金屬材料學（第3版）

0緒論——金屬材料的過去、現在和將來001
0.1金屬材料發展簡史001
0.1.1階段——原始金屬材料的生產001
0.1.2第二階段——金屬材料學科的基礎001
0.1.3第三階段——微觀組織理論的大發展002
0.1.4第四階段——微觀理論的深入研究002
0.2現代金屬材料003
0.3金屬材料的可持續發展與趨勢005
0.4金屬零部件全壽命過程圖006
0.5金屬材料學在金屬材料工程知識體系中的作用007
思考題008

第一篇鋼鐵材料
1鋼的合金化概論011
1.1合金元素和鐵的作用011
1.1.1鋼中的元素011
1.1.2鐵基二元相圖012
1.1.3合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響013
1.2合金鋼中的相組成014
1.2.1置換固溶體014
1.2.2間隙固溶體015
1.2.3碳（氮）化物及其形成規律016
1.2.4金屬間化合物019
1.3合金元素在鋼中的分佈及偏聚019
1.3.1合金元素在鋼中的分佈019
1.3.2合金元素的偏聚020
1.4合金鋼中的相變021
1.4.1合金鋼的加熱奧氏體化021
1.4.2過冷合金奧氏體的分解023
1.4.3合金鋼的回火轉變025
1.5合金元素對鋼強韌化的影響028
1.5.1鋼強化的形式及其機理028
1.5.2合金鋼強化的有效性029
1.5.3合金元素對鋼韌度的影響030
1.6合金元素對鋼工藝性的影響032
1.6.1鋼的熱處理工藝性032
1.6.2鋼的成型加工性037
1.7微量元素在鋼中的作用038
1.7.1微量元素的作用038
1.7.2微合金鋼中的合金元素039
1.8金屬材料的環境協調性設計040
1.8.1通用合金與簡單合金041
1.8.2環境協調性合金的成分設計042
1.9合金鋼的分類與編號044
1.9.1鋼的分類044
1.9.2合金鋼的編號方法045
本章小結046
思考題049

2工程結構鋼050
2.1工程結構鋼的基本要求050
2.2低合金高強度結構鋼的合金化051
2.2.1合金元素對低合金高強度鋼力學性能的影響051
2.2.2合金元素對焊接性和耐大氣腐蝕性的影響053
2.3常用低合金高強度結構鋼054
2.4微珠光體低合金高強度鋼056
2.4.1強化機理056
2.4.2微合金元素的作用056
2.5針狀鐵素體鋼057
2.6低碳貝氏體和馬氏體鋼058
2.7雙相鋼058
2.8低合金高強度鋼發展趨勢060
本章小結060
思考題061

3機械製造結構鋼062
3.1概述062
3.1.1機械製造結構鋼的特點與合金化062
3.1.2機械製造結構鋼的強度與脆性063
3.2調質鋼064
3.2.1淬透性原則065
3.2.2合金化及常用鋼065
3.2.3調質鋼強韌化工藝的發展066
3.3非調質機械結構鋼067
3.3.1微合金元素對強韌化的貢獻067
3.3.2獲得強韌化的工藝因素068
3.3.3組織因素對強韌性貢獻的大小069
3.3.4低碳貝氏體型和馬氏體型非調質鋼069
3.3.5非調質鋼綜合優化設計070
3.4彈簧鋼071
3.4.1彈簧的服役條件及性能要求071
3.4.2常用彈簧鋼及強化工藝071
3.5滾動軸承鋼073
3.5.1滾動軸承鋼的工作特點及性能要求073
3.5.2軸承鋼的冶金品質和合金化073
3.5.3高碳鉻軸承鋼的熱處理075
3.6低碳馬氏體鋼076
3.6.1低碳馬氏體結構鋼力學性能及影響因素076
3.6.2低碳馬氏體結構鋼及應用077
3.7合金滲碳鋼077
3.7.1滲碳鋼的合金化077
3.7.2常用滲碳鋼及熱處理工藝078
3.8氮化鋼081
3.9低淬透性鋼082
3.10耐磨鋼083
3.10.1鋼的耐磨性及其影響因素083
3.10.2高錳鑄鋼084
3.10.3低合金耐磨鋼及石墨鋼085
3.11零件材料選擇基本原則與思路085
3.11.1選擇材料的基本原則086
3.11.2選擇材料的基本思路及方法087
3.11.3典型零件材料選擇與工藝分析088
本章小結089
思考題091

4工模具鋼093
4.1概述093
4.1.1工具鋼成分與性能特點093
4.1.2工具鋼基本性能及檢測方法094
4.2刃具用碳素鋼及低合金工具鋼095
4.2.1碳素工具鋼095
4.2.2低合金工具鋼095
4.3高速鋼097
4.3.1高速鋼的分類097
4.3.2高速鋼中合金元素的作用098
4.3.3高速鋼中的碳化物099
4.3.4高速鋼的熱處理101
4.4冷作模具鋼106
4.4.1碳素工具鋼和低合金工具鋼106
4.4.2高鉻和中鉻模具鋼107
4.4.3基體鋼109
4.5熱作模具鋼109
4.5.1熱錘鍛模鋼110
4.5.2熱擠壓模鋼112
4.5.3壓鑄模鋼113
4.6其他類型工具鋼114
4.6.1耐衝擊用鋼114
4.6.2軋輥用鋼114
4.6.3量具用鋼115
4.6.4塑膠模具用鋼116
本章小結117
思考題119

5不銹鋼120
5.1概述120
5.1.1金屬腐蝕類型與提高耐腐蝕性的途徑120
5.1.2不銹鋼的組織與分類121
5.2影響不銹鋼組織和性能的因素123
5.2.1常用合金元素的作用123
5.2.2腐蝕介質對鋼耐蝕性的影響125
5.3鐵素體不銹鋼126
5.3.1常用鐵素體不銹鋼及特點126
5.3.2鐵素體不銹鋼的脆性127
5.3.3鐵素體不銹鋼的熱處理127
5.4馬氏體不銹鋼128
5.4.1馬氏體不銹鋼的成分和組織特點128
5.4.2馬氏體不銹鋼的熱處理特點129
5.5奧氏體不銹鋼130
5.5.1奧氏體不銹鋼的成分特點130
5.5.2奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕132
5.5.3奧氏體不銹鋼的熱處理133
5.5.4鉻錳氮奧氏體不銹鋼134
5.6奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼135
本章小結135
思考題136

6耐熱鋼138
6.1概述138
6.1.1金屬的抗氧化性138
6.1.2鋼的熱強性140
6.1.3耐熱鋼的合金化142
6.2熱強鋼143
6.2.1珠光體熱強鋼143
6.2.2馬氏體熱強鋼146
6.2.3奧氏體型高溫合金147
6.3抗氧化鋼149
本章小結150
思考題151

7超高強度結構鋼152
7.1低合金超高強度鋼152
7.1.1低合金超高強度鋼的成分設計152
7.1.2常用低合金超高強度鋼153
7.2二次硬化型超高強度鋼155
7.2.1二次硬化型超高強度鋼的成分設計155
7.2.2二次硬化型超高強度鋼的性能特點155
7.3馬氏體時效鋼156
7.3.1馬氏體時效鋼的成分設計156
7.3.2馬氏體時效鋼的組織性能157
7.3.3馬氏體時效鋼的發展158
7.4沉澱硬化超高強度不銹鋼159
本章小結160
思考題161

8鑄鐵162
8.1概述162
8.1.1鑄鐵的分類與牌號表示方法162
8.1.2鑄鐵石墨化及影響因素163
8.2普通灰鑄鐵167
8.2.1灰鑄鐵中片狀石墨的生長方式167
8.2.2灰鑄鐵組織特點168
8.2.3灰鑄鐵性能及熱處理169
8.3球墨鑄鐵170
8.3.1球狀石墨的形成過程171
8.3.2球墨鑄鐵組織與性能172
8.3.3球墨鑄鐵的熱處理174
8.4蠕墨鑄鐵176
8.4.1蠕狀石墨的形成過程176
8.4.2蠕墨鑄鐵的金相組織177
8.4.3蠕墨鑄鐵性能特點及應用178
8.5可鍛鑄鐵179
8.6特種性能鑄鐵180
8.6.1耐熱鑄鐵180
8.6.2耐磨鑄鐵181
8.6.3耐蝕鑄鐵181
本章小結182
思考題183

第二篇有色金屬合金
9鋁合金187
9.1概述187
9.1.1鋁合金的分類187
9.1.2鋁合金熱處理強化特點187
9.1.3影響時效強化的主要因素189
9.2變形鋁合金190
9.2.1變形鋁及鋁合號和表示方法190
9.2.2防銹鋁合金190
9.2.3硬鋁合金191
9.2.4超硬鋁合金192
9.2.5鍛鋁合金193
9.2.6變形鋁合金的熱處理及金相檢驗193
9.3鑄造鋁合金194
9.3.1Al-Si及Al-Si-Mg鑄造合金194
9.3.2其他鑄造鋁合金196
9.3.3鑄造鋁合金的熱處理197
本章小結198
思考題199

10銅合金200
10.1黃銅200
10.1.1黃銅的牌號及表示方法200
10.1.2普通黃銅201
10.1.3特殊黃銅203
10.1.4黃銅的熱處理205
10.2青銅205
10.2.1青銅的牌號及表示方法205
10.2.2錫青銅206
10.2.3鋁青銅208
10.2.4鈹青銅209
本章小結210
思考題211

11鈦合金212
11.1概述212
11.1.1鈦的基本性質與合金化212
11.1.2鈦合金的相變特點213
11.2常用鈦合金215
11.2.1鈦合金的分類215
11.2.2α鈦合金216
11.2.3α+β鈦合金217
11.2.4β鈦合金218
11.3鈦合金的熱處理219
11.4鈦合金的發展與應用220
11.4.1鈦合金生產工藝的改善220
11.4.2鈦合金的新發展和新應用220
本章小結221
思考題222

12鎂合金223
12.1概述223
12.1.1鎂的基本性質223
12.1.2鎂合金的特點223
12.1.3鎂合金的分類224
12.2鎂合金的合金化原理225
12.2.1合金元素對組織和性能的影響225
12.2.2鎂合金的強韌化226
12.3變形鎂合金的組織和性能227
12.4鑄造鎂合金的組織和性能229
12.5鎂合金的熱處理230
12.6鎂合金的應用231
本章小結231
思考題232

第三篇新型金屬材料
13金屬功能材料235
13.1磁性合金235
13.1.1軟磁合金235
13.1.2硬磁合金238
13.2電熱合金240
13.2.1i-Cr系合金240
13.2.2Fe-Cr-Al系合金240
13.2.3Fe-M-Al系合金241
13.3形狀記憶合金241
13.3.1形狀記憶原理241
13.3.2常用形狀記憶合金242
13.4其他功能材料245
13.4.1熱膨脹合金245
13.4.2減振合金247
13.4.3儲氫合金248
13.4.4濺射靶材合金249
本章小結250
思考題250

14金屬基複合材料251
14.1概述251
14.1.1金屬基複合材料的種類251
14.1.2金屬基複合材料的性能特點252
14.1.3金屬基複合材料的研究和應用254
14.2金屬基複合材料的強度和體系選擇255
14.2.1金屬基複合材料的強度255
14.2.2金屬基複合材料的體系選擇256
14.3金屬基複合材料的介面與控制258
14.3.1金屬基複合材料介面結合與介面類型258
14.3.2金屬基複合材料介面穩定性260
14.3.3金屬基複合材料介面浸潤與介面反應控制261
14.4金屬基複合材料的性能262
14.4.1纖維增強金屬基複合材料262
14.4.2短纖維及顆粒增強金屬基複合材料264
本章小結265
思考題266

15金屬間化合物結構材料267
15.1概述267
15.1.1金屬間化合物材料的性能特點267
15.1.2金屬間化合物結構材料發展歷史268
15.2常用金屬間化合物材料及應用269
15.2.1i-Al系金屬間化合物合金269
15.2.2Fe-Al系金屬間化合物合金271
15.2.3Ti-Al系金屬間化合物合金272
本章小結275
思考題275

附錄276
附錄A課程總結提要276
附錄B課堂討論題279
附錄C關於金屬材料部分力學性能符號的說明282
參考文獻283

第3版前言

本書第1版自2005年出版以來，受到了廣大讀者的歡迎和好評，越來越多的高校使用了該教材和相匹配的PPT課件。該教材為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，並於2007年獲江蘇省精品教材獎，第2版教材是江蘇省金屬材料工程品牌專業二期建設的重要內容之一，也是第4批國家級特色專業建設點江蘇大學金屬材料工程專業的建設任務之一，相應的課程於2006年被評為江蘇省一類精品課程。依託國家級特色專業“金屬材料工程”和江蘇省品牌專業建設專案，在高等工程教育與國際全面接軌、傳統工科專業全面向“新工科”轉型的背景下，“深度產教融合的材料類‘工程素質鏈’人才培養模式創新與實踐”於2017年獲得江蘇省高等教育教學成果特等獎，並於2018年獲得高等教育國家級教學成果獎二等獎，本教材是列入教學成果獎的主講教材之一。

本書的寫作工作，具有階段性的成長特質。第1版主要完成了章節框架及主體內容；第2版主要完成了課程內涵的凝煉和MSE（MaterialsScienceandEngineering）素質教育以及辯證法思想的總結。但是在編者長期使用教材和授課過程中，仍然遇到了很多問題：首先，最突出的是學習者面對金屬材料學這樣一個內容龐雜的系統，往往“只見樹木、不見森林”；其次，書中強調內容知識，但對於學習者能力的培養缺乏足夠引導。因此，編者在充分總結與討論的基礎上，首先在教學實踐中，增加了金屬材料學與其他課程的聯繫以及金屬材料全壽命過程的內容，將金屬材料學與其他學科與課程相聯繫，並且讓讀者對金屬材料有一個宏觀的認識，從而有利於認識《金屬材料學》在金屬材料使用全壽命過程中的作用及局限；其次，通過材料科學與工程四面體（性能、製備/加工、成分、結構的相互聯繫）的核心方法論，將眾多課程內容進行提煉，利於讀者在分析方法上得到提高，從而提升微觀結構分析、選材、工藝制定的能力。

經過近5年的教學實踐，證明以上的兩點改進取得了很好的效果，也奠定了本次修訂的基礎。編者的教學實踐與編寫工作得到了眾多支持。2017年《金屬材料學》在中國大學MOOC平臺（掃描二維碼進入線上課程）上線並獲得江蘇省線上開放課程立項，該教材的第3版修訂工作於2016年獲得江蘇省重點教材立項建設，也是江蘇省高校品牌專業建設工程一期專案金屬材料工程專業（PPZY2015B127）的重點工作之一。

第3版編寫工作由袁志鐘副教授、戴起勳教授共同完成。主要工作包括以下方面：首先，緒論部分增加金屬材料全壽命的內容；其次，對原有章節的部分內容進行了修訂；再次，部分章節增加了一些內容，並引入多媒體內容；最後，更新了全部PPT課件（掃碼使用或下載），結合多媒體，實現線上線下混合式教學，方便教師和學生的學習。

在書籍編寫過程中，郭順博士和侯秀麗博士分別修訂、完善了鈦合金和鎂合金的章節，在此特別表示感謝。編者懇請同行和讀者批評指正和提出意見，以使教材品質不斷提高。

袁志鐘戴起勳
2018年6月
第2版前言

自然科學的專業知識蘊涵著自然科學哲學理論與內在規律。材料科學與工程是體現自然界奧秘的很有“思想”的一門學科，既遵循自然界的一般規律，也有自己的特殊內涵，科學研究的主要特徵是辯證與創新。“MSE”（MaterialsScience＆Engineering）很早就成為一個被人們認可的縮寫，許多材料科學家呼籲要實施MSE素質教育。在材料類各專業人才培養教學體系中提煉和融入MSE內涵、思想和方法無疑是非常重要的，其目的是培養學生材料研究創新思維的主動意識，材料研究創新活動的科學方法，材料研究創新成果的分析能力。

金屬材料學課程具有綜合性、應用性和辯證性的特點。在合金化基本理論的基礎上，系統論述金屬材料零部件的“服役-成分-工藝-組織-性能-環境”間的有機關係，這是課程的主線。材料的發展，如在結構鋼、工模具鋼、不銹鋼、熱強鋼、構件鋼等鋼類中，都充滿了矛盾對立統一和轉化的辯證關係。以辯證法原理提煉課程內涵及創新教學應在專業主幹課程教學過程中得到體現和實施。在課程教學中，結合課程內容，描述金屬材料性能演化過程的矛盾規律，總結合金元素作用的辯證規律，凸顯材料組織結構演化的量變與質變規律，歸納材料科學與工程中矛盾的共性與個性。創新的教學理念、教學思路和教學方法對培養學生深入理解學科專業的內涵，培養學生具有辨析能力和啟迪創新思維起到了很好的教學效果。

本書第1版自2005年出版以來，受到廣大使用者和讀者的歡迎和好評，越來越多的高校使用該教材和相匹配的PPT課件。該教材為普通高等教育“十一五”國家級規劃教材，並於2007年獲江蘇省精品教材獎，相應的課程也於2006年被評為江蘇省一類精品課程。

全書第2版修訂工作由主編戴起勳教授負責。戴起勳教授編寫修訂了緒論、第1章、第3章～第6章，新編了附錄A和附錄B，更新或修改了全書各章小結和習題；李冬升博士新編了第7章和參與修訂了第5章及第6章；李忠華副教授編寫修訂了第2章及第8章；邵紅紅教授編寫修訂了第9章～第12章；王樹奇教授編寫修訂了第13章～第15章；全書由戴起勳教授修改定稿。第2版修訂的主要工作有：對大部分章節的內容有所補充和刪減；考慮到課程容量，刪除了部分章節的內容；對部分章節內容進行了調整，如考慮到超高強度結構鋼的應用和性能的特殊性，單列一章，重新編寫；儘量規範了專業名詞術語；更新了耐熱鋼、不銹鋼等有關國家標準；對各章小結進行了修改，特別是以圖或表的形式補充了各章內容的框架和要點；為方便教與學，增加了附錄A課程總結提要和附錄B課堂討論題。

該教材的第2版修訂出版是江蘇省金屬材料工程品牌專業二期建設的重要內容之一，也是第四批國家級特色專業建設點江蘇大學金屬材料工程專業的建設任務之一。

編者懇請同行和讀者批評指正和提出意見，以使教材品質不斷提高。

戴起勳
2011年8月
第1版前言

金屬材料是所有材料中使用量較大的材料，其理論和體系相對比較完整。從20世紀80年代以來，比較成熟並廣泛應用的新型金屬材料已有了很大的發展，如金屬基複合材料、新型功能金屬材料、微合金非調質鋼等，即使是傳統材料也有了較大的發展。另外由於資源和環境的嚴峻問題，也提出了適應環境設計的簡單合金與通用合金等新概念。國家在1998年調整了專業目錄，對材料類專業的內涵有了新的敘述。近幾年來，儘管專業要求有了很大的變化，但還缺少相應的配套教材。

金屬材料學是金屬材料工程等材料類專業的核心課程。該課程在專業知識結構中佔有很重要的位置，是學生走上工作崗位使用知識最多最直接的課程。該課程具有綜合性、應用性和經驗性的特點。綜合性是指內容涉及知識面比較廣，涉及所有以前學過的專業知識；應用性是指課程的內容是生產或科研中正在廣泛使用的材料和技術；經驗性是指某些內容是長期的經驗總結，在實際應用中可變性還比較大。

本教材編寫者在金屬材料學課程教學中已有近20年的經驗。在教學過程中不斷地整改內容和凝練思路，形成了一定的體系和特點，更加注重于培養學生分析問題和解決問題的能力，側重于培養學生的創新思維。編寫該書的基礎：在借鑒原教材的基礎上，補充新的內容；結合多年的教學經驗和講稿，調整書的體系和框架。編寫思路：抓住材料“服役條件-成分-工藝-組織-性能-環境”的主線，圍繞合金化基本理論，盡可能地凸顯材料科學發展中的“思想”，使教材內容具有綜合性、應用性和新穎性的特點。該教材更適合於工程機械應用型金屬材料工程等材料類專業使用。

本書內容包括鋼鐵材料、有色金屬合金和新型金屬材料三大部分。以合金化原理為核心，著重闡明了材料成分與處理工藝的特點，強調了材料組織與性能及應用之間的關係，力圖使學生掌握各類材料成分設計和制定工藝的依據。對各類新材料的發展也作了一定介紹。為使學生更好地理解和掌握課程內容及重點，領會材料發展的主線、核心和“思想”，培養學生分析問題和解決問題的能力，各章最後都精寫了小結，並安排了一定量的思考題。
 
本書是江蘇省金屬材料工程品牌專業建設的重要內容之一，也是江蘇大學重點精品課程建設所組織編寫的教材。本書第1章、第3～6章和緒論由戴起勳教授編寫，第2章、第7章由李忠華副教授編寫，第8～11章由邵紅紅教授編寫，第12～15章由王樹奇教授編寫，全書由戴起勳教授統稿，程曉農教授主審。本書在編寫過程中參考了許多文獻資料，主要文獻列於書後，在此謹向所有參考文獻的作者誠致謝意。吳晶等老師提供了有關的金相組織圖片，化學工業出版社對本書的出版付出了辛勤的勞動，在此一併表示衷心感謝。

該教材不但是材料類本科專業學生的教材，而且也可以作為研究生和從事材料工作技術人員的參考書。限於作者水準，書中難免有疏漏之處，懇請同行和讀者批評指正，以利於今後的補充、修改和完善。

編者
2005年4月