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《不锈钢的金属物理基础》主讲人：马勤兰州理工大学教授材料学博士主讲人简介——基本情况•马勤，男，1959年5月生，甘肃省静宁县人，汉族。现任兰州理工大学材料科学与工程学院教授，材料学学科博士生导师，校党委委员，校教授咨询委员会委员，教学指导委员会委员和学位评定委员会委员，系原国家机械工业部（现甘肃省）高校跨世纪学术带头人，甘肃省“333科技人才工程”一、二层次入选者（SJ113）。•现兼任中国机械工程学会热处理分会第九届理事会理事，甘肃省机械工程学会第六届理事会理事，甘肃省机械工程学会热处理分会总干事长（2008—），中国机械工程学会工业炉分会委员（Z17-D07-2007-Y004），中国材料研究学会高级会员，《兰州理工大学学报》编委，《金属热处理》杂志编委(2008-2013)等社会学术职务。主讲人简介——教育背景•物理化学博士后——1998年5月进入中国科学院兰州化学物理研究所物理化学博士后科研流动站固体润滑国家重点实验室工作，师承薛群基院士；•工学博士（金属材料及热处理专业）——1994年4月考入西北工业大学材料科学与工程学院，金属材料及热处理专业（现材料学专业），师承康沫狂教授，1998年3月毕业；•工学硕士（金属材料及热处理专业）——1991年9月考入西北工业大学材料科学与工程学院，金属材料及热处理专业，师承何明教授、陈铮教授，1994年3月毕业；•工学学士（金属材料及热处理专业）——1978年10月考入甘肃工业大学（现兰州理工大学）金属材料及热处理专业，1982年6月毕业，随后留校任教。主讲人简介——工作经历•1978.07-1991.07甘肃工业大学金属材料及热处理专业教研室任教：助教，讲师；•1998.04-1999.09甘肃工业大学金属材料及热处理专业教研室任教：副教授；•1999.09-2001.09甘肃工业大学材料工程系(现材料科学与工程学院)副主任（副院长），教授；•2001.10-2005.01,兰州理工大学学位与学科建设办公室主任，研究生处处长，校党委委员，教授；•2005.02-现在,兰州理工大学材料科学与工程学院教授，材料微结构与性能学科组组长，学校教授咨询委员会委员，学校教学指导委员会委员，学校学位评定委员会委员，校党委委员，材料学院教授委员会主席、委员，《兰州理工大学学报》编委，材料学学科博士生导师。主讲人简介——目前主要的研究方向•1．高温有序金属间化合物结构材料；•2．高性能复相钢铁耐磨材料；•3．先进耐火材料与特种陶瓷材料；•4．先进轻型合金及其应用技术；•5．新能源金属材料；•6．现代材料加工新技术；•7．材料信息学；•8．材料经济学；•9．材料教育学。半生无成就，不值得炫耀。•黄土高原鬓染霜尘不觉老，•狗娃山上守望星空操闲心。家有两老宝，育有两小宝。身无万贯银，仍觉很富裕。——人生阅历实在是财富！1.绪论1.1不锈钢——定义与划分1.2不锈钢金属学——基于“材料学方法论”的思考与再认识2.金属物理基础——不锈钢结构学2.1晶体与晶格——晶体学基础2.2相与相结构——组织学（金相学）基础《不锈钢的金属物理基础》—纲目1.绪论1.1不锈钢所谓“不锈”，只具相对的含义。不锈钢是一系列在空气、水、盐的水溶液、酸以及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢种。现有的不锈钢从化学成分来看，都是高铬钢；由于在大气中，当钢中铬含量大约超过12％时，基本上不会生锈。因此，习惯上将铬含量超过这种含量的钢统称为不锈钢。钢的这种不锈性一般认为是与钢在氧化性介质中的钝化现象有关。钢的腐蚀速度将会随着钢中铬含量的增加而下降，并且在一定铬含量时有一个跃变。产生这种跃变的铬量，因腐蚀介质及钢的其他成分的差别而有所不同。——著名的“n/8规律”绪论——1.1不锈钢下图示出硝酸温度与钝化时钢中所需铬含量的关系：温度愈高，则钝化时所需铬量愈高。在15℃的33％硝酸中，7％Cr就足够使钢钝化，而80℃时，却需要约l3％Cr才能使钢钝化。因此，一般用12％Cr来定义不锈钢，只是一种粗略的工程概念，没有必要为其严格限制。不锈钢的不锈性既然与钢中的铬含量有关，那么要了解不锈钢的组织，就必须根据Fe-Cr-C三元相图和更复杂的多元相图去分析不锈钢在热处理及加工过程中的组织变化。绪论——1.1不锈钢因此，不锈钢按照室温组织一般可以分为如下三大类：(a)铁素体不锈钢；(b)马氏体不锈钢；(c)奥氏体不锈钢。另外，还有（d）双相不锈钢和(e)沉淀硬化型奥氏体超高强度不锈钢。这种分类取决于不锈钢在使用时主要组成相是铁素体、回火马氏体或奥氏体。前两种是铬钢，第二种可以进行淬火及回火的调质热处理，而第三种是在铬钢中加入其他元素(最常见的是镍)，即铬-镍钢，使奥氏体能在室温下稳定存在。不锈钢不仅是广泛使用的耐蚀材料；而且具备较好的耐热性(包括抗氧化性及高温强度)，因而也是一类重要的耐热材料；稳定的奥氏体不锈钢，在液态空气低温下，仍能保持很高的冲击韧性，因此它又是很好的低温结构材料，同时这类不锈钢不具铁磁性，因而也是无磁材料；不锈钢水槽不锈钢焊管高碳的马氏体不锈钢，不仅耐蚀，也有很好的耐磨性，因而不锈钢又是一类耐磨材料。因此，不锈钢具有广泛而优越的性能，其共性是不锈性。不锈钢门不锈钢在使用条件下，可以具备奥氏体、铁素体或回火马氏体组织。认识不锈钢，要借鉴于其它合金钢的知识；反之，对于不锈钢的认识对了解和发展其它合金钢也有一定的参考意义。绪论——1.1不锈钢1.2不锈钢的金属学问题——基于材料学方法的思考与再认识材料学——研究材料的学科（肖纪美语）。对于非专业人士，特别是对于那些初入学门的学子们而言，面对一本接一本的材料类课本和浩繁众多的学术专著，总有一种感觉：这是物理，还是化学？其实，仔细想，好象是，好象也不是。那么，什么是材料学？什么是材料科学？材料学究竟有无方法？道在何处？看了肖纪美先生的“材料学方法论”，你就会觉得，其实真可谓：“大道至简”！——以下是我的读书笔记及心得体会，与大家共享。肖纪美院士“大道至简”——•道者，方法，理念，思路也。——我想与英文词idea相通。常言道：“学知易，悟道难。”这里，“知”指一般知识，“道”乃孕育在知识里的智慧和方法。实际，古字“知”与“智”同。有人常讲“道德”，其实以我之见，此处“德”者得也。反其义，“得道”者非凡人也。又有人常说，“舍得”就能得。其实，此处“得”即“德”也。换句话说，不要“德”什么都能得到。赏心乐“道”——•正在构思《简易材料学》——基于《易经》之“三易”：简易——基于生态合金化理论的简易材料学：简单合金化——易回收分离与再生；变易——材料相变易学——组织的演变带来性能的千变万化；不易——材料学方法及其内涵的不变性肖纪美《材料学方法论》——1.2.1引论1.2.2分论1.2.3结论1.2.1引论——（一）材料的定义及其判据材料是能为人类社会可接受的、经济的制造有用器件的物质。这就是说，不是所有物质都是材料，正如不是所有马都是白马，甚或是千里马一样。根据这一定义，可以引出材料的现代化判据，即判断“物质”是否“材料”的五个或三个判据：1.为人类社会可接受的——资源、能源、环保——战略判据；2.经济的——经济判据；3.制造有用器件的——工艺及使用性能——技术判据。材料的三个判据：上列三个战略判据可以是伦理的、法律的，有时可转化为经济的。俗话说，“物美价廉”，它们分别对应于技术和经济判据。对于信息技术、物理场的附加、工艺流程的改造、自动控制等的高新技术的应用，都应有反复的综合的技术和经济评价，以便抉择。另外，从材料的经济判据和战略判据很容易理解“循环经济”的必要性。（二）材料学的划分研究材料的学科，叫材料学。自然现象依据空间尺度从大到小，可将研究模糊地划分为：从宇观，宏观，细观，微观到介观。——materiallogy(肖纪美创)各门学科依据习惯，大致确定分界线。20世纪60～70年代，美国经济学界为了避免分界线的困难，巧妙地将经济学划分为宏观和微观两支：微观经济学和宏观经济学。仿效经济学，材料学也可分为微观和宏观两支：微观材料学——宏观材料学——（二）材料学的划分微观材料学着眼于材料——单个的或集体的——在外界自然环境作用下，所表现的各种行为，以及这些行为与材料内部结构之间的关系和改变这些结构的工艺。如，材料科学与工程学科所研究的内容。宏观材料学着眼于从整体上分析材料问题，即将材料整体作为研究对象——系统考察它与社会环境之间的交互作用，分析在环境的影响下材料内部宏观组元（各类材料）的自组织问题。如，材料经济学，材料信息学，材料教育学，等等。一、材料学方法论（分论祥述）二、材料经济学三、材料法律学四、材料信息学（材料计算学）五、材料生态学（环境材料学的拓展）《宏观材料学》主要包括：六、材料教育学（学科建设与发展）七、材料研究学（包括材料史学）八、材料未来学（材料生态或再生学）还有一些其它以“材料的应用、创新和发展”为主题的研究方向，如：（1）材料市场选用；（2）材料科研创新；（3）材料教育人才培养；（4）材料前景展望。（三）材料科学与工程（MSE）——《微观材料学》的核心1.材料科学材料科学（简称MS）源于冶金学。它是关于材料的组成、结构及其性能之间关系的科学，目的是发现。即材料科学的基本问题是结构与性能的关系问题。一般，根据材料的分类我们又把材料科学分为金属材料科学（简称金属学）、无机非金属材料科学（陶瓷学）、高分子材料科学及复合材料科学；或材料化学（阐述组成与性能的问题），材料物理（阐述结构与性能的问题）和材料物理化学（阐述过程、能量、结构与性能的问题）等。另外，材料科学可包括：材料热力学，材料结构学（或组织学，形貌学），材料动力学，材料性能学，以至材料生态与再生学（循环经济，可归到材料经济学——宏观材料学），等等。与材料科学相对应的还有材料工程（简称ME）。它是关于实用技艺和工业艺术的学问，是科学知识的实际应用，目的是发明。2.材料工程（简称ME）根据所需材料的性能、结构要求，进行材料的提纯净化、原料(成分)配制和合成或合金化的过程是材料制备工程的首要环节或基本问题。材料制备技术——材料工程核心（1）熔融凝固制备技术：原材料—熔融精炼—凝固—坯料。这一制备工艺常用于金属、无机非金属化合物、半导体材料坯锭和玻璃制品的制备。（2）粉末冶金制备技术：原料粉末—混合—压制—烧结。这是陶瓷材料、水泥以及硬质合金以及铁基合金等材料的主要成材途径。（3）单体聚合制备技术：天然气，石油和煤炭—单体—聚合—聚合物高分子材料。这是高分子材料的典型的制备技术。通过上述三种材料制备技术得到的材料，大多数不是材料的最终产品，需要进一步的后续加工处理。材料的常规加工技术主要有锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、焊接以及注射成形等。具体包括：（1）（固体）塑性加工技术——锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔，等等；（2）（流体）铸造成型技术——铸造，半固态铸造，等等；（3）（构架）连接成型技术——焊接，铆接，粘接，等等。玻璃材料有它的特殊性，从原材料配制、熔化，到熔体快冷成形为制品，必须一步完成。3.《材料科学与工程》学科的要素多面体综上所述，由于材料科学与材料工程的整体性和不可分割性，便诞生了“材料科学与工程”（MaterialssienceandEngineering，简称MSE）这一术语名词。于是，它成为材料学科的代名词。尽管如此，材料科学与材料工程之间还是有一定的差异，主要表现在学科的侧重点不同：材料科学侧重于发现和揭示四个要素之间的关系，提出新概念、新理论；而材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入应用，二者相辅相成。目前，对材料科学与工程（简称MSE）这一学科的要素主要有如下两种：一种是由美国麻省理工学院M.Flemings教授提出的四要素及其四面体（如下图所示）。图0-1美国麻省理工学院M.Flemings教授提出的MSE四要素及其四面体这一要素模型，其主要特点是把化学成分与组织结构同等对待。另一种是由我国著名的材料科学家师昌绪院士提出的六要素及其六面体（如下图所示）。图0-2中国科学