金属材料基本知识概述
金属材料知识
金属材料知识概述承压设备制造是国民经济的基础产业，各种生产工艺的要求各不尽相同，如：压力从真空到高压甚至超高压、温度从低温到高温以及腐蚀性、易燃、易爆物料等，使得设备处在极其复杂的操作条件下运行。
由于不同的生产条件对设备材料有不同的要求，因此，合理的选用材料是设计承压设备的关键环节。
例如：对于高温容器，由于钢材在高温的长期作用下，材料的力学性能和金属组织都会发生明显的变化，加之承受一定的工作压力，因此在选材时必须考虑到材料的强度及高温条件下组织的稳定性。
容器内部盛装的介质大多具有一定的腐蚀性，因此需要考虑材料的耐腐蚀情况。
对于频繁开、停车的设备或可能受到冲击载荷作用的设备，还要考虑材料的疲劳等。
而低温条件下操作的设备，则需要考虑材料低温下的脆性断裂问题。
一、金属材料的分类二、金属材料的性能三、影响材料性能的因素四、特种设备对材料的要求五、特种设备常用材料标准一、金属材料分类黑色金属：铁和铁的合金均称为黑色金属纯铁：化学纯铁含碳量几乎为零，工业纯铁含碳量<0.05%。
纯铁是很软的，一般不应用到实际中。
铁碳合金：以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。
生铁：把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，含碳量2％～4.3％（也有资料称3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生铁。
生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔等方法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。
也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。
钢：含碳量在0.04%-2.3%之间（也有资料称0.03%-1.2%）的铁碳合金称为钢。
为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。
钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。
有色金属：除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝等。
金属材料分类（钢材）1、按化学成分分类：①碳素钢：简称碳钢。
除铁、碳外主要含有少量Si、Mn及P、S等杂质，这些总含量不超过2%，按含碳量不同分为：低碳钢——含碳量小于0.25%中碳钢——含碳量等于0.25%～0.6%高碳钢——含碳量大于0.6%②合金钢：除碳钢所含元素外，还含有其它一些合金元素：如Cr、Ni、Mo、W、V、B等，按合金元素含量不同分类：低合金钢——合金元素含量小于5%中合金钢——合金元素含量等于5%～10%高合金钢——合金元素含量大于10%金属材料分类（钢材）2、按用途分类：①建筑工程用钢或构件用钢①普通碳素结构钢②低合金结构钢③钢筋用钢等②结构钢机器零件用钢调质结构钢表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢易切削结构钢冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。
常用金属材料的一般知识
式中 Ak——冲击吸收功，J；
F——试验前试样刻槽处的横截面积，cm2；
ak——冲击值，J／cm2。
4．硬度
金属材料抵抗表面变形的能力。
常用的硬度有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV三种。
(三)金属材料的工艺性能
金属材料的工艺性能是指承受各种冷热加工的能力。
第三节 常用金属材料的一般知识
一、金属材料的性能
金属材料的性能通常包括物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等。
(一)金属材料的物理化学性能
1．密度
物质单位体积所具有的质量称为密度，用符号P表示。利用密度的概念可以帮助我们解决一系列实际问题，如计算毛坯的重量，鉴别金属材料等。常用金属材料的密度如下：铸钢为7．8g／cm3，灰铸铁为7．2g／cm3，钢为8．9g／cm3，黄铜为8．63g／cm3，铝为2．7g／cm3。
C5
2．合金结构钢的编号
合金结构钢的钢号由三部分组成：数字+化学元素符号+数字。前面的两位数字表示平均碳含量的万分之几，合金元素以汉字或化学元素符号表示，合金元素后面的数字，表示合金元素的百分含量。当元素的平均含量<1．5％时，则钢号中只标出元素符号而不标注含量；其合金元素的平均含量≥1．5％、≥2．5％、≥3．5％……时，则在元素后面相应标出2、3、4、……如“16Mn”钢，从钢号可知：其平均含碳量为0．16％，平均含锰量为<1．5％。
(2)抗拉强度 金属材料在破坏前所承受的最大拉应力，以σb表示。σb值越大金属材料抵抗断裂的能力越大，强度越高。
强度的单位是MPa(兆帕)。
2．塑性
塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形的能力。表示金属材料塑性性能有伸长率、断面收缩率及冷弯角等。
金属材料的基本知识
一金属材料的基本知识现代生产中，特别是机械行业中，大量使用各种金属材料，为了合理选择和使用金属材料，充分发挥金属材料的性能潜力，必须了解金属材料的性能。
金属材料的性能，一般可以分为两类：一类是使用性能，包括力学（机械）性能、物理性能、化学性能等，作为结构材料首先要考虑的是金属材料使用过程中在外力作用下所表现出来的特性；另一类是工艺性能，它包括铸造性能、切削性能、焊接性能、热处理性能等，它反映金属材料在制造加工过程中所表现出来的各种特性。
一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性，如：强度、塑性、弹性、硬度、韧性、疲劳、蠕变等。
机械性能指标反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的能力，是设计金属制件时选材和进行强度计算的主要依据。
1．强度金属材料在静载荷作用下抵抗永久塑性变形和断裂的能力，称为强度。
下面简要介绍拉伸曲线及由此得出的材料性能指标。
2．塑性塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。
常用的塑性指标是延伸率δ和断面收缩率ψ，两个指标均为百分率（%）表示。
塑性指标在工程技术中具有重要的实际意义。
塑性好的材料，适宜于各种压力加工，如：冲压、挤压、冷拔、热轧及锻造等；制成零件在使用时，万一超载，也能由于塑性变形使材料强度提高而避免突然断裂。
3．硬度硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它反映了材料抵抗局部塑性变形的能力。
常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
4．冲击韧性冲击韧性是指金属材料抵抗冲击力而不破坏的能力。
许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、内燃机的活塞箱、连杆及风动工具等，这些零件不仅要求具有足够的静载荷强度，而且要具有足够的抵抗冲击载荷的能力。
冲击韧性用αk表示。
5．疲劳强度许多机械零件，如轴、齿轮、弹簧等在交变应力下工作，虽然它们所承受的应力通常低于材料的屈服点，但在交变应力的长期作用下，材料在不发生明显的塑性变形、事前无察觉的情况下突然断裂，该现象称疲劳。
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金属材料知识大全，收藏！概述金属材料是指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、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。
（注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料。
）”Vol.1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。
Vol.2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、不锈钢、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。
Vol.3性能一般分为工艺性能和使用性能两类。
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。
金属材料学基础理论知识
晶格常数
金属在组成晶胞 后，晶胞的大小和形状 是不一样的，大小可用 棱边长度来表示，形状 可用棱边之间的夹角来 表示，它们统称为晶格 常数。
晶面与晶向
金属晶体中通过三个以上原子中心的 平面叫 作晶面，通过两个以上原子中心的直线叫晶向。
二 金属的晶格类型
体心立方晶格 属于这种晶体结构的 金属有α-Fe Cr V Nb W Mo等。
面心立方晶格 属 于这种晶体结构的金属 有α-Fe Ni Cu Al Ag 等。
密排六方晶格 属于这种晶体结构的 金属有Be Mg Zn αTi等。
原子个数计算
三 金属晶体缺陷
金属材料在冶炼后的凝固过程中受到 各种因素的影响，使本来该有规律的原子 堆积方式受到干扰，使得原子排布过程中 出现了不规则现象，称为晶体缺陷。
在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形 突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大 的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集 结沟通将形成宏观裂纹。
因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是 有实际意义的。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展， 构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会 突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象， 称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当 承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明 显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口明显地 分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙 的断裂区。
作用下试样的变形为ac，则弹性 变形和塑性变形分别为ab和 bc(如图1—2所示)。若卸载，弹 性变形ab将恢复，塑性变形6c被 保留，使试样的伸长只能部分地 恢复，而保留一部分残余变形 OD。当载荷达到ps时，在拉伸 曲线上出现锯齿或平台。即载荷 虽然保持不变或发生波动，而试 样继续伸长(变形量继续增加)， 这种现象称为屈服。由于在弹塑 性变形阶段有塑性变形的产生， 因此试样要继续变形，就必须不 断增加载荷。
金属材料基本知识
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
拉伸试验机
拉伸图
布氏硬度计
冲击性能
金属材料基本知识
性能 铁碳合金 热处理
铁碳合金
铁碳合金
工业纯铁 ( ingot iron ) 亚共析钢 ( hypoeutectoid steel ) 共析钢 ( eutectoid steel ) 过共析钢 ( hypereutectoid steel ) 亚共晶白口铁( hypoeutectoid white iron ) 共晶白口铁 ( eutectoid white iron ) 过共晶白口铁( hypereutectoid white iron )
金属材料基本知识
主讲：邢泽炳
零部件生产工艺流程
材料选择 精度设计 毛坯制造 切削加工 装配调试
主要内容
金属材料基本知识
铸造成型
锻造
Hale Waihona Puke 毛坯制造工艺 压力加工成型
焊接成型
冲压
机械加工工艺（车、钳、刨、铣、磨、钻等）
金属材料基本知识
性能 铁碳合金 热处理
材料的性能
力学性能 （强度、塑性、硬度、韧性） 工艺性能 （铸造、锻压、焊接、热处理及机加工） 物理性能 化学性能
淬火 回火
表面热处理
表面淬火 表面化学热处理
渗碳 渗氮 碳氮共渗
谢谢观看
共同学习相互提高
分类
碳素结构钢
碳素钢 优质碳素结构钢
碳素工具钢 低合金结构钢
渗碳钢
钢
合金结构钢 调质钢
弹簧钢
滚动轴承钢
刃具钢 合金钢 合金工具钢 量具钢
模具钢
不锈钢 耐热钢 特殊性能钢 耐磨钢
其它钢
铸铁
金属材料基础知识
奥氏体的显微组织
珠光体是铁素体和渗碳体的混合物,它是渗碳体 珠光体是铁素体和渗碳体的混合物 它是渗碳体 和铁素体片层相间,交替排列形成的混合物 和铁素体片层相间 交替排列形成的混合物. 交替排列形成的混合物 在缓慢冷却条件下,珠光体的含碳量为 珠光体的含碳量为0.77%. 在缓慢冷却条件下 珠光体的含碳量为 由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的 混合物,所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 混合物 所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的 性能.大体上是两者性能的平均值 大体上是两者性能的平均值,故珠光体的强度 性能 大体上是两者性能的平均值 故珠光体的强度 较高,硬度适中 具有一定的塑性.力学性能介于铁 硬度适中,具有一定的塑性 较高 硬度适中 具有一定的塑性 力学性能介于铁 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中， 素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性 和韧性较好（ 和韧性较好（σb=770MPa、180HBS 、 、 δ=20%~35%、ak=24~32J）。 、 ）。
晶体结构的概念
晶体的内部原子是按一定几个规律排列的， 晶体的内部原子是按一定几个规律排列的，为 了便于理解，把原子看成是一个小球， 了便于理解，把原子看成是一个小球，则金属晶 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 体就是由只得些小球有规律的堆积而成的物体。 为了形象的表示晶体中原子排列的规律， 为了形象的表示晶体中原子排列的规律，可以 将原子简化成一个点，用假想的线将这些点连接 将原子简化成一个点， 起来，构成有明显规律性的空间格架。 起来，构成有明显规律性的空间格架。这种表示 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 原子在晶体中排列规律的的空间格架叫做晶格。 晶格是由许多形状、大小、 晶格是由许多形状、大小、相同的最小几何单元 重复堆积而成的。 ，重复堆积而成的。能够完整的反映晶鸽特征的 最小几何单元称为晶胞。 最小几何单元称为晶胞。
金属材料与热处理基本知识
一、金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下所反映出来的性能。
金属常用的力学性能有：1.弹性金属材料在受到外力作用时发生变形，外力消除后其变形逐渐消失的性质称为弹性。
①刚性是指材料或构件在外力作用下抵抗弹性变形的能力。
②刚度：k＝F/y2.塑性金属材料在受到外力作用时，产生显著的变形而不断裂的性能称为塑性。
①伸长率δ②断面收缩率ψ3.强度金属材料在外力作用下，抵抗变形和破坏的能力称为强度。
由于各种机器零件或构件因载荷作用形式和作用性质不同，金属材料所表现出的强度大小也不同。
金属材料的强度指标：（1）屈服强度σs 在拉伸试验中，载荷不增加而试样仍能继续伸长时的应力称为屈服强度。
（2）抗拉强度σb 材料在拉断前所能承受的最大应力称为抗拉强度。
（3）疲劳强度σ-1 材料试样在疲劳试验过程中，在承受无数次（或给定次）对称循环应力作用仍不断裂的最大应力称为疲劳强度。
4.硬度金属表面抵抗硬物压入的能力称为硬度。
最常用的硬度指标：（1）布氏硬度HBS(HBW) 布氏硬度是使用一定直径的球体（淬火钢球或硬质合金球），以规定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，然后用测量表面压痕直径来计算硬度。
使用淬火钢球作硬度试验得到的硬度用HBS表示；使用硬质合金球作硬度试验得到的硬度用HBW表示。
（2）洛氏硬度HRC 洛氏硬度C标尺试验采用120°金刚石圆锥体加1471N总试验力测量的硬度值。
5.冲击韧性金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性，其大小用冲击韧度αK表示。
二、钢的分类、用途与牌号（一）钢的分类1.按是否特意加入合金元素分类：（1）碳素钢不含有特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。
（2）合金钢在碳素钢的基础上，为改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢，称为合金钢。
2.按含碳量分类（1）低碳钢C ≤0.25％；（2）中碳钢0.25％＜C ＜0.60％；（3）高碳钢C ≥0.60％；3.按质量分类（1）普通钢S ≤0.050％，P ≤0.045％（2）优质钢S ≤0.035％，P ≤0.035％（3）高级优质钢S ≤0.025％，P ≤0.025％4.按合金元素总量分类（1）低合金钢合金元素总含量＜5％（2）中合金钢合金元素总含量5％～10％（3）高合金钢合金元素总含量＞10％5.按用途分类（1）结构钢主要用于制造各种机械零件和工程构件的钢。
材料成型工艺1章金属材料的基本知识
布氏硬度试验
HB
压入载荷（N） 压痕的表面积（mm）
2F 0.102
D2 (1 1 d 2 )
D
布氏硬度计
布氏硬度特点
布氏硬度测量的优点：测量数值稳定，准确 缺点：操作慢，不适用批量生产和薄形件
布氏硬度适用于：铸铁，有色金属 退火、正火、调质处理钢（未经淬火的钢） 原材料，毛坯 当HBS<450 时有效（HBW450-650)
属脆性材科 属韧性材料 属塑性材料
良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。
任何零件都需要一定塑性。 塑性变形可以缓解应力集中、削减应力峰值。 防止过载断裂；增加可靠性 。
4．硬度( hardness )
抵抗局部塑性变形的能力 抵抗更硬的物体压入其内的能力。
通常材料的强度越高，硬度也越高
最常用的硬度指标有：布氏硬度（HB)和洛氏硬度 (HR)。 氏硬度和洛氏硬度试验原理和使用范围均不相同；
掌握影响晶粒大小的因素及细化晶粒的方法
方法： 概念较多、实践性强，要联系实际加深理解和记忆
作业
P21 1. 10. 11. 13. 14.
1.1 金属材料的性能
1.1.1 金属材料的力学性能 1．弹性和刚度 2．强度 3．塑性 4．硬度 5．冲击韧性 6．疲劳强度
1.1.2 金属材料的其它性能 1．物理性能 2．化学性能 3．工艺性能
工程材料的分类
材料、信息、能源称为现代技术的三大支柱。
第１章 金属材料的基本知识
1.1 金属材料的性能 1.2 金属的晶体构造和结晶过程
基本内容和要求
（1）掌握金属主要机械性能： 强度、塑性、韧性、硬度的概念和应用
（2）三种常见的金属晶体结构及其基本性能 （3）实际金属晶体缺陷及其对性能的影响 （4）熟悉结晶过程以及过冷度的概念，
金属材料的基本知识
续
(5)按 炼钢 方法 分 ①转炉钢—用转炉炼出来的钢。它按炉衬材料又分为酸性转炉钢（贝塞麦炉钢、贝氏炉钢）和碱性 转炉钢（托马斯炉钢）；按送风方法又分为底吹炉钢、侧吹炉钢和纯氧顶吹转炉钢。 ②平炉钢—用平炉（马丁炉）炼出来的钢，它按炉衬材料又分为酸性平炉钢和碱性平炉钢。 ③电炉钢—用电炉炼出来的钢。它按炉衬材料又分为酸性电炉钢和碱性电炉钢。 ①镇静钢—脱氧完全的钢。钢锭的组织紧密、坚实，但上部有较深缩孔，轧制钢材时损耗较大。除 部分普通炭素钢和优质炭素结构钢外，一般都是制成镇静钢。 ②沸腾钢—脱氧不完全的钢。钢锭上部没有缩孔，只是内部有许多分散的小气泡，但是钢锭外壳仍 是坚实的，而这些分散小气泡在轧制钢材过程中可以完全被压合消除掉。它的优点是损耗较少，成 本较低，同时仍能保证钢材的强度和坚固性，并具有较高的冷加工变形能力；缺点是成分和性能有 严重不均匀性，强度和冲击韧性较低，容易时效，不适宜在低温条件下使用。主要制成作建筑结构、 一般零件或日用器皿等用的普通低炭钢和优质低炭钢。 ③半镇静钢—钢的脱氧程度和性能介于镇静钢和沸腾钢之间。主要也是制成作建筑结构或一般零件 用的普通低炭钢和优质低炭钢。 甲类钢—按照机械性能供应的钢 普通炭素钢 乙类钢—按照化学成分供应的钢 特类钢—按照机械性能及化学成分供应 的钢 优质炭素结构钢 易切削钢
锡青铜（铜锡合金，一般尚含有磷或锌、铅等合金元素） 特殊青铜（无锡青铜） 普通白铜（铜镍合金）
铜合金
青铜
白铜
压力加工用
特殊白铜（含有其他合金元 素的白铜） 不经热处理 经热处理
锰白铜、铁白铜、锌白铜等 防锈铝 硬铝、锻铝、超硬铝、特殊铝等
合金
铝合金 镍合金 锌合金 铅合金 镁合金 轴承合金 印刷合金 硬质合金
压力加工用 铸 造 用 压力加工用 压力加工用 铸造用 铅 锑 合 金 铅基轴承合金 锡基轴承合金 铅基印刷合金
金属材料的基本知识
金属材料的基本知识金属材料是一类重要的材料，具有良好的导电性、导热性、可塑性和可焊性等特点。
金属材料广泛应用于建筑、汽车、机械制造、航空航天等行业。
本文将介绍金属材料的基本知识，包括金属的性质、金属的组织结构、金属的加工工艺以及金属的应用等内容。
1.金属的性质金属具有良好的导电性和导热性。
这是因为金属的结构中存在自由电子，电子可以自由移动，从而导致金属对电流和热的传导性能非常好。
此外，金属还具有高硬度、耐磨性和良好的韧性，使其在工程领域得到广泛应用。
2.金属的组织结构金属的组织结构主要有晶体结构和非晶态结构两种类型。
晶体结构是由晶粒组成的，晶粒是由原子周期排列形成的。
晶体结构的类型包括立方晶系、六方晶系、四方晶系等。
非晶态结构是指金属在快速冷却过程中形成的无序结构。
晶体结构和非晶态结构对金属材料的性能有着重要影响。
3.金属的加工工艺金属材料一般需要经过加工工艺才能获得所需形状和性能。
金属的加工工艺包括塑性加工、热处理和表面处理等。
塑性加工是指通过施加力量使金属材料发生塑性变形的工艺，包括锻造、轧制、拉伸等。
热处理是指通过加热和冷却控制金属的组织结构，改变其性能的工艺。
表面处理是指对金属材料的表面进行涂覆、喷涂、电镀等方式的处理，以提高金属材料的耐腐蚀性能和外观质量。
4.金属的应用金属材料广泛应用于各个领域。
在建筑领域，金属材料用于制作结构框架、铝合金门窗和金属屋面等。
在汽车和航空航天领域，金属材料用于制造车身、发动机和航空器部件等。
在机械制造领域，金属材料用于制造机床、工具和各种零部件等。
此外，金属材料还广泛应用于电子、能源和医疗器械等领域。
综上所述，金属材料具有良好的导电性、导热性、可塑性和可焊性等特点。
金属的组织结构、加工工艺和应用也是金属材料研究的重要内容。
金属材料的广泛应用和不断创新，为工业领域的发展做出了重要贡献。
然而，随着科技的不断进步，人们对金属材料的研究和应用也在不断深入，未来金属材料的发展仍然具有巨大潜力。
金属材料基础知识
G、按冶炼方法分类 ：
平炉钢 、转炉钢 、电炉钢
金属材料基础知识
H、综合分类: 在实际中按其化学成分、质量、用途
进行综合分类。
(1)普通钢 a.碳素结构钢，b.低合金结构钢 ，c.特定用 途的普通结构钢 。
(2)优质钢（包括高级优质钢）
a.结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c) 弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢； (f)特定用途 优质结构钢。
金属材料基础知识
3、金属晶格的类型 1）体心立方晶格 它的晶胞是一个立方体，
原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中 心，属于这种晶格类型的金属有铬（Cr）、 钒（V）、钨（W）、钼（Mo）、及a-铁（aFe）等金属。
金属材料基础知识
2）面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体 ，原子位于立方体的八个顶角和立方体六个 面的中心，属于这种晶格类型的金属有铝（ Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及r铁（r-Fe）等金属。
另外，测量陶瓷、铸铁或工具钢等脆性材料的冲击吸收功 时，常采用10mm×l0mm×10mm的无缺口冲击试样。
金属材料基础知识
4.金属的工艺性能
工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的 适应能力。它包括铸造性能、锻压性能、焊 接性和切削加工性能等。
金属材料基础知识
三、金属的结构与结晶
不同的金属材料具有不同的力学性能，即使是 同一种金属材料，在不同的条件下其力学性 能也是不同的。金属力学的这些差异，从本 质上来说，是由其内部结构所决定的。
机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金 组成物，虽然是两种晶体，却是一种组成成 分，具有独立的机械性能。
⑴．固溶体
合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且 结构与组元之一相同的固相。
金属材料的基础知识
抗拉强度: 在拉断前试样所能承受的最大应力 为该试样的抗拉强度，用符号σb 表示，计算公式为。
σb=
Fb So
二、 塑性
➢概念
塑性是指金属材料在外力作用下，产生永久性变形而不断裂的能 力。
➢ 衡量指标
伸长率：试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比 称为伸长率，用符号δ表示。计算公式为：
δ= l1 l0 ×100% l0
δ ψ
性能指标
名称
抗拉强度 屈服点 规定残余伸长应力
伸长率 断面收缩率
硬度 冲击韧性
HBS(HBW) HRC HRB HRA 标尺洛氏硬度值 A标尺洛氏硬度值 维氏硬度值
冲击韧度
疲劳强度 σ-1
疲劳极限
单位 MPa MPa MPa
J/cm2 MPa
含义
试样拉断前所能承受的最大应力 拉伸过程中，力不增加（保持恒定）试 样仍能继续伸长时的应力 规定残余伸长率达0.2%时的应力
部永久性积累损伤经一定循环次数后产生裂纹或突发完全断 裂的过程称为金属疲劳。
五、疲劳强度
➢疲劳破坏可分为微观裂纹、宏 观裂纹和瞬时断裂三 个过程。
五、疲劳强度
➢疲劳曲线 ：疲劳曲线是指交变应力σ与循 环次数N的关系曲线，如下图所示。
常用金属材料的力学性能指标及其含义
力学性能
符号
强度 塑性
σb σs σ0.2
0.1
e 0.2
一、强度—拉伸曲线
1.弹性变形阶段 2.屈服阶段 3.强化阶段 4.缩颈阶段
低碳钢的应力-应变曲线
一、强度—衡量指标
屈服点： 用符号σs表示，计算公式为
σs=
Fs So
式中：Fb——试样断裂前所承受的最大拉力， 单位为N；
第8单元 金属和金属材料知识点
第8单元金属和金属材料知识点考点1 金属材料1.金属材料：包括纯金属（纯净物）和合金（混合物）2.金属物理性质：(1)常温下为固体（特殊：汞为液体），有金属光泽，密度较大，熔点较高。
(2)大多数金属呈银白色，特殊：铜紫红色，金金黄色，铁粉黑色(铁片为银白色)。
(3)大多数金属具有优良的导电性、导热性，有延展性(延：拉成丝；展：压成片)。
3.金属之最：（1）铝：地壳中含量最多的金属元素（2）钙：人体中含量最多的金属元素（3）铁：目前世界年产量最多的金属（铁>铝>铜）（4）银：导电、导热性最好的金属（银>铜>金>铝）（5）铬：硬度最高的金属（6）钨：熔点最高的金属（7）汞：熔点最低的金属（8）锇：密度最大的金属（9）锂：密度最小的金属4.金属的用途：（性质和用途要对应）物质的性质在很大程度上决定了物质的用途，另外还需要考虑价格、资源、是否美观、使用是否便利以及是否容易回收和对环境的影响等多种因素。
（1）性质决定用途铜、铝具有导电性→电线；钨熔点高→灯丝；铬硬度大→做镀层金属；铁硬度大→菜刀、镰刀、锤子等；（2）生活中应用的金属干电池外皮→锌/锰；“银粉”→铝；水银温度计→汞；“锡箔”纸→铝或锡；保温瓶内胆→银考点2 合金1.概念：在金属中加热融合某些金属或非金属，制得具有金属特征的合金。
①合金是混合物①形成合金的过程是物理变化①合金各成分的化学性质不变2.合金的优点：合金和组成其的纯金属相比较，硬度一般更大，熔点一般更低，抗腐蚀性更好。
合金铁的合金铜合金焊锡钛和钛合金形状记忆合金生铁钢黄铜青铜成分含碳量2%～4.3%含碳量0.03%～2%铜锌铜锡铅锡合金钛镍合金备注铁的合金主要含Fe、C，区别主要是含碳量不同紫铜是纯铜熔点低焊接金属与人体有很好的相容性，可用于制造人造骨具有形状记忆效应用于制成人造卫星天线注意：①“百炼成钢”的原理是降低含碳量，通入纯氧的目的是使生铁中的碳充分反应。
金属材料及热处理基础知识
目录
• 金属材料概述 • 金属材料的热处理 • 金属材料的力学性能 • 金属材料的腐蚀与防护 • 金属材料的选择与应用
01
金属材料概述
金属材料的定义与分类
金属材料的定义
金属材料是指以金属 元素或以金属元素为 主要成分，具有金属 特性的材料统称为金 属材料。
金属材料的分类
区域受到腐蚀的现象。
金属腐蚀的原理与影响因素
总结词
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。影响因素包括 环境因素和金属本身的因素。
详细描述
金属腐蚀的原理是金属原子失去电子成为正离子，而环境中的阴离子获得电子成为原子或负离子。这个过程通常 涉及到电化学反应。影响因素包括环境因素和金属本身的因素。环境因素如湿度、温度、氧气、二氧化碳、污染 物等，而金属本身的因素包括合金成分、微观结构、表面状态等。
详细描述
热处理是金属材料加工过程中的一个重要环节，主要通过控制温度和时间来改变 金属材料的内部结构，从而改善其物理、化学和机械性能。根据不同的加热温度 和冷却方式，热处理可以分为多种类型，如退火、正火、淬火和回火等。
热处理的基本原理
总结词
热处理的基本原理是利用金属在加热和冷却过程中的相变现象，通过控制相变 过程来改变材料的内部组织结构，从而达到改善其性能的目的。
• 详细描述：退火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后缓慢冷却至室温的过程，主要用于消除内应力、降低硬 度、提高塑性和韧性等。正火是将金属加热到适当温度后保温一段时间，然后空冷至室温的过程，主要用于细化晶粒、 提高强度和韧性等。淬火是将金属加热到适当温度后迅速冷却至室温的过程，主要用于提高金属的硬度和耐磨性等。回 火则是将淬火后的金属加热到适当温度后保温一段时间，然后冷却至室温的过程，主要用于消除淬火产生的内应力、稳 定组织结构和提高韧性等。
工程材料学_第一章-金属学基础知识
晶向（crystal direction） ：
通过晶体中任意两个原子中心连线来表示晶体结构的空间的各 个方向。 晶胞原子数：一个晶胞内包含的原子数目。
原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间
平衡距离的一半，与晶格常数有一定的关系。 配位数：晶格中任一原子处于相等距离并相距最近原子数
的性能、塑性变形及其组织 转变均有极为重要的作用 。
通过冷塑性变形，提高位错
密度使得金属强度、硬度提
高的方法称为加工硬化。
面缺陷－晶界与亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
小角度晶界---亚晶界
大角度晶界---晶界
金属的晶体结构
合金与合金的相结构
•单相合金组织(homogeneous structure )与多相合金组织 (Heterogenous structure):显微组织为单相的称为单相组织，为 多相的称为多相组织。
•合金组织的相：构成合金组织的各个相称为合金组织的相。 • 相结构：相组成物的晶体结构称为合金的相结构
二、合金的相结构
点位置的异类原子
线缺陷
位错( dislocation )：晶格的一部分相对
于另一部分发生的局部滑移现象，或者说 局部原子发生有规律的位置错排现象
面缺陷
晶界( grain boundary ) 亚晶界( sub-boundary )
点缺陷
置换原子
间隙原子
化合物离子晶体两种常见的缺陷
晶格空位
（1）晶面(crystal face)和晶向（ crystal directions ）:
晶向指数(indices of directions)和晶面指数(indices of crystal－plane)是分
医用金属材料材料知识简介
元素周期表中一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。 这80多种金属的晶体结构大多数属于三种典型的晶体结构 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
单晶体
多晶体
结晶方位完全一致 不同晶面和晶向的力学性能不同——各向异性
物质晶体内部包含了多个小晶体，小晶体内部 结晶方位完全一致，而各小晶体之间位向不一 致，小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的边界 称为“晶界”，这种晶体就是多晶体 多晶体具有各向同性的性质
4
钛易于氧反应形成致密氧化钛(TiO2)钝化膜，植入后引起的组织反应轻微。
5
凝胶状态的TiO2膜甚至具有诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，
6
表现出一定的生物活性和骨结合能力，尤其适合于骨内埋植
7
高的比强度
8
优异的耐腐蚀性能
9
应用
常用医用金属材料—钛合金
钛合金 分类
α钛合金
β钛合金
α +β钛合金
常用医用金属材料—钛合金
发展趋势
长期用于人体会析出极微量的V和Al离子，降低 细胞适应性，造成骨质疏松和精神紊乱等病症； 弹性模量与骨相比仍有较大差距，容易产生“应 力屏蔽”，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引 起种植体的松动或断裂而导致种植失败。
常用医用金属材料—合金
Ti6Al4V
Ti6Al7Nb Ti5Al2.5Fe ……
医用金属材料
PART 1
医用金属材料
材料
医用金属材料
常用医用金属材料
材料？
PART 1
物质≠材料
定义：宇宙间可用于制造有用物品的固态物质统称为材料 有用的、并能用来制造物品（件）的物质 一般指固态的，可用于工程上的物质——工程材料 作为材料科学研究对象的材料则主要是那些制造器件或物品的人造物质
金属材料基础知识
A、Z和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。
低温脆性
• 低温脆性——随温度降低，材料由韧性状态转变为脆性状态
的现象 。
• 冷脆：材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性
破坏的现象。 • 对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。
变动载荷和循环应力
金属疲劳产生的原因
• 1.变动载荷 • ——引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方向均随时
间变化的载荷，其在单位面积上的平均值即为变动应力。 • 变动应力可分为规则周期变动应力(也称循环应力)和无规则
随机变动应力两种。
a)应力大小变化 b)c）应力大小和方向都变化 d) 应力大小和方向无规则变化
• 冲击韧性可以通过一次摆锤冲击试验来测定，试验时将带有U 型或V型缺口的冲击试样放在试验机架的支座上，将摆锤升至 高度H1，使其具有势能mgH1；然后使摆锤由此高度自由下 落将试样冲断，并向另一方向升高至H2，这时摆锤的势能为 mgH2。
• 所以，摆锤用于冲断试样的能量 AK=mg（H1-H2），即为冲击功（焦耳/J）。
求机件的服役温度高于材料的韧脆转变温度。
冲击试验的应用
• 缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能量冲击破断 抗力，因此对某些特殊服役条件下的零件，如弹壳、装甲板、 石油射孔枪等，有一定的参考价值。
• 通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量K是一个由
强度和塑性共同决定的综合性力学性能指标，不能直接用于 零件和构件的设计计算，但它是一个重要参考，所以将材料
σ0.2= F0.2/A0
（2）抗拉强度σb材料在拉断前所承受的最大应力，单位为MPa。抗拉强度表示 材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和选材的主要依据。
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γ -Fe 1394º c
面心立方
α- Fe 912º c 室温
体心立方
第二章
铁碳合金
1、固溶体： 铁素体、
奥氏体
2、化合物： 渗碳体Fe3C 3、机械混合 物：珠光体、 莱氏体
(1) 铁素体： •碳在-Fe中的固溶体称铁素体, 用F 或 表示。 •碳在δ-Fe中的固溶体称δ -铁素体，用δ 表示。 都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力 铁素体 很低,在727℃时最大为0.0218%， 室温下仅为0.0008%。 铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。 (2) 奥氏体: 碳在 -Fe中的固溶体称奥氏体。用A或 表示。 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148℃时 最大为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、 塑性好， 钢材热加工都在 区进行。 碳钢室温组织中无奥氏体。
•钢的牌号尾部还可用符号标志其冶炼时的脱氧程度。 F：未完全脱氧的沸腾钢；Z：已完全脱氧的镇静钢。 （2） Q235：用途最广的碳素结构钢，属低碳钢，通常热 轧成钢板、型钢、钢管、钢筋等。塑性、韧性较好。
2、优质碳素结构钢：硫、磷量小于0.035％，主要用于制 造较为重要的机件。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字是钢 中平均含碳量的万分数。 • 08、10、15、20、25：低碳钢。塑性好，易于拉拔、冲 压、挤压、锻造和焊接。
三、合金钢：为改善钢的某些性能、特意加
入一种或几种合金元素所炼成的钢，或者钢 中的含硅量大于0.5％，或者钢中的含锰量大 于1.0％。
1、合金结构钢：比碳素钢具有更好的力学性能，热处 理性能优良，便于制造尺寸较大、形状较复杂或要 求淬火变形小的零件，如16Mn、20Cr、40Mn2 2、合金工具钢：主要用于制造刃具、模具和量具，适 于制造形状复杂、尺寸较大、切削速度较高或工作 温度较高的工具和模具，如9Cr2、CrWMn、9SiCr、 W18Cr4V 3、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、磁钢、耐磨钢
二、碳素钢（碳钢） ：含碳量在1.5％以 下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质。
1、碳素结构钢：含碳量小于0.38％
（1）常用牌号：Q215、Q235、Q255
• 数字表示该钢种在厚度小于16mm时的最低屈服点(Mpa)
•钢的牌号尾部，可用A、B、C、D表示钢的质量等级。A 为普通级，B、C、D表示硫磷含量较低的优等级别。
二、同素异构转变 物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。 金属的同素异构转变的慨念
金属在固态下，随着温度的改变其 晶体结构发生变化的现象。
金属的同素异构转变的意义
可以用热处理的方法即可通过加 热、保温、冷却来改变材料的组织， 从而达到改善材料性 能的目的。
Байду номын сангаасδ-Fe 1538cº
体心立方
奥氏体
(3) 渗碳体：即Fe3C, 含碳6.69%, 用Fe3C或Cm表示。 Fe3C硬度高、强度低(b35MPa), 脆性大, 塑性几乎为零 Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解： Fe3C→3Fe+C(石墨), 该反应对铸铁有重要意义。 由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要 以Fe3C或石墨的形式存在。 (4)珠光体：是奥氏体发生共析转 变所形成的铁素体与渗碳体的共 析体（P）。 (5)莱氏体：是液态铁碳合金发生 共晶转变所形成的奥氏体与渗碳 钢中的渗碳体 体的共晶体（Ld）。硬度高，塑 性差。
铸铁中的石墨
两种反应：
1、共晶反应 一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构 均不相同的固相的反应。
2 、共析反应
一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均 不相同的 新的固相的反应。
第四节 工业用钢简介
钢是含碳量小于2.11％的铁碳合金。
一、钢的分类
含碳量对工艺性能的影响 ① 切削性能: 中碳钢合适 ② 可锻性能: 低碳钢好 ③ 焊接性能: 低碳钢好 ④ 铸造性能: 共晶合金好
Fs A0
Fb A0
2、塑性：金属材料产生塑性变形而不被破坏的能力。 延伸率δ： l1 l0 100% 断面收缩率ψ： A0 A1 100% l0 A0
说明：
用断面缩率表示塑性比伸长率更接 近真实变形。
拉 伸 试 样 的 颈 缩 现 象
二、硬度：金属材料抵抗局部变形，特别是塑 性变形、压痕的能力。
金属工艺学
第一篇
金属材料导论
第一章 金属材料的主要性能 第一节 金属材料的力学性能 金属材料的力学性能又称机械性能，是 材料在力的作用下所表现出来的性能。 金属材料的主要力学性能：强度、塑性、 硬度、韧性、疲劳强度等
一、强度与塑性
应力 = P/F0 应变 = (l-l0)/l0 1、强度：金属材料在力的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。 •屈服点：拉伸试样产生屈服现象时的应力。 s •抗拉强度：金属材料在拉断前所能承受的最大应力。 b
•30、35、40、45、50、55：中碳钢。强度、硬度较高， 淬火后硬度可显著提高。
•60、65、70、75：高碳钢。经淬火、回火后，不仅强度、 硬度提高，且弹性优良，常用来制造小弹簧、发条、钢丝 绳、轧辊等。
3、碳素工具钢：含碳量0.7％～1.35％，淬火后有较高硬 度（>HRC60）和良好的耐磨性，常用于制造锻工、木工、 钳工工具和小型模具。淬透性和红硬性较差。 常用牌号：T8、T10、T10A、T12 • 后面的数字表示钢中平均含碳量的千分数 •T8：共析钢，韧性好，多用于制造承受冲击的工具，如 錾子、锻工工具等； •T10、T10A：硬度较高，有一定韧性，常用于制造锯条、 小冲模等； •T12：硬度高，耐磨性好，脆性大，适用于不承受冲击的 耐磨工具，如钢锉、刮刀等。
1、布氏硬度（HB） 2、洛氏硬度（HR）
三、韧性：金属材料断裂前吸收的变形能 量。
韧性常用指标为冲击韧度。 冲击韧度常采用摆锤式冲击试验机测定。 冲击韧度：
Ak k ( J / cm 2 ) A
冲击值大小受 试样形状、表面 粗糙度、内部组 织、环境温度影 响。
四、疲劳强度
疲劳断裂：承受疲劳载荷的零件 发生断裂时，其应力值大大低于该 材料的强度极限。