《金属材料学》课程授课教案（讲稿，华北理工大学：左桂福）.pdf

第一单元绪论（预计学时数：2课时）【学习目的和要求】1.知识掌握：金属材料的分类、金属材料在人类社会发展中的地位、国内外金属材料的发展与冶炼技术的进步过程、各种金属矿藏储量与各种金属产量发展的不平衡性问题的原因、炼铁与炼钢的工艺简介等内容。2.能力培养：通过本部分的学习，使学生了解在人类社会变革过程中，工具材料的发展尤其是金属材料具有划时代的意义，直至当今社会在材料学领域中金属材料仍占据着非常重要的地位以及当今钢铁冶炼的发展。3.教学方法：理论联系实际，注重金属材料在实际生活中应用的介绍及科研现状的介绍。【重点】金属材料的分类，国内外金属材料的发展与冶炼技术的进步过程【难点】国内外金属材料的发展第一节金属材料的过去现在和将来1.1第一阶段：原始钢铁生产（民间技艺）知识拓展：公元前4300年，自然金属（天然金、铜）的加工生铁和熟铁的区别在公元前2800年，铁的熔炼于其含碳量的多少。公元前2000年的商周时期，青铜器时代（编钟）生铁含碳量较高，熟春秋时期，生铁铸造法铁含碳量较低。钢的东汉，北齐时期，反复锻打钢工艺（形变热处理工艺）。含碳量介于生铁和熟Sample:铁之间。生铁一般指:中国北齐时期采用灌钢法所造的著名钢刀。北齐发展了灌钢法，含碳量在2~4.3%，熟造出著名的宿铁刀。其法，“烧生铁精以重柔挺，数宿则成钢。以柔铁含碳量在0.15%以铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂。这是一种和铸铁脱碳、下。）生铁一般指含碳生铁炒炼不同的新的制钢工艺。先把生铁熔化，浇灌到熟铁上，使碳量在2~4.3%的铁的：渗人熟铁，增加熟铁的含碳量，然后分别用牲尿和牲脂火成钢。：合金。又称铸铁。生:性畜尿中含有盐分，淬火对此水冷却快。萍火后的钢质坚硬用牲畜铁里除含碳外，还含脂肪淬火时冷却馒，因此钢质柔韧。经过这两种淬火剂处理后，钢有硅、锰及少量的硫、质柔韧，刀刃刚柔兼得，可以"斩甲过三十扎”。将熔融的生铁（即“生铁精”）和熟铁合炼，使碳分扩散，趋于均匀，液态生铁中的碳分与熟铁中的氧化物起作用，又有利于去除杂质，纯化组织，成为含碳量较高的优质钢料，适于做刀刃使用。至于宿铁刀的做法，按上述记载可知，是用含碳量低的熟铁（即“柔铁”）作刀脊，将宿铁（早期的灌钢)作刀刃，实际即是后来所谓“夹钢”。这样做成的刀具，锋刃坚利而又不易拆断，刚柔兼备，经久耐用，属于钢、铁复合材质。为获得锋利的刀刃，宿铁刀在火时使用了畜和油脂两种萍火介质。前一种含有盐分，冷却速度比水要快，利于浮硬：后一种冷却速度比水要慢，可以使钢料更为坚韧。这是对钢铁淬火工艺的重大改进。也有可能已使用双液淬火，即先在冷却速度大的畜溺中萍火，避免奥氏体在高温转变：再在油脂中，使马氏体的转变较为缓慢，以减小变形和开裂的倾向。“2

2 第一单元绪论（预计学时数：2 课时）【学习目的和要求】 1.知识掌握：金属材料的分类、金属材料在人类社会发展中的地位、国内外金属材料的发展与冶炼技术的进步过程、各种金属矿藏储量与各种金属产量发展的不平衡性问题的原因、炼铁与炼钢的工艺简介等内容。 2.能力培养：通过本部分的学习，使学生了解在人类社会变革过程中，工具材料的发展尤其是金属材料具有划时代的意义，直至当今社会在材料学领域中金属材料仍占据着非常重要的地位以及当今钢铁冶炼的发展。 3.教学方法：理论联系实际，注重金属材料在实际生活中应用的介绍及科研现状的介绍。【重点】金属材料的分类，国内外金属材料的发展与冶炼技术的进步过程【难点】国内外金属材料的发展第一节金属材料的过去现在和将来 1.1 第一阶段：原始钢铁生产（民间技艺）公元前 4300 年，自然金属（天然金、铜）的加工公元前 2800 年，铁的熔炼公元前 2000 年的商周时期，青铜器时代（编钟）春秋时期，生铁铸造法东汉，北齐时期，反复锻打钢工艺（形变热处理工艺）。 Sample: 中国北齐时期采用灌钢法所造的著名钢刀。北齐发展了灌钢法，造出著名的宿铁刀。其法，"烧生铁精以重柔挺，数宿则成钢。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂"。这是一种和铸铁脱碳、生铁炒炼不同的新的制钢工艺。先把生铁熔化;浇灌到熟铁上，使碳渗人熟铁，增加熟铁的含碳量，然后分别用牲尿和牲脂淬火成钢。牲畜尿中含有盐分，淬火对此水冷却快。淬火后的钢质坚硬;用牲畜脂肪淬火时冷却馒，因此钢质柔韧。经过这两种淬火剂处理后，钢质柔韧，刀刃刚柔兼得，可以"斩甲过三十扎"。将熔融的生铁(即“生铁精”)和熟铁合炼，使碳分扩散，趋于均匀，液态生铁中的碳分与熟铁中的氧化物起作用，又有利于去除杂质，纯化组织，成为含碳量较高的优质钢料，适于做刀刃使用。至于宿铁刀的做法，按上述记载可知，是用含碳量低的熟铁(即“柔铁”)作刀脊，将宿铁(早期的灌钢)作刀刃，实际即是后来所谓“夹钢”。这样做成的刀具，锋刃坚利而又不易拆断，刚柔兼备，经久耐用，属于钢、铁复合材质。为获得锋利的刀刃，宿铁刀在淬火时使用了畜溺和油脂两种淬火介质。前一种含有盐分，冷却速度比水要快，利于淬硬；后一种冷却速度比水要慢，可以使钢料更为坚韧。这是对钢铁淬火工艺的重大改进。也有可能已使用双液淬火，即先在冷却速度大的畜溺中淬火，避免奥氏体在高温转变；再在油脂中淬，使马氏体的转变较为缓慢，以减小变形和开裂的倾向。“ 知识拓展：生铁和熟铁的区别在于其含碳量的多少。生铁含碳量较高，熟铁含碳量较低。钢的含碳量介于生铁和熟铁之间。生铁一般指含碳量在 2~4.3%，熟铁含碳量在 0.15%以下。）生铁一般指含碳量在 2~4.3%的铁的合金。又称铸铁。生铁里除含碳外，还含有硅、锰及少量的硫

1.2第二阶段：钢铁的研究与发展（实验科学）18，19世纪1827年，Karsten从钢中分离出了Fe3C（渗碳体）1864年，Sorby第一次对金属进行制片、抛光、腐蚀和拍照，诞生了第一张金相组织照片，虽然仅放大9倍，但是意义重大，因为他也是金相显微镜的发明人，因此被称为金相之父。1820年，铁铬合金；1857年钨钢；1871年，锰钢和硅钢1.3第三阶段：微观理论的发展（理论科学）20世纪合金相图，位错理论和微结构分析（1）在1900一1940年期间，许多国家的大学已经设置了冶金系，工业上也开始了大量的生产与研究。导出了合金相组成的一般规律，发现了合金相本质，得到了大量的合金相图，马氏体转变的晶体学研究也取得了一定的进展。这个时期，出现了许多新的合金钢（2）1938年发明了电子显微镜，从1940年开始到现在，金属学得到了飞跃的发展。由于电子显微镜的发明，使人们不仅看到了钢中第二相沉淀析出的情况，而且还可以看到了位错的滑移行为，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构等现象。因此，位错理论得到了完善的发展。金属学中许多典型的照片就是在这个时期研究中拍摄的科学技术的发展很大程度上依赖于新科学仪器的不断发明和性能的不断提高。由于粒子光学的发展，除了显微镜向多功能方向发展外，又产生了一些新的仪器，如电子探针分析器、场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜、扫描道显微镜、原子力显微镜等。这些仪器的检测提供了大量金属表面和界面的微观结构信息，导致了金属表面和界面科学的产生。第二节现阶段的金属材料2.1现代金属材料（1）新型金属材料的发展长期以来，金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料。钢铁、铜合金、铝合金、镍合金等都是最重要和最广泛应用的传统金属材料，即使是21世纪也不能否定金属材料是最重要的结构材料和功能材料的地位。但是，随着社会的发展，对金属材料的使用性能的要求越来越高，金属材料本身必须要发展以满足新的需要，同时科学技术的发展，使金属材料有可能得到新的大发展-可以预期，新型金属材料的发展和应用将成为21世纪金属材料工业的重要特征之一。其中首先是为适应特殊条件下的金属及合金材料和复合材料。如超高强、高韧性钢，低温钢，抗辐射钢，耐磨钢，耐蚀钢，抗氧化钢等高性能合金钢，先进不锈钢，高温合金，低合金高强钢，还有铸造稀十镁合金，新型稀土发光材料，高性能稀土永磁村料，稀土磁致仲缩材料，形状记忆合金及制品，高性能钛合金，粉末冶金高强度材料及制品，高性能硬质合金，各种金属基复合材料等都将是中国未来发展的重点。（2）先进结构材料高性能结构材料是指高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能的结构材料。中国虽然是钢铁生产大国，但仍然有27%的钢材产品的质量和性能不能满足需要：8%的高性能钢材还不能生产，要靠进口：并且现在的材料生产能耗高、污染严重，所以传统工业的技术改造任务也是很艰巨的。3

3 1.2 第二阶段：钢铁的研究与发展（实验科学）18，19 世纪 1827 年，Karsten 从钢中分离出了 Fe3C（渗碳体） 1864 年，Sorby 第一次对金属进行制片、抛光、腐蚀和拍照，诞生了第一张金相组织照片，虽然仅放大 9 倍，但是意义重大，因为他也是金相显微镜的发明人，因此被称为金相之父。 1820 年，铁铬合金；1857 年钨钢；1871 年，锰钢和硅钢 1.3 第三阶段：微观理论的发展（理论科学）20 世纪合金相图，位错理论和微结构分析（1）在 1900〜1940 年期间，许多国家的大学巳经设置了冶金系，工业上也开始了大量的生产与研究。导出了合金相组成的一般规律，发现了合金相本质，得到了大量的合金相图，马氏体转变的晶体学研究也取得了一定的进展。这个时期，出现了许多新的合金钢。（2）1938 年发明了电子显微镜，从 1940 年开始到现在，金属学得到了飞跃的发展。由于电子显微镜的发明，使人们不仅看到了钢中第二相沉淀析出的情况，而且还可以看到了位错的滑移行为，发现了不全位错、层错、位错墙、亚结构等现象。因此，位错理论得到了完善的发展。金属学中许多典型的照片就是在这个时期研究中拍摄的科学技术的发展很大程度上依赖于新科学仪器的不断发明和性能的不断提高。由于粒子光学的发展，除了显微镜向多功能方向发展外，又产生了一些新的仪器，如电子探针分析器、场离子发射显微镜和场电子发射显微镜、扫描透射电镜、扫描璲道显微镜、原子力显微镜等。这些仪器的检测提供了大量金属表面和界面的微观结构信息，导致了金属表面和界面科学的产生。第二节现阶段的金属材料 2.1 现代金属材料（1）新型金属材料的发展长期以来，金属材料一直是最重要的结构材料和功能材料。钢铁、铜合金、铝合金、镍合金等都是最重要和最广泛应用的传统金属材料，即使是 21 世纪也不能否定金属材料是最重要的结构材料和功能材枓的地位。但是，随着社会的发展，对金属材料的使用性能的要求越来越髙，金属材料本身必须要发展以满足新的需要，同时科学技术的发展，使金属材料有可能得到新的大发展‐可以预期，新型金属材料的发展和应用将成为 21 世纪金属材料工业的重要特征之一。其中首先是为适应特殊条件下的金属及合金材料和复合材料。如超高强、髙韧性钢，低温钢，抗辐射钢，耐磨钢，耐蚀钢，抗氧化钢等高性能合金钢，先进不锈钢，髙温合金，低合金高强钢，还有铸造稀土镁合金，新型稀土发光材料，高性能稀土永磁村料，稀土磁致忡缩材料，形状记忆合金及制品，髙性能钛合金，粉末冶金髙强度材料及制品，高性能硬质合金，各种金属基复合材料等都将是中国未来发展的重点。（2）先进结构材料高性能结构材料是指高比强度、髙比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能的结构材料。中国虽然是钢铁生产大国，但仍然有 27%的钢材产品的质量和性能不能满足需要；8%的髙性能钢材还不能生产，要靠进口；并且现在的材料生产能耗髙、污染严重，所以传统工业的技术改造任务也是很艰巨的

提高传统金属材料的性能，重要的途径之一是使材料的组织更细更均句一些，材料更纯净一些。细化晶粒从现有的亚毫米级到亚微米级时，钢的强度会得到显著的提高，有很大的潜力。问题的关键是要进行深人的基础研究，用什么工艺方法才能在大生产条件下制备出亚微米级晶粒的材料。这是目前中国正在进行的国家级重大基础研究的目标。美国911事件后，暴露了建筑用钢结构抗高温软化能力很差的一大致命弱点，引起了大家的注意。中国目前已经开发了高强热虱耐火耐候钢，该钢既具有低屈强比、良好的焊接性等特点，又具有耐火性、耐候性等功能特点。在600度高温时的屈服强度不低于室温的23。保证大楼在烈火中长时间经受考验。（3）高温合金材料研究表明，飞机及航空发动机性能的改进，其23和1/2是要靠材料性能的提高。对飞行速度更高的卫星和飞船来说，能减重1kg就能带来极高的效益。汽车节油有37%靠材料的轻量化，40%靠发动机的改进，而绝热发动机（不需要冷却）主要靠材料性能的提高。所以，高温材料的研究与开发是当务之急。从高温材料来看，碳复合材料可达到2500，但抗氧化能力太差，只能用于火箭、导弹；树脂基复合材料的工作温度只有300-350：现有的金属基复合材料虽然有比较好的综合性能，由于成本高，目前也只限于宇航，只有颗粒或短纤维增强的金属基复合材料有可能大量椎广于民用。钛及钛铝中间化合物密度小、工作温度高600-1000，在空间机械应用前景广阔。（举例：碳纳米管增强铝基纳米复合材料（4）低温钢由于各种低温技术的温度、应力等的服役条件不同，因此对所需结构材料的性能要求也不同；需要开发各种系列用途的低温奥氏体钢。而传统的奥氏体不锈钢由于组织稳定性和强度低等原因而不能胜任。因此，许多国家都在致力于开发各种高性能低湿用新型奥氏体结构钢。（5）新型工具钢利用气体雾化制粉后采取热等静压的粉末冶金工艺可以生产出韧性和耐磨性都很好的合金工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向，在不降低性能的前提下尽可能降低钢中W的含量。涂层高速钢是高速工具发展的一个重要方面.近年来已经开发成功利用离子渗入法在高速钢工具表面涂TiC、TiN等涂层高速钢，发挥了极其优越的性能。2.2金属材料的可持续发展与趋势我国2020年可以保证需求的矿产仅为9种，特别是铁、锰、铬、铜、铝等矿产将长期短缺。另外，现有的资源利用率不高，资源浪费严重。矿产资源的开发总同收率只有30-50%，比发达国家平均低20%左右。高投入、低效率、高污染”的问题，在中国资源的开发和利用中严重存在。无废物的生产对资源和环境的保护具有重大的意义。最典型的是微生物治金，已经在许多国家进行了工业性生产。从资源和环境的角度分析，在材料的采矿、提取、制备、生产加工、使用和废弃的过程中，一方面，它推动着社会经济发展和人类文明进步：另一方面，又消耗着大量的资源和能源，并排放出大量的废气、废水和废渣，污染着人类生存的环境，4

4 提高传统金属材料的性能，重要的途径之一是使材料的组织更细更均勻一些，材料更纯净一些。细化晶粒从现有的亚毫米级到亚微米级时，钢的强度会得到显著的提高，有很大的潜力。问题的关键是要进行深人的基础研究，用什么工艺方法才能在大生产条件下制备出亚微米级晶粒的材料。这是目前中国正在进行的国家级重大基础研究的目标。美国 911 事件后，暴露了建筑用钢结构抗高温软化能力很差的一大致命弱点，引起了大家的注意。中国目前已经开发了高强热軋耐火耐候钢，该钢既具有低屈强比、良好的焊接性等特点，又具有耐火性、耐候性等功能特点。在 600 度髙温时的屈服强度不低于室温的 2/3。保证大楼在烈火中长时间经受考验。（3）高温合金材料研究表明，飞机及航空发动机性能的改迸，其 2/3 和 1/2 是要靠材料性能的提髙。对飞行速度更高的卫星和飞船来说，能减重 1 kg 就能带来极髙的效益。汽车节油有 37%靠材料的轻量化，40%靠发动机的改进，而绝热发动机〈不需要冷却）主要靠材料性能的提高。所以，高温材料的研究与开发是当务之急。从髙温材料来看，碳复合材料可达到 2500，但抗氧化能力太差，只能用于火箭、导弹；树脂基复合材料的工作温度只有 300-350；现有的金属基复合材料虽然有比较好的综合性能，由于成本高，目前也只限于宇航，只有颗粒或短纤维增强的金属基复合材料有可能大量椎广于民用。钛及钛铝中间化合物密度小、工作温度髙 600-1000，在空间机慽应用前景广阔。（举例：碳纳米管增强铝基纳米复合材料）（4）低温钢由于各种低温技术的温度、应力等的服役条件不同，因此对所需结构材料的性能要求也不同；需要开发各种系列用途的低温奥氏体钢。而传统的奧氏体不锈钢由于组织稳定性和强度低等原因而不能胜任。因此，许多国家都在致力于开发各种高性能低湿用新型奧氏体结构钢。（5）新型工具钢利用气体雾化制粉后采取热等静压的粉末冶金工艺可以生产出韧性和耐磨性都很好的合金工具钢。经济合金化是高速钢的一个发展方向，在不降低性能的前提下尽可能降低钢中 W 的含量。涂层髙速钢是高速工具发展的一个重要方面.近年来已经开发成功利用离子渗入法在高速钢工具表面涂 TiC、TiN 等涂层高速钢，发挥了极其优越的性能。 2.2 金属材料的可持续发展与趋势我国 2020 年可以保证需求的矿产仅为 9 种，特别是铁、锰、铬、铜、铝等矿产将长期短缺。另外，现有的资源利用率不高，资源浪费严重。矿产资源的幵发总冋收率只有 30-50%，比发达国家平均低 20%左右。"高投入、低效率、高污染"的问题，在中国资源的开发和利用中严重存在。无废物的生产对资源和环境的保护具有重大的意义。最典型的是微生物冶金，已经在许多国家进行了工业性生产。从资源和环境的角度分析，在材料的采矿、提取、制备、生产加工、使用和废弃的过程中，一方面，它推动着社会经济发展和人类文明进步；另一方面，又消耗着大量的资源和能源，并排放出大量的废气、废水和废渣，污染着人类生存的环境