《金属结构》课件

金属结构金属结构在现代建筑、桥梁和基础设施建设中发挥着至关重要的作用金属材料的强度、耐久性和可塑性使其成为各种工程应用的首选材料认识金属材料金属材料是人类历史上最早使用的材料之一，广泛应用于各个领域，具有独特的性能优势金属材料是指以金属元素为主体组成的材料，包括纯金属、合金、金属间化合物等金属材料在现代社会中发挥着至关重要的作用，从日常生活中使用的餐具、车辆、建筑材料到尖端科技领域的航空航天器、电子设备等，金属材料无处不在金属的基本结构原子结构晶体结构金属原子具有一个或多个价电子，这些电子可以自由移动金属原子通常以紧密堆积的晶格结构排列，形成金属晶体这些自由电子负责金属的导电性、导热性和延展性常见的金属晶格结构包括面心立方FCC、体心立方BCC和密排六方HCP结构金属的原子结构原子核电子云12原子核由质子和中子构成，电子围绕原子核运动，带带正电荷，质量几乎占整负电荷，形成电子云，电个原子的全部子云的形状和大小决定了原子的化学性质能级价电子34电子在原子核外按照一定最外层电子决定了金属的的能级分布，不同的能级化学性质和物理性质，参对应着不同的电子层与金属键的形成金属的晶体结构规则排列晶胞类型金属原子以规则、周期性的方式排列，晶格中的最小重复单元，代表了整个常见金属晶体结构包括面心立方、体形成晶格晶体结构心立方、密排六方等金属的晶胞类型面心立方结构体心立方结构密排六方结构原子排列方式，如铜、铝、银、金等原子排列方式，如铁、铬、钨等原子排列方式，如镁、锌、镉等金属的晶面与晶向晶面晶向晶面是晶体中原子排列规则晶向是晶体中原子排列规则的平面晶面可以用米勒指的直线方向晶向也可用米数来表示，它代表着晶面在勒指数来表示，它代表着晶晶胞三个轴上的截距向在晶胞三个轴上的方向向量晶面与晶向的关系晶面和晶向是描述晶体结构的重要概念晶面的性质，例如强度和硬度，与晶向密切相关晶格缺陷定义影响金属晶体结构中的不规则性，导致金属材料的性能发生改影响金属的强度、韧性、硬度、导电性和磁性等性质变点缺陷空位间隙原子置换原子晶格中原子缺失，形成空缺位置，称原子位于晶格间隙位置，称为间隙原一种原子被另一种原子取代，称为置为空位空位是点缺陷的一种，影响子间隙原子会导致晶格畸变，增加换原子置换原子改变了金属的化学金属的力学性能和扩散速率金属的硬度和强度成分，影响其物理和化学性质线缺陷位错刃型位错位错是晶体结构中的一种线刃型位错是指在晶体中存在性缺陷，它是一种一维缺陷，一个额外的半原子平面，该其特征是原子排列的局部不平面终止于位错线规则性螺旋位错混合位错螺旋位错是指晶体结构中原混合位错兼具刃型位错和螺子排列的螺旋形扭曲，其轴旋位错的特征，它在晶体结线与位错线平行构中同时存在额外的半原子平面和螺旋形扭曲面缺陷晶界孪晶界表面晶界是不同晶粒之间的界面，影响金孪晶界是晶体内部的特殊界面，其中金属材料的表面是与外界环境接触的属材料的强度和韧性两个晶粒呈镜像对称关系地方，容易受到腐蚀和磨损金属的力学性能

1.强度

2.硬度12指金属材料抵抗外力破坏指金属材料抵抗外力压入的能力，通常用抗拉强度、的能力，通常用布氏硬度、抗压强度等指标表示洛氏硬度等指标表示

3.塑性

4.韧性34指金属材料在受力变形后指金属材料抵抗断裂的能能保持变形的能力，通常力，通常用冲击韧性等指用伸长率、断面收缩率等标表示指标表示金属的屈服与蠕变屈服强度蠕变12金属在发生永久变形之前的最大应力超过屈服强度后，在持续应力作用下，金属材料在高温下缓慢发生永久变金属将发生永久变形形的现象蠕变的影响因素蠕变的应用34温度、应力水平、时间、金属材料的成分和结构都会影在高温应用领域，如航空发动机、核反应堆和燃气轮机，响蠕变需要考虑蠕变的影响金属的硬度定义测量方法金属硬度是指金属抵抗外力压入或刻划的能力常用的硬度测试方法包括布氏硬度试验、洛氏硬度试验和维氏硬度试验等硬度是金属材料重要的力学性能指标之一不同测试方法适用于不同的金属材料，并能反映材料的抗压强度、抗划痕能力等特性金属的断裂脆性断裂韧性断裂金属在低温或高速载荷下，断裂前没有明显的塑性变形，金属在拉伸载荷下，断裂前会发生明显的塑性变形，断口断口平整，常伴有裂纹扩展呈纤维状，断裂前常伴有颈缩现象金属的疲劳循环载荷疲劳极限疲劳寿命疲劳断裂金属在反复加载和卸载的作用在一定应力水平以下，金属材金属在一定应力水平下，能够疲劳断裂通常发生在应力集中下，即使应力水平低于屈服强料可以承受无限次的循环载荷承受的循环载荷次数，称为疲区域，表现为裂纹扩展，最终度，也会出现裂纹并最终断裂而不发生断裂，这个应力水平劳寿命导致断裂被称为疲劳极限金属的断裂韧性定义影响因素金属断裂韧性是指金属材料金属的断裂韧性受多种因素抵抗裂纹扩展的能力，是衡影响，包括材料的成分、组量材料抵抗脆性断裂的重要织结构、温度、加载速率等指标测试方法应用常用的断裂韧性测试方法包断裂韧性测试在材料科学、括KIC（临界应力强度因子）机械设计、结构安全评估等测试和J积分测试领域都有着广泛的应用金属的相变

1.定义

2.类型12金属的相变是指金属在温常见的相变类型包括固态度、压力或成分发生变化相变、液态相变和气态相时，其内部原子排列方式变，其中固态相变是最常和物理性质发生改变的过见的程

3.影响因素

4.应用34温度、压力、合金元素的相变在金属材料的热处理加入以及形变等因素都会工艺中起着至关重要的作影响金属的相变用，例如淬火、回火、调质等金属的相图相图是描述金属及其合金在不同温度、压力下，各相（固相、液相、气相）的组成和数量关系的图表相图可以帮助我们理解金属在不同条件下的物理和化学性质，并为金属材料的加工、热处理和应用提供理论依据二元相图二元相图是指由两种金属元素组成的合金系统在不同温度和成分下的相平衡关系图相图可以帮助我们了解合金的相组成、相变过程以及材料的性能变化，为合金的设计和应用提供重要的指导沟合金相图-沟-合金相图是一种用来描述两种金属混合物相变的图表它显示了不同温度下不同合金组成的相组成它帮助人们了解金属合金在不同温度下是如何溶解、析出、固化和相变的，从而为材料设计和加工提供参考依据金属的热处理加热1将金属加热到特定温度，使其内部组织发生改变保温2在特定温度下保温一段时间，使组织变化充分进行冷却3以特定的速度冷却，使金属内部组织固定通过改变金属内部的组织结构，可改善其性能不同的热处理方式，可以改善金属的硬度、强度、韧性、耐磨性等金属的淬火淬火是一种热处理工艺，旨在通过快速冷却将金属从高温转变为固态加热1金属被加热至奥氏体化温度保温2在奥氏体化温度保持一定时间冷却3快速冷却至室温或更低温度淬火后，金属的硬度和强度会显著提高，但韧性和塑性会降低金属的回火回火目的降低硬度和脆性，提高韧性和塑性，改善加工性能回火过程将淬火后的工件加热到低于淬火温度的特定温度，保温一段时间后，再缓慢冷却回火类型低温回火、中温回火、高温回火，分别对应不同的温度范围和性能目标回火影响回火温度越高，硬度越低，韧性越好，反之亦然金属的调质处理123淬火回火正火淬火是将金属加热到适当温度后，迅回火是在淬火后，将金属重新加热到正火是将金属加热到高于临界点温度速冷却到室温或更低温度，以改变金低于淬火温度的某一温度，并保温一后，在空气中冷却，以细化晶粒，提属的组织结构，提高其硬度、强度和定时间后，再进行冷却，以降低金属高金属的强度和塑性耐磨性的硬度和脆性，提高其韧性金属的表面处理清洁1去除油污、灰尘和氧化物表面处理2提高耐腐蚀性和美观度涂层3增加耐磨性和耐热性表面改性4改变表面性质，例如增加硬度金属表面处理是指对金属表面进行处理，以改善其性能，例如提高耐腐蚀性、耐磨性、美观性等不同的表面处理方法可以达到不同的效果，并应用于不同的领域化学性质与耐蚀性金属的化学性质金属的腐蚀金属元素在周期表中位于左、下区域，易失去电子形成阳离子，金属在环境介质作用下，表面发生化学或电化学反应，导致金属具有较强的还原性材料破坏的过程腐蚀类型耐蚀性•化学腐蚀金属材料抵抗腐蚀的能力，指金属材料在一定环境条件下抵抗腐蚀的能力•电化学腐蚀金属的抗腐蚀性腐蚀环境环境因素如温度、湿度和酸碱度都会影响金属的腐蚀速率金属类型不同金属的抗腐蚀性差异很大，例如不锈钢比普通钢材更耐腐蚀表面处理表面处理如镀层、喷涂或氧化可以显著提高金属的抗腐蚀性金属的表面处理技术电镀喷砂热喷涂化学镀在金属表面沉积一层金属或使用喷砂机将磨料喷射到金将金属或陶瓷材料加热到熔通过化学反应在金属表面沉合金属表面融状态积金属提高耐腐蚀性和美观性去除氧化层、油污、锈蚀喷涂到金属表面，形成保护无需电流，适用于复杂形状层零件金属的应用分类结构材料功能材料合金材料特殊材料结构材料主要用于承载负功能材料具备特殊功能，合金材料由两种或多种金特殊材料是指具有特殊性载，例如桥梁、建筑、汽例如导电、导热、磁性、属或金属与非金属混合而能的材料，例如耐高温材车、飞机等结构材料要光学等功能材料广泛应成的材料，拥有优异的性料、耐腐蚀材料、耐磨材求强度高、韧性好、耐腐用于电子、航空航天、医能合金材料广泛应用于料等特殊材料在国防、蚀性强疗等领域航空航天、制造业、汽车能源、化工等领域发挥着等领域重要作用总结与展望金属结构是现代工业的基础材料对金属结构的深入研究，为材料科学技术发展提供了重要基础。