《金屬材料概覽》課件

金屬材料概覽歡迎來到《金屬材料概覽》課程。本課程編號為ME3025，由材料科學教授王明授課，將于2024年春季學期每周三下午進行。金屬材料是現(xiàn)代工程與日常生活的基石。從我們日常使用的手機、汽車，到高層建筑、飛機和宇宙飛船，金屬材料無處不在。它們的優(yōu)異機械性能、導電性和加工性能，使其成為人類技術進步的關鍵驅動力。金屬材料的發(fā)展歷史1青銅時代（約公元前3500年）人類開始將銅與錫混合，創(chuàng)造出比純銅更堅硬的青銅合金，這標志著人類首次能夠控制金屬組成以改變性能。2鐵器時代（約公元前1200年）鐵的冶煉技術在中東地區(qū)出現(xiàn)，隨后擴散到歐亞大陸。鐵器比青銅更堅硬，且原料更為豐富，推動了農業(yè)和軍事的發(fā)展。3工業(yè)革命（18-19世紀）亨利·貝塞麥發(fā)明轉爐煉鋼法，使鋼鐵大規(guī)模生產成為可能，成為工業(yè)革命的重要支柱。4現(xiàn)代合金時代（20世紀至今）金屬材料的定義金屬的基本特征金屬是一類具有金屬鍵結合的元素或合金，原子外層電子呈自由電子狀態(tài)。這種特殊的電子結構賦予了金屬許多獨特的物理和化學性質。在元素周期表中，大約有80%的元素屬于金屬，它們主要分布在周期表的左側和中部。金屬與非金屬的區(qū)別良好的導電性和導熱性金屬光澤（能反射可見光）良好的塑性和延展性通常具有較高的熔點和沸點大多數(shù)金屬呈固態(tài)（汞除外）金屬與合金的基本概念元素金屬由單一金屬元素構成的金屬材料，如純鐵、純銅、純鋁等。元素金屬通常具有固定的熔點和特定的物理性質，但在工業(yè)應用中較少直接使用。合金由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素按一定比例混合而成的具有金屬特性的物質。通過合金化可以改善純金屬的性能，如提高強度、硬度、耐腐蝕性等。合金的工業(yè)意義金屬材料現(xiàn)狀與全球產量2023年，全球粗鋼產量達到19.6億噸，中國貢獻了約10億噸，占全球總產量的一半以上。在有色金屬領域，鋁的產量遙遙領先于其他有色金屬，但仍遠低于鋼鐵產量。金屬材料的基本分類金屬材料具有金屬特性的工程材料黑色金屬以鐵為基礎的金屬材料有色金屬除鐵系金屬外的其他金屬材料合金兩種或多種元素組成的金屬材料純金屬單一金屬元素構成的材料黑色金屬概述鋼含碳量在0.03%-2.11%之間的鐵碳合金，具有良好的強度和韌性，是最常用的工程材料。應用于建筑、車輛制造、機械設備等領域。鑄鐵含碳量在2.11%-6.69%之間的鐵碳合金，具有優(yōu)良的鑄造性能和耐磨性，但脆性較大。常用于制造機床底座、發(fā)動機缸體等。合金鋼含有特定合金元素（如鎳、鉻、鉬等）的鋼，具有特殊性能，如不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性，工具鋼具有高硬度和耐磨性。有色金屬概述有色金屬是指除鐵、錳、鉻外的所有金屬元素及其合金。它們通常具有較低的密度、較好的延展性、優(yōu)良的導電導熱性、以及特殊的物理化學性能。鋁是最廣泛使用的有色金屬，其次是銅、鋅、鉛和鎳。稀有金屬如鈦、鋯、鉿等，雖然用量較小，但在高科技領域具有不可替代的重要作用。有色金屬在航空航天、電子電氣、汽車、建筑等領域有著廣泛應用，是現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的基礎材料。貴金屬與稀有金屬貴金屬貴金屬包括金、銀、鉑族金屬（鉑、鈀、銠、釕、銥、鋨）等。它們具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性、電學性能和催化性能。金：主要用于首飾、電子接點、貨幣儲備銀：最高的導電性和導熱性，廣泛用于電子電氣鉑：優(yōu)異的催化性能，用于汽車催化轉化器稀有金屬稀有金屬通常指地殼中含量很少的金屬元素，包括鈧、釔等稀土金屬，以及鈮、鉭、釩等。稀土金屬：用于永磁材料、熒光材料、催化劑鈮：添加到合金中提高強度和耐熱性鉭：用于電子電容器、醫(yī)療植入物釩：主要用作合金添加劑，提高鋼的強度盡管稀有金屬在總量上使用較少，但它們對高技術產業(yè)有著不可替代的作用，被稱為"工業(yè)維生素"。金屬的微觀結構晶體結構大多數(shù)金屬呈晶體結構，原子按照特定的幾何排列方式有序排列。常見的金屬晶體結構有面心立方(FCC)、體心立方(BCC)和密排六方(HCP)。例如，鋁和銅為FCC結構，鐵在室溫下為BCC結構，鎂和鈦為HCP結構。晶格常數(shù)晶格常數(shù)描述了晶體單元格的尺寸，通常用埃(?)表示。例如，鋁的晶格常數(shù)為4.05?，鐵為2.87?。晶格常數(shù)直接影響金屬的密度和原子間作用力，進而影響其物理和機械性能。晶粒與晶界實際金屬中，原子排列方向不同的晶體區(qū)域稱為晶粒，晶粒之間的過渡區(qū)域稱為晶界。晶粒大小和分布對金屬的性能有重要影響：細晶粒通常對應更高的強度和韌性。晶體缺陷類型點缺陷原子尺度的缺陷，包括空位缺陷（原子位置缺失）、間隙原子（原子處于晶格間隙位置）和替代原子（外來原子替代基體原子）線缺陷也稱位錯，是沿特定方向排列的原子不完整連接，主要包括刃位錯和螺位錯。位錯的移動是金屬塑性變形的微觀機制面缺陷包括晶界（不同取向晶粒的界面）、相界面、孿晶界和堆垛層錯等。這些缺陷影響材料的強化、擴散和相變過程體缺陷三維缺陷，如空洞、夾雜物和第二相粒子。這些缺陷通常是斷裂的起源點，會顯著降低材料的強度和韌性晶體缺陷是金屬微觀結構的重要組成部分，它們的類型、數(shù)量和分布直接影響金屬的力學性能、物理性能和化學性能。通過控制缺陷，可以實現(xiàn)對金屬性能的調控。金屬的力學性能基礎基本力學性能強度：材料抵抗變形和斷裂的能力硬度：材料抵抗硬物壓入的能力韌性：材料吸收能量而不斷裂的能力塑性：材料在外力作用下發(fā)生永久變形的能力彈性：材料在力移除后恢復原狀的能力常用測試方法拉伸試驗：測定材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率等硬度試驗：布氏、洛氏、維氏硬度測試沖擊試驗：測定材料的沖擊韌性疲勞試驗：確定材料在循環(huán)載荷下的壽命蠕變試驗：測定材料在恒定載荷和高溫下的變形行為力學性能是評價金屬材料最基本、最重要的性能指標，直接決定了材料能否滿足特定結構和功能要求。在工程設計中，了解材料的力學性能對于確保結構安全和功能實現(xiàn)至關重要。拉伸性能拉伸曲線描述材料在單軸拉伸載荷下的應力-應變關系屈服強度材料開始發(fā)生永久變形的應力值抗拉強度材料在拉伸過程中能承受的最大應力斷后伸長率材料斷裂時的塑性變形程度拉伸試驗是最基本、最普遍的金屬材料力學性能測試方法。通過分析拉伸曲線，可以獲取材料的彈性模量、屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率和斷面收縮率等重要參數(shù)。不同金屬材料的拉伸曲線形狀各異：低碳鋼具有明顯的屈服平臺；高強度鋼和鋁合金通常沒有明顯屈服點；延性材料斷裂前有較大的塑性變形，而脆性材料則幾乎沒有塑性變形就會斷裂。硬度與其測量方法硬度測試方法適用范圍壓頭類型典型適用材料布氏硬度(HB)硬度值：60-650HB硬質合金球大型鑄件、鍛件洛氏硬度(HR)HRC:20-70金剛石錐體/鋼球熱處理鋼、中硬材料維氏硬度(HV)HV:5-1500金剛石四角錐各種金屬、薄層表面顯微硬度HV:10-2000微小金剛石壓頭相組成分析、表面層硬度是材料抵抗硬物壓入的能力，是金屬材料最容易測定的性能之一。不同硬度測試方法適用于不同材料類型和測試需求，但彼此之間存在經驗轉換關系。一般來說，材料的硬度與強度正相關，與韌性和塑性負相關。典型金屬硬度值：軟鋼約130HB，淬火鋼可達60HRC，鋁合金約70-150HB，銅約35-100HB。韌性和沖擊性能塑性斷裂顯微鏡下可見大量韌窩，表明材料在斷裂前發(fā)生了大量塑性變形。斷口呈灰色或暗灰色，有明顯的縮頸現(xiàn)象。典型的高韌性金屬如低碳鋼、鋁等展示這種斷裂形式。脆性斷裂斷口呈亮晶狀，幾乎沒有宏觀塑性變形。在顯微鏡下可見解理面或沿晶斷裂特征。高強度鋼、灰鑄鐵在低溫下容易發(fā)生脆性斷裂，危害性大。沖擊試驗常用的落錘沖擊試驗包括夏比(Charpy)和伊佐德(Izod)試驗。通過測量斷裂標準試樣所需的能量，評價材料的動態(tài)韌性。不同溫度下的沖擊能量變化可確定材料的脆性轉變溫度。金屬的物理性能429銀的導熱系數(shù)W/(m·K)，為所有金屬中最高22.5鐵的電阻率μΩ·cm，是銅電阻率的13.8倍19.3金的密度g/cm3，是常見金屬中最大的2.99鋁的相對磁導率×10??，非常接近1，幾乎不受磁場影響金屬的物理性能對其在特定領域的應用至關重要。例如，銅和鋁的優(yōu)良導電性使其成為電氣工業(yè)的首選材料；鈷、鎳和鐵的鐵磁性是制造永磁體和電磁器件的基礎；鎢的高熔點（3422°C）使其適用于高溫環(huán)境。金屬的化學性能腐蝕傾向性金屬的電極電位表示其腐蝕傾向，越負越容易腐蝕。鎂(-2.37V)和鋁(-1.66V)極易腐蝕，而金(+1.5V)和鉑(+1.2V)則極其穩(wěn)定。氧化反應性金屬與氧氣反應的趨勢不同：鋁表面形成致密氧化膜提供保護；鐵的氧化層疏松，無法阻止進一步氧化；貴金屬如金、鉑在常溫下幾乎不與氧反應。酸堿反應性大多數(shù)金屬與酸反應放出氫氣；鋁和鋅在強酸和強堿中都會溶解；鉻和鈦在氧化性酸中形成鈍化膜而穩(wěn)定；金、鉑僅在王水中溶解。電化學腐蝕在電解質溶液中，不同金屬間或同一金屬不同區(qū)域形成微電池，導致陽極區(qū)域加速腐蝕。這是金屬失效的主要原因之一。熱學性能金屬的熱學性能包括熔點、比熱容、熱膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)等。這些性能對金屬在高溫環(huán)境中的應用至關重要。不同金屬的熱學性能差異很大，例如銅的導熱系數(shù)(401W/m·K)是不銹鋼(16W/m·K)的25倍，這使銅成為散熱器的理想材料。鋁的熱學性能組合非常優(yōu)異：相對較低的熔點(660°C)使其易于鑄造，高導熱系數(shù)(237W/m·K)有利于散熱，而相對較大的熱膨脹系數(shù)(23.1×10??/°C)需要在設計中考慮膨脹間隙。金屬的可加工性能可鍛性金屬在加熱狀態(tài)下接受鍛造而不破裂的能力。純鐵、低碳鋼、銅、鋁等具有良好的可鍛性；高碳鋼和某些鑄鐵則可鍛性較差?？慑懶灾饕Q于金屬的塑性、結晶結構和相組成?？珊感越饘偻ㄟ^焊接形成牢固連接的適應性。低碳鋼具有優(yōu)異的可焊性；鋁合金由于表面氧化膜和高導熱性，焊接較為困難；高碳鋼和高合金鋼需要預熱和后熱處理以防止開裂?？汕邢餍越饘僭谇邢骷庸ぶ械募庸るy易程度。含鉛黃銅、硫化錳鋼等具有優(yōu)良的切削性能；純鋁、不銹鋼、鈦合金切削性能較差。良好的切削性能對提高生產效率和延長刀具壽命至關重要。鑄造性能金屬液體充滿模具并形成合格鑄件的能力。鑄造鋁合金、灰鑄鐵具有優(yōu)異的鑄造性能；鋼的鑄造性能較差，需要更高的澆注溫度和更復雜的澆注系統(tǒng)。工業(yè)純金屬舉例工業(yè)純鐵含鐵量大于99.8%，雜質元素(C,S,P,Si,Mn等)含量低。具有較低的強度(抗拉強度約250MPa)但優(yōu)良的塑性和韌性，磁性能優(yōu)異。主要用途：電磁鐵芯、變壓器鐵芯、電機鐵芯、低碳鋼生產的原料。工業(yè)純鋁純度在99.0%-99.9%之間，具有低密度(2.7g/cm3)、高導電導熱性、優(yōu)良的耐腐蝕性和成形性。強度較低(抗拉強度約70-100MPa)。主要用途：電氣導體、散熱器、建筑裝飾、包裝材料、反射板。工業(yè)純銅純度大于99.9%，具有極高的導電性(僅次于銀)和導熱性，優(yōu)良的耐腐蝕性和加工性能?？估瓘姸燃s220-270MPa。主要用途：電線電纜、電氣元件、散熱器、管道、屋面材料。合金基礎知識合金化目的提高強度和硬度改善耐蝕性和耐熱性獲得特殊物理性能(如磁性、膨脹系數(shù))改善鑄造、焊接等工藝性能降低材料成本合金化機制固溶強化：合金元素溶入基體形成固溶體沉淀強化：第二相粒子析出阻礙位錯運動細晶強化：減小晶粒尺寸增加晶界面積形變強化：通過塑性變形增加位錯密度彌散強化：引入穩(wěn)定氧化物顆粒合金相圖溫度-成分關系圖，描述平衡狀態(tài)下的相組成相：具有相同物理、化學性質的物質區(qū)域常見相：固溶體、中間相、金屬間化合物共晶、共析等反應對組織和性能有重要影響熱力學基礎：吉布斯相律F=C-P+2鋼的種類和應用建筑結構機械制造汽車制造管道與能源家電與五金鐵路與船舶其他鋼是最重要的工程材料，按成分可分為碳鋼、低合金鋼和高合金鋼。碳鋼主要依靠碳含量調整性能，合金鋼則通過添加各種合金元素獲得特殊性能，如不銹鋼添加鉻以提高耐蝕性，工具鋼添加鎢、鉬以提高耐熱硬度。一輛普通汽車約使用900kg鋼材，占總重量的60%；一棟高層建筑中，鋼材用量約為30-50kg/m2；全球每年生產的鋼材中，近三分之一用于建筑領域。鋼的主要性能與標準標準類型代表標準適用范圍強度等級示例中國標準GB/T700碳素結構鋼Q235:屈服強度≥235MPa中國標準GB/T1591低合金高強度結構鋼Q345:屈服強度≥345MPa美國標準ASTMA36碳素結構鋼屈服強度≥250MPa歐洲標準EN10025熱軋結構鋼S355:屈服強度≥355MPa日本標準JISG3101一般結構用軋制鋼材SS400:抗拉強度400-510MPa鋼材標準是保證鋼材質量的重要依據(jù)，包括化學成分、力學性能、尺寸精度等要求。各國標準體系雖有差異，但基本原則相似。按用途分類，有結構鋼、工具鋼、不銹鋼、彈簧鋼等多種標準。鋼材強度等級通常以屈服強度為基礎命名，如Q235表示屈服強度不低于235MPa的鋼材。隨著冶金技術發(fā)展，高強鋼已達到1000MPa以上的屈服強度，特殊鋼種甚至可達2000MPa以上。鋁及鋁合金2.7密度(g/cm3)僅為鋼的三分之一，是輕量化設計首選660熔點(°C)相對較低，有利于鑄造加工600強度(MPa)高強鋁合金(7xxx系)抗拉強度可達37.7導電率(%IACS)導電性僅次于銅、金、銀鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素(8.3%)，也是使用最廣泛的有色金屬。純鋁強度低但耐腐蝕性好，通過合金化可大幅提高強度。鋁合金按加工方式分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，按成分分為2xxx(鋁-銅)、6xxx(鋁-鎂-硅)和7xxx(鋁-鋅-鎂)等系列。典型應用：航空航天(機身結構約70%為鋁合金)、汽車(發(fā)動機缸體、車身板材)、建筑(門窗、幕墻)、包裝(易拉罐)以及電力傳輸線。鋁的回收再利用率高，能源消耗僅為原生產的5%，具有顯著環(huán)保優(yōu)勢。銅及銅合金優(yōu)異導電性銅的導電率為58.5MS/m，是除銀外最高的金屬，電阻率僅為1.72μΩ·cm，是電氣工業(yè)的理想材料。良好導熱性導熱系數(shù)達401W/(m·K)，用于散熱器、熱交換器、制冷設備等領域。優(yōu)良耐蝕性在大氣、淡水、海水中形成穩(wěn)定保護膜，具有長期耐蝕性，適用于管道、屋面、海洋設備。良好加工性具有優(yōu)異的塑性和韌性，易于鑄造、鍛造、軋制、拉伸等加工，可制成各種形狀的產品。常見銅合金包括：黃銅(銅-鋅)具有良好的加工性能，用于閥門、管件、樂器；青銅(銅-錫)硬度高、耐磨損，用于齒輪、軸承；白銅(銅-鎳)具有優(yōu)良的耐蝕性和美觀外觀，用于硬幣、儀器零件。鎂及鎂合金鎂的基本特性鎂是最輕的工程金屬，密度僅為1.74g/cm3，比鋁輕約35%，比鋼輕約78%。具有良好的比強度(強度/密度)、阻尼特性和電磁屏蔽能力。熔點較低(650°C)，便于鑄造成形，但化學活性高，易燃，且在潮濕環(huán)境中耐腐蝕性較差，需特殊防護處理。典型鎂合金AZ91：含9%Al、1%Zn，是最常用的鑄造鎂合金AM60：含6%Al、0.13%Mn，兼顧強度和韌性AZ31：含3%Al、1%Zn，是主要變形鎂合金WE43：含稀土元素和釔，高溫性能好鎂合金主要應用于：電子設備外殼(筆記本電腦、手機、相機殼體)；汽車零部件(方向盤骨架、座椅框架、變速箱殼體)，可減輕汽車重量，降低油耗；航空航天領域(直升機變速箱殼體、座椅框架)；便攜式工具外殼(電鉆、鏈鋸)。國內鎂合金產業(yè)快速發(fā)展，年產量約80萬噸，主要應用在汽車輕量化和3C電子產品領域，但相較于鋁合金，應用規(guī)模仍有較大差距。鈦及鈦合金出色的比強度密度4.5g/cm3，強度可達1000MPa以上優(yōu)異的耐熱性服役溫度可達500-600°C卓越的耐腐蝕性表面氧化膜保護，耐海水和多種化學介質優(yōu)良的生物相容性人體不排斥，是理想的生物醫(yī)用材料鈦合金按微觀組織分為α型、β型和α+β型。典型鈦合金包括：Ti-6Al-4V(最常用的α+β型鈦合金)、Ti-5Al-2.5Sn(α型鈦合金)和Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn(β型鈦合金)。鈦合金廣泛應用于航空航天(飛機結構件、發(fā)動機部件)、海洋工程(海水淡化設備、熱交換器)、化工設備(反應釜、管道)、生物醫(yī)學(人工關節(jié)、牙種植體)和高端消費品(手表、眼鏡、高爾夫球桿)等領域。貴金屬的工程應用金(Au)優(yōu)異的導電性、耐腐蝕性和抗氧化性，主要用于電子接點、集成電路鍵合線、反射層和裝飾層。銀(Ag)最高的導電率和導熱率，廣泛用于電氣接點、焊料、電池電極、光伏電池和抗菌材料。鉑(Pt)優(yōu)異的催化性能和耐高溫氧化性，用于汽車催化轉換器、燃料電池電極、化工催化劑和高溫熱電偶。鈀(Pd)良好的催化性能和氫吸附能力，用于催化轉換器、電子元件和氫氣純化膜。貴金屬資源稀缺，價格昂貴。2023年價格：金約60美元/克，鉑約30美元/克，鈀約40美元/克，銀約0.8美元/克。全球鉑族金屬儲量集中在南非(占80%)和俄羅斯(占10%)，地緣政治因素對供應穩(wěn)定性影響較大。稀土金屬及其功能永磁材料釹鐵硼(Nd?Fe??B)是目前最強的永磁材料，磁能積高達45MGOe，是傳統(tǒng)鐵氧體磁體的10倍以上。廣泛應用于電動機、風力發(fā)電機、硬盤驅動器和揚聲器等領域。熒光材料銪(Eu)、鋱(Tb)和鈰(Ce)等稀土元素用于制造發(fā)光二極管(LED)、節(jié)能燈和顯示器的熒光粉，可產生紅、綠、藍三原色光，提高發(fā)光效率和色彩飽和度。催化劑鈰(Ce)、鑭(La)和鐠(Pr)等稀土元素在汽車尾氣凈化催化劑、石油裂化催化劑中發(fā)揮關鍵作用。稀土催化劑能提高催化效率，降低工作溫度，延長使用壽命。全球稀土資源分布不均，中國占已知儲量的約38%，越南約18%，巴西約18%。中國是最大生產國，約占全球產量的60%。稀土分離提純技術復雜，環(huán)境挑戰(zhàn)大，是高科技產業(yè)的戰(zhàn)略性資源。金屬的鍛造與軋制鍛造工藝鍛造是通過錘擊或擠壓使金屬塑性變形的加工方法。根據(jù)溫度分為熱鍛(高于再結晶溫度)和冷鍛(低于再結晶溫度)。自由鍛：使用錘或壓力機對金屬坯料自由成形模鍛：金屬在專用模具內成形，精度高輾環(huán)：制造大型環(huán)形件如軸承套圈、齒圈鍛造優(yōu)點：組織致密、性能各向均勻、力學性能好軋制工藝軋制是將金屬坯料通過一對或多對旋轉軋輥的作用力，使其厚度減小、長度增加的加工方法。熱軋：材料加熱到再結晶溫度以上進行軋制冷軋：在室溫下進行，可獲得更高精度和表面質量型材軋制：生產各種截面形狀的長條材料軋制優(yōu)點：生產效率高、尺寸精度好、表面質量可控鍛造和軋制是金屬塑性加工的兩種基本方法。鍛造主要用于生產各種形狀復雜的零部件，如曲軸、連桿、齒輪等；軋制主要用于生產板材、帶材、型材等。兩種工藝都能顯著改善金屬的組織結構和力學性能。金屬的擠壓與拉拔金屬擠壓將金屬坯料置于密閉容器內，通過施加壓力使其從模具孔口流出形成所需截面形狀的成形方法。擠壓類型正向擠壓、反向擠壓、側向擠壓和液壓擠壓等多種工藝形式適用于不同材料和產品需求。金屬拉拔將金屬棒、管或線穿過截面積小于原材料的模具，使其截面減小、長度增加的工藝方法。典型產品擠壓：鋁型材、銅排、管材；拉拔：金屬絲、鋼絲繩、焊絲、管材和異形材。擠壓是生產復雜截面形狀產品的理想方法，特別適用于鋁、銅等有色金屬。鋁型材擠壓廣泛應用于建筑門窗、交通工具、電子散熱器等領域。拉拔工藝能生產高精度、高表面質量的產品，用于制造鋼絲繩、彈簧鋼絲、焊絲、醫(yī)療導管等。金屬的鑄造工藝鑄造方法適用材料尺寸精度表面質量典型應用砂型鑄造鑄鐵、鋼、鋁合金、銅合金低-中較粗糙機床床身、汽車發(fā)動機缸體壓力鑄造鋁合金、鋅合金、鎂合金高光滑汽車零部件、電器外殼重力鑄造鋁合金、銅合金中較好氣缸蓋、輪轂精密鑄造各種合金包括高溫合金很高很好渦輪葉片、醫(yī)療器械離心鑄造各種合金中內粗外細管材、環(huán)形件鑄造是將熔融金屬澆注到與零件形狀相適應的鑄型中，冷卻凝固后獲得鑄件的成形方法。鑄造具有可生產形狀復雜、尺寸范圍廣的金屬零件的優(yōu)勢，是最古老也是最基礎的金屬成形工藝之一。現(xiàn)代鑄造技術已發(fā)展出多種特種鑄造方法，如真空鑄造、低壓鑄造、擠壓鑄造等，可滿足不同材料和產品的特殊需求。鑄造鋁合金、鑄鐵和鑄鋼是最常用的鑄造合金，各具不同的性能特點和應用領域。金屬的焊接與連接電弧焊利用電弧產生的高溫使金屬局部熔化，添加填充金屬形成焊縫。包括手工電弧焊、氬弧焊、埋弧焊等。適用于各種厚度的鋼材、不銹鋼和部分有色金屬。具有設備簡單、操作靈活、成本低等優(yōu)點。激光焊利用高能量密度激光束加熱金屬材料，使接合處熔化形成焊縫。熱影響區(qū)小，變形小，焊接速度快，可實現(xiàn)自動化和精密控制。適用于精密零件、薄板材和異種金屬連接。廣泛應用于汽車、電子和醫(yī)療設備制造。釬焊利用熔點低于母材的填充金屬（釬料）連接工件，工件本身不熔化。分為軟釬焊（釬料熔點<450°C）和硬釬焊（釬料熔點>450°C）。適用于異種金屬連接、薄壁部件和不能承受高溫的組件。在電子、航空和制冷設備領域應用廣泛。焊接質量檢測方法包括：目視檢查、滲透探傷、超聲波探傷、X射線探傷和磁粉探傷等。常見焊接缺陷有氣孔、夾渣、未熔合、裂紋和變形等，正確選擇焊接工藝參數(shù)和嚴格質量控制至關重要。熱處理基礎退火將金屬加熱到適當溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻的熱處理工藝。目的是降低硬度、消除應力、細化晶粒、提高塑性和韌性。典型工藝參數(shù)：鋼的完全退火加熱至Ac3+30~50°C，保溫后隨爐冷卻。正火將鋼加熱到臨界溫度Ac3或Accm以上30~50°C，保溫后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。獲得較細的珠光體組織，強度和硬度高于退火狀態(tài)，但低于淬火狀態(tài)。廣泛用于中碳鋼和低合金鋼的預處理。淬火將鋼加熱到奧氏體化溫度（Ac3+30~50°C或Ac1+30~50°C），保溫后快速冷卻，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝。顯著提高硬度和強度，但降低韌性和塑性。冷卻介質包括水、油、鹽水、熔鹽等?；鼗饘⒋慊痄摷訜岬脚R界溫度Ac1以下的某一溫度，保溫后冷卻的熱處理工藝。目的是降低脆性、釋放內應力、調整強度和韌性的平衡。根據(jù)溫度分為低溫回火(150-250°C)、中溫回火(350-500°C)和高溫回火(500-650°C)。金屬材料的表面處理金屬表面處理技術可分為表面涂覆、表面改性和表面清潔三大類。電鍍是最常用的表面涂覆方法，通過電解作用在金屬表面沉積一層金屬或合金薄層，提供裝飾性和耐蝕性，如鍍鋅、鍍鉻、鍍鎳等。陽極氧化是鋁及其合金的重要表面處理工藝，在電解液中形成致密氧化膜，提高耐腐蝕性和硬度，并可進行染色處理。滲碳、滲氮等表面強化技術通過改變表面成分提高表面硬度和耐磨性，廣泛用于齒輪、軸等零件。噴砂、拋光、酸洗等表面清潔方法用于去除氧化層、污漬和提高表面光潔度。金屬腐蝕與防護主要腐蝕類型均勻腐蝕：整個表面均勻減薄電偶腐蝕：不同金屬接觸形成電池縫隙腐蝕：狹窄間隙中氧濃差電池作用點蝕：表面局部穿孔應力腐蝕開裂：應力與腐蝕環(huán)境協(xié)同作用晶間腐蝕：沿晶界優(yōu)先腐蝕腐蝕防護技術材料選擇：使用耐腐蝕合金如不銹鋼涂層保護：有機涂料、金屬鍍層陰極保護：犧牲陽極、外加電流法陽極保護：在鈍化區(qū)維持金屬腐蝕抑制劑：添加化學物質降低腐蝕速率設計優(yōu)化：避免縫隙、確保排水常見金屬的耐蝕性不銹鋼：添加>10.5%鉻形成鈍化膜鋁：表面自然形成致密氧化膜銅：在大氣中形成綠色銅綠保護層鋅：常用作鋼鐵的犧牲陽極保護層鈦：極其穩(wěn)定的氧化膜，耐多種介質金屬腐蝕每年造成全球GDP約3.4%的經濟損失，相當于約2.5萬億美元。合理的腐蝕防護能延長金屬構件使用壽命，提高安全性，節(jié)約資源和能源，降低維護成本。金屬失效與壽命管理疲勞失效金屬在循環(huán)應力作用下逐漸累積損傷至斷裂的過程。斷口特征為貝殼狀疲勞條紋，是機械零件最常見的失效形式，約占失效總數(shù)的80%。蠕變失效金屬在高溫長期恒定載荷作用下變形累積直至斷裂的現(xiàn)象。與時間、溫度密切相關，在溫度超過材料熔點0.4倍時變得顯著。腐蝕失效環(huán)境介質與金屬發(fā)生化學或電化學反應導致的性能劣化。包括均勻腐蝕、點蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕開裂等多種類型。磨損失效兩個相對運動的表面間的材料損失。主要類型包括黏著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損，直接影響機械效率和壽命。金屬失效分析是確定失效原因并采取改進措施的系統(tǒng)過程。包括失效情況調查、宏觀檢查、微觀分析、斷口分析、成分檢測和力學性能測試等。通過理解失效機制，可以開發(fā)更可靠的產品，預防類似失效再次發(fā)生。著名工程失效案例：美國自由女神像結構腐蝕(鐵-銅電偶腐蝕)、美國利伯提船舶脆性斷裂(低溫脆性)、英國康阿德噴氣客機疲勞失效(方形窗口應力集中)等，這些案例促進了材料科學和工程設計的進步。材料選擇原則功能適應性滿足基本工作要求可靠性與安全性符合強度、耐久性要求經濟性材料成本與全生命周期成本工藝性制造和加工的難易程度環(huán)境適應性環(huán)保要求與可持續(xù)性材料選擇是工程設計中的核心環(huán)節(jié)，需要綜合考慮材料性能、成本、可用性和制造工藝等多方面因素。正確的材料選擇可以顯著影響產品的性能、使用壽命和經濟效益。性能價格比(Performance-CostRatio)是材料選擇的重要指標。例如，比強度(強度/密度)和比模量(模量/密度)常用于評估輕量化結構材料；而導熱系數(shù)與價格的比值則用于評估散熱器材料的經濟性。不同應用場景需要優(yōu)先考慮不同的性能指標組合。綠色與可持續(xù)金屬材料金屬回收是實現(xiàn)資源可持續(xù)利用的關鍵策略。相比原生產，回收再利用可顯著降低能源消耗和環(huán)境影響：鋁回收僅需原生產能耗的5%，鋼鐵回收需60-70%，銅回收需15-20%。全球金屬回收產業(yè)年產值超過2000億美元。綠色金屬材料發(fā)展趨勢包括：低碳冶煉技術(如氫冶金)；節(jié)能型合金(如薄壁結構、輕量化材料)；高效回收體系(如智能分選技術)；延長使用壽命的表面處理技術；以及減少有害元素使用的新型合金設計(如無鉛焊料、無鉻鈍化)。特種金屬材料超高強鋼屈服強度超過1300MPa的先進高強度鋼，包括馬氏體鋼、相變誘導塑性鋼(TRIP)和孿晶誘導塑性鋼(TWIP)等。主要應用于汽車安全件、航空結構、高壓容器等領域。近期研究突破：通過納米沉淀相控制，某些鋼種強度已超過2000MPa同時保持良好韌性。形狀記憶合金能夠記憶原始形狀并在溫度變化時恢復的特殊合金，最典型的是鎳鈦合金(Nitinol)。廣泛應用于醫(yī)療器械(血管支架、正畸絲)、機械執(zhí)行器、耦合器、眼鏡架等。最新進展：多重形狀記憶效應、磁性形狀記憶合金和高溫形狀記憶合金的開發(fā)。超導材料在特定溫度以下電阻為零的材料，包括低溫超導體(NbTi、Nb?Sn等)和高溫超導體(YBCO、BiSCCO等)。應用于強磁場設備如MRI、粒子加速器、磁懸浮列車。2023年重要突破：室溫超導研究取得進展，但仍需極高壓力環(huán)境。金屬玻璃與非晶合金無長程有序原子排列的金屬材料，具有優(yōu)異的彈性極限、耐腐蝕性和軟磁性能。應用于高性能彈簧、變壓器鐵芯、切割工具和運動器材。研究熱點：提高非晶合金的熱穩(wěn)定性和可成形性，開發(fā)大尺寸塊體金屬玻璃。金屬基復合材料基體金屬常用鋁、鎂、鈦、銅和鎳等，為復合材料提供基礎強度和韌性。鋁基復合材料是使用最廣泛的金屬基復合材料，具有低密度和良好的加工性能。增強體類型顆粒(SiC、Al?O?、TiC)、短纖維(碳纖維、Al?O?纖維)、連續(xù)纖維(碳纖維、SiC纖維)和晶須(SiC晶須)。不同增強體提供不同的性能改善，如提高強度、硬度、耐磨性和高溫穩(wěn)定性。制備方法固態(tài)制備(粉末冶金、擴散焊接)、液態(tài)制備(攪拌鑄造、壓力浸滲)和原位合成(自蔓延高溫合成、反應熱處理)等多種方法適用于不同的材料組合和性能需求。典型應用航空航天(發(fā)動機部件、結構件)、汽車(活塞、連桿、制動盤)、電子(散熱器、封裝基板)和體育用品(高爾夫球桿、網球拍)等高性能領域。SiC顆粒增強鋁基復合材料(Al-SiCp)是應用最廣泛的金屬基復合材料，比鋁合金具有更高的比強度、比模量和耐磨性，已在航空航天和高性能汽車零部件中得到實際應用。未來發(fā)展方向包括低成本制備技術、界面結合優(yōu)化和功能化金屬基復合材料的開發(fā)。新型金屬加工技術選區(qū)激光熔化(SLM)金屬增材制造的主要技術之一，利用高功率激光逐層熔化金屬粉末構建三維零件?？杉庸も伜辖?、高溫合金、不銹鋼、鋁合金等多種金屬材料。優(yōu)勢在于復雜結構設計自由度高、節(jié)約材料、可實現(xiàn)功能梯度結構和內部冷卻通道等。電子束熔化(EBM)在高真空環(huán)境中使用高能電子束熔化金屬粉末的增材制造技術。較SLM具有更高的能量效率和更低的殘余應力。尤其適用于高熔點金屬如鈦合金、高溫合金等。已在航空航天、醫(yī)療植入物領域獲得應用，如定制化髖關節(jié)和顱骨植入物。等離子體電弧成形利用等離子體電弧作為熱源，將金屬絲材逐層熔化沉積的技術。相比粉末基工藝，具有更高的沉積效率和材料利用率。適用于大型金屬構件的近凈成形，如航空航天結構件、船舶部件等。優(yōu)勢在于成本低、效率高，但表面精度較粉末技術稍差。金屬增材制造技術正迅速發(fā)展，全球市場規(guī)模從2015年的10億美元增長到2023年的約50億美元。關鍵挑戰(zhàn)包括：材料性能一致性控制、表面質量提升、殘余應力管理以及生產效率提高。未來發(fā)展方向包括多材料打印、原位監(jiān)測與閉環(huán)控制、混合制造工藝的集成。智能制造與質量監(jiān)控智能傳感與在線監(jiān)測使用溫度、壓力、振動、聲發(fā)射等傳感器實時監(jiān)測金屬加工過程中的關鍵參數(shù)。先進光學檢測系統(tǒng)可進行在線表面缺陷檢測，減少人工檢查依賴。大數(shù)據(jù)分析與質量預測收集加工過程中的海量數(shù)據(jù)，利用機器學習和數(shù)據(jù)挖掘技術建立質量預測模型。早期發(fā)現(xiàn)潛在質量問題，減少不合格品產生。典型應用如鋼鐵連鑄過程的缺陷預警系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術創(chuàng)建物理設備和工藝的虛擬模型，實現(xiàn)生產過程可視化和優(yōu)化。通過仿真分析不同工藝參數(shù)對產品質量的影響，優(yōu)化生產參數(shù)。如軋制工藝的數(shù)字孿生模型可預測板形和性能。區(qū)塊鏈與全生命周期追溯利用區(qū)塊鏈技術記錄金屬材料從原料到最終產品的全過程數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)真實可靠且不可篡改。提高質量責任追溯能力，增強供應鏈透明度。航空航天和醫(yī)療器械領域已開始應用。智能制造正在徹底改變金屬材料的生產和加工方式。以寶鋼為例，其智能制造系統(tǒng)集成了700多個傳感器，實現(xiàn)了板材厚度精度控制在±0.01mm以內，大幅提升產品一致性。西門子數(shù)字化工廠使用AI預測性維護技術，減少了80%的意外停機時間。航空航天領域中的金屬材料鋁合金鈦合金鋼高溫合金復合材料其他航空航天領域對金屬材料有極其嚴格的要求，包括高比強度、高溫穩(wěn)定性、疲勞抗力和優(yōu)異的可靠性。鋁合金(2xxx和7xxx系列)主要用于機身結構；鈦合金(Ti-6Al-4V等)用于發(fā)動機壓氣機部件和高負荷結構件；鎳基高溫合金(Inconel718等)用于渦輪葉片等高溫部件。軍用與民用飛機材料選擇有明顯差異：軍用飛機更注重性能極限，使用更多鈦合金和特種合金；民用飛機更平衡考慮性能、成本和維護性，鋁合金使用比例更高。近年來，航空鋁鋰合金(Al-Li)因其更低的密度(減輕3-5%)和更高的剛度(提高5-10%)受到廣泛關注。電子信息領域中的金屬材料導電應用銅是最常用的導電金屬，全球約有60%的銅用于電氣電子領域。微電子器件互連線路主要使用銅、鋁；高端連接器采用金、銀涂層；PCB基板上的導電圖形通常為銅箔(9-70μm厚)；鍵合線多使用金、鋁或銅；散熱基板常用銅-鉬、銅-鎢復合材料。磁性材料電子變壓器鐵芯主要使用硅鋼、鐵鎳合金和鐵基非晶合金；永磁體材料包括釹鐵硼(Nd?Fe??B)、釤鈷(SmCo)等稀土永磁體，廣泛用于電機、揚聲器和硬盤驅動器；軟磁材料如鐵鎳合金(Permalloy)用于電磁屏蔽和磁頭。功能金屬材料形狀記憶合金用于微執(zhí)行器和開關；壓電合金用于傳感器和微機電系統(tǒng)(MEMS)；微納米金屬在傳感器和生物芯片中發(fā)揮重要作用；金屬玻璃在電子元件和電磁屏蔽中的應用日益增加；新型金屬氧化物半導體材料推動傳感器技術發(fā)展。封裝材料封裝框架常用銅合金、鐵鎳合金(Kovar，因熱膨脹系數(shù)匹配玻璃和陶瓷)；引線材料主要為銅、金、鋁；散熱器件多采用鋁和銅；EMI屏蔽層使用銅、鋁、鎳等金屬涂層；微型電池電極材料包括鎳、鈷等活性金屬及其氧化物。醫(yī)療領域中的金屬材料植入材料生物醫(yī)用金屬材料需具備優(yōu)異的生物相容性、耐腐蝕性和適當?shù)牧W性能。主要包括：鈦及鈦合金(Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb)：人工關節(jié)、牙種植體、骨板、骨釘醫(yī)用不銹鋼(316L)：骨科植入物、支架、外科器械鈷鉻合金(Co-Cr-Mo)：人工關節(jié)、牙科修復體鎂合金：可降解植入物，無需二次手術取出功能醫(yī)療器械利用金屬特殊性能的醫(yī)療器械：鎳鈦形狀記憶合金：血管支架、正畸絲、導絲貴金屬(鉑、金)：起搏器電極、導管標記鎢合金：X射線設備輻射屏蔽銀：抗菌材料和涂層鎵合金：牙科充填材料醫(yī)用金屬表面改性技術快速發(fā)展，如等離子體噴涂羥基磷灰石提高生物活性；表面陽極氧化創(chuàng)建納米結構促進細胞黏附；抗菌離子(Ag?、Cu2?)植入預防感染；以及仿生表面設計優(yōu)化組織整合。三維打印金屬技術正革命性地改變個性化醫(yī)療植入物的制造方式，允許根據(jù)患者CT數(shù)據(jù)定制完美匹配的植入物，如顱骨修復板和下頜骨重建結構。建筑與交通中的金屬材料建筑領域用鋼鋼筋混凝土結構中使用HRB400/500級鋼筋，直徑6-50mm不等，一般建筑用鋼量約為100-150kg/m2。高層建筑鋼結構使用Q345/Q390/Q420高強鋼，提高結構強度同時減輕自重。屋面和外墻多采用鍍鋅鋼板、鋁合金板和不銹鋼板，兼具結構和裝飾功能。