金屬材料，尤其是鋼鐵，對人類文明的發展起到重要作用，主要是因為它本身具有比其它材料優越的綜合性能，諸如物理效能、化學效能、力學效能、工藝效能等。因此金屬材料能夠適應科學技術和人類生活的不同需要。本課程以鋼鐵材料為代表，主要講述金屬材料的各項效能以及具有比其它材料效能優越的內在組織結構等因素。
具體內容主要涉及鋼鐵的各項效能、晶體組織結構和由液態鋼鐵轉變為固態鋼鐵的組織變化規律。
第一節鋼的效能
金屬材料的使用效能：為了保證金屬材料所製成的產品（機械零件或金屬結構件等）能正常使用而應具備的效能，稱為金屬材料的使用效能。它包括：
物理效能、化學效能、機械效能等。下面就針對鋼的這幾方面的效能分別加以簡要介紹。
一、物理效能
物理效能是指金屬不發生變化所表現的效能，包括密度、熔點、導電性、導熱性、磁性等。
密度：是指單位體積所具有的質量，即：密度=質量/體積，單位為：
g/cm3。鋼的密度為：7.
85g/cm3，鋁的密度為2.7g/cm3。在航空航天領域中，在相同的強度下要求盡量減輕質量，所以象鋁合金和鈦合金就比較受歡迎，一般不用鋼材。
在鋼材的**銷售中，經常根據金屬材料的密度來計算其質量，即：質量=密度*體積，這樣算出的質量稱為理論質量或理論重量。
熔點：指物質（晶體）有固態轉變為液態的溫度。鋼的熔點為1400-1500℃，鋁的熔點為658℃，純鐵的熔點為1538℃。鋼的熔點是冶煉、鑄造、焊接、熱鍍是必須考慮的因素。
導熱性：指金屬傳導熱量的能力。純金屬的導熱性比合金好。鋼的導熱性一般，比銅、鋁及其合金差。
熱膨脹性：一般的金屬材料在受熱時體積脹大（即幾何尺寸要伸長）的性質，通常用膨脹係數表示。
導電性：指金屬傳導電流的能力。一般說來，純金屬的導電性比合金的好。
銀的導電性最好，其次為銅鋁。如果把銀的導電性作為100，那么銅的為94，鋁的為55，鐵為2，鎳鉻更差。導電性好，電能損失小，反之，電流通過時會產生很大熱量。
磁性：金屬能被磁場吸引後磁化的效能。鋼為鐵磁性的，即在外磁中能強烈被磁化的。
另外還有電阻率、電導性、比熱、磁場強度即磁導率等物理效能，但這些與軋鋼沒有多大關係，就不一一闡述了。重點要掌握鋼的密度、熔點等物理效能，其它的效能作為了解內容。
二、化學效能
金屬材料的化學效能主要指其化學穩定性，即抵抗周圍各種介質（如大氣、水、各種酸、鹼、鹽溶液）腐蝕的能力。包括抗氧化性、抗蝕性等。
抗氧化性：是指金屬抵抗高溫氣體腐蝕的能力，也屬於金屬抗蝕性的範疇。一般鋼材的抗腐蝕性較差；不鏽鋼的抗氧化性強，主要是因為裡面加了合金元素如：鉻、鎳和鍶等。
抗蝕性：抗蝕性又叫耐蝕性，是指金屬材料抵抗周圍介質腐蝕作用的能力。金屬的抗蝕性好，就不易受到周圍介質的作用而發生質量上的變化，表現出穩定的化學效能，因此又叫做化學穩定性。
根據腐蝕的種類不同，抗蝕性可分為抗氧化性，耐酸性等。一般說來，鋼鐵抗蝕性不如有色金屬。但是，不同有色金屬的抗蝕性不同，同一種有色金屬的抗蝕性的好壞，也因周圍腐蝕介質的種類不同而異。
三、機械效能
金屬的機械效能包括力學效能和工藝效能。
1.力學效能：是指金屬材料在外力的作用下所表現出來的各種特徵，如：彈性、塑性、強度、硬度等。
彈性：金屬材料受外力作用發生了變形，當去掉外力後，恢復原來行狀和尺寸的能力。金屬材料彈性的好壞是通過彈性極限、比例極限來反映的。
彈簧鋼有兩種：碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼。碳素彈簧鋼的含碳量在0.
6-0.9%，合金彈簧鋼的含碳量在0.5-0.
7%（加以矽、錳合金元素或是鉻、鎢、釩合金元素）。
塑性：金屬材料在外力作用下產生永久變形（指去掉外力不能恢復原狀的變形），但不會被破壞的能力。塑性用伸長率（延伸率）、斷面收縮率表示。
金屬的塑性與溫度、變形方式（如拉伸和擠壓時金屬塑性不同）。金屬的塑性是進行壓力加工、冷彎工藝必須考慮的重要因素。鋼鐵在高溫下塑性很好，在常溫下也有一定的塑性。
在鋼材常規檢驗中，延伸率是一重要的指標。
強度：金屬材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。金屬材料的強度，是通過比例極限、彈性極限、屈服強度、抗拉強度等許多強度指標來反映的。
不同的鋼種的強度差別挺大。在鋼材常規檢驗中，屈服強度和抗拉強度是兩項重要指標。
屈服點：金屬試樣在拉伸過程中，負荷不再增加，而試樣仍繼續發生變形的現象，稱為「屈服」。發生屈服現象時的應力，即開始出現塑性變形時的應力，稱為屈服點或屈服極限，用σs表示，單位為mpa。
計算公式為：
σs=ps（材料屈服時的負荷）/f0（試樣原橫截面面積）
屈服強度：對於一些屈服現象不明顯的金屬材料，測定屈服點比較困難，常把產生0.2%永久變形的應力定為屈服點，稱為屈服強度或條件屈服極限。
用σ0.2表示，單位為mpa。計算公式：
σ0.2=p0.2（試樣拉斷前的最大負荷）/f0（試樣原截面面積）
抗拉強度：金屬試樣拉伸時，再拉斷前所承受的最大壓力。它表示金屬材料再拉力作用下抵抗大量塑性變形和破壞的能力。抗拉強度以σb表示，單位為mpa。計算公式為：
σb=pb（試樣拉斷前的最大負荷）/f0（試樣原橫截面面積）
伸長率（延伸率）：指金屬在拉伸試驗時，試樣拉斷後，其標距部分所增加的長度與原標距長度的百分比。以δ表示，單位為%，計算公式為：
δ=（l1-l0）/l0×100%
其中：l1表示拉斷後試樣標距長度，單位為mm
l0表示試樣原標距長度，單位為mm
標距長度對伸長率影響很大，所以伸長率必須註明標距。如：l0=5d0（d0為等效直徑）。鋼材常規檢驗中按照標準進行。
斷面收縮率：金屬拉伸試驗中，在斷裂處試樣截面面積減小的百分率。以表示，單位為%。計算公式為：
=（f0-f1）/f0×100%
其中：f0表示試樣原橫截面面積，單位mm2
f1表示試樣斷裂處的最小面積，單位mm2
衝擊吸收功或衝擊韌性值：金屬材料對衝擊的抵抗能力稱為韌性，通常用衝擊吸收功或衝擊韌性值來度量。用一定尺寸和形狀的試樣，在規定型別的試驗機上收一次衝擊負荷折斷時所吸收的功，稱衝擊吸收功，以ak表示，單位為j；試驗刻槽處單位面積上所消耗的功，稱為衝擊韌性值，以ak表示，單位為kj/m2。
計算公式為：
ak=ak（衝擊吸收功，kj）/f（試驗前試樣刻槽的橫截面積，m2）
低溫衝擊韌性和高溫衝擊韌性：金屬材料在常溫、低溫及高溫下所測得的衝擊吸收功或衝擊韌性值是不一樣的。低溫條件下的衝擊韌性稱為低溫衝擊韌性；高溫條件下測的衝擊韌性，稱為高溫衝擊韌性。
低溫或高高溫的衝擊吸收功或衝擊韌性值都要註明試驗溫度。
硬度：材料抵抗更硬物質壓入其表面的能力。硬度不是乙個單純的物理量，而是反映彈性、強度與塑性等綜合性能指標。
它是金屬材料的重要效能指標之一。一般來說，硬度越高耐磨性愈好。根據試驗方法和適應範圍的不同，硬度可分為布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度、肖氏硬度等。
下面重點介紹布氏硬度，其它各種硬度作了解即可。
布氏硬度：用一定直徑d的淬硬鋼球，以規定負荷p壓入試驗金屬表面並保持一定時間，除去負荷後，測量金屬表面的壓痕直徑，以直徑算出壓痕球面積f，再以負荷p除以壓痕球面積f所得之商，為該金屬的布氏硬度值。布氏硬度以hb表示，單位為kgf/mm2，但使用中一般不表注單位。
計算公式為：
hb=2p/（πd（d-））
式中：p——所加的規定負荷，kgf
d——鋼球直徑，mm
d——壓痕直徑，mm
布氏硬度測定較為準確可靠，但只使用於測定hb8-hb480範圍內的金屬材料。
脆性：材料在受力時沒有顯著的變形而突然斷裂的性質。金屬材料的脆性主要取決於其成分和組織結構。脆性有熱脆性和冷脆性之分；鋼的熱脆一般是由硫引起，冷脆一般是由磷引起的。
鋼除了以上這些的力學效能外，還有象高溫硬度、紅硬性、疲勞極限和疲勞強度、蠕變極限、持久極限（持久強度）、抗壓強度及抗彎強度等效能。實際工作中，我們主要掌握屈服強度、抗拉強度、延伸率、衝擊功及布氏硬度等，其它有個了解就行。
2.工藝效能：是指金屬材料在投入生產的過程中，能承受各種加工製造工藝而不產生疵病或廢品而應具備的效能。它包括冷彎性、焊接性、切削加工性及沖壓性等。
冷彎性：指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破壞的能力。出現裂紋前能承受的彎曲程度愈大，則材料的冷彎性愈好。
彎曲程度一般用彎曲角度或彎芯直徑對材料厚度a的比值來表示，彎曲角度愈大或彎芯直徑d對材料厚度a的比值愈小，則材料的冷彎效能愈好。金屬材料的塑性愈好則其冷彎效能愈好。
焊接性（可焊性）：是指金屬材料適應常用焊接方法和工藝的能力。金屬的焊接性一般根據焊接時產生裂紋的敏感性及焊縫區力學效能的變化來判斷。
碳當量小於0.2%的鋼的焊接性較好，降低鋼中s和p的含量對提高鋼的焊接性也大有好處。
注：碳當量[c]=wc+wmn/6+wcr/5+wmo/4+wni/15+wsi/24+（wcu/13+wp/2）
此公式為經驗公式
切削加工性：是金屬材料被切削加工時所表現出來的效能，亦即金屬材料切削加工的難易程度。硬度在hb=140-250之間的鋼的切削加工性較好。
沖壓性：是指金屬經過沖壓變形而不產生裂紋等缺陷的能力。檢驗金屬材料沖壓效能的方法叫杯凸試驗（也叫艾利克森試驗）。
鋼的工藝效能還有鑄造性、頂鍛性及氣密性等，我們要重點掌握冷彎性、沖壓性及焊接性等，其它作了解即可。
第二節鋼的內部結構
金屬材料的化學成分不同，其效能也不同。但對於同一種成分的金屬材料，通過不同的加工處理工藝，改變材料內部的組織結構，也可以時其效能發生極大的變化。由此可以看出，除化學成分外，金屬的內部結構和組織狀態也是決定金屬材料效能的重要因素。
所以我們要了解鋼的內部結構。鋼及其合金通常都是晶體，要了解鋼及合金的內部結構，首先要了解晶體的結構。
一、晶體結構
1.晶體的特性。談到晶體，大家很容易聯想到**昂貴的鑽石和晶瑩剔透的各種寶石。
這些的確是晶體，並且這些都是有規則幾何外形的天然晶體。事實上，象食鹽、冰塊、雪花及各種金屬製品都是晶體。可見，晶體與非晶體的區別不在外形，主要在於內部的原子排列情況。
在晶體中，原子按一定的規律週期性排列著，而所有的非晶體，如玻璃、木材、棉花等，其內部原子則是散亂分布著，至多有些區域性的短程規則排列。晶體與非晶體的區別主要有熔點和各項異性。但在一定條件下，晶體和非晶體可以相互轉變。
晶體可分為單晶體和多晶體兩類。
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