金属材料是指金属元素或以金属元素为主要成分的具有金属特征的材料。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特殊金属材料。(注:金属氧化物(如氧化铝)不是金属材料)

1.意义

人类文明的发展和社会的进步与金属材料密切相关。在石器时代之后，青铜时代和铁器时代以金属材料的应用为标志。现代，各种金属材料已经成为人类社会发展的重点物质基础。

2.类型

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2%以下的碳钢以及结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。出于各种目的。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、锰及其合金以外的所有金属，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。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，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。其中既有快速冷凝法获得的非晶金属材料，也有准晶、微晶、纳米晶金属材料。还有隐身、耐氢、超导、形状记忆、耐磨、减振、金属基复合材料等特殊功能合金。

3.表演

一般分为两类:流程绩效和服务绩效。所谓工艺性能，是指金属材料在机械零件加工制造过程中，在给定的冷热工况下的性能。金属材料的工艺性能决定了其在制造过程中的适应性。由于加工条件不同，要求的工艺性能也不同，如铸造性能、可焊性、延展性、热处理性能、可加工性等。

所谓使用性能，是指金属材料在机械零件使用条件下的性能，包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料的性能决定了其应用范围和使用寿命。在机械制造行业中，一般的机械零件都是在常温、常压和腐蚀性很强的介质中使用，每个机械零件在使用过程中都会承受不同的载荷。金属材料在载荷作用下抵抗损伤的能力称为机械性能(过去也叫力学性能)。金属材料的力学性能是零件设计和选择的主要依据。不同性质的外部载荷(如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等。)会要求金属材料的机械性能不同。常用的力学性能包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗反复冲击和疲劳极限。

金属材料特性

疲倦

很多机械零件和工程部件在交变载荷下工作。在交变载荷的作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经历长时间的反复应力循环后，会发生突然的脆性断裂，这种现象称为金属材料的疲劳。金属材料的疲劳断裂的特征是:

(1)负荷应力是交变的；

(2)负载的动作时间长；

(3)断裂是瞬时的；

(4)塑性和脆性材料在疲劳断裂区都是脆性的。因此，疲劳断裂是工程中最常见也是最危险的断裂形式。

依据不同的条件，金属材料的疲劳现象可分为以下几种类型:

(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，应力循环超过10万次的疲劳。这是最常见的疲劳失效。高周疲劳一般被称为疲劳。

(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，应力循环在10000 ~ 100000以下的疲劳。因为交变塑性应变在这种疲劳失效中起主要作用，所以也称为塑性疲劳或应变疲劳。

(3)热疲劳:指温度变化引起的热应力反复作用而产生的疲劳损伤。

(4)腐蚀疲劳:是指机器零件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体)共同作用下的疲劳损伤。

(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，发生点蚀剥落或表面压溃剥落，从而引起零件的失效。

2.可塑性

塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形(塑性变形)而不被破坏的能力。当一种金属材料被拉伸时，它的长度和横截面积会发生变化。所以金属的塑性可以用两个指标来衡量:长度的伸长率(伸长率)和截面的收缩率(截面的收缩率)。

金属材料的延伸率和面积收缩率越大，材料的塑性越好，即材料能承受更大的塑性变形而不损坏。一般延伸率大于5%的金属材料称为塑性材料(如低碳钢)，延伸率小于5%的金属材料称为脆性材料(如灰铸铁)。塑性好的材料可以在较大的宏观范围内产生塑性变形，同时通过塑性变形使金属材料得到强化，从而提高材料的强度，保证零件的安全使用。另外，可塑性好的材料可以在一些成型工艺中成功加工，如冲压、冷弯、冷拔和矫直。因此，在选择金属材料作为机械零件时，必须满足一定的塑性指标。

3.持久性

建筑金属腐蚀的主要形式；

(1)均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使横截面变得更薄。因此，年平均厚度损失值常被用作腐蚀性能(腐蚀速率)的指标。钢在大气中一般是均匀腐蚀的。

(2)气蚀。金属腐蚀呈点状，形成深坑。点蚀的发生与金属及其介质的性质有关。在含有氯化物盐的介质中容易发生空蚀。最大孔深常用作孔蚀的评价指标。管道的腐蚀大多考虑点蚀问题。

(3)电偶腐蚀。不同金属接触处因不同电位而产生的腐蚀。

(4)缝隙腐蚀。由于不同部位介质成分和浓度的差异，金属表面的局部腐蚀常发生在裂纹或其他隐蔽区域。

(5)应力腐蚀。在腐蚀介质和高拉伸应力的共同作用下，金属表面腐蚀并向内扩展成微裂纹，常导致突然断裂。这种破坏可能发生在混凝土中的高强度钢筋(钢丝)上。

4.困难

硬度表示材料抵抗硬物压入其表面的能力。它是金属材料的重点性能指标之一。一般硬度越高，耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

布氏硬度(HB):将一定大小(一般直径为10mm)的硬化钢球，以一定的载荷(一般为3000kg)压入材料表面，并保持一段时间。卸载后载荷与压痕面积的比值为布氏硬度值(HB)，单位为千克力/平方毫米(N/mm2)。

洛氏硬度(HR):当HB & gt450或者当样品太小时，布氏硬度试验不能使用，可以使用洛氏硬度测量代替。它利用顶角为120°的金刚石锥或直径为1.59 mm、3.18mm的钢球在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕深度计算出材料的硬度。依据试验材料的硬度，可采取不同的压头和总试验压力，形成几种不同的洛氏硬度标度，每个标度在洛氏硬度的符号HR后标有字母。常用的洛氏硬度标度有A、B和C (HRA、HRB和HRC)。其中，C音阶应用最为广泛。

HRA:是用载荷为60kg的金刚石圆锥压力机测得的硬度。用于硬度极高的材料(如硬质合金)。

HRB:硬度是用负荷100kg，直径1.58 mm的硬化钢球得到的，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁)。

HRC:是用150kg的载荷，用金刚石锥压机测得的硬度。用于硬度较高的材料(如淬火钢)。

维氏硬度(HV):维氏硬度值(HV)是用小于120kg的载荷和顶角为136°的金刚石方锥压机对材料表面进行压制，用压痕坑的表面积除以载荷值得到的。硬度测试是机械性能测试中最简单的测试方法。为了用硬度测试代替某些机械性能测试，在生产中需要更准确的硬度与强度的换算关系。实践证明，金属材料的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间，存在着近似的对应关系。因为硬度值是由初始塑性变形抗力和持续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也越高。

金属材料的特性

金属材料的性能决定了应用的范围和应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面，即机械性能、化学性能、物理性能和工艺性能。

1.机械性能

(一)应力的概念，物体内部单位截面积上所受的力称为应力。外力引起的应力称为工作应力，在没有外力作用的物体中平衡的应力称为内应力(如组织应力、热应力、加工过程后的残余应力……)。

(2)机械性能，金属在一定温度下，在外力(载荷)作用下抵抗变形和断裂的能力，称为金属材料的机械性能(又称力学性能)。金属材料承受的载荷有多种形式，可以是静载荷，也可以是动载荷，包括拉应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力、摩擦、振动和冲击等。单独或同时。因此，衡量金属材料机械性能的指标主要包括以下几项:

1.1 .实力

这是代表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(σb)、抗弯强度极限(σbb)、抗压强度极限(σbc)等等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏都有一定的规律可循，所以通常通过拉伸试验来确定，即将金属材料制成一定规格的试样，在拉伸试验机上拉伸，直至试样断裂。确定的强度指标主要包括:

(1)强度极限:材料在外力作用下所能抵抗断裂的最大应力，一般指拉力作用下的抗拉强度极限，用σb表示，如拉伸试验图中最高点B所对应的强度极限，常用兆帕(MPa)，换算关系为:1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2或1kgf/mm2 = 9.8mpa。

(2)屈服强度极限:当金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但试样仍发生明显的塑性变形。这种现象称为屈服，即当材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比，产生明显的塑性变形。发生屈服时的应力称为屈服强度极限，用σs表示，拉伸试验曲线对应的点S称为屈服点。对于塑性高的材料，拉伸曲线上会有明显的屈服点，而塑性低的材料没有明显的屈服点，很难依据屈服点的外力找到屈服极限。因此，在拉伸试验方法中，通常将试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力规定为条件屈服极限，表示为σ0.2。屈服极限指标可作为要求零件在工作时不产生明显塑性变形的设计依据。但对于一些重点的零件，也考虑了屈强比(σs/σb)要小一些，以提高其安全性和可靠性，但此时材料利用率也较低。

(3)弹性极限:材料在外力作用下变形，但在外力撤除后又恢复原状的能力，称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力为弹性极限，对应拉伸试验图中的E点，用σe表示，单位为兆帕(MPa): σ e = Pe/FO其中Pe为最大外力(或材料处于最大弹性变形时的载荷)。

(4)弹性模量:这是材料弹性极限范围内应力σ与应变δ(应力对应的单位变形量)的比值，用e表示，单位为兆帕(MPa): e = σ/δ = tgα，其中α为拉伸试验曲线上o-e线与横轴o-x的夹角。弹性模量是反映金属材料刚性的指标(金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性)。

1.2.可塑性

金属材料在外力作用下产生永久变形而不损坏的最大能力称为塑性。通常拉伸试验中试样标距的伸长率δ (%)和试样截面的收缩率ψ (%)伸长率δ=[(L1-L0)/L0]x100%，是拉伸试验中试样断口闭合后，试样标距L1与原标距L0的差值(增量)。在实际测试中，差不多材质但不同规格(直径、截面形状——如正方形、圆形、长方形、标距)的拉伸试样测得的伸长率会有差异，一般需要特殊填充。例如，最常用的圆形截面样品在其初始标距长度为样品直径的5倍时测得的伸长率表示为δ5，而在其初始标距长度为样品直径的10倍时测得的伸长率表示为δ10。面积收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，即拉伸试验(面积减少)后断裂颈处的原始截面积F0与最小截面积F1之差与F0之比。在实际中，最常用的圆形截面试样通常可以通过直径测量来计算:ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，其中D0为试样的原始直径；D1——试样拉下后断裂颈部的最小直径。δ和ψ的值越大，材料的塑性越好。

1.3.韧性

金属材料在冲击载荷下抵抗损伤的能力称为韧性。通常采取冲击试验，即一定尺寸和形状的金属试样在规定型号的冲击试验机上承受冲击载荷而断裂时，断口上单位截面积所消耗的冲击功代表材料的韧性:αk=Ak/F单位J/cm2或kg m/cm2，1kg m/cm2 = 9.8j/cm2 α k称为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.疲劳强度极限在长期重复应力或交变应力(应力一般小于屈服极限强度σs)作用下，金属材料发生断裂而没有明显变形的现象称为疲劳失效或疲劳断裂。这是因为各种原因，零件表面的应力(应力集中)大于σs，甚至σb，导致该零件产生塑性变形或微裂纹。随着反复交变应力的增加，裂纹逐渐扩展加深(裂尖应力集中)，导致了这一点。在实际应用中，试样在重复或交变应力(拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等)下所能承受的不断裂的最大应力。)在规定的循环次数内(一般钢为106-107次，有色金属为108次)一般视为疲劳强度极限，表示为σ-1，单位为MPa。除了上面提到的五个最常用的力学性能指标外，对于一些要求特别严格的材料，如航空航天、核工业、电厂使用的金属材料，还要求有以下力学性能指标:蠕变极限:在一定温度和恒定拉伸载荷下，材料随时间推移缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。通常采取高温拉伸蠕变试验，即在恒定温度和恒定拉伸载荷下，试样在规定时间内的蠕变伸长率(总伸长率或残余伸长率)或蠕变伸长速度在相对恒定阶段不超过规定值时的最大应力，以MPa表示为蠕变极限，其中τ为试验持续时间，t为温度，δ为伸长率，σ为应力；或者，v是爬行速度。高温拉伸持久强度极限:试样在恒定温度和恒定拉伸载荷下持续规定时间而不断裂的最大应力，用MPa表示，其中τ为持续时间，t为温度，σ为应力。金属缺口敏感系数:用Kτ表示为缺口试样与无缺口光滑试样在差不多持续时间(高温拉伸耐久试验)下的应力之比:其中τ为试验持续时间、缺口试样的应力和光滑试样的应力。或者表示为:即在差不多应力σ下，缺口试样的持续时间与光滑试样的持续时间之比。耐热性:材料在高温下抵抗机械负荷的能力。

2.化学性质

金属的化学性质称为金属的化学性质。在实际应用中，我们主要考虑金属的耐腐蚀性和抗氧化性(也叫抗氧化性，是指金属在高温下对氧化的抵抗力或稳定性)，以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对力学性能的影响。在金属的化学性能中，尤其是耐腐蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤具有重点意义。

3.物理性能

金属的物理性质主要考虑如下:

(1)密度(比重):ρ=P/V单位克/立方厘米或吨/立方米，其中P为重量，V为体积。在实际应用中，除了依据密度计算金属零件的重量外，非常重点的是考虑金属的比强度(强度σb与密度ρ的比值)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ρ与声速c的乘积)和射线检测中不同密度材料的不同吸收能力。

(2)熔点:金属由固态变为液态的温度直接影响金属材料的熔化和热加工，与材料的高温性能有很大关系。

(3)热膨胀。材料的体积随温度的变化而变化(膨胀或收缩)的现象称为热膨胀，常用线膨胀系数来衡量，即温度变化1℃时材料长度增加或减少的量与其在0℃时长度的比值。热膨胀与材料的比热有关。在实际应用中，还应考虑比容(单位重量材料体积的增减，即体积与质量的比值)，特别是对于在高温环境或冷热交替环境下工作的金属零件，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是磁性，体现在磁导率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽力等参数上，这个金属材料就分为顺磁性和抗磁性、软磁和硬磁材料。

(5)电气性能。主要考虑其导电性，在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗有影响。

4.过程性能

金属对各种加工方法的适应性称为工艺性能，主要包括以下四个方面:

(1)切削性能:反映刀具切削金属材料的难易程度(如车、铣、刨、磨)。

(2)可锻性:反映金属材料在压力加工过程中成形的难易程度，如材料加热到一定温度时的塑性(以塑性变形抗力为代表)，热压力加工的允许温度范围，热胀冷缩特性，与显微组织和力学性能有关的临界变形边界，金属在热变形过程中的流动性和导热性等。

(3)可铸性:反映金属材料熔化铸造成铸件的难易程度，表现为流动性、吸气性、氧化性、熔点、铸件显微组织的均匀性和致密性、冷缩性。

(4)可焊性:反映金属材料局部快速加热，使连接部位快速熔化或半熔化(需要压力)，使连接部位牢固结合成一个整体的难易程度，表现在熔点、熔化时的吸杂、氧化、导热、热胀冷缩特性、塑性、与连接部位及附近材料的显微组织的相关性、对力学性能的影响。