金属材料教学课件

金属材料教学课件第一章金属材料基础概述本章目标重点内容掌握金属的基本概念、分类及其主要金属的定义、分类、物理特性与机械特性，建立金属材料学的基础认知框性能，以及金属与合金的区别与联架系学习方法结合实物样品与图片资料，通过对比分析加深对不同金属特性的理解什么是金属？金属的定义金属是一类具有特殊物理化学性质的元素，在元素周期表中占据了大部分位置它们普遍具有以下特性金属光泽具有特殊的反光性能，能够反射大部分可见光，呈现出银白色或特定颜色良好的导电性和导热性因自由电子的存在，金属能高效传导电流和热量，使其成为电气和热能系统的理想材料金属的典型特征包括金属光泽、良好的导电性和导热性，以及可锻造性这些特性源于金属原子间的特殊结可塑性和延展性合方式——金属键能够在外力作用下变形而不断裂，可被锻造、轧制成各种形状高熔点（大多数金属）除汞等少数金属外，大多数金属熔点较高，适合高温环境应用金属的分类黑色金属（含铁金属）有色金属（不含铁金属）贵金属以铁为基础的金属材料，具有磁性和较高的硬度，是工不以铁为基础的金属，通常密度较低，具有特殊的物理化学性质稳定、价格昂贵的金属，在自然界中含量极业生产的主要结构材料化学性能少主要类型钢（含碳

0.0225%）、铸铁（含碳主要类型主要类型金、银、铂、钯、铑、铱等

2.11%）、纯铁•轻金属铝、镁、钛等（密度

4.5g/cm³）特点化学稳定性极高、耐腐蚀、导电性好、催化性能特点价格低廉、强度高、加工性能好、易生锈优异•重有色金属铜、铅、锌等•稀有金属锆、铪、钒等特点耐腐蚀性好、导电导热性优、比强度高金属与合金的区别纯金属合金纯金属是指由单一金属元素构成的物质，在实际合金是由两种或多种元素（至少一种是金属）按应用中纯度通常达到99%以上虽然纯金属具有一定比例混合后形成的具有金属特性的物质合某些优异的特性，但在工业应用中往往存在局限金的开发是为了克服纯金属的局限性，通过添加性其他元素获得更优异的综合性能•强度通常较低，不能承受高应力•显著提高强度、硬度和韧性•硬度不足，容易磨损•改善耐腐蚀性和耐热性•加工性能有限，难以满足复杂工艺需求•优化电学、磁学性能•特定性能（如耐腐蚀性、导电性）难以平衡•提升加工性能和使用寿命例如，纯铜导电性优异，但强度低；纯铁价格低例如，添加少量碳到铁中形成钢，大大提高了强廉，但易生锈；纯铝重量轻，但强度和硬度不度和硬度；铜锌合金（黄铜）比纯铜具有更好的足加工性能；铝镁合金比纯铝强度高得多黑色金属与有色金属的对比磁性特征密度差异黑色金属铁、钴、镍等具有明显的铁磁性，黑色金属密度较大，铁的密度约为能被磁铁吸引，是电机、变压器等设备的核心

7.85g/cm³，增加了结构重量材料有色金属密度差异大，从轻金属铝有色金属大多数不具备明显磁性，少数（如（

2.7g/cm³）到重金属铅（

11.3g/cm³）镍）具有弱磁性外观颜色耐腐蚀性黑色金属未处理时呈暗灰或暗棕色，表面容黑色金属普通碳钢易生锈腐蚀，需要表面处易氧化变色理或添加合金元素（如铬）提高耐腐蚀性有色金属颜色多样，如铜呈红色，铝呈银白有色金属大多数有较好的耐腐蚀性，如铝、色，金呈黄色，多数能保持稳定光泽铜、钛等在空气中能形成保护性氧化膜金属的物理与机械性能简介强度硬度Strength Hardness金属抵抗外力作用而不发生破坏的能力，通常分为抗拉强金属抵抗硬物压入表面的能力，常用布氏硬度HB、洛氏硬度、抗压强度和屈服强度度HRC、维氏硬度HV表示例如低碳钢的抗拉强度约为400-500MPa，而高强度钢可例如退火钢的硬度约为HB150-200，而经过淬火处理的达1000MPa以上工具钢可达HRC60以上韧性延展性Toughness Ductility金属吸收能量并在断裂前发生塑性变形的能力，通常通过冲金属在拉力作用下变形而不断裂的能力，通过延伸率和断面击韧性测试评估收缩率表示例如低温环境下，普通碳钢变脆，而含镍合金钢保持良好例如纯铜的延伸率可达30-40%，铝约为20-30%，而某些韧性高强度钢仅有10%左右耐腐蚀性Corrosion Resistance金属抵抗环境介质化学或电化学侵蚀的能力，与材料本身和环境条件相关金属性能测试是材料评估的重要环节，通过标准化测试方法获得可靠的性能数据性能相互关系例如不锈钢中的铬形成保护性氧化膜，使其在多种环境下保持稳定金属的各种性能之间通常存在此消彼长的关系•强度提高时，延展性往往下降•硬度增加通常伴随着韧性降低•热处理可以调整这种平衡关系第二章金属的晶体结构与显微组织本章目标重点内容理解金属材料的微观结构特征，掌握金属的晶体结构类型、凝固过程、晶晶体结构与材料性能之间的关系，建粒形成与生长、晶体缺陷、合金相变立从微观到宏观的金属材料认知体原理及显微组织观察方法系学习方法结合显微图片与三维模型，理解抽象的晶体结构概念；通过实际案例分析，掌握微观结构与宏观性能的关联晶体结构基础晶体结构的基本概念常见金属晶体结构金属是典型的晶体材料，其原子在三维空间中按照特定规律周期性排简单立方结构列，形成有序的晶格结构这种有序排列是金属许多特性的根源，包SC括各向异性、滑移系统和相变行为等晶胞顶点各有一个原子，配位数为6，堆积系数低（约52%），金属中极少见晶体结构的基本要素包括晶格点空间中原子所处的位置晶格常数相邻晶格点之间的距离体心立方结构BCC单位晶胞构成晶体的基本重复单元晶胞顶点和中心各有一个原子，配位数为8，堆积系数约68%配位数一个原子周围最近邻原子的数量代表金属α-Fe（室温下的铁）、钨、钼、铬原子堆积系数单位体积内原子实际占据的空间比例面心立方结构FCC晶胞顶点和六个面中心各有一个原子，配位数为12，堆积系数高（约74%）代表金属铜、铝、镍、γ-Fe（高温下的铁）密排六方结构HCP六方棱柱状晶胞，配位数为12，堆积系数约74%代表金属镁、钛、锌、钴晶体结构对性能的影响结构特点与性能结构特点与性能FCC BCC结构特征面心立方，原子堆积紧密，堆积系数约74%结构特征体心立方，原子堆积中等，堆积系数约68%滑移系统12个独立滑移系统滑移系统理论上48个，实际有效约12个典型性能延展性好，冷加工性能优异，加工硬化明显典型性能强度较高，塑性中等，温度敏感性强代表金属Cu、Al、Ni、γ-Fe、Au、Ag、Pt代表金属α-Fe、W、Mo、Cr、V、Nb结构特点与性能HCP结构特征密排六方，原子堆积紧密，堆积系数约74%滑移系统仅3个主要滑移系统典型性能延展性较差，冷加工困难，各向异性明显代表金属Mg、Ti、Zn、Be、Co晶体结构对金属性能的影响体现在多个方面对强度与塑性的影响对加工性能的影响晶体结构决定了金属变形时的滑移系统数量和临界切应力FCC金属适合冷加工，变形后强度提高明显；BCC金属加工根据冯·米塞斯准则，金属发生均匀塑性变形至少需要5个独性能受温度影响大，常需热加工；HCP金属通常冷加工困立滑移系统FCC结构金属有12个独立滑移系统，因此塑难，需采用热加工或特殊工艺性优异；而HCP结构金属仅有3个主要滑移系统，导致室温对相变行为的影响下塑性较差金属的凝固过程与晶粒形成形核阶段当液态金属冷却到其凝固点以下时，局部区域内的原子开始聚集，形成晶体核心形核分为均质形核（液体内部自发形成）和异质形核（在杂质或容器壁上形成）影响因素过冷度、冷却速率、杂质含量晶体生长阶段晶核形成后，周围的液态原子不断附着在晶核表面，使晶体逐渐长大生长方向通常呈树枝状（枝晶），优先沿着特定晶体学方向发展影响因素温度梯度、冷却速率、合金成分晶界形成阶段多个晶核同时生长，当相邻晶粒相遇时，由于晶体取向不同，形成晶界晶界是晶体取向发生突变的区域，结构混乱，能量较高影响因素晶核密度、生长速率最终凝固阶段随着凝固的进行，剩余液态金属中溶质元素浓度不断提高，最终在晶界处凝固，形成偏析在某些合金中，可能形成共晶或包晶组织影响因素合金成分、冷却条件凝固过程中形成的晶粒大小、形态和分布对金属的最终性能有显著影响晶粒尺寸的影响晶粒控制方法根据霍尔-佩奇关系，金属的屈服强度与晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越细小，金属强度越高细晶粒还有利于提高金属的硬度、韧性和疲劳性能金属的显微组织观察方法宏观结构观察光学显微镜观察通过肉眼或低倍放大（5-50倍）观察金属的宏观特征使用光学显微镜放大观察（50-1500倍）金属的显微组织观察对象断口形貌、焊缝结构、铸件偏析带、轧制纹理等观察对象晶粒形态与大小、相组成、显微偏析、非金属夹杂物等处理方法机械磨削、酸蚀或热蚀刻样品制备切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀优点简单快捷，能迅速获取材料整体信息优点设备简单，操作方便，成本低局限性分辨率受光波长限制，约

0.2μm电子显微镜观察利用电子束代替光束，获得更高分辨率的微观结构图像主要类型显微组织分析步骤•扫描电子显微镜SEM放大倍数20-50,000倍，分辨率约5nm•透射电子显微镜TEM放大倍数1,000-1,000,000倍，分辨率可达

0.1nm

1.样品采集与切取

2.样品镶嵌（小样品需要）观察对象亚结构、位错、析出相、晶格缺陷等

3.研磨与抛光优点超高分辨率，可观察纳米尺度结构

4.化学腐蚀显示组织

5.显微观察与拍照

6.图像分析与解释不同金属材料需要选择不同的腐蚀剂，例如•钢铁硝酸酒精溶液3-5%•铝合金氢氟酸溶液

0.5%•铜合金氯化铁溶液晶体缺陷与变形机制晶体缺陷的类型金属的变形机制金属在外力作用下会发生形变，根据形变是否可恢复，分为弹性变形和塑性变形1弹性变形点缺陷原子间距离暂时改变，外力移除后可恢复原状特点零维缺陷，影响局部原子排列•应力与应变成正比（胡克定律）空位晶格中缺少原子•能量以弹性势能形式储存间隙原子原子位于正常晶格点之外•无永久形变，完全可逆替代原子其他元素原子替代原位置原子塑性变形影响提高电阻率，促进扩散，影响辐照损伤原子位置发生永久性改变，外力移除后不可完全恢复主要机制滑移位错沿特定晶面和方向移动2孪生原子协同移动形成镜像结构线缺陷（位错）塑性变形的条件应力超过材料的屈服强度，且满足特定的晶体学条件（如施密特因子）一维缺陷，沿某一方向延伸刃型位错额外半个原子面的边缘螺型位错螺旋状原子排列扭曲混合位错同时具有刃型和螺型特征影响决定材料的塑性变形行为，是金属塑性变形的主要载体3面缺陷二维缺陷，沿平面延伸晶界分隔不同取向晶粒的界面孪晶界镜像对称结构的界面堆垛层错原子层堆积顺序的局部改变影响提高材料强度，影响扩散、腐蚀和相变行为合金的晶体结构特点固溶体金属间化合物溶质原子分散在溶剂金属晶格中形成的均匀相根据溶质原子的位两种或多种金属元素按确定比例形成的具有特定晶体结构的化合置分为物，通常具有高硬度但脆性大间隙固溶体小原子（如C、N、H）位于基体金属原子间隙中常见类型电子化合物特定电子浓度形成（如黄铜中的β相）替代固溶体溶质原子替代基体晶格中的原子间隙化合物小原子填充大原子间隙（如Fe₃C）固溶体形成条件受休谟-罗斯里规则影响，原子尺寸差异、电负性拉维斯相特定原子比例的复杂结构和价电子浓度是关键因素例如Fe₃Al、Ni₃Al、TiAl是高温结构材料中的重要金属间化合例如奥氏体是碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体；铜锌黄铜是典型的物替代固溶体共晶共析结构/两相同时从液态或固态前相中析出，形成的特征层片状或网状混合组织形成机制共晶反应液态→两种固态相（如Al-Si合金）共析反应一种固态相→两种不同固态相（如珠光体）这些组织通常具有良好的综合力学性能，如珠光体钢兼具一定的强度和韧性以钢铁材料为例，不同碳含量影响铁的晶体结构和显微组织低碳钢中碳钢高碳钢

0.25%C

0.25-

0.6%C

0.6%C主要组织铁素体α-Fe+少量珠光体主要组织铁素体+珠光体混合组织主要组织珠光体+少量渗碳体结构特点铁素体为BCC结构，碳溶解度低结构特点珠光体为铁素体与渗碳体的层片结构特点大量硬质渗碳体Fe₃C状共析组织性能延展性好，强度中等，焊接性好性能强度与韧性平衡，热处理效果好第三章金属的加工工艺与性能测试本章目标重点内容掌握金属材料的主要加工方法与性能铸造、锻造、热处理等加工工艺的原测试技术，理解工艺过程对金属性能理与特点；硬度、强度、韧性等性能的影响，培养材料选择与工艺设计能测试方法；常见金属材料的识别与应力用学习方法结合实际工业案例，了解不同加工方法的适用条件与质量控制要点；通过实验操作，掌握材料测试技术的应用方法金属的主要加工方法铸造锻造将熔融金属浇注入模具，冷却凝固成所需形状通过锤击或挤压使金属塑性变形成所需形状适用材料铸铁、铸钢、铸铝、铸铜等适用材料碳钢、合金钢、铝合金等优点可制造复杂形状，适合大型零件优点改善内部组织，提高强度和韧性机械加工轧制通过切削、磨削等方法去除材料获得精确尺寸金属通过旋转的轧辊间隙变形成板材、型材适用材料各种金属及合金适用材料各种金属及合金优点尺寸精度高，表面质量好优点生产效率高，表面质量好焊接热处理通过熔化或压力使两块金属连接成一体通过加热和冷却控制金属的组织结构和性能适用材料大多数金属及合金适用材料钢铁、铝合金、钛合金等优点连接强度高，结构灵活优点可调整硬度、强度、韧性等性能铸造工艺简介常见铸造方法比较砂型铸造原理使用型砂制作铸型，浇注金属后破坏铸型取出铸件适用材料几乎所有铸造金属（铸铁、铸钢、铸铝等）优点工艺简单，成本低，适合单件和小批量生产缺点尺寸精度和表面质量较低，生产效率不高应用机床床身、发动机缸体、泵壳等大型铸件金属型铸造原理使用金属模具反复浇注多个铸件适用材料低熔点金属（铝、铜、锌等合金）优点尺寸精度高，表面光洁，生产效率高缺点模具成本高，不适合大型和复杂铸件应用汽车零部件、电器外壳、轮毂等压力铸造（压铸）原理在高压下将熔融金属注入金属模具适用材料铝、锌、镁等低熔点合金优点尺寸精度极高，表面光洁，生产效率极高缺点设备投资大，铸件易有气孔，不适合热处理应用精密零部件、薄壁零件、外观件铸造的基本原理精密铸造（失蜡法）铸造是将熔融金属浇注到预先制备的铸型腔内，冷却凝固后获得所需形状和性能的金属零件的工艺过程铸造是金属成型的最基原理先制作蜡模，然后包覆耐火材料，熔蜡后浇注金属本方法之一，特别适合制造形状复杂、内部有空腔的零件适用材料几乎所有铸造金属，特别适合特种合金优点尺寸精度高，表面光洁，可铸造复杂形状缺点工艺复杂，成本高，生产周期长应用涡轮叶片、医疗植入物、精密零件热处理工艺及其作用热处理是通过加热、保温和冷却的控制过程，改变金属材料内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法热处理不改变材料的整体化学成分，但通过改变相结构、晶粒大小、位错密度等微观因素，显著影响材料的力学性能退火淬火工艺特点加热到特定温度，长时间保温，然后缓慢冷却工艺特点加热到奥氏体化温度，保温后快速冷却（水、油或盐浴）目的目的•消除内应力•获得马氏体组织•软化材料，提高塑性•显著提高硬度和强度•改善切削加工性•为后续回火创造条件•细化晶粒，均匀组织典型应用工具钢、轴承钢、弹簧钢等需要高硬度的零件典型应用冷加工后的应力消除、铸件应力消除、焊接后的应力消除注意事项淬火会产生内应力和变形，增加开裂风险回火表面硬化处理工艺特点淬火后再次加热到低于临界温度，保温后冷却主要方法目的•渗碳表面富碳，提高硬度•减少淬火应力•渗氮表面富氮，提高硬度和耐磨性•提高韧性•感应淬火局部快速加热后淬火•调整硬度到所需水平•火焰淬火用火焰局部加热后淬火•稳定组织和尺寸目的获得表面硬、内部韧的性能组合回火温度典型应用齿轮、轴、凸轮等需要耐磨但又要保持韧性的零件•低温回火150-250℃保持高硬度•中温回火350-500℃提高弹性•高温回火500-650℃获得韧性钢的分类与命名按碳含量分类按合金元素分类低碳钢碳素钢C

0.25%特点塑性好，韧性高，易焊接，难热处理强化除碳外无特意添加的合金元素用途建筑结构、薄板、线材、螺栓等例如Q

235、45钢、T8钢典型牌号Q

235、20钢、AISI1020低合金钢中碳钢C

0.25-

0.6%含合金元素总量5%，提高强度、韧性特点强度和韧性平衡，可热处理强化例如40Cr、16Mn、35SiMn用途齿轮、轴、连杆等机械零件典型牌号45钢、40Cr、AISI1045合金结构钢用于承受载荷的合金钢，强度高高碳钢C

0.6%例如40CrNiMo、30CrMnSi特点硬度高，耐磨，韧性低，难焊接用途刀具、弹簧、量具、模具不锈钢典型牌号T

8、T

12、65Mn、AISI1095含Cr

10.5%，具有耐腐蚀性例如30418-

8、316L、430工具钢用于制造工具的高合金钢，硬度高例如Cr12MoV、W18Cr4V、M2常用钢标准与命名系统123中国标准美国标准欧洲标准GB AISI/SAE EN碳素钢数字表示碳含量，如45钢含碳约

0.45%四位数系统结构钢S开头，如S235JR（S=结构钢，235=屈服强度）合金钢数字+合金元素符号，如40Cr表示含碳

0.40%的铬钢•第一位表示主要合金元素类型（1=碳钢，2=镍钢，3=镍铬钢）工具钢根据用途和成分有详细分类不锈钢采用0Cr

13、1Cr18Ni9Ti等表示法•第二位表示次要合金元素•后两位表示碳含量（如1045表示碳含量

0.45%的碳钢）金属性能测试方法硬度测试布氏硬度HB使用硬质合金球压入试样，测量压痕直径，适用于大部分金属洛氏硬度HRC/HRB使用金刚石圆锥或钢球压入试样，测量压入深度，快速简便维氏硬度HV使用金刚石四棱锥压入试样，测量压痕对角线长度，适用于薄材料和表面硬化层显微硬度HV小负荷维氏硬度，用于测量微小区域或相的硬度拉伸试验将标准试样在拉力作用下逐渐拉伸至断裂，记录力-变形曲线主要测定参数•弹性模量E应力与应变的比值•屈服强度σs开始出现塑性变形的应力•抗拉强度σb最大承受应力•延伸率δ断裂后的伸长百分比•断面收缩率ψ断面减小的百分比冲击试验使用摆锤对标准缺口试样进行冲击断裂，测量吸收的能量主要类型•夏比Charpy试验试样两端支撑，中间受冲击•伊佐德Izod试验试样一端固定，另一端受冲击主要测定参数冲击韧性AK，单位面积吸收的能量特点可测定材料的低温脆性转变温度疲劳试验对试样施加循环载荷，直至断裂或达到指定次数主要测定参数•疲劳极限不会导致疲劳断裂的最大应力•疲劳寿命在特定应力下可承受的循环次数试验类型弯曲疲劳、轴向疲劳、扭转疲劳金属的物理性能识别颜色磁性金属的外观颜色是初步识别的重要特征•铁灰色，带蓝灰色调磁铁吸引测试可快速区分磁性和非磁性金属•铜红铜色，抛光后带金红色光泽•铁磁性材料铁、钴、镍及其合金•铝银白色，轻微带灰白色调•顺磁性材料铝、钛等（磁性极弱）•镍银白色，略带黄色调•抗磁性材料铜、锌、金、银等•锌蓝白色，有特殊光泽注意奥氏体不锈钢（如304）不具有磁性，而铁素体和马氏体不锈钢具•铅蓝灰色，暗淡无光泽有磁性•金黄金色，有明亮金属光泽耐腐蚀性密度抵抗环境介质侵蚀的能力材料单位体积的质量，可通过称重法测定•优良耐腐蚀性金、铂、钛、不锈钢•轻金属（

4.5g/cm³）铝

2.

7、镁

1.

7、钛

4.5•良好耐腐蚀性铝（形成氧化膜）、铜•中等密度金属铁

7.

9、钢

7.

8、镍

8.

9、锌

7.1•较差耐腐蚀性普通碳钢、铸铁•重金属铜

8.

9、铅

11.

3、金

19.

3、钨

19.3测定方法盐雾试验、浸泡试验、电化学方法测定方法悬浮法、阿基米德原理导热性导电性传导热能的能力，通常与导电性相关金属导电能力的衡量，与纯度、组织有关•优良导热体银、铜、金、铝•优良导体银、铜、金、铝•中等导热体锌、钢•中等导体锌、镍、铁•较差导热体钛、不锈钢•较差导体钛、不锈钢测定方法热扩散系数测量测量方法电阻测量、涡流测量金属的机械性能识别强度金属抵抗外力作用而不产生破坏的能力，包括抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等识别方法•标准拉伸试验（最准确）•硬度测试（间接评估）•小型冲击测试（现场快速评估）特征表现•高强度金属变形小，承载能力大•低强度金属易变形，承载能力小硬度金属抵抗硬物压入的能力，反映材料的耐磨性和抗变形能力识别方法•布氏硬度计（大型件）•洛氏硬度计（中小型件）•维氏硬度计（精密测量）•肖氏硬度计（非金属和软金属）•里氏硬度计（便携式现场测试）特征表现•高硬度金属难以划伤，切削困难•低硬度金属易划伤，易加工塑性金属在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力识别方法韧性•拉伸试验中的延伸率和断面收缩率•弯曲试验（简便实用）金属吸收能量并在断裂前产生塑性变形的能力•压扁试验（管材）识别方法特征表现•冲击试验（夏比或伊佐德）•高塑性金属可弯曲、拉伸而不断裂•断口观察（韧性断口呈现撕裂状）•低塑性金属变形能力小，易断裂特征表现•高韧性金属断裂前有明显变形常见金属材料及其应用举例铜及铜合金铝及铝合金钛及钛合金主要特性主要特性主要特性•优良的导电性和导热性•密度低（

2.7g/cm³，约为钢的1/3）•比强度极高（强度/密度比值大）•良好的耐腐蚀性•良好的导电性和导热性•优异的耐腐蚀性•易于加工成形•优良的耐腐蚀性（表面形成氧化膜）•良好的生物相容性•无磁性•冷态下加工性能好•耐高温性能好（可用于600℃左右）主要应用主要应用主要应用•电气导体（电线、电缆、电气设备）•航空航天结构件•航空发动机部件•热交换器、散热器•汽车轻量化零部件•化工设备（耐腐蚀环境）•水管、管道系统•建筑门窗、幕墙•医疗植入物（人工关节、牙种植体）•建筑装饰材料•包装材料（铝箔、易拉罐）•高性能体育器材常见合金黄铜Cu-Zn、青铜Cu-Sn、白铜Cu-Ni常见合金2xxxAl-Cu、5xxxAl-Mg、6xxxAl-Mg-Si、7xxxAl-Zn常见合金TC4Ti-6Al-4V、TC

11、TA

1、TA2镁及镁合金镍及镍合金最轻的工程金属（密度

1.74g/cm³），强度适中，散热性好耐高温、耐腐蚀，具有特殊磁性和电气性能应用汽车轻量化部件、便携电子设备外壳、航空零部件应用高温合金、不锈钢、特种电池、电镀层钨及钨合金密度大（

19.3g/cm³），熔点极高（3422℃），硬度高应用硬质合金刀具、高温钨丝、军工材料金属材料的断口分析与失效机理脆性断裂韧性断裂断口特征断口特征•断口平整，呈现晶面断裂或解理断裂•断口呈现灰暗的纤维状或蜂窝状•几乎没有宏观塑性变形•有明显的宏观塑性变形（颈缩）•断裂路径呈直线或放射状•显微镜下可见大量微小的空洞聚合•断口表面有河流花样或人字形•断裂路径不规则发生条件发生条件•低温环境•材料具有良好塑性•高应变速率（冲击载荷）•单轴拉伸状态•多轴应力状态•较高温度•材料本身脆性（如灰铸铁、高碳钢）•低应变速率（静载或缓慢载荷）•存在尖锐缺口或裂纹失效分析预防措施•通常非灾难性失效•选用韧性材料•多因设计载荷超过材料强度•避免尖锐缺口•观察变形量可判断设计余量•适当热处理提高韧性•控制工作温度疲劳断裂断口特征•断口由起始区、扩展区和瞬断区组成•起始区光滑，有贝壳花纹或海滩纹•扩展区有疲劳条带（疲劳辐合线）•瞬断区特征类似脆性或韧性断裂发生条件•循环或交变载荷•应力集中（如尖角、缺口、表面粗糙）•载荷次数超过材料疲劳极限预防措施•减小应力集中•表面强化处理（喷丸、滚压）•提高表面光洁度•避免锐角和尖角过渡其他常见失效形式失效分析的步骤与方法腐蚀失效因化学或电化学作用导致金属逐渐溶解或变质宏观检查观察外观、变形、断口形态、破坏起源现代金属材料发展趋势1高强度轻质合金通过合金化、热处理和加工工艺优化，发展比强度更高的金属材料代表材料•高强铝锂合金密度低20%，强度高10-15%•镁稀土合金耐热性和抗蠕变性能优异•β型钛合金强度高，密度低，生物相容性好应用领域航空航天、汽车工业、可穿戴设备2纳米晶材料通过控制晶粒尺寸在纳米级别（100nm），显著提高材料的强度和硬度制备方法•等通道角挤压ECAP•高压扭转HPT•机械合金化•快速凝固特点强度高（可达常规材料3-5倍），但塑性有限应用领域高强度紧固件、切削工具、耐磨部件31金属基复合材料形状记忆合金将陶瓷、碳材料等增强相引入金属基体，获得优异的综合性能通过相变实现形状记忆效应和超弹性的特种合金常见类型代表材料镍钛合金Nitinol、铜基和铁基形状记忆合金•颗粒增强型SiC/Al、B₄C/Al应用领域医疗器械、航空航天、智能执行器•纤维增强型碳纤维/铝、SiC纤维/钛•层状复合材料钢/铝层合板、钛/铝层合板特点高比强度、高比模量、高耐磨性、低膨胀系数2应用领域航空发动机、汽车制动系统、高性能运动器材高熵合金含有5个或更多主元素，每种元素原子比例在5-35%之间的新型合金特点高强度、高硬度、耐腐蚀、耐辐照损伤金属材料的环境影响与回收利用金属材料生产的环境影响金属回收利用的优势金属是理想的可循环材料，可以无限次回收而不损失基本特性资源消耗金属矿产是不可再生资源，全球矿产储量有限95%•铁矿石储量较为丰富，但高品位矿减少能源节约•铜、锌、锡等有色金属资源日益紧张•稀有金属和稀土元素面临供应风险回收铝比原生产节省的能源比例能源消耗85%金属冶炼和加工需要大量能源投入₂减排CO•钢铁行业是能源消耗大户（约占工业能耗15%）使用回收钢比原生产减少的碳排放比例•铝冶炼电力消耗巨大（每吨约需14,000千瓦时）•精炼和提纯过程能耗高75%环境污染水资源节约冶金过程产生多种污染物使用回收铜比开采冶炼节省的水资源比例•废气二氧化硫、氮氧化物、粉尘、温室气体•废水含重金属离子、酸碱废液•固废冶炼渣、废酸、尾矿金属回收技术与方法1收集与分类废旧金属的收集和初步分类是回收利用的第一步•城市废金属收集系统•工业废料直接回收•报废产品拆解2预处理对废金属进行清洗、破碎、分选等处理•机械破碎•磁选（分离铁磁性材料）•涡流分选（分离非磁性金属）•密度分选典型案例分析钢铁行业的技术进步连续铸造技术的发展与应用高强度钢的开发与应用连续铸造是将钢水直接铸成坯料的先进工艺，革命性地改变了传统钢铁生产流程高强度钢是当代钢铁材料发展的重要方向，通过合金化、控轧控冷、热处理等手段，显著提高钢材强度传统工艺的局限高强度钢的分类传统钢铁生产采用钢锭-热轧工艺，存在诸多问题高强度低合金钢HSLA屈服强度355-550MPa•工序复杂，能耗高先进高强度钢AHSS屈服强度550-980MPa•钢锭凝固不均匀，偏析严重•双相钢DP、相变塑性钢TRIP、马氏体钢MS•收得率低，约75-85%超高强度钢UHSS屈服强度980MPa•生产效率低，周期长•淬火回火钢、热成形钢、中锰钢连铸技术的原理强化机制连铸技术将钢水注入水冷结晶器，形成带有凝固外壳的坯料，再经过二次冷却和拉引，直接获得连续铸坯•细晶强化控制晶粒细化•固溶强化合金元素溶入基体关键技术点•相变强化形成马氏体或贝氏体•结晶器振动和润滑系统•沉淀强化形成细小弥散相•二次冷却水量控制•加工硬化塑性变形增加位错密度•电磁搅拌技术•凝固过程在线监控主要应用领域连铸技术的优势汽车工业车身结构件、安全件工程机械起重臂、挖掘机臂与传统工艺相比，连铸技术具有显著优势能源领域高压管道、压力容器•工序简化省去了造锭、剥壳、加热等工序建筑领域高层建筑、大跨度桥梁•能耗降低每吨钢节约能耗约15-20%•收得率提高达到98%以上•质量改善组织更均匀，偏析减少•生产效率提高产能增加2-3倍•环境友好减少废气、噪声和粉尘钢铁行业的技术进步代表了金属材料领域的创新发展典范通过工艺创新和材料设计，现代钢铁材料不仅实现了性能的大幅提升，还降低了能源消耗和环境影响未来钢铁行业将继续朝着超高强度、超高纯净度、多功能化和绿色制造方向发展，为各行业提供更加优质的金属材料支持这些技术进步的案例也为其他金属材料的发展提供了宝贵经验课堂小结与知识点回顾金属分类与性能晶体结构与显微组织金属的基本概念具有金属光泽、导电导热、延展性的固态晶体结构类型BCC、FCC、HCP元素晶体结构与性能关系结构决定性能金属的分类黑色金属、有色金属、贵金属凝固过程形核、晶体生长、晶界形成纯金属与合金合金具有更优异的综合性能晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷物理性能颜色、密度、导电性、导热性、磁性等变形机制滑移与孪生机械性能强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性等显微组织观察宏观、显微、电子显微加工工艺与性能测试加工方法铸造、锻造、轧制、焊接、热处理热处理工艺退火、淬火、回火、表面硬化性能测试硬度、拉伸、冲击、疲劳常见应用不同金属材料的典型应用场景失效分析脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂发展趋势轻量化、高性能、绿色制造重要概念回顾合金化原理组织与性能关系材料选择原则合金化是提高金属性能的基本方法，通过金属的性能直接取决于其微观组织结构金属材料的选择应基于使用条件、性能要添加其他元素改变基体金属的晶体结构、通过控制成分和工艺，可以调控组织形态求、加工工艺、成本和可获得性等综合考相组成和微观形貌，获得优异的综合性（如珠光体、贝氏体、马氏体等），实现虑，合理平衡各项指标，选择最适合特定能合金元素可通过固溶强化、沉淀强不同的性能组合组织越细小均匀，一般应用的材料，避免过度设计或性能不足化、细晶强化等多种机制提高材料性能性能越好参考资料与推荐书目核心教材与参考书基础理论《材料科学基础》—C.P.Sharma《金属学与热处理》—崔忠圻，覃耀春主编《材料科学与工程导论》—William D.Callister《金属物理学》—张伏生主编专业应用《金属材料学》—徐祖耀主编《材料科学与冶金》—V.D.Kotgire《钢铁材料学》—刘振宇主编《有色金属材料学》—周尧和主编工艺技术《金属热处理工艺学》—王爱兰主编《金属成型原理》—马建伟主编《材料分析方法》—宋晓岭主编《金属材料测试技术》—李静主编在线学习资源学术网站谢谢聆听！欢迎提问与讨论常见问题解答如何区分不同种类的钢材？可通过外观、火花试验、腐蚀试验、硬度测试等方法初步识别，精确分析需使用光谱分析等专业设备为什么同样是金属，性能差异如此之大？因为金属的性能取决于其化学成分、晶体结构、显微组织和加工历史，这些因素的组合产生了丰富多样的性能特征如何选择合适的热处理工艺？需根据材料成分、零件形状、性能要求和使用条件综合考虑，选择适当的热处理工艺参数未来学习方向金属材料学是一个不断发展的领域，建议关注以下方向•先进制造技术（如增材制造）•金属材料计算模拟与设计•新型金属材料（如高熵合金、非晶合金）•金属材料的表面工程技术•绿色冶金与循环利用技术联系方式如有更多问题或需要进一步讨论，欢迎通过以下方式联系教师邮箱professor@university.edu.cn办公室地点材料科学与工程学院A楼305室答疑时间每周

二、四下午14:00-16:00课程网站http://course.university.edu.cn/metals感谢各位同学的参与和关注！金属材料是人类文明的重要基础，深入学习金属材料科学知识，将为您未来的学习和工作奠定坚实基础期待在实验课上与大家见面，共同探索金属材料的奥秘！。