金屬學

《金屬學》內容包括金屬的性能、金屬學基礎知識、鋼的熱處理及鋼鐵材料等部分。書中闡述了金屬的力學性能、物理性能、化學性能、工藝性能及有關測試方法；著重討論了金屬及其合金結晶的一般規律和相圖；簡要說明了金屬塑性變形理論；分析了鋼的熱處理及合金元素在鋼中的作用；比較詳細地介紹了鋼與鑄鐵的分類、牌號、性能與用途。

1 金屬的性能

1．1 金屬的力學性能

1．1．1 強度

1．1．2 塑性

1．1．3 硬度

1．1．4 韌性

1．1．5 疲勞強度

1．1．6 彎曲性能

1．1．7 力學性能

1．2 金屬的物理性能和化學性能

1．2．1 物理性能

1．2．2 金屬的化學性能

1．3 金屬的工藝性能

1．3．1 鑄造性能

1．3．2 鍛造性能

1．3．3 焊接性能

1．3．4 切削加工性能

2 金屬的晶體結構及結晶

2．1 金屬的晶體結構

2．1．1 金屬特性與金屬鍵

2．1．2 晶體的基本概念

2．1．3 金屬中常見的晶格類型

2．1．4 晶面與晶向

2．2 實際金屬的晶體結構及其對性能的影響

2．2．1 多晶體的幾個基本概念

2．2．2 晶體缺陷及其對性能的影響

2．3 純金屬的結晶及其基本規律

2．3．1 熱分析實驗與冷卻曲線

2．3．2 金屬結晶的過冷現象

2．3．3 金屬的結晶過程

2．3．4 金屬結晶的熱力學條件

2．3．5 金屬結晶的結構條件

2．3．6 晶核的形成

2．3．7 晶核長大

思考題

3 合金的結構及相圖

3．1 合金的基本知識

3．1．1 合金的基本概念

3．1．2 合金的相結構

3．2 二元合金相圖的建立

3．2．1 二元合金相圖的表示方法

3．2．2 二元合金相圖的測繪方法

3．3 二元勻晶相圖

3．3．1 相圖分析

3．3．2 槓桿定律

3．3．3 合金的結晶過程分析

3．3．4 固溶體的不平衡結晶

3．3．5 成分過冷及其對晶體成長形狀的影響

3．4 二元共晶相圖

3．4．1 相圖分析

3．4．2 合金的結晶過程分析

3．4．3 密度偏析(區域偏析)

3．4．4 不平衡結晶及組織

3．5 其他相圖?

3．5．1 包晶相圖

3．5．2 形成穩定化合物的相圖

3．6 二元相圖的分析和使用

3．6．1 相圖分析步驟

3．6．2 應用相圖時要注意的問題

3．6．3 根據相圖判斷合金的性能

3．7 鑄錠的組織

3．7．1 鑄錠三晶區的形成

3．7．2 鑄錠組織的控制

思考題

4 鐵碳合金

4．1 鐵碳合金的組元及基本相

4．1．1 純鐵

4．1．2 滲碳體

4．2 Fe—Fe3c相圖分析

4．2．1 相圖中的點、線、區及其意義

4．3 鐵碳合金的平衡結晶過程及組織

4．3．1 工業純鐵

4．3．2 共析鋼

4．3．3 亞共析鋼

4．3．4 過共析鋼

4．3．5 共晶白口鐵

4．3．6 亞共晶白口鐵

4．3．7 過共晶白口鐵

4．4 碳含量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響及鐵碳相圖的應用

4．4．1 碳含量對平衡組織的影響

4．4．2 碳含量對力學性能的影響

4．4．3 碳含量對工藝性能的影響

4．4．4 鐵碳合金相圖的應用

4．5 連鑄鋼坯組織與缺陷

4．5．1 鑄坯低倍結構特徵

4．5．2 鑄坯結構的控制

4．5．3 鑄坯及鋼材的缺陷

思考題

5 金屬塑性變形與再結晶

5．1 金屬的塑性變形

5．1．1 單晶體的塑性變形

5．1．2 多晶體的塑性變形

5．2 合金的塑性變形

5．2．1 固溶體合金的塑性變形特點

5．2．2 復相合金的塑性變形特點

5．3 冷塑性變形對金屬性能與組織的影響

5．3．1 冷塑性變形對金屬性能的影響

5．3．2 冷塑性變形對金屬組織結構的影響

5．3．3 產生內應力

5．4 冷變形金屬在加熱時的變化

5．4．1 回復

5．4．2 再結晶

5．4．3 晶粒長大

5．5 金屬的熱塑性變形(熱變形加工)

5．5．1 熱變形加工與冷變形加工的區別

5．5．2 熱變形加工對金屬組織與性能的影響

思考題

6 三元合金相圖

7 鋼的熱處理

8 鋼

9 鑄鐵

附錄

參考文獻

……

研究金屬及其合金的組成、組織結構和性能之間的內在聯繫，以及在各種條件下的變化規律，為有效地使用金屬材料和為發展具有特定性能的金屬材料而服務的一門應用科學。它是從冶金學的一個分支──金相學直接演變而來的。金屬學一詞，在中國始見於50年代初，是從俄文“Металловедение”翻譯過來的，字義與德文的”Metallkunde”一詞相當，科學內容和英文的”Physicalmetallurgy”（物理冶金）大致相當。

19世紀，冶金學在生產力蓬勃發展的推動下也得到了重視，到20世紀30年代發展衍生若干分支學科，金屬學或物理冶金就是其中之一。19世紀末至20世紀前葉，鋼的一般成分化學分析方法已經建立，觀察大於微米級的顯微組織的金相學技術已普遍應用，通過物理性能測定或熱分析方法研究相變已積累了一定經驗，用相律指導相圖的工作正在大量開展，這些都為金屬學的發展提供了條件。1863年英國人索比(H.C.Sorby)發明了金相技術，為研究合金中的相組成和顯微組織提供了有力工具。1868年俄國人切爾諾夫(Д.к.Чернов) 觀察到鋼必須加熱到超過某個臨界溫度才能淬火硬化，揭示了相變的存在和作用。1887年法國人奧斯蒙(F.Osmond)利用差熱分析方法系統地研究了鋼的相變。1899年英國人羅伯茨－奧斯汀(W.Roberts-Austen)指出鋼在臨界溫度以上的相是固溶體，並繪製出第一張鐵碳相圖。1900年德國人巴基烏斯-洛茲本(H.W.Bakhius-Roozeboom)在此基礎上應用吉布斯(J.W.Gibbs)相律修訂了鐵碳相圖(見鐵碳平衡圖)。相圖的出現，是金屬學發展的一個里程碑。

20世紀以來，金屬學繼續汲取物理學、物理化學和力學等有關成就，內容日益豐富。美國人貝茵(E.C.Bain)和達文波特(E.S.Davenport) 從1929～1930年開始研究鋼中奧氏體在不同恆溫條件下的轉變過程及其產物，創造了S曲線，後來改稱C曲線(見過冷奧氏體轉變圖)，闡明了鋼的熱處理的一般原理，對鋼的發展和有效利用有重要指導意義。X射線衍射分析在金屬學發展中也起了重要作用。通過應用X射線，各種合金相結構包括馬氏體的結構及其與碳含量的關係搞清楚了；金屬冷加工形變及其在退火過程中的擇優取向被提示了；鋁銅合金的時效硬化機理也得到闡明。1934年位錯理論的提出，不但成功地指出了材料實際強度和理論強度相差千百倍的原因，而且正確地說明了金屬的形變和加工硬化現象。這些，都是第二次世界大戰以前的重要成就。50年代金屬物理、固體物理的發展，特別是電子顯微鏡的應用以及薄膜透射技術的成功及衍襯理論的建立，對金屬的微觀結構如位錯的存在和運動等研究，提供了有力的工具，從而使金屬學中很多關鍵問題得以澄清（見晶體缺陷，金屬的強化）。

多年來，由於對鋼和其他合金的成分、組織結構與性能的內在聯繫的研究工作不斷深入，性能優越的新鋼種和新合金不斷湧現。高溫合金的發展便是這方面最突出的成就之一。對有關合金相的形成規律，各種元素及超微量雜質在金屬中的作用的研究也愈趨深入，現在對選擇、處理和使用金屬材料的肓目性已大為減少，但要實現完全按照預定要求而不進行實驗就能設計出合格的合金，還有很大距離。

金屬學以金屬電子論、晶體學(見晶體結構)及合金熱力學為理論基礎，依靠物理、化學的微觀和宏觀檢測技術，擴展了金相學的內容，保持應用科學的傳統，其研究內容可分為兩方面：①聯繫成分、處理過程對金屬組織結構和性能的影響，研究合金相結構和組織的形成規律，包括：研究合金相的形成、相圖原理及其測定、合金元素及微量元素在合金相中的分佈等合金組成的規律；研究晶體中原子的擴散過程；晶體重構的相變過程，包括金屬的凝固與溫度壓力變化下的固態相變；研究晶體缺陷和金屬形變過程中的位錯運動；研究成分及雜質對金屬性質的影響，包括超微量元素以及微觀和宏觀偏析。②聯繫金屬材料的使用，研究材料結構強度和斷裂行為（見形變和斷裂）；研究金屬材料在各種不同使用條件下的特性變化等（見範性形變，疲勞，蠕變，應力腐蝕斷裂和氫脆）；研究金屬的強化原理。至於那些雖以金屬為對象，或雖與金屬有關，但主要研究晶體缺陷和金屬電子結構以及它們之間，或它們與各種射線之間的交互作用等微觀過程；研究金屬和合金的物性本質，或純屬探索自然規律的領域，則另列入金屬物理，屬凝聚態或固體物理的分支。按學科劃分慣例，有關磁性、電導、超導、半導等基礎性工作，不屬於金屬學，應列入物理學範疇。

最近20年來金屬學出現不少新的突破，主要是由於新實驗技術和新工藝的出現而取得的。例如，應用電子計算機進行圖象處理，可以明顯地提高電子顯微鏡的分辨能力，能直接看到金屬中單個原子分佈的圖象(見電子顯微學)；分析電子顯微術和各種表面分析設備不斷出現，將金屬學的發展引向更加深入。又如應用激冷技術製成的快冷微晶合金和某些合金體系形成的非晶態金屬，都各自顯示出特有的性能，有很大的理論意義和實用價值，為金屬學開拓了新園地。

金屬學在歷史上曾有力地推動冶金學的發展，現在仍是廣義的冶金學中最活躍的學科。