《金属材料》课件

《金属材料》欢迎大家学习《金属材料》课程本课程将系统介绍金属材料的基础知识、分类、性能特点、加工工艺以及应用领域通过本课程的学习，您将了解金属材料的微观结构与宏观性能之间的关系，掌握金属材料选择与应用的原则，并探索先进金属材料的发展动向课程设计为理论与实践相结合，包括讲解、案例分析和实验演示等多种形式希望通过这门课程，培养大家在工程应用中科学选择和合理使用金属材料的能力，为将来的科研与工作打下坚实基础让我们一起开启金属材料的奇妙世界！金属材料的定义金属材料基本概念金属与非金属的区别金属材料是指以金属元素为主要成分的材料，包括纯金属和金属金属材料与非金属材料在结构和性能上有显著差异金属材料通合金它们具有独特的金属键结合方式，形成特殊的晶体结构，常具有自由电子，导致良好的导电导热性；而非金属材料如陶赋予金属材料特有的性能瓷、塑料等则通常为绝缘体或半导体金属材料通常具有良好的导电性、导热性、可塑性和韧性，同时金属材料一般呈现延展性和可锻性，可通过塑性变形加工成各种具有金属光泽和不透明性等基本特征，是工程领域中不可或缺的形状；而非金属材料如陶瓷往往表现为脆性，塑料则呈现黏弹重要材料类别性这些差异决定了它们在工程应用中的不同角色金属材料的发展历史1铜器时代约公元前5000年，人类开始冶炼和使用铜，这标志着金属材料的应用开端冶铜技术的发展使工具制造从石器迈向新阶段2青铜时代约公元前3500年，人类学会将铜与锡混合制成青铜，青铜器强度高于纯铜，推动了古代文明的进步中国商周时期的青铜礼器代表了高超的冶金工艺3铁器时代约公元前1200年，铁器开始广泛使用铁的应用极大提高了农业生产和军事装备的水平，对人类社会发展产生了深远影响4现代金属工业18世纪工业革命后，现代冶金工业迅速发展，特别是钢铁工业20世纪则见证了铝、钛等轻金属合金和特种合金的快速发展，推动了航空航天等高科技领域的进步金属材料的分类按元素种类分类按组成结构分类黑色金属以铁为基础的金属材料，纯金属由单一金属元素构成，如纯包括各种钢和铸铁特点是强度高、铁、纯铜、纯铝等性能相对稳定，成本低、应用广泛，是工业生产的基但强度通常较低，应用受限础材料合金由两种或两种以上金属元素，有色金属除铁、铬、锰外的金属及或金属与非金属元素按一定比例混合其合金，如铜、铝、镁、钛等通常而成的材料通过合金化可以获得优具有较低的密度、良好的导电性或特于纯金属的综合性能殊功能性按功能用途分类结构金属材料主要用于承受载荷的构件，如建筑、桥梁、机械零部件等领域应用的金属材料功能金属材料具有特殊物理、化学性能，如磁性材料、形状记忆合金、超导材料等，用于实现特定功能常见黑色金属简介钢铸铁铁基特种合金钢是含碳量在

0.02%-铸铁是含碳量在

2.11%-除了常规钢铁外，还有

2.11%之间的铁碳合

4.3%之间的铁碳合金，许多特种铁基合金，如金，是应用最广泛的金因含碳量高而具有良好不锈钢、耐热钢、电工属材料根据含碳量和的铸造性能常见的铸硅钢等这些材料通过合金元素的不同，钢可铁包括灰铸铁、球墨铸添加特定元素获得特殊分为低碳钢、中碳钢、铁、白铸铁等性能高碳钢以及各种合金例如，不锈钢添加铬元钢铸铁具有优良的减震素提高耐腐蚀性；耐热钢具有良好的强度、韧性、耐磨性和较好的铸钢添加钴、钼等元素提性和可塑性平衡，可通造工艺性能，适合制造高高温强度；电工硅钢过热处理调整性能，广机床底座、汽车发动机则因含硅而具有良好的泛应用于建筑、机械、缸体、管道等结构复杂磁性能交通等领域的零部件常见有色金属简介铝及铝合金铜及铜合金铝是地壳中含量最丰富的金属元素之一，具有密度低、导电导热性好、耐腐铜具有优异的导电导热性和良好的耐腐蚀性，是电气工业的关键材料铜合蚀等特点铝合金通过添加铜、镁、锌等元素进一步改善性能，广泛应用于金如黄铜（铜锌合金）、青铜（铜锡合金）具有优良的综合性能，用于制造航空航天、建筑和包装行业阀门、轴承和精密仪器等镁及镁合金钛及钛合金镁是最轻的工程金属，密度仅为铝的2/3，具有优异的比强度和减震性能镁钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性和生物相容性好等优点，但成本较合金在电子产品外壳、汽车轻量化零部件等领域有广泛应用，但易燃性和抗高广泛应用于航空航天、化工设备、医疗植入物和高端体育用品制造腐蚀性较差金属元素周期表贵金属包括金、银、铂族金属等过渡金属如铁、铜、钛、锰、铬等碱金属和碱土金属如钠、钾、镁、钙等其他金属如铝、锌、锡、铅等金属元素在周期表中占据大部分位置，主要分布在周期表左侧和中部周期表中约有80多种元素属于金属，它们根据电子构型和性质可分为不同类别碱金属（第IA族）和碱土金属（第IIA族）化学活性高；过渡金属（第IIIB-IIB族）具有多种化合价态；铝族和第IV-VII族部分元素也表现出金属性质周期表中的位置反映了金属元素的电子构型和性质趋势，帮助我们理解和预测不同金属的化学反应和物理特性例如，从左到右，金属性递减；从上到下，金属性递增掌握这些规律对金属材料的研究和应用具有重要指导意义金属的原子结构金属键结合自由电子理论晶格结构基础金属原子之间通过金属键结合在一起金属键是自由电子理论是解释金属特性的重要模型在这金属原子通常以高度有序的晶体结构排列，形成一种特殊的化学键，其本质是金属原子的外层价一理论中，金属被视为由正离子和自由电子组成三维空间点阵这些原子以规则的几何排列形式电子离开原子核形成自由电子云，这些自由电子的电子气金属中的价电子不再束缚于特定原聚集在一起，形成单位晶胞，晶胞的周期性重复在整个金属晶体中共享，同时吸引带正电荷的子，而是在整个晶体中自由移动构成整个晶体金属离子当电场作用于金属时，自由电子定向移动形成电理解金属的晶格结构对解释和预测金属的物理性这种键合方式使金属具有良好的导电性、导热性流；当热量传递时，自由电子的运动也加速了热能、机械行为以及合金形成机理至关重要不同和可塑性自由电子的存在也是金属呈现金属光量传递，这解释了金属优异的导电导热性同的晶格结构赋予金属不同的性能特点，也决定了泽的原因，因为它们可以吸收并重新辐射电磁时，这种结构也解释了金属良好的变形能力金属的各向异性和变形机制波金属的晶体结构体心立方结构BCC特点原子排列较松散，配位数为8面心立方结构六方密堆结构FCC•代表金属铁α、钨、钼、铬HCP特点原子排列紧密，配位数为12，有较多的•密堆积度68%特点原子排列紧密，配位数为12，但滑移系滑移系少•通常硬度较高，但塑性较差•代表金属铜、铝、镍、金、银•代表金属镁、钛、锌、钴•密堆积度74%•密堆积度74%•塑性通常较好•塑性通常较差晶体缺陷与性能点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子等线缺陷主要指位错，包括刃位错和螺位错面缺陷包括晶界、相界面、孪晶界和堆垛层错体缺陷如晶内空洞、夹杂物和沉淀相晶体缺陷是晶体结构的不完整性或不规则性，看似缺陷却对金属性能起着决定性作用点缺陷影响金属的扩散行为，直接关系到热处理效果和蠕变性能线缺陷（位错）的运动是金属塑性变形的基础，位错密度增加会导致材料强化，但过多会使材料脆化面缺陷中的晶界阻碍位错运动，细小的晶粒通常具有更高的强度（霍尔-佩奇关系）不同类型的缺陷可以相互作用，例如溶质原子与位错的相互作用导致固溶强化；沉淀相与位错的相互作用导致沉淀强化了解缺陷特性有助于我们通过控制缺陷来设计和优化金属材料性能金属的物理性能7870铁的密度kg/m³金属通常具有较高的密度，但各种金属间差异很大铝的密度约为铁的1/3，而铅的密度接近铁的

1.5倍×

5.810⁷铜的电导率S/m金属的电导率通常很高，银的电导率最高，铜次之，铝再次，这也是它们被广泛用作导电材料的原因

12.8铝的热膨胀系数×⁻℃10⁶/金属的热膨胀系数相对较高，这在工程设计中需要特别考虑，尤其在涉及温度变化的场合418铜的导热系数W/m·K金属的导热性能优异，远超陶瓷和聚合物材料，这使金属成为散热元件的理想材料金属的机械性能强度性能塑性与韧性硬度与耐磨性屈服强度金属开始发生塑性变形的应塑性金属在不破坏的情况下发生永久硬度金属抵抗局部塑性变形的能力，力值，如低碳钢约为250MPa变形的能力，通常用伸长率和断面收缩常用布氏、洛氏和维氏硬度表示率表示抗拉强度金属在拉伸过程中所能承受耐磨性金属表面抵抗磨损的能力，与的最大应力，如钛合金可达900-韧性金属吸收能量并在断裂前发生塑硬度相关但不完全等同1200MPa性变形的能力，通常用冲击功表示高硬度通常意味着良好的耐磨性，如工强度是金属材料承受载荷能力的重要指良好的塑性和韧性使金属可以通过各种具钢硬度可达HRC60以上，适用于切削标，通过合金化、热处理和机械加工可成形工艺加工成复杂形状，同时还能承工具等场合以显著提高金属的强度受一定的冲击载荷金属的化学性能腐蚀现象腐蚀介质金属在环境介质作用下发生的破坏过大气、水、土壤、酸碱溶液等，不同环程，每年因腐蚀导致的经济损失巨大境下腐蚀机理各异防护措施腐蚀机理表面处理、合金化、阴极保护、缓蚀剂主要为电化学腐蚀，涉及阳极、阴极反等多种防护技术应和电子传递过程金属的热性能纯金属的性质与局限纯金属的代表性质纯金属的主要局限•较低的机械强度，如纯铁的抗拉强度•强度通常较低，难以满足承载要求仅约250MPa•加工硬化后稳定性差，热稳定性不足•良好的塑性，如纯铜的伸长率可达40-50%•某些纯金属化学活性高，易发生腐蚀•优异的导电导热性，如纯银、纯铜•较低的熔点，如纯铝熔点为660℃•特性单一，难以满足多功能要求•性能稳定，物理化学性质明确•某些纯金属资源稀缺，成本高昂典型纯金属应用•纯铜电线、导体、艺术品•纯铝电容器箔、装饰材料•纯钛化工设备、医疗植入物•纯金、纯银电子接点、珠宝•高纯度金属半导体、科研用途合金的基本概念合金的定义合金化的意义合金是由两种或两种以上的金合金化可以显著改善金属的多属元素，或金属与非金属元素种性能例如，向铁中加入2%按一定比例混合而成的具有金左右的碳可以获得强度高于纯属特性的材料合金化是人类铁5-10倍的钢；向铜中加入锌有意识地改变金属性能的最重形成黄铜，不仅降低成本，还要方法之一，通过合理选择合提高了加工性能；添加特定元金元素和比例，可以获得性能素可以提高金属的耐腐蚀性、优于纯金属的新材料耐热性或赋予特殊功能合金化机理合金化过程中，添加元素可能以固溶体、金属间化合物或第二相的形式存在不同元素的原子尺寸、电负性和晶体结构会影响其在基体中的行为合金化改变金属的晶格结构、电子结构和微观组织，从而影响宏观性能合金的类型金属间化合物金属元素之间形成的具有确定成分比共晶合金固溶体合金的化合物包含共晶反应的合金系统溶质原子溶解在溶剂晶格中形成的均•通常硬度高但脆性大匀固态溶液•具有较低的熔点•具有特定的晶体结构，不同于组成异质合金•置换型固溶体溶质原子替代溶剂元素•流动性好，铸造性能优异含有第二相颗粒的合金系统原子位置•示例Fe₃Al、Ni₃Al、TiAl•示例铝-硅合金、锡铅焊料•通过沉淀相强化提高性能•间隙型固溶体溶质原子占据晶格间隙•可进行热处理调节性能•示例黄铜Cu-Zn、奥氏体不锈•示例时效硬化铝合金、马氏体时钢效钢2314铁基合金概述碳钢碳钢是含碳量在

0.04%-

2.11%之间的铁碳合金，不含或仅含少量合金元素按含碳量可分为低碳钢C

0.25%、中碳钢C=

0.25-

0.6%和高碳钢C

0.6%随着碳含量增加，钢的强度和硬度提高，但塑性和韧性降低碳钢是应用最广泛的工程材料，用于建筑、机械、工具制造等领域合金钢合金钢是在碳钢基础上加入一定量合金元素如Cr、Ni、Mo、V等的钢种合金元素可改善钢的强度、韧性、耐热性、耐磨性和耐腐蚀性等常见合金钢包括低合金高强度钢、弹簧钢、模具钢等合金钢在航空航天、汽车工业和精密机械中发挥着重要作用不锈钢不锈钢是含铬量在12%以上的铁基合金，具有优异的耐腐蚀性主要类型包括铁素体不锈钢如430型、奥氏体不锈钢如304型、马氏体不锈钢如420型和双相不锈钢如2205型不锈钢广泛应用于食品加工、建筑装饰、化工设备、医疗器械等领域铸铁铸铁是含碳量在

2.11%-

4.3%之间的铁碳合金，常含有较高的硅含量主要类型包括灰铸铁碳以片状石墨形式存在、球墨铸铁碳以球状石墨形式存在、白铸铁碳以碳化物形式存在和可锻铸铁铸铁具有优良的铸造性、减振性和耐磨性，用于机床底座、汽车发动机缸体等钢的分类分类依据类型特点与应用按含碳量低碳钢C

0.25%塑性好，焊接性好，用于建筑结构、车身板等中碳钢C=

0.25-

0.6%强韧性平衡好，适合机械零件如轴、齿轮等高碳钢C

0.6%硬度高，耐磨性好，适合工具、模具等按化学成分普通碳素钢仅含碳和少量杂质，价格低廉，应用广泛合金钢含特定合金元素，性能优于碳钢不锈钢含13%以上铬，耐腐蚀性好按用途结构钢用于承力构件，注重强度、韧性工具钢用于制造工具，注重硬度、耐磨性特殊性能钢如弹簧钢、轴承钢、电工钢等不锈钢的性能与应用不锈钢的分类耐蚀机理与应用奥氏体不锈钢含18%Cr-8%Ni，如

304、316型，具有良好的不锈钢的耐蚀性主要来源于表面形成的富铬氧化膜（钝化膜），成形性和耐蚀性，非磁性广泛应用于食品设备、建筑装饰、医这层致密的保护膜阻止了金属基体与环境的进一步接触铬含量疗器械等领域越高，钝化膜越稳定，耐蚀性越好铁素体不锈钢含13-30%Cr，如430型，价格较低，具有一定钼Mo的添加可以提高不锈钢在含氯离子环境中的耐点腐蚀性的耐蚀性和良好的抗氯化物应力腐蚀性能，磁性常用于家用电能，如海水环境；氮N可提高强度和耐点蚀性；钛Ti和铌器、室内装饰等Nb的添加可防止晶间腐蚀马氏体不锈钢含12-18%Cr，如420型，可热处理强化，具有316L不锈钢中的L表示低碳，可减少晶间腐蚀敏感性，特别适高强度和中等耐蚀性主要用于刀具、外科手术器械、阀门等合焊接结构双相不锈钢结合了奥氏体和铁素体的优点，具有高强度和优异的耐应力腐蚀性有色金属合金铝合金铜合金镁合金铝合金具有密度低、比强度铜合金具有优异的导电性、导镁合金是最轻的工程金属材高、耐腐蚀性好等特点按加热性、耐腐蚀性和加工性能料，密度仅为铝的2/3主要分工方式可分为变形铝合金和铸主要分为黄铜（Cu-Zn）、青铜为铸造镁合金（如AZ91D）和造铝合金；按强化机制可分为（Cu-Sn）、白铜（Cu-Ni）变形镁合金（如AZ31B）镁热处理强化型和非热处理强化等黄铜价格低廉，加工性能合金具有比强度高、散热性型热处理强化型铝合金（如好，用于阀门、管件；青铜具好、减振性能优越等特点，但2xxx、6xxx、7xxx系）通过时有良好的耐磨性和耐海水腐蚀耐腐蚀性较差，且易燃主要效析出相提高强度；非热处理性能，用于轴承、齿轮；白铜应用于汽车轻量化部件、便携强化型铝合金（如3xxx、5xxx耐腐蚀性好，用于热交换器和式电子设备外壳等领域系）主要通过固溶强化和加工海洋工程硬化提高强度钛合金钛合金密度低于钢，强度相当，且具有优异的耐腐蚀性和生物相容性主要分为α型、α+β型和β型三类α+β型钛合金（如Ti-6Al-4V）综合性能最佳，用于航空结构件；β型钛合金强度高，冷成形性好；α型钛合金耐腐蚀、焊接性好应用于航空航天、化工设备和医疗植入物金属材料的力学行为弹性阶段在应力-应变曲线的初始阶段，金属表现为线性弹性行为，遵循胡克定律（σ=Eε）此阶段变形是可恢复的，卸载后材料能恢复原状弹性模量E反映了金属原子间键合力的强度，与晶体结构密切相关屈服与塑性阶段当应力超过屈服点后，金属开始发生不可恢复的塑性变形这一过程的微观本质是晶体中位错的运动和增殖金属的塑性变形能力通常用断后伸长率或断面收缩率表示工程中，常用

0.2%残余变形对应的应力作为屈服强度强化与硬化在塑性变形阶段，金属通常表现出应变硬化现象——随着变形的增加，抵抗进一步变形的能力增强微观上，这是由于位错密度增加和位错相互阻碍的结果应变硬化是冷作加工强化金属的基础，也是金属具有良好成形性的关键断裂行为金属的断裂可分为韧性断裂和脆性断裂韧性断裂伴随大量塑性变形，常表现为杯-锥形断口；脆性断裂几乎没有塑性变形，能量吸收少，常沿晶粒边界或解理面传播温度、应变速率、应力状态和微观结构等因素都会影响金属的断裂行为金属的强化机制固溶强化溶质原子引起晶格畸变阻碍位错运动晶粒细化强化减小晶粒尺寸增加晶界面积阻碍位错运动析出相强化硬质第二相粒子阻碍位错运动形变强化4塑性变形增加位错密度使位错相互纠缠金属材料的强化本质上是阻碍位错运动的过程固溶强化是通过向基体中添加溶质原子，这些原子与基体原子尺寸不同，在晶格中产生应变场，阻碍位错滑移铝-镁合金和部分不锈钢就是利用这一机制提高强度的晶粒细化强化基于霍尔-佩奇关系（σ₍s₎=σ₀+kd⁻¹/²，其中d为晶粒尺寸），晶界作为位错运动的障碍，晶粒越细，单位体积内晶界面积越大，材料强度越高这是唯一能同时提高强度和韧性的强化方法，被广泛应用于各类金属材料析出相强化是热处理强化铝合金和钢的重要方法，通过控制合金元素的溶解和析出，在基体中形成弥散分布的硬质析出相，有效阻碍位错运动形变强化则是通过冷加工使位错密度增加，位错之间相互纠缠，提高材料强度但需注意，过度强化可能导致材料韧性下降相图与金属材料相图基础知识相图解析Fe-C相图（也称平衡图）是表示在不同温度、成分和压力条件下，合铁碳相图是理解钢和铸铁热处理和组织控制的基础纯铁在加热金系统中相平衡关系的图形相图是理解和设计合金成分、预测过程中经历α铁BCC→γ铁FCC→δ铁BCC的同素异构转变微观组织和指导热处理工艺的基础工具碳在γ铁中的最大溶解度为

2.11%，而在α铁中仅为

0.0218%相图中的重要概念包括相（具有均匀化学成分和物理性质的物质存在形式）、固溶体（溶质原子溶解在溶剂晶格中形成的均匀重要反应包括共析反应（727℃，γ→α+Fe₃C）、共晶反应固态溶液）、相界线（划分不同相区或相混合区的边界线）、共（1148℃，L→γ+Fe₃C）和包晶反应（1495℃，L+δ→γ）这晶点（液相直接凝固成两种固相的成分点）等些反应决定了不同碳含量钢在冷却过程中形成的微观组织钢的常见组织包括铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、马氏体等，它们具有不同的性能特点金属的热处理工艺退火正火缓慢加热到适当温度，保温一段时间后缓慢冷却加热到临界温度以上，保温后在空气中冷却的热的热处理工艺处理工艺回火淬火将淬火工件再次加热到临界温度以下，保温后冷加热到奥氏体化温度，保温后快速冷却以获得马却的热处理工艺氏体组织的工艺热处理是通过加热和冷却改变金属内部组织结构，从而控制材料性能的工艺过程退火的主要目的是软化材料、消除内应力、细化晶粒或改善切削加工性能，常用于铸件、锻件和冷加工后的半成品正火可获得较细的珠光体组织，强度略高于退火，成本较低，常用于中低碳钢制品淬火是获得马氏体组织的关键工艺，可显著提高钢的硬度和强度淬火介质的选择（如水、油、盐浴）取决于钢的化学成分和工件尺寸但淬火后的钢虽硬度高但脆性大，因此通常需要进行回火处理回火通过加热到不同温度（低温、中温、高温回火），可获得不同的强韧性组合，满足各种使用要求钢的热处理实例调质处理结合淬火和高温回火的综合热处理工艺组织变化2从奥氏体→马氏体→回火索氏体的转变过程性能特点获得强度、韧性良好配合的综合机械性能调质处理是中碳钢和低合金钢常用的一种重要热处理工艺，特别适用于要求高强度和良好韧性的关键机械零部件，如曲轴、连杆、齿轮等典型的调质处理工艺流程包括首先将钢件加热到临界温度Ac₃以上30-50℃（通常为850-880℃），充分奥氏体化后进行水淬或油淬；然后进行高温回火处理，温度通常在500-650℃之间，保温适当时间后冷却调质处理前后，钢的微观组织发生显著变化淬火后形成的硬而脆的马氏体组织，经高温回火后转变为回火索氏体组织，这种组织由细小的碳化物均匀分布在铁素体基体中构成相比淬火态，回火索氏体硬度和强度略有降低，但韧性和塑性显著提高回火温度的选择是关键温度越高，强度越低而韧性越好；温度越低，则相反实际生产中，不同钢种的调质工艺参数各不相同，需根据化学成分、截面尺寸和性能要求进行优化合金元素如Cr、Mo、Ni等可提高钢的淬透性，使大截面零件也能获得均匀的性能现代调质处理还可结合表面硬化处理（如感应淬火、渗碳等），形成表面硬、心部韧的性能梯度分布有色金属的热处理1铝合金热处理铜合金热处理铝合金的热处理主要针对热处理强铜合金的热处理主要包括退火和固化型合金（2xxx、6xxx、7xxx系溶处理退火可消除加工硬化，恢列）经典的T6处理包括三个步复塑性；固溶处理可提高强度，如骤固溶处理、淬火和时效处理铍青铜可通过固溶+时效处理获得高固溶处理将合金元素溶解到基体强度铜合金的热处理温度通常较中；淬火保留过饱和状态；时效处铝合金高，控制氧化尤为重要一理使溶质原子析出形成强化相例些特种铜合金如Cu-Ni-Be可通过时如，6061铝合金典型的T6处理为效处理获得弹性模量和导电性的良530℃固溶，水淬，175℃时效处好组合理3镁合金热处理镁合金热处理工艺与铝合金类似，但温度更低，且防护要求更高由于镁在高温下易氧化燃烧，镁合金热处理通常在保护气氛或盐浴中进行AZ91镁合金经T6处理（415℃固溶，水淬，168℃时效）可显著提高强度和硬度一些镁合金还可采用T5处理（铸态直接进行时效）以简化工艺金属的表面处理技术化学热处理化学热处理是金属表面同时发生化学成分和组织结构变化的处理工艺主要包括渗碳、渗氮、渗硼和渗铬等渗碳处理在920-950℃下使碳原子扩散到钢的表面，形成高碳层，经淬火后表面硬度可达HRC60以上，而心部保持韧性渗氮则在较低温度（500-570℃）下进行，形成硬度极高的氮化物层，具有优异的耐磨性和疲劳强度电镀与涂层电镀是利用电解原理，使金属离子在工件表面沉积形成金属覆盖层的技术常见的电镀层有铬、镍、锌、铜、金等电镀不仅可以提高表面耐腐蚀性，还能改善外观和特殊性能除电镀外，现代表面涂层技术还包括物理气相沉积PVD、化学气相沉积CVD、热喷涂等，可形成陶瓷、金属间化合物、碳基等高性能涂层表面改性技术表面改性技术是在不改变基体成分的情况下，改变表面组织结构和性能的方法包括激光表面硬化、电子束表面处理、感应淬火等阳极氧化是铝合金常用的表面处理工艺，在酸性电解液中形成致密的氧化铝保护层，可染色并具有优异的耐蚀性和绝缘性微弧氧化是近年发展的先进表面处理技术，适用于轻金属，形成的陶瓷层具有超高硬度和优异的耐磨性金属腐蚀种类与防护腐蚀的基本类型防腐蚀措施均匀腐蚀金属表面均匀减薄，如普通碳钢在酸性介质中的腐材料选择根据环境选择合适的金属材料，如海水环境选择镍基蚀这是最常见但也最容易预测和控制的腐蚀形式合金、铜合金或高等级不锈钢；油田设备选择耐H₂S的低合金钢局部腐蚀包括点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等，危害更大，难以预测点蚀是金属表面形成小孔状侵蚀，常见于不锈钢在含氯环涂层保护包括有机涂层（如环氧、聚氨酯涂料）、金属涂层境中；缝隙腐蚀发生在金属接缝处；晶间腐蚀沿晶界优先发生，（如热镀锌、电镀）和转化膜（如磷化、钝化）涂层隔绝金属常见于敏化不锈钢与环境接触，是最常用的防腐方法应力腐蚀开裂在应力和腐蚀环境共同作用下产生的开裂现象，电化学保护阴极保护（牺牲阳极法或外加电流法）使金属处于威胁重大，如黄铜在含氨环境中的季节性开裂，奥氏体不锈钢免疫区；阳极保护适用于能形成保护性钝化膜的金属此外，还在含氯环境中的应力腐蚀开裂可添加缓蚀剂或改变环境条件（pH值、温度、污染物浓度等）减轻腐蚀金属加工工艺基础金属加工工艺是将金属原材料转变为有用产品的过程，主要分为铸造、锻造、轧制、拉拔等多种方式铸造工艺是将熔融金属浇注到铸型中冷却凝固，形成所需形状的零件它适合制造形状复杂、内腔多变的零件，如发动机缸体铸造过程通常包括造型、熔炼、浇注、清理等步骤锻造是对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状和性能的加工方法锻造可分为自由锻和模锻，前者依靠锻工技术手工成形，后者利用模具强制成形锻件通常具有优良的力学性能和致密的内部组织，适用于重要的承载零件轧制是利用旋转的轧辊对金属坯料施加压力，使其厚度减小、长度增加的加工方法轧制可生产板材、型材、管材等标准化金属材料，是产量最大的金属成形工艺拉拔则是将金属材料拉过模具，减小截面积并改变形状的工艺，主要用于生产金属丝、管和各类异型材这些加工工艺各有特点，在实际生产中往往相互配合使用铸造工艺与金属结构铸造缺陷及控制压力铸造工艺特点常见铸造缺陷包括气孔（由气体溶解度变化或模砂型铸造工艺流程压力铸造是将液态金属在高压下注入金属模具并凝具排气不良引起）、缩孔缩松（由金属凝固收缩引砂型铸造是应用最广泛的铸造方法，特别适合小批固成形的工艺，主要用于铝、锌、镁等低熔点合起）、夹杂（由铸型材料或氧化物卷入引起）、冷量生产各类复杂零件工艺流程包括制作模样金根据压力施加方式分为低压铸造和高压铸造隔（由金属流动不畅引起）、热裂（由收缩应力引（木质、金属或树脂材料）→造型/制芯（用砂、相比砂型铸造，压力铸造具有生产效率高、尺寸精起）等防止缺陷的关键是合理设计浇注系统和冒粘结剂混合物制作铸型和型芯）→合型（将型腔和度好、表面光洁度高等优点，适合大批量生产薄壁口，控制浇注温度和速度，提高金属纯净度，以及型芯组装成完整铸型）→熔炼金属→浇注→冷却凝复杂零件，如汽车发动机缸盖、转向器壳体等但改善铸型制作质量现代铸造生产中，计算机模拟固→落砂清理→热处理→检验砂型铸造设备投资设备投资大，模具成本高，且不适合大型铸件技术可预测缺陷形成，优化工艺参数少，材料可重复利用，但尺寸精度和表面质量较低锻造工艺重要特征热锻工艺冷锻工艺•在金属再结晶温度以上进行变形加工•在室温或稍高温度下进行变形加工•变形抗力大，形变能力受限•变形抗力小，可实现大变形量•加工硬化显著，强度提高•变形过程中晶粒细化，组织均匀化•尺寸精度高，表面质量好•适用于大尺寸、难变形金属的锻造•适合小型精密零件的大批量生产•设备要求低，但能耗高，表面质量差锻件特点与应用•组织致密，无缩孔缩松等铸造缺陷•晶粒细小，纤维组织沿应力方向分布•强韧性好，疲劳强度高•适用于重要受力零件，如曲轴、连杆•航空航天、汽车、矿山机械领域广泛应用焊接与连接技术熔焊技术压力焊技术钎焊技术熔焊是通过热源使金属局部熔化，冷压力焊是在压力作用下实现金属原子钎焊是利用低于母材熔点的填充金属却凝固后形成焊缝的连接方法主要间结合的连接方法，无需填充材料（钎料）连接工件的方法根据钎料包括电弧焊（手工电弧焊、埋弧焊、主要包括摩擦焊、爆炸焊、冷压焊、熔点分为硬钎焊（450℃）和软钎焊MIG焊、TIG焊等）、气焊、电阻焊、超声波焊等摩擦焊利用摩擦热和压（450℃）钎焊不改变母材组织，电子束焊、激光焊等电弧焊是应用力实现连接，适合圆柱形工件；爆炸变形小，适合连接异种金属、精密零最广泛的焊接方法，适用于碳钢、不焊利用爆炸产生的高速碰撞压力连接件和薄壁构件硬钎焊在制冷设备、锈钢等大多数金属材料焊接过程中不同金属，可制作复合板；超声波焊航空航天领域应用广泛；软钎焊主要需注意热影响区组织变化、焊接变形适合连接薄材料，在电子工业中应用用于电子电器行业，如印刷电路板的和应力控制广泛组装机械连接机械连接是利用专用连接件或构件自身结构特点实现连接的方法，如螺栓连接、铆接、卡扣连接等机械连接无需热源，不影响材料性能，便于拆卸维修螺栓连接是最常用的可拆卸连接方式；铆接在桥梁、飞机蒙皮等领域有广泛应用；铆螺母和自攻螺钉等特种连接件可简化装配工艺，提高生产效率金属的切削加工车削加工车削是金属切削加工的基本方法，主要用于加工回转体零件工件在车床上旋转，车刀沿特定方向移动切除多余金属，形成所需形状和尺寸根据加工表面的形状，车削可分为外圆车削、内孔车削、端面车削、螺纹车削和成形车削等现代数控车床可实现高精度、高效率和复杂形状的加工铣削加工铣削是利用旋转的多刃铣刀切除金属的加工方法，主要用于加工平面、沟槽、齿轮等复杂形状铣削可分为平铣、端铣、成形铣等铣削的特点是多刃间歇切削，切削力变化大，但生产效率高数控铣床和加工中心可实现多面加工和复杂曲面加工，大大提高了加工灵活性和效率磨削加工磨削是利用高速旋转的砂轮切除金属的精加工方法，可获得高精度和良好的表面质量磨削加工主要用于硬质材料的精加工和热处理后的硬化零件加工常见的磨削方法包括外圆磨、内圆磨、平面磨、无心磨等磨削的特点是切削量小，但可达到很高的尺寸精度（可达±

0.001mm）和表面粗糙度（Ra

0.2μm以下）粉末冶金简介粉末冶金基本工艺优势与应用领域粉末冶金是以金属或合金粉末为原料，通过成形和烧结制造金属粉末冶金具有显著优势可制造常规方法难以加工的材料（如硬材料或制品的工艺技术基本工艺流程包括制粉（雾化法、还质合金、高速钢）；可精确控制成分和孔隙率；近净成形，材料原法、机械法等）混合（添加润滑剂、烧结助剂等）压制成利用率高；节能且生产效率高；可制造复合材料和功能梯度材→→形（模压、等静压、注射成形等）烧结（在保护气氛下加热至料→接近熔点温度）后处理（尺寸校正、浸渍、热处理等）→主要应用领域包括汽车工业（连杆、凸轮、气门导管等零件）；摩擦材料（刹车片、离合器片）；磁性材料（永磁体、软粉末冶金技术的发展趋势包括纳米粉末合成、近净成形技术、高磁芯）；硬质合金刀具；滤材和多孔轴承；医疗植入物等粉末密度粉末冶金等，这些新技术极大拓展了粉末冶金的应用范围和冶金在制造特种合金、复合材料和功能材料方面有独特优势性能水平金属材料的检测方法无损检测技术无损检测是在不破坏材料或零件的情况下，检测其内部缺陷或表面状况的方法主要包括超声波探伤（利用超声波在材料中传播和反射原理，检测内部缺陷）；射线探伤（利用X射线或γ射线穿透材料的能力，检测密度差异）；磁粉探伤（利用磁场泄漏原理，检测铁磁性材料表面或近表面缺陷）；渗透探伤（利用毛细作用检测表面开口缺陷）；涡流探伤（利用电磁感应原理检测导电材料缺陷）力学性能试验力学性能试验是评价金属材料承受外力能力的重要方法常见试验包括拉伸试验（测定抗拉强度、屈服强度、伸长率等）；硬度试验（布氏、洛氏、维氏、显微硬度等）；冲击试验（测定材料吸收冲击能量的能力）；疲劳试验（评价材料在交变载荷下的性能）；蠕变试验（测定材料在高温长期载荷作用下的变形）这些试验数据为材料选择和设计提供了重要依据微观分析技术微观分析是研究金属材料内部结构的重要手段主要包括金相分析（观察金属的微观组织结构）；X射线衍射分析（确定相结构和晶格常数）；扫描电镜分析（观察表面形貌和成分分布）；透射电镜分析（研究晶体缺陷和精细结构）；能谱分析（确定元素组成和含量）微观分析结果可揭示材料性能与结构的关系，指导材料的改进和优化金属材料的选择原则性能要求满足工作条件下的力学、物理、化学性能经济因素综合考虑材料成本、加工成本和服役寿命工艺性能材料加工性能、焊接性、热处理特性等可持续性资源利用效率、环境影响和回收利用潜力选择合适的金属材料是工程设计的关键环节首先要考虑的是性能要求，包括强度、韧性、硬度、耐腐蚀性、耐磨性、耐热性等特性是否满足工作条件例如，高温环境需选择耐热钢或高温合金；海洋环境则需要考虑耐海水腐蚀的材料如特定不锈钢或铜合金性能匹配原则要求既要满足使用要求，又不过度设计造成浪费经济因素是另一个重要考量材料成本、加工成本、维护成本和使用寿命共同构成产品的生命周期成本有时选择初始成本较高但寿命长、维护少的材料反而更经济工艺性能也直接影响制造难度和成本，如铸造性、锻造性、切削性、焊接性等现代材料选择越来越重视可持续性，包括资源丰度、生产能耗、回收利用难度等因素结构用金属材料桥梁用钢材建筑结构金属桥梁结构需要具有高强度、良好韧性高层建筑常用Q

235、Q345等碳素结和焊接性的钢材常用Q345系列低合构钢和低合金结构钢，并根据不同部金高强度钢，屈服强度≥345MPa，同位选择合适的强度等级现代超高层时具有良好的焊接性和低温韧性大建筑对钢材性能要求更高，如上海中型桥梁如港珠澳大桥使用Q420qENH心使用高强度Q460钢，具有更高的强高性能桥梁钢，在保证强度的同时，度重量比铝合金在建筑幕墙、室内具备优异的耐腐蚀性和抗疲劳性能，装饰中应用广泛，如6063铝合金具有使用寿命可达120年现代桥梁设计良好的挤压性能和表面处理性能，适越来越注重钢材的可焊性、耐候性和合制作门窗及装饰型材疲劳性能机械工程用金属机械零部件根据功能和受力情况选择不同材料轴类零件常用45钢、40Cr等中碳钢或合金钢，经调质处理获得良好的强韧性配合；齿轮材料多采用20CrMnTi等渗碳钢，表面硬度高而心部韧性好；弹簧常用65Mn、60Si2Mn等弹簧钢，具有高弹性极限和疲劳强度；液压元件常用ZCuSn10P1等铜合金，具有良好的耐磨性和油密封性能功能性金属材料磁性金属材料形状记忆合金包括软磁材料（如硅钢、坡莫合金）和硬磁材料（如钕铁硼、具有形状记忆效应和超弹性，如镍钛合金、铜基形状记忆合金铝镍钴）先进金属材料高温合金超导材料•镍基高温合金如IN

718、GH4169，工•低温超导体如NbTi、Nb₃Sn合金，临界作温度可达650-1100℃温度23K•钴基高温合金如FSX-414，耐腐蚀性•高温超导体如YBCO、BSCCO氧化物，好，热稳定性优临界温度77K•铁基高温合金如GH2132，成本低但性•应用于强磁场装置、磁悬浮列车、核聚变能稍逊装置等•主要应用于航空发动机涡轮叶片、燃烧室•最新研究室温超导材料的探索和可实用等高温部件化的高温超导线材•近年发展方向单晶高温合金、粉末高温合金和氧化物弥散强化合金新型轻合金•高强铝锂合金密度比常规铝合金低5-10%，强度高•镁稀土合金如WE43，高温强度和耐蚀性显著提高•钛铝合金密度低于钛合金，高温性能好•主要应用于航空航天和新能源车领域•发展趋势通过微合金化、纳米技术进一步提高性能生物医用金属材料钛基医用金属镁基可降解材料纯钛及钛合金是最优异的植入型金属材料，具有比强度高、耐腐镁合金作为可降解植入材料引起广泛关注，无需二次手术取出，蚀性好、生物相容性优异等特点纯钛（如TA

1、TA2）常用于减轻患者痛苦纯镁在体内降解速度过快，通过合金化和表面处牙科植入物；Ti-6Al-4VTC4合金强度高，广泛用于人工关理可控制其降解速率高纯Mg-Zn-Ca系合金显示出良好的降解节、骨板等承重植入物；新型Ti-6Al-7Nb合金降低了铝、钒的行为和生物相容性潜在毒性镁合金的弹性模量（约45GPa）远低于钛合金和不锈钢，更接近年来发展的β型钛合金（如Ti-15Mo-5Zr-3Al）弹性模量更接近人体骨骼，减少应力屏蔽效应镁离子对骨组织生长有促进作近人体骨骼，减少了应力屏蔽效应多孔钛材料可促进骨整合，用，有利于骨折愈合目前镁合金已在骨固定螺钉、心血管支架实现长期稳定固定表面改性技术如阳极氧化、羟基磷灰石涂层等领域开展临床应用，是未来生物医用金属的重要发展方向可进一步提高钛材料的生物活性军工领域金属材料装甲钢材装甲钢是具有高强度、高硬度和良好抗弹性能的特种钢材现代装甲钢如VCA/Z150等采用低碳马氏体组织设计，在保证高硬度（450-560HB）的同时具有良好韧性，能有效抵抗穿甲弹的冲击装甲钢通常采用特殊热处理工艺，如淬火+低温回火，形成细小马氏体组织，有些还添加Ni、Cr、Mo等合金元素提高韧性和抗弹性能航空用高强铝合金现代军用飞机大量使用高强铝合金，如

7055、7085等这些高强度铝合金经过特殊热处理（T7451等状态），强度可达600MPa以上，同时具有良好的韧性和应力腐蚀开裂抗力机翼蒙皮通常采用2524-T3等铝锂合金，密度低且抗疲劳性能优异第五代战机部分结构已采用铝-锂-镁-锌-铜系新型合金，实现更高比强度和更好的损伤容限性军用钛合金钛合金在军工领域应用广泛，如TC4（Ti-6Al-4V）用于飞机结构件，TC11（Ti-

6.5Al-

3.5Mo-

1.5Zr-

0.3Si）用于发动机压气机盘和叶片近期发展的TC21高强钛合金（Ti-6Al-2Sn-2Zr-3Mo-1Cr-2Nb）强度达到1100MPa，韧性好，可在-60℃至500℃范围内使用，适合制造高性能战机关键结构件低温等离子体渗氮等表面处理技术可显著提高钛合金的耐磨性和抗疲劳性能航空航天金属材料材料类型代表材料主要特性典型应用铝合金

2024、

7075、比强度高、加工机身结构、机翼2195性好钛合金TC

4、TC

11、耐高温、耐腐发动机部件、防TC17蚀、强度高火墙高温合金IN

718、耐高温、抗蠕燃烧室、涡轮叶GH4169变、抗氧化片超高强度钢300M、极高强度、良好起落架、机身连Aermet100韧性接件钢铝复合材料阳极粘接复合板轻量化、高强火箭推进剂贮箱度、隔热耐热复合材料碳-碳复合材料超高温性能、低热防护系统、喷密度管金属材料的可持续发展85%全球钢铁回收率钢铁是回收率最高的金属材料，全球平均回收率超过85%，建筑施工领域可达98%75%铝回收节能比例再生铝生产仅需原生铝5%的能源，大幅减少碳排放和资源消耗40%全球铜供应来自回收铜具有出色的回收价值，几乎可以无限次回收而不损失性能95%贵金属回收纯度现代技术可实现废弃电子产品中贵金属的高效回收利用金属材料与环境保护环境挑战传统金属生产过程能耗高，污染严重绿色技术新工艺减少排放，提高资源利用效率循环经济建立全生命周期闭环管理体系可持续发展平衡经济、社会和环境效益金属材料生产过程面临严峻的环境挑战传统冶金工艺能耗高、碳排放大、废水废气和固体废弃物产生量大以钢铁为例，每生产1吨粗钢约产生

1.8吨二氧化碳中国作为全球最大金属生产国，面临巨大的环境压力，但也在积极开展绿色技术创新绿色冶金技术如氢冶金、熔融氧化物电解、近终成形铸造等正在改变传统工艺流程电弧炉替代高炉-转炉流程可减少30%以上碳排放；薄带连铸技术减少了90%的加热和轧制能耗废金属循环利用形成了从收集、分选、再处理到再制造的完整产业链，不仅减少采矿对环境的破坏，还大幅降低能源消耗和排放建立金属材料全生命周期评价体系，实现从设计阶段就考虑环境影响和回收利用的理念，是行业可持续发展的必由之路金属新材料的研究方向纳米金属材料纳米金属材料指晶粒尺寸在1-100nm范围内的金属或合金纳米晶金属具有显著的尺寸效应和界面效应，表现出与常规金属不同的力学、物理和化学性能如纳米晶铜的强度可达到微米晶铜的5-10倍，同时保持良好的塑性制备方法包括惰性气体凝聚法、机械合金化、强塑性变形等纳米金属在高强度构件、催化剂、传感器等领域有广阔应用前景金属基复合材料金属基复合材料是以金属或合金为基体，通过添加增强相（如陶瓷颗粒、纤维或晶须）获得优于单一金属的性能常见类型包括颗粒增强型（如SiC颗粒增强铝基复合材料）、纤维增强型（如碳纤维增强钛基复合材料）和层状复合材料（如钛-铝层状复合材料）这类材料兼具金属的韧性和陶瓷的高硬度、高模量等特性，在航空航天、国防军工和先进运输领域具有重要应用高熵合金高熵合金是由五种或更多主元素组成，各元素原子百分比在5%-35%范围内的新型合金体系与传统合金不同，高熵合金没有主元素，形成简单固溶体结构而非复杂金属间化合物代表性系统如CoCrFeMnNi合金具有优异的强韧性配合、良好的高/低温性能和抗辐照性能高熵合金打破了传统合金设计理念的束缚，为开发新型结构和功能材料提供了广阔空间金属打印技术3D工艺原理金属3D打印技术是一种增材制造工艺，通过逐层堆积材料来构建三维物体主要技术路线包括选择性激光熔化SLM，利用高功率激光选择性熔化金属粉末；电子束熔化EBM，使用电子束作为能量源熔化金属粉末；激光近净成形LENS，将金属粉末喷入激光形成的熔池中这些技术都是基于CAD模型，将复杂的三维结构分解为二维层，然后逐层构建，实现自下而上的制造过程技术优势金属3D打印技术具有显著优势几何自由度高，可制造传统方法无法加工的复杂内部结构；设计灵活，实现轻量化和功能集成；无需模具，适合小批量和定制化生产；材料利用率高，减少浪费；缩短产品开发周期，加速创新例如，通过拓扑优化设计并3D打印的钛合金飞机支架，可减轻重量30%以上同时保持强度；航空发动机燃油喷嘴通过3D打印将原来的20个零件整合为一个整体，大幅提高可靠性应用领域金属3D打印技术已广泛应用于多个高端制造领域航空航天（如火箭发动机部件、轻量化结构件）；医疗（如定制化钛合金植入物、牙科修复体）；能源（如燃气轮机叶片、复杂热交换器）；模具（如带有共形冷却通道的注塑模具）新兴应用还包括功能梯度材料的制造，通过在打印过程中改变成分或结构，实现性能的连续变化随着设备成本降低和工艺成熟度提高，金属3D打印正从原型制造向批量生产方向发展金属材料发展前景行业趋势技术挑战轻量化、多功能、高性能、绿色化成为主流发展方性能极限突破、低成本制备、可持续生产等问题亟向2待解决创新驱动人才培养基础研究与应用创新协同推进实现重大技术突破跨学科复合型人才培养模式以适应行业快速发展金属材料作为现代工业的基础，正面临前所未有的发展机遇和挑战新能源汽车、航空航天、高端装备制造等战略性新兴产业对金属材料提出了更高要求，推动行业向高端化、精细化方向发展超高强钢、第三代先进高强度汽车钢、新型高温合金、先进铝镁钛合金等成为研究热点数字化、智能化技术与金属材料制造的深度融合，正在引领制造模式变革中国作为全球最大的金属材料生产国和消费国，正从金属材料大国向强国迈进十四五期间，国家重点支持先进金属材料的研发与产业化，打造自主可控的材料产业链企业应加强基础研究投入，构建产学研用协同创新体系，培养高素质复合型人才国际合作与竞争并存的环境下，知识产权保护和技术引领将成为核心竞争力绿色低碳转型是行业可持续发展的必由之路，新型冶金工艺和回收利用技术将获得更多关注和投入课程内容回顾1基础知识金属材料定义与分类、晶体结构、物理化学性能性能与结构力学行为、强化机制、相变理论、热处理原理工艺技术冶金过程、成形加工、表面处理、焊接连接应用领域工程结构、功能材料、特种领域、绿色发展通过本课程的学习，我们系统掌握了金属材料科学与工程的基础理论和专业知识从原子结构和晶体学开始，理解了金属材料的微观结构与宏观性能之间的关系；学习了合金设计原理和相图分析方法，掌握了调控金属材料组织与性能的基本手段；深入认识了各类金属材料的特性、加工方法和应用领域，为工程实践奠定了基础金属材料领域知识体系庞大而复杂，建议同学们在课后拓展以下方面深入学习材料表征与检测技术，提高实验技能；关注新型金属材料的研究动态，培养创新思维；加强材料计算与模拟方法的学习，提高设计能力；注重跨学科知识的积累，如信息技术、生物医学等与金属材料的交叉融合领域同时，积极参与科研项目和实习实践，将所学知识应用于解决实际问题，这对未来职业发展至关重要课程总结与展望学习重要性创新思维金属材料作为现代工业的基础和先金属材料学科正处于快速发展阶进技术的支撑，具有不可替代的战段，需要不断突破传统思维局限，略地位掌握金属材料的基础知识探索新理论、新方法和新技术鼓和前沿技术，对于推动科技创新、励同学们保持好奇心和批判精神，实现产业升级具有重要意义无论善于发现问题，敢于质疑权威，勇是传统制造业还是新兴产业，对金于提出创新见解学会从多学科视属材料专业人才的需求都在持续增角思考问题，融合物理、化学、计长算机等领域知识，推动学科交叉创新终身学习金属材料领域知识更新速度快，新材料、新工艺不断涌现，要养成终身学习的习惯建议关注学术期刊和行业报告，参加学术会议和专业培训，加入专业社群交流经验数字化时代，要善用在线资源拓展知识面，提高自主学习能力将理论学习与实践应用相结合，在解决实际问题中深化理解。