《金属材料学基础》课件

金属材料学基础金属材料学基础是材料科学与工程专业的核心课程，本课程遵循2025年最新教学大纲要求，系统介绍金属材料的基本理论、结构特征、性能规律及工程应用课程内容涵盖从原子层面的晶体结构到宏观工程应用的完整知识体系绪论金属材料的地位三大工程材料之一全球年产量超亿吨20金属材料与无机非金属材世界金属材料年产量已突料、高分子材料并列为现破20亿吨大关，其中中国代工程三大基础材料，在产量占据全球半壁江山，国民经济建设中发挥着不体现了金属材料的巨大市可替代的核心作用场需求和经济价值国家基础设施支柱金属材料发展概述青铜器时代人类最早掌握的金属材料技术，标志着文明的重大进步，奠定了金属冶炼的基础理论和实践经验工业革命时期钢铁工业的兴起推动了现代工业文明的发展，机械制造和基础设施建设得到飞跃式发展现代高温合金航空航天技术的发展催生了高性能合金材料，中国在高铁、航空、芯片等关键应用场景实现重大突破金属材料学的研究内容成分设计研究合金元素的选择与配比，建立成分与性能的内在联系工艺优化开发先进的制备工艺，控制材料的组织结构形成过程组织表征运用现代分析技术揭示材料的微观组织特征和演变规律性能评价建立材料性能测试体系，指导工程应用和产品开发金属材料的重要性与应用国家战略安全基础设施建设35%比重30%比重军工装备、核能设施、航空航天等桥梁、建筑、道路、管网等城市基国防科技领域的核心基础材料础设施的主要构成材料信息技术交通运输15%比重20%比重电子器件、通信设备、计算机硬件汽车、高铁、船舶、飞机等现代交等信息产业的重要组成部分通工具的关键结构材料金属材料的分类钢铁材料有色金属以铁为基础的合金材料，包除铁以外的所有金属及其合括各种碳素钢、合金钢、不金，如铝、铜、镁、钛等锈钢等具有强度高、成本具有密度小、导电性好、耐低、加工性好等优点，是用腐蚀等特殊性能，在特定领量最大的金属材料类别域具有不可替代的作用贵金属与稀有金属包括金、银、铂等贵金属以及稀土元素、锂、钨等稀有金属具有特殊的物理化学性能，在高技术领域发挥重要作用第一章金属的基本结构面心立方晶格体心立方晶格六方密排晶格铝、铜、镍等金属采铁、铬、钨等金属的镁、锌、钛等金属的用的密堆积结构，配常见结构，配位数为典型结构，配位数为位数为12，原子填充8，具有良好的力学12，晶格常数达到亚效率高达74%性能和可加工性纳米级精度金属的晶体结构晶格点与晶胞常见金属晶体结构实例晶格点是原子在空间中的规则排列位置，晶胞是描述晶体铜、铝、金采用面心立方结构；铁、铬、钨采用体心立方结构的基本重复单元通过晶胞参数可以完全确定晶体的结构；镁、锌、钴采用六方密排结构几何特征不同晶体结构决定了金属的基本物理性能，如弹性模量、晶胞的选择遵循对称性最高、体积最小、夹角最接近90度热膨胀系数、导电性等重要工程参数的原则，为材料性能预测提供理论基础晶体缺陷及其影响点缺陷空位、间隙原子等零维缺陷线缺陷位错等一维缺陷，控制塑性变形面缺陷晶界、相界等二维缺陷，影响强度晶体缺陷虽然破坏了晶格的完美周期性，但却是控制材料性能的关键因素通过缺陷工程可以实现材料的强化和韧化，这是现代材料设计的重要理念位错的运动控制着金属的塑性变形能力，晶界则显著影响材料的强度和断裂行为第二章金属的物理性能

5.96×10⁷铜的电导率S/m，金属中电导率最高401铜的热导率W/m·K，优异的散热性能

2.70铝的密度g/cm³，轻质高强的特点

7.87铁的密度g/cm³，工程应用最广泛金属的光学与磁学特性高反射率特性金属表面的自由电子使其具有优异的光反射能力铁磁性材料铁、镍、钴等具有强磁性，广泛用于电机和变压器顺磁与反磁性铝、铜等金属表现出弱磁性响应特征金属的光学性能主要由自由电子的集体振荡决定，这也解释了金属特有的金属光泽磁性能则与电子的自旋和轨道磁矩相关，是现代电子工业和能源技术的重要基础第三章金属的力学性能强度特性包括屈服强度、抗拉强度、压缩强度等，反映材料抵抗变形和断裂的能力现代高强钢的抗拉强度可达2000MPa以上塑性与韧性塑性描述材料的变形能力，韧性反映材料吸收冲击能量的能力优异的塑韧性是金属材料的重要优势硬度测量通过压入法测定材料的硬度值，是评价材料耐磨性和加工性能的重要指标，广泛应用于质量控制力学性能测试方法拉伸试验与杨氏模量硬度测试方法对比拉伸试验是最基本的力学性能测试方法，通过应力-应变曲布氏硬度适用于较厚试样，压痕较大；洛氏硬度测试快速线可以获得屈服强度、抗拉强度、延伸率等关键参数杨简便，适合生产现场；维氏硬度精度高，适用于薄片和涂氏模量反映材料的弹性刚度，钢的杨氏模量约为200GPa层测试不同硬度标尺之间存在换算关系，但换算精度有限，实际应力-应变曲线的形状特征能够反映材料的变形机制和断裂应用中应根据具体要求选择合适的测试方法模式，为材料选择和结构设计提供重要依据金属的断裂与失效模式裂纹扩展裂纹萌生裂纹在载荷作用下稳定或不稳定扩在应力集中部位或缺陷处开始形成展，扩展速率决定材料的断裂韧性微裂纹，是断裂过程的起始阶段断口分析最终断裂通过断口形貌分析确定断裂机制，当裂纹扩展到临界尺寸时发生快速为失效分析和材料改进提供依据断裂，形成特征性的断口形貌金属的疲劳与蠕变疲劳破坏机理高温蠕变现象金属在交变载荷作用下发材料在高温和恒定载荷作生的渐进性损伤累积过程用下发生的缓慢塑性变旋转弯曲疲劳试验是评价形航空发动机涡轮叶片材料疲劳性能的标准方法，在1000°C以上工作温度下疲劳强度通常为静强度的的蠕变性能直接影响发动30-50%机寿命寿命预测方法通过S-N曲线预测疲劳寿命，利用拉森-米勒参数预测蠕变寿命现代材料设计越来越注重长期服役性能的可靠性评估第四章金属的结晶过程过冷与成核液态金属冷却至熔点以下形成过冷度，达到临界过冷度时开始成核晶核长大稳定晶核通过界面推移方式长大，形成树枝状或其他特征形貌晶粒形成相邻晶粒相遇形成晶界，最终建立多晶体组织结构组织优化通过控制冷却速度和添加形核剂来细化晶粒，改善材料性能晶粒与晶界结晶缺陷及其调控析出强化是铝合金中最重要的强化机制，通过控制合金元素的固溶和析出过程，可以获得纳米级强化相颗粒6061铝合金经过T6处理后，Mg₂Si析出相使强度提高3-4倍现代材料设计越来越依赖于对析出相的精确控制常见金属的结晶对比金属类型熔点°C结晶温度°C晶体结构典型应用纯铜10851083面心立方电线电缆纯铁15381535体心立方钢铁工业纯铝660658面心立方航空航天纯镁650648六方密排轻量化结构金属凝固中的组织与缺陷成分偏析缩孔缺陷气孔形成凝固过程中溶质金属凝固收缩形熔炼过程中气体元素的重新分布成的空洞缺陷，的析出和卷入形导致化学成分不严重影响铸件的成气孔，降低材均匀，影响材料致密性和力学性料密度并产生应的均匀性和性能能，需要通过工力集中，是铸造稳定性艺优化来控制工艺的重要控制点缺陷控制通过优化浇注系统设计、控制冷却速度、真空熔炼等工艺手段最小化铸造缺陷，提高产品质量第五章金属与合金合金定义与分类由两种或两种以上金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的材料按相结构可分为固溶体型、金属间化合物型和机械混合物型合金相图基础Fe-C铁碳相图是理解钢铁材料组织和性能的理论基础，包含α-Fe、γ-Fe、δ-Fe和Fe₃C等相，以及共析点（

0.77%C，727°C）和共晶点（

4.3%C，1147°C）相变与组织通过相图可以预测不同成分和温度下的平衡组织，指导热处理工艺设计和组织性能调控，是材料设计的重要工具合金形成与组织固溶体强化金属间化合物机械混合物溶质原子溶入基体晶格中形成的单相不同金属原子按一定比例和规律排列由两个或多个相机械混合而成的组织，合金，分为置换式和间隙式两种类型形成的化合物相，具有确定的化学式各相保持各自的晶体结构和性能特点溶质原子引起的晶格畸变阻碍位错运和晶体结构Ti₃Al、Ni₃Al等金属间珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合动，提高材料强度黄铜是典型的置化合物在航空发动机中发挥重要作物，是钢铁材料中最重要的组织之一换式固溶体，碳钢是间隙式固溶体的用，具有高温强度好、密度低的优代表点二元合金相图铁素体区渗碳体区35%面积比例20%面积比例α-Fe固溶体，体心立方结Fe₃C化合物，硬而脆的碳化奥氏体区两相区构，室温稳定相物相25%面积比例20%面积比例γ-Fe固溶体，面心立方结共析点和共晶点形成的复相构，高温稳定相组织区域合金强化机制细晶强化霍尔-佩奇关系的应用固溶强化溶质原子阻碍位错运动析出强化第二相粒子钉扎位错加工硬化位错密度增加提高强度现代高强度铝合金和钛合金通常同时采用多种强化机制，通过精确的成分设计和热处理工艺优化，可以实现强度和韧性的最佳匹配7075铝合金通过析出强化机制，抗拉强度可达570MPa，广泛应用于航空结构件钢的基本类型与分类钢种类别碳含量%主要合金典型强度主要应用元素MPa低碳钢

0.05-

0.25Mn,Si300-400冲压件,焊接结构中碳钢

0.25-

0.60Mn,Cr500-700机械零件,工具高碳钢

0.60-

1.40Mn,Si,Cr800-弹簧,刀具1200不锈钢

0.03-

1.20Cr≥12%,200-800化工设备,Ni食品机械第六章钢铁材料生铁到钢的转变生铁含碳量

2.11-

6.69%，通过炼钢工艺降低碳含量至

0.02-

2.11%制得钢现代转炉和电炉炼钢技术使钢的纯净度和成分控制精度大幅提升四种基本热处理退火消除内应力细化晶粒，正火获得均匀组织，淬火提高硬度和强度，回火调节硬度和韧性热处理是钢铁材料性能调控的核心技术组织性能关系通过控制加热温度、保温时间和冷却速度，可以获得不同的显微组织，实现强度、硬度、韧性和耐磨性的优化匹配钢的热处理原理奥氏体化过冷奥氏体加热至Ac3以上温度，珠光体转变为控制冷却速度使奥氏体过冷到不同均匀的奥氏体组织，为后续相变做温度区间，决定最终的组织类型准备回火调节相变过程通过回火处理调节马氏体的碳含量根据冷却速度不同，奥氏体可转变和内应力，获得理想的综合性能为珠光体、贝氏体或马氏体组织铁碳合金的显微组织珠光体组织马氏体组织贝氏体组织铁素体和渗碳体的层片状机械混合物，碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有很中温转变产物，介于珠光体和马氏体具有良好的强韧性匹配，是碳钢中最高的硬度和强度，但韧性较差针状之间，具有良好的强韧性，在现代高重要的基本组织层片间距越小，强或片状形貌是其典型特征强度钢中应用广泛度越高典型碳钢与合金钢对比碳素钢特点合金钢优势成分简单，成本低廉，加工性能良好普通碳素钢如Q235通过添加Cr、Ni、Mo、V等合金元素，显著改善钢的淬透广泛用于建筑结构，优质碳素钢如45钢用于制造轴类零件性、强韧性和特殊性能40Cr调质后强度可达1000MPa以上•Q195:建筑用钢，可焊性好•40Cr:结构钢，淬透性好•Q235:最常用结构钢•65Mn:弹簧钢，弹性极限高•45钢:中碳调质钢代表•9CrSi:工具钢，耐磨性优•T8钢:工具钢，硬度高•38CrMoAl:渗氮钢，表面硬不锈钢材料奥氏体不锈钢马氏体不锈钢以

304、316为代表，含以

410、420为代表，含Cr18-20%、Ni8-12%，Cr12-18%，可热处理强具有优异的耐腐蚀性和可化，具有高强度和一定的加工性广泛应用于化工耐腐蚀性主要用于刀具、设备、食品机械和医疗器量具和结构件械铁素体不锈钢以430为代表，含Cr12-30%，成本较低，具有良好的耐应力腐蚀性能广泛用于汽车排气系统和建筑装饰铸铁材料灰铸铁石墨呈片状分布，具有良好的铸造性能和减震性，广泛用于机床床身、缸体等大型结构件球墨铸铁石墨呈球状分布，力学性能接近钢材，被称为以铁代钢的典型材料，大量用于汽车零部件可锻铸铁石墨呈团絮状分布，塑性和韧性较好，适合制造承受冲击载荷的零件，如农机具和管件特种铸铁包括耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等，通过合金化实现特殊性能要求钢的应用实例亿吨

10.32000m中国钢产量港珠澳大桥2023年全球占比超过50%使用高强度钢材120万吨万吨350km/h8复兴号高铁航母钢材用量车体采用铝合金和高强钢特种高强度舰船用钢第七章有色金属材料有色金属材料以其独特的物理化学性能在现代工业中发挥着不可替代的作用铜的优异导电性使其成为电力工业的首选材料，铝的轻质高强特性在航空航天领域具有重要地位，而各种铜合金如黄铜、青铜则在机械制造和艺术品制作中广泛应用典型有色金属性能及用途优异导电性耐腐蚀特性电子工业应用铜的电导率仅次于银，是铝在空气中自然形成致密铜在集成电路互连线路中电力传输的理想材料现的氧化膜，具有优异的耐不可替代，铝用于芯片封代电网中99%的输电线路大气腐蚀性能海洋环境装和散热器5G通信设备采用铜导体，确保了电能中的铝合金结构使用寿命中有色金属用量占总重量的高效传输可达50年以上的60%以上航天航空应用商用飞机机身70%采用铝合金，发动机部件大量使用钛合金C919大飞机铝合金用量达到65%，体现了轻量化设计理念镁、钛及其合金镁合金轻量化优势钛合金卓越性能镁的密度仅为

1.74g/cm³，是最轻的结构金属材料AZ91钛合金具有高比强度、优异的耐腐蚀性和生物相容性镁合金在保持足够强度的同时，重量比铝合金轻35%，比TC4钛合金的比强度是不锈钢的2倍，在-253°C至600°C范钢轻75%围内性能稳定新能源汽车大量采用镁合金减重，电池壳体、座椅骨架、航空发动机中钛合金用量占30-40%，医用植入物95%采仪表盘支架等部件的镁合金化率不断提升特斯拉Model用钛合金中国大飞机C919发动机钛合金用量达到18%，S的镁合金用量超过30kg接近国际先进水平贵金属及稀有金属贵金属特性化学稳定性极高，耐腐蚀性优异电子工业应用集成电路、连接器、传感器关键材料稀土战略价值现代高技术产业的维生素中国稀土储量占全球36%，产量占全球60%以上钕铁硼永磁材料广泛应用于新能源汽车电机和风力发电机锂作为动力电池核心材料，全球需求量年增长率超过20%钨的熔点高达3422°C，是制造高温合金和硬质合金的重要元素有色金属材料难点与发展高端制造突破7系铝合金航空板材技术瓶颈资源回收利用建立完善的有色金属循环体系供应链安全稀有金属全球供应格局调整绿色发展清洁生产和环境保护要求高端铝合金制造技术长期被欧美垄断，近年来中国在7075-T651厚板、2024-T351中厚板等关键产品上实现突破稀土永磁材料产业链完整性和技术先进性决定了新能源产业的竞争力钛合金大型构件成形技术仍需持续攻关第八章金属腐蚀与防护腐蚀机制总览经济损失巨大金属腐蚀分为化学腐蚀和全球每年因金属腐蚀造成电化学腐蚀两大类电化的经济损失约占GDP的学腐蚀占90%以上，涉及

2.5%，相当于

3.4万亿美阳极溶解和阴极还原的电元中国年腐蚀损失超过化学反应过程2万亿人民币工程实际影响基础设施使用寿命缩短，维护成本增加，安全隐患突出海洋工程、化工装备、交通运输等领域腐蚀问题尤为严重典型腐蚀类型与案例全面腐蚀金属表面均匀发生的腐蚀，如钢铁在大气中的锈蚀虽然速度相对较慢，但影响范围大，是最常见的腐蚀类型美国每年更换的桥梁中，80%是由于腐蚀导致的结构失效局部腐蚀包括点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等不锈钢在氯离子环境中的点蚀是典型代表，腐蚀深度大但面积小，隐蔽性强，危害更大应力腐蚀开裂在拉应力和特定腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂1967年美国Point Pleasant大桥坍塌事故就是由于应力腐蚀导致的突发性失效常见防腐蚀技术表面防护电化学保护30%应用比例25%应用比例镀锌、喷涂、阳极氧化等表面处理技术阴极保护和阳极保护技术介质处理耐蚀合金20%应用比例25%应用比例缓蚀剂、pH调节、除氧等方法不锈钢、钛合金、镍基合金等金属材料的再利用与回收第九章新型金属材料纳米金属材料晶粒尺寸在1-100nm范围内的超细晶材料，具有超高强度、优异的塑性和独特的物理性能纳米镍的强度是常规镍的5倍以上高温合金在600°C以上仍保持优异力学性能的合金，广泛应用于航空发动机和燃气轮机第四代单晶高温合金使用温度达1100°C形状记忆合金具有形状记忆效应和超弹性的智能材料，NiTi合金可承受8%的可恢复应变，在医疗器械和航空航天中应用广泛金属基复合材料颗粒增强SiC、Al₂O₃等陶瓷颗粒增强金属基体，提高强度和耐磨性纤维增强碳纤维、硼纤维等连续纤维提供高比强度和比刚度层状复合不同金属层交替排列，实现功能和结构的一体化设计网状增强三维网状增强体提供各向同性的高性能特征。