课题1金属材料教学课件

金属材料教学课件课程大纲金属材料基础铁素体及钢铁材料从原子结构到晶体排列，理解金属材料的本质特性和分类方法深入学习钢铁材料的组成、分类、生产工艺和工程应用非铁金属及合金金属材料性能与检测探索铝、铜、镍等非铁金属材料的特性和应用领域第一章金属材料基础金属材料是现代工业文明的基石理解金属的基本特性、晶体结构和分类方法，是掌握材料科学的第一步什么是金属材料？纯金属金属合金具有优异导电性、导热性和延展性的固态矿物元素原子间通过金属由两种或多种元素组成的材料，至少包含一种金属元素通过合金化键结合，电子海模型解释其独特性质可以显著改善纯金属的性能•良好的导电导热性•强度和硬度提升•优异的塑性变形能力•耐腐蚀性能改善•金属光泽和不透明性•特殊功能性获得金属材料分类体系非铁金属不含铁或铁含量很少的金属•轻金属铝、镁、钛等铁基金属•重金属铜、锌、铅等•贵金属金、银、铂等以铁为主要成分的金属材料•稀有金属钨、钽、铌等•纯铁（工业用铁）其他材料•碳钢（含碳量

0.02-

2.11%）•铸铁（含碳量

2.11-

6.69%）与金属相关的材料系统•合金钢（添加合金元素）•金属基复合材料•金属陶瓷•形状记忆合金•超导材料金属材料的晶体结构常见晶体结构类型简单立方（）体心立方（）SC BCC配位数6，堆积因子

52.4%配位数8，堆积因子

68.0%较少见，主要用于理论分析如α-Fe、Cr、W等金属面心立方（）FCC配位数12，堆积因子

74.0%晶体结构的影响如γ-Fe、Al、Cu、Au等•决定材料的密度•影响机械性能•控制变形行为•影响相变特性金属的凝固过程与晶粒形成成核阶段均匀化过程在过冷液体中，原子聚集形成临界尺寸的晶核杂质粒子常作为异质成核的核液态金属中原子排列无序，温度下降至熔点附近时开始出现局部有序区域心晶粒形成晶体生长相邻晶体相遇形成晶界，最终形成多晶结构晶粒大小影响材料的机械性能晶核不断吸收周围原子，按一定的晶体结构规律向外扩展，形成树枝状晶体晶粒细化可以提高材料的强度和韧性，这是金属材料强化的重要机制之一金属晶体结构的原子排列体心立方（BCC）和面心立方（FCC）结构展示了金属原子在三维空间中的有序排列这种原子级别的结构决定了金属材料的宏观性能第二章铁素体及钢铁材料钢铁材料是应用最广泛的金属材料，从古代的生铁冶炼到现代的精密合金钢，钢铁工业推动了人类文明的发展铁素体及其工程意义纯铁的基本特性磁性特征室温下为铁磁性，居里温度768°C物理性质密度

7.87g/cm³，熔点1538°C外观特征银白色金属光泽，易氧化钢的分类与化学成分碳钢合金钢不锈钢碳含量

0.02-

2.11%特殊元素添加Cr含量≥

10.5%•低碳钢（

0.25%C）焊接性好•Ni提高韧性和耐蚀性•奥氏体不锈钢18Cr-8Ni系•中碳钢（

0.25-

0.6%C）强韧平衡•Cr增强耐磨和耐蚀性•铁素体不锈钢高Cr低Ni•高碳钢（

0.6-

2.11%C）高硬度•Mo改善高温性能•马氏体不锈钢可热处理强化•V细化晶粒，提高强度•双相不锈钢强度韧性结合主要合金元素碳、硅、锰、磷、硫合金元素含量通常5%（低合金）或5%广泛应用于化工、食品、医疗等领域（高合金）铸铁的类型与特征12灰铸铁白口铸铁₃石墨形态片状石墨组织特征含大量Fe C碳化物优点良好的切削性、减震性、铸造性能佳，成本低廉优点硬度高、耐磨性优异，表面质量好缺点抗拉强度低，脆性较大，不适合承受冲击载荷缺点脆性极大，难以切削加工应用机床床身、缸体、管道等应用轧辊、犁铧、耐磨件等34球墨铸铁可锻铸铁石墨形态球状石墨制备工艺白口铸铁热处理优点强度和韧性接近钢材，铸造性能保持优点韧性好，可承受一定冲击，可焊接缺点生产工艺复杂，成本较高缺点生产周期长，形状受限应用曲轴、齿轮、高压管道应用管件、农机零件、链条等钢铁材料生产工艺流程原料准备高炉炼铁•铁矿石（赤铁矿、磁铁矿）•温度1500-1600°C•焦炭（还原剂和燃料）•CO还原铁氧化物•石灰石（助熔剂）•产出生铁和高炉渣炼钢工艺轧制成型•转炉或电炉炼钢•连铸成坯•脱碳、脱磷、脱硫•热轧或冷轧•合金元素调整•最终产品成型现代钢铁工业采用连续化、自动化生产，大大提高了生产效率和产品质量稳定性现代钢铁生产的工业规模高炉炼铁是钢铁工业的核心工艺，现代化的钢铁联合企业集成了从原料处理到成品轧制的完整生产链条，实现了高效、环保的钢铁生产钢材标准与牌号命名主要国际标准体系美国标准（）中国标准（）AISI/SAE GB命名规则四位数字系统命名规则用途+成分表示•10XX碳钢（1045表示含碳

0.45%）•Q235屈服强度235MPa碳素结构钢•41XX铬钼钢•45含碳

0.45%优质碳素钢•304奥氏体不锈钢（18Cr-8Ni）•0Cr18Ni918Cr-9Ni不锈钢选材要点根据使用环境、载荷类•4140合金结构钢•40CrMo含C

0.4%的铬钼钢型、加工要求选择合适的钢种和热处理状态欧洲标准（）EN命名规则用途代号+数字•S355结构钢，屈服强度355MPa•C45含碳

0.45%•X5CrNi18-10精密不锈钢第三章非铁金属及合金非铁金属材料以其独特的性能—轻质、耐蚀、导电、美观等特点，在航空航天、电子电气、交通运输等高技术领域发挥着不可替代的作用主要非铁金属材料体系铝及铝合金铜及铜合金特点密度低（

2.7g/cm³），耐腐蚀性好特点导电性优异，抗菌性能好变形铝合金2XXX、6XXX、7XXX系黄铜Cu-Zn合金，可塑性好铸造铝合金硅铝合金（LM6）青铜Cu-Sn合金，强度高应用航空结构、汽车轻量化、包装材料应用电气设备、管道系统、装饰材料钛及钛合金镍基合金特点比强度高，耐腐蚀性极佳特点高温强度好，耐腐蚀纯钛Grade1-4，化工设备镍基高温合金Inconel、Hastelloyα+β钛合金Ti-6Al-4V形状记忆合金Ni-Ti合金应用航空发动机、医疗植入物应用燃气轮机、化工设备非铁金属性能对比分析密度g/cm³导电率%IACS抗拉强度MPa重要非铁合金的典型工程应用航空航天铝合金电气工业铜合金高温合金应用2024铝合金飞机机身框无氧铜高压电缆、变压器镍基合金燃气轮机叶片、架、翼梁结构绕组涡轮盘7075铝合金高强度要求的铍铜精密开关触点、弹性钴基合金喷气发动机导向机翼蒙皮元件叶片6061铝合金火箭燃料箱、锡磷青铜连接器、继电器难熔合金火箭发动机喷管卫星结构簧片这些合金能在1000°C以上高铝合金密度仅为钢的1/3，在铜的导电率高达100%IACS，温环境中保持优异的力学性保证强度的同时大幅减重，是电气工业的首选导体材能和抗氧化能力是航空工业不可或缺的材料，保证了电力传输的高效料性第四章金属材料性能与检测材料性能的准确评价是工程应用的基础通过标准化的测试方法，我们能够量化材料的机械、物理和化学性能金属机械性能基本概念硬度强度材料表面抵抗局部塑性变形的能力材料在外力作用下抵抗破坏的能力意义反映材料的耐磨性和加工性能分类屈服强度、抗拉强度、疲劳强度塑性韧性材料在载荷作用下产生永久变形的能力材料在冲击载荷下吸收能量的能力指标延伸率δ、断面收缩率ψ测试冲击试验、断裂韧性试验工程意义这些性能指标的合理匹配决定了材料在特定工况下的适用性高强度材料适合承载结构，高韧性材料适合冲击环境硬度测试方法对比布氏硬度（）洛氏硬度（）维氏硬度（）HB HRHV原理钢球或碳化钨球压入试样表面原理金刚石圆锥或钢球压入测量深度原理正四角锥金刚石压头压入压头直径10mm球体标尺HRC（硬材料）、HRB（软材料）压头角136°锥角载荷3000kgf（

29.4kN）载荷150kgf（HRC）、100kgf（HRB）载荷5-100kgf可选适用范围较软材料，HB450适用范围最广泛，快速检测适用范围全硬度范围，薄件测试优点压痕大，代表性好优点操作简便，压痕小优点精度高，适用面广拉伸性能与应力应变关系-拉伸试验关键参数弹性变形阶段1遵循胡克定律σ=Eε弹性模量E反映材料刚度屈服强度2σs材料开始塑性变形的临界应力设计时的安全基准抗拉强度3σb材料能承受的最大应力表征材料的极限承载能力断后伸长率4δδ=L1-L0/L0×100%衡量材料塑性的重要指标金属材料的腐蚀与防护电化学腐蚀电偶腐蚀金属在电解质中发生氧化还原反应不同金属接触时的加速腐蚀阳极反应M→M^n++ne^-活性金属优先溶解防护措施应力腐蚀表面涂层、阴极保护、合金化在腐蚀环境和拉应力共同作用下开裂选择耐蚀材料和设计优化危害性极大的腐蚀形式₂₃不锈钢的耐腐蚀机理铬元素在表面形成致密的Cr O钝化膜，有效阻止进一步腐蚀当铬含量≥

10.5%时，钝化膜稳定存在金属材料显微组织分析试样制备•取样代表性部位切取•镶嵌便于操作和观察•磨光逐级砂纸磨至镜面•抛光机械或电解抛光化学浸蚀•碳钢4%硝酸酒精溶液•不锈钢王水或草酸电解•铝合金氢氟酸基溶液•铜合金氯化铁溶液显微观察•光学显微镜50-1000ו扫描电镜高分辨率形貌•透射电镜原子级结构•电子探针成分分析显微组织分析是理解材料性能与结构关系的重要手段，通过观察晶粒大小、相分布、缺陷等特征，指导材料设计和工艺优化金属显微组织的多样性不同的金属材料和热处理工艺会产生截然不同的显微组织晶粒大小、相的分布和形态直接影响材料的机械性能，这是材料科学研究的核心内容金属材料热处理工艺退火处理淬火处理目的消除内应力，细化晶粒，改善塑性目的获得马氏体组织，大幅提高硬度工艺加热至再结晶温度以上，保温后缓冷工艺快速冷却，抑制扩散型相变应用冷加工后的软化处理风险内应力大，脆性增加1234正火处理回火处理目的细化晶粒，均匀组织，提高强度目的降低脆性，调节强韧性配比工艺加热至奥氏体化温度，空气冷却工艺淬火后的中温加热处理应用中碳钢的预备热处理效果马氏体分解，碳化物析出热处理的本质是通过控制加热温度、保温时间和冷却速度来调控金属的显微组织，从而获得所需的性能组合金属材料工程应用案例建筑结构用钢汽车轻量化铝合金电气设备用铜合金材料选择Q345B低合金高强度结构钢材料选择6061-T6铝合金板材材料选择T2无氧铜母线性能要求屈服强度≥345MPa，良好焊接性性能特点密度

2.7g/cm³，强度310MPa导电性能导电率≥100%IACS应用优势减重效果技术优势•高强重比，减少结构自重•相比钢材减重40-50%•电阻率低，传输损耗小•施工速度快，工期短•燃油经济性提升10-15%•载流能力强，安全可靠•抗震性能好，安全性高•耐腐蚀性优异，免维护•机械性能好，易加工成形•材料可回收，环保性好•可回收率达95%以上•抗腐蚀，使用寿命长金属材料技术发展趋势高性能合金智能材料超高强度钢、钛铝化合物、难熔金属合金形状记忆合金、磁致伸缩材料、自修复合金智能设计纳米材料AI辅助合金设计、高通量计算、数据驱动开纳米晶材料、纳米复合材料、表面纳米化发绿色制造增材制造低碳钢铁工艺、金属回收技术、清洁生产3D打印专用合金、梯度功能材料未来的金属材料将朝着高性能化、智能化、绿色化、个性化方向发展，满足更加苛刻的应用需求课程总结与展望金属材料是现代工业的基石从钢铁建筑到航空航天，从电子设备到交通工具，金属材料支撑着现代文明的发展理解其性能与应用规律，是工程技术人员的必备素养结构决定性能，性能指导应用原子结构→晶体结构→显微组织→宏观性能，这一层次化的结构-性能关系是材料科学的核心理念掌握这一规律，才能实现材料的合理选择与优化设计持续学习，迎接材料科学的未来材料科学正处在快速发展阶段，新材料、新工艺、新理论不断涌现保持学习热情，关注前沿动态，在实践中深化理解，才能在这个充满挑战的领域中取得成功让我们继续探索金属材料的无限可能，为建设更美好的世界贡献力量！。