《常用金属材料》课件

常用金属材料欢迎参加《常用金属材料》课程本课程将深入探讨金属材料的基本定义、分类、性能特点以及广泛应用金属材料作为现代工业的基础，其重要性不言而喻我们将系统地学习黑色金属和有色金属的特性与应用，分析它们的物理、化学、力学及工艺性能，探讨金属材料的热处理、表面处理技术，并通过实际案例帮助大家理解如何选择合适的金属材料金属材料的定义基本特性微观结构金属材料是具有金属光泽、金属通常呈晶体结构，其原良好导电性和导热性的材子按照特定的空间排列方式料在常温下，大多数金属组织，形成晶格正是这种呈固态，具有延展性和可塑有序的晶体结构赋予了金属性，可以通过不同的加工方材料其独特的物理和力学性法改变形状而不破坏其内部能结构电子结构金属材料的分类1234黑色金属有色金属贵金属稀有金属主要包括铁和以铁为基础的合除铁及其合金之外的所有金属包括金、银、铂、钯等化学性金，如各种钢铁材料黑色金常见的有色金属包括铝、铜、质稳定的金属它们具有良好属通常具有较高的强度和硬度，锌、锡、铅、镁、钛等及其合的耐腐蚀性、电导率和催化特但密度也较大在工业生产和金有色金属通常具有较好的性，广泛应用于电子、化工和建筑领域应用广泛导电性、导热性和耐腐蚀性装饰领域钢铁材料简介基本成分碳钢钢铁是以铁为基础，含碳量在

0.02%-主要含铁和碳，其他元素含量较少根据之间的铁碳合金碳是影响钢性能

2.11%碳含量可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，的最重要元素，其含量决定了钢的强度、各自具有不同的性能和用途硬度和韧性合金钢铸铁在碳钢基础上添加特定元素，如铬、镍、含碳量超过的铁碳合金，通常含

2.11%钼、钨等，以改善钢的各种性能可分为的碳，硬而脆，具有良好的铸

2.5%-4%低合金钢、中合金钢和高合金钢造性能，但塑性和韧性较差碳钢的分类低碳钢（含碳量）

0.05%-

0.25%具有良好的塑性、韧性和可焊性，但强度和硬度较低广泛用于制造薄板、线材、螺栓、铆钉等中碳钢（含碳量）

0.25%-

0.60%兼具一定的强度、硬度和韧性常用于制造机械零部件，如齿轮、轴、连杆等通过热处理可获得更好的综合性能高碳钢（含碳量）

0.60%-

2.11%具有高强度和高硬度，但塑性和韧性较差主要用于制造工具、弹簧、轴承等耐磨零件热处理后性能更佳合金钢的分类高合金钢合金元素总量，具有特殊性能10%中合金钢合金元素总量，性能优良

2.5%-10%低合金钢合金元素总量，性能略优于碳钢

2.5%合金钢通过添加特定的合金元素来改善钢的性能常用的合金元素包括铬、镍、锰和硅等铬能提高钢的Cr NiMn Si硬度和耐腐蚀性；镍可以提高钢的韧性和抗冲击性；锰可以提高钢的强度和硬度；硅则能提高钢的弹性和抗氧化性不同合金元素的组合可以赋予钢铁各种特殊性能，如耐热性、耐腐蚀性、耐磨性等，满足各种特殊环境下的使用要求合金钢的特性提高机械性能添加适当的合金元素可显著提高钢的强度、硬度和韧性例如，添加钼和钒可以细化晶粒，提高钢的强度；添加镍可以提高韧性和耐低温性能提高耐腐蚀性铬是提高钢耐腐蚀性的重要元素，当含铬量超过时，钢表面会形成12%致密的氧化铬保护膜，大大提高耐腐蚀性，形成不锈钢改善高温性能钼、钨、钒等元素可以提高钢的耐热性和高温强度，使钢在高温环境下仍保持良好的强度和稳定性，适用于高温部件的制造改善工艺性能某些合金元素可以改善钢的工艺性能，如提高可焊性、可锻性、切削加工性等，使钢材更易于加工成型常用钢铁材料牌号牌号类型主要成分特性及用途普通碳素结构钢含碳强度中等，塑性Q

2350.12%-好，用于一般结

0.20%构件钢中碳钢含碳强度较高，可热

450.42%-处理，用于制造

0.50%轴、齿轮等合金结构钢含碳强度高，韧性20CrMo

0.17%-、铬好，淬透性好，

0.23%、钼用于重要机械零

0.8%-

1.1%件

0.15%-

0.25%不锈钢含铬耐腐蚀性好，用30418%-、镍于食品设备、厨20%8%-具等

10.5%工具钢含碳硬度高，耐磨性T

100.95%-好，用于制造切

1.05%削工具钢铁材料的应用领域建筑工程汽车工业机械制造钢铁是现代建筑的主要结构汽车制造使用大量钢材，包各种机械设备的制造离不开材料，用于高层建筑、桥括车身用钢板、底盘用高强钢铁材料，如钢、4540Cr梁、隧道等工程、度钢和发动机用特种钢等等中碳钢和合金钢用于制造Q235等普通碳素结构钢和现代汽车工业追求轻量化，轴、齿轮、连杆等传动部Q345低合金高强度结构钢广泛应高强度钢的应用越来越广件；工具钢用于制造各种工用于建筑梁柱、桥梁主梁等泛具和模具承重结构船舶与海洋工程船体结构、海洋平台等需要使用具有良好强度和耐腐蚀性的钢材船用钢板需要同时具备足够的强度和良好的韧性，以应对海洋环境的挑战有色金属简介有色金属的特点常用有色金属有色金属通常具有较低的密度、良好的导电性和导热性、优•铝密度低，耐腐蚀性好异的耐腐蚀性，以及特殊的物理和化学性能它们在现代工•铜导电性、导热性优异业和高科技领域扮演着不可替代的角色•钛强度高，耐腐蚀性好与黑色金属相比，大多数有色金属的价格更高，但性能更为•镁密度最低的工业金属特殊，能满足特定环境下的使用要求•锌耐腐蚀性好，用于镀层•镍耐高温，磁性好•铅耐腐蚀，用于蓄电池•锡低熔点，用于焊接铝及铝合金铝的基本特性铝是地壳中含量最丰富的金属元素，密度仅为，约为钢的具有良

2.7g/cm³1/3好的导电性、导热性和抗腐蚀性纯铝的强度较低，通过添加合金元素可大幅提高性能铸造铝合金具有良好的铸造性能，常见牌号如、等主要添加硅、铜等合金ZL101ZL102元素，用于制造结构复杂的零部件，如发动机缸体、缸盖等变形铝合金通过轧制、挤压等加工方法成形，常见牌号包括、6061Al-Mg-Si7075Al-等系铝合金具有中等强度和良好的可焊性；系铝合金强度高，Zn-Mg-Cu67主要用于航空领域特种铝合金为满足特定需求开发的铝合金，如超高强度铝合金、耐热铝合金等这些合金通常含有锂、钪等特殊元素，具有极高的比强度，用于航空航天等高端领域铝合金的应用航空航天汽车工业电子产品铝合金是航空航天领域最重要的结构材为了降低油耗和减少碳排放，现代汽车铝合金因其轻量化、良好的散热性和美料之一飞机的机身、机翼、油箱等多越来越多地采用铝合金材料车身板观的外观，成为智能手机、笔记本电采用高强度铝合金制造系和系铝材、发动机缸体、轮毂、悬挂系统等都脑、平板电脑等电子产品外壳的理想材27合金因其高比强度成为航空材料的首可使用铝合金制造豪华车型中，铝合料苹果公司的产品就大量采用铝合金选空间站、卫星等航天器也大量使用金使用比例更高，有些车型甚至采用全一体化机身设计，成为行业典范铝合金结构铝车身铜及铜合金纯铜黄铜导电性和导热性优异，耐腐蚀性好铜锌合金，加工性能好，强度适中白铜青铜铜镍合金，电阻率高，耐腐蚀性优异3铜锡合金，耐腐蚀性好，机械强度高铜是人类最早使用的金属之一，具有优异的导电性和导热性，密度为纯铜的强度较低，通过添加合金元素可以获得

8.9g/cm³不同性能的铜合金铜的标准电阻率为×⁻，仅次于银，是电气工业的首选材料

1.6810⁸Ω·m常见的铜合金包括黄铜、青铜、白铜等黄铜具有良好的加工性能和中等的机械强度；青铜硬度高，Cu-Zn Cu-Sn Cu-Ni耐磨性好；白铜具有优异的耐腐蚀性，特别是耐海水腐蚀铜合金的应用60%全球电气设备中的铜电气设备是铜的最大应用领域20%建筑领域用铜用于水管、屋顶、装饰构件等10%交通领域用铜汽车散热器、电机等部件10%其他领域用铜包括工业机械、消费品等铜及铜合金在电力电子行业应用广泛，电线电缆、电机绕组、变压器、开关等电气元件多采用铜制造在建筑行业，铜管被广泛用于供水系统和制冷系统；铜屋顶和铜装饰件不仅美观，而且耐久性好在海洋工程领域，铜镍合金因其优异的耐海水腐蚀性能，被用于制造船舶的螺旋桨、海水冷却系统等关键部件此外，铜还是重要的货币金属，许多国家的硬币都使用铜或铜合金制造钛及钛合金基本特性常用钛合金钛是一种银白色的轻质金属，密度为根据室温组织结构，钛合金可分为型、α，约为钢的，但强度可与型和型三类其中最常用的是

4.5g/cm³60%α+ββα+β合金钢相当最突出的特点是极高的比强型钛合金，如（）TC4Ti-6Al-4V度（强度与密度之比）和优异的耐腐蚀•TC4Ti-6Al-4V，航空航天领域性最常用的钛合金•熔点高（1668℃）•TA1纯钛，耐腐蚀性最好•耐腐蚀性优异，特别耐海水腐蚀•TC11Ti-

6.5Al-

3.5Mo-•比强度高，适合轻量化设计

1.5Zr-

0.3Si，高温钛合金•高温强度好，可在600℃下长期工作•TB5Ti-13V-11Cr-3Al，高强度型钛合金β制造工艺钛的提取和加工成本较高，这是限制其广泛应用的主要原因钛的制备主要采用法，Kroll即用镁还原四氯化钛钛的加工需要特殊的工艺和设备•熔炼真空自耗电弧炉•成形锻造、轧制、挤压等•加工需要专用刀具和参数•焊接需在惰性气体保护下进行钛合金的应用航空航天钛合金是航空航天工业的关键材料，用于制造飞机结构件、发动机部件、火箭和卫星组件等具有高比强度的特点使其成为飞行器轻量化设计的理想材料，可以显著提高飞行效率和性能医疗器械优异的生物相容性使钛成为医疗植入物的首选材料人工关节、骨板、牙种植体等多采用钛或钛合金制造钛在人体内不会引发排斥反应，且强度高、密度低，非常适合长期植入使用化工设备钛在多种腐蚀性介质中表现出优异的抗腐蚀性能，特别是在含氯环境和海水中因此，钛及钛合金广泛用于制造化工设备、海水淡化设备、换热器等，可大大延长设备寿命体育休闲钛合金因其轻质、高强度的特性，被用于制造高端体育用品，如高尔夫球杆、网球拍、自行车架、登山装备等虽然价格较高，但其出色的性能使其在高端市场颇受欢迎镁及镁合金基本特性常用镁合金汽车应用镁是目前工业中最轻的常见的镁合金包括镁合金在汽车领域的应AZ金属，密度仅为系、用日益广泛，主要用于Mg-Al-Zn AM，约为铝系、制造仪表板骨架、座椅

1.74g/cm³Mg-Al-Mn ZK的，钢的具系等框架、转向盘、变速箱2/31/4Mg-Zn-Zr有良好的比强度、减震是应用最广泛壳体等零部件采用镁AZ91D性和电磁屏蔽性能但的铸造镁合金；合金可显著减轻车重，存在易燃、耐腐蚀性是常用的变形提高燃油经济性AZ31B差、室温塑性低等缺镁合金，具有良好的塑点性和可焊性电子产品镁合金在笔记本电脑、手机、相机等便携式电子产品中应用广泛，主要用于制造外壳和结构支架优异的散热性和电磁屏蔽性能是其在电子产品中应用的重要优势金属材料的物理性能密度熔点℃g/cm³金属材料的力学性能基本力学性能主要力学性能参数力学性能是指金属材料在外力作用下的力学行为，是衡量金•强度抗拉强度、屈服强度属材料使用性能的重要指标主要包括强度、硬度、塑性、•硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度韧性、弹性和疲劳性能等•塑性延伸率、断面收缩率这些性能相互关联又有区别例如，强度和硬度通常呈正相•韧性冲击吸收功关关系，而强度与塑性、韧性则往往呈负相关关系金属材•弹性弹性模量料的使用往往需要多种力学性能的综合平衡•疲劳性能疲劳极限、疲劳寿命强度指标强度是金属材料抵抗外力作用而不发生破坏的能力，是最重要的力学性能指标主要的强度指标包括抗拉强度（）和屈服σb强度（）抗拉强度是材料抵抗拉伸而不断裂的最大应力，单位为；屈服强度是材料开始产生塑性变形时的应力σs MPa强度是材料选择的关键指标，对承受载荷的结构部件尤为重要例如，桥梁、建筑、机械等工程中，材料的选择首先要满足强度要求根据使用环境不同，有时还需考虑高温强度、低温强度或疲劳强度等特殊指标硬度指标布氏硬度洛氏硬度维氏硬度HB HR HV用一定直径的淬硬钢球或硬质合金球，用金刚石圆锥体或硬质合金球，在一定用金刚石四棱锥压头，在一定载荷下压在一定载荷下压入被测材料表面，根据预载荷和总载荷下压入被测材料表面，入被测材料表面，根据压痕对角线长度压痕直径计算硬度值适用于大多数金根据压痕深度差计算硬度值分为多个计算硬度值测量范围广，从极软到极属材料，特别是硬度较低的材料标准标度，如（金刚石圆锥压头）适用硬的材料都适用常用于测量薄材料、HRC试验条件为直径钢球，于硬材料，（英寸钢球）适表面硬化层及相组织的微观硬度精度10mm HRB1/16载荷，保持秒用于软材料测试速度快，适合生产现高，但测试速度较慢3000kg10-15场塑性指标延伸率断面收缩率%%塑性是金属材料在外力作用下发生永久变形而不破坏的能力，是金属材料区别于脆性材料的重要特征评价塑性的主要指标包括延伸率（）和断面收缩率（）δψ韧性指标冲击韧性概念测试方法材料抵抗冲击载荷的能力摆锤式冲击试验机测定冲击吸收功工程意义温度影响评估材料在动载和低温下的安全性低温下韧性显著降低，出现脆性转变韧性是金属材料抵抗冲击载荷作用并吸收能量的能力，是保证结构安全的重要指标评价韧性的主要指标是冲击吸收功（简称冲击值），单位为焦耳通常采用摆锤式冲击试验机，用标准试样（型或型缺口）进行测试J V U韧性指标在工程安全中具有特殊意义许多工程事故并非因强度不足，而是由于材料韧性不足，在冲击载荷或低温条件下发生脆性断裂因此，对于重要结构部件，特别是工作在低温或有冲击载荷的环境中，必须确保材料具有足够的韧性金属材料的化学性能材料耐久性决定材料使用寿命的关键因素腐蚀行为与环境介质的化学或电化学相互作用氧化反应3金属与氧气结合形成氧化物化学性能是指金属材料与周围环境介质发生化学或电化学反应的能力或抵抗能力主要包括耐腐蚀性、抗氧化性等这些性能对材料的使用寿命和可靠性有重要影响不同金属的化学性能差异很大例如，金、铂等贵金属具有极好的化学稳定性，几乎不与空气和水反应；铝虽然活泼，但表面会形成致密的氧化膜，赋予其良好的耐腐蚀性；铁则易生锈；钛在氧化性介质中表现优异，但在还原性介质中可能失效了解材料的化学性能对于选择适合特定环境的材料至关重要例如，海洋环境中需要使用耐海水腐蚀的材料，如不锈钢、铜镍合金或钛合金；高温氧化环境需要使用抗氧化性好的高温合金腐蚀的类型电化学腐蚀最常见的腐蚀类型，发生在潮湿环境中原理是金属表面形成微电池，阳极区金属溶解，电子流向阴极区钢铁在潮湿空气中的锈蚀、铝在碱性溶液中的腐蚀都属于此类防护措施包括涂覆防护层、电化学保护（阴极保护、阳极保护）、使用缓蚀剂等化学腐蚀发生在干燥气体或非电解质液体中，是金属与环境直接发生化学反应的结果如金属在高温气体中的氧化防护措施包括选用耐腐蚀合金、涂覆耐热涂层、控制环境成分等局部腐蚀只在金属表面特定区域发生的腐蚀，包括点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等这类腐蚀虽然失重小，但危害严重，可能导致结构突然失效防护措施包括选用抗局部腐蚀的材料、避免形成电偶、消除应力集中等应力腐蚀在腐蚀环境和拉应力共同作用下发生的开裂现象如奥氏体不锈钢在含氯离子环境中的应力腐蚀开裂防护措施包括选用抗应力腐蚀的材料、降低应力水平、消除残余应力、改变环境条件等金属材料的工艺性能工艺性能是指金属材料适应各种加工方法的能力，主要包括可铸性、可锻性、可焊性和切削加工性等工艺性能好的材料可以减少加工难度，提高生产效率，降低制造成本工艺性能与材料的化学成分、组织结构、物理性能和力学性能密切相关例如，含硅量高的铝合金具有良好的铸造性能但焊接性能较差；低碳钢具有良好的冷成形性和焊接性；高碳钢硬度高、切削性能好，但成形性较差在材料选择时，除了考虑使用性能外，还必须充分考虑工艺性能，选择适合特定加工方法的材料，以确保零件能够高质量、低成本地生产出来可铸性可铸性的定义金属液体填充铸型、形成无缺陷铸件的能力良好的可铸性表现为液态金属流动性好、收缩率小、偏析倾向低、气体溶解度低等特点影响可铸性的因素化学成分如铝硅合金中硅含量增加可提高流动性；铸造温度温度升高，流动性增加；铸型条件型壁光滑度、透气性和热物理性能；浇注系统设计影响金属液流动状态和冷却条件常见铸造缺陷缩孔和缩松金属凝固收缩造成；气孔气体溶解度随温度降低而减小；裂纹热应力或阻碍收缩造成；冷隔金属液流动途中过早凝固；偏析合金元素在凝固过程中的不均匀分布常用铸造方法砂型铸造适用于各种金属，成本低；金属型铸造冷却速度快，表面光洁；压力铸造适用于低熔点合金，尺寸精确；精密铸造尺寸精度高，表面质量好；连续铸造生产效率高，用于大批量生产可锻性可锻性的定义热锻与冷锻金属材料在压力作用下，通过塑性变形而不破裂地改变形状热锻是在金属的再结晶温度以上进行的锻造，此时金属的变的能力良好的可锻性意味着材料可以在较宽的温度范围形抗力小，可锻性好，但尺寸精度和表面质量较差适用于内、较小的压力下进行塑性成形，且不会产生裂纹或其他缺大型或变形量大的零件陷冷锻是在室温下进行的锻造，变形抗力大，但尺寸精度高，影响可锻性的因素表面质量好同时可获得加工硬化效应，提高零件强度适用于小型精密零件•化学成分碳含量增加，可锻性降低；杂质元素如硫、常用锻造工艺磷会显著降低可锻性•温度大多数金属在高温下可锻性更好•自由锻简单设备，灵活性高，适用于单件生产•应变速率较低的应变速率有利于金属的塑性变形•模锻使用模具，生产效率高，零件质量稳定•组织状态细小均匀的组织有利于提高可锻性•辗环用于生产环形零件，如轴承环、齿轮环等•应力状态三向压应力状态下可锻性最好•挤压适用于生产长直形状的零件，变形量大可焊性可焊性的定义影响可焊性的因素金属材料在特定焊接工艺条件下，获得连续材料的化学成分是影响可焊性的关键因素金属结合且满足使用要求的能力良好的可碳当量是评价钢可焊性的重要指标，碳当量焊性意味着焊接过程简单，焊后接头具有良越高，可焊性越差好的力学性能和使用性能•化学成分碳含量、合金元素含量•可焊接性能否进行焊接•物理性能熔点、热导率、热膨胀系数•易焊性焊接的难易程度•冶金状态组织结构、晶粒大小•适焊性焊接接头的质量•焊接工艺焊接方法、焊接参数常见焊接缺陷焊接过程中可能产生多种缺陷，影响接头质量和使用性能•裂纹冷裂纹、热裂纹、再热裂纹•气孔氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔•夹渣焊渣被金属包裹在焊缝中•未熔合焊缝金属与母材未完全熔合•未焊透根部未完全熔合切削加工性切削加工性的定义金属材料适应切削加工的能力，主要表现为切削力的大小、切屑的形态、工具的耐用度和加工表面的质量等方面良好的切削加工性可以提高生产效率，延长刀具寿命，获得高质量的加工表面影响切削加工性的因素材料的硬度和强度一般来说，硬度越高，切削力越大，切削加工性越差材料的塑性过高的塑性会导致切屑粘结，形成积屑瘤材料的热导率热导率高有利于切削热的散发微观组织组织均匀，含有适量的硫、铅等元素有利于改善切削加工性改善切削加工性的方法合金化添加适量的铅、硫、磷等元素，形成不连续切屑热处理通过正火、退火等热处理，获得适合切削的组织冷加工适当的冷加工可以减少切削过程中的变形硬化使用合适的切削参数选择合适的切削速度、进给量和切削深度选用合适的切削液冷却润滑，延长刀具寿命常用切削方法车削用于加工旋转体表面铣削用于加工平面、沟槽等钻削用于加工孔磨削用于精加工，获得高精度和光洁度金属材料的制造工艺金属材料的制造工艺是将金属原材料加工成所需形状和性能的零部件的过程，主要包括铸造、锻造、轧制、焊接、挤压等工艺不同的制造工艺具有各自的特点和适用范围，对成品的质量、性能和成本有显著影响选择合适的制造工艺需要综合考虑材料特性、零件形状、精度要求、生产批量、经济性等因素同一零件可能有多种制造方案，如齿轮可通过铸造、锻造、粉末冶金或切削加工等方法制造，需要进行技术经济比较后确定最佳方案随着新材料、新工艺的不断涌现，金属制造技术也在持续发展如增材制造（打印）技术的应用，为复杂形状零件的制造提供了新的可能性，正在改变传统的制造模式3D铸造工艺砂型铸造最古老和最常用的铸造方法，用砂制作一次性铸型设备简单，成本低，适用于各种金属材料的铸件生产，特别是单件、小批量生产或大型铸件但表面粗糙度较差，尺寸精度低常用砂型包括湿砂型、干砂型、树脂砂型等精密铸造如失蜡铸造，使用可熔模型制作陶瓷型壳，然后通过高温烧结去除模型，形成高精度铸型可获得高精度、高表面质量的铸件，适合形状复杂、精度要求高的小型零件，如涡轮叶片、医疗器械等但成本较高，生产周期长压力铸造在高压下将熔融金属快速注入金属模具中的铸造方法生产效率高，铸件尺寸精确，表面光洁，适合大批量生产主要用于铝、锌、铜等低熔点合金设备投资大，模具成本高，不适合小批量生产连续铸造将熔融金属连续浇入带冷却系统的结晶器中，形成连续铸坯的方法生产效率高，金属质量好，能耗低，是现代钢铁冶炼的主要铸造方式适用于大规模生产棒材、板材等简单断面的金属坯料锻造工艺自由锻造模锻使用简单工具，如锤、砧等，通过多次冲击使金属塑性变形成所需形状使用专用模具，在压力作用下使金属填充模腔形成锻件的方法生产效的方法设备简单，工装投资少，灵活性高，适合单件、小批量或大型率高，质量稳定，精度好，表面质量好，适合批量生产但模具成本高，锻件的生产但生产效率低，精度差，质量不稳定，对操作者技能要求适应性差，不易改变产品高优点优点•生产效率高•设备简单，投资少•精度好，表面质量好•适应性强，可加工各种形状•质量稳定，重复性好•适合单件、小批量生产•适合批量生产•适合大型锻件缺点缺点•模具投资大•生产效率低•适应性差，更换产品成本高•精度差，表面粗糙•不适合单件、小批量生产•质量依赖工人技能•对锻件形状有一定限制•劳动强度大轧制工艺坯料准备1将铸造坯料加热至适当温度（钢约℃），确保完全塑化坯料通常为连铸坯、铸锭或预轧制的1200中间产品热轧2在金属的再结晶温度以上进行轧制变形抗力小，可实现大变形量主要用于生产板材、型材、管材等初级产品产品尺寸精度较低，表面有氧化皮热轧钢材通常具有均匀的组织和良好的机械性能冷轧3在室温下进行轧制变形抗力大，变形量有限，但产品尺寸精度高，表面质量好同时，冷轧会导致材料加工硬化，提高强度通常需要在热轧基础上进行，以获得更薄、更平整的产品，如冷轧板材、箔材等后处理4根据需要进行退火、平整、剪切、涂层等处理退火可消除冷轧导致的加工硬化和内应力；平整可改善板形；涂层可提高耐腐蚀性轧制是金属压力加工的主要方法之一，通过两个旋转的轧辊间隙对金属坯料施加压力，使其厚度减小、长度增加的成形方法轧制是生产金属板材、型材、管材等的主要工艺，具有生产效率高、材料利用率高的特点焊接工艺弧焊气焊电阻焊利用电弧热源使工件和填充金属熔化后利用可燃气体（如乙炔）与氧气混合燃利用电流通过工件接触面产生的电阻热凝固形成焊缝的方法包括手工电弧焊、烧产生的高温火焰作为热源的焊接方法使金属熔化实现焊接的方法包括点焊、埋弧焊、氩弧焊、焊等适设备简单，携带方便，适合野外作业，缝焊、对焊等不需要填充金属，焊接MIG/MAG用于大多数金属材料，是最广泛使用的但热效率低，焊接速度慢主要用于薄速度快，容易实现自动化，适合薄板连焊接方法手工电弧焊设备简单，适应板焊接、钎焊和切割等对于高熔点金接点焊广泛应用于汽车车身制造；缝性强，但焊接质量依赖操作者技能；自属如钢铁，已逐渐被弧焊取代，但在铜、焊用于制造密封容器；对焊用于线材、动化弧焊效率高，质量稳定铝等有色金属的焊接中仍有应用管材的端部连接金属材料的热处理退火正火淬火回火其他退火加热将钢缓慢加热到临界温度以上保温在高温下保持一段时间缓冷随炉冷却或缓慢空冷组织转变获得接近平衡态的组织退火是将金属缓慢加热到适当温度，保温足够时间，然后以很慢的速度冷却的热处理工艺退火的主要目的是降低硬度、提高塑性、消除内应力、细化晶粒、均匀组织和成分，为后续加工创造良好条件根据退火温度和目的不同，退火可分为完全退火、球化退火、等温退火、应力消除退火等多种类型完全退火主要用于中碳钢，加热至临界温度以上℃；球化退火用于高碳钢，使碳化物呈球状分布，降30-50低硬度；等温退火控制冷却过程，使奥氏体在一定温度下完全转变为珠光体；应力消除退火在较低温度下进行，主要目的是去除内应力正火加热至临界温度以上℃30-50使钢完全奥氏体化，溶解碳化物保温一段时间确保组织完全转变，温度均匀在静止空气中冷却3冷却速度快于退火，慢于淬火正火是将钢加热到临界温度以上℃，保温后在静止空气中冷却的热处理工艺与退火相比，正火的冷却速度较快，组织较30-50细，硬度和强度略高，但塑性和韧性略低正火工艺简单，生产效率高，成本低，是一种经济实用的热处理方法正火的主要目的是细化晶粒、改善组织、消除过热组织、提高和均匀化机械性能对于低碳钢和中碳钢，正火后获得细小的铁素体+珠光体组织；对于高碳钢，通常得到珠光体组织正火广泛用于改善中低碳钢的切削加工性能，也用作某些钢材的最终热处理或淬火前的预处理淬火加热至临界温度以上将钢加热至奥氏体区（通常比临界温度高℃），使碳完全溶解在奥氏30-50体中加热速度和保温时间需要合理控制，避免过热和脱碳不同种类的钢，淬火温度也有所不同快速冷却2将加热好的钢件迅速浸入淬火介质中，使奥氏体快速冷却，转变为马氏体冷却速度必须超过临界冷却速度，才能避免珠光体和贝氏体的形成，获得马氏体组织淬火介质的选择常用的淬火介质包括水、盐水、油、空气等，冷却能力依次降低碳钢通常用水淬；合金钢通常用油淬；高合金钢有些可以空淬选择合适的淬火介质可以避免开裂和变形组织转变淬火后，钢的组织主要为马氏体，硬度显著提高，但脆性也增加因此，淬火后通常需要进行回火处理，以获得所需的综合性能回火回火类型温度范围℃组织变化性能特点典型应用低温回火回火马氏体保持高硬度，略降低脆性刀具、量具150-250中温回火回火索氏体高弹性，高韧性，中等硬度弹簧、模具350-500高温回火回火屈氏体高韧性，中等强度轴类、齿轮500-650回火是将淬火后的钢件加热到临界温度以下的某一温度，保温一段时间后冷却的热处理工艺回火的主要目的是降低淬火钢的脆性，获得所需的力学性能组合，同时消除或减少淬火应力，稳定工件尺寸回火温度是影响回火效果的关键因素随着回火温度的升高，硬度和强度降低，而塑性和韧性提高不同的工作条件需要不同的回火温度如切削工具需要高硬度，通常采用低温回火；弹簧需要高弹性和一定的强度，通常采用中温回火；承受冲击载荷的零件需要高韧性，通常采用高温回火金属材料的表面处理电镀喷涂利用电解原理，在金属表面沉积一层其他在金属表面喷涂各种涂料，形成保护膜金属可获得致密、均匀的金属镀层，提经济简便，适用范围广，但耐久性有限高耐腐蚀性和装饰性2物理气相沉积化学镀在真空条件下，将材料气化并沉积在利用化学反应在金属表面沉积金属镀工件表面可获得高纯度、高性能的层不需外加电流，可镀覆复杂形状薄膜，用于高端领域工件，镀层均匀54热喷涂阳极氧化将熔融或半熔融的金属、陶瓷等材料喷射电化学方法在铝等金属表面形成致密的氧到基体表面涂层厚，结合强度高，适用化膜提高耐蚀性、耐磨性，并可着色美于修复和强化观表面处理是改变金属表面性能的工艺过程，目的是提高耐腐蚀性、耐磨性、美观性或其他特殊性能合理的表面处理可以大幅延长金属制品的使用寿命，降低使用成本喷涂喷涂工艺简介常用涂料类型喷涂是一种将涂料以雾化状态喷射到金属表面，形成连续保护膜的•醇酸涂料干燥快，附着力好，成本低，但耐候性和耐化学性一表面处理方法它是最常用的表面防护技术之一，具有操作简单、般成本低、适用范围广的特点•环氧涂料附着力强，耐化学性好，但易粉化，需要面漆保护喷涂工艺基本步骤包括表面前处理（除油、除锈、磷化等）、底•聚氨酯涂料光泽度高，耐候性好，机械性能优异，但价格较高漆喷涂、面漆喷涂、干燥固化等表面前处理的质量直接影响涂层的附着力和防护效果，是喷涂工艺的关键环节•丙烯酸涂料干燥快，耐候性好，适合快速修补喷涂方法•氟碳涂料超长耐候性，保色性好，适合高端建筑外墙•水性涂料环保，含量低，是未来发展趋势VOC•常规喷涂利用压缩空气将涂料雾化•粉末涂料无溶剂，环保，涂层均匀，耐腐蚀性好•无气喷涂利用高压将涂料雾化，效率高应用领域•静电喷涂利用静电吸引原理，提高利用率•粉末喷涂直接喷涂固体粉末，环保节能汽车、建筑、桥梁、船舶、家电、家具等几乎所有领域都有喷涂的应用不同领域对涂料性能的要求不同，需要选择适合的涂料体系电镀镀锌镀铬镀镍在钢铁表面电镀一层锌，形成阳极保护电镀一层铬在金属表面，具有高硬度和电镀一层镍在金属表面，具有良好的耐锌的电极电位比铁低，在腐蚀环境中优亮丽的装饰效果装饰性镀铬层薄腐蚀性和装饰性镀镍层呈银白色，具先溶解，保护铁基体镀锌层通常呈银（），主要用于汽车配件、卫浴有半光亮至全光亮的外观常用作装饰1μm白色或略带蓝色，表面可能有花纹广五金等；硬铬镀层厚（），硬性镀层的底层，也可单独使用化学镍25μm泛用于紧固件、钢管、钢丝等产品的防度高（约），主要用于提高耐（无电镀镍）是一种重要的镀镍方法，HV1000腐热浸镀锌是另一种常用的镀锌方法，磨性，如液压缸、模具等硬铬电镀工不需外加电流，镀层均匀，硬度高，广镀层更厚，寿命更长艺复杂，对环境有污染，正逐步被更环泛用于复杂形状零件的表面处理保的工艺替代化学镀原理特点利用溶液中的还原剂将金属离子还原为金无需外加电流，镀层均匀，能镀覆复杂形属沉积在工件表面状应用常见类型精密零件、印刷电路板、塑料金属化等化学镀镍、化学镀铜、化学镀金等化学镀是一种不需要外加电流，仅通过化学反应在工件表面沉积金属镀层的表面处理技术与电镀相比，化学镀的最大优势是镀层厚度极为均匀，无论工件形状多么复杂，甚至内腔和盲孔也能获得均匀的镀层化学镀镍是最常用的化学镀工艺，通常使用次磷酸钠作为还原剂化学镀镍层含有的磷，根据磷含量不同，镀层性能也有差异3-12%低磷镀层硬度高，但耐腐蚀性较差；高磷镀层耐腐蚀性好，但硬度较低化学镀镍层可以通过热处理进一步提高硬度，达到以上，HV900接近硬铬阳极氧化工艺原理将铝或铝合金作为阳极，放入电解液中通直流电，铝表面发生氧化反应，形成一层致密的氧化铝膜这层氧化膜与基体结合牢固，具有优异的耐腐蚀性、耐磨性和绝缘性，同时具有多孔结构，可以进行染色处理常用电解液硫酸型最常用，形成透明或半透明氧化膜，适合染色；草酸型形成淡黄色至棕色氧化膜，硬度高；铬酸型形成不透明的棕黄色氧化膜，耐蚀性好；硬质阳极氧化通常在低温硫酸中进行，形成非常硬的氧化膜HV400着色处理阳极氧化后的铝表面可以通过多种方法着色，如有机染料染色、无机染色、电解着色等有机染料提供丰富的色彩选择；电解着色（通常使用锡、镍等金属盐）耐候性好，广泛用于建筑铝型材染色后通常需要进行封孔处理，封闭多孔结构，提高耐久性应用领域建筑铝型材外墙、门窗等；消费电子手机、电脑、相机等外壳；厨房用品锅具、餐具等；航空航天飞机结构件；汽车零部件轮毂、装饰件等；户外用品登山装备、自行车配件等不同应用领域对氧化膜厚度、硬度、颜色等要求不同金属材料的选择原则性能匹配原则满足使用条件下的各项性能要求经济性原则考虑材料成本、加工成本和使用成本工艺性原则满足制造工艺的要求可获得性原则4材料来源稳定，规格齐全环境友好原则考虑环保和可持续发展金属材料选择是一个综合考虑多种因素的复杂过程首先，材料必须满足使用条件下的性能要求，包括机械性能、物理性能、化学性能等；其次，需要考虑经济性，包括材料本身的成本、加工成本和使用寿命内的维护成本；第三，材料必须具有良好的工艺性能，能够通过可行的制造工艺加工成所需的形状此外，材料的可获得性也是重要考虑因素，包括供应稳定性、交货周期、规格齐全度等在当今环保意识日益增强的背景下，材料的环境友好性，包括资源消耗、废弃物处理、回收利用等，也成为选材的重要考量案例分析汽车车身材料材料要求材料比较分析汽车车身材料需要满足多方面的性能要求，包括材料优点缺点•足够的强度和刚度，确保结构安全钢材成本低，强度密度大，重量重•良好的成形性，适应复杂的车身形状高，成形性好，•优异的吸能性能，提高碰撞安全工艺成熟•良好的耐腐蚀性，延长使用寿命铝合金密度低，耐腐蚀成本高，成形性•轻量化，降低油耗和排放性好较差•成本可控，满足市场竞争需求碳纤维复合材料强度高，重量轻成本极高，大规模生产困难目前，大多数汽车仍主要使用钢材制造车身，但高强度钢、超高强度钢的比例不断提高，以减轻重量豪华车型和高端电动车越来越多地采用铝合金，如捷豹、奥迪等品牌的全铝车身碳纤维复合材料主要用于超豪华跑车或高端电动车的部分部件未来趋势是多材料混合车身，在不同部位使用最适合的材料，如结构强度要求高的部位使用高强度钢，外板使用铝合金，安全关键部件使用热成形钢或碳纤维等，以最优化重量、强度和成本的平衡案例分析桥梁结构材料强度要求疲劳性能耐腐蚀性桥梁承受各种静载和动载，要求桥梁长期承受周期性载荷，材料桥梁暴露在自然环境中，面临雨材料具有高强度、高刚度根据必须具有良好的疲劳性能这要水、雪、盐雾等腐蚀因素沿海桥梁跨度和荷载不同，可能需要求选用细晶粒、均匀组织的钢材，地区桥梁更需要考虑海洋环境的不同等级的高强度钢，如、并在设计中避免应力集中焊接腐蚀可以选用耐候钢、镀锌钢Q

345、等质量控制对疲劳性能也至关重要或配合高效防腐涂装系统Q390Q420可焊性桥梁构件多采用焊接连接，材料必须具有良好的可焊性控制钢材的碳当量，选择合适的焊接工艺和焊材，并进行焊后热处理，确保焊接质量桥梁结构通常选用低合金高强度结构钢，如、等，这些钢材不仅强度高，还具有良Q345qD Q420qD好的韧性和可焊性对于特大跨度桥梁，可能需要使用更高强度的钢材，如、等Q460Q500值得注意的是，近年来耐候钢在桥梁建设中应用越来越广泛耐候钢在大气环境中能形成致密的锈层，阻止腐蚀继续发展，无需涂装即可使用，降低了维护成本但耐候钢并非适用于所有环境，在高湿度、高盐分环境下效果可能不佳案例分析航空发动机材料℃15001000MPa涡轮入口温度高温强度要求现代航空发动机工作温度极高材料需在高温下保持强度⁴105000h循环寿命使用寿命材料需承受数万次起停循环发动机关键部件的设计寿命航空发动机工作在极端环境下，特别是涡轮部件面临高温、高压和高速旋转等挑战这些部件主要使用高温合金材料，如镍基、钴基和铁基高温合金其中，镍基高温合金如、等Inconel718GH4169应用最为广泛，它们能在℃以上的温度下保持良好的强度和抗蠕变性能1000涡轮叶片等最关键的高温部件采用单晶高温合金，通过定向凝固技术消除晶界，显著提高高温性能同时，先进的冷却设计和热障涂层技术也是提高发动机性能的关键发动机压气机部分则大量使用钛合金，如、等，它们具有高比强度和良好的耐热性未来，陶瓷基复合材料和金属间化合物等新型材料有望在航空发动机中获得更广泛应用TC4TC11金属材料的未来发展趋势研究热度指数产业化进度指数高性能合金高性能合金是指在特定服役条件下具有卓越性能的合金材料根据应用环境不同，高性能合金可分为高强合金、高温合金、耐蚀合金等多种类型高强合金如马氏体时效钢、高强铝锂合金等，强度可达以上；高温合金如单晶镍基高温合2000MPa金，可在℃以上长期工作；耐蚀合金如双相不锈钢、镍基耐蚀合金等，能在极端腐蚀环境中使用1100近年来，高熵合金、金属基复合材料等新型高性能合金材料引起广泛关注高熵合金由五种或更多元素按接近等原子比混合形成，具有混乱的晶体结构，表现出优异的强度、韧性、耐磨性和耐腐蚀性金属基复合材料通过引入陶瓷、碳纤维等增强相，实现强度、刚度和耐热性的显著提升这些新型合金材料正在航空航天、国防军工等高端领域逐步应用轻量化材料高强铝合金通过合金化、热处理和加工控制，开发强度超过的铝合金，如第三代铝锂合700MPa金和纳米晶铝合金这些材料密度低（约），比强度高，是飞机结构和汽车

2.7g/cm³车身的理想材料最新研究方向包括增强铝合金的高温稳定性和改善连接性能镁合金新材料开发耐腐蚀性好、阻燃性好的新型镁合金，克服传统镁合金的弱点添加稀土元素可以显著改善镁合金的耐热性和蠕变性能稀土镁合金在汽车传动系统、航空航天结构等领域有广阔应用前景镁的密度仅为，是结构金属中最轻的

1.74g/cm³钛合金新进展开发低成本、高性能的钛合金及其制备工艺，降低钛合金应用门槛型钛合金β和基金属间化合物是研究热点低成本粉末冶金钛合金制备技术有望解决TiAl钛合金高成本问题钛合金密度约，强度可达以上

4.5g/cm³1000MPa轻量化钢材通过微合金化和组织控制，开发高强轻质钢添加铝、硅等轻元素可降低钢的密度；采用（孪晶诱导塑性）、（相变诱导塑性）等机制可提TWIP TRIP高强度和韧性这些新型钢材在保持良好成形性的同时，强度可达以上1000MPa智能材料形状记忆合金磁流变材料压电材料形状记忆合金是一种能够记住其磁流变材料是一种智能流体，由微米级压电材料在受到机械变形时产生电荷，SMA原始形状并在受热后恢复的特殊合金铁磁颗粒分散在载体液体中组成在没反之，在电场作用下也会发生机械变形最常见的是镍钛合金，由约有磁场时，材料表现为普通液体；施加常见的压电材料包括石英晶体和铁电陶Nitinol的镍和的钛组成具有两磁场后，颗粒沿磁力线排列，形成链状瓷如这种双向能量转换特性使压50%50%SMA PZT种晶相低温下的马氏体相和高温下的结构，材料表现出固体特性，粘度和屈电材料广泛应用于传感器、执行器、能奥氏体相在马氏体相可以发生变形，服应力显著增加这种特性可用于制造量收集等领域微型机器人、精密定位加热到奥氏体相后会恢复原始形状智能减震器、离合器等系统等都依赖压电材料的优异性能金属材料的可持续发展生态设计清洁生产1从产品设计阶段考虑全生命周期环境影响采用绿色工艺，减少污染物排放循环利用提高效率废旧金属回收再利用，减少原矿开采3优化利用资源，减少废料产生金属材料的可持续发展是当今工业界面临的重要课题传统金属材料生产过程能耗高、污染重，随着环保意识的增强和法规的严格，金属工业正向绿色、低碳方向转型可持续发展策略包括提高材料利用率、延长产品寿命、促进废旧金属回收再利用等多个方面值得注意的是，不同金属的可回收性差异很大铝、铜等有色金属回收再利用率高，回收过程能耗仅为原生产的；钢铁通过电炉冶5-10%炼，可以实现近的废钢回收利用未来，金属材料的发展将更加注重全生命周期的环境影响评估，追求经济效益与环境效益的双赢100%提高材料利用率优化设计采用计算机辅助设计和有限元分析，优化零件结构，减少材料用量拓扑优化技术可以在保证强度的前提下，去除非承力部位的材料，大幅减轻重量生物仿生设计借鉴自然界的轻量化结构，实现材料的高效利用精确成形采用近净成形和精密成形技术，减少加工余量和切削废料传统加工方法如车削、铣削等材料损耗大，有时废料可达以上而精密铸造、精密锻50%造、粉末冶金等近净成形工艺可将材料利用率提高到以上90%增材制造打印技术可以实现材料的按需添加，理论上材料利用率接近特别3D100%适合复杂结构和小批量生产激光选区熔化、电子束熔化等金SLM EBM属增材制造技术正在航空航天、医疗等领域推广应用废料回用生产过程中产生的边角料、切屑等废料进行分类收集和回收利用建立闭环材料流，将工厂内部的废料直接熔化再利用，减少运输和再处理环节，提高效率和减少能耗回收利用报废汽车建筑拆除废旧家电生产废料包装容器其他金属材料的检测方法检测的重要性检测分类金属材料检测是确保材料质量和安全性的关键环节通过科根据检测过程是否破坏试样，金属材料检测方法可分为两大学的检测方法，可以发现材料中的缺陷、评估材料性能、验类证成分是否符合标准，为材料的使用和研发提供可靠依据无损检测（）在不损坏材料的情况下检查材料内

1.NDT部和表面缺陷，适合在役设备检测和全检包括超声波随着工业技术的发展，检测方法也在不断进步，从传统的破检测、射线检测、磁粉检测等坏性检测发展到先进的无损检测，为材料安全提供了更全面破坏性检测需要从材料中取样并在测试过程中破坏样

2.的保障品包括拉伸试验、冲击试验、硬度试验、疲劳试验等这类测试能提供材料性能的定量数据无损检测超声波检测射线检测磁粉检测与渗透检测利用超声波在材料中传播的特性，探测材料利用射线或射线穿透材料的能力，检测磁粉检测适用于铁磁性材料表面及近表面缺Xγ内部的缺陷当超声波遇到缺陷时，会发生材料内部缺陷射线穿过材料后在底片或数陷通过在材料中建立磁场，缺陷处产生漏反射，通过接收器接收反射波并分析其特性，字探测器上形成图像，缺陷部位的射线透过磁场，磁粉聚集在漏磁场处形成显示特别可以确定缺陷的位置、大小和性质超声波率与周围不同，形成明暗对比，从而显示缺适合检测表面裂纹渗透检测利用毛细作用检测适用于厚壁材料的内部缺陷检测，如焊陷射线检测直观、可靠，适用于焊缝、铸原理，适用于表面开口缺陷检测将渗透剂缝、铸件和锻件中的裂纹、夹杂、气孔等件中的内部缺陷检测但需注意辐射防护，渗入表面开口缺陷，再用显像剂吸出，使缺它具有检测深度大、精度高、对人体无害等且设备昂贵、检测效率较低现代数字射线陷显现适用于各种材料，特别是非铁磁性优点技术大幅提高了检测效率材料如铝合金、不锈钢等DR破坏性检测拉伸试验拉伸试验是最基本的材料力学性能测试方法将标准试样装入拉伸试验机，施加逐渐增大的拉力直至试样断裂，记录整个过程中的载荷和变形数据通过试验可以获得材料的抗拉强度、屈服强度、弹性模量、延伸率和断面收缩率等重要参数这些参数是材料选择和结构设计的基础数据冲击试验冲击试验测定材料在动态载荷作用下的抵抗断裂能力韧性典型方法是夏比冲击试验，使用摆Charpy锤式冲击试验机，记录摆锤冲断试样所消耗的能量冲击吸收功试样通常带有型或型缺口，以模拟实VU际构件中的应力集中冲击试验特别重要的应用是测定材料的脆性转变温度，评估材料在低温环境下的安全性硬度试验硬度试验测定材料抵抗局部变形的能力，是最简便、破坏最小的力学性能测试方法常用的有布氏、HB洛氏、维氏和显微硬度等测试方法硬度测试不需要特殊形状的试样，可直接在产品上进行，且HRHV与其他力学性能如抗拉强度有一定的换算关系硬度测试广泛用于原材料验收、热处理质量控制和磨损性能评价疲劳试验疲劳试验评价材料在循环载荷作用下的抗断裂能力通过在试样上施加周期性交变应力，记录断裂前的循环次数，建立应力寿命曲线疲劳试验时间长、成本高，但对于承受循环载荷的零部件如轴、弹簧、-S-N齿轮等，疲劳性能是关键的设计依据通过疲劳试验可以确定疲劳极限或疲劳强度，为安全设计提供依据总结与展望本课程系统介绍了常用金属材料的基本知识，包括金属材料的分类、性能、制造工艺、热处理、表面处理和检测方法等金属材料作为工程材料的主体，在现代工业中发挥着不可替代的作用黑色金属以其优异的力学性能和经济性，构成了工业的骨架；有色金属以其特殊的物理化学性能，满足了各种特殊应用需求未来金属材料的发展将呈现以下趋势高性能化，追求极限服役条件下的卓越性能；轻量化，满足节能减排和提高效率的需求；智能化，赋予材料感知和响应能力；绿色化，实现可持续发展随着材料科学、制造技术和计算机模拟的进步，金属材料的研发将更加高效，定制化材料设计将成为可能金属材料的未来充满机遇与挑战，需要我们不断探索和创新感谢各位的聆听，欢迎就课程内容进行提问和讨论。