汽车机械基础：项目五 金属材料基本知识
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项目五 金属材料基本知识
金属材料常指工业上所使用的金属或合金的总称。金属材料包括钢铁、有色金属及 其合金。对纯金属而言，常见的金属有铁、铜、锌、铝、镍、金、银等。合金是指由 两种或两种以上的金属、金属与非金属结合而成的且具有金属性质的材料。由于金属 材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，并能采用比较简单和经 济的方法制成零件，因此金属材料是目前应用最为广泛的材料，在汽车制造材料中所 占比例高达80%左右。
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任务5.1金属材料的力学性能
5.1.1 金属材料的分类
工业上，通常将金属材料分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色金属是指钢铁材料， 有色金属是指除钢铁材料以外的其他所有金属材料，如铜、铝、镁、钛、锡等及其合金。
5.1.2 金属材料的力学性能
1. 强度 强度是指金属材料在外力作用下，所表现出的抵抗永久变形和断裂的能力。
12
任务5.2 金属材料的晶体结构
任务描述： 不同的金属材料具有不同的力学性能，即使同一种金属材料，在不同的条件下其力
学性能也是不同的。金属力学性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决 定的。因此，掌握金属的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料， 具有非常重要的意义。
材料的结构是指材料组成单元之间平衡时的空间排列方式。材料的结构从宏观到微 观可分为不同的层次，即宏观组织结构、显微组织结构和微观组织结构。而材料的微 观结构是指其组成原子（或分子）间的结合方式以及组成原子在空间的排列方式，而 这些排列方式是如何影响材料的性能的呢？本节课就重点讲述材料的微观结构。
图5-12 单晶体与多晶体的结构
图5-14 线缺陷和面缺陷
图5-13 点缺陷
16
任务5.2 金属材料的晶体结构
5.2.3 合金的晶体结构
1. 基本概念
（1）合金 （2）组元 （3）合金系 （4）相
2. 合金的相结构
（1）固溶体 （2）金属化合物 （3）机械混合物
图5-15 固溶体的类型
17
任务5.2 金属材料的晶体结构
图5-11 密排六方晶格
图5-8 立方晶体中原子排列示意图 (a) 晶体中原子排列的钢球模型 (b) 金属的晶格
(c) 晶胞及晶格常数
图5-10 面心立方晶格
图5-9 体心立方晶格
15
任务5.2 金属材料的晶体结构
5.2.2 金属的实际晶体结构
1. 金属的多晶体结构 2. 金属的晶体缺陷
（1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷
13
任务5.2 金属材料的晶体结构
学习目标： 1. 了解金属及合金的晶体结构 2. 掌握铁碳合金的基本组织及性能 3. 理解铁碳合金相图中各阶段的反应及产物的形成
14
任务5.2 金属材料的晶体结构
5.2.1 金属的理想晶体结构
1.晶体和非晶体
2. 晶格和晶胞
3. 金属晶体的基本类型
（1）体心立方晶格。 （2）面心立方晶格。 （3）密排六方晶格。
2. 塑性
金属材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的能力称为塑性。
（1）断后伸长率 断后伸长率是指试样被拉断后，试样标距的伸长量与原始标距的百分比，即
lk l0 100% l0
（2）断面收缩率
断面收缩率是指试样被拉断后，其断面横截面积的最大收缩量与试样原始横
截面积的百分比，即 S0 Sk 100%
金属材料被广泛地应用于建筑、机械、航空、汽车、医疗等领域，是构成各种设备 和设施的基础。因此了解和掌握金属材料的各种性能是深入学习各领域知识的基础。
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任务5.1 金属材料的力学性能
金属材料的晶体结构
任务5.2
任务4.3 铁碳合金相图
任务5.1金属材料的力学性能
任务描述： 金属材料具有多方面良好的性能，体现材料在受力过程中而展现出来的优越性能被
（1）弹性极限
e
，弹性极限 e
的计算公式为：
e
Fe S0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（2）屈服极限 s
其计算公式为：
s
Fs S0
（3）抗拉极限 b
抗拉极限是指金属材料断裂前能够承受的最大应力。其计算公式为： b
Fb S0
（4）断裂极限 k
断裂极限是指金属材料断裂时的应力。其计算公式为： k
Fk Sk
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任务5.1金属材料的力学性能
图5-1 圆形拉伸试样
(a) 拉伸前 (b) 拉伸后
5
任务5.1金属材料的力学性能
从图中可以看出，曲线明显地分为以下几个变形阶段： oe——弹性变形阶段 es——屈服阶段 sb——强化阶段 bk——缩颈阶段
图5-2 低碳钢的应力-应变曲线
6
任务5.1金属材料的力学性能
通过分析应力-应变曲线，金属材料的强度指标根据其变形特点可分为以下几项：
S0
8
任务5.1金属材料的力学性能
3. 硬度
在工业生产中，通常采用的硬度试验方法有以下三种： （1）布氏硬度HB 以压痕单位面积上的压力来表示被测金属材料的硬度值，即
（2）洛氏硬度HR
图5-3 布氏硬度试验原理图
图5-4 洛氏硬度试验原理
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任务5.1金属材料的力学性能
（3）维氏硬度HV 求出算数平均值作为压痕对角线长度d，然后就可以计算或查表的得出维氏 硬度值，计算公式为：
称为金属材料的力学性能，并可以根据各项性能指标分析材料的承载能力和使用范围。 那么金属材料的各种力学性能都在什么情况下体现呢？它又有什么样的意义呢？
3
任务5.1金属材料的力学性能
任务目标： 1. 了解金属材料的分类 2. 掌握金属材料的主要性能 3. 熟悉拉伸试验的过程 4. 具有绘制低碳钢拉伸时应力-应变曲线的能力 5. 了解金属材料的其他性能
4. 冲击韧性
图5-6 冲击试验原理图
10
5. 疲劳强度
任务5.1金属材料的力学性能
图5-7 疲劳曲线示意图
11
任务5.1金属材料的力学性能
52..1金.3属材金料属的材化料学的性其能 他性能
1（.1金）属耐腐材蚀料性的物理性能
（（12） ）密抗度氧化性 （（23） ）熔化点学稳定性 （3. 3属）材热料膨的胀工性艺性能 （（41） ）导铸热造性性能 （（52） ）导锻电造性性能 （（63） ）磁焊性接性能 （4）切削加工性能 （5）热处理性能
5.2.4 金属的结晶
1. 晶体的结晶 2. 纯金属的结晶过程 3. 晶粒大小的控制途径 （1）增加过冷度 （2）变质处理 （3）附加振动
图5-17 金属结晶过程示意图
图5-16 纯金属结晶时的冷却曲线
金属材料常指工业上所使用的金属或合金的总称。金属材料包括钢铁、有色金属及 其合金。对纯金属而言，常见的金属有铁、铜、锌、铝、镍、金、银等。合金是指由 两种或两种以上的金属、金属与非金属结合而成的且具有金属性质的材料。由于金属 材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，并能采用比较简单和经 济的方法制成零件，因此金属材料是目前应用最为广泛的材料，在汽车制造材料中所 占比例高达80%左右。
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任务5.1金属材料的力学性能
5.1.1 金属材料的分类
工业上，通常将金属材料分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色金属是指钢铁材料， 有色金属是指除钢铁材料以外的其他所有金属材料，如铜、铝、镁、钛、锡等及其合金。
5.1.2 金属材料的力学性能
1. 强度 强度是指金属材料在外力作用下，所表现出的抵抗永久变形和断裂的能力。
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任务5.2 金属材料的晶体结构
任务描述： 不同的金属材料具有不同的力学性能，即使同一种金属材料，在不同的条件下其力
学性能也是不同的。金属力学性能的这些差异，从本质上来说，是由其内部结构所决 定的。因此，掌握金属的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料， 具有非常重要的意义。
材料的结构是指材料组成单元之间平衡时的空间排列方式。材料的结构从宏观到微 观可分为不同的层次，即宏观组织结构、显微组织结构和微观组织结构。而材料的微 观结构是指其组成原子（或分子）间的结合方式以及组成原子在空间的排列方式，而 这些排列方式是如何影响材料的性能的呢？本节课就重点讲述材料的微观结构。
图5-12 单晶体与多晶体的结构
图5-14 线缺陷和面缺陷
图5-13 点缺陷
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任务5.2 金属材料的晶体结构
5.2.3 合金的晶体结构
1. 基本概念
（1）合金 （2）组元 （3）合金系 （4）相
2. 合金的相结构
（1）固溶体 （2）金属化合物 （3）机械混合物
图5-15 固溶体的类型
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任务5.2 金属材料的晶体结构
图5-11 密排六方晶格
图5-8 立方晶体中原子排列示意图 (a) 晶体中原子排列的钢球模型 (b) 金属的晶格
(c) 晶胞及晶格常数
图5-10 面心立方晶格
图5-9 体心立方晶格
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任务5.2 金属材料的晶体结构
5.2.2 金属的实际晶体结构
1. 金属的多晶体结构 2. 金属的晶体缺陷
（1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷
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任务5.2 金属材料的晶体结构
学习目标： 1. 了解金属及合金的晶体结构 2. 掌握铁碳合金的基本组织及性能 3. 理解铁碳合金相图中各阶段的反应及产物的形成
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任务5.2 金属材料的晶体结构
5.2.1 金属的理想晶体结构
1.晶体和非晶体
2. 晶格和晶胞
3. 金属晶体的基本类型
（1）体心立方晶格。 （2）面心立方晶格。 （3）密排六方晶格。
2. 塑性
金属材料在外力作用下，产生永久变形而不断裂的能力称为塑性。
（1）断后伸长率 断后伸长率是指试样被拉断后，试样标距的伸长量与原始标距的百分比，即
lk l0 100% l0
（2）断面收缩率
断面收缩率是指试样被拉断后，其断面横截面积的最大收缩量与试样原始横
截面积的百分比，即 S0 Sk 100%
金属材料被广泛地应用于建筑、机械、航空、汽车、医疗等领域，是构成各种设备 和设施的基础。因此了解和掌握金属材料的各种性能是深入学习各领域知识的基础。
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任务5.1 金属材料的力学性能
金属材料的晶体结构
任务5.2
任务4.3 铁碳合金相图
任务5.1金属材料的力学性能
任务描述： 金属材料具有多方面良好的性能，体现材料在受力过程中而展现出来的优越性能被
（1）弹性极限
e
，弹性极限 e
的计算公式为：
e
Fe S0
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（2）屈服极限 s
其计算公式为：
s
Fs S0
（3）抗拉极限 b
抗拉极限是指金属材料断裂前能够承受的最大应力。其计算公式为： b
Fb S0
（4）断裂极限 k
断裂极限是指金属材料断裂时的应力。其计算公式为： k
Fk Sk
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任务5.1金属材料的力学性能
图5-1 圆形拉伸试样
(a) 拉伸前 (b) 拉伸后
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任务5.1金属材料的力学性能
从图中可以看出，曲线明显地分为以下几个变形阶段： oe——弹性变形阶段 es——屈服阶段 sb——强化阶段 bk——缩颈阶段
图5-2 低碳钢的应力-应变曲线
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任务5.1金属材料的力学性能
通过分析应力-应变曲线，金属材料的强度指标根据其变形特点可分为以下几项：
S0
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任务5.1金属材料的力学性能
3. 硬度
在工业生产中，通常采用的硬度试验方法有以下三种： （1）布氏硬度HB 以压痕单位面积上的压力来表示被测金属材料的硬度值，即
（2）洛氏硬度HR
图5-3 布氏硬度试验原理图
图5-4 洛氏硬度试验原理
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任务5.1金属材料的力学性能
（3）维氏硬度HV 求出算数平均值作为压痕对角线长度d，然后就可以计算或查表的得出维氏 硬度值，计算公式为：
称为金属材料的力学性能，并可以根据各项性能指标分析材料的承载能力和使用范围。 那么金属材料的各种力学性能都在什么情况下体现呢？它又有什么样的意义呢？
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任务5.1金属材料的力学性能
任务目标： 1. 了解金属材料的分类 2. 掌握金属材料的主要性能 3. 熟悉拉伸试验的过程 4. 具有绘制低碳钢拉伸时应力-应变曲线的能力 5. 了解金属材料的其他性能
4. 冲击韧性
图5-6 冲击试验原理图
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5. 疲劳强度
任务5.1金属材料的力学性能
图5-7 疲劳曲线示意图
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任务5.1金属材料的力学性能
52..1金.3属材金料属的材化料学的性其能 他性能
1（.1金）属耐腐材蚀料性的物理性能
（（12） ）密抗度氧化性 （（23） ）熔化点学稳定性 （3. 3属）材热料膨的胀工性艺性能 （（41） ）导铸热造性性能 （（52） ）导锻电造性性能 （（63） ）磁焊性接性能 （4）切削加工性能 （5）热处理性能
5.2.4 金属的结晶
1. 晶体的结晶 2. 纯金属的结晶过程 3. 晶粒大小的控制途径 （1）增加过冷度 （2）变质处理 （3）附加振动
图5-17 金属结晶过程示意图
图5-16 纯金属结晶时的冷却曲线