钢铁材料学讲义2012东北大学金属材料学

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1、金属材料学主讲人：刘春明王建军3-12周周一3、4节采矿馆3223-12周周二3、4节逸夫楼312参考教材金属材料学吴承建,陈国良,强文江冶金工业出版社,2000钢铁材料学章守华,吴承建冶金工业出版社,1992金属材料学李云凯北京理工大学出版社,2006金属材料学戴起勋化学工业出版社,2005金属材料学龚惠芳,鞠颂东中国铁道出版社,1996绪论什么是材料科学？航空、航天、动力、能源、信息技术组成制备加工结构性能材料科学材料的分类按材料的性质分类：按材料的功能分类：金属材料非金属材料黑色金属材料（钢铁材

2、料）有色金属材料无机非金属材料如：陶瓷有机非金属材料如：液晶结构材料功能材料以强度等力学性能为主以电、磁、热等特殊物理化学性能为主金属材料学金属材料学是材料科学的一部分，以研究金属材料的制备、加工、组成、结构、性能之间的关系为核心当前，全世界每年金属材料的总产量约为8亿吨，其中黑色金属约占95%，有色金属仅占5%。从产量来看，黑色金属仍是金属材料的主体。钢铁材料得到如此广泛应用的主要原因：铁资源丰富：主要元素在地壳中的储量为:Al8.2%，Fe5.1%，Mg2.1%，Ti0.6%利用焦炭和氧可以简单地

3、从铁矿石中还原出金属Fe。400℃以下低温域Fe2O3+CO----Fe+CO2600℃以上高温域Fe2O3+CO----2FeO+CO2FeO+CO-----Fe+CO2铁在加热或冷却过程中会发生各种相变，可以利用这些相变产生各种性能的钢铁材料。关于这一部分内容在钢的热处理课程中讲授。向铁中加入不同的其它金属或非金属元素可以部分或完全改变铁的各种性能。黑色金属材料（钢铁材料）有色金属材料有色金属资源的进一步开发和利用，不仅是对钢铁材料的补充，而且可以发挥和开发钢铁材料不具备的各种特殊性能，以保证最大

4、限度地满足现代科学技术和工业对各种材料性能所提出的要求。如：航空航天材料所不可或缺的轻金属材料；喷气发动机、火箭等现代化技术所需要的超耐热合金；化工、石油等工业需要的高耐蚀合金；电力电工电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材料；原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属材料；能源和信息技术所需要的半导体、超导体、贮能材料。航空航天材料所不可或缺的轻金属材料（如：高强高韧铝合金、钛合金、镁合金）喷气发动机、火箭等现代化技术所需要的超耐热合金（如：高铌钛铝合金）化工、石油等工业需要的高耐蚀合金（如：Mon

5、el合金）电力电工电子工业所需要的导体材料、电阻和仪表材料（如：Cu及其合金）原子能发电和核技术所需要的核燃料和稀有金属材料（如：T-222合金Ta-10W-2.5Hf-0.01CT-111合金Ta-10W-2.5Hf）能源和信息技术所需要的半导体、超导体、贮能材料金属材料学的意义对生产、使用和开发金属材料起着重要的指导作用。金属材料学的进展a.最近几十年来，由于现代科学技术和工业生产的迅猛发展，对金属材料提出了种种更新更高的甚至非常苛刻的要求。b.科学技术和工业生产对金属材料所提出的性能要求与现有金

6、属材料本身所能提供的性能之间的矛盾推动着金属材料研究工作的发展。c.为了改善金属材料的质量，提高其性能并开发新的材料，必须在有关理论和新工艺、新技术上取得新的突破和新的进展。d.金属材料的合金化理论、制备工艺与技术、相变理论、强度与断裂本质研究的进展以及现代实验研究手段和方法的应用（如x射线分析，透射和扫描电镜，电子和中子衍射，电子探针，俄歇能谱微区分析，计算机模拟技术等）大大加深了研究者们对金属材料微观结构与性能关系的认识。本课程的主讲内容系统介绍各种金属材料的合金化、相变、组成、组织结构与性能之间

7、的关系以及各种材料的用途。Chap.1钢铁材料学基础通过向铁中加入合金元素，或者施加变形，或者进行热处理，或者变形和热处理有机结合，在某种意义上能够任意改变它的使用性能和工艺性能。在使用性能方面，有高的强度和韧性配合，或者高的低温韧性，或者高温下有高的蠕变强度、硬度和抗氧化性，或者具有良好的耐蚀性，或具有良好的磁性等物理性能。在工艺性能方面，有良好的热塑性、冷变形性、切削性、淬透性和焊接性等。原因：这主要是由于通过上述处理可以改变钢的组织结构。(1)合金元素的加入：产生了合金元素与铁、碳及合金元素之间

8、的相互作用，改变了铁各相的稳定性，并可能产生许多新相，从而改变了原有的组织或形成新的组织。合金元素与铁以及合金元素之间在原子结构、原子尺寸、晶体点阵之间的差异是产生这些变化的根源。(2)变形和热处理：是在合金元素作用的基础上对上述变化的强化。1.纯铁1.1纯铁的分类纯铁按其分类，一般可分为：工业纯铁Fe≤99.9%高纯铁99.9%＜Fe≤99.999%超高纯铁Fe＞99.999%工业纯铁通常是采用普通冶金方法生产，而高纯铁和超高纯铁则是采用化学、电化学、