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

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指导老师：曹 鹏 军

参考文献

、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。

、百度文库《金属材料》

、戴启勋。《金属材料学》 北京：化学工业出版社；

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

李正邦《钢铁冶金前沿技术》 北京：冶金工业出版社； 年 月

北京科技大学《中国冶金史论文集》 北京：科学出版社； 年

金锡根《有色金属冶炼技术》北京：冶金工业出版社； 年 月

中国钢铁学会《钢铁辞典》北京；物价出版社； 年 月

陈裹武《钢铁冶金物理化学》北京：冶金工业出版社； 年 月

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。

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。

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。

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，