一、 金屬材料的分類方法：金屬材料分為兩大類：即黑色金屬與有色金屬
1、 黑色金屬元素：鐵、錳、鉻
2、 有色金屬元素：除上述三種元素外，其餘稱為有色金屬元素。
通常將以鐵、錳、鉻為基的合金稱為黑色金屬，以鐵為基的合金稱為鋼，以其餘金屬元素為基的合金稱為有色金屬。
二、 金屬材料的表示方法。
1 鋼的編號方法：根據國標gb/t221-2000《鋼鐵產品牌號表示方法》的規定，一般採用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法表示。世界各國的鋼號表示方法不一致，主要由於習慣上各自採用本國的國家標準，某部門標準或協會團體標準中的鋼號表示方法，這給技術交流等帶來很大的不便。
2 有色金屬的編號方法：有色金屬及其合金編號方法與鋼的編號方法大致相同，都是採用漢語拼音字母，化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法表示。由於鋁合金與鈦合金分類方法相對簡單，放在鋁合金和鈦合金的材料牌號中一般不出現化學元素符號。
三、 合金元素在鋼中的作用
1、 鋁（al）熔點為660℃，主要用於脫氧和細化晶粒，在滲氮鋼中促使形成堅硬耐蝕的滲氮層，含量高時，提高鋼高及抗氧化能力，固溶強化作用大。
2、 碳（c）是鋼中的基本化元素之一，鋼中隨著碳含量的增加，其強度和硬度也隨之增加，但其塑性和韌性則隨之降低。碳含量每增加0.1%，鋼材抗拉強度大約提高90mpa，屈服強度大約提高40~50 mpa, 碳同時也能提高鋼材的高溫強度，在焊接碳含量較高的鋼材時， 焊接熱影響區易出現淬硬現象，易產生冷裂紋的傾向。
因此，一般用於焊接結構壓力容器，主要受壓主件的碳素鋼和低合金鋼，其含碳量不應大於0.25%。
3、 鉻（cr）熔點為1920℃，增加鋼的淬透性並有二次硬化作用，在軸承鋼和工具鋼中，鉻提高碳鋼的耐磨性，在不鏽耐熱鋼中，當超過鉻含量12%時，使其具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性，介質腐蝕性能，並增加鋼的熱強性，但含量高時或處理不當，易產生α相和475℃脆相，鋼的可焊性隨鉻含量增加而降低，主要是焊接過程中易產生冷裂紋。
4、 銅（cu）熔點為1083℃，銅的固溶強化作用僅次於磷。銅不和碳形成碳化物，某些作用與鎳相似，但較弱。在低碳合金鋼中，特別是與磷共同存在時，銅可提高其耐大氣腐蝕性能。
鋼中銅含量較高時對熱變形加工不利，含量高於0.75%時，也給焊接作業帶來困難。
5、 錳（mn）熔點1244℃，對鐵素體和奧氏體均有較強的固溶強化作用，提高硬度和強度。錳是弱碳化物形成元素，可形成合金滲碳體，並是良好的脫氧劑和脫硫劑，與硫形成mns，可防止因硫而導致的熱脆現象，提高焊縫金屬抗熱裂紋能力。錳降低鋼的下臨界點，增加奧氏體冷卻時的過冷度，細化珠光體組織，改善其力學效能。
錳為低合金鋼的重要合金元素，並為無鎳或少鎳奧氏體不鏽鋼的主要合金化元素。在高碳高錳耐磨鋼和中碳高錳無磁鋼中，錳也是主要合金元素之一，錳還強烈增加鋼的粹透性，並有增加晶粒細化和回火脆性的不利影響。
6、氧（o）熔點為-218.7℃，固溶中鋼中氧超過溶解度部分的氧，以各種夾雜物的形式存在，則其對鋼的塑性、韌性及疲勞效能不利，尤其使鋼的衝擊韌性下降並提高鋼的脆性轉變溫度。所以通常把鋼中的氧作為有害的但又不可避免的元素。
在鐵氧磁性材料中，氧增加矯頑力和電阻係數，降低導磁率，是有益的重要元素。
7、磷（p）熔點44℃，磷是鋼中有害的伴生雜質元素，它以鐵的磷化物形式存在於鋼中，fe**與鐵形成低熔點共晶，分布於晶介面而增加產生熱裂紋的傾向，但磷也有其有利的一面，如磷對提高鋼的強度及冷作硬化的作用很強，但這增加了鋼的脆性，尤其是低溫脆性。磷與銅配合使用，可提高低合金鋼耐大氣腐蝕的效能，磷與硫、錳配合使用，可提高鋼的被切削性。
8、硫（s）熔點為118℃，在鐵中的溶解度很低，主要以硫化物的形式存在。硫是殘存在鋼中的有害元素之一，硫化鐵（fes）與鐵以及氧化鐵（feo）與硫都能形成一種低熔點共晶體，其熔點僅為988℃。國此，鋼中的硫含量高會降低鋼材的高溫塑性，加大鋼材焊接時產生的熱裂紋的敏感性。
9、矽（si）熔點為1410℃，矽和氧的親和力僅次於鋁和鈦，為常用的脫氧劑，矽在鋼中不形成碳化物，提高鋼中固溶體的強度，冷加工變形硬化率的作用極強。但同時也相應地降低鋼的韌性和塑性。矽還提高鋼的淬透性和抗回火性，對鋼綜合的力學效能特別是對彈性極限，屈強比的提高較顯著，並可增強鋼在大氣中的耐蝕性。
矽提高和改善鋼的電阻率和磁導率，降低磁滯損耗，為矽鋼片的主要合金元素。矽是耐熱鋼中抗高溫腐蝕的有益元素。在高溫下，在含矽的耐熱鋼表面上形成一層保護性好、緻密的sio2膜。
實踐證明：鋼中含矽量達1-2%時，就有明顯的高溫抗氧化效果，但矽含量過高會導致鋼的塑性下降，因此耐熱鋼中矽的含量一般在3%以下。
10、鎢（w）熔點為3380℃，鎢是強碳化物形成元素，常形成特殊碳化物。對鋼的影響與鉬相似，但效果不如鉬顯著。
四、金屬材料組織
1、奧氏體：不鏽鋼
奧氏體是碳溶於γ鐵中的固溶體。在鋼的各種組織中奧氏體的體積最小，線彭漲係數最大，除滲碳體外，在鋼的各種組織中，奧氏體的導熱性能最差。奧氏體的塑性高，屈服強度低，容易塑性變形加工成形，所以鋼的鍛造加工常常要求在奧氏體穩定在高溫區域進行。
2、 鐵素體
鐵素體具有體心立方點陣結構，碳在其中最大溶解度為0.0218%（727℃）室溫是碳幾乎不溶於鐵素體中。壓力容器用碳素結構鋼及低中合金鋼均為碳含量小於25%的亞共析鋼，這類鋼在冷卻過程中自奧氏體中析出先共析鐵素體。
3、 珠光體
珠光體由鐵素體與滲碳體機械混合組成，其典型形態為片狀或層狀。
鋼中珠光體的力學效能主要取決於鋼的化學成份和熱處理後所獲得的組織形態。珠光體團直徑和層間距離越小，強度越高，塑性也越大。
4、 貝氏體r102
鋼中貝氏體是過冷奧氏體在中溫區域分解後所得的產物，它一般是由鐵素體和碳化物所組成的片狀組織。貝氏體大致可分為以下幾種①上貝氏體②下貝氏體③無碳化物貝氏體④粒狀貝氏體⑤反常貝氏體和粒狀貝氏體
5、 馬氏體：p91
鋼經過奧氏體化後快速冷卻抵制其擴散性分解，在較低溫度下發生的轉變稱為馬氏體轉變。
鋼中馬氏體是最主要的特性就是高硬度，高強度，其硬度隨含碳量的增加而公升高，引起馬氏體高強度的原因是多方面的，其中主要包括相變強化、碳原子的固溶強化和時效強化等。
五、 力學效能
1、 金屬材料在靜拉伸下的力學效能
金屬材料在靜拉伸下的力學效能指標主要有屈服強度（δs）、抗拉強度（δb）、伸長率（δ）和斷面收縮率（ψ）。
a、 屈服強度（δs）
屈服強度（屈服點）是表徵金屬材料在靜拉力作用下開始塑性變形的抗力指標，是工程技術上最為重要的力學效能指標之一。因為在生產實際中，絕大部分工程構件和機械零件，在其服役過程中都處於彈性變形階段，不允許有微量塑性變形產生，像高壓容器，如其緊固螺栓發生塑性變形，即無法正常工作，屈服強度標誌著金屬對起始塑性變形的抗加，對於實際金屬（多晶體）來說，由於起始塑性變形的非同時性特點，無法測定這一抗力指標，因而不得不用條件規定的辦法。
對於退火，正火，調質狀態的碳素鋼和低合金鋼存在物理屈服現象，在應力-應變曲線上出現上、下屈服點和屈服平台，這類材料取其下屈服點的強度為該材料的屈服強度。
b、 抗拉強度（δb）
抗拉強度是代表最大均勻塑性變形抗力的指標
抗拉強度是靜拉伸試驗中最容易測定的力學效能指標，而且是重現性好的效能指標，所以適合於做為產品規格說明或質量控制的標誌。
c、 伸長率（δ）和斷面收縮率（ψ）
伸長率和斷面收縮率是靜拉伸下衡量金屬塑性變形能力的指標。
2、衝擊韌性和低溫脆性
（1）衝擊韌性衝擊韌性值的大小代表金屬材料抗衝擊載荷能力的大小，衝擊載荷就是作用力在極短時間內有著很大變化幅度的載荷大小用akv來表示，單位為焦耳。
（2）低溫脆性
除麵心立方金屬外，其他金屬隨溫度下降都可能發生曲韌性向脆性的轉變，其標誌是在一定溫度下衝擊值或斷面收縮率急劇下降，這種現象稱為冷脆。能明顯改變晶粒大小的各種合金化，熱處理手段，均能顯著的改變金屬材料的脆化趨勢，晶粒越細，冷脆轉變溫度越低，衝擊韌性值也越大。
3、斷裂韌性
斷裂是工程構件最危險的一種失效方式，工程設計時必須考慮如何防止斷裂事故，斷裂有兩種型別，即韌性斷裂和脆性斷裂，發生韌性斷裂時，斷裂前有明顯的巨集觀塑性變形，容易被檢測和發現。而脆性斷裂往往是突發的，事先很難發現斷裂的徵兆，因此脆性斷裂比韌性斷裂具有更大的危險性。
4、金屬的疲勞
零件在交變應力作用下的損壞稱為疲勞損壞，據統計在機械零件失效中有80%以上屬於疲勞破壞，例如大多數軸類零件通常受到的交變應力為對稱迴圈應力，這種應力可以是彎曲應力，扭轉應力，或者是兩者的復合。如火車的車軸，是彎曲疲勞的典型！汽車的傳動軸後橋半軸主要是承受扭轉疲勞，柴油機曲軸和汽輪機主軸則是彎曲和扭轉疲勞的復合。
又如，齒輪在嚙合過程中所受的載荷在零到某一極大值之間變化，而缸蓋螺栓則處於大拉小的狀態中，這類情況為拉-拉疲勞，連桿不同於螺栓，始終處於小拉大壓的負荷中，這類情況稱為拉-壓疲勞。
5、 環境介質作用下力學行為
(1) 應力腐蝕：
材料或零件在應力和腐蝕材料的作用下引起的破壞稱為應力腐蝕。應力腐蝕主要特點有以下幾個：
第一， 造成應力腐蝕破壞的應力必須是拉應力。這個應力可以是外加應力，也可以是焊接，冷加工或處理產生的殘留應力，但必須是拉應力。
2）氫脆
氫脆就是金屬材料因吸收氫而引起的脆化現象，引起金屬脆化的氫有各種不同的**。
（3）腐蝕疲勞
金屬材料在腐蝕介質與交變應力共同作用下所產生的失效現象稱為金屬材料腐蝕疲勞。金屬材料在腐蝕介質和交變應力聯合作用下，那些單純受腐蝕時表面形成的蝕坑或裂紋，本可有一層保護膜覆蓋。但同時還存在交變應力的作用，使這層保護膜不斷受到破壞，以致暴露在腐蝕環境中的一直是新鮮的金屬表面，這樣腐蝕疲勞強度就大大下降。
6、 工藝效能
（1） 焊接性
金屬材料焊接性是指被焊接金屬在一般焊接工藝條件下，獲得優質焊接接頭的能力。在焊接過程中有些材料容易產生某些焊接缺陷，如氣孔，夾渣，裂紋等，並使焊縫和近縫區效能變化，所以往往需要特殊的工藝措施，應用特定的焊接方法，才能保證焊接質量。
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