金属材料学(全套)
《金属材料学》课件
性。
合金化
通过改变金属的成分， 提高其耐蚀性。
缓蚀剂
添加缓蚀剂抑制金属腐 蚀的化学反应速度。
金属材料在特定环境下的耐腐蚀性
01
02
03
04
酸性环境
钢铁、不锈钢等对酸有一定的 耐蚀性，但不同金属差异较大
。
碱性环境
铝、镁等金属在碱性环境中容 易发生腐蚀。
海洋环境
04 金属材料的腐蚀与防护
CHAPTER
金属材料的腐蚀机理
电化学腐蚀
金属与电解质溶液接触，通过电极反应发生的腐 蚀。
化学腐蚀
金属与非电解质直接反应，生成金属氧化物的腐 蚀。
生物腐蚀
金属在有微生物的环境下发生的腐蚀。
金属材料的防腐蚀方法
涂层保护
在金属表面涂覆防腐蚀 涂层，隔离金属与腐蚀
介质。
电镀
金属材料的化学性能是指其在各种环 境中的稳定性，包括耐腐蚀性、抗氧 化性、耐候性等。
耐腐蚀性是指金属材料抵抗腐蚀的能 力，抗氧化性是指金属材料在高温下 抵抗氧化的能力，耐候性是指金属材 料在自然环境中抵抗光、热、水、大 气等因子的作用的能力。
金属材料的力学性能
金属材料的力学性能是指其在受力作用下的行为表现，包括强度、塑性、韧性、 硬度等。
详细描述
金属材料主要是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有 金属特性的工程材料，如铁、铝、铜等。根据成分和用途， 金属材料可以分为钢铁、有色金属、贵金属等类型。
金属材料的特性与用途
总结词
金属材料具有导电性、导热性、延展性等特性，广泛应用于建筑、机械、电子 等领域。
详细描述
金属材料具有良好的导电性、导热性和延展性，这些特性使得金属在建筑、机 械、电子等领域得到广泛应用。例如，钢铁用于制造桥梁和建筑结构，铜用于 电线和电缆，铝用于包装和航空航天领域。
金属材料学
名词解释合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。
（常用Me表示）微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。
奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ-Fe的元素C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W等铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能α-Fe稳定的元素Cr，V，Si，Al，Ti，Mo等原位析出：指在回火过程中，合金渗碳体转变为特殊碳化物。
碳化物形成元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。
如Cr钢碳化物转变异位析出：含强碳化物形成元素的钢，在回火过程中直接从过饱和α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，如V，Nb，Ti。
（Ｗ和Mo既有原味析出又有异位析出）网状碳化物：热加工的钢材冷却后，沿奥氏体晶界析出的过剩碳化物（过共析钢）或铁素体（亚共析钢）形成的网状碳化物。
水韧处理：高锰钢铸态组织中沿晶界析出的网状碳化物显著降低钢的强度、韧性和抗磨性。
将高锰钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物完全溶入奥氏体，然后在水中快冷，使碳化物来不及析出，从而获得获得单相奥氏体组织。
（水韧后不再回火）超高强度钢：用回火M或下B作为其使用组织，经过热处理后抗拉强度大于1400 MPa （或屈服强度大于1250MPa）的中碳钢，均可称为超高强度钢。
晶间腐蚀：沿金属晶界进行的腐蚀（已发生晶间腐蚀的金属在外形上无任何变化，但实际金属已丧失强度）n/8规律：随着Cr含量的提高，钢的的电极电呈跳跃式增高。
即当Cr的含量达到1/8，2/8，3/8，……原子比时，Fe的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也跳跃式显著下降。
这个定律叫做n/8规律。
黄铜： Cu与Zn组成的铜合金青铜： Cu与Zn、Ni以外的其它元素组成的铜合金白铜： Cu与Ni组成的铜合金灰口铸铁：灰口铸铁中碳全部或大部分以片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色。
《金属材料学》 课程教学大纲
《金属材料学》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：金属材料学英文名称：Science of Metal Materials二、课程代码及性质课程代码: 0806803课程性质:专业必修课三、学时与学分总学时：48（理论学时：48学时；实践学时：0学时）学分：3四、先修课程材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能五、授课对象本课程面向材料科学与工程专业开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程的教学目的:1. 系统掌握金属合金化的基本原理，建立典型金属材料的牌号--成分--热处理工艺--组织特征--性能之间的关系，形成完整的金属材料学知识体系；2. 熟悉典型金属材料的服役条件与失效方式，为金属材料的工程应用奠定基础；3. 培养学生金属材料设计与选材的基本能力，使学生具备将所学知识进行综合分析的能力；4. 了解金属材料发展前沿与动态，掌握其发展规律。
七、教学重点与难点：教学重点：熟练掌握钢的合金化原理，系统掌握服役条件—材料成分和编号—热处理工艺—组织结构—性能之间的关系。
教学难点：金属材料合金化原理中的元素交互作用辩证关系，针对品种繁杂的钢种，灵活掌握其特点，具备初步应用的基本能力。
八、教学方法与手段：教学方法：(1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,引入生动的工程案例，将知识性与趣味性有机结合;(2)安排适量的课堂作业和课堂讨论,调动学生学习的主管能动性，要求学生通过课下资料查阅，掌握文献阅读、归纳和表达的基本能力。
教学手段：(1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,引入图像、视频等，生动教学；(2)多引入工程案例，并结合知识点进行剖析。
九、教学内容与学时安排（1）总体安排教学内容与学时的总体安排，如表2所示。
（2）具体内容各章节的具体内容如下：绪论（金属材料的过去、现在和将来）：1．教学内容（1）金属材料发展简史（2）现代金属材料（3）金属材料的可持续发展与趋势2．基本要求了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。
金属材料学(全套课件)
物理性能
化学性能
热处理可以改变金属材料的化学性能 ，如耐腐蚀性、抗氧化性等。例如， 不锈钢经过热处理后，其耐腐蚀性会 得到显著提高。
热处理对金属材料的物理性能也有显 著影响，如导热性、导电性、磁性等 。
04
金属材料的力学性能
金属的拉伸性能
拉伸试验
通过拉伸试验测定金属材料的强 度、塑性和韧性等力学性能指标
02
金属材料的晶体结构
金属的晶体结构类型
01
体心立方晶格（BCC）
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在其中心有一个原子，八个顶点上
各有一个原子。具有此晶格的金属有铬、钨、钼、铁、铌等。
02 03
面心立方晶格（FCC）
面心立方晶格的晶胞是一个立方体，在其八个顶点上各有一个原子，六 个面的中心各有一个原子。具有此晶格的金属有铝、铜、镍、铅、金等 。
铝合金
密度小、比强度高、耐腐蚀性好，用于航空 航天、汽车、电子等领域。
钛合金
比强度高、耐腐蚀性好、高温性能优异，用 于航空航天、医疗等领域。
金属材料的发展趋势与挑战
高性能化
轻量化
发展更高强度、更高韧性、更耐腐蚀的金 属材料，以满足高端制造的需求。
通过合金化、复合化等手段降低金属材料 的密度，以适应节能减排的要求。
包括模具设计、熔炼、浇注、冷却、落砂、清理 等步骤，影响铸件的质量和性能。
铸造合金
常用的铸造合金有铸铁、铸钢、铝合金等，具有 不同的铸造性能和机械性能。
金属的压力加工与成型工艺
压力加工
01
通过外力使金属坯料产生塑性变形，从而获得所需形状、尺寸
和性能的加工方法。
成型工艺
02
包括锻造、轧制、挤压、拉拔等，可生产各种形状和规格的金
(完整版)金属材料学知识整理(经典版)
第一章 合金化原理主要内容：概念：⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。
⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。
⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。
⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。
①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。
②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。
③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。
④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。
1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质1.锰（ Mn ）和硅（ Si ）⑴Mn ：W Mn ％<0.8％ ①固溶强化 ②形成高熔点MnS 夹杂物（塑性夹杂物），减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）；⑵Si ：W Si ％<0.5％ ①固溶强化 ②形成SiO2脆性夹杂物；⑶Mn 和Si 是有益杂质，但夹杂物MnS 、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。
2.硫（S ）和磷（P ）⑴S ：在固态铁中的溶解度极小， S 和Fe 能形成FeS ，并易于形成低熔点共晶。
发生热脆 (裂)。
⑵P ：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。
磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。
⑶S 和P 是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。
3．氮（N ）、氢（H ）、氧（O ）⑴N ：在α-铁中可溶解，含过饱和N 的钢析出氮化物—机械时效或应变时效（经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变）。
N 可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。
⑵H ：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。
⑶O ：在钢中形成硅酸盐（2MnO•SiO2、MnO•SiO2）或复合氧化物（MgO•Al2O3、碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途 1.1 碳钢概论 主要内容 1.2 钢的合金化原理： ①Me 在钢中的存在形式 ②Me 与铁和碳的相互作用 ③Me 对Fe-Fe3C 相图的影响 ④Me 对钢的热处理的影响 ⑤Me 对钢的性能的影响 1.3合金钢的分类MnO•Al2O3）。
(完整)金属材料学复习资料
金属材料学复习资料一．名词解释1、合金元素: 为了得到一定的物理、化学或机械性能而特别添加到钢中的化学元素。
(常用M来表示)2、微合金元素:有些合金元素如V,Nb,Ti，Zr和B等，当其含量只在0.1％左右（如B 0。
001％，V 0。
2 %）时,会显著地影响钢的组织与性能,将这种化学元素称为微合金元素.3、奥氏体形成元素：在γ—Fe中有较大的溶解度，且能稳定γ相；如Mn, Ni，Co，C，N，Cu；4、铁素体形成元素：在α—Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。
如：V,Nb, Ti 等。
5、原位转变（析出）：元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时，合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物.6、离位转变（析出）:在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC 和强度提高（二次硬化效应）。
如V，Nb，Ti等都属于此类型.7、二次淬火:在强碳化物形成元素含量较高的合金钢中淬火后残余奥氏体十分稳定,甚至加热到500~600℃范围内回火时仍不分解，而是在冷却时部分转化成马氏体，使钢的硬度提高.8、二次硬化:在含有Ti、V、Nb、Mo、W等较高合金淬火后,在500~600℃范围内回火，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的硬度和强度提高9、液析碳化物：由于碳和合金元素偏析,在局部微小区域内从液态结晶时析出的碳化物。
10、带状碳化物:由于二次碳化物偏析，在偏析区沿轧向伸长呈带状分布。
11、网状碳化物：过共析钢在热轧（锻）加工后缓慢冷却过程中由二次碳化物以网状析出于奥氏体晶界所造成的。
12、水韧处理:高锰钢铸态组织中沿晶界析出的网状碳化物显著降低钢的强度、韧性和抗磨性.将高锰钢加热到单相奥氏体温度范围,使碳化物充分溶入奥氏体，然后水冷，获得单一奥氏体组织。
13、超高强度钢：用回火M和下B作为其使用组织，经过热处理后一般讲，抗拉强度在大于1400MPa,（或屈服强度大于1250MPa）的中碳钢均称为超高强度钢。
金属材料学
金属材料学绪论：§ 1.1 材料与人类文明的发展1、金属材料的地位和作用材料是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为人类生活和生产的物质基础。
二十世纪之后，特别是近几年来，非金属材料如工程陶瓷等，有了迅速的发展，在某些领域上在逐步代替金属材料、并显示了明显的优点。
又由于各种现代研究手段的发展与应用；从而大大加深了人们对金属材料微观结构与宏观性能关系的认识。
因此，金属材料学近几十年来得到了迅速的发展。
金属材料的分类工业上使用的金属材料种类繁多，通常可以分为：黑色金属：铁、锰、铬及其合金；有色金属：除黑色金属以外的所有金属与合金；开设本课程的目的a、使学生了解和掌握金属材料的性能与成分和组织结构之间的关系及其变化规律；正确的选择和使用金属材料、充分发挥材料的潜力、合理的制定热处理工艺。
掌握合金化的基本原理，为研制新型材料打下基础.课程要求金属材料学是一门综合性很强的专业必修课。
应在学完材料科学基础、材料力学性能等课程的基础上学习本课程，而在学习其他专业课、进行课程设计、毕业设计时，时常用到金属材料学基础；金属材料学应在理解的基础上记住重点内容。
第一章钢的合金化原理1-1钢中的元素与合金元素一、钢中的元素：Si Mn、S、P、Cu、Cr、Ni、O、N、H、Re等炼钢生铁和炼钢炉钢种元素的归类：a、常存元素：硅、锰、硫、磷；b、偶存元素：铜、铬、镍；c、隐存元素：氧、氮、氢；d、合金元素：为提高钢的某些性能，有意在冶炼时加入到钢中，其含量在一定范围的化学元素。
性能：物理性能、化学性能、机械性能、某些组织结构。
钢中常用的合金元素：B、N、AL、Si、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、W、Re；钢中的元素：利与害；杂质元素：由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入到钢中的化学元素钢中的杂质含量一般限制在以下范围：锰≤0.5% ;硅≤0.4%;Cr≤0.3%; Ni、Cu≤0.3%;Mo≤0.1%; W≤0.2%; P≤0.025~0.04;%;S≤0.015~0.05。
金属材料学完整版
7
6、非合金钢：
不含合金元素的钢。主要包括“碳素钢”， 还包括电工用纯铁（C<0.02%称纯铁）、原料纯 铁等。
7、低合金钢
Mn，Cr，Cu，Mo，Ni，Si，Ti，V，W等元 素含量在非合金钢和合金钢含量之间。
8
非合金钢 Mn Mo <1% <0.05%
P：350℃； 3.原始浓度（C0）
C，N：室温附近。
Nb，Mo：500℃。
C0越低，产生显著晶界偏聚的时间也越长。
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4. 多种溶质原子之间的相互作用
(1)畸变能差大的元素优先发生偏聚。（如铈的晶 界偏聚倾向大于磷） (2)影响晶界偏聚速度。（如铈减慢锑的晶界偏聚 速度） (3)影响在晶内的溶解度。（镧与磷和锡在晶界偏 聚，降低了磷和锡在晶内的浓度）
低合金钢 1~1.4% 0.05~0.1%
合金钢 ≥1.4% ≥0.10%
9
我国低合金钢从50年代开始研制，生产。
目前标准牌号约100个，以Mn为主，重点牌号
为16Mn，有些加入微量元素Mo，V，Nb，Cu，N，
Re等。如按照国际标准划类，16Mn等这类钢只
能划为“非合金钢”，与我国历史、现状和发
展前途不适应。
10
五、合金钢分类 1、按质量等级分类 (1)优质钢： 结构钢：S≤0.045%，P≤0.040%。 工具钢：S≤0.030%，P≤0.035%。 (2)高级优质钢：S≤0.020%，P≤0.030%。 注：非合金钢，低合金钢中还含普通质 量钢。
11
2、按金相组织分类 (1)按退火组织 亚共析钢，共析钢，过共析钢，莱氏体钢
36
1.畸变能差（Q）
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开发其他高性能钢： 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。
导 致产生微裂纹。
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4、第四阶段——微观理论的深入研究 微观理论的深入研究：
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。
材料工程系
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一、课程特点和要求
课程特点：综合性 、应用性、经验性。 金属材料学核心课程是专业知识教学中最后一门课程
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课程要求：掌握合金化理论的基本知识，了解材料成分设计 的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、 组织、性能之间的关系，根据零件技术要求，能正确地 选择材料和制订工艺。
二、课程要点及思路
主线：材料成分-工艺-组织-性能-应用之间的有机关系 核心：合金化原理 “思想”：作用的辨证与矛盾的转化。
三、教学安排
教学：详略，有的内容自学； 实践：课堂讨论，小论文，综合性实验，思考题； 考试：考试+平时+课堂讨论与实验
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图 材料学主线示意图
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绪论
—— 金属材料的过去、现在和将来
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 实用文档
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。
将永远载入史册。
实用上冰山后快速沉没,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.
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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”。
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。
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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 .
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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。
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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
上图：吴王夫差矛和越王勾践剑 右上：商周时期的青铜敦和尊
盘- 国家一级文物 右下：商代青铜纵目人面像
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擂鼓礅二号墓编钟复制件 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。须五人合 作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。
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
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。
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现有钢的技术界限和钢强韧化努力的方向
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材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变
水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车
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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 依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。
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系的平衡实图用文。档
钢的组织命名：
Austenite→英金属学家Austen； Bainite→美科学家Bain； Sorbite→英科学家Sorby； Martensite→德科学家Marten； Troostite→法化学家Troost； Ledeburite→德学者Ledebur
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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。
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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的雄伟建筑