《金属材料学》课程授课教案（讲稿，华北理工大学：左桂福）

金属材料学课程基本信息及考核方法课程名称：金属材料学课程编号：8808043-01英文名称：MetalMaterial课程属性：专业限选课学时：32学分：2先修课程：材料科学与工程基础适用专业：材料化学专业课时安排：教学环节课时安排上机讲课习题课讨论课实验课其它合计000323200考核方法：本课程考核方式为闭卷考试。期末考试（百分制）：占总成绩的70%，具体评分方法见期末试题。平时成绩（百分制）：占总成绩的30%，其中出勤成绩为60分，作业成绩为40分评分细则：（1）无故缺勤1次扣除10分；迟到1次扣除5分、早退1次扣除5分；无故缺勤3次及以上者取消期末考试资格。（2）每次作业成绩满分10分，作业总成绩为4次作业成绩的算术平均值。雷同作业将记为不及格。期末总成绩=期末考试成绩×70%+平时成绩×30%教材及参考书1.叶宏主编，金属材料与热处理，化学工业出版社，2009年3月2.吴承建编著，金属材料学，冶金工业出版社，2000年10月3.赵连城编著，金属热处理原理，冶金工业出版社，1986年11月4.陶杰主编，材料科学基础，化学工业出版社，2006年3月5.戴起勋主编，金属材料学，化学工业出版社，2005年8月第一版6.王笑天主编，金属材料学，机械工业出版社，1987年9月第一版1

金属材料学课程基本信息及考核方法 课程名称： 金属材料学 课程编号： 808043-01 英文名称： Metal Material 课程属性： 专业限选课 学 时： 32 学 分： 2 先修课程：材料科学与工程基础 适用专业：材料化学专业 课时安排： 教 学 环 节 课 时 安 排 讲课 习题课 讨论课 实验课 上机 其它 合计 32 0 0 0 0 0 32 考核方法： 本课程考核方式为闭卷考试。 期末考试（百分制）：占总成绩的 70%，具体评分方法见期末试题。 平时成绩（百分制）：占总成绩的 30%，其中出勤成绩为 60 分，作业成绩为 40 分 评分细则：（1）无故缺勤 1 次扣除 10 分；迟到 1 次扣除 5 分、早退 1 次扣除 5 分；无故缺勤 3 次及以上者取消期末考 试资格。 （2）每次作业成绩满分 10 分，作业总成绩为 4 次作业成 绩的算术平均值。雷同作业将记为不及格。 期末总成绩=期末考试成绩×70%+平时成绩×30% 教材及参考书 1.叶宏主编，金属材料与热处理，化学工业出版社，2009 年 3 月 2.吴承建编著，金属材料学，冶金工业出版社，2000 年 10 月 3.赵连城编著，金属热处理原理，冶金工业出版社，1986 年 11 月 4.陶杰主编，材料科学基础，化学工业出版社，2006 年 3 月 5.戴起勋主编，金属材料学，化学工业出版社，2005 年 8 月第一版 6.王笑天主编，金属材料学，机械工业出版社，1987 年 9 月第一版 1

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

材料产业应适应时代的需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的设计之中，提高材料的利用率、降低生产和使用过程中环境的负担，并且要研究其评价体系和使用方法。从材料的环境影响角度考虑，材料的强韧化应强调在保持金属材料性能指标基本不变的前提下，尽量采用地球储量丰富或对生态环境影响小的元素作为合金化组元：同时，尽量降低金属材料中强韧化元索的含量或减少合金元索的种类：另外，尽量采用同类元素作为强韧化复合合金化的第二组元，如Fe-Fe复合材料、F-M双相钢等。即在设计材料的强韧化性能时，不仅要考虑材料的使用性能，而且要充分考虑材料对环境的影响和资源的负担。所以，现在世界各国都在研究通用型合金钢、简单合金钢和节约型合金钢。很多情况下，对现有合金钢的成分设计和使用的合理性可重新进行审查。课堂总结与下讲预告：既然金属材料在社会发展中具有如此重要的作用，而且目前国家在金属材料工业的发展中还面临着许多问题，那么我们就应该积极地准备去解决这些问题，从金属材料的发展史来看，她经历了民间技艺，实验科学，理论科学的三个历史阶段，前辈们也给我们留下了很多经验和教训，所以我们今天学这门课的目的就是掌握这些理论和技术，更重要的是我们要学会如何运用这些理论和技术，推陈出新。在未来的30学时里我将和大家一块学习这些古老而又创新的金属材料学。下节课我们要学习金属材料基本理论：铁碳相图。请同学们提前做好预习。课后练习与预习1.准备教材和参考书2．举例说明金属材料的发展史（民间技艺，实验科学，理论科学）3.预习/复习晶体学知识4.预习铁碳合金相图

5 材料产业应适应时代的需要，把生态环境意识贯穿于产品和生产工艺的 设计之中，提卨材料的利用率、降低生产和使用过程中环境的负担，并且要 研究其评价体系和使用方法。从材料的环境影响角度考虑，材料的强韧化应 强调在保持金属材料性能指标基本不变的前提下，尽量采用地球储量丰富或 对生态环境影响小的元素作为合金化组元；同时，尽量降低金属材料中强韧 化元索的含量或减少合金元索的种类；另外，尽量采用同类元素作为强韧化 复合合金化的第二组元，如 Fe-Fe 复合材料、F-M 双相钢等。即在设计材料 的强韧化性能时，不仅要考虑材料的使用性能，而且要充分考虑材料对环境 的影响和资源的负担。所以，现在世界各国都在研究通用型合金钢、简单合 金钢和节约型合金钢。很多情况下，对现有合金钢的成分设计和使用的合理 性可重新进行审查。 课堂总结与下讲预告： 既然金属材料在社会发展中具有如此重要的作用，而且目前国家在金属 材料工业的发展中还面临着许多问题，那么我们就应该积极地准备去解决这 些问题，从金属材料的发展史来看，她经历了民间技艺，实验科学，理论科 学的三个历史阶段，前辈们也给我们留下了很多经验和教训，所以我们今天 学这门课的目的就是掌握这些理论和技术，更重要的是我们要学会如何运用 这些理论和技术，推陈出新。在未来的 30 学时里我将和大家一块学习这些 古老而又创新的金属材料学。下节课我们要学习金属材料基本理论：铁碳相 图。请同学们提前做好预习。 课后练习与预习 1. 准备教材和参考书 2. 举例说明金属材料的发展史（民间技艺，实验科学，理论科学） 3. 预习/复习晶体学知识 4. 预习铁碳合金相图

第二单元铁碳相图（预计学时数：4课时）【学习目的和要求】1.知识掌握：本部分主要介绍了纯铁的相变、铁碳合金相、二元铁碳合金相图、铁碳合金的类型、钢的冷却析晶过程与形成的组织（亚共析钢、共析钢和过共析钢）。2.能力培养：通过本部分内容的学习，使学生了解碳元素在钢中的作用，掌握铁碳相图、不同钢种的析晶过程与最终形成的相组成、组织结构与性能。3.教学方法：讲授过程中多注重对相图的理解，增加同学的实际练习机会，在课堂上添加教学互动环节。【重点】铁碳相图、各种钢的平衡冷却析晶过程与形成的相和组织。【难点】铁碳相图的分析，钢和铁平衡冷却过程示意图第一节金属学相关概念1.1基本概念（1）金属：具有不透明、金属光泽的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。（2）金属的晶体结构体心立方、面心立方、密排六方（3）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特性的物质。（4）固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（5）金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物（6）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。（7）铁素体：碳在α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。（8）奥氏体：碳在-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。（9）渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）（10）珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3C）（11）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物。6

6 第二单元 铁碳相图 （预计学时数：4 课时） 【学习目的和要求】 1.知识掌握：本部分主要介绍了纯铁的相变、铁碳合金相、二元铁碳合金相图、 铁碳合金的类型、钢的冷却析晶过程与形成的组织（亚共析钢、共析钢和过共析钢）。 2.能力培养：通过本部分内容的学习，使学生了解碳元素在钢中的作用，掌握铁 碳相图、不同钢种的析晶过程与最终形成的相组成、组织结构与性能。 3.教学方法：讲授过程中多注重对相图的理解，增加同学的实际练习机会，在课 堂上添加教学互动环节。 【重点】 铁碳相图、各种钢的平衡冷却析晶过程与形成的相和组织。 【难点】 铁碳相图的分析，钢和铁平衡冷却过程示意图 第一节 金属学相关概念 1.1 基本概念 （1）金属：具有不透明、金属光泽的导热和导电性并且其导电能力随温 度的增高而减小，富有延性和展性等特性的物质。 （2）金属的晶体结构 体心立方、面心立方、密排六方 （3）合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成，具有金属特 性的物质。 （4）固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类 型与组元之一相同的固相称之为固溶体。 （5）金属化合物：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于 任一组元的新相称之为金属化合物 （6）机械混合物：由两种晶体结构而组成的合金组成物，虽然是两面种 晶体，却是一种组成成分，具有独立的机械性能。 （7）铁素体：碳在 α-Fe（体心立方结构的铁）中的间隙固溶体。 （8）奥氏体：碳在 γ-Fe（面心立方结构的铁）中的间隙固溶体。 （9）渗碳体：碳和铁形成的稳定化合物（Fe3C）。 （10）珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物（F+Fe3C） （11）莱氏体：渗碳体和奥氏体组成的机械混合物

1.2知识拓展固溶体是不同于完整晶体的一种固体状态，类似于液体中有纯净液体和含有溶质的溶液一样，晶体中含有外来杂质原子的固体也相当于一种固体的溶液，简称为固溶体。其中原来的晶体相当于溶剂，外来杂质原子相当于溶质。值得注意的是，所谓固溶体必须保持在掺入外来杂质原子后原来的晶体结构不发生转变。另一方面固溶体的晶体结构虽然和溶剂相同，晶格结构保持不变，但因溶质原子的溶人引起了点阵常数的改变并导致点阵畸变，破坏了基质点排列的有序性和引起周期势场的畸变，使其性能发生变化，置换固溶体如材料的导电性、强度以及其他很多功能。固溶体普遍存在于金属材料和无机非金属材料中，实用的金属材料多数是合金，它们就是固溶体：固溶体一般有一个固溶度（就像溶液有溶解度一样），当外来杂质原子溶人过量，超过固溶体的固溶度，原来基质晶体的结构就会被破坏。根据溶质原子在晶体点阵中的位置，可以将固溶体分为二类：一类是置换固溶体，即溶质原子替代了原来溶剂原子的位置；另一类是间隙固溶体，当溶质和溶剂的原子尺寸差较大时，特别在溶质原子尺寸较小时，溶质原子填充了点阵的间隙位置，形成间隙固溶体。若有两组元A和B组成固溶体时，除了形成以A为基或以B为基的固溶体之外，当超过固溶体的溶解限度时，还可能形成晶体结构不同于该两组元间隙固溶体的新相。新相可有多种类型，但它们在二元相图上所处的位置总是两个固溶体区域之间的中间部位，所以通常把这些固溶体相总称为中间相，金属材料中，许多合金属于这种中间相，由于中间相常具有金属性，所以有时就叫做金属化合物。第二节铁碳合金的组元2.1纯铁：纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图所示：工业纯铁的机械16001538性能特点是强1500d-Fe1394度、硬度低，塑-（體心立方）1400性好，机械性能1300C1200大致如下：家"-Fe1100度（面心立方）....1000温912拉伸强度：福90018~28x10°N/m2a-Fe800（體心立方）屈服强度：700业60010~17×10°N/m2新500延伸率：福时间30~50%投纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394及912℃时，先后发生2次断面收缩率：服晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变70~80%发（allotropictransformation）。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁冲击值：的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下：160~200J/cm2-Fe台y-Fe台α-Fe布氏硬度：温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe：温度在912~1394℃间的铁HB50~80为面心立方晶格，称为-Fe；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格，称为-Fe。7

7 1.2 知识拓展 固溶体是不同于完整晶体的―种固体状态，类似于液体中有纯净液体和含有溶质的 溶液―样，晶体中含有外来杂质原子的固体也相当于一种固体的溶液，简称为固溶体。 其中原来的晶体相当于溶剂，外来杂质原子相当于溶质。值得注意的是，所谓固溶体必 须保持在掺入外来杂质原子后原来的晶体结构不发生转变。另一方面固溶体的晶体结构 虽然和溶剂相同，晶格结构保持不变，但因溶质原子的溶人引起了点阵常数的改变并导 致点阵畸变，破坏了基质点排列的有序性和引起周期势场的畸变，使其性能发生变化， 如材料的导电性、强度以及其他很多功能。固溶体普遍存在于金属材枓和无机非金属材 料中，实用的金属材料多数是合金，它们就是固溶体；固溶体一般有一个固溶度（就像 溶液有溶解度一样），当外来杂质原子溶人过量，超过固溶体的固溶度，原来基质晶体 的结构就会被破坏。根据溶质原子在晶体点阵中的位置，可以将固溶体分为二类；一类 是置换固溶体，即溶质原子替代了原来溶剂原子的位置；另一类是间隙固溶体，当溶质 和溶剂的原子尺寸差较大时，特别在溶质原子尺寸较小吋，溶质原子填充了点阵的间隙 位置，形成间隙固溶体。若有两组元 A 和 B 组成固溶体时，除了形成以 A 为基或以 B 为基的固溶体之外，当超过固溶体的溶解限度时，还可能形成晶体结构不同于该两组元 的新相。新相可有多种类型，但它们在二元相图上所处的位置总是两个固溶体区域之间 的中间部位，所以通常把这些固溶体相总称为中间相，金属材料中，许多合金属于这种 中间相，由于中间相常具有金属性，所以有时就叫做金属化合物。 第二节 铁碳合金的组元 2.1 纯铁： 纯铁的熔点为1538℃，其冷却曲线如图所示： 纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394及912℃时，先后发生2次 晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变 （allotropic transformation）。同素异构转变伴有热效应产生，因此在纯铁 的冷却曲线上，在1394℃及912℃处出现平台。铁的同素异晶转变如下： δ−Fe ⇔γ−Fe ⇔ α−Fe 温度低于912℃的铁为体心立方晶格，称为α-Fe；温度在912~1394℃间的铁 为面心立方晶格，称为γ-Fe ；温度在1394~1538℃间的铁为体心立方晶格， 称为δ-Fe。 间隙固溶体 工业纯铁的机械 性能特点是强 度、硬度低，塑 性好，机械性能 大致如下： 拉伸强度： 18~28×107 N/m2 屈服强度： 10~17×107 N/m2 延伸率： 30~50% 断面收缩率： 70~80% 冲击值 ： 160~200J/cm2 布氏硬度： HB 50~80 置换固溶体

2.2碳在铁中的固溶体碳的原子半径较小，在α-Fe和y-Fe中均可进入Fe原子间的空隙而形成间隙固溶体。碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方结构的八面体空隙。奥氏体与y-Fe均具有顺磁性。2.3铁碳化合物当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化物Fe:C的形式存在。Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。第三节铁碳相图及相图分析3.1铁碳相图HA1538L+d特殊要求：B149515000+？此相图为本门课50.170.531400程的理论基础，L13941300非常关键，要求L+FesC1227L+YD每位同学都能独1200-A立绘图。LEC110011484.32.111000掌握技巧：G912（1）记形状：900+Fe:Cu+?8(2)标单相800度S(3)写双相tt.明K700P0.77727(4)0.0218Fec600关键点.：O(1)三条水平线500（2)七个关键点400"+FerC3002001000Fe?466.69（%（重量）8

8 2.2 碳在铁中的固溶体 碳的原子半径较小，在α-Fe 和γ-Fe 中均可进入Fe 原子间的空隙而形 成间隙固溶体。 碳在α-Fe 中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F 或α 表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α 结构的八面体空隙。铁素体与α-Fe 在居里点770℃以下均具有铁磁性。 碳在γ-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A 或 γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ 结构的八面体空隙。奥氏体与γ-Fe 均具有顺磁性。 2.3 铁碳化合物 当铁碳合金中碳含量超过它在铁中的溶解限度时，多余的碳主要以碳化 物Fe3C 的形式存在。Fe3C 称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合 物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。 特殊要求： 此相图为本门课 程的理论基础， 非常关键，要求 每位同学都能独 立绘图。 掌握技巧： （1） 记形状； （2） 标单相 （3） 写双相 （4） 关键点：： （1）三条水平线 （2）七个关键点 第三节 铁碳相图及相图分析 3.1 铁碳相图

3.2相图分析（1）图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线。（2）整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成：①在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变：LB+O-Y转变产物是Y。此转变仅发生在含碳0.09-0.53%的铁碳合金中。②在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变：L-Y+FeC转变产物是y和FesC的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite），用符号Ld或Le表示。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生此转变。③在PSK水平线（727C）发生共析转变：y-→ap+ Fesc转变产物是a和FesC的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度。（3）Fe-Fe:C相图中还有三条重要的固态转变线：①GS线：中开始析出α或α全部溶入的转变线，常称此温度为A3温度。②ES线：碳在y中的溶解度线。常称此温度为Acm温度。低于此温度时，中将析出Fe3C，称为二次渗碳体FesCr，以区别于从液体中经CD线结晶出的一次渗碳体FesCr。③PQ线：碳在a中的溶解度线。a从727℃冷却下来时，也将析出FesC，称为三次渗碳体FesCm。（4）相图中各特性点的温度、碳含量及其含义。符号温度（℃）含义碳含量（wt%）A15380纯铁的熔点B14950.53包晶转变时液态合金的成分C11484.30共晶点Lc→Y+Fe,CD12276.69Fe:C的熔点E11482.11碳在y-Fe中的最大溶解度F11486.69FesC的成分0G912α-Fe-Fe同素异晶转变点（A3）H14950.09碳在8-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶点L+>YK7276.69Fe3C的成分N13940-FeS-Fe同素异晶转变点（As)P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点（A）ap+Fe,C6000.0057Q600℃（或室温）时碳在a-Fe中的溶解度0.0008(室温)9

9 3.2 相图分析 （1）图中ABCD 为液相线，AHJECF 为固相线。 （2）整个相图主要由包晶、共晶和共析三个恒温转变所组成： ① 在HJB 水平线（1495℃）发生包晶转变： LB+δH→γJ 转变产物是γ。此转变仅发生在含碳0.09-0.53%的铁碳合金中。 ② 在ECF 水平线（1148℃）发生共晶转变： LC→γE +Fe3C 转变产物是γ和Fe3C的机械混合物，称为莱氏体（ledeburite）， 用符号Ld或Le 表示。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生此转变。 ③ 在PSK 水平线（727℃）发生共析转变： γ→αp+ Fe3C 转变产物是α和Fe3C的机械混合物，称为珠光体（pearlite），用 符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。 共析转变温度通常称为A1温度。 （3）Fe-Fe3C相图中还有三条重要的固态转变线： ① GS 线：γ中开始析出α或α全部溶入γ的转变线，常称此温度为 A3温度。 ② ES 线：碳在γ中的溶解度线。常称此温度为Acm 温度。低于此温 度时，γ中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CII，以区别于从液体 中经CD线结晶出的一次渗碳体Fe3CI。 ③ PQ 线：碳在α中的溶解度线。α从727℃冷却下来时，也将析出 Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CIII。 （4）相图中各特性点的温度、碳含量及其含义

第四节典型铁碳合金的平衡凝固根据组织特征，可参照Fe-Fe3C相图将铁碳合金按含碳量划分为七种类型：(1）工业纯铁<0.0218%C(2)共析钢0.77%C(3)亚共析钢0.0218~0.77%C(4)过共析钢0.77~2.11%C4.30%C(5）共晶白口铸铁(6)亚共晶白口铸铁2.11~4.30%C（7）过共晶白口铸铁4.30~6.69%C4.1工业纯铁的平衡凝固过程分析：11合金溶液在1~2点温度区间结晶出固溶体。冷+却至3点时，开始发生固溶体的同素异构转变8→。这一转变在4点结束，合金为单相。冷至5~6点之间又发生同素异构转变→a，6点以下全部为a。冷却至7点时，碳在a中的溶解度达到饱和，在7点以下，将从α中析出三次渗碳体Fe;Cm.因此工业纯铁的室温组织为α+Fe;C持10

10 第四节 典型铁碳合金的平衡凝固 根据组织特征，可参照Fe-Fe3C相图将铁碳合金按含碳量划分为七种类 型： (1) 工业纯铁 <0.0218%C (2) 共析钢 0.77%C (3) 亚共析钢 0.0218~0.77%C (4) 过共析钢 0.77~2.11%C (5) 共晶白口铸铁 4.30%C (6) 亚共晶白口铸铁 2.11~4.30%C 合金溶液在1~2 点温度 区间结晶出δ固溶体。冷 却至3 点时，开始发生 固溶体的同素异构转变 δ →γ。这一转变在4点结 束，合金为单相γ。冷至 5~6点之间又发生同素 异构转变γ→α，6 点以 下全部为α。冷却至7 点 时，碳在α中的溶解度达 到饱和，在7 点以下， 将从α中析出三次渗碳 体Fe3CIII。因此工业纯铁 的室温组织为α+Fe3CIII。 分析： (7) 过共晶白口铸铁 4.30~6.69%C 4.1 工业纯铁的平衡凝固过程