金属材料学及热处理基础(赵忠魁)

《金属材料学及热处理基础》系统介绍了热处理原理及工艺、金属材料及其合金化原理，钢的热处理工艺，热处理过程的相变原理和相变产物，钢的合金化，常用金属材料的组织、性能、应用和热处理。本书深入浅出，图文结合，注意理论联系实际，并结合了最新科研成果。各章附有一定量的习题，文后提供了供进一步学习的参考文献。本书可作为高等院校机械类、材料类专业本科生、研究生的教材，也可作为厂矿企业、科研院所从事材料选用与开发的工程技术人员的参考书。

赵忠魁，山东建筑大学，教授，工学博士、教授，长期从事材料科学与工程学科教学与科研工作。在《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》《Key Engineering Materials 》《Materials Science Forum》《航空材料学报》《矿物学报》《钢铁研究学报》《材料热处理学报》等期刊发表论文40余篇，其中SCI、EI、ISTP收录20余篇。主编《金属材料学及热处理技术》、《工程训练教程》2部高校教材和《实用轻金属手册》图书1部、出版《含锂铝合金的组织与性能》专著1部。

第1章钢的热处理原理1
1.1概述1
1.1.1金属热处理工艺简介1
1.1.2热处理的作用2
1.1.3热处理与相图2
1.1.4钢的临界温度3
1.2钢在加热时的转变4
1.2.1共析钢的奥氏体形成过程5
1.2.2非共析钢的奥氏体形成过程6
1.2.3影响奥氏体形成的因素7
1.2.4奥氏体晶粒度及其影响因素8
1.2.5过热与过烧10
1.3钢在冷却时的转变10
1.3.1概述10
1.3.2过冷奥氏体等温转变曲线11
1.3.3影响过冷奥氏体等温转变的因素12
1.3.4过冷奥氏体连续冷却转变曲线15
1.3.5过冷奥氏体转变图的应用17
1.4珠光体相变18
1.4.1珠光体分类18
1.4.2珠光体的形成机理20
1.4.3亚(过)共析钢的珠光体转变22
1.4.4影响珠光体转变的因素23
1.5马氏体相变24
1.5.1马氏体相变的基本特征24
1.5.2马氏体的形态及其亚结构25
1.5.3马氏体相变的开始和停止28
1.5.4奥氏体的稳定化29
1.5.5马氏体的力学性质31
1.5.6马氏体的应用32
1.6贝氏体相变33
1.6.1贝氏体的形貌及其亚结构33
1.6.2贝氏体的力学性能35
1.6.3贝氏体的形成机理36
1.7马氏体回火转变37
1.7.1马氏体的分解37
1.7.2残余奥氏体转变40
1.7.3淬火钢回火后力学性能的变化41
习题43

第2章钢的热处理工艺44
2.1钢的普通热处理44
2.1.1退火44
2.1.2正火47
2.1.3淬火49
2.1.4回火59
2.2钢的表面热处理61
2.2.1感应加热表面热处理61
2.2.2火焰加热表面热处理63
2.3钢的化学热处理63
2.3.1渗碳64
2.3.2渗氮67
2.3.3碳氮共渗70
2.4特殊处理技术70
2.4.1可控气氛热处理70
2.4.2真空热处理71
2.4.3新型表面热处理71
2.4.4形变热处理72
2.4.5环保型热处理73
2.4.6激光热处理73
2.4.7气相沉积73
习题74

第3章钢的合金化76
3.1合金元素和铁的作用76
3.1.1钢中的杂质元素76
3.1.2合金元素78
3.1.3合金元素对Fe-Fe3C相图的影响80
3.2合金元素对钢的热处理的影响81
3.2.1合金元素对奥氏体化的影响81
3.2.2合金元素对过冷奥氏体的影响83
3.2.3合金元素对淬火钢回火的影响87
3.3钢的微合金化90
3.3.1微合金钢的强化机制90
3.3.2铌、钒、钛微合金化元素的特性及作用91
3.3.3控制轧制与控制冷却技术93
3.4合金元素对钢工艺性的影响94
3.4.1热处理工艺性94
3.4.2成形加工性95
3.5钢的分类及牌号96
3.5.1钢的分类96
3.5.2钢的牌号97
3.5.3钢铁及合金牌号统一数字代号体系100
习题101

第4章结构钢102
4.1工程结构钢102
4.1.1工程结构钢的基本要求102
4.1.2低合金高强度钢的合金化103
4.1.3铁素体-珠光体钢105
4.1.4微珠光体低合金高强度钢108
4.1.5针状铁素体型钢、低碳贝氏体钢和双相钢110
4.1.6低合金高强度钢发展趋势113
4.2机器零件用钢113
4.2.1概述113
4.2.2整体强化态钢116
4.2.3表面强化态钢129
4.2.4高锰钢133
4.2.5零件材料选择基本原则134
习题136

第5章工具钢137
5.1概述137
5.1.1合金工具钢成分与性能特点138
5.1.2合金工具钢的热加工及热处理139
5.1.3典型合金工具钢及其应用139
5.2刃具钢140
5.2.1刃具钢的工作条件及性能要求 140
5.2.2碳素刃具钢 141
5.2.3合金刃具钢142
5.2.4高速钢143
5.3模具钢150
5.3.1冷作模具钢150
5.3.2热作模具钢154
5.3.3塑料模具用钢156
5.3.4表面硬化技术在模具钢中的应用158
5.4量具用钢159
5.4.1量具的工作条件及性能要求159
5.4.2常用量具用钢159
5.4.3量具钢的热处理160
5.5其他工具钢160
5.5.1耐冲击工具钢160
5.5.2冷轧工作辊用钢161
习题161

第6章不锈钢163
6.1铁素体不锈钢163
6.1.1铁素体不锈钢的化学成分及分类163
6.1.2铁素体不锈钢的脆性164
6.1.3铁素体不锈钢的热处理166
6.1.4铁素体不锈钢的特性和应用166
6.2马氏体不锈钢166
6.2.1马氏体不锈钢的化学成分167
6.2.2马氏体不锈钢的热处理168
6.2.3马氏体不锈钢的应用169
6.3奥氏体不锈钢169
6.3.1奥氏体不锈钢的化学成分及平衡组织170
6.3.2奥氏体不锈钢的晶间腐蚀和应力腐蚀171
6.3.3奥氏体不锈钢的热处理172
6.3.4铬锰及铬镍锰奥氏体不锈钢173
6.4双相不锈钢174
6.4.1奥氏体-铁素体双相不锈钢174
6.4.2奥氏体-马氏体双相不锈钢175
6.5抗菌不锈钢177
6.5.1抗菌不锈钢抗菌原理177
6.5.2抗菌不锈钢种类177
习题178

第7章耐热钢179
7.1对耐热钢的性能要求179
7.1.1金属的抗氧化性179
7.1.2金属的高温力学性能与强化180
7.2热强钢182
7.2.1钢的热强性182
7.2.2珠光体热强钢183
7.2.3马氏体热强钢184
7.2.4奥氏体热强钢185
7.3抗氧化钢186
7.3.1铁素体抗氧化钢186
7.3.2奥氏体 少量铁素体抗氧化钢186
7.3.3奥氏体抗氧化钢187
习题188

第8章铸铁189
8.1概述189
8.1.1铸铁的特点和分类189
8.1.2铸铁的石墨化190
8.2灰铸铁195
8.2.1灰铸铁的片状石墨形态195
8.2.2灰铸铁的化学成分和组织特征196
8.2.3灰铸铁的牌号196
8.2.4灰铸铁的性能196
8.2.5灰铸铁的孕育处理198
8.2.6灰铸铁的热处理198
8.3球墨铸铁199
8.3.1球墨铸铁的化学成分和组织特征199
8.3.2球墨铸铁的球化处理与孕育处理200
8.3.3球墨铸铁的牌号、性能与用途201
8.3.4球墨铸铁的热处理202
8.4蠕墨铸铁205
8.4.1蠕墨铸铁的化学成分和组织特征205
8.4.2蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途205
8.5可锻铸铁206
8.5.1可锻铸铁的化学成分和组织特征206
8.5.2可锻铸铁的牌号、性能特点及用途207
8.5.3可锻铸铁的石墨化退火208
8.6合金铸铁208
8.6.1耐磨铸铁209
8.6.2耐热铸铁209
8.6.3耐腐蚀铸铁210
8.6.4无磁铸铁210
习题211

第9章铝及其合金212
9.1纯铝212
9.2铝合金的分类213
9.3铝合金的强化214
9.3.1固溶强化214
9.3.2时效强化215
9.3.3过剩相强化216
9.3.4细化组织强化216
9.3.5加工强化216
9.4变形铝合金216
9.4.1防锈铝合金217
9.4.2硬铝合金218
9.4.3超硬铝合金219
9.4.4锻铝合金219
9.4.5Al-Li系合金220
9.4.6导线铝合金221
9.5铸造铝合金221
9.5.1Al-Si系铸造铝合金222
9.5.2Al-Cu系铸造铝合金222
9.5.3Al-Mg系铸造铝合金223
9.5.4Al-Zn系铸造铝合金223
习题223

第10章镁及其合金224
10.1镁合金的特点和分类224
10.1.1镁合金的特点224
10.1.2镁合金的分类224
10.2变形镁合金225
10.2.1Mg-Al系变形合金225
10.2.2Mg-Zn系变形合金226
10.2.3Mg-Mn系变形合金227
10.2.4Mg-RE系变形合金228
10.2.5Mg-Li系合金229
10.3铸造镁合金230
10.3.1Mg-Zn系铸造合金231
10.3.2Mg-Al系铸造合金232
10.3.3Mg-RE系铸造合金233
10.3.4其他铸造镁合金234
10.4特种镁合金235
10.4.1耐热镁合金235
10.4.2耐蚀镁合金235
10.4.3阻燃镁合金235
10.4.4高强高韧镁合金236
10.4.5可降解生物镁合金236
10.5镁及其合金的应用236
习题237

第11章钛及其合金238
11.1钛及其合金的特性238
11.1.1纯钛的性能238
11.1.2钛的合金化239
11.1.3钛合金的主要特性240
11.2常用钛合金240
11.2.1α型钛合金和近α型钛合金242
11.2.2β型钛合金和近β型钛合金242
11.2.3α β型钛合金243
11.3钛合金的热处理243
11.4特种钛合金244
习题247

第12章铜及其合金248
12.1紫铜248
12.1.1紫铜的性能248
12.1.2紫铜的杂质248
12.1.3紫铜的分类249
12.2铜的合金化249
12.3黄铜251
12.3.1黄铜的性能与成分之间的关系251
12.3.2黄铜的牌号、分类及用途252
12.4青铜254
12.4.1锡青铜255
12.4.2铍青铜256
12.4.3其他青铜256
12.5白铜256
12.5.1普通白铜256
12.5.2特殊白铜257
12.5.3无镍白铜257
12.6铜合金的热处理258
12.6.1铜合金的去应力退火处理258
12.6.2铍青铜的时效处理258
12.6.3铜合金的淬火回火259
习题259

第13章滑动轴承合金、锌合金和镍合金260
13.1滑动轴承合金260
13.1.1滑动轴承对材料的要求及材料260
13.1.2锡基轴承合金260
13.1.3铅基轴承合金261
13.1.4铜基轴承合金261
13.1.5铝基轴承合金262
13.2锌及锌合金262
13.2.1纯锌262
13.2.2锌合金的特点262
13.2.3锌合金的分类263
13.2.4锌合金成分控制264
13.3镍及镍合金264
13.3.1纯镍264
13.3.2镍的合金化264
13.3.3镍基合金组织265
13.3.4镍合金266
习题268

参考文献269

金属材料学与热处理技术是基础科学与工程科学的融合。金属材料广泛应用于工业生产各领域，是工业生产和社会生活中必不可少的物质基础，对现代科学技术发展和国民经济建设发挥着重要作用。本书较全面地介绍钢的热处理原理与工艺，钢的合金化，碳素钢与合金钢、铸铁和有色金属材料的成分、组织结构、热处理工艺和性能之间关系以及最新的科学成果。
本书是山东建筑大学材料成型及控制工程山东省一流本科专业建设成果教材。本书由13章组成，第1章和第2章讲述钢的热处理原理和技术，包括钢在加热、冷却过程中的组织转变规律及转变产物,整体热处理、表面热处理和化学热处理等钢的热处理工艺，介绍了几种热处理新技术。第3章讲述钢的合金化，包括合金元素与碳的相互作用、合金元素对钢加热和冷却的影响及合金钢中的相组成、钢的微合金化、钢的分类与编号等内容；第4章至第7章讲述结构钢、工具钢、不锈钢和耐热钢，包括各种钢的成分、热处理工艺、主要性能、应用及合金元素在其中的作用，介绍了各类零件的工作条件和选用材料的方法。第8章讲述铸铁，包括铸铁的石墨化、铸铁的类型、组织、性能和用途、热处理。第9章至第13章讲述铝、镁、钛、铜、锌、镍和轴承合金的组织、性能、用途和热处理。本书介绍金属材料学和热处理基本原理，分析和认识金属材料发展的规律，目的是能使学生学会根据各种不同的需求，选择合适的材料，制定合理的工艺制度或者开发新型金属材料。本书编写力求深入浅出，图文结合，理论联系实际，并引入了最新科研成果。为使学生对所学知识进行归纳、总结和复习，每章末安排编写了习题。
本书由山东建筑大学赵忠魁等编著，于宽、李阳、景财年、衣冠玉、付小佼、史传伟参加编写，齐鲁工业大学（山东省科学院）张新恩主审。
在本书编写过程中，编者参考了国内外同行的文献资料，谨向文献作者们表示衷心的感谢！
由于编者水平有限，不足之处在所难免，敬请广大读者批评指正。

编著者
2022年10月济南