南京航空航天大學(xué)金屬材料學(xué)

緒 論材料在人類歷史進(jìn)程中的地位人所共知，材料發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步行著密切關(guān)系。它是衡量人類社會(huì)文明程度的標(biāo)志之一。金屬材料是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)。從歷史的發(fā)展來看，人類由石器時(shí)代進(jìn)入青銅器時(shí)代，生產(chǎn)力產(chǎn)生了一次飛躍；進(jìn)入鐵器時(shí)代，生產(chǎn)力又得到迅猛發(fā)展。目前，人類還處在金屬器時(shí)期。雖然無機(jī)非金屬材料、高分子樹料的使用量與日俱增，但在可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，仍不會(huì)改變這種狀況。金屬通常分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬通常包括鐵及其合金，鋼、錳及鉻等：有色金屬包括輕金屬（鋁、鎂、鋰、鈹?shù)龋?，重金屬（銅、鋅、鎳、鉛等），貴金屬（金、銀、鉑族），稀有金屬（鈦、鋯、釩、鎢、鉬等）：另外，還有類金屬（鈾、釷等）等。從總產(chǎn)量來看，鋼鐵材料的產(chǎn)量占絕對(duì)優(yōu)勢，占世界金屬總產(chǎn)量的95，而且有許多良好的性能，能滿足大多數(shù)條件下的應(yīng)用，故用量最大，且價(jià)格低廉。在世界金屬礦儲(chǔ)量中，鐵礦資源比較豐富和集中，就世界地殼中金屬礦產(chǎn)儲(chǔ)量來講，則非鐵金屬礦儲(chǔ)量大于鐵礦儲(chǔ)量，如鐵只占5.1，而非鐵金屬中鋁為8.8鎂為2.1，鈦為0.6。但非鐵金屬冶煉較困難，所需能源消耗大，因而生產(chǎn)成本高，限制了生產(chǎn)總量的增長幅度。而非鐵金屬所創(chuàng)造的價(jià)值高，并且它有鋼鐵所不具備的特殊性能，例如比強(qiáng)度高，耐低溫、耐腐蝕等，因而非鐵金屬產(chǎn)量仍在迅速增長。金屬材料黑色金屬材料（鋼鐵材料）有色金屬材料鑄鐵鋼工程構(gòu)件用鋼機(jī)器零件用鋼工具鋼特種環(huán)境用鋼輕金屬材料（鋁、鎂、鈦、鋰等）重金屬材料（銅、鋅、鉛、鎳等）貴重金屬材料（金、銀、鉑等）稀有金屬材料（鎢、鉬、釩、鈷等）放射金屬材料（鐳、鈾、釷、錒等） 人類在新石器時(shí)代晚期就開始使用天然金屬。到公元前3800年，出現(xiàn)人工冶煉的銅器，在伊朗、美索不達(dá)米亞和埃及，出現(xiàn)了含少量砷或鎳的銅器。公元前2800年，在美索不達(dá)米亞出現(xiàn)錫青銅。我國在公元前3000年出現(xiàn)錫青銅甘肅東鄉(xiāng)馬家窯文化的青銅刀（含610Sn）。商、周時(shí)期是中國青銅器的鼎盛時(shí)期。 自公元前12世紀(jì)起鐵器在地中海東岸地區(qū)使用日廣。到公元前10世紀(jì)，鐵工具比青銅工具應(yīng)用更普遍。公元前8世紀(jì)到公元前7世紀(jì)，北非和歐洲相繼進(jìn)入鐵器時(shí)代。我國冶鐵技術(shù)在春秋末期有很大的突破，特別是煉制生鐵技術(shù)日臻完善，并發(fā)明了生鐵經(jīng)退火制造韌性鑄鐵和以生鐵制鋼的技術(shù)，如生鐵固體脫碳成鋼、炒鈉、煉制軟鐵、灌鋼等。這標(biāo)志著生產(chǎn)力的重大進(jìn)步。在戰(zhàn)國燕下都出土的大批具有馬氏體組織的鋼劍，表明此時(shí)鋼的淬火等熱處理工藝已被廣泛應(yīng)用。 中國古代鋼鐵及非鐵金屬的生產(chǎn)技術(shù)和熱處理技術(shù)，在明末科學(xué)家宋應(yīng)星所著天工開物中有詳細(xì)的闡述。 現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展自19世紀(jì)中葉的轉(zhuǎn)爐煉鋼和平爐煉鋼開始。19世紀(jì)末的電弧爐煉鋼和20世紀(jì)中葉的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼及爐外精煉技術(shù)，使鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化。在非鐵金屬冶金方面，19世紀(jì)80年代發(fā)電機(jī)的發(fā)明，使電解法提純銅的工業(yè)方法得以實(shí)現(xiàn)，開創(chuàng)了電冶金新領(lǐng)域。同時(shí)，用熔鹽電解法將氧化鋁加入熔融冰晶石，電解得到廉價(jià)的鋁，使鋁成為僅次于鐵的第二大金屬。20世紀(jì)40年代，用鎂作還原劑從四氯化鈦制得純鈦，并使真空熔煉加工等技術(shù)逐步成熟后，鈦及鈦合金的廣泛應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，其他非鐵金屬也陸續(xù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。 工業(yè)發(fā)展促進(jìn)了新金屬材料的應(yīng)用。19世紀(jì)末，出現(xiàn)了新型的合金鋼如高速工具鋼、高錳鋼、鎳鋼和鉻不銹鋼，并在20世紀(jì)發(fā)展為門類眾多的合金鋼體系。與此同時(shí)，鋁合合、鎂合金、銅合金、鈦合金和難熔金屬及合金等也先后形成工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。新中國成立后，鋼鐵工業(yè)和有色金屬工業(yè)有了飛速發(fā)展，無論在品種、產(chǎn)量和質(zhì)量方面都達(dá)到新的水平。目前，我國鋼鐵產(chǎn)量超過1億噸，已穩(wěn)居世界首位；有色金屬產(chǎn)量超過600萬噸，居世界第二位。金屬科學(xué)研究已躋身于世界先進(jìn)水平。金屬材料學(xué)是研究金屬材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的一門技術(shù)科學(xué)，它對(duì)生產(chǎn)、使用和發(fā)展金屬材料起著重要的指導(dǎo)作用。人們對(duì)金屬及其合金的深入研究，在20世紀(jì)，尤其是近半個(gè)世紀(jì)取得了很大進(jìn)展，對(duì)合金的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、環(huán)境對(duì)合金各種性能之間影響的規(guī)律己有較充分的了解。但是近年來，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展，特別是航空航天、原子能科學(xué)、海洋工程、國防科學(xué)與技術(shù)等的發(fā)展需求，對(duì)金屬材料提出了種種新的、更高的要求。而科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)對(duì)金屬材料所提出的性能要求與金屬材料本身所能提供的性能之間的矛盾，則構(gòu)成了金屬材料學(xué)的基本矛盾。這一矛盾的發(fā)展，推動(dòng)著金屬材料學(xué)的研究和發(fā)展。為了改善金屬材料的質(zhì)量，提高其性能和創(chuàng)造新材料，必須在開展有關(guān)新理論和新工藝和新技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，取得新的突破和進(jìn)展。近年來，在金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬納米材料和非晶態(tài)金屬合金、金屬基復(fù)合材料及計(jì)算金屬材料學(xué)等領(lǐng)域取得了巨大的成就，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：主要發(fā)展如下：1繼續(xù)重視高性能的新型金屬材料所謂高性能材料就是指具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐低溫、抗腐蝕、抗輻射等性能的材料。這種材料對(duì)發(fā)展空間技術(shù)、核能、海洋開發(fā)等工業(yè)有著極其密切的關(guān)系。新材料是采用新技術(shù)和新工藝發(fā)展的。例如，合金成分的物理冶金設(shè)計(jì)，微量元素的加入與控制，特殊組織結(jié)構(gòu)的控制等，從而大幅度提高材料的性能。高性能材料的研究熱點(diǎn)主要是傳統(tǒng)金屬材料的微合金化、金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬基復(fù)合材料、新型有色金屬材料等等。面向2l世紀(jì)，金屬材料仍占主導(dǎo)地位。2非晶（亞穩(wěn)態(tài)）材料日益受到重視70年代通過快冷技術(shù)（106/s）而獲得非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)合金材料，由于驟冷，金屬中的合金元素偏析程度降低，沒有晶界，從而可提高合金化程度，而不致產(chǎn)生脆性相、非晶態(tài)合金具有高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)。在工程應(yīng)用中，通過高能束流等處理技術(shù)可在工件表面獲得非晶態(tài)或納米結(jié)構(gòu)，改善和提高工件表面的耐磨性和耐蝕性。3特殊條件下應(yīng)用的金屬材料在低溫、高壓、高真空、高溫以及輻照條件下，材料的結(jié)構(gòu)和組織將會(huì)轉(zhuǎn)變。并因此引起性能變化。研究這些變化規(guī)律，將有利于研制新材料和改善傳統(tǒng)材料。例如，在高壓下、電磁場作用下的金屬凝固和加工技術(shù)，微重力條件下金屬材料的凝固技術(shù)，高壓力及沖擊波對(duì)材料性能影響的試驗(yàn)研究等等。另外，太空、深海洋等工程技術(shù)所用的材料將繼續(xù)深入研討。4材料的設(shè)計(jì)及選用計(jì)算機(jī)化由于電子計(jì)算機(jī)及應(yīng)用技術(shù)的高度發(fā)展，使得人們可以按照指定的性能進(jìn)行材料設(shè)計(jì)正逐步成為現(xiàn)實(shí)。通過電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用以及量子力學(xué)、系統(tǒng)工程和統(tǒng)計(jì)學(xué)的運(yùn)用，可以在微觀與宏觀相結(jié)合的基礎(chǔ)上進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和選用，使之最佳化。目前已開展了多方面的計(jì)算材料學(xué)研究（第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)模擬、原胞自動(dòng)機(jī)方法等等），并初步建立起了計(jì)算機(jī)化的各種材料性能數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)輔助選材系統(tǒng)，并進(jìn)一步向智能化方向發(fā)展，從前提高了工程技術(shù)的用材水平。因此可以認(rèn)為目前金屬材料學(xué)的發(fā)展，又進(jìn)入了一個(gè)新的歷史階段。到目前為止，工業(yè)化生產(chǎn)的金屬材料可分為：鋼鐵材料（包括非合金鋼、低合金鋼、合金鋼、高溫合金、鑄鋼和鑄鐵），非鐵金屬材料（包括鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鋯合金、鋅合金等），金屬功能材料（包括磁性合金、電性合金、彈性合金、減振合金、形狀記憶合金、儲(chǔ)氫合金等），以及近代發(fā)展起來的金屬間化合物材料和金屬基復(fù)合材料。其中金屬功能材料以其特有的各種物理性能，在各種新興工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，其市場和應(yīng)用前景十分廣闊，不斷有新型金屬功能材料被開發(fā)，也是今后相當(dāng)長時(shí)期新材料發(fā)展的熱點(diǎn)之一。本課程的目的是講授金屬結(jié)構(gòu)材料的物理冶金問題，使學(xué)生掌握金屬及合金中的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)過程、環(huán)境對(duì)金屬材料各種性能的影響的基本規(guī)律，并用來分析各種金屬材料的化學(xué)成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、熱處理和使用中的問題。其學(xué)科系統(tǒng)是闡述通過加入合金元素來改變金屬材料的相組成、顯微組織和熱處理工藝，以得到各種優(yōu)異的性能；其次是闡述金屬材料的生產(chǎn)過程對(duì)質(zhì)量的影響，如何提高其冶金質(zhì)量，給學(xué)生以全面的質(zhì)量觀點(diǎn)。金屬材料學(xué)是材料科學(xué)與工程專業(yè)的一門主要專業(yè)課，它的主要任務(wù)是講授金屬材料的合金化基礎(chǔ)理論，在論述常用類型金屬材料的性能要求的基礎(chǔ)上，分析各類工程構(gòu)件用鋼、機(jī)器零件及工模具用鋼、不銹鋼、耐熱及高溫合金、有色金屬及其合金、新金屬材料等的合金化特征、熱處理工藝特點(diǎn)及選擇材料與使用材料的原則和方法；抓住材料的成份組織性能這一主線，闡明它們之間的內(nèi)在聯(lián)系及其衍變過程，進(jìn)一步揭示發(fā)揮材料性能潛力的途徑，以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，有色金屬材料的地位逐漸凸顯，現(xiàn)將原金屬材料學(xué)的內(nèi)容分成兩篇講授，上篇包括金屬材料合金化的基礎(chǔ)理論、合金綱、鑄鐵，主要為金屬材料的合金化基礎(chǔ)理論和鋼鐵材料，著重討論了金屬材料中的合金元素、金屬合金中的相組成與相變、合金元素對(duì)金屬的強(qiáng)韌性和工藝性能等的影響和微量元素在金屬材料中的作用。其目的方面使學(xué)生從理論上掌握合金元素在金屬材料中的作用規(guī)律，為研究各種用途的金屬材料奠定理論基礎(chǔ)；另一方面使學(xué)生能夠運(yùn)用鋼鐵冶金基礎(chǔ)、材料科學(xué)基礎(chǔ)、熱處理原理及工藝和材料力學(xué)性能的基本知識(shí)，解決金屬材料中的物理冶金問題以便起到相互銜接、相互滲透的作用。第二章至第六章對(duì)常用鋼鐵材料（包括工程構(gòu)件用潤、機(jī)器零件用鋼、工模具用鋼、不銹鋼、耐熱鋼、鑄鐵）的成分，組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝與性能之間的關(guān)系及應(yīng)用范圍作了比較全面、系統(tǒng)的介紹。下篇包括有色合金材料及新金屬材料。重點(diǎn)講授各類有色金屬及合金的合金化特點(diǎn)、各種典型有色合金材料的成分，組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝與性能之間的關(guān)系及應(yīng)用范圍作了比較全面、系統(tǒng)的介紹。對(duì)金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬基復(fù)合材料、亞穩(wěn)金屬材料等新金屬結(jié)構(gòu)材料也作了一定的介紹。學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)達(dá)到下列要求：1、掌握金屬材料合金化原理、合金元素對(duì)鋼相變、組織、性能影響的一般規(guī)律。2、掌握常用鋼、鑄鐵、高溫合金、有色金屬等材料的牌號(hào)、成份、熱處理規(guī)范、組織、力學(xué)性能和用途。了解金屬間化合物結(jié)構(gòu)材料、金屬基復(fù)合材料及亞穩(wěn)金屬材料的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)和應(yīng)用發(fā)展前景。3、能夠根據(jù)工程構(gòu)件、機(jī)器零件（或工具）的服役條件，具有合理選用材料，正確