0　绪论——金属材料的过去、现在和将来 001
0.1　金属材料发展简史 001
0.1.1　第一阶段——原始金属材料的生产 001
0.1.2　第二阶段——金属材料学科的基础 001
0.1.3　第三阶段——微观组织理论的大发展 002
0.1.4　第四阶段——微观理论的深入研究 002
0.2　现代金属材料 003
0.3　金属材料的可持续发展与趋势 005
0.4　金属零部件全寿命过程图 006
0.5　金属材料学在金属材料工程知识体系中的作用 007
思考题 008

第一篇　钢铁材料
1　钢的合金化概论 011
1.1　合金元素和铁的作用 011
1.1.1　钢中的元素 011
1.1.2　铁基二元相图 012
1.1.3　合金元素对Fe-Fe3C 相图的影响 013
1.2　合金钢中的相组成 014
1.2.1　置换固溶体 014
1.2.2　间隙固溶体 015
1.2.3　碳（氮）化物及其形成规律 016
1.2.4　金属间化合物 019
1.3　合金元素在钢中的分布及偏聚 019
1.3.1　合金元素在钢中的分布 019
1.3.2　合金元素的偏聚 020
1.4　合金钢中的相变 021
1.4.1　合金钢的加热奥氏体化 021
1.4.2　过冷合金奥氏体的分解 023
1.4.3　合金钢的回火转变 025
1.5　合金元素对钢强韧化的影响 028
1.5.1　钢强化的形式及其机理 028
1.5.2　合金钢强化的有效性 029
1.5.3　合金元素对钢韧度的影响 030
1.6　合金元素对钢工艺性的影响 032
1.6.1　钢的热处理工艺性 032
1.6.2　钢的成型加工性 037
1.7　微量元素在钢中的作用 038
1.7.1　微量元素的作用 038
1.7.2　微合金钢中的合金元素 039
1.8　金属材料的环境协调性设计 040
1.8.1　通用合金与简单合金 041
1.8.2　环境协调性合金的成分设计 042
1.9　合金钢的分类与编号 044
1.9.1　钢的分类 044
1.9.2　合金钢的编号方法 045
本章小结 046
思考题 049

2　工程结构钢 050
2.1　工程结构钢的基本要求 050
2.2　低合金高强度结构钢的合金化 051
2.2.1　合金元素对低合金高强度钢力学性能的影响 051
2.2.2　合金元素对焊接性和耐大气腐蚀性的影响 053
2.3　常用低合金高强度结构钢 054
2.4　微珠光体低合金高强度钢 056
2.4.1　强化机理 056
2.4.2　微合金元素的作用 056
2.5　针状铁素体钢 057
2.6　低碳贝氏体和马氏体钢 058
2.7　双相钢 058
2.8　低合金高强度钢发展趋势 060
本章小结 060
思考题 061

3　机械制造结构钢 062
3.1　概述 062
3.1.1　机械制造结构钢的特点与合金化 062
3.1.2　机械制造结构钢的强度与脆性 063
3.2　调质钢 064
3.2.1　淬透性原则 065
3.2.2　合金化及常用钢 065
3.2.3　调质钢强韧化工艺的发展 066
3.3　非调质机械结构钢 067
3.3.1　微合金元素对强韧化的贡献 067
3.3.2　获得最佳强韧化的工艺因素 068
3.3.3　组织因素对强韧性贡献的大小 069
3.3.4　低碳贝氏体型和马氏体型非调质钢 069
3.3.5　非调质钢综合优化设计 070
3.4　弹簧钢 071
3.4.1　弹簧的服役条件及性能要求 071
3.4.2　常用弹簧钢及强化工艺 071
3.5　滚动轴承钢 073
3.5.1　滚动轴承钢的工作特点及性能要求 073
3.5.2　轴承钢的冶金质量和合金化 073
3.5.3　高碳铬轴承钢的热处理 075
3.6　低碳马氏体钢 076
3.6.1　低碳马氏体结构钢力学性能及影响因素 076
3.6.2　低碳马氏体结构钢及应用 077
3.7　合金渗碳钢 077
3.7.1　渗碳钢的合金化 077
3.7.2　常用渗碳钢及热处理工艺 078
3.8　氮化钢 081
3.9　低淬透性钢 082
3.10　耐磨钢 083
3.10.1　钢的耐磨性及其影响因素 083
3.10.2　高锰铸钢 084
3.10.3　低合金耐磨钢及石墨钢 085
3.11 　零件材料选择基本原则与思路 085
3.11.1 　选择材料的基本原则 086
3.11.2 　选择材料的基本思路及方法 087
3.11.3 　典型零件材料选择与工艺分析 088
本章小结 089
思考题 091

4　工模具钢 093
4.1　概述 093
4.1.1　工具钢成分与性能特点 093
4.1.2　工具钢基本性能及检测方法 094
4.2　刃具用碳素钢及低合金工具钢 095
4.2.1　碳素工具钢 095
4.2.2　低合金工具钢 095
4.3　高速钢 097
4.3.1　高速钢的分类 097
4.3.2　高速钢中合金元素的作用 098
4.3.3　高速钢中的碳化物 099
4.3.4　高速钢的热处理 101
4.4　冷作模具钢 106
4.4.1　碳素工具钢和低合金工具钢 106
4.4.2　高铬和中铬模具钢 107
4.4.3　基体钢 109
4.5　热作模具钢 109
4.5.1　热锤锻模钢 110
4.5.2　热挤压模钢 112
4.5.3　压铸模钢 113
4.6　其他类型工具钢 114
4.6.1　耐冲击用钢 114
4.6.2　轧辊用钢 114
4.6.3　量具用钢 115
4.6.4　塑料模具用钢 116
本章小结 117
思考题 119

5　不锈钢 120
5.1　概述 120
5.1.1　金属腐蚀类型与提高耐腐蚀性的途径 120
5.1.2　不锈钢的组织与分类 121
5.2　影响不锈钢组织和性能的因素 123
5.2.1　常用合金元素的作用 123
5.2.2　腐蚀介质对钢耐蚀性的影响 125
5.3　铁素体不锈钢 126
5.3.1　常用铁素体不锈钢及特点 126
5.3.2　铁素体不锈钢的脆性 127
5.3.3　铁素体不锈钢的热处理 127
5.4　马氏体不锈钢 128
5.4.1　马氏体不锈钢的成分和组织特点 128
5.4.2　马氏体不锈钢的热处理特点 129
5.5　奥氏体不锈钢 130
5.5.1　奥氏体不锈钢的成分特点 130
5.5.2　奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 132
5.5.3　奥氏体不锈钢的热处理 133
5.5.4　铬锰氮奥氏体不锈钢 134
5.6　奥氏体-铁素体双相不锈钢 135
本章小结 135
思考题 136

6　耐热钢 138
6.1　概述 138
6.1.1　金属的抗氧化性 138
6.1.2　钢的热强性 140
6.1.3　耐热钢的合金化 142
6.2　热强钢 143
6.2.1　珠光体热强钢 143
6.2.2　马氏体热强钢 146
6.2.3　奥氏体型高温合金 147
6.3　抗氧化钢 149
本章小结 150
思考题 151

7　超高强度结构钢 152
7.1　低合金超高强度钢 152
7.1.1　低合金超高强度钢的成分设计 152
7.1.2　常用低合金超高强度钢 153
7.2　二次硬化型超高强度钢 155
7.2.1　二次硬化型超高强度钢的成分设计 155
7.2.2　二次硬化型超高强度钢的性能特点 155
7.3　马氏体时效钢 156
7.3.1　马氏体时效钢的成分设计 156
7.3.2　马氏体时效钢的组织性能 157
7.3.3　马氏体时效钢的发展 158
7.4　沉淀硬化超高强度不锈钢 159
本章小结 160
思考题 161

8　铸铁 162
8.1　概述 162
8.1.1　铸铁的分类与牌号表示方法 162
8.1.2　铸铁石墨化及影响因素 163
8.2　普通灰铸铁 167
8.2.1　灰铸铁中片状石墨的生长方式 167
8.2.2　灰铸铁组织特点 168
8.2.3　灰铸铁性能及热处理 169
8.3　球墨铸铁 170
8.3.1　球状石墨的形成过程 171
8.3.2　球墨铸铁组织与性能 172
8.3.3　球墨铸铁的热处理 174
8.4　蠕墨铸铁 176
8.4.1　蠕状石墨的形成过程 176
8.4.2　蠕墨铸铁的金相组织 177
8.4.3　蠕墨铸铁性能特点及应用 178
8.5　可锻铸铁 179
8.6　特种性能铸铁 180
8.6.1　耐热铸铁 180
8.6.2　耐磨铸铁 181
8.6.3　耐蚀铸铁 181
本章小结 182
思考题 183

第二篇　有色金属合金
9　铝合金 187
9.1　概述 187
9.1.1　铝合金的分类 187
9.1.2　铝合金热处理强化特点 187
9.1.3　影响时效强化的主要因素 189
9.2　变形铝合金 190
9.2.1　变形铝及铝合金牌号和表示方法 190
9.2.2　防锈铝合金 190
9.2.3　硬铝合金 191
9.2.4　超硬铝合金 192
9.2.5　锻铝合金 193
9.2.6　变形铝合金的热处理及金相检验 193
9.3　铸造铝合金 194
9.3.1　Al-Si及Al-Si-Mg铸造合金 194
9.3.2　其他铸造铝合金 196
9.3.3　铸造铝合金的热处理 197
本章小结 198
思考题 199

10　铜合金 200
10.1　黄铜 200
10.1.1　黄铜的牌号及表示方法 200
10.1.2　普通黄铜 201
10.1.3　特殊黄铜 203
10.1.4　黄铜的热处理 205
10.2　青铜 205
10.2.1　青铜的牌号及表示方法 205
10.2.2　锡青铜 206
10.2.3　铝青铜 208
10.2.4　铍青铜 209
本章小结 210
思考题 211

11　钛合金 212
11.1 　概述 212
11.1.1 　钛的基本性质与合金化 212
11.1.2 　钛合金的相变特点 213
11.2 　常用钛合金 215
11.2.1 　钛合金的分类 215
11.2.2 　α钛合金 216
11.2.3 　α+β钛合金 217
11.2.4 　β钛合金 218
11.3 　钛合金的热处理 219
11.4 　钛合金的发展与应用 220
11.4.1 　钛合金生产工艺的改善 220
11.4.2 　钛合金的新发展和新应用 220
本章小结 221
思考题 222

12　镁合金 223
12.1　概述 223
12.1.1　镁的基本性质 223
12.1.2　镁合金的特点 223
12.1.3　镁合金的分类 224
12.2　镁合金的合金化原理 225
12.2.1　合金元素对组织和性能的影响 225
12.2.2　镁合金的强韧化 226
12.3　变形镁合金的组织和性能 227
12.4　铸造镁合金的组织和性能 229
12.5　镁合金的热处理 230
12.6　镁合金的应用 231
本章小结 231
思考题 232

第三篇　新型金属材料
13　金属功能材料 235
13.1　磁性合金 235
13.1.1　软磁合金 235
13.1.2　硬磁合金 238
13.2　电热合金 240
13.2.1　Ni-Cr系合金 240
13.2.2　Fe-Cr-Al系合金 240
13.2.3　Fe-Mn-Al系合金 241
13.3　形状记忆合金 241
13.3.1　形状记忆原理 241
13.3.2　常用形状记忆合金 242
13.4　其他功能材料 245
13.4.1　热膨胀合金 245
13.4.2　减振合金 247
13.4.3　储氢合金 248
13.4.4　溅射靶材合金 249
本章小结 250
思考题 250

14　金属基复合材料 251
14.1　概述 251
14.1.1　金属基复合材料的种类 251
14.1.2　金属基复合材料的性能特点 252
14.1.3　金属基复合材料的研究和应用 254
14.2　金属基复合材料的强度和体系选择 255
14.2.1　金属基复合材料的强度 255
14.2.2　金属基复合材料的体系选择 256
14.3　金属基复合材料的界面与控制 258
14.3.1　金属基复合材料界面结合与界面类型 258
14.3.2　金属基复合材料界面稳定性 260
14.3.3　金属基复合材料界面浸润与界面反应控制 261
14.4　金属基复合材料的性能 262
14.4.1　纤维增强金属基复合材料 262
14.4.2　短纤维及颗粒增强金属基复合材料 264
本章小结 265
思考题 266

15　金属间化合物结构材料 267
15.1　概述 267
15.1.1　金属间化合物材料的性能特点 267
15.1.2　金属间化合物结构材料发展历史 268
15.2　常用金属间化合物材料及应用 269
15.2.1　Ni-Al系金属间化合物合金 269
15.2.2　Fe-Al系金属间化合物合金 271
15.2.3　Ti-Al系金属间化合物合金 272
本章小结 275
思考题 275

附录 276
附录A　课程总结提要 276
附录B　课堂讨论题 279
附录C　关于金属材料部分力学性能符号的说明 282

参考文献 283

第3版前言
本书第1版自2005年出版以来，受到了广大读者的欢迎和好评，越来越多的高校使用了该教材和相匹配的PPT 课件。该教材为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，并于2007年获江苏省精品教材奖，第2版教材是江苏省金属材料工程品牌专业二期建设的重要内容之一，也是第4批国家级特色专业建设点江苏大学金属材料工程专业的建设任务之一，相应的课程于2006年被评为江苏省一类精品课程。依托国家级特色专业“金属材料工程”和江苏省品牌专业建设项目，在我国高等工程教育与国际全面接轨、传统工科专业全面向“新工科”转型的背景下，“深度产教融合的材料类‘工程素质链’人才培养模式创新与实践”于2017年获得江苏省高等教育教学成果特等奖，并于2018年获得高等教育国家级教学成果奖二等奖，本教材是列入教学成果奖的主讲教材之一。
本书的写作工作，具有阶段性的成长特质。第1版主要完成了章节框架及主体内容；第2版主要完成了课程内涵的凝炼和MSE（Materials Science and Engineering）素质教育以及辩证法思想的总结。但是在编者长期使用教材和授课过程中，仍然遇到了很多问题：首先，最突出的是学习者面对金属材料学这样一个内容庞杂的系统，往往“只见树木、不见森林”；其次，书中强调内容知识，但对于学习者能力的培养缺乏足够引导。因此，编者在充分总结与讨论的基础上，首先在教学实践中，增加了金属材料学与其他课程的联系以及金属材料全寿命过程的内容，将金属材料学与其他学科与课程相联系，并且让读者对金属材料有一个宏观的认识，从而有利于认识《金属材料学》在金属材料使用全寿命过程中的作用及局限；其次，通过材料科学与工程四面体（性能、制备/ 加工、成分、结构的相互联系）的核心方法论，将众多课程内容进行提炼，利于读者在分析方法上得到提高，从而提升微观结构分析、选材、工艺制定的能力。
经过近5年的教学实践，证明以上的两点改进取得了很好的效果，也奠定了本次修订的基础。编者的教学实践与编写工作得到了众多支持。2017年《金属材料学》在中国大学MOOC平台（扫描二维码进入在线课程）上线并获得江苏省在线开放课程立项，该教材的第3版修订工作于2016 年获得江苏省重点教材立项建设，也是江苏省高校品牌专业建设工程一期项目金属材料工程专业（PPZY2015B127）的重点工作之一。
第3版编写工作由袁志钟副教授、戴起勋教授共同完成。主要工作包括以下方面：首先，绪论部分增加金属材料全寿命的内容；其次，对原有章节的部分内容进行了修订；再次，部分章节增加了一些内容，并引入多媒体内容；最后，更新了全部PPT 课件（扫码使用或下载），结合多媒体，实现线上线下混合式教学，方便教师和学生的学习。
在书籍编写过程中，郭顺博士和侯秀丽博士分别修订、完善了钛合金和镁合金的章节，在此特别表示感谢。编者恳请同行和读者批评指正和提出意见，以使教材质量不断提高。

袁志钟　戴起勋
2018年6月


第2版前言
自然科学的专业知识蕴涵着自然科学哲学理论与内在规律。材料科学与工程是体现自然界奥秘的很有“思想”的一门学科，既遵循自然界的一般规律，也有自己的特殊内涵，科学研究的主要特征是辩证与创新。“MSE” （Materials Science & Engineering ）很早就成为一个被人们认可的缩写，许多材料科学家呼吁要实施MSE 素质教育。在材料类各专业人才培养教学体系中提炼和融入MSE 内涵、思想和方法无疑是非常重要的，其目的是培养学生材料研究创新思维的主动意识，材料研究创新活动的科学方法，材料研究创新成果的分析能力。
金属材料学课程具有综合性、应用性和辩证性的特点。在合金化基本理论的基础上，系统论述金属材料零部件的“服役-成分-工艺-组织-性能-环境”间的有机关系，这是课程的主线。材料的发展，如在结构钢、工模具钢、不锈钢、热强钢、构件钢等钢类中，都充满了矛盾对立统一和转化的辩证关系。以辩证法原理提炼课程内涵及创新教学应在专业主干课程教学过程中得到体现和实施。在课程教学中，结合课程内容，描述金属材料性能演化过程的矛盾规律，总结合金元素作用的辩证规律，凸显材料组织结构演化的量变与质变规律，归纳材料科学与工程中矛盾的共性与个性。创新的教学理念、教学思路和教学方法对培养学生深入理解学科专业的内涵，培养学生具有辨析能力和启迪创新思维起到了很好的教学效果。
本书第1版自2005年出版以来，受到广大使用者和读者的欢迎和好评，越来越多的高校使用该教材和相匹配的PPT课件。该教材为普通高等教育“十一五”国家级规划教材，并于2007年获江苏省精品教材奖，相应的课程也于2006年被评为江苏省一类精品课程。
全书第2版修订工作由主编戴起勋教授负责。戴起勋教授编写修订了绪论、第1章、第3章～第6章，新编了附录A和附录B，更新或修改了全书各章小结和习题；李冬升博士新编了第7章和参与修订了第5章及第6章；李忠华副教授编写修订了第2章及第8 章；邵红红教授编写修订了第9章～第12章；王树奇教授编写修订了第13章～第15章；全书由戴起勋教授修改定稿。第2版修订的主要工作有：对大部分章节的内容有所补充和删减；考虑到课程容量，删除了部分章节的内容；对部分章节内容进行了调整，如考虑到超高强度结构钢的应用和性能的特殊性，单列一章，重新编写；尽量规范了专业名词术语；更新了耐热钢、不锈钢等有关国家标准；对各章小结进行了修改，特别是以图或表的形式补充了各章内容的框架和要点；为方便教与学，增加了附录A 课程总结提要和附录B课堂讨论题。
该教材的第2版修订出版是江苏省金属材料工程品牌专业二期建设的重要内容之一，也是第四批国家级特色专业建设点江苏大学金属材料工程专业的建设任务之一。
编者恳请同行和读者批评指正和提出意见，以使教材质量不断提高。

戴起勋
2011年8月


第1版前言
金属材料是所有材料中使用量较大的材料，其理论和体系相对比较完整。从20世纪80年代以来，比较成熟并广泛应用的新型金属材料已有了很大的发展，如金属基复合材料、新型功能金属材料、微合金非调质钢等，即使是传统材料也有了较大的发展。另外由于资源和环境的严峻问题，也提出了适应环境设计的简单合金与通用合金等新概念。国家在1998年调整了专业目录，对材料类专业的内涵有了新的叙述。近几年来，尽管专业要求有了很大的变化，但还缺少相应的配套教材。
金属材料学是金属材料工程等材料类专业的核心课程。该课程在专业知识结构中占有很重要的位置，是学生走上工作岗位使用知识最多最直接的课程。该课程具有综合性、应用性和经验性的特点。综合性是指内容涉及知识面比较广，涉及所有以前学过的专业知识；应用性是指课程的内容是生产或科研中正在广泛使用的材料和技术；经验性是指某些内容是长期的经验总结，在实际应用中可变性还比较大。
本教材编写者在金属材料学课程教学中已有近20年的经验。在教学过程中不断地整改内容和凝练思路，形成了一定的体系和特点，更加注重于培养学生分析问题和解决问题的能力，侧重于培养学生的创新思维。编写该书的基础：在借鉴原教材的基础上，补充新的内容；结合多年的教学经验和讲稿，调整书的体系和框架。编写思路：抓住材料“服役条件-成分-工艺-组织-性能-环境”的主线，围绕合金化基本理论，尽可能地凸显材料科学发展中的“思想”，使教材内容具有综合性、应用性和新颖性的特点。该教材更适合于工程机械应用型金属材料工程等材料类专业使用。
本书内容包括钢铁材料、有色金属合金和新型金属材料三大部分。以合金化原理为核心，着重阐明了材料成分与处理工艺的特点，强调了材料组织与性能及应用之间的关系，力图使学生掌握各类材料成分设计和制定工艺的依据。对各类新材料的发展也作了一定介绍。为使学生更好地理解和掌握课程内容及重点，领会材料发展的主线、核心和“思想”，培养学生分析问题和解决问题的能力，各章最后都精写了小结，并安排了一定量的思考题。
本书是江苏省金属材料工程品牌专业建设的重要内容之一，也是江苏大学重点精品课程建设所组织编写的教材。本书第1章、第3～6章和绪论由戴起勋教授编写，第2章、第7章由李忠华副教授编写，第8～11章由邵红红教授编写，第12～15章由王树奇教授编写，全书由戴起勋教授统稿，程晓农教授主审。本书在编写过程中参考了许多文献资料，主要文献列于书后，在此谨向所有参考文献的作者诚致谢意。吴晶等老师提供了有关的金相组织图片，化学工业出版社对本书的出版付出了辛勤的劳动，在此一并表示衷心感谢。
该教材不但是材料类本科专业学生的教材，而且也可以作为研究生和从事材料工作技术人员的参考书。限于作者水平，书中难免有疏漏之处，恳请同行和读者批评指正，以利于今后的补充、修改和完善。

编　者
2005年4月