大學(xué)化學(xué)課件：金屬材料

1、材料的分類傳統(tǒng)上根據(jù)材料的成分與特性，把物質(zhì)分為無機(jī)材料（金屬材料和無機(jī)非金屬材料）、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料依據(jù)材料的用途，通常將材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料是指利用材料具有的力學(xué)和物理、化學(xué)性質(zhì)，被廣泛用于機(jī)械制造、工程建設(shè)、交通運(yùn)輸及能源等部門的材料。功能材料是指利用具有的某種聲、光、電、磁和熱等性能，應(yīng)用于微電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術(shù)領(lǐng)域的材料。智能材料是功能材料的最新發(fā)展，它具有環(huán)境判斷功能、自我修復(fù)功能和時(shí)間軸功能，智能材料被譽(yù)為21世紀(jì)材料。7-2-1 金屬材料金屬材料可分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩大類。黑色金屬材料包括鐵、錳和鉻以及它們的合

2、金。除黑色金屬外的其他各種金屬及其合金統(tǒng)稱為有色金屬。有色金屬品種繁多，又可細(xì)分為輕金屬、重金屬、高熔點(diǎn)金屬、稀土金屬、稀散金屬和貴金屬7-2-1-1 鋼鐵（1）鋼鐵是使用最廣泛的一類黑色金屬材料，其消耗量約占金屬材料的90。其冶煉方法是用焦炭高溫還原精選過的氧化鐵礦石，冶煉時(shí)還需加入一定比例的石灰石和二氧化硅作助熔劑造渣，其主要反應(yīng)如下：鐵水中含34%的C，以Fe3C形式存在7-2-1-1 鋼鐵（2）鐵水以不同方式冷卻，可以得到性質(zhì)不同，用途也各不相同的生鐵。當(dāng)鐵水緩慢冷卻時(shí)，F(xiàn)e3C分解為鐵和石墨，因其斷口為灰色被稱為灰口鐵；若將鐵水驟冷，F(xiàn)e3C來不及分解，其斷口為白色故稱為白口鐵。鋼鐵

3、是鐵碳合金的總稱。鋼鐵中含碳2的叫生鐵， 0.02的叫純鐵，介于二者之間的稱為鋼。其中含碳0.020.25的稱為低碳鋼，介于0.250.60的稱為中碳鋼，含碳量在0.602的稱為高碳鋼。7-2-1-1 鋼鐵（3）純鐵的晶體結(jié)構(gòu)碳在鋼中存在的方式是間充在鐵晶格的空隙中，形成間隙合金結(jié)構(gòu)。碳在鋼中能夠以4中方式間充在鐵的金屬晶格中，形成奧氏體、滲碳體、馬氏體、鐵素體4種物相。體心立方面心立方體心立方C的可能位置金屬的腐蝕與防止當(dāng)金屬與周圍介質(zhì)接觸時(shí)，由于發(fā)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用而引起的破壞叫做金屬的腐蝕。 估計(jì)每年腐蝕而報(bào)廢的鋼鐵設(shè)備相當(dāng)于鋼鐵年產(chǎn)量的1/4,發(fā)達(dá)國家年經(jīng)濟(jì)損失占GDP的34%。因

4、此在了解金屬腐蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上懂得如何防止金屬腐蝕和了解如何進(jìn)行金屬材料的化學(xué)保護(hù)十分必要。 金屬腐蝕的本質(zhì)都是金屬原子失電子被氧化的過程。 鋼鐵的腐蝕鋼鐵的腐蝕：指鋼鐵和周圍介質(zhì)接觸時(shí)，由于發(fā)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用而引起的破壞。根據(jù)腐蝕發(fā)生的機(jī)理不同，可分為：化學(xué)腐蝕：指單純由化學(xué)作用而引起的腐蝕。電化學(xué)腐蝕：指當(dāng)金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，由于電化學(xué)作用而引起的腐蝕。腐蝕的分類 金屬與周圍介質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的腐蝕叫化學(xué)腐蝕。1.化學(xué)腐蝕 化學(xué)腐蝕發(fā)生在非電解質(zhì)溶液中或干燥的氣體中，在腐蝕過程中不產(chǎn)生電流。如：鋼鐵的高溫氧化脫碳、石油或天然氣輸送管部件的腐蝕等?；瘜W(xué)腐蝕原理比較簡單,屬

5、于一般的氧化還原反應(yīng)?；瘜W(xué)腐蝕反應(yīng)示例1)鋼鐵的高溫氧化:高溫高溫致密疏松，易龜裂，向縱深腐蝕 2)鋼的脫碳。O2,H2OCO鋼的脫碳原理示意圖金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而引起的金屬腐蝕。例如,鋼鐵在潮濕的環(huán)境中生銹,發(fā)生的就是電化學(xué)腐蝕。 較小的金屬易失電子，被氧化而腐蝕，是腐蝕電池的陽極（也稱負(fù)極）。電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕普遍得多,腐蝕的速率一般也快得多。2. 電化學(xué)腐蝕1）析氫腐蝕在酸性較強(qiáng)的條件下鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕,電極反應(yīng)為:陽極:Fe2e-=Fe2+陰極:2H+2e-=H2 在弱酸性或中性條件下鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕,電極反應(yīng)為：陽極:Fe-2e-=Fe2+陰極:2H2O+O2+4e-=4

6、OH吸氧腐蝕比析氫腐蝕更為普遍。2）吸氧腐蝕金屬腐蝕的防止1.改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：例如，把鉻、鎳加入普通鋼中制成不銹鋼。2. 保護(hù)層法：例如，在金屬表面涂漆、電鍍或用化學(xué)方法形成致密而耐腐蝕的氧化膜等。如白口鐵(鍍鋅鐵)、馬口鐵(鍍錫鐵)。3.緩蝕劑法:在腐蝕介質(zhì)中，加入少量能減小腐蝕速率的物質(zhì)以防止腐蝕的方法。 (1)無機(jī)緩蝕劑：在中性或堿性介質(zhì)中主要采用無機(jī)緩蝕劑，如鉻酸鹽、重鉻酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽等。主要是在金屬的表面形成氧化膜或沉淀物。 (2)有機(jī)緩蝕劑：在酸性介質(zhì)中，一般是含有N、S、O的有機(jī)化合物。常用的緩蝕劑有烏洛托品、若丁等。 (3)氣相緩蝕劑：如亞硝酸二環(huán)己烷基胺給機(jī)器產(chǎn)品（尤其是精密儀器）的包裝技術(shù)常帶來重大革新。4. 陰極保護(hù)法 將被保護(hù)的金屬作為腐蝕電池或電解池的陰極而 不受腐蝕 。它一般分為犧牲陽極保護(hù)法和外加電流法 。(1) 犧牲陽極保護(hù)法 用較活潑的金屬或其三元合金如(Zn、Al)連接在被保護(hù)的金屬上，被保護(hù)的金屬作為腐蝕電池陰極而達(dá)到不遭腐蝕的目的。(2) 外加電流法 將被保護(hù)金屬與另一附加電極作