第4章新型金属材料金属材料的结构与性能4.1超高强度钢4.2超耐热合金4.3超低温合金4.4超塑性合金4.5形状记忆合金4.6储氢合金4.7非晶态金属材料4.8材料科学与工程学院
第4章 新型金属材料 金属材料的结构与性能 超高强度钢 超耐热合金 超低温合金 超塑性合金 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 形状记忆合金 储氢合金 4.8 非晶态金属材料 4.7 材料科学与工程学院
84新型金属材料金属通常分为黑色金属和有色金属黑色金属：是指铁、铬、锰金属及它们的合金，且以铁金属、铁合金为主，故黑色金属常近似认为就是铁系金属与铁合金，如钢、铸铁等。除铁、铬、锰以外的金属称为有色金属。有色金属分类：（1）轻有色金属：密度小于4.5g/cm3的有色金属。包括钾、钠、钙、镁、铝锶、钡，其特点是化学高，自然界多以氯化物、碳酸盐、硅酸盐等形式存在。（2）重有色金属：密度大于4.5g/cm3的有色金属。包括Cu,Ni,Sn，Pb,Cd,Hg，Co,Bi等。（3）贵金属：价格昂贵的金属。包括Pt,Au,Ag，Rh(),Ir(),Pd(钯)等。（4）稀有金属：在自然界含量少或分布稀散、发现晚、难提取或制备应用较晚的金属归类为稀有金属，如Li,Rb（），Cs（），W,Mo,V等。（5）准金属：性质介于金属与非金属之间的称为准金属元素，包括B，Si，Se，Te，As，Ge等。（6）放射性金属：镭、铀、针等具有放射性的金属。材料科学与工程学院
金属通常分为黑色金属和有色金属 黑色金属： 是指铁、铬、锰金属及它们的合金，且以铁金属、铁合金为主，故黑色金属常近似认为 就是铁系金属与铁合金，如钢、铸铁等。 除铁、铬、锰以外的金属称为有色金属。 有色金属分类： （1）轻有色金属：密度小于4.5g/cm3的有色金属。包括钾、钠、钙、镁、铝锶、钡，其特 点是化学高，自然界多以氯化物、碳酸盐、硅酸盐等形式存在。 （2）重有色金属：密度大于4.5g/cm3的有色金属。包括Cu, Ni, Sn, Pb, Cd,Hg, Co, Bi等。 （3）贵金属：价格昂贵的金属。包括Pt,Au, Ag, Rh(铑),Ir(铱),Pd(钯)等。 （4）稀有金属：在自然界含量少或分布稀散、发现晚、难提取或制备应用较晚的金属归类 为稀有金属，如Li, Rb（铷）, Cs（铯）,W, Mo, V等。 （5）准金属：性质介于金属与非金属之间的称为准金属元素，包括B, Si, Se, Te, As, Ge 等。 （6）放射性金属：镭、铀、钍等具有放射性的金属。 §4 新型金属材料 材料科学与工程学院
4.1金属材料的结构与性能4.1金属材料的结构与性能4.1.1金属晶体结构体心立方（BCC）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）结构的金属有Al,贵金属，y-Fe,Ni,Pb，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等材料科学与工程学院
4.1 金属材料的结构与性能 •体心立方(BCC) 的金属有 •面心立方(FCC) 结构的金属有 •密排六方结构(HCP）结构的金属有 碱金属，难熔金属(V, Nb, Ta, Cr, Mo, W),α-Fe等。 Al,贵金属，γ-Fe, Ni, Pb, Pt以及奥氏体不锈钢等。 α-Be ,α-Ti, α-Zr, Mg, Zn, Cd等。 4.1 金属材料的结构与性能 材料科学与工程学院 4.1.1 金属晶体结构
4.1金属材料的结构与性能4.1.1金属晶体结构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。所谓的位向（方位）一致，是指晶体中的单晶体：是指晶格位向（方位）一致的晶体。原子按一定的几何形状做周期性排列的规律没有破坏。单晶体具有各向异性多晶体：指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶结构。多晶体中每个外形不规则的小晶体称多晶体是各向同性为晶粒，晶粒和晶粒之间存在晶界材料科学与工程学院
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。 单晶体：是指晶格位向（方位）一致的晶体。 单晶体具有各向异性。 多晶体：指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位 向是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶 体结构称为多晶结构。 多晶体是各向同性。 所谓的位向（方位） 一致，是指晶体中的 原子按一定的几何形 状做周期性排列的规 律没有破坏。 多晶体中每个外形 不规则的小晶体称 为晶粒，晶粒和晶 粒之间存在晶界。 4.1.1 金属晶体结构 4.1 金属材料的结构与性能 材料科学与工程学院
4.1金属材料的结构与性能4.1.2合金基本结构与性能合金，就是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。例如，由铜和锡组成的青铜，由铝、铜、镁组成的硬铝等等，都是合金。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。合金的优良性能是由合金各组成相的成分、结构及其形态所决定的。虽然合金中有不同的相，不同的相有不同的晶体结构，但可以将合金的相结构分为固溶体和金属化合物（中间相）两大类。材料科学与工程学院
合金，就是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。 例如，由铜和锡组成的青铜，由铝、铜、镁组成的硬铝等等，都是合 金。 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。 合金的优良性能是由合金各组成相的成分、结构及其形态所决定的。 虽然合金中有不同的相，不同的相有不同的晶体结构，但可以将合金 的相结构分为固溶体和金属化合物（中间相）两大类。 4.1 金属材料的结构与性能 材料科学与工程学院 4.1.2 合金基本结构与性能
4.1金属材料的结构与性能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。纯铁质软，熔点1535°C，共有三种同素异构体。同素异914°C1390°C?构转变ZS-FeZy-Fezα-Fez半径较小的C原子可进入到铁的晶格中，在一定条件下形成多种相态的合金结构。材料科学与工程学院
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。 纯铁质软，熔点1535°C，共有三种同素异构体。 半径较小的C原子可进入到铁的晶格中，在一定条件下形 成多种相态的合金结构。 同素异 构转变 4.1 金属材料的结构与性能 材料科学与工程学院 4.1.3 铁系合金的组织结构 914 1390 C C Fe Fe Fe
4.1金属材料的结构与性能4.1.3铁系合金的组织结构奥氏体：C溶解到y-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。铁系合金的铁素体：C溶解到α-Fe立方晶格中的间隙固溶体组织结构具有体心立方结构。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%。材料科学与工程学院
4.1 金属材料的结构与性能 铁系合金的 组织结构 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。 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。 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。 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%。 材料科学与工程学院 4.1.3 铁系合金的组织结构
4.1金属材料的结构与性能4.1.4金属材料热处理（一）、热处理工艺整体热处理：对工件整体进行穿透加入，常用方法有退火，正火、火+回火等。表面热处理：仅对工件的表面进行的热处理工艺，常用方法有表面火和回火，气相沉积等。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。材料科学与工程学院
（一）、热处理工艺 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。 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。 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。 4.1 金属材料的结构与性能 材料科学与工程学院 4.1.4 金属材料热处理
4.1金属材料的结构与性能4.1.4金属材料热处理几种热处理方法：（1）钢的正火：正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。（2）钢的萍火：淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入萍火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。萍火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。萍火中常用的萍火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。材料科学与工程学院
（1）钢的正火：正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均 匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的 网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求 不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。 （2）钢的淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然 后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急 速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。 淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。 淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。 4.1 金属材料的结构与性能 材料科学与工程学院 4.1.4 金属材料热处理 几种热处理方法：
4.1金属材料的结构与性能4.1.4金属材料热处理（3）退火：把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。其实质是将钢加热到奥氏体后进行珠光体转变。退火的目的在于均匀化学成分、细化晶粒、降低硬度、提高塑性以改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力并为零件最终热处理作好组织准备。材料科学与工程学院
（3）退火：把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢 冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。其实质是将钢加热 到奥氏体后进行珠光体转变。 退火的目的在于均匀化学成分、细化晶粒、降低硬度、提 高塑性以改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力并为零 件最终热处理作好组织准备。 4.1 金属材料的结构与性能 材料科学与工程学院 4.1.4 金属材料热处理