金属材料工程

1、金属材料工程文章摘要：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。关键词：金属材料学、金属材料工程、金属材料性能 金属材料都包括什么？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、台金、金属间化合物和特种金属材料等。意义: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。黑色金属又称钢铁材料，包括

2、含铁 90%以上的工业纯铁，含碳 2%4%的铸铁，含碳小于 2%的 碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温台金、精 密台金等。广义的黑色金属还包括铭、猛及其合金。有色金属 是指除铁、铭、猛以外的所有金属及其台金，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。 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、而寸磨、 减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。性能:一般分为工艺性能和使

3、用性能两类。 所谓工艺性能是指机械零件在加 工制造过程中，金属材料在所定的冷、 热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏， 决定了它在制造过程中加工成 形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同， 如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所 谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性 能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命。在机械制造业中， 一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用 的，且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为力

4、学性能（过去也称为机械性能）。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要 依据。外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环 载荷等），对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性 能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极 限等。金属材料-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）。19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。20世纪50年代以来，新型金属材料的发展，更是方兴未艾，难以估Mo 1982年世界钢产量达到5.7亿吨，铝约140

5、0万吨，铜约900 万吨，钛则已形成11万吨的生产能力。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台金，核工业的核 燃料、核反应堆材料，现代信息技术使用的硅、错等半导体材料、 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

6、研究是科学技术的一个基本领域。金属材料-分类金属材料品种繁多。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、铝等台金材料品种 也日益增加。钢铁材料(1) 按元素分为：钢铁材料，如铁、钢、碳素钢、台金钢等；有 色金属材料，如铝、铜、镣、贵金属材料等。(2) 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 有要求力学性能为主的材料； 有要求物理性能的材料； 要求物理 化学性能的材料。按加工制造工艺可分为：铸造台金、变形(可 进行金属塑性加工台金和粉末冶金材料)。(3) 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

7、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。 黑色金属又称钢铁材料，包括含铁 90%以上的工业纯铁，含 碳2%4%的铸铁，含碳小于 2%的碳钢，以及各种用途的结 构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密台金等。广义的黑色金 属还包括铭、镒及其台金。有色金属：铜 有色金属是指除铁、铭、镒以外的所有金属及其台金，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。 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

8、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-生产工艺金属材料生产的程序，一般是先提取和冶炼金属， 然后加工 成各种规格和性能的产品。 提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工 艺，有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺，高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空冶金等工艺进一步精炼提 纯。金属材料-疲劳强度许多机械零件和工程构件， 是承受交变载荷工作的。 在交变 载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限， 但经过长时 间的应力反复循环作用以后， 也会发生突然脆性断裂， 这种现象 叫做金属材料的疲劳。金属材料疲劳断裂的特点是：(1) 载荷应力是交变的；(2

9、) 载荷的作用时间较长；(3) 断裂是瞬时发生的；(4) 无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。所以，疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。金属材料的疲劳现象，按条件不同可分为下列几种：(1) 高周疲劳：指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限)条件下，应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。局周疲劳一般简称为疲劳。(2) 低周疲劳：指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下，应力循环周数在 10000-100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用，因而，也称为塑性疲劳或应变疲劳。(3) 热疲劳：指由

10、于温度变化所产生的热应力的反复作用，所 造成的疲劳破坏。(4) 腐蚀疲劳：指机器部件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、 海水、活性气体等)的共同作用下，所产生的疲劳破坏。(5) 接触疲劳：这是指机器零件的接触表面，在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，从而造成机件失效破坏。金属材料-塑性塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑 性变形）而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时，长度和横 截面积都要发生变化，因此，金属的塑性可以用长度的伸长（延 伸率）和断面的收缩（断面收缩率）两个指标来衡量。金属材料的延伸率和断面收缩率愈大，表示该材料的塑性愈好， 即材料能承受较大的塑性变

11、形而不破坏。一般把延伸率大于百分 之五的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。塑性好的材料，它能在较大的宏观范围内产生塑性变形，并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化，从而提高材料的强度，保证了零件的安全使用。此外，塑性好的材料可以顺利地进行某些成 型工艺加工，如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此，选择金属材 料作机械零件时，必须满足一定的塑性指标。金属材料-硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度 指标有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。

12、金属材料-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。一.机械性能机械性能，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）。因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项： 1.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，2型性金属材料在

13、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a（%）和试样断面收缩率W （ %）延伸率a =（L1-L0）/L0x100% ,这是拉 伸试验时试样拉断后将试样断口对台起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差（增长量）与L0之比。a与p值越大， 表明材料的塑性越好。3. 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。4. 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

14、单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性：ak=Ak/F 单位 J/cm2 或 Kg ?m/cm2, 1Kg ?m/cm2=9.8J/cm2 a k 称作 金属材料的冲击韧性，Ak为冲击功，F为断口的原始截面积。5. 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。s）,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（T s甚至大于（T b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，

15、直至局部应力大于（T b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 106107次，对有色金属取108次）不发生断裂所能承受的最大 应力作为疲劳强度极限，用。-1表示，单位MPa。5.疲劳强度一交变载荷交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生低应力断裂 的现象成为疲劳断裂。疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后断裂。疲劳抗力指标：疲劳极限，又称疲劳强度，用（T -1表示。材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力，即疲劳曲线上水平部分对应的应力值。

16、疲劳断裂的原因：一般认为是，由于材料表面与内部的缺陷（夹 杂、划痕、尖角等），造成局部应力集中，形成微裂纹。随应力 循环次数的增加，微裂纹逐渐扩展，使零件的有效承载面积逐渐 减小，以致于最后承受不起所加载荷而突然断裂。提高材料疲劳抗力的措施：通过合理选材，改善材料的结构形状， 避免应力集中，减小材料和零件的缺陷；提高零件表面光洁度； 对表面进行强化，喷丸处理等，可以提高材料的疲劳抗力。金属材料-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，这是特另U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、

17、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。金属材料-物理性能金属的物理性能主要考虑：（1）密度（比重）：p =P/V单位克/立方厘米或吨/立方米，式中 p为重量，V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° b与密 度P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P与声速C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。(2) 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

18、温性能有很大关系。(3) 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 1C时，材料长度的增减量与其 0C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。(4) 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。(5) 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。金属材料-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：(1) 切削加工性能：反映用切削工具(例如车削、铳削、刨削、 磨削等)对金属材料进行切削加工的难