《材料化学导论》课程授课教案（讲稿）第10讲4.1金属材料的结构与性

第10讲4.1金属材料的结构与性能材料化学导论课程教案84.1金属材料的结构与性能【目的要求】通过本讲课程的学习，进一步熟悉金属材料的结构与性能，掌握超高强度钢和超耐热合金材料的知识。本讲课程在加强学生对基础理论知识的同时，注重当前新型金属材料的发展，培养学生的学习兴趣。【重点】影响奥氏体组织的因素；合金元素在高强度合金钢中的作用；提高超耐热合金性能的途径。【难点】提高超耐热合金性能的途径。【本讲课程的内容】4.1.1金属晶体结构金属晶体中的结合键为金属键，金属键没有方向性和饱和性，所以大多数金属晶体都具有紧密排列、对称性高的简单晶体结构，绝大多数金属元素都属于三种简单的晶体结构。体心立方(BCC)，典型的金属有：碱金属，难熔金属(V,Nb,TaCr,Mo,W),α-Fe等。面心立方(FCC)，属于此类结构的金属有：Al贵金属，Y-Fe,NiPb,Pd,Pt以及奥氏体不锈钢等。密排六方结构(HCP结构的金属有α-Beα-Tiα-Zr,MgZn,Cd等。金属晶体也有单晶体和多晶体，工业上实际应用的金属材料一般是多晶材料。4.1.2合金基本结构与性能（1）合金概念：由两种或两种以上金属元素或由金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。（2）组员：组成合金的最基本的独立物质称为组元。根据组成合金组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金和多元合金。（3）分类：合金根据相结构分为固溶体和金属化合物（中间相）两大类。由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点（即阵点）位置所组成的固溶体称为置换型固溶体。由溶质原子进入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体称为间隙型固溶体。无论是置换型固溶体还是间隙型固溶体，均能引起固溶体硬度、强度增加。由于溶质元素的溶入使固溶体硬度、强度增加的现象称为固溶强化，且间隙固溶的强化效果比置换固溶

§4.1 金属材料的结构与性能 材料化学导论课程教案 第 10 讲 §4.1 金属材料的结构与性能 【目的要求】通过本讲课程的学习，进一步熟悉金属材料的结构与性能，掌握超高强度钢和 超耐热合金材料的知识。本讲课程在加强学生对基础理论知识的同时，注重当前新型金属材 料的发展，培养学生的学习兴趣。 【重 点】影响奥氏体组织的因素；合金元素在高强度合金钢中的作用；提高超耐热合金 性能的途径。 【难 点】提高超耐热合金性能的途径。 【本讲课程的内容】 4.1.1 金属晶体结构 金属晶体中的结合键为金属键，金属键没有方向性和饱和性，所以大多数金属晶体都具 有紧密排列、对称性高的简单晶体结构，绝大多数金属元素都属于三种简单的晶体结构。 体心立方(BCC)，典型的金属有：碱金属，难熔金属(V, Nb, Ta, Cr, Mo, W),α -Fe 等。 面心立方(FCC)，属于此类结构的金属有：Al,贵金属，γ -Fe, Ni, Pb, Pd, Pt 以及奥氏体不 锈钢等。 密排六方结构(HCP 结构的金属有 α-Be ,α-Ti, α-Zr, Mg, Zn, Cd 等。 金属晶体也有单晶体和多晶体，工业上实际应用的金属材料一般是多晶材料。 4.1.2 合金基本结构与性能 （1）合金概念： 由两种或两种以上金属元素或由金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。 （2）组员： 组成合金的最基本的独立物质称为组元。根据组成合金组元数目的多少，可将合金分为 二元合金、三元合金和多元合金。 （3）分类： 合金根据相结构分为固溶体和金属化合物（中间相）两大类。 由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点（即阵点）位置所组成的固 溶体称为置换型固溶体。由溶质原子进入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体称为间隙型固溶 体。 无论是置换型固溶体还是间隙型固溶体，均能引起固溶体硬度、强度增加。由于溶质元 素的溶入使固溶体硬度、强度增加的现象称为固溶强化，且间隙固溶的强化效果比置换固溶

第10讲4.1金属材料的结构与性能材料化学导论课程教案更显著。固溶体溶解度随两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电负性差都有一容限，当溶质原子的加入量超过此容限时便会形成一种新相，这种新相称为中间相。4.1.3铁系合金的组织结构黑色金属主要指铁系合金，钢和生铁都是以铁为基础，以C为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。·奥氏体：C溶解到-Fe中的间隙固溶体。奥氏体在大于727℃高温下才能稳定存在的组织，塑性好。●马氏体：是C在α-Fe中的过饱和固溶体，为体心四方结构。具有高硬度和强度，●铁素体：C溶解到α-Fe立方晶格中的间隙固溶体，具有体心立方结构。塑性、韧性好，强度、硬度低。●渗碳体：C与Fe形成的一种化合物，一般含C为6.67%，是一种具有极高硬度的脆性化合物。珠光体：奥氏体冷却时，在727°C发生共析转变的产物，C的质量分数平均为0.77%。4.1.4金属材料热处理(一）、热处理工艺根据加入、保温和冷却工艺方法的不同，热处理工艺大致分为整体热处理、表面热处理、化学热处理。（1）整体热处理：对工件整体进行穿透加入，常用方法有退火，正火、淬火+回火等。（2）表面热处理：仅对工件的表面进行的热处理工艺，常用方法有表面淬火和回火，气相沉积等。（3）化学热处理：改变工件表层的化学成分、组织和性能，如渗碳、渗氮等。（二）、奥氏体组织的形成（1）定义：金属材料（钢材）加热到其相转变临界温度以下时，将获得奥氏体组织，该过程称作奥氏体化。（2）奥氏体的形成过程可简单地分为四个步骤：奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化。（3）奥氏体的晶粒度在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度。钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度。影响奥氏体组织的因素：

§4.1 金属材料的结构与性能 材料化学导论课程教案 第 10 讲 更显著。 固溶体溶解度随两组元间的相对尺寸差、电子浓度及电负性差都有一容限，当溶质原子 的加入量超过此容限时便会形成一种新相，这种新相称为中间相。 4.1.3 铁系合金的组织结构 黑色金属主要指铁系合金，钢和生铁都是以铁为基础，以 C 为主要添加元素的合金，统 称为铁碳合金。  奥氏体：C 溶解到 γ -Fe 中的间隙固溶体。奥氏体在大于 727℃高温下才能稳定存在 的组织，塑性好。  马氏体：是 C 在 α -Fe 中的过饱和固溶体，为体心四方结构。具有高硬度和强度。  铁素体：C 溶解到 α -Fe 立方晶格中的间隙固溶体，具有体心立方结构。塑性、韧性 好，强度、硬度低。  渗碳体：C 与 Fe 形成的一种化合物，一般含 C 为 6.67%，是一种具有极高硬度的脆性 化合物。  珠光体：奥氏体冷却时，在 727°C 发生共析转变的产物，C 的质量分数平均为 0.77%。 4.1.4 金属材料热处理 （一）、热处理工艺 根据加入、保温和冷却工艺方法的不同，热处理工艺大致分为整体热处理、表面热处理、 化学热处理。 （1）整体热处理：对工件整体进行穿透加入，常用方法有退火，正火、淬火+回火等。 （2）表面热处理：仅对工件的表面进行的热处理工艺，常用方法有表面淬火和回火，气 相沉积等。 （3）化学热处理：改变工件表层的化学成分、组织和性能，如渗碳、渗氮等。 （二）、奥氏体组织的形成 （1）定义：金属材料（钢材）加热到其相转变临界温度以下时，将获得奥氏体组织，该 过程称作奥氏体化。 （2）奥氏体的形成过程可简单地分为四个步骤： 奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化。 （3）奥氏体的晶粒度 在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度。 钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度。 影响奥氏体组织的因素：

第10讲34.1金属材料的结构与性能材料化学导论课程教案加热温度，随温度升高高、，奥氏体晶粒粗大。禁保温时间，在一定温度下，保温时间越长，晶粒越粗大。加热速度，加热速度越快，过热度越大，成核率越高，晶粒越细。券钢的成分，①随奥氏体中碳含量的增加，奥氏体晶粒长大倾向变大，但如果碳以残余渗碳体的形式存在，则由于其阻碍晶界移动，反而使长大的倾向减小。②在钢中加碳化物形成元素（如钒、钛、锆、钼、铬等）和氮化物、氧化物形成元素（如铝等），都能阻碍奥氏体晶粒的长大。碳化物和氮化物弥散分布在晶界上，阻碍晶粒长大。③而锰、磷溶解于奥氏体后，使铁原子的扩散加快，所以会促进奥氏体晶粒长大。奥氏体粗大，冷却后的组织液粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此，加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。（三）、马氏体的形成淬火时指将钢加热到临界点以上，保温后以较大的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。因此，淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的力学性能。淬火时钢的最重要的强化方法，也是应用最广的热处理工艺之一。84.2超高强度钢1.概念：超高强度钢是指屈服强度大于1380MPa，同时兼具韧性的钢。超高强度钢已大量用于火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器和常规武器等方面。2.合金元素在高强度合金钢中的作用：1）提高钢的淬透性，保证钢材整个截面能淬成马氏体而不含过冷奥氏体的分解产物；2）增加回火稳定性，如硅是提高钢的低温回火稳定性的最有效素：其次是碳化物形成元素，如铬，钼，钨等，还可以改善钢的塑性和韧性；3）改善机械性能，马氏体中碳的分布不均匀，引起应力不均匀，加入适量合金元素可使马氏体中碳分布比较均匀，如钼，镍，铬，钒，锰等，尤以钼作用最明显：4）细化晶粒，加入钒，钛，锯，锆，铬，钼，钨等可细化晶粒，因锯，钒，钛等是强烈的碳、氮化合物形成元素，同钢中的氧和硫有极强的亲和力，在钢中以MC，MN，M（C,N)形式存在

§4.1 金属材料的结构与性能 材料化学导论课程教案 第 10 讲 加热温度， 随温度升高高、，奥氏体晶粒粗大。 保温时间，在一定温度下，保温时间越长，晶粒越粗大。 加热速度 ，加热速度越快，过热度越大，成核率越高，晶粒越细。 钢的成分， ①随奥氏体中碳含量的增加，奥氏体晶粒长大倾向变大，但如果碳以残余渗碳体的形式 存在，则由于其阻碍晶界移动，反而使长大的倾向减小。 ②在钢中加碳化物形成元素(如钒、钛、锆、钼、铬等)和氮化物、氧化物形成元素（如 铝等），都能阻碍奥氏体晶粒的长大。碳化物和氮化物弥散分布在晶界上，阻碍晶粒长大。 ③ 而锰、磷溶解于奥氏体后，使铁原子的扩散加快，所以会促进奥氏体晶粒长大。奥氏 体粗大，冷却后的组织液粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此，加热得到细而 均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。 （三）、马氏体的形成 淬火时指将钢加热到临界点以上，保温后以较大的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的 热处理工艺。因此，淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的力学性能。淬火时钢的最重 要的强化方法，也是应用最广的热处理工艺之一。 §4.2 超高强度钢 1.概念： 超高强度钢是指屈服强度大于 1380MPa，同时兼具韧性的钢。 超高强度钢已大量用于火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器 和常规武器等方面。 2.合金元素在高强度合金钢中的作用： 1）提高钢的淬透性，保证钢材整个截面能淬成马氏体而不含过冷奥氏体的分解产物； 2）增加回火稳定性，如硅是提高钢的低温回火稳定性的最有效元素；其次是碳化物形成 元素，如铬，钼，钨等，还可以改善钢的塑性和韧性； 3）改善机械性能，马氏体中碳的分布不均匀，引起应力不均匀，加入适量合金元素可使 马氏体中碳分布比较均匀，如钼，镍，铬，钒，锰等，尤以钼作用最明显； 4）细化晶粒，加入钒，钛，铌，锆，铬，钼，钨等可细化晶粒，因铌，钒，钛等是强烈 的碳、氮化合物形成元素，同钢中的氧和硫有极强的亲和力，在钢中以 MC，MN，M(C,N)形式 存在

第10讲84.1金属材料的结构与性能材料化学导论课程教案3.超高强度钢的发展：AISI4340钢是最早出现的低合金超高强度钢，也是低合金超高强度钢的典型代表。美国于60年代初开始研制D6AC，它是由AISI4340钢改进而成的低合金超高强度钢，被广泛用于制造战术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了70年代中期，D6AC逐渐取代了其它合金结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。我国超高强度钢的应用对象主要是航空工业，406钢是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢，D406A钢降低了强度，但却大幅度提高了韧性，已成为我国大中型固体火箭发动机的专用钢种。1980年我国开始仿制300M钢，将该钢成功地用于研击机起落架上，使我国实现了飞机与起落架同寿命的壮举。45CrNiMo1VA钢是仿美D6AC研制的，已成功用于地空导弹的发动机壳体。“八五”期间成功用于制造反坦克导弹的发动机壳体和高压气瓶。84.3超耐热合金4.3.1超耐热合金的定义1.定义：超耐热合金是指在700一1200℃高温下能满意工作的金属材料，（属于高温结构材料）然而决定其在高温下能否正常使用还需考虑施加在构件上的应力。2.对高温材料的要求：1）高温下有优良的抗腐蚀性；2）在高温下有较高的强度和韧性。4.3.2耐热合金的分类一般，在600-1000℃高温下使用的有铁基、镍基和钻基合金。（1）铁基超耐热合金铁基高温合金是从奥氏体不锈钢发展起来的，含有一定量的铬和镍等元素。铁基合金中的镍是形成稳定奥氏体的主要元素，铬用来提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性，钼和钨用来强化固溶体的晶界，铝、钛、锯起沉淀硬化作用。故它的基体为奥氏体。铁基高温合金是中等温度（600-800℃）条件下使用的重要材料，具有较好的中温力学性能和良好的热加工塑性，合金成分比较简单，成本较低。由于其成本较低，仍可用于制作一些使用温度要求不高的航空发动机和工业燃气轮机上的涡轮盘、导向叶片、涡轮叶以及其它承办件、紧固件等。（2）镍基超耐热合金

§4.1 金属材料的结构与性能 材料化学导论课程教案 第 10 讲 3.超高强度钢的发展： AISI 4340 钢是最早出现的低合金超高强度钢，也是低合金超高强度钢的典型代表。美 国于 60 年代初开始研制 D6AC，它是由 AISI 4340 钢改进而成的低合金超高强度钢，被广泛 用于制造战术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了 70 年代中期，D6AC 逐渐取代了其 它合金结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。 我国超高强度钢的应用对象主要是航空工业，406 钢是为解决航天固体火箭发动机壳体 材料而研制的超高强度钢，D406A 钢降低了强度，但却大幅度提高了韧性，已成为我国大中 型固体火箭发动机的专用钢种。1980 年我国开始仿制 300M 钢，将该钢成功地用于歼击机起 落架上，使我国实现了飞机与起落架同寿命的壮举。45CrNiMo1VA 钢是仿美 D6AC 研制的， 已成功用于地空导弹的发动机壳体。“八五”期间成功用于制造反坦克导弹的发动机壳体和高 压气瓶。 §4.3 超耐热合金 4.3.1 超耐热合金的定义 1.定义： 超耐热合金是指在 700 一 1200℃高温下能满意工作的金属材料，（属于高温结构材料） 然而决定其在高温下能否正常使用还需考虑施加在构件上的应力。 2.对高温材料的要求： 1) 高温下有优良的抗腐蚀性； 2) 在高温下有较高的强度和韧性。 4.3.2 耐热合金的分类 一般，在 600-1000℃高温下使用的有铁基、镍基和钴基合金。 （1）铁基超耐热合金 铁基高温合金是从奥氏体不锈钢发展起来的，含有一定量的铬和镍等元素。铁基合金中 的镍是形成稳定奥氏体的主要元素，铬用来提高抗氧化性和抗燃气腐蚀性，钼和钨用来强化 固溶体的晶界，铝、钛、铌起沉淀硬化作用。故它的基体为奥氏体。 铁基高温合金是中等温度（600-800℃）条件下使用的重要材料，具有较好的中温力学性 能和良好的热加工塑性，合金成分比较简单，成本较低。由于其成本较低，仍可用于制作一 些使用温度要求不高的航空发动机和工业燃气轮机上的涡轮盘、导向叶片、涡轮叶以及其它 承办件、紧固件等。 （2）镍基超耐热合金

第10讲S4.1金属材料的结构与性能材料化学导论课程教案镍基超耐热合金以镍为基体，镍含量>50%，可在700一1000℃温度范围使用。镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因有（1）镍基可溶解较多的合金元素，且保持其较好的组织稳定性：（2）可以形成共格有序的A2B型金属间化合物作为强化相，使合金得到有效的强化，获得比铁基高温合金和钻基高温合金更高的高温强度：（3）含Cr的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗腐蚀能力。现代喷气发动机中，祸轮叶片几乎全部采用镍基合金制造。3.钻基超耐热台金钻基超耐热合金是含钻量为40%一65%的奥氏体高温合金，可在能够有730一1100℃条件下使用，具有一定的高温强度，良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。钻基超耐热合金缺少共格的强化相，中温强度只有镍基合金的50%一75%，但当高于980℃时，其强度较高，抗热疲劳、热腐蚀性均佳，适合于制作航空发动机、工业燃汽轮机、舰船燃汽轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机喷嘴等。4.3.3提高超耐热合金性能的途径提高超耐热合金高温强度和耐腐蚀性通常通过两种途径，即改变合金的组织结构和采用特种工艺技术。（一）改变合金的组织结构1）加入合金元素，提高高温抗氧化性。2）加入合金元素，增强金属材料的抗高温蠕变性能。3）加入合金元素，扩大和稳定奥氏体结构钢的组织状态。4）加入合金元素，提高钢的高温强度。（二）、采用特种工艺技术从工艺技术角度考虑可采用定向凝固和粉末冶金来提高合金的高温强度。(1）定向凝固在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流方向相反的方向按照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺技术，主要应用在航空领域采用定向凝固技术可以获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体，消除垂直于应力方向的晶界，从而可以使热疲劳寿命提高10倍以上。(2)粉末冶金：采用粉末冶金工艺生成合金，就能完全克服由于偏析造成组织和性能不均匀的缺点。采

§4.1 金属材料的结构与性能 材料化学导论课程教案 第 10 讲 镍基超耐热合金以镍为基体，镍含量＞50％，可在 700—1000℃温度范围使用。镍基合金 是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因有： （1）镍基可溶解较多的合金元素，且保持其较好的组织稳定性； （2）可以形成共格有序的 A2B 型金属间化合物作为强化相，使合金得到有效的强化，获 得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度； （3）含 Cr 的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗腐蚀能力。现代喷气发动 机中，祸轮叶片几乎全部采用镍基合金制造。 3．钴基超耐热台金 钴基超耐热合金是含钴量为 40％一 65％的奥氏体高温合金，可在能够有 730 一 1100℃条 件下使用，具有一定的高温强度，良好的抗热腐蚀和抗氧化能力。 钻基超耐热合金缺少共格的强化相，中温强度只有镍基合金的 50％一 75％，但当高于 980℃时，其强度较高，抗热疲劳、热腐蚀性均佳，适合于制作航空发动机、工业燃汽轮机、 舰船燃汽轮机的导向叶片和喷嘴导向叶片以及柴油机喷嘴等。 4.3.3 提高超耐热合金性能的途径 提高超耐热合金高温强度和耐腐蚀性通常通过两种途径，即改变合金的组织结构和采用 特种工艺技术。 （一）改变合金的组织结构 1) 加入合金元素，提高高温抗氧化性。 2) 加入合金元素,增强金属材料的抗高温蠕变性能。 3) 加入合金元素，扩大和稳定奥氏体结构钢的组织状态。 4) 加入合金元素，提高钢的高温强度。 （二）、采用特种工艺技术 从工艺技术角度考虑可采用定向凝固和粉末冶金来提高合金的高温强度。 (1) 定向凝固 在熔模铸造型壳中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金沿着与热流方向相反的方向按 照要求的结晶取向凝固的一种铸造工艺技术，主要应用在航空领域。 采用定向凝固技术可以获得生长方向与主应力方向一致的单向生长的柱状晶体，消除垂 直于应力方向的晶界，从而可以使热疲劳寿命提高 10 倍以上。 (2) 粉末冶金 ： 采用粉末冶金工艺生成合金，就能完全克服由于偏析造成组织和性能不均匀的缺点。采

材料化学导论课程教案第10讲S4.1金属材料的结构与性能用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结、成形工序制成零件，可消除偏析现象，组织成分均匀，并可大大节省材料。因为粉末颗粒小，制粉时凝固快，消除了偏析，并可大大节约材料。4.3.4超耐热合金的发展方向采用石墨、硼、高熔点的合金丝(钨、钼)和晶须(氧化铝、碳化硅）等作为纤维和镍钻耐高温合金组成复合材料，是提高超耐热合金性能的一种发展方向。【本讲课程的小结】1本讲课主要讨论了（1）金属材料的结构与性能：（2）超高强度钢：（3）超耐热合金。【本讲课程的作业】名词解释：（1）黑色金属；（2）有色金属；（3）奥氏体，（4）马氏体，(5)超耐热合金【本讲课程的思考题】

§4.1 金属材料的结构与性能 材料化学导论课程教案 第 10 讲 用粒度数十至数百微米的合金粉末，经过压制、烧结、成形工序制成零件，可消除偏析现象， 组织成分均匀，并可大大节省材料。因为粉末颗粒小，制粉时凝固快，消除了偏析，并可大 大节约材料。 4.3.4 超耐热合金的发展方向 采用石墨、硼、高熔点的合金丝(钨、钼)和晶须(氧化铝、碳化硅)等作为纤维和镍钴耐高 温合金组成复合材料，是提高超耐热合金性能的一种发展方向。 【本讲课程的小结】 本讲课主要讨论了（1）金属材料的结构与性能；（2）超高强度钢；（3） 超耐热合金。 【本讲课程的作业】名词解释：（1）黑色金属；（2）有色金属；（3）奥氏体，（4）马氏体， (5)超耐热合金 【本讲课程的思考题】