《生活中的材料科学：合金》课件

生活中的材料科学合金解析日常物品中的合金科学，探索这些材料如何塑造我们的世界课程概述材料科学简介探索基础知识合金基本概念理解类型和特性日常应用生活中的合金例子制造工艺从矿石到产品什么是材料科学？跨学科领域研究重点物理、化学、工程学材料成分、结构与性能关系经济价值全球市场价值超亿美元6000材料科学的历史演变石器时代1约万年前2502青铜时代约3300-1200BCE铁器时代3约起1200BCE4工业革命钢铁大规模生产现代材料科学5精密控制与定制化金属材料基础知识金属元素特性导电、导热、延展性好晶体结构面心立方、体心立方、六方密堆积金属键合原理自由电子模型纯金属局限性强度、硬度、耐腐蚀性不足什么是合金？定义目的分类市场规模两种或多种元素（至少一改善纯金属性能，获得特固溶体合金、金属间化合约亿美元（年）25002024种为金属）的混合物殊性质物、多相合金合金的形成原理晶格结构变化固溶体形成条件原子替代与插入原子尺寸、电负性、晶体结构金属相互反应相图解读共晶、包晶、偏晶反应温度、成分、相的关系合金的分类方法按基体金属铁基、铝基、铜基、镍基等按成分数量二元合金、三元合金、多元合金按用途结构用合金、功能性合金按制备方法铸造合金、锻造合金、粉末冶金钢铁最常见的合金亿吨类

2.11%194碳含量年产量基本分类铁碳合金定义范围年全球统计碳钢、合金钢、不锈钢、工具钢2023碳钢的种类与应用高碳钢（）

0.6%C刀具、弹簧、锯片中碳钢（）

0.25-

0.6%C机械零件、轴承低碳钢（）

0.25%C钢筋、薄板、铁丝不锈钢抗腐蚀的选择铁碳铬（）合金，具优异耐腐蚀性主要类型奥氏体（）、铁素体（）、马氏体（）全球市场规--≥

10.5%304/316430420模约亿美元1800铝合金轻质高强种

2.7g/cm³5密度主要合金元素仅为钢的铜、镁、硅、锌、锰1/3个万吨43800主要应用领域中国年产量航空航天、汽车、包装、建筑全球最大生产国常见铝合金系列系列主要元素典型应用铝铜航空结构件2XXX-铝镁船舶、汽车面板5XXX-铝镁硅建筑型材、自行车6XXX--架铝锌高强度航空零件7XXX-铜合金古老而现代悠久历史主要种类突出优势广泛应用青铜器约年历史黄铜（铜锌）、青导电性好、耐腐蚀、电气设备、管道、装5000-铜（铜锡）抗菌饰品、乐器-黄铜与青铜的对比黄铜（铜锌）青铜（铜锡）--色泽金黄，价格较低耐蚀性优于黄铜，强度高（铜）锡磷青铜•H6262%•（铜）铝青铜•H6868%•铅青铜•镁合金最轻的结构金属超轻密度，比铝轻

1.74g/cm³35%主要合金元素铝、锌、锰、稀土应用领域航空航天、电子产品外壳、汽车零部件主要缺点易燃、耐腐蚀性较差钛合金高强轻质材料极佳

4.5g/cm³密度耐腐蚀性强度可比肩钢材海水环境下表现优异万吨10中国年产量全球最大钛材生产国镍基合金耐高温的选择航空发动机部件化工设备代表合金工作温度可达以上耐腐蚀性极佳（镍铬铁）、（镍铜）1000°C Inconel--Monel-贵金属合金主要包括金合金（金），含金量以表示，为纯金；银合金，纯银（）、标准银（）；铂族金属合金K K24K

99.9%

92.5%铂、钯、铑等应用于珠宝首饰、电子接点、催化剂特种功能合金形状记忆合金非晶态合金磁性合金镍钛合金（记忆变形）快速冷却形成无定形钕铁硼（永磁）、坡结构莫合金（软磁）高熵合金包含种以上主元素5合金在建筑中的应用结构钢钢筋铝合金门窗型钢、型钢、箱型钢、合金型材H IHRB400HRB5006063合金在交通工具中的应用汽车高铁航空船舶车身钢板（高强度钢）车体铝合金铝锌合金（）船体钢材-7075铝合金车轮轨道特种钢钛合金发动机部件铝合金上层建筑合金在电子产品中的应用手机外壳连接器散热器铝合金、镁合金、不锈钢铍铜合金、磷青铜铝合金、铜合金合金在医疗领域的应用植入物主要采用钛合金（）、钴铬合金；牙科材料使用镍铬合金、金合金；医疗器械常用不锈钢（）、镍钛合Ti-6Al-4V316L金导管；放射防护则采用钨合金屏蔽材料合金在能源领域的应用核电站锆合金燃料棒包壳、特种不锈钢太阳能铜铟镓硒（）薄膜电池CIGS风力发电高强度钢材、铝合金风叶储能电池镍氢、镍镉合金电极材料合金熔炼技术感应熔炼真空熔炼高频电流加热去除气体杂质电子束熔炼电渣重熔超高纯度特种合金提高纯度和均匀性合金铸造工艺砂型铸造适用于复杂形状零件压力铸造高效生产小型精密件离心铸造3管状零件生产精密铸造航空零件、涡轮叶片合金加工技术轧制锻造挤压生产板材、带材（可减薄至）提高材料强度和韧性生产型材（速度可达）

0.1mm80m/min合金热处理工艺退火正火淬火时效处理降低硬度，提高塑性细化晶粒，提高强韧性提高硬度和强度析出强化（如铝合金处T6理）合金表面处理电镀镀铬、镀镍、镀锌阳极氧化铝合金表面处理渗透处理渗铝、渗氮提高表面硬度涂层PVD/CVD高硬度、低摩擦涂层合金的腐蚀与防护电化学腐蚀机理常见腐蚀类型阳极溶解均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀开裂2不锈钢耐腐蚀原理防腐技术4钝化膜保护阴极保护、涂层防护、合金化合金的强化机制形变强化冷加工增加位错密度细晶强化晶界增加（关系）Hall-Petch析出强化第二相粒子阻碍位错运动固溶强化溶质原子引起的晶格畸变合金的力学性能测试拉伸测试硬度测试冲击测试屈服强度、抗拉强度、延伸率布氏、洛氏、维氏、肖氏硬度夏比、落锤冲击试验合金的无损检测射线检测超声波检测磁粉探伤渗透探伤X发现内部缺陷厚度测量、缺陷定位铁磁性材料表面缺陷表面开口缺陷检测航空航天合金材料合金类型代表材料主要应用铝合金、机身、结构件20247075钛合金发动机部件Ti-6Al-4V镍基超合金涡轮叶片Inconel718汽车工业中的合金革新30-50%40%高强度钢减重铝合金车身减重、应用提升燃油经济性AHSS UHSS多种镁合金应用仪表盘支架、方向盘打印合金技术3D金属粉末选择钛合金、铝合金、不锈钢打印方式、、技术SLM DMLSEBM应用领域航空航天、医疗、汽车主要优势复杂结构、定制化、减少浪费金属基复合材料定义特点金属基体强化相（陶瓷、碳等）+主要类型颗粒增强、纤维增强、片状增强典型应用高性能刹车盘、发动机部件纳米结构合金尺寸特征晶粒尺寸100nm制备方法快速凝固、机械合金化特殊性能超高强度、特殊电学和磁学性能应用领域电子器件、催化剂、传感器合金材料回收与循环利用收集分选废旧金属产品回收材料类型分类处理2精炼熔炼4去除杂质提纯金属材料重新熔化生物医用合金发展生物相容性合金可降解金属材料牙科合金纯钛、、镁基、锌基、铁基合金金合金、钴铬合金、钛合金Ti-6Al-4V Ti-6Al-7Nb高温合金的突破单晶涡轮叶片工作温度提高150°C新型钴基高温合金高温强度、抗氧化性镍基粉末高温合金复杂形状部件陶瓷增强金属基复合材料更高温度应用超导合金材料主要包括铌钛合金（最常用低温超导体）、铌锡化合物（高场超导磁体材料）、铁基超导体（新型高温超导材料）应用于核磁共振、高能物理、磁悬浮列车等领域轻质高强合金研发方向第三代铝锂合金密度降低10-15%镁稀土合金提高耐热性和耐腐蚀性钛铝金属间化合物航空发动机叶片高强钢纳米析出相强化技术合金面临的环境挑战有害元素替代铅、镉、六价铬稀有金属资源短缺钴、锂、稀土能源消耗与碳排放提高能效技术绿色冶金工艺低碳、低排放生产中国合金材料产业亿吨大10+3钢铁年产能技术进步领域全球领先高温合金、先进钢材、特种铝合金完整产业链特点从资源到终端产品全球合金材料市场格局合金材料的未来趋势绿色化定制化低碳、可回收、环境友好智能化特定应用的精准设计多功能化响应外界刺激的智能合金一种材料多种性能材料基因组计划计算机辅助高通量实验数据驱动研设计发快速表征与测材料建模与模试大数据分析与拟预测时间效率从发现到应用时间缩短50%总结与展望基础重要性多学科交叉未来发展方向职业机会合金材料是现代文明的基物理、化学、工程学推动绿色、智能、定制化、多研发、生产、应用领域广础创新功能阔前景。