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材料学金属材料
目录
第二章 金属材料 3
第一节 金属材料概述 3
一、金属材料的发展史 3
二、金属材料的特点 3
Ø 合金与纯金属 4
Ø 金属材料的分类 4
第二节 铁及铁基合金 5
Ø 铁及铁基合金的分类 5
Ø 铁的冶炼过程 5
Ø 钢的冶炼过程 6
一、纯铁 6
二、钢 6
碳素钢 7
合金钢 7
不锈钢 7
弹簧钢 8
钢的显微组织分类 8
铁素体 8
渗碳体 8
珠光体组织 8
贝氏体组织 8
马氏体组织 8
钢的热处理 9
1、退火 9
2、正火 10
3、淬火 10
4、回火 10
三、铸铁 10
1、铸铁的定义 10
2、铸铁的性能特点 10
3、铸铁的应用 11
4、铸铁的微观组织特点 11
5、铸铁的分类 11
1）根据碳在铸铁中的存在形式分类 11
2）根据铸铁中石墨形态分类 11
3）特殊性能铸铁 12
第三节 非铁金属及其合金 12
1、非铁金属分类 12
2、几种常见的非铁金属及其合金 13
一、铝及铝合金 13
二、铜及铜合金 13
三、镁及镁合金 14
四、钛及钛合金 15
五、高温合金 16
第四节 金属材料的成形与加工 16
1. 液态成形（铸造成形） 16
2. 半固态成形 16
3. 快速凝固成形 16
金属的塑性加工方法 17
思考 17
金属材料的进展如何推动了化学工业的发展？ 17
用来铸造硬币的金属材料需要具有什么性质？ 17
问题2 17

第二章 金属材料
第一节 金属材料概述
一、金属材料的发展史
•公元前3000年，人们已开始使用青铜器
•公元前1500年，开始使用铁器
•公元1800年，开始使用钢

二、金属材料的特点
1、优异的力学性能。具有高强度，及优良的塑性和韧性
2、稳定的高温和低温性能
3、良好的导电性、导热性
4、出色的工艺性能(可加工性、延展性)
5、正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性

Ø 合金及纯金属
合金是由一种金属及另一种或几种金属（或金属跟非金属）一起熔炼或烧制而成的具有金属特性的物质。
•更大的硬度
•较低的熔点
•更高的强度(韧性好，可压延、拉伸、弯曲)
•更好的抗腐蚀性能

更好的力学性能和工艺性能，且价格低廉。纯金属只有90余种，合金已达几千种

Ø 金属材料的分类
•铁及铁基合金
•非铁金属及其合金

Ø 金属材料用途及牌号
（1）普通结构钢 --- GB700-88标准 按照力学性能，数字代表最低屈服强度。
Q195 Q215 Q235 塑性好，有一定强度，主要有板材、管材、钢筋等
Q255 Q275 强度高，型钢、厚板作构件。
（2）优质结构钢 --- 钢号按照碳平均质量分数的万分数表示。
比如20#、45#钢。如果锰含量较高，则为45Mn;
10#、20#焊接、冲压性能好，作冲压件、焊接件。
35、40、45、50# 加工齿轮、轴承等。
60、65# 作弹簧。
（3）铸钢----钢号按照碳平均质量分数的万分数表示，比如ZG25.
（4）碳素工具钢 --- 钢号按照碳平均质量分数的千分数表示 ，
C: 0.65-1.35% 。表示T9 ：表示C 0.9%；
或者T10A ，A表示高级优质工具钢。
牌号：T7，T8 硬度高韧度较高 T9，T10，T11适中 T12，T13硬度很高

第二节 铁及铁基合金
钢铁－现代工业化的基础
•占世界金属总产量的95%。2012年全球粗钢总产量为15.5亿吨，中国粗钢产量为7.17亿吨，占全球粗钢总产量的比例为46.3%。具有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用
•价格低廉

Ø 铁及铁基合金的分类
纯铁（熟铁）：含碳量＜0.2％
钢：含碳量0.2％～2.11％
铸铁（生铁）：含碳量＞2.11％

Ø 铁的冶炼过程
1.现代炼铁绝大部分采用高炉，个别直接还原铁法和电炉炼炼铁法。
2.高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原，熔化炼成生铁，此法操作简便，能耗低，成本低廉，可大量生产。
3.直接还原炼铁法，是将矿石在固态下用气体或还原剂还原，在低于矿石熔化温度下，炼成含有少量杂质元素的固体或半熔融状态海绵铁、金属化球团或粒铁，作为炼钢原料（也可作高炉炼铁或铸造的原料）。
4.电炉炼铁法，多采用无炉身的还原电炉，可用强度较差的焦炭（或煤、木炭）作还原剂。电炉炼铁的电加热代替部分焦炭，并可用低级焦炭，但耗电量大，只能在电力充足、电价低廉的条件下使用。

直接还原法电炉炼铁
炼铁的主要材料为燃料和原料,所谓的燃料是指冶炼所用的焦炭,喷吹用的煤粉,原料是指铁矿石。铁矿石包括天然矿既块矿,同时还有人造矿,如球团矿、烧结矿等。
炼铁过程是个还原过程:
FeO+CO=Fe+CO2；FeO+C=Fe+CO

Ø 钢的冶炼过程
•炼钢主要是以高炉炼成的生铁和直接还原炼铁法炼成的海绵铁以及废钢为原料，用不同的方法炼成钢。主要的炼钢方法有转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法3类。
•钢液在炼钢炉中冶炼完成之后，必须经盛钢桶（钢包）注入铸模，凝固成一定形状的钢锭或钢坯才能进行再加工。

炼钢原理就是在高温条件下,用氧气或铁的氧化物把生铁中所含的过量的碳和其它杂质转为气体或炉渣而除去.
铁被氧化：2Fe + O2 ==高温== 2FeO
调整硅锰：Si + 2FeO ==高温== SiO2 + 2Fe ；
Mn + FeO ==高温== MnO + Fe
降低碳量：C + FeO ==高温== CO + Fe

一、纯铁
熔点1538℃，常温下密度为7.87×103kg/m3，具有铁磁性，弹性模量约为2000MPa。
工业纯铁强度低、硬度低、塑性好，主要作为磁性材料。
常温为α铁，体心立方
910－1390℃为γ铁，面心立方
1390℃以上为δ铁，体心立方

二、钢
钢中的碳主要以渗碳体（Fe3C）形式存在。
渗碳体的坚硬＋基体铁的柔韧
价格低廉、性能优良的一种金属材料，广泛地应用于建筑、运输、机械制造等领域。
钢的分类钢的分类
化学成分
用 途
显微组织
冶金质量
碳素钢
合金钢
结构钢
工具钢
特殊性能钢
珠光体
贝氏体
马氏体
奥氏体
普通质量钢
优质钢
高级优质钢

碳素钢
碳素钢：以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素的钢
低碳钢：w(C)≤0.25％
中碳钢：0.25%＜w(C)≤0.6％
高碳钢：w(C)＞0.6％
包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、铸钢、碳素工具钢等。

合金钢
合金钢：在碳素钢的基础上，在冶炼时有目的地加入一种或几种合金元素而成的钢
低合金钢：w(Me)＜5%
中合金钢：5%≤w(Me)≤10%
高合金钢：w(Me)＞10%

合金钢的分类

Ø 按用途分类
结构钢、工具钢、特殊性能钢
结构钢：用于制作工程结构及制造各种机器零件
工具钢：用于制造各种工具。分为刃具钢、模具钢及量具钢
特殊性能钢：是具有特殊物理或化学性能的钢。分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢及磁钢等。

不锈钢
•不锈钢是指在大气和一般腐蚀介质中有很高腐蚀性的钢种。
•不锈钢主要用来制造在各种腐蚀介质中工作并具有较高的腐蚀抗力的零件和结构。化工装置中的各种管道、阀门和泵等设备和零件大都用不锈钢制成。
•常用的不锈钢按正火状态的组织可分为马氏体（1Cr13）、铁素体（Cr17）、奥氏体（Cr18Ni9）及奥氏体-铁素体双相（1Cr21Ni5Ti）等。

不锈钢的性能是通过加入不同的合金元素来调节和体现的。
1.碳的质量分数有较大影响，碳的质量分数越低，耐腐蚀性能越好。
2.Cr是最主要的合金元素。
3.Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等也都能起到独特的防腐作用。

不锈钢的性能特点
（1）良好的耐腐蚀性能
（2）良好的力学性能
（3）良好的工艺性能
（4）合理的经济性

弹簧钢
•是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。大致分为两类：以Si、Mn元素合金化的弹簧钢和含Cr、V、W等元素的合金钢。
•弹簧钢应有：高的弹性极限；高的疲劳极限；足够的塑性和韧度。
•合金弹簧钢的化学成分应有：中高碳ω(c)=0.45%-0.70%；加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素。
•按加工和热处理可分为热成形弹簧和冷成形弹簧。

钢的显微组织分类
铁素体
•是碳和其他元素溶解于α-Fe中的固溶体。铁素体具有体心立方晶格，含碳量极少，其性能及纯铁极为相似，也叫纯铁体。

渗碳体
•是铁和碳的化合物，也称碳化三铁(Fe3C)，含碳量6.69％，具有复杂的晶格结构。其性能硬而脆，几乎没有塑性。

珠光体组织
•是铁素体和渗碳体相间的片层状组织，显微组织有指纹状的珍珠光泽，性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度适中，并具有良好的塑性和韧性。

奥氏体组织
•碳和其他元素溶解在γ-Fe中的固溶体。奥氏体具有面心立方晶体，塑性好，一般在高温下存在。

贝氏体组织
•过饱和铁素体和渗碳体的混合物。在较高温度形成“上贝氏体”，呈羽毛状；在较低温度形成“下贝氏体”，呈针状或竹叶状。下贝氏体及上贝氏体相比，其硬度和强度更高，并保持一定的韧性和塑性
上贝氏体
下贝氏体

马氏体组织
•碳在α-Fe中的过饱和固溶体。高碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。马氏体在奥氏体转变产物中硬度最高。
马氏体组织
马氏体和非马氏体组织

按冶金质量分类
按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类。分为：
普通质量钢：w(P)≤0.045%，w(S)≤0.05%
热处理
普通热处理
表面热处理
其他热处理
表面淬火
形变
真空
激光
退火
正火
淬火
回火
化学热处理
渗碳
碳氮共渗
渗氮
优质钢：w(P)≤0.035%，w(S)≤0.035%
高级优质钢：w(P)≤0.025%，w(S)≤0.025%

钢的热处理
钢的普通热处理工艺
将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。

热处理作用：改善使用和工艺性能的最重要方法。
热处理工艺：加热、保温和冷却。
普通的热处理包括退火、正火、淬火和回火等。

钢的热处理原理
加热或者冷却时，促使钢的相组织发生改变，而使钢性能发生变化的过程。
1、退火
钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得达到或接近于平衡状态的过程。应用：铸件、锻件、焊接及其它毛坯的热处理。
目的：
Ø 消除成分偏析、均匀化；
Ø 降低硬度，改善组织，便于机加工；
Ø 细化晶粒及均匀组织，提高塑性和韧性；
Ø 改善高碳钢中碳化物的形态及分布；
Ø 消除应力。

退火：
完全退火:用于共析钢，加热AC320-30度；
正火工艺图
等温退火:加热高于AC3度，保温，降温；
球化退火：使碳化物球形化
扩散退火
去应力退火

2、正火
将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后在空气中均匀冷却，得到珠光体类组织的过程。
目的：
（1）对于力学性能要求不高的碳钢、低合金钢结构件，可作最终热处理。
（2）对于低碳钢可用来调整硬度，避免切削加工中的“粘刀”现象，改善切削加工性。
（3）对于共析、过共析钢，正火可消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。
3、淬火
淬火是将钢加热至奥氏体化后，快速冷却，使组织转变为马氏体的热处理工艺。
淬火的目的在于获得马氏体的钢。
淬火钢一定回火后使用。
淬火过程容易产生淬火应力：热应力和组织应力。
淬透性：加热奥氏体后的钢接受淬火的能力。
淬硬性：淬火后达到的最高硬度。

4、回火
回火是钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到650℃以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的过程。
目的：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹。
回火的分为：低温回火 中温回火 高温回火

u 回火过程中组织的转变
Ø 马氏体分解 200°以下；
Ø 残余奥氏体分解200-300°
Ø 托氏体形成250-400°
Ø 渗碳体的聚集长大400°以上
u 回火脆性：高低温回火脆性

三、铸铁
1、铸铁的定义
铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金，并含有硅、锰、硫、磷等元素。
铸铁中碳主要以石墨的形式存在。

2、铸铁的性能特点
1．优良的铸造性（含碳量高，熔点比钢低很多。结晶温度范围小，优良的流动性和较小的凝固收缩性）
2．良好的切削加工性（在切削加工过程中易断屑，石墨本身的润滑作用也减轻了刀具的磨损）
3．优良的耐磨性（石墨的存在有利于润滑和存储润滑油，并改善基体组织）
4．优良的减震性（石墨能迅速吸收机械能并将其以热能形式释放）
5．成本低廉、生产工艺及熔炼设备简单

3、铸铁的应用

4、铸铁的微观组织特点
◇铸铁＝金属基体＋石墨
金属基体：铁素体、珠光体、铁素体＋珠光体
铸铁的性能在很大程度上是由石墨的形状、大小、分布和数量等所决定的

铸铁中石墨的作用
Ø 破坏了金属基体的连续性，减少了实际承载面积
Ø 其边缘尖角处具有较大的应力集中，在外力作用下易成为裂纹源

石墨的晶体结构
Ø 六方晶系
Ø 基面中的原子间距为0.142nm，共价键
Ø 两基面之间的间距为0.34nm，分子间作用力
Ø 硬度、强度、塑性、韧性都很低，伸长率接近于零

5、铸铁的分类

1）根据碳在铸铁中的存在形式分类
（1）白口铸铁：碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合态的渗碳体的形式存在于铸铁中，其断口呈银白色。
硬而脆，难以切削加工，很少直接用来制造各种零件。
利用它硬而耐磨的特性，铸成冷硬铸铁(激冷铸铁)件，用于要求高耐磨的零件。主要用作炼钢原料和生产可锻铸铁的毛坯。
（2）灰口铸铁：碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在于铸铁中，其断口呈暗灰色。
（3）麻口铸铁：石墨＋渗碳体。
（白口和灰口相间的组织，具有较大的硬脆性，工业上很少应用）。

2）根据铸铁中石墨形态分类
（1）灰口铸铁(简称灰铸铁)：铸铁中的碳全部或大部分以片状石墨形式存在。
力学性能不高，但生产工艺简单，价格低廉，并可通过孕育处理提高其力学性能，故应用十分广泛。
（2）可锻铸铁(又称韧性铸铁、展性铸铁、马铁或玛钢)：铸铁中的碳全部或大部分呈团絮状石墨形式存在
由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而获得，强度及灰铸铁相近，但韧性和塑性较灰铸铁高。
（3）球墨铸铁(简称球铁)：铸铁中碳全部或大部分呈球状石墨存在。
由灰口铸铁成分的铁水，经球化和孕育处理而得。
力学性能高于灰铸铁，而且能通过热处理来强化金属基体组织，进一步提高力学性能，可代替部分碳钢、合金钢和可锻铸铁。
（4）蠕墨铸铁：蠕墨铸铁中的碳全部或大部分以蠕虫状石墨形式存在。
70年代迅速发展起来的一种新型铸铁材料。
由及球铁成分相似的铁水，经蠕化和孕育处理而得到。
兼有灰铸铁和球铁的某些优点。

3）特殊性能铸铁
普通铸铁中加入某些合金元素，形成具有特殊性能的合金铸铁。
及合金钢相比，熔炼简单、成本低廉、有良好的使用性能，但其力学性能比合金钢低、脆性较大。

（1）耐磨铸铁
减摩铸铁：在有润滑、受粘着磨损条件下工作。用于机床导轨、发动机缸套、活塞环、轴承等。
减摩铸铁多用灰铸铁，常在普通灰铸铁基础上加入适量的Cu，Mo，P，Cr，V，Sb，Re等合金元素，可强化基体，增加基体中珠光体数量，同时也细化了珠光体和石墨，使铸铁的强度和硬度升高，组织改善，具有良好的润滑性和抗咬合、抗擦伤能力。
抗磨铸铁：在干摩擦及磨料磨损条件下工作。
如轧辊、犁铧、磨球等。这类铸铁件既受到严重磨损又承受高的负荷。
特点：高而均匀的硬度，又有一定的韧性。
（2）耐热铸铁
铸铁的耐热性主要指它在高温下抗氧化和热生长的能力。
氧化是铸铁在高温下及周围气氛接触使表层发生化学腐蚀现象。
生长是铸铁在反复加热冷却时产生的不可逆体积长大现象。
可代替耐热钢制造加热炉炉底板、坩锅、热交换器、钢锭模及压铸模等。普通灰铸铁加入Cr，Al，Si等元素可提高铸铁的耐热性。
（3）耐蚀铸铁
具有一定的力学性能和抗腐蚀能力的铸铁。
提高耐蚀性的原理和途径：使铸件表面形成牢固稳定、致密完整的保护膜，防止腐蚀继续进行；提高铸件基体的电极电位；铸铁基体为单相组织，尽量减少石墨数量；铸铁中的碳以碳化物形式存在。
在铸铁中加入Cr，Si，Al，Ni，Cu，P等合金元素。
应用最广泛的是高硅耐蚀铸铁，含硅量为15％－17％，具有优良的耐酸性。

第三节 非铁金属及其合金
1、非铁金属分类
轻金属 密度小于5g·cm-3的金属
重金属 密度大于5g·cm-3的金属
贵金属 地壳中含量少，开采提取困难, 价格贵的金属包括金、银和铂族元素
稀有金属 在自然界分布较少，发现较迟，提取难，工业应用较晚。如：钛、锆、铪、钒、铌、钽、钼、钨等
放射性金属 原子核能自发放射出射线的金 属，如钫、镭、钋 等

2、几种常见的非铁金属及其合金
Ø铝及铝合金
Ø铜及铜合金
Ø镁及镁合金
Ø钛及钛合金
Ø高温合金

一、铝及铝合金
1）密度低、比强度高（纯铝的密度只有2700kg/m3，铝合金的密度也很小，采用各种强化手段后，铝合金可以达到及低合金钢相近的强度，因此比强度比一般高强钢的高）
2）具有良好的导电和导热性（导电性仅次于银和铜，约为铜的64％，如果按照单位质量计，铝的电导率则超过了铜）
3）耐腐蚀性好（铝可及大气中的氧迅速作用，在表面生成一层Al2O3薄膜，保护内部的材料不受环境侵害）
4）加工性能良好（塑性很好，可以冷拔成丝。切削性能也很好。高强铝合金加工后经热处理，可达到很高的强度。铸造铝合金的铸造性能极好）

1. 纯铝
1）高纯铝：纯度为99.93％－99.99％，（主要用于科学研究及制作电容器）
2）工业高纯铝：纯度为98.85％－99.9％，（用于制作铝箔、包铝及冶炼铝合金原料）
3）工业纯铝：纯度为98.0％－99.0％，牌号为L1、L2、L3、L4、L5，编号越大，纯度越低。（工业纯铝可制作电线、电缆、器皿及配制合金）
金属铝的制备方法 铝土矿——氧化铝

2．铝合金
1）变形铝合金
合金元素含量较低，可以通过压力加工制成各种型材及成形零件的一类铝合金。
（1）防锈铝合金：Al－Mg或Al－Mn
（2）硬铝合金：Al－Cu－Mg
（3）超硬铝合金：Al－Cu－Mg－Zn
（4）锻铝合金：Al－Cu－Mg－Si
2）铸造铝合金
合金含量较高、适于用铸造方法成形的一类合金
（1）铝硅系合金（常称为硅铝明，具有优良的铸造性能及机械性能）
（2）铝铜系合金（强度较大，且在高温下能保持较高的强度，为耐热铝合金；其缺点是铸造性能和耐腐蚀性较差）
（3）铝镁系合金（强度和塑性高，耐腐蚀性优良；但铸造性能差，浇注时易产生氧化，铸件易形成显微疏松）
（4）铝锌系合金（具有较高的强度，但耐腐蚀性差，是价格最低的一种铸造铝合金）

世界铝的年产量仅次于铁，居第二位。铝有较好的延展性可制成0.01mm的铝箔，用于包装香烟、糖果；铝的密度小和具有抗腐蚀等优良性能，铝及其合金在电线电缆工业、飞机、汽车等制造业有广泛的用途。

二、铜及铜合金
1）优异的导电和导热性
2）对大气和水的抗蚀能力很高
3）良好的加工性能（铜及其某些合金塑性很好，容易冷、热成形；铸造铜合金有很好的铸造性能）
4）某些特殊力学性能（优良的减摩性和耐磨性，高的弹性极限和疲劳极限）
5）色泽美观

金属铜的制备方法

1.纯铜（紫铜）
（纯铜呈紫红色，故又称紫铜。铜元素在地球上的储量较少。纯铜的密度为8900kg/m3，熔点为1083℃，呈面心立方晶格结构，具有良好的导电、导热性能（仅次于银)以及较高的塑性和耐蚀性；但强度、硬度较低，不能通过热处理强化。因此，工业上常通过添加合金元素来改善其性能）。

2．铜合金
黄铜
青铜
白铜

1）黄铜
以锌为主要合金元素的铜合金
（1）普通黄铜：为铜锌二元合金。（锌能大量溶于铜中形成α固溶体，当锌含量大于39％时，普通黄铜中出现硬脆的第二相。含锌量低的普通黄铜具有良好的塑性，可通过挤压、冲压、弯曲等方法成形。锌含量高时，具有良好的铸造性能）
（2）特殊黄铜：在普通黄铜中加入Sn，Si，Pb，Fe等合金元素所组成的合金。（合金元素的作用是改善和提高黄铜的强度、铸造性能、切削性能和耐腐蚀性能等）

2）青铜
除了以锌或镍为主要合金元素的铜合金外，其余铜合金外观多为棕绿色，统称为青铜
（1）普通青铜：普通青铜以锡为主加元素，又称为锡青铜。（工业用锡青铜的含锡量为3％－14％。锡青铜具有良好的减磨性、抗磁性及低温韧性。在大气、淡水、海水及高压过热蒸汽中的耐蚀性能比黄铜更高，但抗酸腐蚀能力差。）
（2）特殊青铜：特殊青铜是不含锡的青铜合金。（根据主加元素的不同，主要有铝青铜、硅青铜、铍青铜和铅青铜等。由于特殊青铜中添加的合金元素不同，其性能也各具特色。如铝青铜具有耐磨、耐蚀性好、价格低廉的特点；铍青铜具有较高的弹性极限和疲劳极限。）

3）白铜
•以Ni为主要合金元素的铜合金。
•固态铜和镍无限固溶，白铜为单相固溶体。
•具有较好的强度和塑性，抗蚀性很好，电阻率较高。
•主要用于制作船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。

三、镁及镁合金
1．纯镁
纯镁呈银白色，熔点651℃，密度1740kg/m3，为密排六方晶格结构，无同素异构转变，塑性较低，电极电位低，氧化膜脆且不致密，故抗蚀性很差；纯镁的力学性能较差，铸态时σb为115MPa，δ为8％，加工硬化后σb可达200MPa。
纯镁在冶金工业中作为脱氧剂、脱硫剂和配制镁合金，还用作制造照明弹、信号弹和焰火的原料。
纯镁的力学性能很低，不能用作结构材料，但通过加入合金元素经合金化及热处理后，其强度可达300—350MPa，成为工程中较为重要的结构材料。

金属镁的制备方法
•根据资源和种类不同，生产镁的种类有两大类，即氯化熔盐电解法和热还原法。
一、电解法
氯化熔盐电解法包括氯化镁的生产及电解制镁两大过程。该方法又可分为以菱镁矿为原料的无水氯化镁电解法和以海水为原料制取无水氯化镁的电解法。
二、热还原法
根据还原剂不同，又分为硅热法、碳化物热还原法和炭热法，其中后两种在工业上较少采用。

2. 镁合金
1）密度小，比强度高，比刚度高（可以用来减轻发动机和其他机器零部件的质量）。
2）具有较强的承受冲击载荷的能力（制造受猛烈碰撞的零件。例如，飞机轮毂常用镁合金铸造而成）。
3）具有优良的可切削加工性和可抛光性，易于铸造和热加工。
根据制造方法的不同，镁合金可分为变形镁合金（MB）和铸造镁合金（ZM）两大类。

四、钛及钛合金
1．纯钛
纯钛呈银白色，熔点1677℃，密度4507kg/m3。钛有同素异构转变，在882.5℃以下具有密排六方晶格结构(称为α-Ti)，882.5℃以上是体心立方结构(称为β－Ti)。

2．钛合金
1）比强度高（几乎是铝合金的5倍。热处理后，它的强度及高强度钢相当，但密度仅为钢的57%）
2）热强度高（钛合金可在550℃以下的温度工作，并可望进一步将其工作温度提高到800℃）
3）低温下具有较好的韧性（其低温断裂韧性优于铝合金和一些结构钢）
4）抗腐蚀性好（钛在常温下极易形成稳定致密的氧化物和氮化物膜，从而使钛及其合金具有优良的抗蚀性。钛不仅在大气、潮气和其他含氧酸的介质中具有优良的抗蚀性，而且在海水和湿氯气中也具有优良的抗蚀性）。

钛合金及人体有很好的“相容性”，因此可用来制造人造骨。
钛和钛合金被认为是21世纪的重要材料，它具有很多优良的性能，如熔点高、密度小、可塑性好、易于加工、机械性能好等。尤其是抗腐蚀性能非常好，即使把它们放在海水中数年，取出后仍光亮如新，其抗腐蚀性能远优于不锈钢，因此被广泛用于火箭、导弹、航天飞机、船舶、化工和通讯设备等。

钛合金
•20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。
医用钛合金
•钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4V ELI合金。
•美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。
•日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金。
五、高温合金
以高熔点金属Ni（熔点1455℃）、Co（1480℃）、Nb（2415℃）、Mo（2620℃）等为基体，加入一定量的合金元素所构成的在高温下使用的金属材料。

高温合金的特点
1）具有较高的热稳定性（在高温条件下，高温合金具有较高的抗氧化、抗腐蚀、抗冲刷的能力，其工作温度可达650℃－1100℃。）
2）具有较高的热强性
3）比强度和弹性模量高，热膨胀系数小，导热系数大
4）具有良好的加工工艺性能

第四节 金属材料的成形及加工
金属的成形方法
液态成形
半固态成形
快速凝固成形

1. 液态成形（铸造成形）
将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸大小的型腔中，经冷却凝固后便形成所需要的零件的技术。

液态成形的特点
1、适应性强，工艺灵活性大
2、成形件尺寸精度高
3、成本低廉
4、零件常存在缺陷
5、生产率低

2. 半固态成形
将合金熔化后，待冷却到液相线温度以下时，利用其一定的流动性实现浇注或压注成形的方法

半固态成形的特点
1、应用范围广
2、铸件质量高
3、节约能源，延长模具寿命
4、生产率高
5、生产成本低

3. 快速凝固成形
铸造成形过程中，冷却速度大于100℃/s的成形方法。
快速凝固成形的特点
1、能形成组织特殊的晶态合金
2、形成非晶态结构
3、形成准晶态结构

金属的塑性加工方法
金属在外力的作用下产生塑性变形，获得具有所需形状、尺寸和性能制品的加工方法
轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压

轧制（压延）
金属坯料通过转动轧辊间的缝隙，承受压缩变形，而在长度方向上产生延伸的过程。
挤压
对放在容器内的金属坯料施加压力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸。
拉拔
在外加拉力的作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得及模孔形状、尺寸相同的制品。
锻造
借助锻锤、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。
冲压
通过模具和冲压设备，使板材产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件。

思考
金属材料的进展如何推动了化学工业的发展？

用来铸造硬币的金属材料需要具有什么性质？
资源丰富
无毒轻便
耐磨耐腐蚀
美观、易加工

制作硬币的金属材料
1992年6月10日起发行的第四套人民币1元、5角、1角3种硬币，材质分别为钢芯镀镍、铜锌合金、铝镁合金。
2005年8月31日，五套人民币1角硬币材质由铝合金改为不锈钢，色泽为钢白色。以前的1角硬币是用铝镁合金制作。
2002年11月18日起在全国发行的第五套人民币5角硬币，色泽为金黄色，直径20.5毫米，材质为钢芯镀铜合金。
第五套人民币1元硬币。该硬币色泽为镍白色，直径为25毫米。材质为钢芯镀镍。

问题2
有些不法分子常常以黄铜冒充黄金进行诈骗活动，因为黄铜（铜、锌合金）单纯从颜色、外形上看，及黄金极为相似，所以很难区分，你能想办法用简易的方法鉴别吗？
参考答案：
•把黄金样品浸入AgNO3溶液中，若表面有银白色物质出现，则该样品是假黄金。因为铜、锌的活性比银强，而金的活性比银弱。
•把黄金样品进入稀盐酸中，如果有气体产生，则该样品为假黄金。若没有气泡产生，则该样品为黄金。
•取黄金样品，用天平称量，用量筒测其体积，计算出样品的密度，及黄金密度值对照，若密度差值较大，则为黄铜。
•其他方法：试硬度（黄铜较硬，黄金较软）。真金不怕火炼，加热后黄铜变黑，黄金不变色。

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