金属材料学

前言

第1章 绪论 1

参考文献 3

第2章 钢的合金化基础 4

2.1 钢中的合金元素及其分类 5

2.2 钢中合金元素与铁碳和层错能的相互作用 7

2.2.1 合金元素与铁的相互作用 7

2.2.2 合金元素与碳的相互作用 9

2.2.3 合金元素对奥氏体层错能的影响 11

2.3 合金元素对钢强韧化的影响 12

2.3.1 钢的强化机制 12

2.3.2 改善钢韧性机制 15

2.4 合金元素对钢相变的影响 16

2.4.1 合金元素对钢相变基本因素的影响 16

2.4.2 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 20

2.5 合金元素对钢加工工艺的影响 22

2.6 微量元素在钢中的作用 24

2.6.1 微量元素的种类 24

2.6.2 微量元素的有益作用 24

2.6.3 微量及痕量元素的有害作用 26

2.7 钢的编号方式 26

2.7.1 合金钢的编号原则 26

2.7.2 结构钢编号方法 27

2.8 本章小结 29

参考文献 30

第3章 钢的热处理 31

3.1 钢的加热转变 32

3.1.1 奥氏体形成的热力学条件 32

3.1.2 奥氏体形成的机理 33

3.1.3 合金元素对钢加热时奥氏体形成过程的影响 34

3.2 钢的冷却转变 35

3.2.1 奥氏体等温转变动力学 35

3.2.2 钢的连续过冷奥氏体转变 39

3.3 钢的热处理工艺 42

3.3.1 钢的退火和正火 42

3.3.2 钢的淬火与回火 45

3.4 合金元素对热处理工艺性能的影响 52

3.4.1 淬透性 52

3.4.2 淬硬性 55

3.4.3 变形开裂倾向 56

3.4.4 过热敏感性和氧化脱碳倾向 58

3.4.5 回火稳定性 58

3.4.6 回火脆性 59

3.5 本章小结 61

参考文献 61

第4章 工程结构钢 62

4.1 碳素工程结构钢 62

4.1.1 碳素工程结构钢的分类、成分和性能 62

4.1.2 常用碳素工程结构钢 64

4.2 低合金高强度结构钢的合金化 65

4.2.1 固溶强化 65

4.2.2 细晶强化 66

4.2.3 沉淀强化 68

4.3 合金元素对焊接性和耐大气腐蚀性的影响 68

4.3.1 工程结构钢的焊接性 68

4.3.2 铁素体-珠光体组织的冷脆性 69

4.3.3 工程结构钢的耐大气腐蚀性能 70

4.4 铁素体-珠光体钢 71

4.4.1 碳素工程结构钢 71

4.4.2 常用低合金高强度结构钢 71

4.5 微合金钢 74

4.5.1 强化机理 74

4.5.2 微合金元素的作用 75

4.5.3 控制冷却 76

4.5.4 控制轧制 77

4.6 工程结构钢*新发展 79

4.6.1 无间隙原子钢 79

4.6.2 双相低合金高强度钢 80

4.6.3 低合金TRIP钢 83

4.6.4 管线钢 85

4.6.5 超级钢与超细晶粒钢 87

4.7 本章小结 88

参考文献 89

第5章 机械制造结构钢 90

5.1 结构钢的强度与脆性 90

5.2 结构钢的淬透性 92

5.3 调质钢 94

5.4 非调质零件用钢 99

5.5 马氏体时效钢 103

5.5.1 马氏体时效钢中合金元素的作用 103

5.5.2 马氏体时效钢的热处理和性能 105

5.6 弹簧钢 106

5.6.1 弹簧的服役条件及性能要求 106

5.6.2 弹簧钢的合金化特点 107

5.6.3 弹簧钢的成形及强化特点 109

5.7 轴承钢 110

5.7.1 滚动轴承钢的服役条件及性能要求 110

5.7.2 轴承钢的化学成分特点 112

5.7.3 轴承钢的冶金质量 113

5.7.4 高碳铬轴承钢的热加工与热处理 115

5.8 渗碳钢和氮化钢 118

5.8.1 渗碳钢 118

5.8.2 氮化钢 124

5.9 其他机械制造结构钢 126

5.9.1 低淬透性钢 126

5.9.2 易切削钢 128

5.9.3 高锰耐磨钢 129

5.10 机械零件选择材料的基本原则和方法 131

5.10.1 选择材料的基本原则 131

5.10.2 典型零件选择材料的基本方法及实例 133

5.11 本章小结 136

参考文献 137

第6章 工具钢 138

6.1 碳素及低合金工具钢 138

6.2 高速工具钢 141

6.2.1 高速钢的分类 141

6.2.2 高速钢中合金元素的作用 143

6.2.3 高速钢中的相组成和碳化物 145

6.2.4 高速钢的热处理 148

6.3 冷作模具钢 154

6.3.1 高铬和中铬模具钢 155

6.3.2 基体钢 158

6.3.3 硬质合金 159

6.4 热作模具钢 160

6.4.1 热锤锻模具钢 161

6.4.2 热挤压模具钢 162

6.4.3 压铸模具钢 164

6.4.4 塑料模具钢 164

6.5 量具钢 165

6.6 本章小结 166

参考文献 167

第7章 不锈钢 168

7.1 不锈钢概述 168

7.1.1 不锈钢的“不锈” 168

7.1.2 金属腐蚀的基本类型 169

7.1.3 不锈钢的性能要求 169

7.1.4 不锈钢的合金化原理 170

7.1.5 不锈钢的分类 171

7.1.6 不锈钢的牌号 172

7.2 合金元素对不锈钢组织和性能的影响 173

7.2.1 合金元素对不锈钢组织的影响 173

7.2.2 合金元素对不锈钢性能的影响 174

7.3 马氏体不锈钢 179

7.3.1 马氏体不锈钢组织性能特点 179

7.3.2 马氏体不锈钢的热处理 180

7.4 铁素体不锈钢 182

7.4.1 铁素体不锈钢的种类、化学成分及组织 182

7.4.2 铁素体不锈钢的组织和性能 184

7.4.3 铁素体不锈钢的压力加工及热处理 185

7.5 奥氏体不锈钢 186

7.5.1 铬镍奥氏体不锈钢 187

7.5.2 铬-锰、铬-锰-氮、铬-锰-镍-氮奥氏体不锈钢 190

7.5.3 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀、应力腐蚀及点蚀 191

7.6 铁素体-奥氏体双相不锈钢 195

7.7 沉淀硬化不锈钢（超高强度钢） 196

7.7.1 奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢 196

7.7.2 马氏体沉淀硬化不锈钢 197

7.8 本章小结 197

参考文献 198

第8章 耐热钢 199

8.1 耐热钢的工作条件及性能特点 199

8.1.1 耐热钢的工作条件和性能要求 199

8.1.2 耐热钢的抗氧化性及途径 200

8.1.3 耐热钢的热强性能 202

8.2 抗氧化钢 204

8.2.1 铁素体型抗氧化钢 205

8.2.2 奥氏体型抗氧化钢 205

8.3 珠光体耐热钢 206

8.3.1 低碳珠光体耐热钢（锅炉管子用钢） 207

8.3.2 中碳珠光体耐热钢（紧固件及汽轮机转子用钢） 209

8.4 马氏体耐热钢 210

8.4.1 叶片用钢 211

8.4.2 排气阀用钢 211

8.5 奥氏体耐热钢 211

8.5.1 固溶强化型 213

8.5.2 碳化物沉淀强化型 213

8.5.3 金属间化合物沉淀强化型 213

8.6 本章小结 214

参考文献 214

第9章 铸铁 215

9.1 铸铁的石墨化影响因素 215

9.1.1 铸铁的组织特点、分类及牌号表示方法 215

9.1.2 铁碳合金双重相图 216

9.1.3 铸铁的石墨化过程 218

9.1.4 铸铁石墨化的控制 219

9.2 常用的铸铁性能及热处理 221

9.2.1 灰铸铁 222

9.2.2 球墨铸铁 226

9.2.3 蠕墨铸铁 231

9.2.4 可锻铸铁 233

9.3 特殊性能铸铁 235

9.3.1 耐磨合金铸铁 235

9.3.2 耐热合金铸铁 236

9.3.3 耐蚀合金铸铁 237

9.4 本章小结 237

参考文献 238

第10章 铝及铝合金 239

10.1 铝的合金化 239

10.1.1 纯铝 239

10.1.2 铝的合金化元素 240

10.1.3 铝合金的分类 241

10.2 铝合金的强化机制 243

10.2.1 加工硬化 243

10.2.2 固溶强化 244

10.2.3 过剩相强化 244

10.2.4 沉淀强化 245

10.2.5 晶界强化 245

10.3 铝合金的热处理 246

10.3.1 铝合金均匀化退火 246

10.3.2 铝合金热处理的分类 247

10.3.3 再结晶退火 248

10.3.4 铝合金的固溶处理 249

10.3.5 铝合金的时效处理 250

10.3.6 典型工业用铝合金的时效强化 255

10.4 变形铝合金 257

10.4.1 防锈铝合金 259

10.4.2 硬铝合金 259

10.4.3 锻铝合金 261

10.4.4 超硬铝合金 261

10.4.5 铝锂合金 262

10.5 铸造铝合金 263

10.5.1 铸造铝合金的牌号、种类及化学成分 263

10.5.2 Al-Si铸造合金 265

10.5.3 Al-Cu铸造合金 267

10.5.4 Al-Mg铸造合金 268

10.5.5 Al-Zn铸造合金 269

10.6 本章小结 270

参考文献 271

第11章 镁合金 272

11.1 镁合金中的合金元素 272

11.1.1 镁合金的分类 272

11.1.2 镁的合金化 275

11.1.3 镁合金的强韧化 279

11.2 常见镁合金 280

11.2.1 铸造镁合金 281

11.2.2 变形镁合金 284

11.3 本章小结 287

参考文献 288

第12章 铜合金 289

12.1 铜合金的强化方法 290

12.2 铜合金的退火处理 291

12.3 工业纯铜 292

12.3.1 工业纯铜的性质 292

12.3.2 工业纯铜的应用 293

12.4 黄铜 293

12.4.1 锌当量 295

12.4.2 普通黄铜 296

12.4.3 铝黄铜 298

12.4.4 锡黄铜 299

12.4.5 锰黄铜 299

12.4.6 铅黄铜 299

12.4.7 复杂耐磨黄铜 300

12.5 青铜 301

12.5.1 锡磷青铜 301

12.5.1锡磷青铜

12.5.2铝青铜

12.5.3铍青铜

12.5.4其他青铜

12.6白铜

12.6.1普通白铜

12.6.2锰白铜

12.7本章小结

参考文献

……

第13章钛合金

第14章金属间化合物结构材料

第15章金属基复合材料

第16章高熵合金

附录关于金属材料部分力学性能符号的说明

第1章　绪论

 材料是社会生活中广泛应用的物质，认识和使用材料是人类发展和进步的标志之一。历史学家根据制造生产工具的材料将人类生活的时代划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代。现代工业技术的发展同样与材料紧密相关。能源、信息和材料已成为现代技术的三大支柱，而能源、信息的发展又离不开材料。材料的品种、数量和质量已是衡量一个国家科学技术水平和国民经济水平以及国防力量的重要标志之一。

 据史料记载，人类在地球上出现之后，*早使用的工具是石器，到了原始社会的末期，开始用火烧制陶器，由此发展为以后的瓷器。制陶技术的发展为炼铜准备了必要条件，奴隶社会青铜冶炼技术已得到很大发展（沈莲，2003）。我国青铜冶炼技术的发明始于夏代以前，虽然晚于古埃及和西亚，但发展较快，到了商、周时期青铜冶炼和铸造技术已发展到较高水平，普遍用于制造各种工具、食物器皿和兵器。春秋战国时期，我国劳动人民通过实践认识了青铜成分、性能和用途之间的关系。《周礼？考工记》中总结出“六齐”规律：“六分其金而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐，四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐，五分其金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐”，这是世界上*早的合金化工艺的总结（沈莲，2003）。这个时期，铅、锡、锌、金、银、汞等有色金属的冶炼及使用也不断得到发展。

 由青铜器过渡到铁器标志着生产工具的重大发展，对社会进步起着巨大的推动作用。我国从春秋战国时期开始大量使用铁器，这推动了奴隶社会向封建社会的过渡。到了汉代，“先炼铁后炼钢”的技术已居****地位。从西汉到明朝，我国钢铁生产技术远远超过世界各国，而且钢铁热处理技术也得到很大发展，达到相当高的技术水平。西汉《史记？天官书》中有“水与火合为淬”“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”，实际上就相当于现代的水淬、油淬（戴起勋，2011）。明代科学家宋应星在《天工开物》一书中对钢铁材料的退火、淬火、渗碳工艺做了详细论述（沈莲，2003）。

 18世纪，世界工业迅速发展，对材料在品种、数量和质量上都提出了越来越高的要求，推动了材料工艺的进一步发展。光学显微镜于1863年开始应用于金属研究，使人们步入材料的微观世界，能够将材料的宏观性能与微观组织联系起来，标志着材料研究从经验走向科学。19世纪末，晶体的230种空间群被确定，至此人们已经可以完全用数学的方法来描述晶体的几何特征。1912年，X射线对晶体的作用被发现，并在随后用于晶体衍射分析，使人们对固体材料微观结构的认识从*初的假想到科学的现实。1932年，电子显微镜的发明把人们带到了微观世界的更深层次（10？7m）。1934年，位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与试验得到的实际强度之间存在巨大差别的问题，对于人们认识材料的力学性能及设计高强度材料具有划时代的意义，一些与材料有关的基础学科（固体物理、量子力学、化学等）的发展，有力地促进了材料研究的深化（于永泗和齐民，2010）。

 金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属通常包括铁及其合金钢、锰和铬等；有色金属包括轻金属（铝、镁、锂、铍等）、重金属（铜、锌、镍、铅等）、贵金属（金、银、铂族）、稀有金属（钛、锆、钒、钨、钼等）；另外，还有类金属（铀、钍等）等。从总产量来看，钢铁材料的产量占绝对优势，占世界金属总产量的95%，而且具有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量*大，且价格低廉。在世界金属矿储量中，铁矿资源比较丰富和集中，就世界地壳中金属矿产储量来讲，非铁金属矿储量大于铁矿储量，如铁只占5.1%，而非铁金属中铝为8.8%，镁为2.1%，钛为0.6%。非铁金属冶炼较困难，所需能源消耗大，因而生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。而非铁金属所创造的价值高，并且它有钢铁所不具备的特殊性能，如比强度高、耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长（强文江和吴承建，2018）。

 19世纪末，冶金和材料学科得到快速发展，出现了新型合金钢，如高速工具钢、高锰钢、铬镍不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。中华人民共和国成立后，钢铁工业和有色金属工业有了飞速发展，在品种、产量和质量方面都达到新的水平。2018年，我国钢铁产量超过7.7亿吨，已稳居世界*位；有色金属产量超过5688万吨，亦居世界*位。

 随着航空、航海、汽车、石油化工以及空间技术等新材料的需求增长，传统钢铁和有色金属已经不能满足其组织性能要求。因此，近几年又涌现出一批新型金属结构材料，如金属基复合材料、金属间化合物结构材料以及高熵合金等。

 金属基复合材料是由连续的金属与合金和增强体所构成的。增强体一般是具有高强度、高模量的非金属材料，如碳纤维、硼纤维和陶瓷材料等。金属基复合材料具有一系列与金属性能相似的优点，如兼有强度高、弹性模量高、韧性高、热冲击敏感性低、导热导电性好等。不同金属和合金基体与不同增强体的组合，可使金属基复合材料具有各种特殊性能和优异的综合性能。*近几年出现的铜包铝、铜包钢和铝铝复层材料等属于金属基复合材料的范畴，这种新型复层材料各组分之间可以“取长补短”和“协同作用”，极大地弥补了单一材料的缺点，显示出单一材料所不具有的新性能。

 金属间化合物结构材料是当前发展中的一类新型金属材料，以前所有的金属材料都是以相图中端际固溶体为基体的；而金属间化合物结构材料则以相图中间部分的有序金属间化合物为基体，与传统的金属材料相比，这类全新材料有很多新的特点和规律。

 高熵合金通常由五种以上元素组成，且每种元素的原子分数为 5%～35%。这种新型的合金设计理念突破了传统合金以一种或两种元素为主的设计思路，拓宽了金属材料的研究范围。由于高熵合金的多主元效应，其通常具有高强度、高硬度、优异耐磨性、出色热稳定性等性能特点，这使高熵合金具有巨大的学术研究价值及工业应用潜力。

 参考文献

 第2章　钢的合金化基础

 工业和科学技术的发展对钢材性能的要求越来越高，普通碳钢的性能已不能满足越来越高的使用要求。为了弥补碳钢的某些不足，在碳钢中加入合金元素发展出了合金钢。合金钢能改善钢的使用性能和工艺性能，使其具有许多碳钢所不能具备的、优良的或特殊的性质。例如，合金钢能具有较好的强度和韧性的配合，在低温下有较高的韧性，在高温下有较高的硬度、强度、持久强度以及抗氧化性，具有良好的耐蚀性、较好的磁性和良好的工艺性能，如冷变形性、淬透性、抗回火稳定性、可焊性等。这主要是由于各种合金元素的加入改变了钢的内部组织和结构。

 加入适当的化学元素改变金属性能的方法称为合金化。为了合金化而在钢中加入含量在一定范围的特定化学元素称为合金元素，所获得的钢种称为合金钢。

 合金元素与铁、碳以及其他合金元素之间的相互作用是合金内部的相、组织和结构变化的基础。而这些元素之间在原子结构、原子尺寸大小及各元素晶体点阵之间的差异，则是产生这种作用的根源。例如，合金元素与铁相互作用，改变了铁素体和奥氏体的相对稳定性，通过合金化，使得在高温时才稳定存在的奥氏体组织可在室温甚至在？200℃成为稳定的组织。工业纯铁即使激冷也难得到马氏体组织，而通过合金化，即使在慢冷的条件下，也可得到无碳的代位式合金马氏体组织。合金元素和碳相互作用后形成了不同类型的合金碳化物，它们在钢中的稳定性也不相同，因而对钢的性能影响也有差异。合金元素之间以及合金元素与铁之间相互作用能形成一系列金属间化合物，它们对合金钢的强化和脆化也起到很大的作用。

 钢中常用的合金元素种类很多，不同国家所使用的合金元素与各国的资源条件有很大关系。例如，美国的合金钢中多含Ni元素，俄罗斯的合金钢中多含Cr元素，德国的合金钢中多含Cr、Mn元素，日本的合金钢中则多含Cr、Mn、Mo等元素。我国是有色金属资源非常丰富的国家，除少数合金元素（如Co）外，绝大多数有色金属的含量都很丰富。

 当钢中的合金元素总量≤5%时，称为低合金钢；合金元素总量 = 5%～10%时，称为中合金钢；合金元素总量＞10%时，称为高合金钢。这种区别并没有严格的规定。

 人们对合金元素在钢中所起作用的认识是经过长期的生产实践和科学研究逐步积累起来的。但是，迄今为止，人们对这方面的认识还很不全面。因此，本章所阐述的合金元素在钢中作用的种种解释，很可能是不全面的或仅能适合某种特定的条件，甚至某些论述可能会被今后的实践所推翻，所以应该用辩证唯物主义认识论的观点来看待这个问题。应当指出的是，合金元素不一定直接影响钢性能的改善，大部分是由于它们影响相变的过程，从而间接发生作用。

 为了从理论上掌握合金元素在钢中作用的基本规律，为研究其在各种用途的钢中特殊规律奠定基础，本章将从以下四方面分析讨论合金元素在钢中所起的作用。

 （1）钢中合金元素及其分类。

 （2）钢的合金元素与铁碳和层错能的相互作用。

 （3）合金元素对钢强韧化的影响。

 （4）合金元素对钢相变的影响。

 （5）合金元素对钢加工工艺的影响。

 2.1　钢中的合金元素及其分类

 钢是铁基合金，钢中除Fe元素外，还有以下四类元素。

 （1）常存元素：C、Si、Mn、P、S，即钢中的五大元素。

 （2）偶