金属材料 思维导图
中心主题：金属材料
一级分支 1：基础概念
- 定义
- 由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料。
- 原子结构：金属键结合,形成晶体结构。
- 共性特性：良好的导电性、导热性、塑性、金属光泽、不透明等。
- 核心性能
- 力学性能
- 强度：抵抗塑性变形和断裂的能力 (σs, σb)。
- 塑性：在断裂前发生永久变形的能力 (δ, ψ)。
- 硬度：抵抗局部压入或刮擦的能力 (HB, HRC, HV)。
- 韧性：在冲击载荷下吸收能量并断裂的能力 (aₖ)。
- 疲劳强度：在交变载荷下抵抗断裂的能力。
- 物理性能
- 密度
- 熔点
- 热膨胀系数
- 导电性
- 导热性
- 磁性 (铁磁性、顺磁性、抗磁性)
- 化学性能
- 耐腐蚀性 (抗氧化性、耐酸性、耐碱性)
- 电化学稳定性
- 力学性能
一级分支 2：分类
- 按成分和系统
- 黑色金属
- 钢：含碳量 0.0218% ~ 2.11% 的铁碳合金。
- 碳素钢：低碳钢 (C<0.25%)、中碳钢 (0.25%~0.6%)、高碳钢 (C>0.6%)。
- 合金钢：在碳钢中加入其他元素 (Cr, Mn, Ni, Mo等)。
- 结构钢 (如 Q345)
- 工具钢 (如模具钢、高速钢)
- 特殊性能钢 (不锈钢、耐热钢、耐磨钢)
- 铸铁：含碳量 > 2.11% 的铁碳合金。
- 灰口铸铁
- 球墨铸铁
- 可锻铸铁
- 蠕墨铸铁
- 钢：含碳量 0.0218% ~ 2.11% 的铁碳合金。
- 有色金属
- 轻金属
- 铝及铝合金：纯铝、变形铝合金 (防锈铝、硬铝、超硬铝)、铸造铝合金。
- 镁及镁合金：最轻的工程金属,比强度高。
- 重金属
- 铜及铜合金：纯铜、黄铜 (Cu-Zn)、青铜 (Cu-Sn, Cu-Al)、白铜 (Cu-Ni)。
- 锌及锌合金：主要用于镀锌和压铸件。
- 铅及铅合金：耐酸、耐辐射、密度高。
- 贵金属
金、银、铂、钯等。
- 稀有金属
- 钛及钛合金：比强度高、耐腐蚀、耐高温。
- 钨、钼、钒、铌、锆等。
- 轻金属
- 黑色金属
- 按用途
- 结构材料：用于建筑、桥梁、车辆、船舶等。
- 工具材料：用于制造刀具、模具、量具等。
- 功能材料：具有特殊物理或化学性能的材料。
- 磁性材料 (硅钢片)
- 电性材料 (导电铜、电阻合金)
- 形状记忆合金
- 超导材料
- 储氢合金
- 按加工工艺
- 铸锭/铸件
- 变形加工材
- 轧材 (板材、带材、型材、管材)
- 挤压材 (型材、管材)
- 锻件
- 拉拔材 (线材、细管)
一级分支 3：热处理
- 目的
- 提高和改善材料的力学性能 (强度、硬度、韧性)。
- 消除内应力,稳定尺寸。
- 改善工艺性能 (如切削加工性)。
- 赋予材料特殊的物理、化学性能 (如耐蚀性)。
- 主要工艺
- 整体热处理
- 退火：软化材料、均匀组织、消除内应力。
- 正火：细化晶粒,提高硬度和强度。
- 淬火：获得高硬度马氏体组织,提高耐磨性。
- 回火：消除淬火应力，调整硬度和韧性,获得所需的综合性能。
- 表面热处理
- 表面淬火：仅对工件表层进行淬火，心部保持韧性。
- 火焰加热表面淬火
- 感应加热表面淬火
- 化学热处理：改变表层的化学成分和组织。
- 渗碳：提高表面硬度和耐磨性 (用于低碳钢)。
- 氮化：提高表面硬度、耐磨性和耐蚀性。
- 碳氮共渗：同时渗入碳和氮。
- 表面淬火：仅对工件表层进行淬火，心部保持韧性。
- 整体热处理
一级分支 4：应用领域
- 交通运输
- 汽车：车身 (钢板)、发动机 (铸铁、铝合金)、齿轮 (合金钢)。
- 飞机：机身结构 (铝合金、钛合金)、发动机 (高温合金)。
- 船舶：船体 (高强度钢)、螺旋桨 (黄铜、镍合金)。
- 建筑工程
- 钢结构 (建筑用钢、钢筋)。
- 门窗、幕墙 (铝合金)。
- 机械制造
机床床身 (灰口铸铁)、齿轮 (合金钢)、轴承 (轴承钢)、刀具 (高速钢、硬质合金)。
- 能源电力
- 发电机、变压器 (硅钢片)。
- 锅炉、管道 (耐热钢、不锈钢)。
- 航空航天
- 飞机结构件 (钛合金、复合材料基体)。
- 发动机叶片 (高温合金)。
- 电子电气
导线 (铜)、外壳 (铝合金、钢)、连接器 (黄铜)。
- 日常生活
厨具 (不锈钢)、餐具 (不锈钢、铝合金)、手表外壳 (不锈钢、钛合金)。
一级分支 5：材料选择原则
- 使用性能
- 首要原则：满足零件在工作条件下的要求 (力学、物理、化学性能)。
- 示例：高温环境 → 耐热钢/高温合金；腐蚀环境 → 不锈钢/钛合金。
- 工艺性能
- 材料在加工过程中成形的难易程度。
- 包括：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性、热处理性。
- 示例：形状复杂的零件 → 选择铸造性能好的材料 (如铸铁、铝合金)；需要焊接的结构 → 选择焊接性好的材料 (如低碳钢)。
- 经济性
- 综合成本最低,而非单纯材料价格。
- 考虑因素：材料价格、加工成本、使用寿命、维护费用、报废回收价值。
- 示例：大批量生产的小件，可能选择便宜的低碳钢并进行高效加工；而非昂贵的易切削钢。
- 资源与环境
- 考虑材料的资源储量和可持续性。
- 考虑材料的回收利用率和对环境的影响。
- 示例：优先选择可回收性好的材料 (如钢铁、铝)。
一级分支 6：发展趋势
- 高性能化
开发超高强度钢、高温合金、高韧性材料,满足极限工况需求。
- 轻量化
- 以铝、镁、钛合金为代表的轻质金属材料。
- 铝钢混合、铝镁混合等复合结构设计。
- 复合化
金属基复合材料：以金属为基体，增强纤维/颗粒 (如碳化硅、碳纤维)，兼具金属的韧性和增强体的强度/刚度。
- 功能化与智能化
研发具有自修复、形状记忆、阻尼减振等特殊功能的金属材料。
- 绿色化与可持续性
- 发展短流程冶炼技术,降低能耗和排放。
- 提高金属材料的回收率和再利用率。
- 设计易于拆解和回收的产品结构。
