1、金属材料科学概论内容摘要：本文简单地介绍了金属材料的概念、特质及其性能，着重阐述了金属材料的分类、金属材料科学的制备及合成以及金属材料的成型工艺, 同时就金属材料的应用及发展前景提出了看法。关键词：金属材料；发展和兴起；概念；分类；性能；制备及合成；成型；应用一、金属材料简介1、 金属材料的概念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。2、 金属材料的分类金属材料的分类可按照成分和用途分为两大类。其中按金属成份分类可分为钢铁、有色（非铁）金属和复合金属材料三大类；按材料用途分类可分为结构材料和工程材料。（一） 、
2、金属材料的成分分类（1）钢铁钢铁可细分为以下几种：工业纯铁、碳钢、合金钢和铸铁四种。其中工业纯铁为含碳约在0.01% 以下的铁一碳合金；碳钢为含碳在0.01-1.5% 间的铁-碳合金；合金钢为含镍、铬、钨、钒、钛、钴、铜、锰、硅等合金元素的铁一碳合金；铸铁为含碳2.0-4.0% 间的铁一碳合金(也可含其它合金元素)。（2）有色（非铁）金属有色（非铁）金属可分为重有色金属、轻有色金属、稀有和难熔金属、稀土金属、稀散金属、贵金属和放射性金属七大类。重有色金属为铜、铅、锌、镍、锡等及其合金；轻有色金属为铝、镁、钛、铍等及其合金；稀有、难熔金属为钨、钼、铂、铌、铪、钒、铬等及其合金；稀土金属为镧、铈、
3、镨、钕、钷、钐等；稀散金属为镓、铟、铊等；贵金属为金、银、铂族金属及其合金；放射性金属为铀、钍、镭。（3）复合金属材料复合金属材料主要为以下几种：镀层一镀锌铁皮、钢丝, 镀锡铁皮( 马口铁) 等；渗层一渗铬、渗铝钢板、钢管等；包层一包铜钢丝, 包镍( 及镍合金) 钢板, 农用钢板等；机械混合合金银一钨、铜一钨合金, 硬质合金, 金属陶瓷等；纤维增强合金一铍丝增强铝合金, 钨丝增强高温合金, 碳、硼丝增强合金等。（二） 、金属材料的用途分类（1）结构材料结构材料可主要分为三类：一类为结构钢, 不锈钢, 耐热钢, 耐酸钢, 弹簧钢, 轴承钢 , 工具钢, 模具钢, 铸铁( 包括可锻铸铁 , 球墨铸
4、铁等) ；第二类为结构用的铝、镁、钦、铜等及其合金；第三类为复合材料一纤维增强, 复层, 蜂窝结构等材料。（2）功能材料功能材料主要有以下：精密合金一磁性、导电、电阻、弹性，恒膨胀等材料，低熔点合金；电子材料一半导体，电真空材料，封接材料，消气材料；超导材料一金属、固溶体、金属间化合物；能源材料一太阳能电池材料，制氢、储氢材料, 夹层材料等；医用材料一牙科材料，人造骨骼、关节，记忆材料，医疗器械材料等；催化剂一金属微粉、细丝等。二、金属材料的特质1. 疲 劳许 多 机 械 零 件 和 工 程 构 件 ， 是 承 受 交 变 载 荷 工 作 的 。 在 交 变 载 荷 的 作 用下 ， 虽 然
5、应 力 水 平 低 于 材 料 的 屈 服 极 限 ， 但 经 过 长 时 间 的 应 力 反 复 循 环 作用 以 后 ， 也 会 发 生 突 然 脆 性 断 裂 ， 这 种 现 象 叫 做 金 属 材 料 的 疲 劳 。金 属 材 料 疲 劳 断 裂 的 特 点 是 ： 载 荷 应 力 是 交 变 的 ， 载 荷 的 作 用 时 间 较长 ， 断 裂 是 瞬 时 发 生 的 以 及 无 论 是 塑 性 材 料 还 是 脆 性 材 料 ， 在 疲 劳 断 裂 区都 是 脆 性 的 。 所 以 ， 疲 劳 断 裂 是 工 程 上 最 常 见 、 最 危 险 的 断 裂 形 式 。 金 属 材
6、料 的 疲 劳 现 象 ， 按 条 件 不 同 可 分 为 下 列 几 种 ： 高 周 疲 劳 、 低 周疲 劳 、 热 疲 劳 、 腐 蚀 疲 劳 和 接 触 疲 劳 。2. 塑 性塑 性 是 指 金 属 材 料 在 载 荷 外 力 的 作 用 下 ， 产 生 永 久 变 形 （ 塑 性 变 形 ）而 不 被 破 坏 的 能 力 。 金 属 材 料 在 受 到 拉 伸 时 ， 长 度 和 横 截 面 积 都 要 发 生 变化 ， 因 此 ， 金 属 的 塑 性 可 以 用 长 度 的 伸 长 （ 延 伸 率 ） 和 断 面 的 收 缩 （ 断 面收 缩 率 ） 两 个 指 标 来 衡 量 。
7、 金 属 材 料 的 延 伸 率 和 断 面 收 缩 率 愈 大 ， 表 示 该 材 料 的 塑 性 愈 好 ， 即 材 料能 承 受 较 大 的 塑 性 变 形 而 不 破 坏 。 一 般 把 延 伸 率 大 于 百 分 之 五 的 金 属 材 料称 为 塑 性 材 料 （ 如 低 碳 钢 等 ） ， 而 把 延 伸 率 小 于 百 分 之 五 的 金 属 材 料 称 为 脆性 材 料 （ 如 灰 口 铸 铁 等 ） 。 塑 性 好 的 材 料 ， 它 能 在 较 大 的 宏 观 范 围 内 产 生 塑性 变 形 ， 并 在 塑 性 变 形 的 同 时 使 金 属 材 料 因 塑 性 变 形
8、 而 强 化 ， 从 而 提 高 材 料的 强 度 ， 保 证 了 零 件 的 安 全 使 用 。 此 外 ， 塑 性 好 的 材 料 可 以 顺 利 地 进 行 某 些成 型 工 艺 加 工 ， 如 冲 压 、 冷 弯 、 冷 拔 、 校 直 等 。 因 此 ， 选 择 金 属 材 料 作 机械 零 件 时 ， 必 须 满 足 一 定 的 塑 性 指 标3. 耐 久 性金属材料的耐久性是指在金属材料在使用过程中经受环境的作用，而能保持其使用性能的能力。4. 硬 度硬 度 表 示 材 料 抵 抗 硬 物 体 压 入 其 表 面 的 能 力 。 它 是 金 属 材 料 的 重 要 性 能指 标
9、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 。三 、 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 。 1. 金 属 材 料 的 机 械 性 能金 属 材 料 的 机 械 性 能 指 金 属 在 一 定 温 度 条 件 下 承 受 外 力 （ 载 荷 ） 作 用 时
10、，抵 抗 变 形 和 断 裂 的 能 力 （ 也 称 为 力 学 性 能 ） 。 金 属 材 料 承 受 的 载 荷 有 多 种 形式 ， 它 可 以 是 静 态 载 荷 ， 也 可 以 是 动 态 载 荷 ， 包 括 单 独 或 同 时 承 受 的 拉 伸 应力 、 压 应 力 、 弯 曲 应 力 、 剪 切 应 力 、 扭 转 应 力 ， 以 及 摩 擦 、 振 动 、 冲 击 等 等 ，衡 量 金 属 材 料 机 械 性 能 的 主 要 指 标 为 强 度 、 塑 性 、 应 用 范 围 及 韧 性 。2. 金 属 材 料 的 化 学 性 能金 属 与 其 他 物 质 引 起 化 学 反
11、 应 的 特 性 称 为 金 属 的 化 学 性 能 。 在 实 际 应 用中 主 要 考 虑 金 属 的 抗 蚀 性 、 抗 氧 化 性 （ 又 称 作 氧 化 抗 力 ， 这 是 特 别 指 金 属在 高 温 时 对 氧 化 作 用 的 抵 抗 能 力 或 者 说 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 机 械 性 能 的 影 响 等 等 。 在 金 属 的 化 学 性 能 中 ，特 别 是 抗 蚀 性 对 金 属 的 腐 蚀 疲 劳 损 伤 有 着 重 大 的 意 义 。 3. 金 属 材 料 的 物 理 性 能金
12、 属 的 物 理 性 能 主 要 从 密 度 （ 比 重 ） 、 熔 点 、 热 膨 胀 、 磁 性 能 吸 引 铁磁 性 物 体 的 性 质 、 电 学 性 能 等 考 虑 。 4. 金 属 材 料 的 工 艺 性 能金 属 对 各 种 加 工 工 艺 方 法 所 表 现 出 来 的 适 应 性 称 为 工 艺 性 能 ， 主 要 有 以下 四 个 方 面 ： 切 削 加 工 性 能 、 可 锻 性 、 可 铸 性 、 可 焊 性 。四 、 金 属 材 料 的 制 备 与 合 成材 料 制 备 的 质 量 直 接 影 响 零 件 的 后 续 生 产 制 造 和 使 用 性 能 。 下 面 对
13、 以工 程 领 域 中 铁 的 制 备 方 法 及 特 点 为 例 作 简 要 介 绍 。（ 一 ） 高 炉 炼 铁1、 高 炉 炼 铁 原 料炼 铁 的 主 要 原 料 是 铁 矿 石 （ 赤 铁 矿 石 、 磁 铁 矿 石 、 褐 铁 矿 石 、 菱 铁 矿 石 ）， 它 是 由 铁 的 氧 化 物 和 含 SiO2、 Al2O3、 CaO、 MgO等 成 分 的 脉 石 构 成 。 铁矿 石 的 主 要 作 用 是 提 供 铁 元 素 。 冶 炼 前 铁 矿 石 经 选 矿 筛 分 后 ， 破 碎 磨 成 粉 料 ，然 后 烧 结 成 块 以 备 后 续 冶 炼 使 用 。 另 外 ，
14、炼 铁 原 料 还 有 燃 烧 （ 焦 炭 ） 和 造 渣用 的 熔 剂 （ 石 灰 石 ） 。 焦 炭 在 高 炉 中 的 主 要 作 用 一 是 为 炼 铁 提 供 热 源 ， 二 是作 为 还 原 剂 把 铁 和 其 它 元 素 从 矿 石 中 还 原 出 来 。 熔 剂 石 灰 石 的 作 用 是 在 高炉 内 受 热 分 解 形 成 CaO和 MgO。2、 炼 铁 设 备 及 过 程炼 铁 是 在 高 炉 中 进 行 的 ， 高 炉 炉 体 是 由 耐 火 材 料 砌 成 ， 外 面 包 裹 钢 板的 圆 截 面 炉 子 。 为 使 矿 石 在 炉 内 充 分 还 原 ， 炉 子 高
15、 度 可 达 几 十 米 。高 炉 底 部 和 炉 腹 被 焦 炭 填 充 ， 炉 身 中 装 有 层 层 相 间 的 铁 矿 石 、 焦 炭 和 石灰 石 。 冶 炼 过 程 中 ， 炉 底 焦 炭 燃 烧 产 生 的 高 温 炉 气 向 上 运 动 ， 把 热 量 传 给 炉料 ， 经 过 一 系 列 的 物 理 化 学 过 程 ， 形 成 铁 液 和 炉 渣 滴 入 炉 内 。 每 隔 3-4小 时放 一 次 铁 液 ， 每 隔 1-1.5小 时 放 一 次 炉 渣 。 下 图 为 炼 铁 高 炉 剖 面 图 。3、高炉内发生的基本反应自然界中铁都是以化合物形式存在于铁矿石中，炼铁的实质
16、是在高炉中将铁矿石中的铁还原；将氧化物、磷酸盐、焦炭和矿石中的锰、硅、磷、硫还原，并与碳一起溶于铁液中的一系列物理化学过程。（1）燃料的燃烧 焦炭的燃烧反应因条件不同，碳与氧之间可能发生四种不同的化学反应。空气供应充足时，发生完全燃烧反应：C+O 2CO 2+34070KJ/kg空气供应不充足时，发生不完全燃烧反应：C+1/2O 2CO+10270KJ/kgCO遇到空气时，会燃烧：CO+1/2O 2CO 2+23800KJ/kg焦炭除以上外，还有一个还原吸热反应：CO 2+C CO2-12628 KJ/kg（2）冶金反应1）铁的还原。铁主要存在于矿石中的Fe2O3、Fe3O4内，其还原过程是靠
17、高价氧化物向低价转化来实现的。炼铁的主要还原剂是CO，他是由高炉底部厚厚的焦炭层在高温下不完全燃烧产生的。它的还原能力并不强但由于容易在矿石中扩散，故还原效果大大提高。i）一氧化碳还原铁的氧化物。在1000以上还原能力大大提高，它是炼铁过程中的主要还原剂。570以上主要还原反应如下：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO=Fe+CO2ii）固体碳还原铁的氧化物。固体碳的还原作用主要经CO的还原和碳的气化反应共同完成的，即FeO+CO=Fe+CO2CO2+C=2CO2iii）氢还原铁的氧化物。反应式如下：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O
18、4+ H2=3FeO+H2OFeO+ H2=Fe+H2O2）锰的还原。矿石中锰也是以氧化物的形式存在，从氧化物中还原锰的过程与还原铁一样，CO依次将从锰的高价氧化物还原为锰的低价氧化物。然后再由固体碳直接将MnO还原成锰。由于MnO与C作用是一个强吸热反应，因此高温有利于锰的还原，其反应为MnO+C=Mn+CO3）硅的还原。硅一般存在于矿石中的SiO2氧化物内，SiO2 很稳定，所以绝大部分进入炉渣，仅有少量被固体碳还原后进入生铁。SiO2被还原的程度与炉温有关，温度高，硅容易还原，其反应为SiO2+2C=Si+2CO4）磷的还原。磷一般存在于矿石中的磷酸钙内，在1000以上通过固体碳直接还原
19、，其反应为（CaO） 3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO磷酸钙中的CaO可以与SiO2作用，使P2O5游离出来，从而加速上式还原，其反应为2（3CaOP2O5）+3Si02=3（2CaO SiO2）+2P 2O5P2O5容易挥发，而且与焦炭的接触条件较好，故有利于P2O5的还原，其反应式为2P2O5+10C=4P+10CO磷除少量挥发外，大部分还原后都溶入铁液中。5）脱硫反应。硫是钢铁材料中的有害元素之一。它主要来自于矿石和燃料焦炭，常以硫化铁的形式存在，当石灰石中CaO及固体碳作用后生成炉渣，可以使铁液脱硫。还原剂越多，温度越高，脱硫效果越佳。脱硫后大部分硫进入炉渣，一部分随炉气排出，
20、其余溶于铁液中，其反应式为FeS+CaO+C=Fe+CaS+CO6)铁的溶碳过程。由高炉顶部加入的炉料，当下降至1000-1100温区时，从铁矿石中还原出来的铁与一氧化碳、焦炭互相作用会溶进大量的碳，使铁的溶点降低，铁在高炉下部开始熔化成铁液流入炉缸。综上所述，炼铁过程主要发生的是还原反应，在铁被还原的同时，其它非铁元素锰、硅、磷、硫也分别从它们的化合物中被还原，并与碳一起溶入铁中，故生铁中除了含有较高碳外，常常还有一定数量的锰、硅、磷、硫，其中磷硫属于有害元素，应在冶炼时严格控制其含量，因此它们的存在将增加钢铁材料的脆性。（3）造渣 熔炼过程中，铁料表面的锈蚀物及粘附的泥沙、燃料中的灰分、金
21、属元素氧化烧损成氧化物以及侵蚀剥落的炉材料等相互作用，结成炉渣，其主要成分为SiO2 和Al2O3. 这种粘滞的炉渣包覆在焦炭表面，不仅阻碍燃烧，而且不利于冶炼。主要采用的是石灰石，造渣时所发生的化学反应为石灰石分解：CaCO3CaO+CO2硅酸盐的形成：CaO+SiO2CaOSiO2熔剂石灰石不仅具有清除杂质和灰膜、加速燃烧反应进行的作用，同时炉渣还可以直接参与冶金反应。4、产品（1）生铁和铁合金 生铁是高炉冶炼的主要产品，根据不同的使用要求，其产品有两类：一是炼钢生铁，不同炼钢方法对生铁成分要求不同。二是铸造生铁，占生铁总产量10%-20%，用于生产各种铸造零件的原料。除此之外，高炉中还可
22、以冶炼用于炼钢的脱氧剂和合金添加剂，如硅铁、锰铁等。（2）炉渣和煤气 炉渣和煤气是高炉冶炼的副产品，炉渣成分与水泥类似，可用来制造水泥、渣砖、陶瓷等材料。高炉煤气可作为燃料，用于炼焦、炼钢和各种加热炉，具有较高的经济价值。五、金属材料的成型工艺各种方法制备的金属材料一般在经过铸造、压力加工、焊接和机加工成型，并进行材料改性工艺处理后才能满足不同条件下的服役要求。机加工成型的金属构件，只改变零件的形状和材料的内在质量均产生较大影响。但铸造、压力加工、焊接成型工艺则对零件的形状和材料的内在质量产生较大的影响，从而影响零件的使用寿命。下面简洁扼要介绍铸造、压力加工、焊接成型的基本工艺和应用。1. 液
23、态金属的成型方法（铸造）液态金属的成型又称铸造，是机器零件毛坯成型的主要方法之一。将液态金属浇注到铸型型腔中，使其冷却凝固获得一定形状的毛坯或零件的方法称为铸造。这种成型工艺主要有以下优势：可以一次成型内腔、外形复杂的毛坯，这是其它金属成型方法极难实现的；工艺灵活，不受零件尺寸、形状、重量的限制，能满足各种金属材料的铸件生产；成本低，原材料可回收利用。但铸造成型方法并非尽善尽美，它存在生产工序较多；工艺难控制；废品率高；铸件质量不稳定等问题。液态金属成型工艺根据造型材料不同，主要分为砂型铸造和特种铸造。2. 金属压力加工金属压力加工是借助外力的作用，使金属坯料产生塑性变形，从而获得一定形状、尺
24、寸和力学性能加工方法。由于金属铸态组织往往存在晶粒粗大和组织部均匀等缺陷，所以金属材料经冶炼烧注后，大多要进行各种压力加工，通过压力加工不仅改变了材料的外形，而且是铸锭内部原有的气孔、疏松等缺陷压合在一起，使金属更加致密，组织和性能由此也得到改善。各种钢和非铁合金都具有一定的塑性，因此它们均可以在热态和冷态下进行压力成型。金属压力加工按加工目的可分为两大类：一类是主要用于生产建筑结构和塑性加工的等截面型材、管材和板材等；另一类主要是用于生产各种毛坯、半成品或成品零件。3. 焊接焊接是一种连接金属工艺方法，主要用于制造各种金属结构和机器零件。焊接过程其实质是通过加热或压力等手段，使金属原子扩散与
25、结合，最终将分离的金属材料能够牢固地连接起来。焊接的方法很多，按焊接过程的特点可分为熔化焊、压力焊、钎焊三大类。（1）熔化焊 熔化焊简称熔焊，是利用局部加热的方法，将欲连接的两工件结合处加热到熔化状态，并与熔化的填充金属一起形成熔池，冷却结晶后形成牢固地焊接整体。根据热能来源的不同，熔焊又细分为气焊、电弧焊、电渣焊、等离子焊和电子束焊。（2）压力焊 压力焊是在焊接时无论加热与否，必须对焊件施加压力，使被焊接工件的两接合面紧密接触。压力焊种类很多，其中常用的有电阻焊、摩擦焊、扩散焊等。（3）钎焊 低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的隙缝使金属连接的焊接方法
26、称为钎焊。钎焊时，首先要除去母材接触面上的氧化物和油污，以利于毛细管在钎料熔化后发挥作用，增加钎料的润湿性和毛细流动性。根据钎料熔点不同，钎焊又分为硬钎焊和软钎焊。六、金属材料的应用情况及发展前景金属制品行业包括结构性金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、集装箱不锈钢及类似日用金属制品制造，船舶及海洋工程制造等。随着社会的进步和科技的发展，金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。 金属制品行业在发展过程中也遇到一些困难，例如技术单一，技术水平偏低，缺乏先进的设备，人才短缺等，制约了金属制品行业的发展。为此，可以采取提高企业技术水平
27、，引进先进技术设备，培养适用人才等提高金属制品业的发展。金属制品行业的产品将越来越趋向于多元化，业界的技术水平也将越来越高，产品质量会稳步提高，竞争与市场将进一步合理化。随着金属行业的进一步规范，以及相关行业优惠政策的实施，未来，金属制品行业将有巨大的发展空间。参考文献1 刘燕萍. 工程材料.北京：国防工业出版社，2009.2 王高潮. 材料科学与工程导论M.南昌：机械工业出版社，2006.3 励杭泉. 材料导论M. 北京：中国轻工业出版社，2000.4 朱静.材料科学与工程学科建设C/全国首届高校材料学院院长论坛文集.浙江台州，2004.5 王从曾. 材料性能学M. 北京：北京工业大学出版社
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