《金属材料特性与测试》课件

金属材料特性与测试欢迎学习金属材料特性与测试课程本课程将系统介绍金属材料的基本特性、测试方法与应用实例，帮助您全面了解金属材料科学的理论基础与实践技能通过本课程的学习，您将掌握金属材料的物理性能、化学性能和力学性能，了解各种测试方法的原理与操作，并能够应用这些知识解决工程实际问题课程概述基础知识测试方法性能分析系统讲解金属材料详细介绍物理、化通过典型案例分析的分类、组成结构学及力学性能测试金属材料的性能特及基本性质，为后技术，包括标准、点，培养材料选择续学习奠定坚实理设备及数据分析与评价能力论基础应用实例结合工程实际，探讨金属材料在汽车、航空等领域的应用与发展趋势学习目标综合应用能够综合运用所学知识解决工程问题测试实践掌握金属材料测试方法与数据分析性能理解深入理解金属材料的物理、化学与力学性能基础知识掌握金属材料基本概念与分类通过本课程的学习，您将系统掌握金属材料的基本特性、测试标准及方法，理解金属材料的生产工艺流程，具备分析材料性能并进行合理选择的能力课程强调理论与实践相结合，注重培养实际操作技能与问题解决能力第一章金属材料基础微观结构金属材料的原子结构、晶体学基础与金属键特点宏观特性金属材料的物理、化学与力学性能综述分类体系金属材料的主要分类方法与体系介绍应用领域金属材料在工程领域的主要应用与特点金属材料是工程应用中最重要的材料类型之一，了解其基本特性与分类是深入学习的基础本章将从微观结构出发，系统介绍金属材料的基本概念、分类方法及主要特性，帮助学习者建立金属材料科学的整体框架金属材料的定义金属光泽金属材料具有典型的金属光泽，这是其表面自由电子对光的反射特性所致，使其呈现出明亮的外观导电导热性由于自由电子的存在，金属材料通常具有优异的导电性和导热性，是电子工业和热交换设备的重要材料延展性金属材料普遍具有良好的塑性变形能力，可以通过锻造、轧制等加工方法制成各种形状的构件晶体结构大多数金属在室温下呈现规则的晶体结构，其原子排列方式对材料性能有决定性影响金属材料是以金属元素为主要成分，具有金属键结合的一类工程材料其基本特征包括良好的导电导热性、不透明性、可塑性和金属光泽从微观角度看，金属原子间以金属键结合，形成晶体结构，其中的自由电子使金属具有独特的物理性质金属材料的分类按化学成分分类•纯金属含量大于99%的单一金属元素•合金两种或两种以上元素的混合物•金属基复合材料金属与非金属结合按主要元素分类•黑色金属以铁为基础的金属材料•有色金属除铁外的所有金属材料•稀有金属自然界含量少或提取困难的金属按用途分类•结构材料承受载荷的材料•功能材料利用特殊物理化学性能的材料•工具材料用于制造工具的材料按晶体结构分类•体心立方结构如铁、钼、钨•面心立方结构如铝、铜、镍•密排六方结构如镁、锌、钛金属材料的分类方法多种多样，可以从不同角度对其进行归类按成分分类是最基本的方法，将金属材料分为纯金属和合金；按主要元素分类则可分为钢铁材料和有色金属材料；按用途分类可分为结构材料和功能材料等常见金属材料钢铁材料是应用最广泛的金属材料，包括碳钢、合金钢和不锈钢等碳钢按碳含量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢，性能各异；合金钢通过添加合金元素改善性能；不锈钢则以耐腐蚀性著称轻金属以密度小为特点，主要包括铝及铝合金、镁及镁合金，广泛应用于需要减轻重量的场合重有色金属如铜及铜合金、镍及镍合金具有良好的导电性和耐腐蚀性稀有金属如钛、锆、钨等及其合金则以特殊性能著称，常用于高技术领域合金的概念定义与本质性能改善合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属与通过合金化可显著改善纯金属的强度、硬度、耐非金属元素按一定比例混合而成的具有金属特性腐蚀性等性能，拓展应用范围的物质应用领域4微观结构不同成分配比的合金可满足航空航天、汽车、电合金可形成固溶体、中间相或共晶组织等多种微子等领域的特殊需求观结构，决定了其最终性能合金是金属材料中最重要的一类，通过在基体金属中加入其他元素，可以获得优于纯金属的综合性能合金化的主要目的是改善材料性能，如提高强度、硬度、耐蚀性、耐热性等，或赋予材料特殊的物理、化学性质，从而扩大应用范围第二章金属材料的物理性能物理性能基础密度、导电性、导热性等基本物理量的概念与测量原理测量方法各种物理性能的标准测试方法与设备操作数据分析测试数据的处理、分析与评价方法工程应用物理性能在工程设计中的应用与考量金属材料的物理性能是其最基本的特性之一，直接影响其工程应用本章将系统介绍金属材料的密度、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等物理性能，探讨这些性能的测量原理、方法和标准物理性能概述

7.

858.96钢的密度g/cm³铜的密度g/cm³结构钢的典型密度值，是设计计算的重要参数铜的密度较高，但导电性优异

2.70401铝的密度g/cm³铜的导热系数W/m·K铝的低密度使其成为轻量化设计的首选材料铜的高导热性使其广泛用于热交换设备金属材料的物理性能包括密度、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等多种特性密度是单位体积的质量，直接影响材料的重量；导电性与电子在金属中的移动能力有关，通常用电阻率表示；导热性表示材料传导热量的能力，与原子振动和自由电子有关金属材料密度测量试样准备将金属试样切割成规则形状，清洁表面，确保无气孔和夹杂物，提高测量精度直接测量法对于规则形状试样，可直接测量尺寸计算体积，再测量质量，计算密度但此方法精度有限，适用于初步估计液体置换法基于阿基米德原理，测量试样在空气中和液体中的质量差，计算密度常用液体为水或酒精，适用于不规则形状试样密度梯度柱法利用不同浓度液体形成的密度梯度柱，观察试样在其中的平衡位置，与已知密度的标准样品比较确定密度密度是金属材料最基本的物理性能之一，表示单位体积内的质量密度测量广泛应用阿基米德原理，通过液体置换法测定该方法原理是测量试样在空气中的质量和在液体中的视重，利用浮力原理计算密度导电性与电阻率导电机理测量方法金属导电主要由自由电子运动实现晶格中的自由电子在电场作电阻率测量常用四探针法该方法通过外部两电极通电，内部两用下定向移动形成电流纯金属导电性好，而合金通常电阻率较电极测量电压降，可消除接触电阻影响，提高测量精度高，这是因为合金元素原子扰乱了电子运动路径对于不同形状试样，需采用不同的测量设置和计算公式薄膜和温度升高会增加原子热振动，阻碍电子移动，导致大多数金属电细丝材料测量尤为复杂，需要专门的测试设备和校准方法标准阻率随温度升高而增大超导体则在特定温度下电阻突然降为测试要求恒定温度环境，通常为20℃零金属材料的导电性是其最重要的物理性能之一，通常用电阻率（）或电导率（）表示电阻率是材料在单位长度、单位截面积下的ρσ电阻值，单位为不同金属材料的电阻率差异很大，如银的电阻率约为⁻，而锰钢可达⁻Ω·m

1.59×10⁸Ω·m1×10⁶Ω·m导热性导热机理金属导热由自由电子和晶格振动共同实现，其中自由电子贡献占主导地位电子在金属中快速移动，携带热能从高温区域传递到低温区域，实现热传导测量原理导热系数测量基于傅里叶热传导定律，通过测定稳态或瞬态条件下的热流和温度梯度计算常用方法包括热流法、激光闪射法和热电偶法等测试设备激光闪射仪可测量高导热材料，热流计适合测量一般材料，热线法适用于低导热材料选择合适的测量方法和设备对准确测定导热系数至关重要影响因素材料的导热性受成分、温度、晶体结构和缺陷等因素影响纯金属导热性通常优于合金，导热系数随温度变化，不同晶体结构的金属导热性能也有明显差异导热性是金属材料传递热能的能力，通常用导热系数λ表示，单位为W/m·K金属的导热性能与其导电性密切相关，这是因为它们都与自由电子的移动有关，符合维德曼-弗兰兹定律纯金属导热性通常高于合金，铜、银、铝等是常用的高导热金属热膨胀性能材料磁性测试磁滞回线测试软磁材料特性硬磁材料特性磁滞回线是描述铁磁性材料磁性能的重要特征曲线，软磁材料如硅钢、坡莫合金等具有窄磁滞回线和低硬磁材料如钕铁硼、铁氧体磁体等具有宽磁滞回线通过环形测试仪或振动样品磁强计获得测试过程矫顽力，容易磁化和去磁化，主要用于变压器、电和高矫顽力，一旦磁化不易退磁，主要用于永磁器中，材料被置于变化的外磁场中，同时测量其磁感机等测试中重点关注其最大磁导率、饱和磁感应件测试重点是剩余磁感应强度、矫顽力和最大磁应强度，形成闭合的磁滞循环曲线强度和铁损等参数能积等参数金属材料的磁性测试是评价磁性材料性能的重要手段通过磁滞回线测定，可以获得材料的重要磁性参数，如饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc和最大磁能积BHmax等这些参数直接反映材料的磁性能特点，是选择和应用磁性材料的重要依据第三章金属材料的化学性能化学稳定性抗氧化性材料在各种化学环境中保持稳定的能力，是材料在高温环境中抵抗氧化的能力，对高温耐腐蚀性的基础应用至关重要表面特性耐腐蚀性材料表面的物理化学性质，与摩擦、磨损和材料抵抗电化学腐蚀和化学腐蚀的能力，影润滑相关响使用寿命金属材料的化学性能主要表现为其在各种环境介质中的稳定性和反应性，包括耐腐蚀性、抗氧化性、耐高温性能和表面特性等这些性能直接影响材料的使用寿命和工作可靠性，在材料选择和应用中具有重要意义化学性能概述耐腐蚀性•金属在各种介质中抵抗破坏的能力•与合金成分、表面状态、环境条件密切相关•通过浸泡试验、电化学测试等方法评估•可通过合金化、表面处理、阴极保护等方法提高抗氧化性•金属材料在高温环境中抵抗氧化的能力•与材料表面氧化膜的稳定性相关•通过氧化增重、氧化膜厚度等参数评价•影响高温设备的使用寿命和安全性耐高温性能•材料在高温环境中保持力学性能的能力•包括高温强度、抗蠕变性和热疲劳性能•与材料的熔点、结构稳定性相关•对航空发动机、核电设备等关键部件至关重要表面特性•材料表面的物理化学性质•包括摩擦系数、润湿性、吸附性等•通过表面处理可显著改变材料表面特性•影响材料的耐磨性、接触性能和美观度金属材料的化学性能是其与环境介质相互作用的表现，直接关系到材料的使用寿命和可靠性耐腐蚀性是最重要的化学性能之一，表示材料抵抗环境介质化学或电化学破坏的能力不同金属材料的耐腐蚀性差异很大，如不锈钢在大气和许多化学介质中表现优异，而普通碳钢则容易被腐蚀腐蚀机理电化学腐蚀原理腐蚀类型电化学腐蚀是金属材料最常见的腐蚀形式，发生在导电介质中均匀腐蚀是金属表面均匀减薄的过程，容易预测和控制局部腐其本质是形成原电池，包括阳极（金属溶解区）、阴极（还原反蚀则集中在特定区域，包括点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等，危害应区）、电解质（导电介质）和电子导体（金属本身）四个要性更大，难以预测素应力腐蚀开裂是应力和腐蚀环境共同作用的结果，特征是沿垂直在阳极区，金属原子失去电子变为金属离子进入溶液M→于拉应力方向产生裂纹这种腐蚀形式极其危险，可导致结构突M^n++ne^-；在阴极区，发生还原反应，如氧气还原O₂+然失效，是工程中的主要隐患之一，或氢离子还原2H₂O+4e^-→4OH^-2H^++2e^-→H₂腐蚀环境可分为大气环境、水环境、土壤环境和高温环境等大气腐蚀受湿度、温度和污染物影响，如工业大气中的和海洋大气中SO₂的加速腐蚀；水环境中的值、溶解氧和离子浓度是关键因素；土壤腐蚀则与土壤类型、含水量和微生物活动有关Cl^-pH腐蚀测试方法浸泡试验将试样浸入特定溶液中，定期观察外观变化并测量重量损失，计算腐蚀速率盐雾试验在盐雾箱中模拟海洋或工业环境，评估材料或涂层的耐腐蚀性能电化学测试通过极化曲线、阻抗谱等测量材料的电化学参数，分析腐蚀机理和速率性能评价综合分析腐蚀速率、形貌变化和机械性能退化，确定材料的耐腐蚀等级浸泡试验是最基本的腐蚀测试方法，适用于各种金属材料试验前需记录试样的初始重量和尺寸，浸泡一定时间后取出，清洗、干燥并称重，计算重量损失和腐蚀速率常用公式为腐蚀速率mm/a=87600×重量损失g/[密度g/cm³×表面积cm²×时间h]该方法简单直观，但需要较长时间氧化与高温性能氧化机理1金属高温氧化是金属与氧气反应形成氧化物的过程初始阶段形成薄氧化膜，随后氧化过程取决于氧化膜的性质若氧化膜致密且附着良好，可阻止进一步氧化；若氧化膜疏松或开裂，氧化将持续进行2氧化动力学氧化过程遵循不同的动力学规律线性定律表示氧化膜无保护作用；抛物线定律表示氧化膜有一定保护作用，氧化速率随时间减慢；对数定律表示氧化膜保护性强，氧化速率迅速降低3测试方法高温氧化测试主要通过热重分析法测定样品在高温氧化过程中的质量变化将试样置于精密天平上，在控制温度和气氛的条件下，连续记录质量随时间的变化，绘制氧化动力学曲线4高温蠕变蠕变是材料在高温长期载荷作用下发生的缓慢塑性变形蠕变测试通过在恒定载荷和温度条件下，测量试样变形随时间的关系蠕变曲线通常分为瞬时变形、一次蠕变、二次蠕变和三次蠕变阶段金属材料的高温性能包括抗氧化性、高温强度和抗蠕变性等高温氧化是多数金属材料在高温环境中面临的主要问题，其速率和机理与材料成分、温度和环境气氛密切相关通过添加Cr、Al、Si等元素可提高合金的抗氧化性，这些元素能形成致密的保护性氧化膜第四章金属材料的力学性能强度特性材料承受载荷而不发生破坏的能力，包括抗拉强度、屈服强度和抗压强度等强度是工程设计中最基本的力学参数，直接决定构件的承载能力塑性指标材料在破坏前发生永久变形的能力，通常用延伸率和断面收缩率表示良好的塑性使材料能够通过变形吸收能量，避免脆性断裂硬度性能材料抵抗局部变形或压入的能力，是表征材料耐磨性和加工性能的重要指标常用硬度测试方法包括布氏、洛氏和维氏硬度等冲击与疲劳材料承受动态载荷的能力，包括冲击韧性和疲劳性能这些性能对于承受循环载荷或冲击载荷的构件尤为重要，关系到结构的长期安全性金属材料的力学性能是其最重要的使用性能，是工程设计和材料选择的主要依据本章将系统介绍金属材料的强度、塑性、硬度、韧性和疲劳等力学性能的基本概念、测试方法和影响因素，帮助学习者全面了解金属材料的力学行为规律力学性能概述强度指标塑性指标强度表示材料抵抗变形和断裂的能力，包括抗拉塑性表示材料发生永久变形的能力，主要用延伸强度σb、屈服强度σs和抗压强度等抗拉强度率δ和断面收缩率ψ表示延伸率是试样断后伸是材料承受的最大应力，屈服强度表示材料开始长量与原始标距的比值，断面收缩率是断后横截发生塑性变形时的应力面减小量与原始横截面积的比值硬度指标动态性能硬度是材料抵抗硬物压入的能力，常用布氏硬度动态性能包括冲击韧性和疲劳性能，反映材料在HB、洛氏硬度HRA、HRB、HRC和维氏硬度动态载荷下的行为冲击韧性用冲击吸收能量表HV表示硬度测试简便快捷，可间接估算其他示，疲劳性能用疲劳极限和疲劳寿命表示力学性能金属材料的力学性能是其承受各种载荷能力的综合反映，是材料选择和结构设计的重要依据强度和塑性是最基本的力学性能指标，前者关系到构件的承载能力，后者关系到材料的变形能力和能量吸收能力理想的结构材料应同时具备高强度和良好塑性拉伸试验原理金属材料拉伸性能测试试样制备按照国家标准GB/T

228.1制备标准拉伸试样，通常为圆棒或板条状试样表面需平滑，无明显缺陷，两端应加工适合夹具的形状在标距段内标记准确的标距长度（通常为50mm或80mm）用于测量延伸率试验准备测量并记录试样的原始尺寸，包括标距长度L

0、横截面积S0等检查万能试验机状态，确保传感器校准正确，选择适合试样强度范围的传感器和夹具设置合适的加载速率（通常为

0.5-2mm/min）试验过程将试样安装在试验机夹具中，确保试样轴线与加载方向一致启动试验机，施加拉伸载荷直至试样断裂在此过程中，连续记录载荷F和伸长量ΔL的关系曲线，并观察试样的变形情况数据处理根据记录的载荷-伸长曲线，计算应力-应变关系确定弹性模量E、屈服强度σs（或σ

0.2）、抗拉强度σb测量断后试样的标距长度L1和断面直径d1，计算延伸率δ和断面收缩率ψ金属材料拉伸性能测试是最常用的力学性能测试方法，通过标准化的试验程序获取材料的强度和塑性参数测试需遵循严格的标准和规范，如我国的GB/T228系列标准或国际标准ISO6892，以确保结果的准确性和可比性试样的制备和尺寸测量需特别注意，误差会直接影响计算结果拉伸试验设备与操作试验机结构夹具选择数据采集电子万能试验机主要由加载系统、测量系统和控制系夹具是连接试样与试验机的关键部件，根据试样形状现代拉伸试验通常采用自动化数据采集系统，实时记统组成加载系统包括机架、动横梁和驱动装置；测和材料选择合适的夹具常见的有楔形夹具、螺旋夹录载荷、位移和应变等参数高精度的引伸计可直接量系统包括力传感器和位移传感器；控制系统则由计具和液压夹具等夹具必须能牢固夹持试样，避免试测量试样标距段的变形，获得更准确的应变数据数算机和专用软件组成，用于控制试验过程和数据采样在夹具中滑动，同时确保加载轴线与试样轴线对据采集频率应根据材料变形特性和试验目的合理设集中置电子万能试验机是进行拉伸试验的主要设备，可测试多种材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验前需进行多项准备工作，包括仪器校准、参数设置和试样安装加载速率的选择尤为重要，过快会影响结果准确性，过慢则延长试验时间标准通常规定应变速率在

0.00025-

0.0025s⁻¹范围内硬度测试原理布氏硬度使用一定直径的淬硬钢球或硬质合金球，在规定载荷下压入试样表面，测量压痕直径计算硬度值维氏硬度使用角度为136°的正四棱锥金刚石压头，在规定载荷下压入试样，测量压痕对角线长度计算硬度值洛氏硬度使用金刚石锥或钢球压头，测量压入深度的差值确定硬度，分为HRA、HRB、HRC等多个标尺硬度换算不同硬度制间可通过经验公式或对照表进行近似换算，但应注意换算的适用范围和精度限制硬度是材料抵抗局部变形或压入的能力，是表征材料强度、耐磨性和加工性能的重要指标布氏硬度测试适用于较软的材料，如退火钢、铸铁和有色金属，硬度值HB=

0.102×2F/[πDD-√D²-d²]，其中F为载荷，D为压头直径，d为压痕直径该方法测试范围广，但对硬度高的材料不适用，且压痕较大金属材料硬度测试试样制备要求测试过程与注意事项硬度测试要求试样表面平整、光滑、无油污和氧化层试样厚度应足硬度测试前应检查仪器校准状态，选择适当的载荷和压头布氏硬度够大，通常至少为压痕深度的倍，以避免底部支撑面的影响对测试通常选择球和载荷（）；维氏硬度常8-1010mm3000kg HB10/3000于小型或形状不规则的试样，可能需要嵌入树脂中进行固定用载荷范围为1-50kg；洛氏硬度则根据材料硬度选择合适的标尺（如钢材常用，铜铝用）HRC HRB对于不均匀材料或需要测量硬度分布的情况，应事先规划测点位置，测试时应确保压头垂直于试样表面，压入和卸载速度应符合标准要确保测点之间的距离足够大（一般为压痕直径的倍），避免相互求每种材料应进行多点测量（一般不少于点），取平均值作为最3-55影响表面处理通常包括研磨和抛光，对于精密测量可能还需要电解终结果测量压痕时需使用适当的放大设备，确保读数准确抛光硬度测试数据处理相对简单，主要涉及多点测量的平均值和标准偏差计算对于布氏和维氏硬度，需要根据压痕尺寸和载荷，使用相应公式或查表得到硬度值一些现代硬度计可自动完成测量和计算过程，直接显示硬度值弯曲试验三点弯曲原理四点弯曲原理数据分析三点弯曲试验是将试样放置在两个支撑点上，在中点四点弯曲试验使用两个加载点，在支撑点之间形成恒弯曲试验记录载荷-位移曲线，从中可获取弯曲强度、施加载荷使试样弯曲变形这种配置使试样上表面产定弯矩区域这种配置使得试样在加载点之间的区域弯曲模量和弯曲变形能力曲线的线性部分表示弹性生压应力，下表面产生拉应力，中性层无应力弯曲受到纯弯曲，应力分布更加均匀，有利于评估材料的变形，弯曲模量可从此阶段的斜率计算曲线的最高强度计算公式为σb=3FL/2bh²，其中F为最大载真实性能四点弯曲强度计算公式为σb=FL/bh²，点对应最大弯曲强度，曲线形状反映材料的变形和断荷，L为跨距，b为试样宽度，h为厚度其中F为总载荷，L为内外支点间距离裂特性弯曲试验是评价材料抗弯性能的重要方法，特别适用于脆性材料对于金属材料，弯曲试验常用于评价材料的塑性和焊接接头的性能试验中，试样逐渐弯曲到规定角度或直至断裂，通过观察试样外表面的开裂情况评价材料塑性弯曲试验设备通常使用万能试验机配合专用弯曲夹具进行扭转试验应力状态分析扭转试验中试样承受纯剪切应力，与拉伸和压缩试验的应力状态完全不同对于圆棒试样，剪应力从轴心向外线性增加，最大剪应力出现在表面，τmax=16T/πd³，其中T为扭矩，d为试样直径试样与设备标准扭转试样通常为圆棒形，两端有特殊设计以便夹持试验设备为扭转试验机，能施加稳定的扭矩并精确测量扭转角度对于金属材料，还需测量扭转过程中的扭矩-角度关系曲线参数计算通过扭转试验可获得材料的剪切屈服强度τs、极限剪切强度τb、剪切模量G和扭转塑性剪切模量G=Tl/Jpθ，其中l为标距长度，Jp为极惯性矩，θ为扭转角度4工程应用扭转试验结果广泛应用于轴类零件设计和材料选择对于传动轴、扭杆弹簧等主要承受扭转载荷的构件，扭转性能是关键设计参数不同金属材料的扭转性能差异显著扭转试验是评价材料抵抗扭转变形和断裂能力的重要方法在试验中，圆棒试样一端固定，另一端施加扭矩，使试样产生角度变形记录扭矩与扭转角度的关系，分析材料的剪切强度和塑性扭转试验特别适用于评价轴类零件材料的性能，也是研究材料各向异性的有效手段冲击韧性试验冲击韧性概念夏比冲击试验冲击韧性是材料在高应变速率条件下抵抗冲击载荷破坏的能力，反映夏比冲击试验是最常用的冲击韧性测试方法试验使用标准尺寸的缺材料吸收能量和抵抗动态载荷的能力这一性能对评价材料的脆性特口试样（通常为10×10×55mm，带V形或U形缺口），在摆锤式冲击别重要，因为某些在静载下表现塑性良好的材料，在冲击载荷下可能试验机上进行试样水平放置在两个支座上，摆锤从特定高度释放，表现出脆性冲击试样缺口对面，使试样断裂冲击韧性与材料的组织结构、温度和应变速率密切相关在低温下，冲击值计算为摆锤冲击试样前后势能的差值，单位为焦耳J标准大多数金属材料的冲击韧性会显著降低；晶粒细化、消除有害杂质和冲击韧性通常表示为冲击吸收能量与试样缺口处横截面积的比值，单合理热处理可以提高材料的冲击韧性位为J/cm²GB/T229标准规定了试验的详细程序和要求韧脆转变温度是评价材料低温性能的重要指标对于体心立方结构的金属（如低碳钢），存在明显的韧脆转变现象，即在特定温度范围内，冲击韧性随温度降低而急剧下降通过在不同温度下进行冲击试验，绘制冲击韧性温度曲线，可确定材料的韧脆转变温度-疲劳性能测试断裂韧性测试50低碳钢KICMPa·m½低碳钢的典型断裂韧性值，表现出良好的韧性100高强度钢KICMPa·m½经热处理的高强度钢断裂韧性值25铝合金KICMPa·m½高强铝合金的典型断裂韧性值70钛合金KICMPa·m½航空用钛合金的断裂韧性值断裂韧性是材料在含有裂纹的情况下抵抗断裂的能力，是现代断裂力学的核心参数断裂力学基于能量平衡和应力强度因子概念，研究裂纹在材料中的扩展行为应力强度因子K表示裂纹尖端附近的应力场强度，当K达到材料的断裂韧性KIC时，裂纹开始不稳定扩展，导致断裂第五章材料测试技术测试标准体系了解国内外金属材料测试标准体系，掌握标准选择和应用方法，确保测试结果的可靠性和可比性无损检测技术学习超声波、X射线、磁粉等无损检测方法的原理和应用，能够在不破坏材料的情况下检测内部缺陷3微观分析技术掌握金相显微分析、电子显微分析等方法，从微观角度研究材料组织结构与性能的关系成分分析技术了解各种化学和物理分析方法，精确测定金属材料的化学成分和元素分布材料测试技术是连接材料科学理论与工程应用的桥梁，通过科学、系统的测试手段，获取材料性能数据，为材料研发、选择和应用提供科学依据本章将系统介绍金属材料测试的各种先进技术和方法，包括测试标准体系、无损检测技术、微观分析方法和成分分析技术等材料测试标准体系国家标准GB•中国国家标准化管理委员会发布•GB/T228系列金属材料拉伸试验方法•GB/T230系列金属材料硬度试验方法•GB/T229金属材料夏比摆锤冲击试验方法•强制性标准GB和推荐性标准GB/T行业标准YB•由特定行业主管部门发布•YB/T5126钢铁材料断裂韧性测试方法•YB/T5143金属材料疲劳试验方法•补充国家标准，针对性更强•适用于特定行业的材料和产品国际标准•ISO标准国际标准化组织发布•ASTM标准美国材料与试验协会发布•EN标准欧洲标准化委员会发布•JIS标准日本工业标准•国际贸易和合作中广泛采用标准选择原则•优先采用国家标准和行业标准•出口产品应符合目标市场标准要求•考虑标准的适用性和先进性•注意标准的版本和有效性•特殊情况可制定企业标准材料测试标准是保证测试结果准确、可靠和具有可比性的基础标准规定了试样制备、测试设备、测试方法、数据处理和结果表示等各个环节的具体要求，确保不同实验室或不同时间的测试结果具有一致性中国的材料测试标准体系包括国家标准、行业标准、地方标准和企业标准，形成了完整的标准层次结构无损检测技术超声波检测X射线检测磁粉检测超声波检测利用高频声波在材料中传播和反射的原理，检X射线检测基于X射线穿透材料时被吸收的原理，缺陷处吸磁粉检测适用于铁磁性材料，通过在被检件中建立磁场，测内部缺陷声波遇到缺陷或界面时会发生反射，通过分收量不同导致成像对比度变化通过胶片或数字探测器记缺陷处产生漏磁场，磁粉在漏磁场作用下聚集形成可见指析回波信号可确定缺陷位置、大小和性质常用于检测焊录X射线透射图像，可直观显示内部缺陷广泛用于检测示方法简单、成本低、灵敏度高，特别适合检测表面和缝、铸件和锻件中的裂纹、气孔、夹杂等缺陷，具有检测铸件、焊接接头中的气孔、夹杂和裂纹等，特别适合检测近表面裂纹局限性是仅适用于铁磁性材料，且主要检测深度大、精度高的优点难以用超声波探测的复杂形状构件表面和近表面缺陷渗透检测是利用低表面张力液体渗入表面开口缺陷，然后使用显像剂将渗透液从缺陷中吸出形成清晰指示方法简单、成本低、适用范围广，可用于各种金属和非金属材料的表面开口缺陷检测，如裂纹、气孔和砂眼等但只能检测表面开口缺陷，且对表面清洁度要求高显微组织观察样品制备切取代表性样品，镶嵌、研磨、抛光至镜面状态，根据需要进行化学或电解腐蚀显示组织光学显微镜利用可见光观察样品表面组织，分辨率约

0.2μm，可观察晶粒大小、相分布和常见缺陷扫描电镜利用电子束扫描样品表面，分辨率可达数纳米，可观察表面形貌和微区成分透射电镜电子束穿透超薄样品，分辨率可达原子级别，可观察晶体结构、位错和纳米相金相试样制备是显微组织观察的关键步骤，包括取样、镶嵌、研磨、抛光和腐蚀取样应选择代表性位置，避免切割过程中引入变形和热影响；镶嵌可使小型或不规则样品便于操作；研磨和抛光过程需逐步减小磨料粒度，最终达到无划痕的镜面状态；腐蚀则通过选择性溶解或氧化使不同相或晶界显现对比度成分分析技术光谱分析X射线荧光分析基于材料在激发状态下发射特征光谱的原理，可快利用X射线激发样品产生特征荧光，无损测定材料中速、同时分析多种元素元素种类和含量质谱分析电子探针分析将样品电离并按质荷比分离，高精度测定元素含量结合电子显微镜和X射线分析，实现微区元素分布和3和同位素比例含量的精确测定光谱分析是金属材料成分分析的常用方法，包括火花放电光谱和电感耦合等离子体原子发射光谱ICP-AES等火花光谱适用于固体金属样品的快速分析，精度可达

0.001%，是钢铁厂和金属加工企业常用的分析手段；ICP-AES则适用于溶液样品，灵敏度高，可同时测定多种元素，广泛应用于精确分析第六章钢铁材料生产工艺原料准备1铁矿石、焦炭和熔剂的选择与处理炼铁过程高炉冶炼原理与操作控制炼钢工艺3转炉、电炉冶炼和二次精炼技术成型与处理连铸、轧制和热处理工艺钢铁材料是现代工业的基础材料，了解其生产工艺对于理解材料性能和合理使用至关重要本章将系统介绍钢铁材料从原料到成品的完整生产流程，包括炼铁、炼钢、铸造、轧制和热处理等关键工艺，以及不同类型钢铁材料的特性与应用钢铁材料生产流程原料准备铁矿石经过破碎、筛分、选矿等工序，制成精矿粉；与焦炭、石灰石等配料后，通过烧结或球团工艺制成炉料；焦炭由煤经高温干馏而成，是高炉的燃料和还原剂炼铁工艺在高炉中，铁矿石与焦炭、熔剂在高温下反应，铁氧化物被还原为生铁；高炉温度从上到下逐渐升高，顶部约200℃，底部可达1600℃；生产的生铁含碳量高3炼钢工艺（约4%），还含有硅、锰、硫、磷等元素将生铁中过量的碳和杂质元素去除，得到成分和性能符合要求的钢水；主要设备有转炉、电弧炉和感应炉；现代钢厂普遍采用二次精炼技术，如真空处理、气体铸造与轧制搅拌和电渣重熔等，提高钢的纯净度钢水通过连续铸造成为坯料，如方坯、板坯等；坯料经加热后进入轧机，通过热轧或冷轧成为各种形状和尺寸的钢材，如板材、型材、管材等；轧制过程改变金热处理属的组织结构，提高强度和韧性通过加热、保温和冷却的控制，改变钢的内部组织结构，获得所需的性能；常见热处理有退火、正火、淬火和回火等；表面热处理如感应淬火、火焰淬火和化学热处理等可改善表面性能钢铁材料生产是一个复杂的冶金过程，从原料到成品需经过多道工序炼铁是第一步，在高炉中将铁矿石还原成含碳量高的生铁；炼钢则是将生铁中的碳和杂质去除，调整成分至所需范围；连铸技术取代了传统的模铸，大大提高了生产效率和材料质量；轧制成型赋予钢材所需的形状和尺寸，同时改善其组织和性能钢铁材料热处理退火工艺正火与淬火退火是将钢加热到临界温度以上（奥氏体区），保温后缓慢冷却的热处正火是加热到临界温度以上，空冷的热处理工艺，得到较细小均匀的铁理工艺完全退火得到铁素体珠光体组织，具有良好的塑性和加工性素体珠光体组织，强度高于退火，但塑性略低，成本低于淬火回火，++能；球化退火形成球状碳化物，降低硬度，提高切削加工性；应力消除广泛用于中低碳钢退火在较低温度进行，主要消除内应力淬火是加热到临界温度以上，快速冷却（水冷、油冷等）的工艺，形成退火是最基础的热处理工艺，冷却速度慢（通常随炉冷却），得到接近马氏体组织，硬度显著提高，但脆性增加淬火后通常需要回火，通过平衡的组织，硬度低，塑性好常用于铸件、锻件的预处理，或作为机在200-650℃加热，降低内应力和脆性，获得所需的强韧性组合械加工前的准备工序表面热处理技术是提高表面性能而保持核心韧性的有效方法感应淬火利用高频电流在表面产生热量，实现表面淬硬；火焰淬火则直接用高温火焰加热表面；两者都能形成硬化层，提高耐磨性化学热处理如渗碳、渗氮和渗硼等，通过在高温下使表面吸收碳、氮或硼等元素，改变表面成分和组织，提高硬度、耐磨性和耐腐蚀性钢铁材料分类与特性碳素钢按碳含量分为低碳钢C

0.25%、中碳钢C:

0.25-

0.6%和高碳钢C

0.6%低碳钢塑性好，易焊接，用于建筑结构；中碳钢强度和韧性平衡，适合机械零件；高碳钢硬度高，耐磨性好，用于工具和模具合金钢添加Cr、Ni、Mo、V等合金元素改善性能低合金钢合金元素总量5%强度高，韧性好，用于重要结构件；高合金钢合金元素5%具有特殊性能，如耐热、耐蚀、耐磨等，应用于特殊环境特种钢不锈钢含Cr11%，形成钝化膜抵抗腐蚀，分为铁素体、奥氏体和马氏体型；工具钢含高碳和合金元素，具高硬度和耐磨性；轴承钢具高硬度、耐磨性和抗疲劳性，主要为高碳铬钢铸铁含碳量2%的铁碳合金灰铸铁中碳以片状石墨形式存在，减振性好但脆性大；球墨铸铁中碳呈球状，强度和韧性接近钢；可锻铸铁经热处理后碳形成团絮状，兼具铸造性和一定塑性钢铁材料是最广泛使用的工程材料，按化学成分和性能可分为多种类型碳素钢是最基本的钢种，主要依靠碳含量调控性能，价格低廉，应用广泛合金钢通过添加合金元素获得优异性能，如Cr提高耐蚀性和耐热性，Ni增加韧性，Mo改善高温强度，V细化晶粒提高强度和韧性第七章有色金属材料特性有色金属材料是除铁基材料外的所有金属材料的统称，包括轻金属（铝、镁等）、重有色金属（铜、镍、锌等）和贵金属（金、银、铂等）这类材料通常具有密度低、导电导热性好、耐蚀性优异等特点，在航空航天、电子电气、化工和建筑等领域有广泛应用铝及铝合金合金系列主要合金元素典型牌号主要特点应用领域1xxx系列纯铝≥99%

1060、1070导电性好，耐蚀性电气导体，包装材高料2xxx系列铜

2024、2A12强度高，热处理强飞机结构，航空零化件3xxx系列锰

3003、3A21中等强度，加工性罐体，厨具，建筑好件5xxx系列镁

5052、5A06中高强度，耐蚀性船舶，车辆，压力好容器6xxx系列镁和硅

6061、6A02中等强度，热处理建筑型材，汽车零性好件7xxx系列锌

7075、7A04最高强度，热处理航空结构，高强度强化零件铝是最常用的轻金属材料，密度仅为

2.7g/cm³，约为钢的1/3纯铝具有优异的导电性、导热性和耐蚀性，但强度低；通过合金化和热处理可显著提高强度，使铝合金成为重要的结构材料铝合金按加工方式可分为变形铝合金和铸造铝合金；按强化机理可分为热处理强化型和非热处理强化型铜及铜合金黄铜黄铜是铜和锌的合金，颜色呈黄色，具有良好的可塑性和机械加工性能根据锌含量不同，可分为低锌黄铜（锌含量20%）和高锌黄铜（锌含量20-40%）低锌黄铜如H62（Cu-38%Zn）塑性好，适合冷加工；高锌黄铜如H68（Cu-32%Zn）强度高，但冷加工性能较差，适合热加工青铜青铜主要是铜和锡的合金，呈红褐色或金黄色锡青铜具有优异的耐磨性和耐蚀性，如QSn4-3（含锡4%）用于制造轴承和齿轮；铝青铜添加5-10%的铝，具有高强度和耐蚀性，如QAl9-4用于海水环境中的零部件；硅青铜则含2-4%的硅，兼具强度和导电性，用于弹簧和电气接触件白铜白铜是铜与镍的合金，呈银白色，抗蚀性极佳常见的白铜有铜镍合金（如BZn18-18含18%Ni）和铜镍锌合金（德银，如BZn15-20含15%Ni和20%Zn）白铜耐蚀性优异，特别是对海水的腐蚀，广泛用于海洋工程、化工设备、精密仪器和硬币制造等领域铜是人类最早使用的金属之一，具有优异的导电性、导热性、耐蚀性和加工性能纯铜主要用于电气工业，如导线、母线和变压器等；铜合金则通过添加各种元素改善特定性能，广泛应用于机械、电子、建筑和艺术等领域钛及钛合金分类体系热处理工艺按微观组织分为α型、β型和α+β型三大类α型钛合金以六方密排结构为主，耐热性好，焊接性好；钛合金热处理主要包括退火和固溶时效处理退火β型钛合金以体心立方结构为主，强度高，热处理用于消除内应力和稳定组织；固溶时效可显著提高范围广；α+β型钛合金兼具两者特点，应用最广泛强度，如TC4（Ti-6Al-4V）经固溶时效处理后抗拉基本性能强度可达1000MPa以上航空应用钛密度为

4.5g/cm³，约为钢的60%，强度可与高强度钢相当，比强度极高；熔点高达1668℃，具有优异的高温性能；在大气、海水和多种化学介质中有极佳的耐蚀性；但导热性和导电性较差，加工难度大2钛及钛合金因其高比强度、优异耐蚀性和良好生物相容性，被誉为太空金属和海洋金属纯钛主要用于化工设备、海水淡化和生物医学植入物；α型钛合金如TA7（Ti-5Al-

2.5Sn）耐热性好，用于高温部件；β型钛合金如TB2（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）可冷加工成薄板，用于弹簧和紧固件α+β型钛合金如TC4（Ti-6Al-4V）是应用最广泛的钛合金，约占钛合金总用量的一半以上，在航空航天领域用于制造发动机部件、机身结构和紧固件钛合金的加工具有特殊性，切削加工时需低速、大进给，并使用特殊刀具和冷却润滑剂；热加工温度控制严格，以防止吸气和脆化；焊接需在保护气氛中进行，避免氧化和氢脆近年来，3D打印技术在钛合金制造中的应用日益广泛，为复杂构件的制造提供了新途径第八章材料选择与应用案例最终决策综合评估各方面因素，选择最佳材料方案权衡分析考虑性能、成本、加工性和可靠性等多维度因素材料筛选根据关键性能指标初步筛选可能的材料方案需求分析明确工作环境、性能要求和设计约束条件材料选择是工程设计中的关键环节，直接影响产品的性能、成本和可靠性本章将介绍材料选择的基本原则和方法论，并通过典型应用案例展示如何在实际工程中选择和应用金属材料，以及如何利用材料测试技术解决工程问题材料选择基本原则功能与性能要求明确构件的工作条件和性能指标，包括承载能力、使用温度、环境介质等制造工艺考量评估材料的加工性能，包括铸造性、焊接性、切削性和成形性等成本与供应链分析材料成本、加工成本和全生命周期成本，考虑材料的可获得性和供应稳定性可靠性与寿命预测材料在服役条件下的长期行为，评估失效风险和维护需求材料选择是一个多目标优化过程，需要在满足功能要求的前提下，平衡性能、成本、可靠性和环境影响等多种因素功能与性能要求是首要考虑因素，包括机械性能（如强度、刚度、韧性）、物理性能（如密度、导电性、导热性）和化学性能（如耐蚀性、耐氧化性）在确定关键性能指标后，可使用材料性能图、数据库或专家系统进行初步筛选工程应用案例一汽车零部件材料零部件常用材料关键性能要求测试方法发动机缸体灰铸铁、铝合金高强度、良好导热性、耐拉伸试验、硬度测试、热磨性膨胀系数测定连杆合金钢、钛合金高疲劳强度、良好韧性、疲劳试验、冲击试验、金轻量化相分析曲轴锻钢、球墨铸铁高强度、高疲劳寿命、耐扭转试验、疲劳试验、硬磨性度分布测试气门马氏体不锈钢、镍基合金高温强度、耐氧化性、耐高温拉伸、氧化增重测试、腐蚀蠕变试验车身结构高强度钢、铝合金高比强度、良好成形性、拉伸试验、弯曲试验、焊抗碰撞性能接接头性能测试汽车工业是金属材料应用最广泛的领域之一，不同零部件因功能和工作条件不同，对材料性能要求各异发动机缸体传统上使用灰铸铁，具有良好的减振性、导热性和耐磨性；但现代轻量化趋势促使高强度铝合金的应用增加，虽然成本较高且需特殊处理提高耐磨性连杆需承受高频率循环载荷，传统使用合金钢（如40Cr）经调质处理；高端车型采用钛合金或粉末冶金钢，提高性能并减轻重量工程应用案例二航空材料结构材料选择发动机高温材料飞机结构材料需同时满足高强度、低密度、良好疲劳性能和损伤容限性等航空发动机工作环境极其苛刻，涡轮部件温度可达1100℃以上，同时承受要求铝合金如和经久不衰，分别用于机身蒙皮和主承力结高离心力和热疲劳高温合金是关键材料，如和用于20247075Inconel718GH4169构；钛合金如用于高载荷和中等温度部位；超高强度钢如涡轮盘和机匣；单晶高温合金如用于一级涡轮叶片；陶瓷基复合材料TC4Ti-6Al-4V DD6300M用于起落架；先进复合材料如碳纤维复合材料在新型飞机中占比越逐渐应用于最高温部位来越高高温材料性能测试极具挑战性，需模拟实际服役条件测试包括高温拉结构材料选择需考虑多种因素承载能力、使用温度、环境条件、疲劳寿伸、高温持久、热疲劳、热机械疲劳和氧化腐蚀等先进测试技术如小样命、损伤容限、可检测性和成本等材料测试包括静态力学性能、疲劳性本测试、原位观察和数字图像相关技术广泛应用，提高了测试精度和效能、断裂韧性、环境影响和特殊性能（如防冰、抗雷击）等多方面评价率先进复合材料与金属材料的比较是航空材料领域的重要课题碳纤维复合材料具有更高的比强度和比刚度，优异的疲劳性能和抗腐蚀性，但成本高、损伤检测难度大、修复复杂；金属材料则具有良好的可靠性、损伤容限性和修复性，加工工艺成熟两类材料在现代飞机中往往协同使用，如波音机身主787体采用复合材料，而高载荷连接部位仍使用钛合金总结与展望测试技术发展金属材料测试技术经历了从宏观性能测试到微观机理研究的发展历程，精度和效率不断提高现代测试技术融合了人工智能、大数据和原位观察等先进手段，可实现多尺度、多参数的综合表征，为材料设计和优化提供科学依据新型材料特点新型金属材料如高熵合金、金属玻璃、纳米晶金属等展现出优异的综合性能高熵合金具有高强度、高韧性和优异的耐蚀性；金属玻璃表现出超高强度和弹性极限；纳米晶金属则具有优异的强度、硬度和功能性能这些材料为传统应用提供新选择，也开拓了新应用领域3工程应用价值材料测试在工程应用中扮演着不可替代的角色，从材料选择、质量控制到失效分析全过程都需要科学的测试手段随着工程要求的提高，测试技术不断创新，如高通量测试、微观原位测试和服役条件模拟等，为提高产品可靠性和优化设计提供支持未来发展方向材料科学与工程的未来发展趋势包括计算材料设计与材料基因组工程；先进制造技术与材料一体化设计；绿色低碳材料与循环经济；多功能智能材料系统等测试技术将向智能化、自动化和高通量方向发展，与计算模拟深度融合，推动材料创新通过本课程的学习，我们系统了解了金属材料的基本特性、测试方法和应用实例金属材料作为工程材料的重要组成部分，其性能特点和测试技术的掌握对于工程设计和材料选择至关重要从物理性能、化学性能到力学性能，从宏观测试到微观分析，我们建立了完整的金属材料测试知识体系，为今后的工作和研究奠定了基础。