概述
金属材料是指金属元素或主要由金属元素组成的具有金属性质的材料。 包括纯金属、合金、金属材料的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。）
意义
人类文明的发展和社会的进步与金属材料密切相关。 石器时代之后的青铜时代和铁器时代以金属材料的应用为标志。 当今时代，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。
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。
01 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、各种用途的高温钢合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。
02有色金属
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。 有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且具有较大的电阻和较小的电阻温度系数。
03 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。 其中有通过快速缩合过程获得的非晶金属材料，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、减振阻尼等特种功能合金和金属基复合材料等。
表现
一般分为两类：过程性能和使用性能。 所谓工艺性能是指金属材料在机械零件制造过程中，在规定的冷、热加工条件下所表现出的性能。 金属材料的工艺性能的好坏决定了其在制造过程中对加工成型的适应性。 由于加工条件不同，所需的工艺性能也不同，如铸造性能、焊接性能、锻造性能、热处理性能、切削加工性能等。
所谓性能是指金属材料在机械零件的使用条件下所表现出的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料的性能决定了它的使用范围和使用寿命。 在机械制造行业中，一般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破坏的能力称为力学性能（过去也称力学性能）。 金属材料的力学性能是零件设计和选材的主要依据。 根据外载荷的性质（如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等）的不同，金属材料所需的力学性能也会有所不同。 常用的力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗多次冲击性能和疲劳极限。
金属材料特性
1 疲劳
许多机械零件和工程部件都承受交变载荷。 在交变载荷作用下，虽然应力水平低于材料的屈服极限，但经过长时间的重复应力循环后，会发生突然的脆性断裂。 这种现象称为金属材料的疲劳。 金属材料疲劳断裂的特点是：
01 负载应力是交变的；
02 负载长时间作用；
03 瞬间发生破损；
04 无论是塑性材料还是脆性材料，在疲劳断裂区都是脆性的。 因此，疲劳断裂是工程中最常见、最危险的断裂形式。
金属材料的疲劳现象根据不同条件可分为以下几种：
高周疲劳
是指在低应力条件下（工作应力低于材料的屈服极限，甚至低于弹性极限），应力循环数超过10%的疲劳。 这是最常见的疲劳失效。 高周疲劳一般称为疲劳。
低周疲劳
是指在高应力（工作应力接近材料屈服极限）或高应变条件下的疲劳，应力循环次数小于10000次。 由于交变塑性应变在这种疲劳损伤中起主要作用，因此也称为塑性疲劳或应变疲劳。
热疲劳
是指因温度变化引起的热应力反复作用而引起的疲劳损伤。
腐蚀疲劳
是指机械部件在交变载荷和腐蚀介质（如酸、碱、海水、活性气体等）的共同作用下引起的疲劳损伤。
接触疲劳
这是指机器零件的接触面。 在接触应力的反复作用下，出现麻点剥落或表面压碎剥落，导致机器零件失效和损坏。
2可塑性
塑性是指金属材料在外载荷作用下产生永久变形（塑性变形）而不被破坏的能力。 当金属材料被拉伸时，其长度和横截面积都会发生变化。 因此，金属的塑性可以用两个指标来衡量：长度的伸长率（伸长率）和横截面的收缩率（面积收缩率）。
金属材料的伸长率和面积收缩率越大，材料的塑性越好，即材料能承受较大的塑性变形而不损坏。 一般将伸长率大于5%的金属材料称为塑性材料（如低碳钢等），而将伸长率小于5%的金属材料称为脆性材料（如灰口铸铁等）。 。 塑性好的材料可以在较大的宏观范围内产生塑性变形，同时金属材料可以通过塑性变形得到强化，从而提高材料的强度，保证零件的安全使用。 另外，塑性好的材料能顺利地进行一定的成形加工，如冲压、冷弯、冷拔、矫直等，因此，在选择机械零件用金属材料时，必须满足一定的塑性指标。
3耐用性
建筑物金属腐蚀的主要形式：
均匀腐蚀
金属表面的腐蚀导致横截面均匀变薄。 因此，常采用年平均厚度损失值作为腐蚀性能（腐蚀速率）的指标。 钢通常在大气中均匀腐蚀。
点蚀
金属局部腐蚀并形成深坑。 点蚀的发生与金属的性质及其所在介质有关。 在含有氯盐的介质中容易发生点蚀。 最大孔深常被用作点蚀的评价指标。 管道的腐蚀大多是由点蚀引起的。
电偶腐蚀
不同金属接触点电位不同而引起的腐蚀。
缝隙腐蚀
由于不同部位介质的成分和浓度的差异，局部腐蚀常发生在缝隙或其他隐蔽区域的金属表面。
应力腐蚀
在腐蚀介质和高拉应力的共同作用下，金属表面发生腐蚀并向内扩展成微裂纹，往往导致突然断裂。 混凝土中的高强度钢筋（钢丝）可能会发生这种故障。
4 硬度
硬度表示材料抵抗硬物压入其表面的能力。 它是金属材料的重要性能指标之一。 一般来说，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）：将一定尺寸（一般为直径10mm）的淬硬钢球，以一定的载荷（一般）压入材料表面，保持一段时间，去除载荷后，载荷与其压痕面积的比值，即布氏硬度值（HB），单位为公斤力/mm2（N/mm2）。
洛氏硬度（HR）：当HB>450或试样太小时钢材材料型号，不能采用布氏硬度试验，而采用洛氏硬度测量。 它是用顶角为120°的金刚石锥体或直径为1.59或3.18mm的钢球在一定载荷下压入被测材料表面，由下式计算出材料的硬度：压痕的深度。 根据试验材料硬度的不同，可采用不同的压头和总试验压力，形成几种不同的洛氏硬度标尺。 每个刻度在洛氏硬度符号HR后标有一个字母。 常用的洛氏硬度标尺有A、B、C（HRA、HRB、HRC）。 其中，C音阶应用最为广泛。
HRA：是用60kg负荷金刚石锥压入器测得的硬度，用于极硬材料（如硬质合金等）。
HRB：是用100kg的载荷和直径1.58mm的淬硬钢球得到的硬度。 用于硬度较低的材料（如退火钢、铸铁等）。
HRC：采用150kg载荷和金刚石锥体压入器获得的硬度，用于硬度非常高的材料（如淬火钢等）。
维氏硬度（HV）：用120kg以内的载荷和顶角136°的金刚石方锥压入器压入材料表面。 将材料中压痕坑的表面积除以载荷值，即为维氏硬度值（HV）。 硬度测试是力学性能测试中最简单、最容易的测试方法。 为了用硬度测试来代替某些力学性能测试，生产中需要更准确的硬度与强度之间的换算关系。 实践证明，金属材料的各种硬度值之间以及硬度值与强度值之间都存在近似的对应关系。 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。
金属材料特性
金属材料的性能决定了材料的应用范围及其应用的合理性。 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机械性能
应力：物体内部单位横截面积所承受的力称为应力。 由外力引起的应力称为工作应力，不受外力作用时物体内部平衡的应力称为内应力（如组织应力、热应力、加工过程结束后残留的残余应力） 。
力学性能：金属在一定温度条件下受到外力（载荷）时，抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的力学性能（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、剪应力、扭转应力，以及摩擦、振动、冲击等。因此，衡量金属材料力学性能的主要指标包括以下几项。
1 强度代表材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力。 可分为拉伸强度极限（σb）、弯曲强度极限（σbb）、压缩强度极限（σbc）等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏遵循一定的规律，因此通常采用拉伸试验进行测量，即将金属材料制成一定规格的试样，在拉力试验机上拉伸，直至试验样品断裂时，测得的强度指标主要包括：
01 强度极限
材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力，一般是指拉力作用下的抗拉强度极限，用σb表示，如拉伸试验曲线中最高点b对应的强度极限，常用单位为兆帕(MPa) ，换算关系为：1MPa=1N/m2=(9.8)-1kgf/mm2 或 1kgf/mm2=9.8MPa。
02 屈服强度极限
当金属材料样品所承受的外力超过材料的弹性极限时，虽然应力不再增加，但样品仍然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，其变形不再产生明显的塑性变形，与外力成正比。 发生屈服的应力称为屈服强度极限，用σs表示，拉伸试验曲线对应的S点称为屈服点。 对于塑性高的材料，拉伸曲线上会有明显的屈服点，而对于塑性低的材料，则没有明显的屈服点，因此很难根据屈服点处的外力来计算屈服极限。 因此，在拉伸试验方法中，通常规定试样标距上产生0.2%塑性变形时的应力为条件屈服极限，表示为σ0.2。 屈服极限指标可作为要求零件在运行过程中不产生显着塑性变形的设计依据。 但对于一些重要零件，也认为需要较小的屈服强度比（即σs/σb）以提高其安全性和可靠性。 但此时材料利用率也较低。
03 弹性极限
材料在外力作用下发生变形，但在外力消除后仍能恢复到原来形状的能力，称为弹性。 金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限，对应拉伸试验曲线中的e点，用σe表示，单位为兆帕（MPa）：σe=Pe/Fo，其中Pe为弹性极限。 最大外力（或材料最大弹性变形时的载荷）。
04 弹性模量
这是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ（与应力对应的单位变形）的比值钢材材料型号，用E表示，单位为兆帕（MPa）：E=σ/δ=tgα。 式中，α为拉伸试验曲线上的oe线与横轴ox之间的夹角。 弹性模量是反映金属材料刚性的指标（金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性）。
2可塑性
金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性。 通常以拉伸试验时试样标距伸长率δ(%)和试样断面收缩率ψ(%)伸长率δ来测量。 =[(L1-L0)/L0]x100%，即拉伸试验时试件拉断及试件断口连在一起后标距L1与试件原标距L0的差值（增加量）与 L0。 在实际测试中，同一材料但不同规格（直径、截面形状——如方形、圆形、矩形和标距）的拉伸试件测得的伸长率会有所不同，因此一般需要特殊补充，如对于最常用的圆形截面试件，初始标距为试件直径的5倍时测得的伸长率表示为δ5，而初始标距为试件直径的10倍时测得的伸长率表示为δ10。 断面收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%，为拉伸试验时试样拉断后原始截面积F0与窄颈处最小截面积F1之差。断裂（截面减少）和 F0 比率。 实践中，最常用的圆形截面试件通常可以通过直径测量来计算：ψ=[1-(D1/D0)2]x100%，其中：D0-试件的原始直径； D1——试样断裂后的断口 颈部最小直径。 δ和ψ值越大，材料的塑性越好。
3韧性
金属材料在冲击载荷作用下抵抗损坏的能力称为韧性。 通常采用冲击试验，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，在冲击载荷作用下断裂时，断口表面单位截面积消耗的冲击功为用于表征材料的韧性：αk=Ak/F。单位为J/cm2或Kg·m/cm2，1Kg·m/cm2=9.8J/cm2。 αk称为金属材料的冲击韧性，Ak为冲击功，F为断裂原始截面积。
4疲劳性能
疲劳强度极限 金属材料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，不发生显着变形而断裂的现象，称为疲劳破坏或疲劳断裂。 这是由于多种原因造成的。 原因是零件表面的局部产生大于σs甚至大于σb的应力（应力集中），使该零件产生塑性变形或微裂纹。 随着重复交变应力次数的增加，裂纹逐渐扩展和加深（裂纹尖端处的应力集中）导致局部承受应力的实际截面积减小，直至局部应力大于σb并发生断裂。 在实际应用中，样品一般在规定的循环次数（钢一般为106～107次，钢一般为106～107次）内承受重复或交变应力（拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等）。有色金属）。 取108倍）作为能承受而不断裂的最大应力，作为疲劳强度极限，用σ-1表示，单位为MPa。
除了上面提到的最常用的力学性能指标外，一些要求特别严格的材料，如航空航天、核工业、发电厂等使用的金属材料，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，材料随时间缓慢发生塑性变形的现象称为蠕变。 通常采用高温拉伸蠕变试验，即在恒温、恒定拉伸载荷下，在规定时间内或蠕变伸长速度相对恒定时，测定试样的蠕变伸长率（总伸长率或残余伸长率）。 阶段，蠕变速度不超过某一规定值时的最大应力，作为蠕变极限，以MPa表示，其中τ为试验持续时间，t为温度，δ为伸长率，σ为应力； 或 用 表示，V 为蠕变速度。
高温拉伸持久强度极限：试样在恒温、恒定拉伸载荷作用下，达到规定时间而不断裂时的最大应力。
金属缺口敏感性系数：Kτ表示在持续时间相同（高温拉伸耐久试验）时，有缺口试件与无缺口光滑试件的应力比。
热阻：材料在高温下对机械载荷的抵抗力。
2化学性质
金属与其他物质发生化学反应的性质称为金属的化学性质。 在实际应用中，主要考虑的是金属的耐腐蚀性和抗氧化性（也叫抗氧化性，专指金属在高温下抵抗氧化的能力或稳定性），以及不同金属之间、金属之间的关系。金属与非金属之间形成的化合物对机械性能等的影响。金属的化学性能中，特别是耐腐蚀性能，对金属的腐蚀疲劳损伤具有重要意义。
3物理性能
金属的物理性能主要考虑：
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，除了根据密度计算金属零件的重量外，重要的是要考虑金属的比强度（强度σb与密度ρ之比）以帮助材料选择，以及声阻抗无损检测相关的声学检测（密度ρ与声速C的乘积）以及辐射检测中，不同密度的材料对辐射能量的吸收能力不同等。
熔点
金属由固态转变为液态的温度，对金属材料的冶炼和热加工有直接影响，与材料的高温性能密切相关。
热膨胀
材料的体积随着温度变化而变化（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℃时材料长度的增加或减少与其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（当材料受温度等外界因素影响时，单位重量材料的体积增大或减小，即体积与质量的比值），特别是对于那些工作的在高温环境或寒冷或炎热的条件下。 对于在交替环境下工作的金属零件，必须考虑其膨胀特性的影响。
磁的
能够吸引铁磁物体的属性就是磁性，它体现在磁导率、磁滞损耗、剩磁感应强度、矫顽力等参数上。 由此，金属材料可分为顺磁材料和反磁材料、软磁材料和硬磁材料。 。
电气性能
主要考虑其导电性，对其电阻率和电磁无损检测中的涡流损耗有影响。
4 工艺性能
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：
切削性能
反映用切削刀具（如车、铣、刨、磨等）切削金属材料的难度。
延展性
它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（表现为塑性变形抗力的大小）、允许热压力加工的温度范围、热膨胀和收缩特性。 以及与显微组织和力学性能有关的临界变形极限、金属在热变形过程中的流动性、导热性等。
铸造性
它反映了金属材料熔化并浇铸成铸件的难易程度，表现在流动性、吸气性、氧化性、熔融状态下的熔点、铸件显微组织的均匀性和致密性以及冷收缩率等方面。 。
可焊性
它反映了金属材料局部快速加热，使接合部位快速熔化或半熔化（需要压力），使接合部位牢固地粘合在一起，形成整体的困难。 表现在熔点、熔化过程中的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性、与接头及附近材料显微组织的相关性以及对力学性能的影响等。
