金属材料学科前沿专家讲座

化学键
• 离子键：正负离子间静电作用，无方向 性和饱和性；
• 共价键：原子轨道重叠后，高概率地出 现在两个原子核之间的电子（共用电子
原子键合：
对）与两个原子核之间的静电作用，具 有方向性和饱和性。
反映电子结构，决定
材料分类及其物化、 力学性能
氢键
物理键
• 范德华力：分子间的静 电作用力（含色散力、 取向力和诱导力）；
二、金属材料与社会发展
二、金属材料与社会发展
不同金属材料的生产和使用普遍反映当时社会 生产力水平
钢铁产量：综合国力重要指标 工业革命以来
铁制农具的普遍使用和推广 铁器时代（战国以后） 铜马车、青铜鼎、青铜剑
青铜时代
二、金属材料与社会发展
金属材料与现代建筑
共使用Q460E型钢材11万吨
二、金属材料与社会发展
金属材料与航空工业
二、金属材料与社会发展
金属材料与航空工业
大飞机工程中对金属及金属基复合材料的需求
二、金属材料与社会发展
金属材料与航天工业
壳体以外（结构支承）：铝-铜-镁系、铝-锌-镁系高强度铝合金； 壳体内部（高压气瓶）：钛合金或高强度钢； 燃气舵：特种石墨或钨、钼等难熔金属制作，表面再覆以抗氧化涂层。
从组成和成分分：
金属材料
无机非金属材料（陶瓷） 有机高分子材料（塑料、橡胶、合成纤维等） 复合材料（金属基、树脂基、陶瓷基等）
结构材料： 主要利用其力学性能，用于制造需承受一定载荷的设备、零部件
及建筑结构等;
功能材料： 利用其特殊的物理性能（电学、热学、磁学、光学性能等），
用于制造各种电子器件、光敏器件、绝缘材料等；
金属材料导论
西北工业大学 郭喜平
主要内容
1 绪论 2 金属材料与社会发展 3 金属材料的制备及成形技术 4 Nb-Si基超高温合金研发
5 金属材料展望
一、绪论
工程材料的分类
从结构分
晶态材料：金属、合金、结晶盐、聚乙烯等 非晶态材料：玻璃、橡胶、有机玻璃等无定型高聚物
从特性和用途分
结构材料 功能材料、结构功能一体化材料
金属材料与现代交通
高强度钢一般用于汽车需高强度、高抗碰撞吸收能、成形要求严格的零件，如 轮圈、加强构件、保险杠和防撞杠等；同时还被用于汽车的内外板件，如车顶 板、车门内外板、 发动机舱盖和行李舱盖等。
二、金属材料与社会发展
金属材料与现代交通
京沪高速铁路使用钢铁735万吨
二、金属材料与社会发展
熔点的高低显示了金属键的强弱
一、绪论
金属材料的化学特性
青铜器文物粉状锈
缓蚀保护前后对比
一、绪论
金属材料的结构和键合特点
• 以氢为媒介的一种特殊 的分子间或分子内作用 力；
• 键合特点：键合强度介 于化学键和物理键之间， 具有饱和性。
• 金属键：金属离子与自由电子间静电作 用，无方向性和饱和性；
黑色金属（铸铁、钢）
金属材料：
有色金属:
轻有色金属：Al, Mg, Ti 重有色金属：Cu, Zn, Pb, Ni 贵重有色金属：Au, Ag, Pt, Rh等 难熔金属：V, Nb, Ta, Cr, Mo, W等，熔点非常高 放射性金属：Ra（镭），U（铀）, Th(钍）
核心关系
核心关系
材料的结构
Mg合金相机外壳
• 键合特点：键合力远小 于化学键，无方向性和
饱和性，决定物质的熔 沸点。
一、绪论
金属材料的结构和键合特点
金属键
Hale Waihona Puke Baidu
离子键
共价键
范德华力
氢键
一、绪论
材料种 类
结合键
熔点
弹性模 量
强度、 硬度
塑性和 韧性
导电和 导热性
耐热性
耐蚀性
其他
金属材 以金属 料 键为主
较高
陶瓷材 料
离子键 或共价
键
高
高分子 材料
聚合物
复杂分子 化合物
高温氧 化物超导
有机/
氧化物晶体
Ⅲ-Ⅴ
结构 功能 陶瓷
金属 陶瓷
无机 复合 材料
、
Ⅱ-Ⅵ
非晶
化合物
超导
合金
Si 半
合金
Ge导
结构金属
体
间化合物
钢
难熔
合金
铁 铜
轻 合
Fe高温 Ni 合金
Co
金
发展
说明：着色愈浅表示金属键特性愈强.
由金属键向混合 键，简单立方晶 体结构向复杂晶 体结构及复杂分 子结构演进，从 而决定或影响了 材料的制备/加工、 组织、力学和功 能性能。
二、金属材料与社会发展
金属材料与航海工业
美国航母甲板：690 MPa级高强钢、HSLAll5钢； 法国 “凯旋”级核潜艇耐压壳体：HLESl00钢； 日本“亲湖”级潜艇（可下潜500米）：NS110钢（屈服强度1000 MPa）。
二、金属材料与社会发展
常见轻金属
镁合金：密度低（~1.8 g/cm3），比强度高，比弹性模量大， 散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比Al合金大，耐有机物 和碱的腐蚀性能好，用于制造飞机机身、发动机零件等。
材料的性能
一、绪论
什么是金属材料？
金
银
铜
铁
锡
铝
锌
汞
镁
钨
金属
已知的元素109种，22种非金属，87种为金属。在22 种非金属中，有5种准金属（B、Si、As、Se、Te），在 金属中Ge、Sb、Po也是准金属，严格说，金属有84种。
长周期表的右侧，B向右下方画线延伸到砹（ At ）的 斜线，将元素分为金属和非金属两部分，斜线的右上方大 部分是非金属，斜线左下方为金属，斜线附近为准金属。
一、绪论
什么是金属材料？
金属材料： 金属元素或 以金属元素 为主构成的 具有金属特 性的材料的 统称。
纯金属：不含其他杂质或其他金属成分的金属
合金：两种或两种以上的金属元素或以金属为基 的具有金属特性的金属材料
金属间化合物：两个及以上金属或类金属组元按比例 组成的具有金属特性和长程有序晶体结构的化合物
一、绪论
金属材料的力学特性
塑性 冲击韧性
疲劳失效 硬度
一、绪论
金属材料的物理特性
金属光泽
导电性
导热
导磁
一、绪论
金属材料的物理特性
不同金属的熔点和密度差异很大
汞熔点最低（-38.9 ℃） 钨熔点最高（3410 ℃）
钾为最轻的金属（0.86 g/cm3） 锇为最重的金属（22.48 g/cm3）
分子内 为共价 键，分 子间为 分子键
复合材 取决于 料 组成物
较低
较高 较高 良好 良好 较高
抗拉强
度低，
绝缘，
高 抗压强 差 导热性 高
度和硬
差
度高
较低
较低
较好
绝缘， 导热性
差
较低
由组成物决定
一般 高 高
密度大 ，热膨 胀系数 较大
密度小 ，热膨 胀系数
小
密度小 ，热膨 胀系数 大，易 老化
材料与键合特性