化学与金属材料.ppt

工程化学专题系列讲座化学与金属材料,主讲秦华,金属制品,材料分类,按材料本身的性质金属材料、非金属材料、陶瓷材料高分子材料、复合材料、液晶材料按材料的作用结构材料如金属材料（强度、耐热）功能材料如高吸水树脂、液晶材料,金属材料的分类,黑色金属指铁、锰、铬及它们的合金。有色金属黑色金属以外的金属统称为有色金属。重金属如镍、铅等密度在5g/cm3以上轻金属如钠、钙、铝等4.5g/cm3以下。,铁艺,常用金属材料,,s区元素及其有关工程材料,特点少（价电子数）、大（原子半径）轻（密度）、软（硬度）、易熔、活泼。铷和铯光电管中的光电阴极材料，自动控制。铍铍铝合金质轻、强度大、耐温、加工性能好等优点，除应用于导弹、火箭、超音速飞机的结构部件外，还常用于电子计算机、核燃料包套。铍与镍、铜、锡的合金受冲击时不产生火花的优异性质，因而在石油化工、矿山工业和电器等行业中是不可缺少的，用来防止火灾和爆炸事故。镁合金是镁和铝、锌、锰等的合金。该类合金密度小，强度高，抗冲击，制造仪器、仪表零件、飞机的起落架等。,碱金属,p区与ⅡB族金属元素工程材料,Bi、Sn、Pb、Hg等是硬度较小的低熔点金属。汞在室温时呈液态，用作温度气压计中的液柱。铋的某些合金的熔点在100℃以下，制焊锡。p区的金属唯有铝较活泼，但易“钝化”铝中加少量铜、镁、锰、锌等形成铝合金，可用来代替钢铁和铜，用作航空、航天飞行器的主要结构材料。此外，铝还具有良好的导电、导热性能，常用来代替铜制造导电材料，特别是高压电缆。,铝箔,d区与ⅠB族金属元素工程材料,d区均为金属元素，属于重金属大多是高熔点金属，钨3410℃除ⅢB族较软外，其余都有较高的硬度，铬是所有金属中最硬的。很多都是重要的合金材料（如高温合金、硬质合金等）,高温合金它们广泛应用于制造航空涡轮发动机、各种燃气轮机热端部件（如涡轮工作叶片、燃烧室等），应有领域涉及舰艇、火车、汽车、火箭发动机、核反应堆等高技术领域。硬质合金是制造高速切削和钻探等工具主要部件的优良材料。,几种金属,金属之最,最轻的金属是锂最重的金属是锇；熔点最低的金属是汞；最难熔金属为钨；3410导电性最强的金属是银精密仪表延展性最好的金属是金；光照下最易产生电流的金属是铯光电管,合金的基本类型,1、机械混合物两种金属在熔融状态时互熔，但在凝固时各组分分别结晶。是成分不同晶体的混合物。2、金属固溶体一种溶质金属（或非金属）溶解到另一种溶剂金属的晶体中形成的均匀固态溶液成为金属固溶体。固溶体的强度、硬度比纯金属高，同时延展性、导电性比金属差3、金属化合物金属化合物比组分金属的熔点高，硬度和脆性更大，但仍能导电、传热，具有金属性质。如金属碳化物、氮化物和硼化物（硬质合金）。,几种合金,新型金属材料,1、形状记忆合金形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来的形状。最早研究成功的形状记忆合金是Ni-Ti合金，称为镍钛脑目前已发现的形状记忆合金达几十种之多，其中应用较多的是钛镍基合金和铜基合金两大种类。广泛地用于卫星、航空、生物工程、医药和自动化等方面。在宇航工作中，人造卫星和月球上的伞形天线都可以用形状记忆合金制作；美国在喷气式战斗机的油压系统中也使用了钛镍形状记忆合金；形状记忆合金还可用于多种驱动装置，控制着从机器人的手臂到随温度变化而自动开启的窗户；,,,,,2、高温合金,大多是利用d区合金元素制成的铁基、镍基、钼基、铌基、钽基和钨基合金等，在高温下具有良好的高温性能（蠕变强度和持久强度等）和化学稳定性。较早时采用多晶铸造工艺，让熔融的合金在铸型中逐渐冷却凝固，一开始就产生无数的晶粒，形状接近球形，称为等轴晶，晶粒之间的界面称为晶界，晶界是叶片中最薄弱的易破坏区,3、储氢合金,贮氢合金是利用金属或合金与氢气形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是紧密堆积的结构，结构中存在许多四面体和八面体空隙，可以容纳半径较小的氢原子。在贮氢合金中，一个金属原子能与2个、3个甚至更多的氢原子结合，生成金属氢化物。,具有使用价值的贮氢材料要求贮氢量大，金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解，室温下吸氢、放氢的速度快，使用寿命长和成本低。,镁系贮氢合金如MgH2，Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5，MnNiAl等钛系贮氢合金如TiH2、TiMn1.5等。,4、低温合金,低温合金是指在低温下使用而不至于产生脆性破坏的合金。通常，把常温以下直到绝对零度的较大温度范围称为低温。超低温材料必须具备以下几方面的条件①材料不会在所工作的低温下变脆。②材料的热膨胀系数应尽可能地小，③材料必须是非磁性的。,铁锰铝锌合金钢。其强度、韧性都十分优异。它们在常温下还有良好的加工性。据认为这是一种在超低温下强度、延伸率、耐冲击值都大的，可能对低温技术发展产生重要影响的优秀材料。,５、金属陶瓷,6、金属多孔物质,采用不规则的金属（Ti、Mo、W等）粉末，经过压型、烧结等工艺，使金属颗粒既能熔接起来，又能保持由表及里、纵横交错、相互贯通的众多小空隙。透过性强，过滤性能高，经久耐用。消音器、减震器、催化剂、热交换器、过滤膜,7、第四代金属,人类使用金属材料的历史源远流长。早在6000年前，人类就发现并使用了金属铜。第二代金属是铁，在我国，春秋末年，就已经大量炼铁和使用铁器了第三代金属是铝，铝的产量之大，用途之广，仅次于钢铁。金属的第四代就是近几年才崭露头角的钛了。钛这种以希腊神话中的大力神泰坦命名的金属，它具有钢铁般的强度，却不像钢铁那么沉重；它又像铝质轻，抗腐蚀，但其强度却比铝高得多,纳米金属让炸弹更小更强Nanometals,将像纳米铝（nanoaluminum）这样的纳米金属与像氧化铁这样的金属氧化物组合到一起，制造出被称为超级铝热剂（Su鄄perthermites）的材料，把这种材料添加到武器中可以极大地提高武器的威力。洛斯阿拉莫斯国家实验室爆炸科学技术的项目领导人史蒂文森说，超级铝热剂的化学反应速度是普通速度的上千倍，因而可以在更短的时间内释放更多的能量。,金属的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀由单纯化学作用引起的腐蚀叫化学腐蚀；由电化学作用引起的腐蚀叫电化学腐蚀。电化学腐蚀分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀,金属的腐蚀,化学腐蚀,电化学腐蚀,析氢腐蚀吸氧腐蚀,,,,,,,,,金属的腐蚀与防护,化学腐蚀,金属在高温干燥气体中以及非电解质环境中的腐蚀一般都属于化学腐蚀。例如金属于干燥气体如O2，H2S，SO2和Cl2等接触时，在金属表面形成相应的化合物而被腐蚀；钢铁在高温下的脱碳现象以及石油中各种有机物对输油管道和容器的腐蚀等都属于化学腐蚀。,腐蚀电池的形成由于金属表面吸附了空气中的水分，形成一层水膜，因而使空气中的CO2、SO2和NO2等溶解在这层水膜中形成电解质溶液，而浸泡于水膜中的金属往往不是纯金属。如钢铁，除Fe之外，还含有渗碳体（Fe3C）、碳以及其他金属和杂质。它们没有铁活泼，这样形成的腐蚀电池阳极是铁，而阴极是杂质，由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。,析氢腐蚀在酸性条件下发生阴极2H2eH2（在Fe3C上进行）阳极FeFe22eFe22H2OFeOH22H总反应Fe2H2OFeOH2H2,吸氧腐蚀在碱性条件下发生阴极O2H2O4e4OH-阳极2Fe2Fe24e总反应2FeO22H2O2FeOH2,浓差腐蚀在水中深度不同的钢铁上发生腐蚀反应与吸氧腐蚀相同是由于水中不同深度氧的浓度差别造成的上段不腐蚀，下段腐蚀。,,,,,,上段,下段,Fe,O2H2O4e4OH-,FeFe22e,总反应2FeO22H2O2FeOH2,,,金属的加工,电解加工是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将金属器件加工成型的。它将工件作为阳极，以模件作为阴极，两极之间保持很小间隙（0.11mm），使电解液高速流动通过两极，阳极金属不断地溶解，最后变成与阴极模件工作表面相吻合的形状。化学刻蚀是将金属表面按规定的部位用腐蚀液使之溶解，而在工件上留下凹槽或孔洞的一种加工方法，化学抛光则是利用化学腐蚀将金属表面的凸出部分腐蚀掉，从而达到使金属表面平滑和光泽的一种加工方法，,金属的防护组成合金（不锈钢）隔离介质油漆、搪瓷、喷塑等。介质处理除去溶解氧缓蚀剂电化学方法牺牲阳极法、外加电流法。,1、组成合金,此法可直接提高金属本身耐腐蚀性例如不锈钢，铁与铬、镍等的合金。合金能提高电极电势，降低阳极活性，从而使金属的稳定性大大提高。,2、金属材料的表面处理,金属表面处理方法有化学热处理、化学气相沉积、金属钝化处理和金属表面镀覆等。化学热处理工艺，在高温下使活性非金属原子深入并在金属表面形成一种间隙化合物，从而达到改善金属的性能。目前常采用渗碳、渗氮或渗硼等。化学气相沉积工艺则是使间隙化合物涂覆在金属表面，这样既可以保持材料内部的韧性又可以增强表层的强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能。发黑处理是金属钝化常见的方法之一，主要是将金属器件的表面进行氧化处理，使其表面生成一层致密的氧化保护膜。金属镀覆有电镀、化学镀、热浸镀等。例如通过热浸镀方法在铁表面镀上一层金属锡，就是常见的马口铁。,3、缓蚀剂法,在腐蚀介质中加入少量能减缓腐蚀速率的物质来防止金属腐蚀的方法叫缓蚀剂法。所加的物质称为缓蚀剂。有机缓蚀剂的缓蚀作用机理较复杂，目前还不很清楚。最简单的一种机理认为，缓蚀剂被吸附在阴极表面上，钻了H在阴极放电，从而使金属的腐蚀减缓。,4、电化学保护法,鉴于金属电化学腐蚀时阳极金属（较活泼金属）被腐蚀，可以使用外加阳极将被保护的金属作为阴极保护起来。因此电化学保护法亦称阴极保护法。根据外加的阳极不同，该法又分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法两种。,牺牲阳极保护法将较活泼金属或合金连接在被保护的金属设施上形成腐蚀电池，较活泼金属作为腐蚀电池的阳极而被腐蚀，被保护金属作为阴极而得到保护。常用的牺牲阳极材料有Mg，Al，Zn及其合金。牺牲阳极法常用于蒸气锅炉的内壁、海船的外壳和海底设备等。通常牺牲阳极占有被保护金属表面积的15，分散布置在被保护金属的表面上。,外加电流法被保护金属与另一附加电极（常用废钢或石墨）组成电解池。外加直流电源的负极接被保护金属作阴极，附加电极作阳极，在直流电作用下，阴极发生还原反应保护。这种保护法广泛应用于防止土壤、海水及河流中的金属设备的腐蚀。,金属的电化学腐蚀和防腐,该腐蚀是一电化学过程，对经济的影响很大。单美国每年金属腐蚀就会造成大约700亿美元的损失。,铁生锈过程是铁被O2氧化生成水合氧化物的过程,阳极生成的Fe2最终被氧化为Fe3,后者形成的水合氧化物即铁锈,镀层为锌的铁叫白铁,最终结果是,Zn代替Fe被腐蚀。将被保护的金属作为电化学电池的阴极而得到保护,化学上叫作阴极保护Cathodicprotection用来保护阴极的那个被氧化的活泼金属叫殉葬阳极SacrificialAnode。,化学腐蚀,金属在高温干燥气体中以及非电解质环境中的腐蚀一般都属于化学腐蚀。例如金属于干燥气体如O2，H2S，SO2和Cl2等接触时，在金属表面形成相应的化合物而被腐蚀；钢铁在高温下的脱碳现象以及石油中各种有机物对输油管道和容器的腐蚀等都属于化学腐蚀。,电化学腐蚀,当金属与电解质接触时，由电化学作用而引起的腐蚀称之为电化学腐蚀。当金属置于水溶液或潮湿大气中时，金属表面会形成一种微电池，也称腐蚀电池。习惯上，称腐蚀电池的电极为阴极和阳极。阳极上发生氧化反应，使阳极发生溶解，阴极上发生还原反应，起传递电子的作用。,腐蚀电池的形成主要是由于金属表面吸附了空气中的水分，形成一层水膜，因而使空气中的CO2、SO2和NO2等溶解在这层水膜中形成电解质溶液，而浸泡于水膜中的金属往往不是纯金属。如钢铁，除Fe之外，还含有渗碳体（Fe3C）、碳以及其他金属和杂质。它们没有铁活泼，这样形成的腐蚀电池阳极是铁，而阴极是杂质，由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。电化学腐蚀可分为析氢腐蚀、吸氧腐蚀和差异充气腐蚀。,1、析氢腐蚀（钢铁表面吸附水膜酸性较强时）,析氢腐蚀主要发生如下反应阳极（Fe）FesFe2aq2e-Fe2aq2H2OlFeOH2s2H-aq阴极（杂质）2H（aq）2e-H2g总反应Fes2H2OFeOH2sH2g由于腐蚀过程中有氢气析出，故称为析氢腐蚀。,2、吸氧腐蚀（钢铁表面吸附水膜酸性较弱时）,当钢铁暴露在中性或弱酸性介质中，在氧气充足的条件下，由于O2/OH-电对的电极电势大于H/H2电对的电极电势，故溶解在水中的氧气优先在阴极上得到电子被还原成OH-,阳极上仍然是铁被氧化为Fe3。,主要反应如下,阳极（Fe）FesFe2aq2e-阴极（杂质）O2g2H2O（l）4e-4OH-aq总反应2FesO2g2H2Ol2FeOH2s这类腐蚀主要消耗氧气，故称吸氧腐蚀。析氢腐蚀和吸氧腐蚀生成的FeOH2还可被O2氧化，生成的FeOH3,脱水后形成Fe2O3铁锈。,3、差异充气腐蚀（钢铁表面氧气分布不均匀时）,当金属表面氧气分布不均时，也会引起金属的腐蚀。例如置于水中或泥土中的铁桩，常常发现浸在水中的下部分或埋在泥土中的部分发生腐蚀，而水中靠近水面的部分或泥土上方却不被腐蚀。这是因为水中接近水面部分溶解的氧气与水下层和泥土中溶解的氧气浓度不同。相当于铁桩浸入含有氧气的溶液中，构成氧电极。其电极电势表达式为O2g2H2O（l）4e-4OH-aq,,阳极（下段）FesFe2aq2e-阴极（上段）O2g2H2O（l）4e-4OH-aq总反应2FesO2g2H2Ol2FeOH2s这种因金属表面氧气分布不均而引起的腐蚀叫差异充气腐蚀。,1.6金属防腐技术,1、组成合金此法可直接提高金属本身的耐腐蚀性。例如不锈钢，就是铁与铬、镍等的合金。合金能提高电极电势，降低阳极活性，从而使金属的稳定性大大提高。,2、金属材料的表面处理与加工,金属表面处理方法有化学热处理、化学气相沉积、金属钝化处理和金属表面镀覆等。化学热处理工艺，在高温下使活性非金属原子深入并在金属表面形成一种间隙化合物，从而达到改善金属的性能。目前常采用渗碳、渗氮或渗硼等。化学气相沉积工艺则是使间隙化合物涂覆在金属表面，这样既可以保持材料内部的韧性又可以增强表层的强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能。,化学气相沉积工艺则是使间隙化合物涂覆在金属表面，这样既可以保持材料内部的韧性又可以增强表层的强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能。,发黑处理是金属钝化常见的方法之一，主要是将金属器件的表面进行氧化处理，使其表面生成一层致密的氧化保护膜。,磷化处理则是金属钝化的另一种方法，其原理主要是在金属表面上形成一层难溶的磷酸盐膜。,金属镀覆有电镀、化学镀、热浸镀等。例如通过热浸镀方法在铁表面镀上一层金属锡，就是常见的马口铁。,金属的加工主要有电解加工和化学加工两类。,电解加工是利用金属在电解液中可以发生阳极溶解的原理，将金属器件加工成型的。它将工件作为阳极，以模件作为阴极，两极之间保持很小间隙（0.11mm），使电解液高速流动通过两极，阳极金属不断地溶解，最后变成与阴极模件工作表面相吻合的形状。,化学法加工只能处理金属的表面，其原理是利用化学反应将金属的表面部分溶解，以获得规定的表面尺寸和改变表面性状加工方法。主要有化学刻蚀和化学抛光两种。,化学刻蚀是将金属表面按规定的部位用腐蚀液使之溶解，而在工件上留下凹槽或孔洞的一种加工方法，化学抛光则是利用化学腐蚀将金属表面的凸出部分腐蚀掉，从而达到使金属表面平滑和光泽的一种加工方法，,3、缓蚀剂法,在腐蚀介质中加入少量能减缓腐蚀速率的物质来防止金属腐蚀的方法叫缓蚀剂法。所加的物质称为缓蚀剂。有机缓蚀剂的缓蚀作用机理较复杂，目前还不很清楚。最简单的一种机理认为，缓蚀剂被吸附在阴极表面上，钻了H在阴极放电，从而使金属的腐蚀减缓。,4、电化学保护法,鉴于金属电化学腐蚀时阳极金属（较活泼金属）被腐蚀，可以使用外加阳极将被保护的金属作为阴极保护起来。因此电化学保护法亦称阴极保护法。根据外加的阳极不同，该法又分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法两种。,牺牲阳极保护法是将较活泼金属或合金连接在被保护的金属设施上形成腐蚀电池，较活泼金属作为腐蚀电池的阳极而被腐蚀，被保护金属作为阴极而得到保护。常用的牺牲阳极材料有Mg，Al，Zn及其合金。牺牲阳极法常用于蒸气锅炉的内壁、海船的外壳和海底设备等。通常牺牲阳极占有被保护金属表面积的15，分散布置在被保护金属的表面上。,外加电流法是将被保护金属与另一附加电极（常用废钢或石墨）组成电解池。外加直流电源的负极接被保护金属作阴极，附加电极作阳极，在直流电作用下，阴极发生还原反应而受到保护。这种保护法广泛应用于防止土壤、海水及河流中的金属设备的腐蚀。,