金属材料课本教学课件

金属材料基础教学课件第一章金属材料概述本章我们将探讨金属材料的基本定义、特性及其在人类文明发展中的重要意义通过了解金属材料的基本概念，建立对后续专业知识学习的框架0102定义与分类特性与性能历史意义金属与合金的基本概念金属材料的典型性能特点什么是金属材料？金属合金金属是一类具有以下特性的元素合金是由两种或多种元素组成的材料系统•良好的导电性与导热性•至少一种元素为金属•金属光泽•通过熔融、粉末冶金等方法制备•可塑性和延展性•性能通常优于纯金属•通常呈固态（汞除外）•可调控性能以满足特定需求•原子间存在金属键•例如钢、铝合金、黄铜金属材料在人类文明中的重要性青铜时代工业革命公元前年左右，青铜工具的使用推动农业和军事技术进步世纪，钢铁大规模生产推动了现代工业体系建立300018-191234铁器时代现代社会公元前年起，铁制工具的广泛使用促进生产力发展金属材料作为基础支撑，贯穿现代社会的各个领域1200关键应用领域建筑结构交通运输高层建筑、桥梁、基础设施汽车、飞机、船舶、高铁能源国防安全发电设备、输电系统、储能装置武器装备、防护系统金属材料，文明的基石从青铜时代到信息时代，金属材料见证并推动人类文明进步第二章金属的晶体结构本章将深入探讨金属材料的微观结构，了解原子排列方式如何决定材料的宏观性能掌握晶体结构基础知识，是理解金属材料性能与行为的关键本章要点基本晶体结构类型•晶格缺陷与影响•晶粒与晶界概念•结构与性能关系•晶体结构基础金属原子在空间中按一定规律排列，形成有序的三维周期性结构，称为晶体结构不同的晶体结构赋予金属不同的物理和机械性能简单立方结构体心立方结构面心立方结构SC BCCFCC原子位于立方体的8个顶点原子位于立方体顶点和体心原子位于立方体顶点和面心配位数6配位数8配位数12空间利用率低，仅

47.6%空间利用率68%空间利用率最高，74%纯金属中罕见典型金属铁α、钨、铬典型金属铝、铜、镍晶粒与晶界晶粒形成过程成核液态金属冷却时，原子在特定位置聚集形成晶核晶体生长晶核吸引周围原子按特定晶格方向生长晶界形成细晶强化效应晶粒越细，单位体积内晶界面积越大，阻碍位错运动能力越强，材料强度越高遵循霍尔佩奇公式不同取向晶粒相遇形成晶界-晶界对性能的影响式中为晶粒尺寸，为材料常数d k晶界是晶体取向不同区域的界面，原子排列无序•晶界阻碍位错运动，提高材料强度（细晶强化）•晶界是优先腐蚀和开裂位置•晶界促进扩散和相变过程•细晶粒材料一般强度高但韧性略低•晶粒尺寸控制的重要性晶粒尺寸是金属材料中一个关键的微观结构参数，其大小直接影响材料的众多性能工程应用中，通过合金化、加工和热处理工艺可以精确控制晶粒尺寸细晶强化晶粒尺寸等级晶粒尺寸每减小一半，材料强度可提按标准分为级，数字越ASTM1-10高约大晶粒越细30%超细晶与纳米晶晶粒尺寸小于的超细晶，小于的纳米晶具有特殊性能1μm100nm第三章金属材料分类本章将系统介绍金属材料的分类方法，重点讨论铁基金属与有色金属的特性与应用差异，为后续章节深入探讨各类金属材料奠定基础铁基金属（黑色金属）铁基金属是以铁为基体的金属材料，因其断口呈黑色而得名黑色金属铁基金属是工业中用量最大、应用最广泛的金属材料，约占金属总用量的95%纯铁钢铸铁•含铁量

99.5%•铁碳合金，碳含量

2.11%•铁碳合金，碳含量

2.11%•软磁性好•强度高，塑性好•铸造性能好•延展性优•可热处理强化•耐磨性好•导电导热性中等•品种最多，用途最广•脆性大，塑性差•主要用于电工领域•建筑、机械、交通等领域•机床底座、发动机缸体等铁基金属的共同特点•密度大约

7.8g/cm³•机械强度高•熔点高纯铁1538℃•价格相对低廉•具有铁磁性•易生锈（氧化）有色金属及合金有色金属是除铁、锰、铬等黑色金属之外的金属总称，通常断口呈现有色有色金属具有种类多、性能各异的特点，在特殊应用领域发挥重要作用轻金属重有色金属贵金属密度

4.5g/cm³密度

4.5g/cm³化学性质稳定•铝轻质、耐腐蚀•铜导电导热好•金最稳定，导电好•镁最轻的结构金属•锌耐腐蚀，用于镀层•银最好的导电体•钛高强度、耐腐蚀•铅密度大，防辐射•铂催化性能优异常见有色金属合金系统铝合金系列铜合金系列•2XXX系铝铜合金，高强度•黄铜铜锌合金，加工性能好•5XXX系铝镁合金，耐腐蚀•青铜铜锡合金，耐磨耐腐蚀•6XXX系铝镁硅合金，综合性能好•白铜铜镍合金，电阻率高•7XXX系铝锌镁合金，强度最高•铍青铜铜铍合金，弹性好性能与应用的差异黑色金属的优势成本低廉，资源丰富•强度高，适合承重结构•工艺成熟，加工方便•热处理效果显著•有色金属的优势密度小，比强度高•耐腐蚀性好•特殊物理性能（导电、导热）•美观性好，适合装饰•在实际应用中，黑色金属与有色金属往往形成互补关系，根据性能需求和成本因素选择合适的材料在航空航天、电子、医疗等高技术领域，有色金属因其特殊性能占据重要地位；而在建筑、机械、交通等传统领域，黑色金属仍是主要选择第四章金属的物理与机械性能本章将详细介绍金属材料的物理性能和机械性能，这些性能是材料选择与应用的基础通过了解各种性能指标及其测试方法，学习如何评价和选择适合特定用途的金属材料核心内容物理性能密度、熔点、导电性、导热性等•机械性能强度、硬度、韧性、塑性等•性能测试标准测试方法与评价标准•性能与微观结构的关系•物理性能物理性能是指金属材料在不改变化学成分的条件下表现出的各种物理特性，这些性能对材料的选择和应用至关重要密度熔点单位体积的质量，决定材料的重量铝的密度约为钢的1/3，是航空航天领域首选密度范围锂

0.53g/cm³至铱

22.6g/cm³材料从固态转变为液态的温度钨熔点最高（3410℃），适合高温应用；镓熔点最低（

29.8℃），室温接近熔化导电性导热性传导电流的能力，以电阻率（ρ）或电导率表示银导电性最好，铜次之，铝再次，广泛用于电气工程传递热量的能力，以热导率λ表示银、铜导热性最好，用于散热器；不锈钢导热性较差，适合保温其他重要物理性能热膨胀系数材料随温度变化而膨胀的程度磁性铁、钴、镍具有铁磁性比热容升高单位质量材料1℃所需热量反射率反射光线的能力，影响外观机械性能机械性能是指金属材料在外力作用下表现出的力学行为，是评价材料承载能力的重要指标，也是材料选用的主要依据强度硬度材料抵抗变形和断裂的能力材料抵抗局部变形的能力•抗拉强度σb最大承受拉力•布氏硬度HB大载荷测试•屈服强度σs开始塑性变形的应力•洛氏硬度HRC中等载荷•抗压强度最大承受压力•维氏硬度HV精确测量•抗剪强度最大承受剪切力•邵氏硬度非金属材料塑性韧性材料在断裂前发生塑性变形的能力材料吸收能量和抵抗冲击的能力•伸长率δ断后长度增加百分比•冲击韧性αk单位面积吸收能量•断面收缩率ψ断面减小百分比•断裂韧性KIC抵抗裂纹扩展能力•延展性金属被拉成线的能力•低温韧性低温条件下的韧性•可锻性金属被锻压成形的能力•塑性转变温度脆性转变点特殊机械性能疲劳性能蠕变性能耐磨性抵抗循环载荷的能力，以疲劳极限σ-1表示高温长时间载荷下抵抗变形能力抵抗摩擦引起的表面磨损能力性能测试方法简介硬度测试力学性能测试1布氏硬度试验HB将一定直径的淬硬钢球或硬质合金球，在一定载荷下压入材料表面，测量压痕直径计算硬度适用于大多数金属材料，尤其是硬度较低的材料2洛氏硬度试验HRC/HRB将金刚石圆锥体或钢球压入试样，测量压入深度计算硬度操作简便、快速，损伤小，应用广泛适用于硬材料，适用于软材料HRC HRB3维氏硬度试验HV使用四棱锥金刚石压头，测量压痕对角线长度计算硬度拉伸试验适用于各种硬度材料，可测微区硬度，精度高最基本的力学性能测试，将标准试样拉伸至断裂，测量以下参数抗拉强度最大承受应力•σb屈服强度开始塑性变形的应力•σs伸长率断后伸长百分比•δ断面收缩率断面减小百分比•ψ冲击试验第五章金属材料的加工与热处理本章介绍金属材料的常见加工方法和热处理工艺，了解如何通过加工和热处理改变金属材料的性能，满足不同应用需求常见加工工艺金属加工是将金属原材料制成具有一定形状、尺寸和性能的产品的工艺过程不同加工方法对金属微观组织和性能有不同影响铸造锻造轧制将熔融金属浇入模具内，冷却凝固成所需形状的利用锻压设备对金属坯料施加压力，使其产生塑金属坯料通过一对旋转的轧辊间隙，使其厚度减工艺性变形，获得所需形状的工艺小、长度增加的加工方法优点可制造复杂形状，适合大型零件优点致密度高，强度好，韧性佳优点生产效率高，表面质量好•••缺点组织疏松，机械性能较差缺点设备投资大，形状受限缺点主要适用于板材、型材等•••应用发动机缸体、泵壳、阀门等应用曲轴、齿轮、连杆等重要受力零件应用钢板、钢轨、型钢等•••加工对晶体结构的影响金属在塑性变形过程中，晶体结构发生变化晶粒变形原来等轴晶粒变成沿变形方向拉长的纤维状加工硬化位错密度增加，强度提高但塑性降低织构形成晶体取向趋于一致，产生各向异性残余应力内部形成不均匀应力分布热处理基础热处理是将金属材料加热到一定温度，保持一定时间，然后以不同速度冷却，通过改变内部组织结构来获得所需性能的工艺过程热处理是调控金属性能最有效的方法之一12退火正火工艺特点加热至适当温度，长时间保温，然后缓慢冷却工艺特点加热至临界温度以上，保温后在空气中冷却目的消除内应力，降低硬度，提高塑性，细化晶粒，改善切削加工性目的细化晶粒，消除组织不均，改善性能，为后续热处理做准备应用铸件、锻件、焊接件、冷加工后的半成品应用中、低碳钢的初步热处理，也可作为最终热处理34淬火回火工艺特点加热至奥氏体化温度，保温后快速冷却（水、油、盐等）工艺特点将淬火后的钢件加热到临界温度以下，保温后冷却目的获得马氏体组织，显著提高硬度和强度目的降低脆性，消除内应力，调整硬度和韧性的平衡应用工具、模具、轴承等需要高硬度和耐磨性的零件应用淬火后的钢件必须进行回火处理热处理对性能的调控作用通过不同的热处理工艺，可以在同一成分的金属材料中获得完全不同的性能•45钢淬火+低温回火硬度HRC55-60，用于耐磨零件•45钢淬火+中温回火硬度HRC35-45，用于弹簧•45钢淬火+高温回火硬度HRC25-35，韧性好，用于受冲击零件•45钢退火硬度HB170-200，用于切削加工性能的魔法调节热处理被誉为金属材料性能的魔法调节器，通过控制加热温度、保温时间和冷却速度，可以在分子和原子尺度上重组金属的内部结构，从而精确调控材料性能℃℃⁶100010/s300%典型热处理温度淬火冷却速率性能提升钢铁材料热处理通常在激光淬火可达百万度每秒适当热处理可使钢的强度℃进行的冷却速率提高倍以上700-11003现代热处理技术已经发展出多种专业工艺，如感应热处理、真空热处理、气体渗碳氮/化等表面强化技术，可以实现局部区域的性能调控，满足特殊应用需求第六章典型金属材料及其应用本章将介绍几种最具代表性的金属材料，包括钢铁、铝合金、铜合金及特种合金的性能特点和典型应用，帮助理解不同金属材料的选用原则0102钢铁材料铝合金钢及其合金钢是以铁为基体、含碳量在之间的铁碳合金，是应用最广泛的金属材料根据化学成分和组织结构，钢可分为多种类型，各具特点

0.02%-

2.11%碳素钢合金钢特种钢按碳含量分类添加一种或多种合金元素的钢具有特殊性能的钢种低碳钢塑性好，焊接性好，、钢低合金钢合金元素总量，如、不锈钢含，耐腐蚀，如、C

0.25%Q23520#5%16Mn40Cr Cr11%304316中碳钢强度与塑性平衡，、钢中合金钢合金元素，如某些工具钢耐热钢高温强度好，如C:

0.25-

0.6%45#40Cr5-10%12Cr1MoV高碳钢硬度高，耐磨，、工具钢高合金钢合金元素，如不锈钢、高速钢弹簧钢弹性好，如C

0.6%T8T1010%60Si2Mn主要用途建筑结构、机械零件、工具主要用途高性能结构件、模具、特种工具轴承钢耐磨性好，如GCr15主要用途特殊环境、特殊功能需求不锈钢的耐腐蚀特性不锈钢是现代工业中不可或缺的材料，其耐腐蚀性源于表面形成的致密氧化铬保护膜按组织结构分为奥氏体不锈钢型，耐腐蚀，无磁性18-8304铁素体不锈钢含左右，有磁性Cr17%马氏体不锈钢含较高，可热处理强化C双相不锈钢综合性能优良铝合金铝合金是以铝为基体，添加其他元素形成的合金，具有密度低、比强度高、耐腐蚀等特点，是现代轻量化设计的首选材料航空航天应用汽车工业应用建筑与日常用品和系列铝合金是航空航天工业的主要结铝合金在汽车工业中应用日益广泛铝合金在建筑和消费品领域应用广泛2XXX7XXX构材料发动机缸体、缸盖压铸铝合金门窗幕墙铝合金•ADC12•6063铝合金强度高，用于飞机•2024Al-Cu-Mg车身结构系列铝合金板材家具、电子产品外壳•6XXX•蒙皮轮毂铸造铝合金厨房用具、运动器材•A356•铝合金高强度，用于•7075Al-Zn-Mg-Cu每减轻重量，燃油效率提高约包装材料铝箔、铝罐•100kg6-8%•承力结构飞机结构重量的以上采用铝合金•70%铝合金分为铸造铝合金和变形铝合金两大类变形铝合金按国际标准分为个系列（至），其中、和系列可通过热处理强化，强度81XXX8XXX2XXX6XXX7XXX可与某些钢材相当，但密度仅为钢的左右，是实现结构轻量化的理想材料1/3铜合金铜合金是以铜为基体的合金，具有优良的导电性、导热性、耐腐蚀性和加工性能，在电气工程、热交换设备及装饰领域有广泛应用黄铜（铜锌合金）青铜（铜锡合金）白铜（铜镍合金）含锌15-45%的铜合金，黄色金属传统含锡5-10%，现泛指除黄铜外的铜合金含镍10-30%的铜合金，银白色普通黄铜如H62Cu-38%Zn，加工性能好锡青铜耐磨、耐腐蚀，用于轴承铜-镍合金耐腐蚀，用于海水管道特种黄铜加入Al、Mn、Fe等，如船用铜铝青铜强度高，耐海水腐蚀德银Cu-Ni-Zn合金，装饰性好用途阀门、仪表、管件、装饰件硅青铜弹性好，电阻率高康铜Cu-Ni-Mn合金，电阻率高特点加工性能好，强度适中，成本较低锰青铜强度高，用于船用螺旋桨特点耐腐蚀，外观似银，电阻温度系数小特点耐磨、耐腐蚀、摩擦系数低铜合金的应用领域电气工程电线电缆、电气接触件、电机热交换设备冷凝器、散热器、热交换器机械工程轴承、齿轮、弹簧、阀门建筑装饰门窗配件、艺术品、乐器船舶海洋船舶配件、海水淡化设备货币硬币材料，如人民币1元硬币特殊合金特殊合金是为满足特定环境和功能需求而研发的金属材料，在航空航天、能源、医疗等尖端领域发挥着不可替代的作用镍基高温合金钛合金耐高温、抗氧化、抗热腐蚀、蠕变性能好比强度高、耐腐蚀、生物相容性好•工作温度可达1100℃•密度仅为

4.5g/cm³，约为钢的57%•主要添加元素Cr,Co,Mo,W,Al,Ti等•强度可与合金钢相当•典型合金Inconel

718、GH4169•典型合金TC4Ti-6Al-4V、TC11•应用航空发动机涡轮叶片、燃气轮机、核电设备•应用航空结构件、化工设备、医疗植入物形状记忆合金非晶态合金具有记忆变形前形状的能力无长程有序结构的金属材料•变形后加热可恢复原形•超高强度，弹性模量高•典型合金镍钛合金Nitinol•典型合金Fe-Si-B系、Zr-Cu-Ni-Al系•应用医疗器械、传感器、执行器•应用变压器铁芯、高性能弹簧•血管支架、正畸丝等•切割工具、运动器材生物医用金属材料生物医用金属材料需满足以下要求生物相容性不引起排斥反应耐腐蚀性在体液环境中稳定力学匹配性力学性能与人体组织相近可成形性易于制成复杂形状常用生物医用金属材料•医用钛及钛合金植入物、人工关节•医用不锈钢316L，手术器械•钴铬合金人工心脏瓣膜第七章金属材料的可持续发展与未来趋势本章探讨金属材料领域的可持续发展策略和未来发展趋势，包括绿色冶金技术、循环利用体系和新型金属材料的研发方向可持续发展战略未来发展趋势•减少资源消耗和环境污染•高性能化提高材料极限性能•提高材料利用效率•功能化赋予材料智能功能•开发绿色低碳生产工艺•绿色化环保、节能、可持续•建立完善的回收利用体系•微纳化精确控制微观结构绿色冶金与循环利用绿色冶金技术金属循环利用金属材料生产是能源密集型和污染密集型产业，绿色冶金技术旨在降低资源消耗和环境影响低碳冶炼技术•氢气还原冶炼用氢气替代碳作还原剂•生物冶金利用微生物提取金属•电解冶金应用清洁电力直接电解•节能高效熔炼电弧炉、感应炉优化近净成形技术•粉末冶金减少切削加工浪费•3D打印按需制造，零浪费•精密铸造减少后续加工•温轧成形节约能源金属是理想的循环材料，可重复利用而不损失性能建立高效的回收体系对资源保护至关重要新型金属材料研发为满足航空航天、新能源、电子信息等领域的需求，新型金属材料研发正朝着高性能化、功能化、绿色化方向发展高强轻质合金纳米金属材料智能功能材料提高比强度，实现结构轻量化通过微观结构精确控制提升性能具有感知和响应能力的金属材料•铝锂合金密度比铝低10%，强度高•纳米晶金属晶粒尺寸100nm•形状记忆合金温度控制形状变化•镁锂合金最轻的结构金属材料•纳米多孔金属高比表面积，催化性能好•磁致伸缩合金磁场控制变形•钛铝金属间化合物耐高温、轻质•纳米复合材料纳米颗粒增强•压电合金力电转换•高熵合金多主元素等比例合金，性能独特•纳米涂层特殊表面性能•自修复金属损伤自愈能力前沿研究方向增材制造技术3D打印金属零件，实现复杂结构金属基复合材料结合金属与非金属优势梯度功能材料性能沿空间连续变化仿生金属材料模拟自然结构超导材料高温超导体研发量子材料新型电子和磁性功能结语金属材料的未来与挑战金属材料作为人类文明的基石，经历了数千年的发展，仍然在现代科技进步中扮演着不可替代的角色未来，金属材料科学将面临以下挑战与机遇绿色制造与环境责任性能极限的突破智能功能的拓展开发低碳、节能、环保的冶金和加工工突破传统金属材料性能的理论极限，开赋予金属材料更多智能功能，开发具有艺，减少资源消耗和环境污染，建立健发新型高性能金属材料，满足航空航天、感知、响应、自修复等特性的智能金属全的循环利用体系，实现金属材料的可深海探测、极端环境等领域的特殊需求材料，拓展应用领域持续发展寄语学生金属材料科学是一门理论与实践紧密结合的学科，需要扎实的基础知识和丰富的实践经验希望同学们能够深入探索材料科学的奥秘，培养创新思维和解决问题的能力，为人类材料科学的发展贡献力量记住，每一个伟大的发明创造背后，都有材料科学的突破作为支撑未来的金属材料研究者们，人类文明的进步需要你们的智慧和贡献！。