 十九世纪末—相律、固溶体、平衡相图

3、56克铁锌合金产生多少氢气的问题
课题3 金属资源的利用和保护
知识点1 金属矿物；铁的冶炼 1.例：有磁铁矿（主要成分是Fe3O4）、黄 铁矿（主要成分是FeS2）、赤铁矿（主要成 分是Fe2O3），请从多角度分析三种矿石中 哪种不适合炼铁？原因是什么？
银白色铝露置于空气中，表面会逐渐变暗， 生成一层致密的薄膜—氧化铝；氧化铝薄膜 可以阻止内部的铝进一步氧化，从而对铝制 品起保护作用。因此，铝制品具有很好的抗 腐蚀性。2Mg+O2 = 2MgO
4Al+3O2 = 2Al2O3
2.铁与氧气的反应
（1）常温下在干燥的空气中，铁很难与氧气 发生反应。 （2）常温下在潮湿的空气中，铁与空气中的 氧气和水共同作用会生成暗红色疏松的物 质——铁锈（主要成分是三氧化二铁） （3）铁丝在氧气中燃烧时 现象：剧烈燃烧，火星四射，放出大量的热， 生成一种黑色固体。 3Fe+2O2 点燃 Fe3O4
几个问题
1、把锌放入硝酸铜 硝酸银的混合溶液 中，充分反应后向固体加硫酸看是否 有气泡的问题。
2、把铁 铜的混合物放入硝酸银溶液中 的问题。
3、设计方案验证金属的活动性顺序。
4、金属和盐溶液反应后，金属质量变 化的问题。
总结： 1、金属距离越远越先反应。 2、 先排顺序
一般不用中间产物（有时用酸）
（3）其他几种合金的成分、性能和用途
合金 主要成分
主要性能
主要用途
黄铜 铜、锌 焊锡 锡、铅
强度大、可塑性强、 机器零件、仪表、
易加工、耐腐蚀
日用品
熔点低
焊接金属
硬铝 铝、铜、 强度和硬度大、密度 火箭、飞机、轮
镁、硅 小 、耐腐蚀
船等制造业

循环材料产业：适应时代需要，把生态环境意
识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料利 用率、降低生产和使用过程中环境的负担。发展形 成资源—材料—环境良性循环的产业。
合金发展的主流方向是少合金化与通用合金， 形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再 生利用。要研究开发与人民生活密切相关的绿色材 料以及环境友好材料。
金属材料学绪论
金属材料学绪论
4、第四阶段——微观理论的深入研究 微观理论的深入研究：
原子扩散及其本质的研究；钢TTT曲线测定； 贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。
位错理论建立：
电子显微镜的发明 →看到了钢中第二相沉淀析出，位错 滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell 气团等现象 → 位错理论。
新科学仪器不断发明：
电子探针，场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫 描透射电镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子 力显微镜（AFM）等 .
金属材料学绪论
0.2 现代金属材料
先进结构材料的研究与开发是永恒的主题。
开发高性能结构材料：高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨 损→降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。 复合材料→结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。开 发各种系列用途的低温奥氏体钢。
这是Fe3C。 1861年：俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度的概念。 19世纪末：马氏体研究已成为时髦，Gibbs得到了相律，
Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建 立了Fe-Fe3C系的平衡图。
金属材料学绪论
钢的组织命名：
Austenite→英金属学家Austen； Bainite→美科学家Bain； Sorbite→英科学家Sorby； Martensite→德科学家Marten； Troostite→法化学家Troost； Ledeburite→德学者Ledebur

金属功能材料的出现，为能源、环保、医疗等领域带来了革命性的变化。
技术创新与突破
要点一
总结词
技术创新与突破是金属功能材料未来发展的关键，通过不 断的技术革新，可以推动金属功能材料的性能和应用领域 不断拓展。
要点二
详细描述
随着科技的不断进步，金属功能材料的制备技术、加工技 术、表面处理技术等都取得了重大突破。例如，3D打印技 术在金属功能材料制造中的应用，使得个性化定制和复杂 结构制造成为可能；纳米技术在金属表面处理中的应用， 提高了金属的耐磨、耐腐蚀等性能。
合金化是通过在金属基体中添加其他元素 ，如铬、镍、钨等，形成合金，以改善金 属材料的物理、化学和机械性能。合金元 素可以增强金属的硬度、耐腐蚀性、耐热 性、导电性和磁性等特性。
热处理
总结词
通过控制加热和冷却过程，改变金属材料的 内部结构，以达到优化性能的目的。
详细描述
热处理是金属材料加工过程中非常重要的一 环，通过控制加热、保温和冷却等过程，使 金属内部结构发生变化，从而获得所需的物 理和机械性能。热处理可以显著提高金属的 硬度、韧性和抗疲劳性能。
等。应Biblioteka 处理金属功能材料生产过程中可能发生火灾、爆炸、泄漏等突发事故，企业应制定应急预案，建立应 急救援队伍，配备必要的应急救援设备和器材，确保在事故发生时能够迅速有效地进行处置。
使用过程中的环保问题
能源消耗
金属功能材料在生产和加工过程中需要消耗大量的能源，如电、水、煤等。企业应采取节 能措施，如改进生产工艺、使用节能设备等，降低能源消耗。
通过高温熔化金属原料，再进行冷却、凝固来制备金属功能 材料的方法。
详细描述
熔炼法是一种传统的金属材料制备方法，通过将金属原料加 热至熔点以上，使其熔化为液态，再通过控制冷却速度和条 件，获得具有特定性能的金属功能材料。该方法适用于制备 块体金属材料，如钢铁、铜等。

磁性材料
磁性功能材料
——磁性材料指那些有实际工程意义具有较强磁性 的材料。是最古老的功能材料。公元前几世纪人类就 发现自然界中存在天然磁体，磁性(Magnetism)一词 就因盛产天然磁石的Magnesia地区而得名。早期的磁 性材料主要是软铁、硅钢片、铁氧体等。二十世纪六 十年代起，非晶态软磁材料、纳米晶软磁材料、稀土 永磁材料等一系列的高性能磁性材料相继出现。磁性 材料广泛应用于计算机及声像记录用大容量存储装置 如磁盘、磁带，电工产品如变压器、电机，以及通讯、 无线电、电器和各种电子装置中，是电子和电工工业、 机械行业和日常生活中不可缺少的材料之一，
2020/6/19
第二节 软磁材料及应用 磁性材料的分类：
磁性材料
金属磁性材料 按材料组分和结构特点分类
铁氧体磁性材料
金属磁性材料
晶态合金磁性材料 非晶态合金磁性材料
2020/6/19
第二节 软磁材料及应用
磁性材料
按材料磁性能特点分类
硬磁合金 软磁合金
Hc0.8kA/m
矩磁合金 压磁合金
Hc0.8kA/m
2020/6/19
第一节 材料的磁性
磁性材料
（3）磁各向异性参数K1
晶体磁性材料在不同的晶轴方向的磁 性能是不一样的，这个性质称为磁各向 异性。
易于磁化的晶轴方向称为易磁化方向； 难于磁化的晶轴方向称为难磁化方向。
磁 质各 在向外异磁性场参下数 磁化K1时：的表难征易了程某度铁。磁性物
2020/6/19
常见的亚铁磁性物质有：尖晶石型晶体、石榴石 型晶体等几种结构类型的铁氧体，稀土钴金属之 间的化合物和一些过渡金属。
2020/6/19
第一节 材料的磁性
磁性材料