《金属材料概览》课件

金属材料概览欢属概览课课编为迎来到《金材料》程本程号ME3025，由材料科学课进教授王明授，将于2024年春季学期每周三下午行属现从们金材料是代工程与日常生活的基石我日常使用的手机、汽层属处它们优异车，到高建筑、飞机和宇宙飞船，金材料无不在的机导电为类术进关键驱动械性能、性和加工性能，使其成人技步的力金属材料的发展历史青铜时代（约公元前年）工业革命（世纪）350018-19类开铜锡创纯铜坚铜发转炉炼钢钢铁规产为人始将与混合，造出比更硬的青合金，亨利·贝塞麦明法，使大模生成可这标类够属组变为业志着人首次能控制金成以改性能能，成工革命的重要支柱1234铁器时代（约公元前年）现代合金时代（世纪至今）120020铁炼术东现扩欧亚陆铁的冶技在中地区出，随后散到大铜坚为动农业军器比青更硬，且原料更丰富，推了和事的发展金属材料的定义金属的基本特征金属与非金属的区别属类属键结层电•导电导热金是一具有金合的元素或合金，原子外子呈良好的性和性电状态这种电结构赋属许•属泽自由子特殊的子予了金多独特的金光（能反射可见光）质物理和化学性•良好的塑性和延展性约属属它们•较在元素周期表中，大有80%的元素于金，主要分通常具有高的熔点和沸点侧•数属态布在周期表的左和中部大多金呈固（汞除外）金属与合金的基本概念元素金属合金单属构属种种属由一金元素成的金材由两或两以上的金元素，纯铁纯铜纯铝属属料，如、、等元或金与非金元素按一定比例属属素金通常具有固定的熔点和特混合而成的具有金特性的物质业应质过纯属定的物理性，但在工用中通合金化可以改善金较少直接使用的性能，如提高强度、硬度、耐蚀腐性等合金的工业意义金属材料现状与全球产量金属材料的基本分类金属材料属具有金特性的工程材料黑色金属铁为础属以基的金材料有色金属铁属属除系金外的其他金材料合金种种组属两或多元素成的金材料纯金属单属构一金元素成的材料黑色金属概述钢碳间铁碳韧应辆设备领含量在

0.03%-

2.11%之的合金，具有良好的强度和性，是最常用的工程材料用于建筑、车制造、机械等域铸铁碳间铁碳优铸较发动含量在

2.11%-

6.69%之的合金，具有良的造性能和耐磨性，但脆性大常用于制造机床底座、机缸体等合金钢镍铬钼钢锈钢优异蚀钢含有特定合金元素（如、、等）的，具有特殊性能，如不具有的耐腐性，工具具有高硬度和耐磨性有色金属概述属铁锰铬属它们较较优导电导热有色金是指除、、外的所有金元素及其合金通常具有低的密度、好的延展性、良的性、以及特殊的物理化学性能铝属铜锌铅镍属钛锆铪虽较领是最广泛使用的有色金，其次是、、和稀有金如、、等，然用量小，但在高科技域具有不可替代的重要作用属电电领应现业础有色金在航空航天、子气、汽车、建筑等域有着广泛用，是代工不可或缺的基材料贵金属与稀有金属贵金属稀有金属贵属银铂属铂钯铑钌铱锇属壳属钪钇金包括金、、族金（、、、、、）稀有金通常指地中含量很少的金元素，包括、等它们优电属铌钽钒等具有良的化学稳定性、学性能和催化性能稀土金，以及、、等•饰电货币储备•属荧剂金主要用于首、子接点、稀土金用于永磁材料、光材料、催化•银导电导热电电•铌热最高的性和性，广泛用于子气添加到合金中提高强度和耐性•铂优异转•钽电电疗的催化性能，用于汽车催化化器用于子容器、医植入物•钒剂钢主要用作合金添加，提高的强度属总较它们术产业称为业维尽管稀有金在量上使用少，但对高技有着不可替代的作用，被工生素金属的微观结构晶体结构晶格常数数属结构数单大多金呈晶体，晶格常描述了晶体元原子按照特定的几何排列格的尺寸，通常用埃Å表铝数方式有序排列常见的金示例如，的晶格常属结构为铁为晶体有面心立方

4.05Å，

2.87Å晶数响属FCC、体心立方BCC和格常直接影金的密铝间进密排六方HCP例如，度和原子作用力，而铜为结构铁温响和FCC，在室影其物理和机械性能为结构镁钛为下BCC，和结构HCP晶粒与晶界实际属称为间金中，原子排列方向不同的晶体区域晶粒，晶粒之过称为属的渡区域晶界晶粒大小和分布对金的性能有重要影响细应韧晶粒通常对更高的强度和性晶体缺陷类型点缺陷线缺陷称错原子尺度的缺陷，包括空位缺陷（原也位，是沿特定方向排列的原子间隙处连错子位置缺失）、原子（原子于不完整接，主要包括刃位和螺位间隙错错动属变晶格位置）和替代原子（外来原位的移是金塑性形的微观子替代基体原子）机制面缺陷体缺陷维夹杂包括晶界（不同取向晶粒的界面）、三缺陷，如空洞、物和第二相孪垛层错这这相界面、晶界和堆等些粒子些缺陷通常是断裂的起源响扩变过显韧缺陷影材料的强化、散和相点，会著降低材料的强度和性程属观结构组它们类数响属过晶体缺陷是金微的重要成部分，的型、量和分布直接影金的力学性能、物理性能和化学性能通控制实现属调缺陷，可以对金性能的控金属的力学性能基础基本力学性能常用测试方法•变•试验测强度材料抵抗形和断裂的能力拉伸定材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率等•压•试验维测试硬度材料抵抗硬物入的能力硬度布氏、洛氏、氏硬度•韧•击试验测击韧性材料吸收能量而不断裂的能力冲定材料的冲性•发变•劳试验环载塑性材料在外力作用下生永久形的能力疲确定材料在循荷下的寿命•弹复状•变试验测载温变为性材料在力移除后恢原的能力蠕定材料在恒定荷和高下的形行评属标决满结构设计力学性能是价金材料最基本、最重要的性能指，直接定了材料能否足特定和功能要求在工程中，了解材料结构实现关的力学性能对于确保安全和功能至重要拉伸性能拉伸曲线单轴载应应变关描述材料在拉伸荷下的力-系屈服强度开发变应值材料始生永久形的力抗拉强度过应材料在拉伸程中能承受的最大力断后伸长率时变材料断裂的塑性形程度试验属测试过线获弹缩拉伸是最基本、最普遍的金材料力学性能方法通分析拉伸曲，可以取材料的性模量、屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和断面收率数等重要参属线状异碳钢显钢铝没显较变不同金材料的拉伸曲形各低具有明的屈服平台；高强度和合金通常有明屈服点；延性材料断裂前有大的塑性形，而脆性材料则没变几乎有塑性形就会断裂硬度与其测量方法测试围压头类硬度方法适用范型典型适用材料值质铸锻布氏硬度HB硬度60-硬合金球大型件、650HB件刚锥钢热处钢洛氏硬度HR HRC:20-70金石体/理、中球硬材料维刚锥种属氏硬度HV HV:5-1500金石四角各金、薄层表面显刚压组微硬度HV:10-2000微小金石相成分析、头层表面压属测硬度是材料抵抗硬物入的能力，是金材料最容易定的性能之一不同硬度测试类测试间经验转换关方法适用于不同材料型和需求，但彼此之存在系说关韧负关属值一般来，材料的硬度与强度正相，与性和塑性相典型金硬度软钢约钢达铝约铜约130HB，淬火可60HRC，合金70-150HB，35-100HB韧性和冲击性能塑性断裂脆性断裂冲击试验显镜韧窝状没观变锤击试验微下可见大量，表明材料在断断口呈亮晶，几乎有宏塑性常用的落冲包括夏比Charpy发变显镜试验过测标裂前生了大量塑性形断口呈灰色形在微下可见解理面或沿晶断裂和伊佐德Izod通量断裂显缩颈现钢铸铁温试样评动态韧或暗灰色，有明的象典型的特征高强度、灰在低下容易准所需的能量，价材料的韧属碳钢铝这种发温击变高性金如低、等展示断生脆性断裂，危害性大性不同度下的冲能量化可确定转变温裂形式材料的脆性度金属的物理性能

42922.5银的导热系数铁的电阻率为属铜电W/m·K，所有金中最高μΩ·cm，是阻率的

13.8倍

19.

32.99金的密度铝的相对磁导率属⁻⁵场响g/cm³，是常见金中最大的×10，非常接近1，几乎不受磁影属领应关铜铝优导电为电业选钴镍铁铁电础钨金的物理性能对其在特定域的用至重要例如，和的良性使其成气工的首材料；、和的磁性是制造永磁体和磁器件的基；的高熔点温环（3422°C）使其适用于高境金属的化学性能腐蚀倾向性属电极电蚀倾负蚀镁铝极蚀铂则极金的位表示其腐向，越越容易腐-

2.37V和-

1.66V易腐，而金+

1.5V和+

1.2V其稳定氧化反应性属氧应趋势铝氧护铁氧层进氧贵属铂温氧应金与气反的不同表面形成致密化膜提供保；的化疏松，无法阻止一步化；金如金、在常下几乎不与反酸碱反应性数属应氢铝锌碱铬钛氧钝铂仅大多金与酸反放出气；和在强酸和强中都会溶解；和在化性酸中形成化膜而稳定；金、在王水中溶解电化学腐蚀电质属间属电导阳极蚀这属在解溶液中，不同金或同一金不同区域形成微池，致区域加速腐是金失效的主要原因之一热学性能金属的可加工性能可锻性属热状态锻纯铁碳钢铜铝锻金在加下接受造而不破裂的能力、低、、等具有良好的可碳钢铸铁则锻较锻决属结结构组性；高和某些可性差可性主要取于金的塑性、晶和相成可焊性属过焊连应碳钢优异焊铝氧金通接形成牢固接的适性低具有的可性；合金由于表面化膜导热焊较为难碳钢钢预热热处开和高性，接困；高和高合金需要和后理以防止裂可切削性属难铅铜锰钢优纯铝金在切削加工中的加工易程度含黄、硫化等具有良的切削性能；、锈钢钛较产关不、合金切削性能差良好的切削性能对提高生效率和延长刀具寿命至重要铸造性能属满铸铸铝铸铁优异铸钢金液体充模具并形成合格件的能力造合金、灰具有的造性能；铸较浇温复杂浇统的造性能差，需要更高的注度和更的注系工业纯金属举例工业纯铁工业纯铝工业纯铜铁杂质纯间纯极导电含量大于

99.8%，元素C,S,P,度在

99.0%-

99.9%之，具有低密度大于

99.9%，具有高的性较导电导热优仅银导热优蚀Si,Mn等含量低具有低的强度抗度

2.7g/cm³、高性、良次于和性，良的耐腐性约优韧蚀较约拉强度250MPa但良的塑性和的耐腐性和成形性强度低抗拉和加工性能抗拉强度220-优异约性，磁性能强度70-100MPa270MPa电铁变压铁电电导热电线电缆电热主要用途磁芯、器芯、主要用途气体、散器、建筑装主要用途、气元件、散铁碳钢产饰机芯、低生的原料、包装材料、反射板器、管道、屋面材料合金基础知识合金化目的合金化机制••提高强度和硬度固溶强化合金元素溶入基体形成•蚀热固溶体改善耐性和耐性••获胀沉淀强化第二相粒子析出阻碍位得特殊物理性能如磁性、膨系错动数运•细减•铸焊艺晶强化小晶粒尺寸增加晶界改善造、接等工性能积•面降低材料成本•变过变错形强化通塑性形增加位密度•氧颗弥散强化引入稳定化物粒合金相图•温关图状态组度-成分系，描述平衡下的相成•质质相具有相同物理、化学性的物区域•间属间常见相固溶体、中相、金化合物•应组织响共晶、共析等反对和性能有重要影•热础力学基吉布斯相律F=C-P+2钢的种类和应用结构电铁建筑机械制造汽车制造管道与能源家与五金路与船舶其他钢的主要性能与标准标类标围级准型代表准适用范强度等示例标碳结构钢中国准GB/T700素Q235:屈服强度≥235MPa标结构钢中国准GB/T1591低合金高强度Q345:屈服强度≥345MPa标碳结构钢美国准ASTM A36素屈服强度≥250MPa欧标热轧结构钢洲准EN10025S355:屈服强度≥355MPa标结构轧钢日本准JIS G3101一般用制材SS400:抗拉强度400-510MPa钢标证钢质标虽材准是保材量的重要依据，包括化学成分、力学性能、尺寸精度等要求各国准体系异则类结构钢钢锈钢弹钢种标有差，但基本原相似按用途分，有、工具、不、簧等多准钢级为础钢材强度等通常以屈服强度基命名，如Q235表示屈服强度不低于235MPa的材随着冶金术发钢达钢种达技展，高强已到1000MPa以上的屈服强度，特殊甚至可2000MPa以上铝及铝合金

2.7密度g/cm³仅为钢轻设计选的三分之一，是量化首660熔点°C较铸相对低，有利于造加工600强度MPa铝达高强合金7xxx系抗拉强度可

37.7导电率%IACS导电仅铜银性次于、金、铝壳属属纯铝蚀过铝是地中含量最丰富的金元素

8.3%，也是使用最广泛的有色金强度低但耐腐性好，通合金化可大幅提高强度合金按加工方为变铝铸铝为铝铜铝镁铝锌镁式分形合金和造合金，按成分分2xxx-、6xxx--硅和7xxx--等系列应结构约为铝发动墙电传输线铝典型用航空航天机身70%合金、汽车机缸体、车身板材、建筑门窗、幕、包装易拉罐以及力的回收再利仅为产显环优势用率高，能源消耗原生的5%，具有著保铜及铜合金优异导电性良好导热性优良耐蚀性良好加工性铜导电为导热数达优异韧的率

58.5系401在大气、淡水、海水中具有的塑性和性，银热护铸锻轧MS/m，是除外最高W/m·K，用于散形成稳定保膜，具有易于造、造、制、属电仅为热换设蚀的金，阻率器、交器、制冷长期耐性，适用于管拉伸等加工，可制成各电备领设备种状产

1.72μΩ·cm，是气等域道、屋面、海洋形的品业工的理想材料铜铜铜锌阀乐铜铜锡损轮轴铜铜镍常见合金包括黄-具有良好的加工性能，用于门、管件、器；青-硬度高、耐磨，用于齿、承；白-优蚀观观币仪具有良的耐性和美外，用于硬、器零件镁及镁合金镁的基本特性典型镁合金镁轻属仅为铝轻约•铸镁是最的工程金，密度

1.74g/cm³，比AZ91含9%Al、1%Zn，是最常用的造合金钢轻约•顾韧35%，比78%具有良好的比强度强度/密度、阻尼AM60含6%Al、

0.13%Mn，兼强度和性电屏特性和磁蔽能力•变镁AZ31含3%Al、1%Zn，是主要形合金较铸•钇温熔点低650°C，便于造成形，但化学活性高，易燃，且WE43含稀土元素和，高性能好湿环蚀较护处在潮境中耐腐性差，需特殊防理镁应电设备壳笔记电脑壳盘变壳减轻合金主要用于子外本、手机、相机体；汽车零部件方向骨架、座椅框架、速箱体，可领变壳壳电钻链锯汽车重量，降低油耗；航空航天域直升机速箱体、座椅框架；便携式工具外、内镁产业发产约吨应轻电产领较铝应规较国合金快速展，年量80万，主要用在汽车量化和3C子品域，但相于合金，用模仍有大差距钛及钛合金出色的比强度达密度

4.5g/cm³，强度可1000MPa以上优异的耐热性温达服役度可500-600°C卓越的耐腐蚀性氧护种质表面化膜保，耐海水和多化学介优良的生物相容性人体不排斥，是理想的生物医用材料钛观组织为钛钛钛钛合金按微分α型、β型和α+β型典型合金包括Ti-6Al-4V最常用的α+β型合金、Ti-5Al-

2.5Snα型合金和Ti-15V-3Cr-3Al-3Snβ型合金钛应结构发动设备热换设备应关节种合金广泛用于航空航天飞机件、机部件、海洋工程海水淡化、交器、化工反釜、管道、生物医学人工、牙植体和费镜领高端消品手表、眼、高尔夫球杆等域贵金属的工程应用金银Au Ag优异导电蚀氧导电导热电的性、耐腐性和抗化最高的率和率，广泛用于电电键焊电电极电性，主要用于子接点、集成路气接点、料、池、光伏池线层饰层合、反射和装和抗菌材料钯铂Pd Pt氢优异温氧良好的催化性能和吸附能力，用于的催化性能和耐高化性，用转换电氢纯转换电电极催化器、子元件和气化于汽车催化器、燃料池、剂温热电膜化工催化和高偶贵属资贵约铂约钯约银约铂属金源稀缺，价格昂2023年价格金60美元/克，30美元/克，40美元/克，

0.8美元/克全球族金储罗缘应响较量集中在南非占80%和俄斯占10%，地政治因素对供稳定性影大稀土金属及其功能永磁材料荧光材料催化剂钕铁₂₁₄铕铽铈铈镧镨硼Nd FeB是目前最强的永磁Eu、Tb和Ce等稀土元素用于Ce、La和Pr等稀土元素在汽积达传统铁发极节显净剂剂发材料，磁能高45MGOe，是制造光二管LED、能灯和示器车尾气化催化、石油裂化催化中氧应电动荧产红绿蓝挥关键剂体磁体的10倍以上广泛用于的光粉，可生、、三原色光，作用稀土催化能提高催化效率，发电盘驱动扬发饱温机、风力机、硬器和声器等提高光效率和色彩和度降低工作度，延长使用寿命领域资储约约约产约产全球稀土源分布不均，中国占已知量的38%，越南18%，巴西18%中国是最大生国，占全球量的60%稀土分纯术复杂环产业资离提技，境挑战大，是高科技的战略性源金属的锻造与轧制锻造工艺轧制工艺锻过锤击挤压属变温轧属过转轧辊造是通或使金塑性形的加工方法根据制是将金坯料通一对或多对旋的作用力，使其为热锻结温锻结温减度分高于再晶度和冷低于再晶度厚度小、长度增加的加工方法•锻锤压属•热轧热结温进轧自由使用或力机对金坯料自由成形材料加到再晶度以上行制•锻属专内•轧温进获质模金在用模具成形，精度高冷在室下行，可得更高精度和表面量•辗环环轴•轧产种状条制造大型形件如承套圈、齿圈型材制生各截面形的长材料锻优组织轧优产质造点致密、性能各向均匀、力学性能好制点生效率高、尺寸精度好、表面量可控锻轧属种锻产种状复杂轴连轮轧造和制是金塑性加工的两基本方法造主要用于生各形的零部件，如曲、杆、齿等；制主要用于产带种艺显属组织结构生板材、材、型材等两工都能著改善金的和力学性能金属的挤压与拉拔金属挤压属闭内过压从将金坯料置于密容器，通施加力使其模具孔口流出形成所需截状面形的成形方法挤压类型挤压挤压侧挤压压挤压种艺正向、反向、向和液等多工形式适用于不同材料产和品需求金属拉拔属线过积减将金棒、管或穿截面小于原材料的模具，使其截面小、长度增加艺的工方法典型产品挤压铝铜属丝钢丝绳焊丝异型材、排、管材；拉拔金、、、管材和形材挤压产复杂状产别铝铜属铝挤压是生截面形品的理想方法，特适用于、等有色金型材广泛应电热领艺产质产用于建筑门窗、交通工具、子散器等域拉拔工能生高精度、高表面量的钢丝绳弹钢丝焊丝疗导品，用于制造、簧、、医管等金属的铸造工艺铸质应造方法适用材料尺寸精度表面量典型用铸铸铁钢铝铜较发动砂型造、、合金、合金低-中粗糙机床床身、汽车机缸体压铸铝锌镁电壳力造合金、合金、合金高光滑汽车零部件、器外铸铝铜较轮毂重力造合金、合金中好气缸盖、铸种温涡轮疗精密造各合金包括高合金很高很好叶片、医器械铸种内细环离心造各合金中粗外管材、形件铸属浇状应铸获铸铸产状复杂围属优势础属艺造是将熔融金注到与零件形相适的型中，冷却凝固后得件的成形方法造具有可生形、尺寸范广的金零件的，是最古老也是最基的金成形工之一现铸术发种种铸铸压铸挤压铸满产铸铝铸铁铸钢铸代造技已展出多特造方法，如真空造、低造、造等，可足不同材料和品的特殊需求造合金、和是最常用的造合金，各具不同的性能特应领点和用域金属的焊接与连接电弧焊激光焊钎焊电产温属热属填属钎连利用弧生的高使金局部熔化，添利用高能量密度激光束加金材料，使利用熔点低于母材的充金（料）填属焊缝电焊处焊缝热响变为软钎焊加充金形成包括手工弧、接合熔化形成影区小，形接工件，工件本身不熔化分氩焊焊种钢焊实现动钎钎焊钎弧、埋弧等适用于各厚度的小，接速度快，可自化和精密控（料熔点450°C）和硬（料熔点锈钢属设备简异种属异种属连材、不和部分有色金具有制适用于精密零件、薄板材和金450°C）适用于金接、薄壁部单灵优连应电疗设备温组电、操作活、成本低等点接广泛用于汽车、子和医件和不能承受高的件在子、航空设备领应制造和制冷域用广泛焊质检测视检查伤伤线伤伤焊夹纹变接量方法包括目、渗透探、超声波探、X射探和磁粉探等常见接缺陷有气孔、渣、未熔合、裂和选择焊艺数严质关形等，正确接工参和格量控制至重要热处理基础退火属热温温时间缓热处艺将金加到适当度，保一定后慢冷却的理工目的是降低硬度、消应细韧艺数钢热除力、化晶粒、提高塑性和性典型工参的完全退火加至温炉Ac3+30~50°C，保后随冷却正火钢热临温温热处将加到界度Ac3或Accm以上30~50°C，保后在静止空气中冷却的理艺获较细组织状态状态工得的珠光体，强度和硬度高于退火，但低于淬火广泛碳钢钢预处用于中和低合金的理淬火钢热奥温温将加到氏体化度（Ac3+30~50°C或Ac1+30~50°C），保后快速冷奥转变为热处艺显韧却，使氏体马氏体的理工著提高硬度和强度，但降低性和质盐盐塑性冷却介包括水、油、水、熔等回火钢热临温温温热处艺将淬火加到界度Ac1以下的某一度，保后冷却的理工目释内应调韧温为温的是降低脆性、放力、整强度和性的平衡根据度分低回温温火150-250°C、中回火350-500°C和高回火500-650°C金属材料的表面处理属处术为洁类电镀过电属积层属层金表面理技可分表面涂覆、表面改性和表面清三大是最常用的表面涂覆方法，通解作用在金表面沉一金或合金薄，提供饰蚀镀锌镀铬镀镍装性和耐性，如、、等阳极氧铝处艺电氧蚀进处碳氮术过变化是及其合金的重要表面理工，在解液中形成致密化膜，提高耐腐性和硬度，并可行染色理渗、渗等表面强化技通改轮轴喷洁氧层污渍洁表面成分提高表面硬度和耐磨性，广泛用于齿、等零件砂、抛光、酸洗等表面清方法用于去除化、和提高表面光度金属腐蚀与防护主要腐蚀类型腐蚀防护技术•蚀个减•选择蚀锈钢均匀腐整表面均匀薄材料使用耐腐合金如不•电蚀属电•层护属镀层偶腐不同金接触形成池涂保有机涂料、金•缝隙蚀狭间隙氧浓电•阴极护牺阳极电腐窄中差池作用保牲、外加流法•蚀•阳极护钝维属点表面局部穿孔保在化区持金•应蚀开应蚀环协•蚀剂质蚀力腐裂力与腐境同作用腐抑制添加化学物降低腐速率•间蚀优蚀•设计优缝隙晶腐沿晶界先腐化避免、确保排水常见金属的耐蚀性•锈钢铬钝不添加

10.5%形成化膜•铝氧表面自然形成致密化膜•铜绿铜绿护层在大气中形成色保•锌钢铁牺阳极护层常用作的牲保•钛极氧种质其稳定的化膜，耐多介属蚀约经济损约亿蚀护属构金腐每年造成全球GDP

3.4%的失，相当于

2.5万美元合理的腐防能延长金件节约资维护使用寿命，提高安全性，源和能源，降低成本金属失效与寿命管理疲劳失效蠕变失效属环应渐积损伤属温载变金在循力作用下逐累至金在高长期恒定荷作用下形累过为壳状劳条积现时间温断裂的程断口特征贝疲直至断裂的象与、度密切纹约关温过时变，是机械零件最常见的失效形式，相，在度超材料熔点

0.4倍得总数显占失效的80%著磨损失效腐蚀失效个动间损环质属发电应两相对运的表面的材料失主境介与金生化学或化学反类损损劳导蚀要型包括黏着磨、磨粒磨、疲致的性能劣化包括均匀腐、点损蚀损响蚀间蚀应蚀开种类磨和腐磨，直接影机械效率和、晶腐和力腐裂等多寿命型属进统过况调查观检查观检测金失效分析是确定失效原因并采取改措施的系程包括失效情、宏、微分析、断口分析、成分和力学性能测试过开发产预类发等通理解失效机制，可以更可靠的品，防似失效再次生结构蚀铁铜电蚀温喷劳著名工程失效案例美国自由女神像腐-偶腐、美国利伯提船舶脆性断裂低脆性、英国康阿德气客机疲失效方应这进设计进形窗口力集中等，些案例促了材料科学和工程的步材料选择原则功能适应性满足基本工作要求可靠性与安全性符合强度、耐久性要求经济性材料成本与全生命周期成本工艺性难制造和加工的易程度环境适应性环续保要求与可持性选择设计环节综虑艺选择显响产经济材料是工程中的核心，需要合考材料性能、成本、可用性和制造工等多方面因素正确的材料可以著影品的性能、使用寿命和效益选择标评轻结构导热数值则性能价格比Performance-Cost Ratio是材料的重要指例如，比强度强度/密度和比模量模量/密度常用于估量化材料；而系与价格的比用于评热经济应场优虑标组估散器材料的性不同用景需要先考不同的性能指合绿色与可持续金属材料特种金属材料超高强钢形状记忆合金过进钢钢变诱导够记忆状温变时复镍钛屈服强度超1300MPa的先高强度，包括马氏体、相塑能原始形并在度化恢的特殊合金，最典型的是合钢孪诱导钢应应疗丝执性TRIP和晶塑性TWIP等主要用于汽车安全件、航金Nitinol广泛用于医器械血管支架、正畸、机械行器、结构压领过纳镜进状记忆应状记忆空、高容器等域近期研究突破通米沉淀相控制，某些耦合器、眼架等最新展多重形效、磁性形合金钢种过时韧温状记忆开发强度已超2000MPa同保持良好性和高形合金的超导材料金属玻璃与非晶合金温电为温导₃属优异弹极蚀软在特定度以下阻零的材料，包括低超体NbTi、Nb Sn等无长程有序原子排列的金材料，具有的性限、耐腐性和温导应场设备应弹变压铁动和高超体YBCO、BiSCCO等用于强磁如MRI、粒子加磁性能用于高性能簧、器芯、切割工具和运器材研究悬温导进热热开发块属速器、磁浮列车2023年重要突破室超研究取得展，但仍点提高非晶合金的稳定性和可成形性，大尺寸体金玻璃极压环需高力境金属基复合材料基体金属增强体类型制备方法铝镁钛铜镍颗₂₃态备扩焊常用、、、和等，粒SiC、Al O、TiC、固制粉末冶金、散为复础韧纤维碳纤维₂₃纤态备搅铸压合材料提供基强度和短、Al O接、液制拌造、铝复维连续纤维碳纤维纤性基合材料是使用最广、、SiC力浸渗和原位合成自蔓延高属复维须须温应热处种泛的金基合材料，具有低和晶SiC晶不同增合成、反理等多方组密度和良好的加工性能强体提供不同的性能改善，如法适用于不同的材料合和性提高强度、硬度、耐磨性和高能需求温稳定性典型应用发动结构航空航天机部件、连动件、汽车活塞、杆、制盘电热、子散器、封装基板和体育用品高尔夫球杆、网球领拍等高性能域颗铝复应属复铝SiC粒增强基合材料Al-SiCp是用最广泛的金基合材料，比合金具有更高的比强度、实际应发比模量和耐磨性，已在航空航天和高性能汽车零部件中得到用未来展方向包括低成本制备术结优属复开发技、界面合化和功能化金基合材料的新型金属加工技术选区激光熔化电子束熔化等离子体电弧成形SLM EBM属术环电属电为热属丝金增材制造的主要技之一，利用高功率在高真空境中使用高能子束熔化金粉利用等离子体弧作源，将金材逐层属构维术较层积术艺激光逐熔化金粉末建三零件可加末的增材制造技SLM具有更高的能量熔化沉的技相比粉末基工，具有钛温锈钢铝残应积工合金、高合金、不、合金等多效率和更低的余力尤其适用于高熔点更高的沉效率和材料利用率适用于大型种属优势复杂结构设计属钛温属构净结构金材料在于自由度金如合金、高合金等已在航空航天、金件的近成形，如航空航天件、节约实现结构内疗领获应髋关节优势高、材料、可功能梯度和部医植入物域得用，如定制化船舶部件等在于成本低、效率高，但颅较术冷却通道等和骨植入物表面精度粉末技稍差属术发场规从亿约亿关键金增材制造技正迅速展，全球市模2015年的10美元增长到2023年的50美元挑战包括材料性能一致性控制、表质残应产发监测闭环艺面量提升、余力管理以及生效率提高未来展方向包括多材料打印、原位与控制、混合制造工的集成智能制造与质量监控智能传感与在线监测温压动发传实时监测属过关键数进使用度、力、振、声射等感器金加工程中的参先光检测统进线检测减检查赖学系可行在表面缺陷，少人工依大数据分析与质量预测过数习数挖术质预测发收集加工程中的海量据，利用机器学和据掘技建立量模型早期现质问题减产应钢铁连铸过预统潜在量，少不合格品生典型用如程的缺陷警系数字孪生技术创设备艺虚拟实现产过视优过艺建物理和工的模型，生程可化和化通仿真分析不同工数产质响优产数轧艺数孪预测参对品量的影，化生参如制工的字生模型可板形和性能区块链与全生命周期追溯块链术记录属从终产过数数实利用区技金材料原料到最品的全程据，确保据真可靠且不质责应链疗领开可篡改提高量任追溯能力，增强供透明度航空航天和医器械域已始应用彻变属产钢为统个传智能制造正在底改金材料的生和加工方式以宝例，其智能制造系集成了700多感实现内产数预测器，了板材厚度精度控制在±

0.01mm以，大幅提升品一致性西门子字化工厂使用AI维护术减时间性技，少了80%的意外停机航空航天领域中的金属材料铝钛钢温复合金合金高合金合材料其他电子信息领域中的金属材料导电应用铜导电属约铜电电领电连线是最常用的金，全球有60%的用于气子域微子器件互铜铝连银层导电图为铜路主要使用、；高端接器采用金、涂；PCB基板上的形通常键线铝铜热铜钼铜钨复箔9-70μm厚；合多使用金、或；散基板常用-、-合材料磁性材料电变压铁钢铁镍铁钕铁子器芯主要使用硅、合金和基非晶合金；永磁体材料包括硼₂₁₄钐钴电扬盘驱动Nd FeB、SmCo等稀土永磁体，广泛用于机、声器和硬软铁镍电屏头器；磁材料如合金Permalloy用于磁蔽和磁功能金属材料状记忆执开关压电传电统形合金用于微行器和；合金用于感器和微机系MEMS；微纳属传发挥属电电屏米金在感器和生物芯片中重要作用；金玻璃在子元件和磁蔽中应属氧导动传术发的用日益增加；新型金化物半体材料推感器技展封装材料铜铁镍热胀数线封装框架常用合金、合金Kovar，因膨系匹配玻璃和陶瓷；引材料为铜铝热铝铜屏层铜铝镍属层主要、金、；散器件多采用和；EMI蔽使用、、等金涂；电电极镍钴属氧微型池材料包括、等活性金及其化物医疗领域中的金属材料植入材料功能医疗器械属备优异蚀属疗生物医用金材料需具的生物相容性、耐腐性和适利用金特殊性能的医器械当的力学性能主要包括•镍钛状记忆丝导丝形合金血管支架、正畸、•钛钛关节种•贵属铂电极导标记及合金Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb人工、牙金、金起搏器、管钉植体、骨板、骨•钨线设备辐屏合金X射射蔽•锈钢医用不316L骨科植入物、支架、外科器械•银层抗菌材料和涂•钴铬关节复合金Co-Cr-Mo人工、牙科修体•镓填合金牙科充材料•镁术合金可降解植入物，无需二次手取出属术发喷羟阳极氧创纳结构进细医用金表面改性技快速展，如等离子体涂基磷灰石提高生物活性；表面化建米促胞黏附；抗菌离⁺⁺预设计优组织维属术变个疗子Ag、Cu²植入防感染；以及仿生表面化整合三打印金技正革命性地改性化医植入物的制造许数颅复颌结构方式，允根据患者CT据定制完美匹配的植入物，如骨修板和下骨重建建筑与交通中的金属材料建筑领域用钢轨道交通用钢汽车用金属材料钢结构级钢铁钢轨现种级钢拼筋混凝土中使用HRB400/500高速路要求高强度、高耐磨性和良代汽车车身采用多强度等材装径钢焊钢碳设计钢钢筋，直6-50mm不等，一般建筑用量好接性，多采用U75V/U71Mn，，包括普通占30%、高强占约为层钢结构轨约为钢为铝100-150kg/m²高建筑使含量

0.65-

0.80%，道使用寿命12-40%和超高强占20%，其余合钢结构铁铝约镁轻用Q345/Q390/Q420高强，提高15年高车体主要使用合金占金和合金新能源汽车更注重量化，时减轻墙镀锈钢约轻铝强度同自重屋面和外多采用60%和不占30%，追求量化合金使用比例提高至25-35%安全件锌钢铝锈钢结构悬导轨钢热钢达板、合金板和不板，兼具和高强度磁浮列车采用特殊材，如防撞梁、B柱采用成型，强度饰证碰和装功能需要精确控制磁性和尺寸稳定性1500MPa以上，保撞安全性金属材料设计与未来挑战计算材料科学计动拟预测结构利用量子力学算、分子力学和有限元分析等多尺度模方法，材料和性能第一计预测质场拟变过性原理算可新合金的稳定性和基本性；相模型能模合金凝固和相程；计图导设计计较CALPHAD方法可算多元相，指合金成分算效率十年前提高100倍以上高通量实验组备测试术筛选艺数样备采用合材料制和并行技，快速最佳成分和工参包括成分梯度品制、动测试阵数统实验获传统数实验自化力学列和高速据采集系一次可取方法十甚至上百次的数发习结进优过据量，大幅提高材料研效率与机器学合，一步加速材料化程材料基因组学计拟实验验证数构开发组计划整合算模、和据科学，建材料新范式材料基因旨在将新开发从传统缩过数库进数材料周期的10-20年短至2-3年通建立材料据和共享平台，促驱动设计欧资组开据的材料中国、美国和盟均投入巨支持材料基因研究，加速新材料发产业和化属发临极况环绿艺未来金材料展面的主要挑战包括端工下服役的超高性能材料；更加保的色冶金工；属数术为决这稀缺元素替代方案；以及多功能集成的智能金材料人工智能与大据技正成解些挑战的重要工具金属材料热点前沿回顾报属进熵设计实现韧蚀韧纳结构属达时2024年Nature/Science期刊道的金材料重要展包括高合金突破，强度-性-耐腐性同步提升；超高强米金，强度3GPa同温导进压环属储领应习镁优实保持良好塑性；室超材料研究新展，尽管仍需超高境；新型金有机框架材料在气体存和分离域的用；基于机器学的新型合金成分化，现轻量化与强度的最佳平衡属发预测计辅设计为辅发现传统实现复杂结构统轻未来10年金材料展算机助材料将成主流，人工智能助全新合金体系；增材制造与加工融合，与高性能的一；节环续为发线种属计转换领发挥关键属疗环领获应量化、能保将持成研主；特功能金材料在量子算、能源等前沿域作用；生物可降解金将在医和保域得广泛用总结与展望基础知识体系1们习属义类观结构构属这我学了金材料的定、分、微和基本性能，建了完整的金材料科学框架础识进习关键应论些基知是一步深入学的，也是工程用的理支撑加工与处理技术2锻轧铸焊热处属这术决属终掌握了造、制、造、接、理等金加工方法，些技直接定了金部件的最围选择艺础性能了解不同加工方法的特点和适用范，是正确制造工的基应用领域实例3过电疗领应属选择通航空航天、子、医、建筑交通等域的具体用案例，深入理解了不同金材料的则养决实际问题原和性能要求，培了解工程的能力前沿发展趋势4计实验组现发种属绿了解了算材料科学、高通量和材料基因学等代材料研方法，以及特金材料和续发视业动态色可持展方向，拓展了野，掌握了行最新习议课阅读属编属热处编巩学建在后深入《金材料学》崔忠圻、《金学与理》徐祖耀等教材固基础订阅报动态观属实验论实践结；《材料科学与工程学》等期刊了解研究；参金材料室和工厂，将理与尝试线数库资进习积极属关项合；使用Materials Project等在据源行探索学；参与金材料相的研究目和竞赛学科。