【大学课件】金属材料的性能

金属材料的性能金属材料的定义金属元素金属键金属材料主要由金属元素构成，金属原子之间以金属键结合，形例如铁、铝、铜等成金属晶体结构物理性质金属材料通常具有良好的导电性、导热性、延展性等物理性质金属材料的特点高强度良好塑性金属材料通常具有很高的强度，金属材料具有良好的塑性，可以能够承受较大的负荷和压力在不破坏的情况下发生较大形变优良导电性优良导热性金属材料是良好的导电体，可以金属材料是良好的导热体，可以用于制造电线、电器等用于制造锅具、散热器等金属材料的组成金属材料主要由金属元素组成合金是两种或多种金属或金属与非金属元素金属材料的组织结构决定其性能熔合而成的混合物金属晶体结构金属原子以规则的排列方式，形成具有周期性的晶体结构，被称为金属晶体结构常见的金属晶体结构包括体心立方（）、面心立方（）和密排BCC FCC六方（）结构HCP不同的晶体结构会影响金属的物理、化学和力学性能金属的结晶过程成核1从熔体中形成晶核长大2晶核长大形成晶粒冷却3冷却过程中晶粒长大金属材料的熔点金属材料的密度金属密度g/cm³铝

2.7铁

7.87铜

8.96金

19.3金属材料的强度1000100MPa GPa5MPa金属材料的强度是指金属材料抵抗变形和断裂的能力强度是金属材料最重要的力学性能指标之一常见的强度指标包括屈服强度、抗拉强度和冲击强度等屈服强度是指金属材料开始发生永久变形时的应力，抗拉强度是指金属材料断裂时的应力冲击强度是指金属材料抵抗冲击载荷的能力金属材料的塑性塑性定义塑性指标金属材料在载荷作用下发生永久变形而不破坏的能力它指金属伸长率、断面收缩率、弯曲角度等材料在断裂前所能承受的最大塑性变形量金属材料的韧性51韧性断裂金属材料抵抗断裂的能力韧性低的材料容易断裂32冲击弯曲韧性高的材料抗冲击能力强韧性高的材料能承受较大弯曲变形金属材料的疲劳性定义金属材料在反复或交变应力作用下，即使应力幅值小于材料的屈服强度，也会在材料内部产生裂纹，并最终导致断裂的现象特点疲劳断裂通常发生在应力集中部位，断口特征呈现明显的疲劳裂纹扩展痕迹影响因素应力幅值、循环次数、材料性能、环境因素等都会影响金属材料的疲劳寿命金属材料的腐蚀性10020腐蚀损失材料失效每年造成全球经济损失高达亿美腐蚀会导致材料性能下降，甚至发生100元失效530安全风险维护成本腐蚀可能导致设备故障，造成安全隐腐蚀防护和修复工作需要投入大量成患本金属材料的耐热性耐热性指金属材料在高温环境下抵抗氧化、熔化、变形和破坏的能力影响因素金属的种类、合金元素、热处理工艺、表面处理技术等应用航空航天、电力、化工等领域金属材料的耐磨性定义影响因素金属材料抵抗磨损的能力称为耐磨性硬度硬度越高，耐磨性越好.•:.强度强度越高，耐磨性越好•:.韧性韧性越高，耐磨性越好•:.表面光洁度表面光洁度越高，耐磨性越好•:.金属材料的加工性可塑性可切削性可焊接性金属材料可以被塑造成各种形状和尺寸，例金属材料可以使用刀具进行切割、车削和铣金属材料可以被焊接在一起，以创建更复杂如弯曲、拉伸和挤压削，以制造精确的部件的结构金属合金的基本概念定义特点金属合金是由两种或两种以上金属或金属与非金属经熔炼或其他合金通常具有比单一金属更优异的性能，例如更高的强度、硬度方法所形成的具有金属特性的物质、耐腐蚀性和耐热性金属合金的强化机理固溶强化添加合金元素，形成固溶细晶强化减小晶粒尺寸，增加晶界体，改变晶格常数，阻碍位错运动数量，阻碍位错运动弥散强化在基体中分布第二相粒子加工硬化通过冷加工引入位错，增，阻碍位错运动加位错密度，阻碍位错运动金属材料的热处理退火1降低硬度，提高延展性正火2细化晶粒，提高强度和韧性淬火3提高硬度，降低延展性回火4降低硬度，提高韧性金属材料的表面处理清洁去除表面污垢和氧化物，提高表面清洁度，为后续处理打基础镀层在金属表面覆盖一层金属或非金属薄层，以提高耐腐蚀性、耐磨性或装饰性热处理通过改变金属的内部结构，来改变其表面硬度、强度和韧性表面改性通过物理或化学方法改变金属表面的微观结构，改善其性能金属材料的焊接性熔化焊接压力焊接钎焊通过加热金属至熔点，使熔化的金属相互连在压力下将金属表面相互接触，使金属原子使用熔点低于母材的钎料，通过加热钎料使接相互扩散形成冶金结合之熔化并填充在金属表面，从而形成连接金属材料的焊接方法电弧焊气焊使用电弧产生的高温将金属熔化利用氧气和乙炔混合燃烧产生的，使之结合在一起高温火焰熔化金属激光焊接电阻焊利用高能激光束熔化金属，形成利用电流产生的热量熔化金属，焊接接头形成焊接接头金属材料的切削加工车削1使用刀具旋转切削工件外圆表面，加工圆柱、锥体、圆弧等形状铣削2使用多刃刀具旋转，切削工件平面、沟槽、斜面等形状钻削3使用钻头旋转，在工件上钻孔磨削4使用砂轮旋转，对工件进行精加工，提高表面光洁度和精度金属材料的铸造工艺熔炼1将金属材料加热到熔点以上，使其成为液态金属浇注2将液态金属倒入铸型中，使其凝固成所需的形状清理3将铸件从铸型中取出，并进行清理工作，去除铸件上的浇口、飞边等热处理4对铸件进行热处理，以改善其性能金属材料的机械性能表征32强度塑性抗拉强度、屈服强度伸长率、断面收缩率1韧性冲击韧性金属材料的力学性能试验拉伸试验测定金属材料在拉伸载荷作用下的力学性能指标，例如抗拉强度、屈服强度和伸长率硬度试验评价金属材料抵抗局部压痕的能力，常用的方法包括布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度冲击试验评估金属材料抵抗冲击载荷的能力，例如冲击韧性，用于判断材料的脆性或韧性疲劳试验模拟金属材料在交变载荷作用下的失效行为，用于评估材料的疲劳强度和疲劳寿命金属材料的组织分析显微镜观察射线衍射X利用光学显微镜或电子显微镜观通过分析射线衍射图样确定金X察金属材料的微观结构属材料的晶体结构和晶粒大小化学成分分析使用化学分析方法确定金属材料的化学成分，例如成分分析金属材料的性能改善热处理表面处理合金化改变金属材料的组织结构，从而提高其性改变金属材料表面的性能，例如提高耐腐添加其他金属或非金属元素，改变金属材能常见的热处理方法包括淬火、回火、蚀性、耐磨性或美观性常见的表面处理料的成分和性能例如，添加碳元素可以正火等方法包括镀层、喷涂、氧化等提高钢的强度金属材料的应用领域建筑交通钢铁、铝合金等广泛应用于建筑汽车、飞机、轮船、铁路等交通结构、桥梁、房屋等工具的制造都离不开各种金属材料电子能源电子产品、手机、电脑等都需要核电站、风力发电、水力发电等使用金属材料作为导体、外壳等能源领域广泛使用各种金属材料金属材料的未来发展纳米金属材料具有优异的力学性能、智能金属材料能够感知环境变化并做热学性能和电学性能，在航空航天、出相应反应，在机器人、医疗器械等电子信息等领域拥有广阔的应用前景领域有着巨大的潜力可降解金属材料能够减少环境污染，促进可持续发展，在包装、医疗等领域具有重要意义总结与展望金属材料在现代科技领域扮演着不可或缺的角色，未来发展前景广阔。