《金屬學(xué)與造船材料》課件

《金屬學(xué)與造船材料》課程概述本課程旨在深入了解金屬學(xué)原理和造船材料的特性，為學(xué)生提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，并幫助他們掌握應(yīng)用金屬材料于造船領(lǐng)域的專業(yè)技能。課程目標(biāo)理論知識(shí)掌握金屬材料的基本結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用。了解不同金屬的分類和特性，以及在造船領(lǐng)域的應(yīng)用。實(shí)踐技能學(xué)習(xí)金屬材料的熱處理、焊接和防腐技術(shù)。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作的能力，為從事造船相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。金屬的基本結(jié)構(gòu)金屬材料的結(jié)構(gòu)是指其內(nèi)部原子或離子的排列方式，決定了金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的基本結(jié)構(gòu)包括晶體結(jié)構(gòu)和非晶體結(jié)構(gòu)，其中晶體結(jié)構(gòu)是金屬材料最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，也是影響金屬材料性能的主要因素。晶體結(jié)構(gòu)金屬材料通常以晶體形式存在。晶體具有規(guī)則的原子排列，形成周期性的三維結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)是影響金屬材料性能的關(guān)鍵因素之一，如強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。金屬的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度金屬承受外力而不發(fā)生斷裂的能力，即抵抗破壞的能力。塑性金屬在外力作用下發(fā)生永久變形的能力，體現(xiàn)金屬的延展性。硬度金屬抵抗外力壓入或刻劃的能力，反映金屬的抵抗變形的能力。韌性金屬在斷裂前吸收能量的能力，衡量金屬材料的抗沖擊能力。塑性變形和回復(fù)機(jī)理1塑性變形金屬在受力狀態(tài)下，發(fā)生永久性形狀改變，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。塑性變形是金屬材料重要的力學(xué)性質(zhì)，也是金屬加工的基礎(chǔ)。2回復(fù)塑性變形后，金屬內(nèi)部積累了大量的能量，需要通過(guò)回復(fù)過(guò)程來(lái)釋放能量。回復(fù)過(guò)程包括晶粒長(zhǎng)大、位錯(cuò)重排和亞晶粒形成等。3再結(jié)晶在一定溫度下，塑性變形的金屬會(huì)發(fā)生新的晶粒重新生成，形成新的無(wú)應(yīng)力晶粒，消除變形引起的內(nèi)部應(yīng)力。再結(jié)晶過(guò)程會(huì)提高金屬的塑性和韌性。強(qiáng)化機(jī)理晶粒細(xì)化減小晶粒尺寸，增加晶界數(shù)量，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度和硬度。固溶強(qiáng)化在金屬中添加少量合金元素，形成固溶體，提高強(qiáng)度和硬度。位錯(cuò)強(qiáng)化引入更多位錯(cuò)，增加位錯(cuò)密度，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度和硬度。彌散強(qiáng)化在金屬中加入第二相粒子，這些粒子會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，提高材料的強(qiáng)度和硬度。熱處理基礎(chǔ)1退火消除內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。2正火細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度。3淬火提高硬度，改善強(qiáng)度。4回火降低硬度，提高韌性。熱處理是通過(guò)控制加熱、保溫和冷卻速度，改變金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改變其力學(xué)性能的一種工藝。熱處理工藝通常包含四個(gè)主要步驟：加熱、保溫、冷卻和回火。金屬相變與狀態(tài)圖金屬相變是指金屬在溫度、壓力等外界條件變化時(shí)，其內(nèi)部原子排列方式和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的過(guò)程。狀態(tài)圖是描述金屬在不同溫度和成分條件下存在的相及其相互關(guān)系的圖形，是研究金屬相變和材料性能的重要工具。狀態(tài)圖可以幫助我們理解金屬的熔化、凝固、相變、以及不同相的穩(wěn)定性等現(xiàn)象，從而指導(dǎo)我們選擇合適的熱處理工藝，改善金屬材料的性能。鐵碳合金狀態(tài)圖平衡狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖是顯示鐵碳合金在不同溫度和碳含量下相平衡狀態(tài)的圖表。相變過(guò)程它可以用于確定合金在不同溫度和碳含量下，所處的相組成、相含量和相結(jié)構(gòu)。實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)圖對(duì)于理解鋼鐵材料的性質(zhì)、熱處理過(guò)程、工藝選擇和性能預(yù)測(cè)至關(guān)重要。鋼的分類與性能1碳素鋼碳含量決定鋼的強(qiáng)度和硬度，碳含量越高，強(qiáng)度和硬度越高。2合金鋼添加其他金屬元素，以提高鋼的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性等性能。3特殊性能鋼包括高速鋼、不銹鋼、耐熱鋼等，具有特殊用途和性能。鋼的熱處理正火正火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中冷卻的一種熱處理工藝。正火可以細(xì)化晶粒，提高鋼的韌性和塑性。淬火淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫一段時(shí)間，然后在水中、油中或其他冷卻介質(zhì)中快速冷卻的熱處理工藝。淬火可以提高鋼的硬度和強(qiáng)度。回火回火是將淬火后的鋼加熱到一定溫度，保溫一段時(shí)間，然后在空氣中緩慢冷卻的熱處理工藝?；鼗鹂梢越档弯摰挠捕群蛷?qiáng)度，提高鋼的韌性和塑性。表面熱處理表面熱處理是指只對(duì)鋼材表面進(jìn)行熱處理，以改變其表面性能的一種工藝。常用的表面熱處理方法有滲碳、氮化和碳氮共滲。船用鋼牌號(hào)船用鋼牌號(hào)船用鋼牌號(hào)通常包含字母和數(shù)字，例如：A、B、C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、Q、R、S、T、U、V、W、X、Y、Z，數(shù)字則代表鋼的性能等級(jí)。示例A級(jí)鋼：用于船體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高，耐腐蝕性良好。B級(jí)鋼：用于船體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度適中，耐腐蝕性較好。C級(jí)鋼：用于船體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較低，耐腐蝕性較差。用途船用鋼牌號(hào)用于區(qū)分不同類型的船用鋼，便于選擇合適的鋼材用于不同的船體結(jié)構(gòu)和用途。船用鋼的性能要求強(qiáng)度船用鋼需承受高強(qiáng)度載荷，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等指標(biāo)要求較高。韌性船用鋼需要具備良好的韌性，以抵御沖擊載荷和防止斷裂。耐腐蝕性船用鋼在海水環(huán)境中工作，需要耐腐蝕，防止生銹和腐蝕穿孔。焊接性能船體結(jié)構(gòu)通常采用焊接工藝，船用鋼需要具備良好的焊接性能，確保焊接接頭的強(qiáng)度和可靠性。鑄鐵的分類與性能灰鑄鐵灰鑄鐵是應(yīng)用最廣泛的鑄鐵，具有良好的鑄造性能和減震性能。它包含片狀石墨，導(dǎo)致強(qiáng)度和韌性較低，易于加工。球墨鑄鐵球墨鑄鐵具有近似于鋼的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)保持良好的鑄造性能。它包含球狀石墨，提高了抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性?？慑戣T鐵可鍛鑄鐵具有良好的延展性和韌性，可鍛鑄鐵通過(guò)熱處理獲得石墨球狀化，形成球狀石墨，具有較好的綜合力學(xué)性能。蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵具有高強(qiáng)度、高韌性和耐磨性，廣泛應(yīng)用于高負(fù)荷的機(jī)械零件，其石墨呈蠕蟲(chóng)狀，具有良好的減震性能和耐磨性。鑄鐵的熱處理1退火降低硬度和強(qiáng)度，提高韌性2正火細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性3調(diào)質(zhì)獲得良好的綜合力學(xué)性能鑄鐵的熱處理主要包括退火、正火和調(diào)質(zhì)。退火可以降低硬度和強(qiáng)度，提高韌性；正火可以細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度和韌性；調(diào)質(zhì)可以獲得良好的綜合力學(xué)性能。有色金屬合金鋁合金鋁合金強(qiáng)度高、密度低，耐腐蝕性好，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車(chē)等領(lǐng)域。銅合金銅合金具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性，常用于電氣設(shè)備、管道、建筑材料等。鎂合金鎂合金密度低、比強(qiáng)度高，易于加工，適用于航空航天、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。鈦合金鈦合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐高溫性，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、醫(yī)療器械、化學(xué)工業(yè)等。鋁合金輕質(zhì)鋁合金的密度較低，重量輕，常用于航空航天。耐腐蝕鋁合金表面形成致密的氧化膜，具有良好的耐腐蝕性能。可加工性鋁合金具有良好的塑性，易于加工成各種形狀。應(yīng)用廣泛鋁合金廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、建筑、電子等領(lǐng)域。銅合金優(yōu)異的導(dǎo)電性銅合金廣泛應(yīng)用于電子電氣領(lǐng)域，如電線電纜和電路板。良好的導(dǎo)熱性銅合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，適合用作散熱器和熱交換器。耐腐蝕性部分銅合金具有良好的耐腐蝕性能，可用于制造管道和閥門(mén)等設(shè)備。機(jī)械加工性銅合金具有良好的機(jī)械加工性能，易于加工成各種形狀和尺寸。鎂合金輕質(zhì)材料鎂合金密度低，僅為鋁合金的三分之二，是航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域輕量化材料的選擇。高強(qiáng)度鎂合金具有良好的強(qiáng)度和剛度，可用于制造高強(qiáng)度、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)部件。優(yōu)異的加工性能鎂合金易于加工成型，適合各種加工工藝，如鑄造、擠壓、鍛造等。耐腐蝕性鎂合金的耐腐蝕性優(yōu)于其他輕金屬，可用于制造各種耐腐蝕的部件。鈦合金高強(qiáng)度鈦合金擁有高強(qiáng)度和高韌性，重量輕。鈦合金具有良好的耐腐蝕性，能夠抵抗各種環(huán)境的侵蝕。應(yīng)用廣泛鈦合金在航空航天、醫(yī)療器械、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它用于制造飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星、醫(yī)療器械和化學(xué)反應(yīng)器等。金屬腐蝕1化學(xué)腐蝕金屬與周?chē)h(huán)境中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氧化物或其他化合物。2電化學(xué)腐蝕金屬表面形成微電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致金屬腐蝕。3生物腐蝕微生物在金屬表面生長(zhǎng)，分解金屬，導(dǎo)致腐蝕。4應(yīng)力腐蝕金屬在拉伸應(yīng)力作用下，加速腐蝕。腐蝕因素氧氣氧氣是金屬腐蝕的主要因素，它與金屬發(fā)生氧化反應(yīng)形成氧化物。水水是電解質(zhì)，它可以加速金屬的腐蝕過(guò)程，尤其是含有鹽類或酸性物質(zhì)的水。酸酸性物質(zhì)會(huì)加速金屬的腐蝕速度，它們可以與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成鹽類和氫氣。溫度溫度越高，金屬的腐蝕速度越快，因?yàn)闇囟壬邥?huì)加速化學(xué)反應(yīng)的速度。防腐措施涂層保護(hù)涂層可以有效隔絕金屬與腐蝕性介質(zhì)接觸，延長(zhǎng)其使用壽命。表面處理通過(guò)表面處理改變金屬表面性質(zhì)，增強(qiáng)其抗腐蝕能力。陰極保護(hù)利用外加電流或犧牲陽(yáng)極，使金屬成為陰極，阻止腐蝕發(fā)生。合金材料使用耐腐蝕合金，例如不銹鋼或耐海水腐蝕合金，提高材料的抗腐蝕能力。金屬焊接11.熔焊將焊接金屬加熱至熔化狀態(tài)，然后用填充金屬或母材熔化金屬進(jìn)行焊接，從而形成接頭的焊接方法。22.壓力焊在壓力作用下，將金屬加熱或不加熱至塑性狀態(tài)，并施加壓力使焊件結(jié)合，無(wú)需填充金屬的焊接方法。33.釬焊將熔點(diǎn)低于母材的填充金屬加熱至熔化狀態(tài)，填充在焊件間隙處，然后冷卻凝固，形成接頭的焊接方法。焊接工藝1準(zhǔn)備階段清理焊件表面，去除油污、銹蝕，確保焊接質(zhì)量。對(duì)接焊縫角焊縫搭接焊縫T形焊縫2焊接過(guò)程選擇合適的焊接方法，控制焊接電流、焊接速度、焊絲送進(jìn)速度等參數(shù)，保證焊接質(zhì)量。手工電弧焊氣體保護(hù)焊埋弧焊激光焊3冷卻階段控制焊接冷卻速度，防止焊接殘余應(yīng)力過(guò)大，降低焊接性能。自然冷卻強(qiáng)制冷卻保溫冷卻焊接缺陷焊接裂紋焊接裂紋是焊接中最常見(jiàn)的缺陷之一。它會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，甚至造成斷裂。氣孔氣孔是指焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氣體孔洞。氣孔會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低，并可能成為腐蝕的起始點(diǎn)。未熔合未熔合是指焊接接頭兩側(cè)金屬未完全熔化，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度不足。焊縫咬邊焊縫咬邊是指焊接過(guò)程中焊絲熔化過(guò)度，導(dǎo)致母材被燒穿。焊接冶金金屬熔化焊接過(guò)程中的金屬熔化，形成熔池。熔池中的金屬成分發(fā)生變化，形成新的組織結(jié)構(gòu)。焊縫形成熔池凝固后，形成焊縫。焊縫的組織結(jié)構(gòu)和性能取決于焊接參數(shù)、金屬材料和填充材料。熱影響區(qū)熱影響區(qū)是指焊縫周?chē)軣嵊绊懙膮^(qū)域。熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生組織變化，可能導(dǎo)致強(qiáng)度降低或脆化。焊接缺陷焊接過(guò)程中的熱應(yīng)力、組織變化等因素，可能導(dǎo)致焊接缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等。焊接應(yīng)力與變形焊接過(guò)程會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力，導(dǎo)致焊接接頭和周?chē)鷧^(qū)域產(chǎn)生變形。焊接應(yīng)力是焊接過(guò)程中熱輸入和冷卻過(guò)程中金屬收縮導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力。焊接變形是由于焊接應(yīng)力引起的幾何形狀變化。1焊接殘余應(yīng)力焊接完成后，仍存在于焊接接頭的應(yīng)力2