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1、钢铁材料学钢铁材料学孔孔 见见材料科学与工程学院材料科学与工程学院绪论绪论金属材料学是研究金属材料的金属材料学是研究金属材料的成分、组成分、组织结构与性能织结构与性能之间关系的一门技术科学。之间关系的一门技术科学。钢铁材料钢铁材料组成组成-结构结构-性质性质-工艺过程之间工艺过程之间关系示意图关系示意图合成与制备过程合成与制备过程使用性能使用性能性质性质组组成成与与结结构构（化学）（化学）（工程）（工程）（物理学）（物理学）一、材料发展与社会进步一、材料发展与社会进步材料发展与社会进步的密切关系：材料发展与社会进步的密切关系：石器石器青铜器青铜器铁器时代铁器时代 第第一一次次产产业业革革命命的
2、的突突破破口口是是推推广广应应用用蒸蒸汽汽机机 ，但但只只有有在在开开发发了了铁铁和和铜铜等等新新材材料料以以后后，蒸蒸汽汽机机才得以使用并逐步推广。才得以使用并逐步推广。 第第二二次次产产业业革革命命一一直直延延续续到到20世世纪纪中中叶叶，以以石石油油开开发发和和新新能能源源广广泛泛使使用用为为突突破破口口，大大力力发发展展飞飞机机、汽汽车车和和其其他他工工业业，支支持持这这个个时时期期产产业业革革命命的的仍仍然然是是新新材材料料开开发发。如如合合金金钢钢、铝铝合合金金以以及及各各种非金属材料的发展。种非金属材料的发展。 材料是当代文明的三大支柱之一材料是当代文明的三大支柱之一材料、能源、
3、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国民是当代社会文明和国民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。术发展的物质基础和技术先导。 材料是全球新技术革命的材料是全球新技术革命的四大标志四大标志之一之一（新材料技术、新能源技术、信息技术、新材料技术、新能源技术、信息技术、生物技术生物技术）。）。材料按化学组成（或基本组成）分类材料按化学组成（或基本组成）分类根据材料的性能特点分类（根据材料的性能特点分类（结构材料与功结构材料与功能材料能材料） 材料按服役的领域来分类材料按服役的领域来分类 材料按结晶状态分类材料按结晶状态分类二、材料分
4、类二、材料分类 按按物物理理性性质质可可分分为为：导导电电材材料料、绝绝缘缘材材料料、半半导导体体材材料料、磁磁性性材材料料、透透光光材材料料、高高强强度度材材料料、高高温温材材料料、超硬材料等。超硬材料等。按按物物理理效效应应分分为为：压压电电材材料料、热热电电材材料料、铁铁电电材材料料、非非线线性性光光学学材材料料、磁磁光光材材料料、电电光光材材料料、声声光光材材料料、激光材料等。激光材料等。按按用用途途分分为为：电电子子材材料料、电电工工材材料料、光光学学材材料料、感感光光材材料料、耐耐酸酸材材料料、研研磨磨材材料料、耐耐火火材材料料、建建筑筑材材料料、结构材料、包装材料等。结构材料、包
5、装材料等。按化学组成（或基本组成）分类：按化学组成（或基本组成）分类：1. 金属材料金属材料2. 无机非金属材料无机非金属材料3. 高分子材料（聚合物）高分子材料（聚合物）4. 复合材料复合材料金属材料金属材料 金属材料是由化学元素周金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的可分为由一种金属元素构成的单质（单质（纯金属纯金属）；由两种或两）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的金属元素构成的合金合金。合金又。合金又可分为可分为固溶体固溶体和和金属间化合物金属间化合物。 在在103种元素中，除种
6、元素中，除He,Ne,Ar等等6种惰性元素和种惰性元素和C、Si、N等等16种非金属元素外，其余种非金属元素外，其余81种为金属元素。除种为金属元素。除Hg之外，之外，单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊单质金属在常温下呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，的金属光泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。 合合金金是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素，或或金金属属元元素素与与非非金金属属元元素素熔熔合合在在一一起起形形成成的的具具有有金
7、金属属特特性性的的新新物物质质。合合金金的的性性质质与与组组成成合合金金的的各各个个相相的的性性质质有有关关，同同时时也也与与这这些些相在合金中的数量、形状及分布有关。相在合金中的数量、形状及分布有关。 当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为固固溶体溶体。 金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时，除固溶体外，还可能形成成合金时，除固溶体外，还可能形成金属间化合物金属间化合物。 根根据据溶溶质质原原子子在在溶溶剂剂晶晶
8、体体结结构构中中的的位位置置，固固溶溶体可分为体可分为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。 在在置置换换固固溶溶体体中中，溶溶质质原原子子位位于于溶溶剂剂晶晶体体结结构构的的晶晶格格格格点点上上；在在间间隙隙固固溶溶体体中中，溶溶质质原原子子位位于于溶溶剂剂晶晶体体结结构构的的晶晶格格间间隙隙。溶溶质质原原子子在在固固溶溶体体中中的的分分布布可可以以是是随随机机的的，即即呈呈统统计计分分布布；也也可可以以是是部部分分有有序序或或完完全全有有序序，在在完完全全有有序序固固溶溶体体中中，异异类类原原子子趋趋于相邻，这种结构亦称为于相邻，这种结构亦称为超点阵或超结构超点阵或超结构。 此外，
9、合金中溶质原子还可能形成此外，合金中溶质原子还可能形成丛聚丛聚，即，即同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事同类原子趋于相邻。丛聚可以呈随机弥散分布。事实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布实上，实验中还没有见到溶质原子呈完全随机分布的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力的固溶体。因此，只能在宏观尺度上认为处于热力学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并学平衡态的固溶体是真正均匀的，而原子尺度上并不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列不要求它也是均匀的。不同类型固溶体中原子排列情况示于情况示于图图。不同类型固溶体中原子排列示意图不同类型固溶体中原子排列示意图 （a）
10、随机置换固溶体随机置换固溶体（b）有序置换固溶体有序置换固溶体（c）随机间隙固溶体随机间隙固溶体（d）固溶体中的溶质丛聚固溶体中的溶质丛聚 金金属属间间化化合合物物可可分分为为三三类类，即即由由负负电电性性决决定定的的原原子子价价化化合合物物（简简称称价价化化合合物物）、由由电电子子浓浓度度决决定定的的电电子子化化合合物物（亦亦称称为为电电子子相相）以以及及由由原原子子尺尺寸寸决决定定的的尺尺寸寸因因素素化化合合物物。除除了了这这三三类类由由单单一一元元素素决决定定的的典典型型金金属属间间化化合合物物外外，还还有有许许多多金金属属间间化化合合物物，其其结结构构由由两两个个或或多多个个因因素素决
11、决定定，称称之之为为复杂化合物复杂化合物。三、材料的三、材料的性质性质材料的材料的性质性质是指材料对电、磁、光、是指材料对电、磁、光、热、热、机械载荷机械载荷的反应，主要决定于材的反应，主要决定于材料的组成与结构。料的组成与结构。材料的性能：材料的性能：使使用用性性能能是是材材料料在在使使用用状状态态下下表表现现的的行行为为，它它与与材材料料设设计计、工工程程环环境境密密切切相相关关。实实用用性性能能包包括括可可靠靠性性、耐耐用用性性、寿寿命预测及延寿措施等。命预测及延寿措施等。使用性能使用性能包括包括力学性能、物理性能和化学性能等力学性能、物理性能和化学性能等工艺性能工艺性能是指对各种加工工
12、艺手段所表现出来的特性，是指对各种加工工艺手段所表现出来的特性，即可加工性。包括即可加工性。包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能性能、切削加工性能等。等。 四、选材的一般原则四、选材的一般原则1.使用性能使用性能2.工艺性能工艺性能3.经济性经济性参考书目参考书目1.王笑天王笑天 金属材料学金属材料学 机械工业出版社机械工业出版社2.王晓敏王晓敏 工程材料学工程材料学 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社3.章守华主编，合金钢，冶金工业出版社章守华主编，合金钢，冶金工业出版社4. F.B.匹克林著匹克林著 石霖译，物理冶金与钢的设计
13、，石霖译，物理冶金与钢的设计，北京工业学院出版北京工业学院出版5.崔巍主编，钢铁材料及有色金属材料，机械工崔巍主编，钢铁材料及有色金属材料，机械工业出版社业出版社6.W.F.史密斯著史密斯著 张泉等译，工程合金的组织与张泉等译，工程合金的组织与性能，冶金工业出版性能，冶金工业出版 7.合金钢或金属材料、工程材料等合金钢或金属材料、工程材料等教学安排教学安排绪绪 论论1 1 钢铁材料基础钢铁材料基础-8-8 2 2 工程构件用钢工程构件用钢-6-63 3 机器零件用钢机器零件用钢-4-44 4 工模具用钢工模具用钢-6-65 5 不锈钢与耐热钢不锈钢与耐热钢-2-26 6 铸铁铸铁-4-4其他其他-2-2学习要求与考试方式学习要求与考试方式1.听课要求听课要求2.小论文要求小论文要求(1030%)3.考试考试
