适读人群 ：动力机械、材料等专业本科、研究生师生
本书遵循教育部教指委相关指导文件和高等院校学生学习规律编写而成。践行四新理念，融入思政元素，注重理论与实践相结合。

本书讲述燃气轮机材料相关的基本知识，主要包括材料的组织结构、性能效用、生产制备、加工处理、材料选择等方面的内容，同时在有关基础知识上考虑了不同种类材料的学习需求。全书共分为11章，第1章介绍燃气轮机的结构与材料；第2~3章介绍材料的结构与性能；第4~5章分别介绍金属的凝固与相图、塑性变形与再结晶方面的内容，是燃气轮机材料的基础；第6章介绍钢铁中的合金元素及作用，既承接第1~5章的内容，又为后续内容做铺垫；第7章介绍金属热处理的基本知识；第8章从材料学的角度介绍各类钢铁材料；第9章介绍在燃气轮机热端部件上广泛应用的高温合金材料；第10章介绍陶瓷材料；第11章介绍复合材料。

本书可作为普通高等学校燃气轮机专业、能源与动力专业或机械类与近机械类等相关专业的本科生教材，也可供相关专业的科学研究与工程技术人员参考。

高等院校教师

前言
第1章燃气轮机简介1
1.1燃气轮机结构2
1.2燃气轮机类型3
1.2.1按热力循环基本原理分类4
1.2.2按轴系方案分类4
1.2.3按机组结构类型分类4
1.2.4其他分类4
1.3燃气轮机技术特点5
1.4燃气轮机技术发展历程5
1.5燃气轮机部件材料与工艺6
1.5.1透平叶片6
1.5.2燃烧室8
1.5.3透平轮盘10
复习思考题12
第2章材料的结构13
2.1材料结构的层次13
2.2原子结构与键合16
2.2.1孤立原子的结构16
2.2.2固体中的电子状态17
2.2.3固体材料中的结合键17
2.3材料的晶体结构19
2.3.1晶体学基础19
2.3.2典型的金属晶体结构21
2.3.3合金相的结构22
2.3.4共价晶体的晶体结构24
2.3.5离子晶体的晶体结构24
2.4实际材料的晶体缺陷25
2.4.1点缺陷25
2.4.2线缺陷26
2.4.3面缺陷27
复习思考题29
第3章材料的性能30
3.1材料的力学性能30
3.1.1强度30
3.1.2塑性32
3.1.3硬度33
3.1.4冲击韧性36
3.1.5疲劳强度37
3.1.6断裂韧性37
3.2材料的物理性能38
3.2.1密度和熔点38
3.2.2热性能38
3.2.3弹性性能39
3.2.4磁性能40
3.2.5电性能40
3.2.6光电性能41
3.3材料的化学性能41
3.3.1成分41
3.3.2耐蚀性41
3.3.3高温抗氧化性41
3.4材料的工艺性能42
3.4.1铸造性能42
3.4.2锻造性能42
3.4.3焊接性能42
3.4.4热处理性能42
3.4.5切削加工性能43
复习思考题43
第4章金属材料的凝固与相图44
4.1纯金属的结晶44
4.1.1金属结晶的基本规律44
4.1.2晶核的形成与晶体的长大46
4.1.3金属结晶后晶粒的大小及控制51
4.2合金的凝固与相图52
4.2.1合金相图的建立与基本规律52
4.2.2匀晶相图及固溶体的结晶54
4.2.3共晶相图及其合金的结晶55
4.2.4包晶相图及其合金的结晶58
4.2.5其他类型二元合金相图59
4.2.6相图与合金性能的关系60
4.3铁碳合金平衡态的相变61
4.3.1铁碳合金相图61
4.3.2典型铁碳合金的平衡相变过程
分析64
4.3.3铁碳合金的成分-组织-性能
关系72
4.3.4Fe-Fe3C相图的应用74
复习思考题76
第5章金属的塑性变形与再结晶77
5.1金属的塑性变形77
5.1.1单晶体的塑性变形78
5.1.2多晶体的塑性变形80
5.1.3合金的塑性变形80
5.2冷变形对金属组织和性能的影响81
5.2.1塑性变形对金属组织结构的
影响81
5.2.2塑性变形对金属性能的影响82
5.3冷变形金属的回复与再结晶83
5.3.1回复83
5.3.2再结晶84
5.3.3晶粒长大85
5.4金属的热变形与动态回复、动态再结晶86
5.4.1金属的热加工与冷加工86
5.4.2动态回复与动态再结晶86
5.4.3热加工对金属室温力学性能的影响86
5.4.4热加工后的组织与性能86
复习思考题87
第6章钢铁中的合金元素及作用88
6.1钢铁中常见合金元素及其偏聚行为88
6.1.1钢铁中的常见合金元素88
6.1.2合金元素原子的偏聚89
6.2铁基固溶体90
6.3钢铁中的碳化物和氮化物92
6.3.1钢铁中的碳化物92
6.3.2钢铁中的氮化物与碳氮化物94
6.4金属间化合物95
6.4.1σ相95
6.4.2拉弗斯相（AB2相）96
6.4.3有序相（A3B相）96
6.5合金元素对铁碳相图的影响97
6.6合金元素对钢性能的影响99
6.6.1合金元素对钢力学性能的影响99
6.6.2合金元素对钢耐蚀性能的影响100
复习思考题101
第7章金属材料的热处理102
7.1钢在加热时的组织转变103
7.1.1奥氏体形成的热力学条件103
7.1.2奥氏体的组织结构性能103
7.1.3奥氏体形成机理105
7.1.4奥氏体等温形成动力学106
7.1.5连续加热时奥氏体的形成108
7.1.6奥氏体晶粒长大及其控制109
7.2钢在冷却时的转变110
7.2.1过冷奥氏体转变110
7.2.2珠光体转变114
7.2.3马氏体转变118
7.2.4贝氏体转变123
7.2.5钢的回火转变126
7.3钢的退火与正火132
7.3.1退火132
7.3.2正火134
7.4钢的淬火134
7.4.1淬火工艺134
7.4.2钢的淬透性与淬硬性136
7.5钢的回火139
7.5.1低温回火139
7.5.2中温回火140
7.5.3高温回火140
7.6钢的表面热处理141
7.6.1表面淬火142
7.6.2化学热处理144
7.7其他热处理工艺简介148
复习思考题149
第8章钢铁材料150
8.1钢铁冶炼150
8.1.1炼铁150
8.1.2炼钢152
8.1.3浇铸153
8.1.4轧钢与钢材品种156
8.2钢的分类与牌号157
8.2.1钢的分类157
8.2.2钢的牌号158
8.3工程结构钢161
8.3.1碳素结构钢162
8.3.2低合金高强度结构钢162
8.3.3微合金钢164
8.4机械制造结构钢164
8.4.1渗碳钢164
8.4.2调质钢165
8.4.3弹簧钢166
8.4.4滚动轴承钢167
8.4.5其他通用机械制造结构钢168
8.5工具钢169
8.5.1刃具钢169
8.5.2模具钢171
8.5.3量具钢173
8.6不锈钢173
8.6.1金属的腐蚀173
8.6.2不锈钢种类及应用174
8.7耐热钢 176
8.7.1铁素体型耐热钢177
8.7.2工业炉用耐热钢180
8.7.3奥氏体型耐热钢182
8.8铸铁185
8.8.1铸铁显微组织的形成与控制186
8.8.2常用铸铁材料189
复习思考题191
第9章高温合金192
9.1高温合金的应用193
9.2高温合金的分类195
9.3高温合金的发展197
9.4镍基高温合金204
9.4.1镍基高温合金简介204
9.4.2定向凝固高温合金207
9.4.3粉末高温合金209
9.4.4氧化物弥散强化(ODS)高温合金209
复习思考题210
第10章陶瓷材料211
10.1陶瓷性能要求212
10.2陶瓷原料213
10.2.1可塑性原料（以黏土类原料为代表）214
10.2.2瘠性原料（以石英类原料为代表）216
10.2.3熔剂原料（以长石类原料为代表）217
10.2.4其他原料218
10.3陶瓷坯料及制备219
10.3.1坯料的分类与品质要求220
10.3.2坯料的制备220
10.4陶瓷成型工艺221
10.4.1成型和成型方法221
10.4.2陶瓷成型方法222
10.5陶瓷装饰技术——施釉224
10.5.1釉的分类与组成224
10.5.2施釉方法225
10.6陶瓷的干燥与烧成225
10.6.1干燥225
10.6.2烧成226
10.7陶瓷后加工技术227
10.8特种陶瓷228
10.8.1结构陶瓷228
10.8.2功能陶瓷230
复习思考题231
第11章复合材料232
11.1复合材料的定义和分类233
11.1.1复合材料的定义233
11.1.2复合材料的分类233
11.2增强材料234
11.2.1纤维234
11.2.2晶须及颗粒236
11.2.3增强材料的表面处理237
11.3复合理论238
11.3.1复合原则238
11.3.2复合材料的界面设计原则239
11.4聚合物基复合材料（PMC）240
11.4.1PMC的分类240
11.4.2PMC性能特点241
11.4.3PMC制备工艺242
11.4.4PMC的应用243
11.5金属基复合材料(MMC)244
11.5.1MMC的分类244
11.5.2MMC制备工艺246
11.5.3MMC的性能247
11.6陶瓷基复合材料(CMC)249
11.6.1陶瓷基体249
11.6.2CMC的制备250
11.6.3CMC的界面251
11.6.4CMC的增韧251
11.6.5CMC的应用252
11.7复合材料的用途253
复习思考题254
参考文献256

燃气轮机是一种集众多高新技术于一体、涉及诸多学科的先进动力机械装置，被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。燃气轮机设计的有效性直接依赖于所选部件材料的性能，因此对于燃气轮机专业的学生来讲，燃气轮机材料方面的基础知识非常重要。北京科技大学的材料学科实力雄厚，承担着为国家及相关企业和研究院所培养材料方向的研究和设计人才的任务与使命。2020年以来，北京科技大学牵头负责“重型燃气轮机材料与制造工艺知识领域”的教学资源建设和新型教材研发工作，取得了很大进展。2022年，北京科技大学牵头多所高校共建教育部重点领域“燃气轮机材料课程虚拟教研室”，在燃气轮机材料课程和人才培养方面，开展了大量联合教学研究活动。


在重点领域教学资源及新型教材建设项目专家工作组的指导下、在虚拟教研室的组织下，几所高校共同编写了《燃气轮机材料基础》(本书)和《燃气轮机部件与制造工艺》，作为燃气轮机方向材料类课程的教材。前者主要介绍燃气轮机材料的相关基础知识，例如材料结构、材料性能、金属材料的凝固与相图等，后者则聚焦燃气轮机主要部件的具体选材和制造工艺。燃气轮机方向材料类课程的讲授时长，建议是48学时，其中讲授“燃气轮机材料基础”课程32学时，讲授“燃气轮机部件与制造工艺”课程16学时。

本书详细介绍了材料结构、材料性能、金属材料的凝固与相图、金属的塑性变形与再结晶、金属材料的热处理等材料基础知识，以及在燃气轮机中广泛用到的关键材料，例如高温合金、不锈钢、耐热钢、陶瓷材料、复合材料等。


本书由北京科技大学材料科学与工程学院王浩教授负责全书的策划和具体章节内容的确定，参加本书编写的还有辽宁工程技术大学薛维华副教授、沈阳理工大学高志玉副教授、中国联合重型燃气轮机技术有限公司的张涛高级工程师、北京航空航天大学姜宏志副教授、辽宁工程技术大学魏宝佳副教授和北京科技大学陈颖芝副教授。其中，王浩负责第2章的编写和全书统稿，张涛负责第1章的编写，薛维华负责第3~5章的编写，高志玉负责第6章和第7章的编写，姜宏志负责第8章的编写，陈颖芝负责第9章的编写，魏宝佳负责第10章和第11章的编写。


本书得到了北京科技大学教材建设经费资助，得到了北京科技大学教务处的全程支持，在此表示诚挚的谢意。潘炎熙、郭卜文、曹世航、韩壹琪、窦国辉、成博源等帮助整理了部分章节的相关内容。本书的编写参考了部分国内外有关教材、著作和论文，在此特向有关作者致以衷心的感谢。

尽管编者在编写本书时努力注意概念和理论准确，但是由于水平所限，难免有错漏之处，诚恳希望读者予以指正。


编者