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1、金属材料学金属材料学绪论绪论 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。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一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机第一次产业革命的突破口是推广应用蒸汽机，但只有在开发
2、了铁和铜等新材料以后但只有在开发了铁和铜等新材料以后，蒸汽机才蒸汽机才得以使用并逐步推广得以使用并逐步推广。第二次产业革命一直延续到第二次产业革命一直延续到20世纪中叶世纪中叶，以以石油开发和新能源广泛使用为突破口石油开发和新能源广泛使用为突破口，大力发展大力发展飞机飞机、汽车和其他工业汽车和其他工业，支持这个时期产业革命支持这个时期产业革命的仍然是新材料开发的仍然是新材料开发。如合金钢如合金钢、铝合金以及各铝合金以及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、信息材料、能源、信息是当代社会文明和国是当代社会文明和国民经济的三大支
3、柱，是人类社会进步和科学民经济的三大支柱，是人类社会进步和科学技术发展的物质基础和技术先导。技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、材料分类二、材料分类 按按物理性质物理性质可分为：导电材料可分为：导电材料、绝
4、缘材料绝缘材料、半导体材半导体材料料、磁性材料磁性材料、透光材料透光材料、高强度材料高强度材料、高温材料高温材料、超硬材料等超硬材料等。按按物理效应物理效应分为：压电材料分为：压电材料、热电材料热电材料、铁电材料铁电材料、非线性光学材料非线性光学材料、磁光材料磁光材料、电光材料电光材料、声光材料声光材料、激光材料等激光材料等。按按用途用途分为：电子材料分为：电子材料、电工材料电工材料、光学材料光学材料、感光感光材料材料、耐酸材料耐酸材料、研磨材料研磨材料、耐火材料耐火材料、建筑材料建筑材料、结构材料结构材料、包装材料等包装材料等。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.
5、金属材料金属材料2.无机非金属材料无机非金属材料3.高分子材料高分子材料（聚合物聚合物）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
6、，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。合金是由两种或两种以上的金属元素合金是由两种或两种以上的金属元素，或金属元素与或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的新物质。合合金的性质与组成合金的各个相的性质有关金的性质与组成合金的
7、各个相的性质有关，同时也与这些同时也与这些相在合金中的数量相在合金中的数量、形状及分布有关形状及分布有关。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。根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶固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
8、置换固溶体中在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上；在间隙固溶体中的晶格格点上；在间隙固溶体中，溶质原子位于溶溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙剂晶体结构的晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的布可以是随机的，即呈统计分布；也可以是部分有即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序序或完全有序，在完全有序固溶体中在完全有序固溶体中，异类原子趋异类原子趋于相邻于相邻，这种结构亦称为这种结构亦称为超点阵或超结构超点阵或超结构。此外，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
9、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）随机置换固溶随机置换固溶体体（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
10、体中的溶质丛聚固溶体中的溶质丛聚金属间化合物可分为三类金属间化合物可分为三类，即由负电性决定即由负电性决定的的原子价化合物原子价化合物（简称价化合物简称价化合物）、由电子浓度由电子浓度决定的决定的电子化合物电子化合物（亦称为电子相亦称为电子相）以及由原子以及由原子尺寸决定的尺寸决定的尺寸因素化合物尺寸因素化合物。除了这三类由单一除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外元素决定的典型金属间化合物外，还有许多金属还有许多金属间化合物间化合物，其结构由两个或多个因素决定其结构由两个或多个因素决定，称之称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
11、、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：使用性能使用性能是材料在使用状态下表现的行为是材料在使用状态下表现的行为，它与材料设它与材料设计计、工程环境密切相关工程环境密切相关。实用性能包括可靠性实用性能包括可靠性、耐用性耐用性、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力学性能、物理性能和化学性能等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
12、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哈尔滨工业大学出版社社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，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，机械崔巍主编，钢铁
13、材料及有色金属材料，机械工业出版社工业出版社6.W.F.史密斯著史密斯著 张泉等译，工程合金的组织张泉等译，工程合金的组织与性能，冶金工业出版与性能，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 0 0 铁碳合金铁碳合金-4 4 1 1 合金化基础合金化基础-8 8 2 2 工程构件用钢工程构件用钢-4 4 3 3 机器零件用钢机器零件用钢-4 4 4 4 工模具用钢工模具用钢-4 4 5 5 不锈钢与耐热钢不锈钢与耐热钢-2 2 6 6 铸铁铸铁-2 2 7 7 有色金属有色金属-2 2 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(30%)3.考试考试