金属材料学 Metallic Materials 主讲：彭竹琴 张太超 E-mail:pengzqzz@126.com 材料与化工学院 1

课程说明 一、课程的性质 《金属材料学》是材料科学与工程专业一门重要的专业限选课，是金属材料方向一门综合性应用性较强的专业主干课，是研究金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用之间关系的一门技术科学。 本课程系统介绍金属材料合金化的一般规律，各类主要金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用之间的关系及其最新研究进展。 2

课程说明 二、课程的内容 ●钢的合金化原理 ●合金钢 ●有色金属材料 ●新型金属材料 实验内容： 钢材二次硬化动力学曲线测定与分析 ●铸铁 ●有色金属材料 ●新型金属材料 实验内容： 钢材二次硬化动力学曲线测定与分析 合金钢、铸铁、有色合金的显微组织观察 3 铝合金的热处理 3

三、课程的要求和目的 1、掌握金属合金化原理； 2、了解材料成分设计基本依据。 3、熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、组织、 性能与应用之间的关系， 4、根据零件服役条件，能正确地选择材料和制订 热处理工艺。 目的：根据零件服役条件合理选择使用金属材料并确定其热处理方式，具备从事金属材料研究的初步能力。 主线：材料成分-工艺-组织-性能-应用之间的有机联系 核心：合金化原理 4

材料学主线示意图

四、教学安排 教学：60学时：52（理教）+ 8（实验） 考核：期末成绩（70%）+ 平时成绩（30%） 教学：60学时：52（理教）+ 8（实验） 考核：期末成绩（70%）+ 平时成绩（30%） 平时：考勤、作业、课堂提问与讨论、实验

五、参考书目 1. 《 金属材料学》吴承建主编 冶金工业出版社，2009 2. 《现代钢铁材料及其工程应用》 孙智 机械工业出版社，2006 五、参考书目 1. 《 金属材料学》吴承建主编 冶金工业出版社，2009 2. 《现代钢铁材料及其工程应用》 孙智 机械工业出版社，2006   7

思考题 1、1958年世界工业博览会在比利时召开，博览会大楼是由9个巨大金属球组成，金属球直径为18米，8球位于立方体角，1球在中心。这象征什么？说明什么意义？

放大了1650亿倍的α铁的晶体结构。 原子塔的设计表现了人类对金属和钢铁工业的尊崇和对原子能和平利用的期望。 比利时布鲁塞尔世博会标志性建筑-原子塔

2、为纪念世界第一位宇航员加加林，莫斯科列宁大街上建造了40英尺高的雕像，雕像材料是钛合金，为什么用钛合金做？代表什么意义？ 钛合金比强度高、耐蚀性好、高温及超低温性能好— 被称为“空间金属”

3、金子从古到今都是作为世界上的流通货币，为什么？铜是人类最早认识和使用的金属，为什么？ 活动性：铜＜铁＜ 铝 越稳定，越容易冶炼

4、1983年，在上海召开的第4届国际材料及热处理大会的会标是小炉匠捶打的图案，代表什么意义？为什么古代著名的刀剑都要经过反复锻打？

5、为什么建筑上的楼板、大梁混凝土中要用钢筋？而且国家都有使用标准？

0.1 金属材料发展简史 1、第一阶段——原始钢铁生产 绪论 —— 金属材料的过去、现在和将来 公元前4300年：自然的金、铜及锻打等工艺 绪论 —— 金属材料的过去、现在和将来 0.1 金属材料发展简史 1、第一阶段——原始钢铁生产 公元前4300年：自然的金、铜及锻打等工艺 公元前2800年：铁的熔炼 公元前2000年：青铜器兴盛，编钟与武器(商、周、春秋战国) 东汉时：反复锻打钢→最原始的形变热处理工艺。 淬火技术：“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂” →现代的水淬、油淬

擂鼓墩二号墓编钟复制件 1981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达5个8度以上，可自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。需五人合作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝啊。

2、第二阶段——金属材料学科的基础 奠定金属材料学科基础：金属学、金相学、相变和合金钢等。 1803年：道尔顿提出原子学说，阿伏加德罗提出分子论。 1830年：Hessel提出32种晶体类型，普及晶体指数。 1891年：俄、德、英等国科学家分别独立地创立了点阵结构理 论。 1864年：Sorby制备第一张金相照片，9倍，但意义重大。 1827年：Karsten从钢中分离出了Fe3C，1888年Abel证明了这是Fe3C。 1861年：俄契尔诺夫提出了钢的临界转变温度的概念。 19世纪末：马氏体研究已成为时髦，Gibbs得到了相律， Robert-Austen发现了奥氏体固溶特性，Roozeboom建立了Fe-Fe3C系的平衡图

钢的组织命名： 新合金钢发明： 开始了合金钢的新纪元 Austenite（奥氏体）→英金属学家Austen Bainite（贝氏体）→美科学家Bain Sorbite（索氏体）→英科学家Sorby Martensite（马氏体）→德科学家Marten Troostite（托氏体）→法化学家Troost Ledeburite（莱氏体）→德学者Ledebur 新合金钢发明： 1820年，铁-铬合金 1857年，钨钢；1898年，含钨高速钢雏形 1871年，锰钢和硅钢 开始了合金钢的新纪元

3、第三阶段——微观组织理论大发展 合金相图，X射线发明及应用，位错理论的建立。 1912年：发现X射线，证实α（δ）-Fe是bcc，γ-Fe是fcc;固溶体规律。 1931年：发现合金元素的扩大和缩小γ区作用。 1934年：俄国Polanyi、匈牙利Orowan和英国Taylor各自独立地提出了位错理论，解释钢的塑性变形;马氏体转变的晶体学。 1938年：发明了电子显微镜。 1910年：发明A不锈钢，1912年发明了F不锈钢等。 1990年：发明了布氏硬度计，Griffith提出了应力集中会导致产生微裂纹。

4、第四阶段——微观理论的深入研究 微观理论的深入研究： 位错理论建立： 新科学仪器不断发明： 原子扩散及其本质的研究;钢TTT曲线测定； 贝氏体、马氏体转变理论形成了比较完整的理论。 位错理论建立： 电子显微镜的发明→看到了钢中第二相沉淀析出，位错滑移，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构、Cottrell气团等现象→位错理论。 新科学仪器不断发明： 电子探针、场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜（STEM）、扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等。

0.2 现代金属材料 先进结构材料的研究与开发是永恒的主题 开发高性能结构材料：高比强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损→降低机械重量、提高性能、延长使用寿命的关键。复合材料→结构材料，广泛应用，如铝基复合材料。开发各种系列用途的低温奥氏体钢。 改造传统结构材料：重要途径是组织更细更均匀，材料更纯洁 →关键是工艺。“新一代钢铁材料”强度相当于现有钢铁材料两倍。 美“9.11”事件，暴露建筑用钢结构抗高温软化能力差→开发高强热轧耐火耐候钢。

开发其它高性能钢：利用各种新工艺新方法制造出韧性和耐磨性都很好的新型工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向，工具材料的各种表面处理技术开发，在新型工具材料的开发上具有重要的意义。 先进制备工艺：如金属半固态加工技术，铝镁合金技术成熟，已应用。

现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向

美国飞行汽车将于2009年上市销售 MX-400空中汽车 美国莫勒潜心研究。被誉为“汽车演变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依靠的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。

自从1903年12月17日美国莱特兄弟把第一双人类翅膀送上天空后。各种飞机不断地在快速发展，对制造飞机各类零部件的材料要求也越来越高。主要是比强度高、重量轻、耐高温、耐疲劳等性能。

世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的。在“9 世界贸易大厦基本上是用铝合金贴面的。在“9.11”事件中，该双子大楼遭到袭击，毁于一旦。但它作为一个大量使用铝合金贴面的雄伟建筑将永远载入史册。

泰坦尼克号快速沉没的原因 小问题引起大灾难。泰坦尼克号撞上冰山后快速沉没，经查明是因为含有9%矿渣的48根铆钉使泰坦尼克号钢板散架。

0.3 金属材料的可持续发展与趋势 2004年提出了“循环型社会的材料产业——材料产业的可持续发展”。 微生物冶金：无废物的生产，已在许多国家进行了工业性生产。美国利用微生物冶金方法生产的铜占总产量的10%，日本人工培植海鞘以提取钒。海水是一种液态矿，海水中含有的合金元素量超过100亿吨。现在已可以从海水中提取镁、铀等元素，全世界生产的镁大约有20%来自海水，美国靠这种镁已满足着需求量的80%。 我国资源短缺;资源浪费严重；污染严重。

循环材料产业：适应时代需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料利用率、降低生产和使用过程中环境的负担。发展形成资源―材料―环境良性循环的产业。 合金发展的主流方向是少合金化与通用合金，形成绿色/生态材料体系，有利于材料的回收与再生利用。要研究开发与人民生活密切相关的绿色材料以及环境友好材料。

钛合金 被称为“空间金属”、“未来钢铁”。 钛合金比强度是最高的，在高温和低温下都能保持高强度，耐蚀性也是无可匹敌的。 钛在地球中含量不少（0.6%）。但是提炼工艺复杂，成本高，广泛应用受到限制。 钛合金将是二十一世纪为人类作重要贡献的金属材料之一。

有色金属：资源面临着不可持续发展的严重问题，主要是资源破坏严重和利用率很低，浪费惊人。精深加工技术落后，高档产品缺乏;创新成果少，高新技术成果产业化程度不高。开发高性能结构材料及其先进工艺方法是主流，如，铝锂合金、快速凝固铝合金等。 有色金属功能材料也是发展方向。

未来对材料和技术的要求