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金属材料工程导论

《金属材料工程导论》

结业论文

金属材料的种类、性能、用途及其发展展望

专业班级：

姓名

学号：

指导老师：

曹鹏军

参考文献

1、刘宗昌，任慧平，郝少祥《金属材料工程概论》。

北京：

冶金工业出版社。

2、XX文库《金属材料》

3、戴启勋。

《金属材料学》北京：

化学工业出版社；

4.章慈定近代制造技术、机床及试验技术的发展趋势制造

技术与机床年期

孙庚午国外重型机床的发展趋势制造技术与机床年期

6.李正邦《钢铁冶金前沿技术》北京：

冶金工业出版社；年月

7.北京科技大学《中国冶金史论文集》北京：

科学出版社；年

8.

9.金锡根《有色金属冶炼技术》北京：

冶金工业出版社；年月

10.中国钢铁学会《钢铁辞典》北京；物价出版社；年月

11.陈裹武《钢铁冶金物理化学》北京：

冶金工业出版社；年月

12.王从曾《材料性能学》北京；北京工业大学出版社；年月

摘要

金属材料是以金属材料或以金属材料为主构成的具有金属特性的以泪材料的统称。

金属材料种类繁多性能差异较大，可分为纯金属、合金、金属化合物和特种金属材料等。

作为人类最早使用的材料之一，金属材料在几千年后的今天仍然是人类社会最重要的材料。

可以预见，在未来，金属材料必将在人文明的发展与进步中起到关键作用。

关键词

材料钢铁应用发展

金属材料的概念

金属材料是以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。

包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。

人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。

继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。

现代种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。

包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。

继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。

现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

1黑色金属又称钢铁材料，包括含铁％以上的工业纯铁，含碳％～％的铸铁，含碳小于％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。

广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

2有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。

有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

3特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。

其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。

金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。

①铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。

②变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。

③喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯

金属材料的发展

人类文明的发展和社会的进步同金属材料的关系十分密切。

继石器时代之后，出现铜器时代，随后是铁器时代见冶金史。

世纪以来，随着科学技术的发展，铝、钛及其他稀有金属材料相继获得工业生产和应用；钢铁生产得到进一步发展。

世纪年代以来，新型金属材料的发展，更是方兴未艾，难以估量。

年世界钢产量达到亿吨，铝约万吨，铜约万吨，钛则已形成万吨的生产能力。

金属材料除了作为受力结构使用之外，有些还具有耐高温、耐低温、耐腐蚀以及其他如磁性、弹性、电学等特殊功能，是工农业发展和人类生活的物质基础。

材料、信息、能源被称为现代科学技术的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。

任何新的技术成就，莫不仰赖于各种相互匹配的新型材料，而新型材料中金属材料是其重要的一个方面，例如航空、航天工业所需的高温合金，核工业的核燃料、核反应堆材料，现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新型磁性材料等。

由于这些新技术的发展又推动研制新的材料品种和发展新的冶金生产工艺和装备。

由此可见，金属材料的开发和研究是科学技术的一个基本领域。

金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。

随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。

如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。

金属材料分类及应用

金属材料品种繁多。

随着科学技术的发展不仅新的金属材料品种不断出现而且传统的金属材料如钢铁、铜、铝等合金材料品种也日益增加。

（）按元素分为：

钢铁材料，如铁、钢、碳素钢、合金钢等有色金属材料如铝、铜、镍、贵金属材料等。

（）按主要性能和用途分为金属结构材料和金属功能材料其中有要求力学性能（强度、硬度、韧性等）为主的材料，如结构材料、工具材料等；有要求物理性能（磁性、导电性、弹性等）的材料，如精密合金、半导体材料、超导材料等；要求物理化学性能的材料，如耐蚀材料、金属催化剂、消气材料等。

按加工制造工艺可分为：

铸造合金、变形（可进行金属塑性加工合金和粉末冶金材料。

（）按材料提供使用的形态可分为：

板材、丝材、棒材、带材和多孔材料、纤维强化复合材料等。

此外，还可按金属的组织状态分为结晶态金属材料和非晶态金属材料等。

种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。

①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁％以上的工业纯铁，含碳％～％的铸铁，含碳小于％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。

广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。

②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。

有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。

③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。

其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。

钢：

量小于％并含有某些其他元素的铁碳合金。

钢具有强度高、韧性好、易于加工成形、原材料资源丰富、冶炼容易、价格便宜等优点，是应用最广泛的一种金属材料。

简史中国在春秋末期（前年以前已出现人工锻炼的钢。

到东汉时期已掌握了炒钢技术。

钢的工业生产最早采用坩埚法，产量低、成本高，难于满足工业发展的需要。

年，英国的贝塞麦发明了转炉炼钢法，～年，英国的西门子和法国的马丁发明了平炉炼钢法。

年，法国的埃鲁发明了电弧炉炼钢法。

世纪年代后，先后出现了真空除气、电渣重熔、钢包精炼、真空熔炼等精炼技术，使电炉钢的品质更好，各种新钢种也相继出现。

钢是现代社会生产和生活所必需的基本材料，而钢和钢材的产量、品种、质量已作为衡量一个国家工业、农业、国防和科学技术现代化的一个重要标志钢的组织和特性铁是钢的基本组成元素。

金属材料的性能

金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。

金属材料的性能主要分为四个方面，即：

机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。

机械性能

（一）应力的概念物体内部单位截面积上承受的力称为应力。

由外力作用引起的应力称为工作应力，在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力（例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力等等）。

（二）机械性能金属在一定温度条件下承受外力（载荷）作用时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能（也称为力学性能）。

金属材料承受的载荷有多种形式，它可以是静态载荷，也可以是动态载荷，包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等等，因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项：

　　强度

　　这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力，可分为抗拉强度极限（）、抗弯强度极限（）、抗压强度极限（）等。

由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循，因而通常采用拉伸试验进行测定，即把金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上进行拉伸，直至试样断裂，测定的强度指标主要有：

　　（）强度极限：

材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，以表示，如拉伸试验曲线图中最高点对应的强度极限，常用单位为兆帕（），换算关系有：

或式中：

至材料断裂时的最大应力（或者说是试样能承受的最大载荷）；拉伸试样原来的横截面积。

　　（）屈服强度极限：

金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。

产生屈服时的应力称为屈服强度极限，用表示，相应于拉伸试验曲线图中的点称为屈服点。

对于塑性高的材料，在拉伸曲线上会出现明显的屈服点，而对于低塑性材料则没有明显的屈服点，从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。

因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样上的标距长度产生塑性变形时的应力作为条件屈服极限，用表示。

屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。

但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比（即）要小，以提高其安全可靠性，不过此时材料的利用率也较低了。

　　（）弹性极限：

材料在外力作用下将产生变形，但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。

金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，相应于拉伸试验曲线图中的点，以表示，单位为兆帕（）：

式中为保持弹性时的最大外力（或者说材料最大弹性变形时的载荷）。

　　（）弹性模数：

这是材料在弹性极限范围内的应力与应变（与应力相对应的单位变形量）之比，用表示，单位兆帕（）：

式中为拉伸试验曲线上线与水平轴的夹角。

弹性模数是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。

　　塑性

　　金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性，通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率（）和试样断面收缩率（）延伸率，这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度与试样原始标距长度之差（增长量）与之比。

在实际试验时，同一材料但是不同规格（直径、截面形状例如方形、圆形、矩形以及标距长度）的拉伸试样测得的延伸率会有不同，因此一般需要特别加注，例如最常用的圆截面试样，其初始标距长度为试样直径倍时测得的延伸率表示为，而初始标距长度为试样直径倍时测得的延伸率则表示为。

断面收缩率，这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积与断口细颈处最小截面积之差（断面缩减量）与之比。

实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算：

，式中：

试样原直径；试样拉断后断口细颈处最小直径。

与值越大，表明材料的塑性越好。

硬度金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，或者说是材料对局部塑性变形的抵抗能力。

因此，硬度与强度有着一定的关系。

根据硬度的测定方法，主要可以分为：

　　（）布氏硬度（代号）用一定直径的淬硬钢球在规定负荷的作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下表面积为的压痕，以试件的单位表面积上能承受负荷的大小表示该试件的硬度：

。

在实际应用中，通常直接测量压坑的直径，并根据负荷和钢球直径从布氏硬度数值表上查出布氏硬度值（显然，压坑直径越大，硬度越低，表示的布氏硬度值越小）。

布氏硬度与材料的抗拉强度之间存在一定关系：

≈，为系数，例如对于低碳钢有≈，对于高碳钢有≈，对于调质合金钢有≈，等等。

　　（）洛氏硬度（）用有一定顶角（例如）的金刚石圆锥体压头或一定直径的淬硬钢球，在一定负荷作用下压入试件表面，保持一段时间后卸去载荷，在试件表面将会留下某个深度的压痕。

由洛氏硬度机自动测量压坑深度并以硬度值读数显示（显然，压坑越深，硬度越低，表示的洛氏硬度值越小）。

根据压头与负荷的不同，洛氏硬度还分为、、三种，其中以为最常用。

洛氏硬度与布氏硬度之间有如下换算关系：

≈。

除了最常用的洛氏硬度与布氏硬度之外，还有维氏硬度（）、肖氏硬度（）、显微硬度以及里氏硬度（）。

这里特别要说明一下关于里氏硬度，这是目前最新颖的硬度表征方法，利用里氏硬度计进行测量，其检测原理是：

里氏硬度计的冲击装置将冲头从固定位置释放，冲头快速冲击在试件表面上，通过线圈的电磁感应测量冲头距离试件表面毫米处的冲击速度与反弹速度（感应为冲击电压和反弹电压），里氏硬度值即以冲头反弹速度和冲击速度之比来表示：

式中：

里氏硬度值；冲头反弹速度；冲头冲击速度（注：

实际应用装置中是以冲击装置中的闭合线圈感应的冲击电压和反弹电压代表冲击速度和反弹速度）。

冲击装置的构造主要有内置弹簧（加载套管，不同型号的冲击装置有不同的冲击能量）、导管、释放按钮、内置线圈与骨架、支撑环以及冲头，冲头主要采用金刚石、碳化钨两种极高硬度的球形（不同型号的冲击装置其冲头直径有不同）。

优点：

里氏硬度计的主机接收到冲击装置获得的信号进行处理、计算，然后在屏幕上直接显示出里氏硬度值，便携式里氏硬度计用里氏（）测量后可以转化为：

布氏（）、洛氏（）、维氏（）、肖氏（）硬度。

或用里氏原理直接用布氏（）、洛氏（）、维氏（）、里氏（）、肖氏（）测量硬度值同时可折算出材料的抗拉强度，还可以将测量结果储存、直接打印输出或传送给计算机作进一步的数据处理。

　　应用范围：

　　里氏硬度计是一种便携袖珍装置，可应用于各种金属材料、工件的表面硬度测量，特别是大型锻铸件的测量，其最大的特点是可以任意方向检测，免去了普通硬度计对工件大小、测量位置等的限制。

　　韧性

金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。

通常采用冲击试验，即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时，断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：

单位或，称作金属材料的冲击韧性，为冲击功，为断口的原始截面积。

疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下（应力一般均小于屈服极限强度），未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂，这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于甚至大于的应力（应力集中），使该局部发生塑性变形或微裂纹，随着反复交变应力作用次数的增加，使裂纹逐渐扩展加深（裂纹尖端处应力集中）导致该局部处承受应力的实际截面积减小，直至局部应力大于而产生断裂。

在实际应用中，一般把试样在重复或交变应力（拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等）作用下，在规定的周期数内（一般对钢取次，对有色金属取次）不发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳强度极限，用表示，单位。

除了上述五种最常用的力学性能指标外，对一些要求特别严格的材料，例如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料，还会要求下述一些力学性能指标：

蠕变极限：

在一定温度和恒定拉伸载荷下，材料随时间缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。

通常采用高温拉伸蠕变试验，即在恒定温度和恒定拉伸载荷下，试样在规定时间内的蠕变伸长率（总伸长或残余伸长）或者在蠕变伸长速度相对恒定的阶段，蠕变速度不超过某规定值时的最大应力，作为蠕变极限，以表示，单位，式中为试验持续时间，为温度，为伸长率，为应力；或者以表示，为蠕变速度。

高温拉伸持久强度极限：

试样在恒定温度和恒定拉伸载荷作用下，达到规定的持续时间而不断裂的最大应力，以表示，单位，式中为持续时间，为温度，为应力。

金属缺口敏感性系数：

以表示在持续时间相同（高温拉伸持久试验）时有缺口的试样与无缺口的光滑试样的应力之比：

式中为试验持续时间，为缺口试样的应力，为光滑试样的应力。

或者用：

表示，即在相同的应力作用下，缺口试样持续时间与光滑试样持续时间之比。

抗热性：

在高温下材料对机械载荷的抗力。

化学性能

金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。

在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性（又称作氧化抗力，这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性），以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。

在金属的化学性能中，特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。

物理性能

　　金属的物理性能主要考虑：

　　（）密度（比重）：

单位克立方厘米或吨立方米，式中为重量，为体积。

在实际应用中，除了根据密度计算金属零件的重量外，很重要的一点是考虑金属的比强度（强度与密度之比）来帮助选材，以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗（密度与声速的乘积）和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等。

　　（）熔点：

金属由固态转变成液态时的温度，对金属材料的熔炼、热加工有直接影响，并与材料的高温性能有很大关系。

（）热膨胀性随着温度变化，材料的体积也发生变化（膨胀或收缩）的现象称为热膨胀，多用线膨胀系数衡量，亦即温度变化℃时，材料长度的增减量与其℃时的长度之比。

热膨胀性与材料的比热有关。

在实际应用中还要考虑比容（材料受温度等外界影响时，单位重量的材料其容积的增减，即容积与质量之比），特别是对于在高温环境下工作，或者在冷、热交替环境中工作的金属零件，必须考虑其膨胀性能的影响。

　　（）磁性能吸引铁磁性物体的性质即为磁性，它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上，从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。

　　（）电学性能主要考虑其电导率，在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。

工艺性能

　　金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下四个方面：

　　（）切削加工性能：

反映用切削工具（例如车削、铣削、刨削、磨削等）对金属材料进行切削加工的难易程度。

　　（）可锻性：

反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度，例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。

　　（）可铸性：

反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。

（4）可焊性：

反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压），从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性、对机械性能的影响等。

工艺性能

金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能，主要有以下四个方面：

（）切削加工性能：

反映用切削工具（例如车削、铣削、刨削、磨削等）对金属材料进行切削加工的难易程度。

（）可锻性：

反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度，例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低（表现为塑性变形抗力的大小），允许热压力加工的温度范围大小，热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。

（）可铸性：

反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度，表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点，铸件显微组织的均匀性、致密性，以及冷缩率等。

（）可焊性：

反映金属材料在局部快速加热，使结合部位迅速熔化或半熔化（需加压），从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度，表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性、对机械性能的影响等。

发展展望

随着科技的飞速发展，人类对材料领域研究的逐渐深入，金属材料制备、加工工艺的突飞猛进。

金属材料无论从应用领域还是使用性能上都比过去有了大幅的提升，当今材料的发展方向逐渐明确，对于金属材料而言，其高强度、高硬度、智能化、轻量化、易加工性、低成本性已成为各个领域的共识。

与此同时，电子工业的飞速发展也使有色金属工业进入了发展的巅峰。

金属功能材料、金属纳米材料、金属陶瓷材料这些金属材料也在各个尖端领域中扮演着不可替代的角色，为人类文明的进步与发展奠定坚实的基础。

金属材料必然成为未来人类最重要的材料，金属材料研究也必然成为一个古老而又新兴的学科！

青年人首先要树雄心，立大志，其次就要决心作一个有用的人才