南京航空航天大学金属材料学

绪 论材料在人类历史进程中的地位人所共知，材料发展与社会进步行着密切关系。它是衡量人类社会文明程度的标志之一。金属材料是现代文明的基础。从历史的发展来看，人类由石器时代进入青铜器时代，生产力产生了一次飞跃；进入铁器时代，生产力又得到迅猛发展。目前，人类还处在金属器时期。虽然无机非金属材料、高分子树料的使用量与日俱增，但在可预见的时期内，仍不会改变这种状况。金属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、锰及铬等：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，而且有许多良好的性能，能满足大多数条件下的应用，故用量最大，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，则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。但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，例如比强度高，耐低温、耐腐蚀等，因而非铁金属产量仍在迅速增长。金属材料黑色金属材料（钢铁材料）有色金属材料铸铁钢工程构件用钢机器零件用钢工具钢特种环境用钢轻金属材料（铝、镁、钛、锂等）重金属材料（铜、锌、铅、镍等）贵重金属材料（金、银、铂等）稀有金属材料（钨、钼、钒、钴等）放射金属材料（镭、铀、钍、锕等） 人类在新石器时代晚期就开始使用天然金属。到公元前3800年，出现人工冶炼的铜器，在伊朗、美索不达米亚和埃及，出现了含少量砷或镍的铜器。公元前2800年，在美索不达米亚出现锡青铜。我国在公元前3000年出现锡青铜甘肃东乡马家窑文化的青铜刀（含610Sn）。商、周时期是中国青铜器的鼎盛时期。 自公元前12世纪起铁器在地中海东岸地区使用日广。到公元前10世纪，铁工具比青铜工具应用更普遍。公元前8世纪到公元前7世纪，北非和欧洲相继进入铁器时代。我国冶铁技术在春秋末期有很大的突破，特别是炼制生铁技术日臻完善，并发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术，如生铁固体脱碳成钢、炒钠、炼制软铁、灌钢等。这标志着生产力的重大进步。在战国燕下都出土的大批具有马氏体组织的钢剑，表明此时钢的淬火等热处理工艺已被广泛应用。 中国古代钢铁及非铁金属的生产技术和热处理技术，在明末科学家宋应星所著天工开物中有详细的阐述。 现代冶金技术的发展自19世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。19世纪末的电弧炉炼钢和20世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。在非铁金属冶金方面，19世纪80年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域。同时，用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属。20世纪40年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现。同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。 工业发展促进了新金属材料的应用。19世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在20世纪发展为门类众多的合金钢体系。与此同时，铝合合、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。新中国成立后，钢铁工业和有色金属工业有了飞速发展，无论在品种、产量和质量方面都达到新的水平。目前，我国钢铁产量超过1亿吨，已稳居世界首位；有色金属产量超过600万吨，居世界第二位。金属科学研究已跻身于世界先进水平。金属材料学是研究金属材料的成分、组织结构与性能之间关系的一门技术科学，它对生产、使用和发展金属材料起着重要的指导作用。人们对金属及其合金的深入研究，在20世纪，尤其是近半个世纪取得了很大进展，对合金的化学成分、组织结构、生产过程、环境对合金各种性能之间影响的规律己有较充分的了解。但是近年来，由于现代科学技术和工业生产的迅猛发展，特别是航空航天、原子能科学、海洋工程、国防科学与技术等的发展需求，对金属材料提出了种种新的、更高的要求。而科学技术和工业生产对金属材料所提出的性能要求与金属材料本身所能提供的性能之间的矛盾，则构成了金属材料学的基本矛盾。这一矛盾的发展，推动着金属材料学的研究和发展。为了改善金属材料的质量，提高其性能和创造新材料，必须在开展有关新理论和新工艺和新技术研究的基础上，取得新的突破和进展。近年来，在金属间化合物结构材料、金属纳米材料和非晶态金属合金、金属基复合材料及计算金属材料学等领域取得了巨大的成就，主要表现在以下几个方面：主要发展如下：1继续重视高性能的新型金属材料所谓高性能材料就是指具有高强度、高韧性、耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗辐射等性能的材料。这种材料对发展空间技术、核能、海洋开发等工业有着极其密切的关系。新材料是采用新技术和新工艺发展的。例如，合金成分的物理冶金设计，微量元素的加入与控制，特殊组织结构的控制等，从而大幅度提高材料的性能。高性能材料的研究热点主要是传统金属材料的微合金化、金属间化合物结构材料、金属基复合材料、新型有色金属材料等等。面向2l世纪，金属材料仍占主导地位。2非晶（亚稳态）材料日益受到重视70年代通过快冷技术（106/s）而获得非晶态或亚稳态合金材料，由于骤冷，金属中的合金元素偏析程度降低，没有晶界，从而可提高合金化程度，而不致产生脆性相、非晶态合金具有高强度、耐腐蚀等特点。在工程应用中，通过高能束流等处理技术可在工件表面获得非晶态或纳米结构，改善和提高工件表面的耐磨性和耐蚀性。3特殊条件下应用的金属材料在低温、高压、高真空、高温以及辐照条件下，材料的结构和组织将会转变。并因此引起性能变化。研究这些变化规律，将有利于研制新材料和改善传统材料。例如，在高压下、电磁场作用下的金属凝固和加工技术，微重力条件下金属材料的凝固技术，高压力及冲击波对材料性能影响的试验研究等等。另外，太空、深海洋等工程技术所用的材料将继续深入研讨。4材料的设计及选用计算机化由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的性能进行材料设计正逐步成为现实。通过电子计算机的应用以及量子力学、系统工程和统计学的运用，可以在微观与宏观相结合的基础上进行材料设计和选用，使之最佳化。目前已开展了多方面的计算材料学研究（第一性原理、分子动力学模拟、原胞自动机方法等等），并初步建立起了计算机化的各种材料性能数据库和计算机辅助选材系统，并进一步向智能化方向发展，从前提高了工程技术的用材水平。因此可以认为目前金属材料学的发展，又进入了一个新的历史阶段。到目前为止，工业化生产的金属材料可分为：钢铁材料（包括非合金钢、低合金钢、合金钢、高温合金、铸钢和铸铁），非铁金属材料（包括铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、锆合金、锌合金等），金属功能材料（包括磁性合金、电性合金、弹性合金、减振合金、形状记忆合金、储氢合金等），以及近代发展起来的金属间化合物材料和金属基复合材料。其中金属功能材料以其特有的各种物理性能，在各种新兴工业中得到广泛应用，其市场和应用前景十分广阔，不断有新型金属功能材料被开发，也是今后相当长时期新材料发展的热点之一。本课程的目的是讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律，并用来分析各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。其学科系统是阐述通过加入合金元素来改变金属材料的相组成、显微组织和热处理工艺，以得到各种优异的性能；其次是阐述金属材料的生产过程对质量的影响，如何提高其冶金质量，给学生以全面的质量观点。金属材料学是材料科学与工程专业的一门主要专业课，它的主要任务是讲授金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、有色金属及其合金、新金属材料等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法；抓住材料的成份组织性能这一主线，阐明它们之间的内在联系及其衍变过程，进一步揭示发挥材料性能潜力的途径，以达到提高产品质量的目的。随着科学技术的快速发展，有色金属材料的地位逐渐凸显，现将原金属材料学的内容分成两篇讲授，上篇包括金属材料合金化的基础理论、合金纲、铸铁，主要为金属材料的合金化基础理论和钢铁材料，着重讨论了金属材料中的合金元素、金属合金中的相组成与相变、合金元素对金属的强韧性和工艺性能等的影响和微量元素在金属材料中的作用。其目的方面使学生从理论上掌握合金元素在金属材料中的作用规律，为研究各种用途的金属材料奠定理论基础；另一方面使学生能够运用钢铁冶金基础、材料科学基础、热处理原理及工艺和材料力学性能的基本知识，解决金属材料中的物理冶金问题以便起到相互衔接、相互渗透的作用。第二章至第六章对常用钢铁材料（包括工程构件用润、机器零件用钢、工模具用钢、不锈钢、耐热钢、铸铁）的成分，组织结构、热处理工艺与性能之间的关系及应用范围作了比较全面、系统的介绍。下篇包括有色合金材料及新金属材料。重点讲授各类有色金属及合金的合金化特点、各种典型有色合金材料的成分，组织结构、热处理工艺与性能之间的关系及应用范围作了比较全面、系统的介绍。对金属间化合物结构材料、金属基复合材料、亚稳金属材料等新金属结构材料也作了一定的介绍。学生通过本课程的学习，应达到下列要求：1、掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律。2、掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成份、热处理规范、组织、力学性能和用途。了解金属间化合物结构材料、金属基复合材料及亚稳金属材料的结构、性能特点和应用发展前景。3、能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，具有合理选用材料，正确