新型金属材料——性能与应用

1新型工程结构用钢——高强高韧1

1.1超级钢(新一代钢铁材料)概述2

1.1.1新一代钢铁材料(超级钢)的概念2

1.1.2新一代钢铁材料(超级钢)的主要特征3

1.1.3超级钢研发的两个关键——“微合金化”与“新型TMCP”4

1.1.4新一代钢铁材料(超级钢)在我国的研发7

1.2新型工程结构用钢及其发展10

1.2.1工程结构用钢的工作条件与性能要求10

1.2.2铁素体珠光体工程结构钢11

1.2.3低合金高强度钢的发展——低碳贝氏体钢、针状铁素体钢、马氏体钢与双相钢17

1.3第三代汽车先进高强度钢的开发22

1.3.1汽车轻量化与先进高强度钢的发展22

1.3.2第三代汽车钢的概念及其在我国的开发22

1.3.3高强度钢的强化机理、分类与发展23

1.3.4第3代先进高强度钢的研究进展26

1.4现代社会的绿色建筑——抗震耐火钢结构34

1.4.1建筑钢结构及其发展34

1.4.2抗震耐火钢的性能要求37

1.4.3抗震耐火钢中的合金元素作用38

1.4.4典型的抗震耐火钢及其应用39

1.5西气东输管线钢的发展40

1.5.1油气管道工程的发展及面临的挑战40

1.5.2管线钢及其性能要求41

1.5.3管线钢的类型与组织特点42

1.5.4管道工程的发展方向——超高强度管线钢的应用49

2新型机械结构用钢——性能“强韧化”53

2.1高效节能的微合金非调质钢53

2.1.1微合金非调质钢概述53

2.1.2微合金非调质钢的特点57

2.1.3典型新型非调质钢品种的研发应用实例64

2.1.4微合金非调质钢的发展方向71

2.2高强韧性齿轮钢71

2.2.1表面硬化齿轮钢的服役条件与主要性能要求71

2.2.2高强韧性齿轮钢在我国的发展73

2.2.3高强韧性齿轮钢应用例解78

2.2.4齿轮钢的发展趋势80

2.3“特钢之王”——高品质重大装备用轴承钢82

2.3.1高品质重大装备轴承的生产与应用现状83

2.3.2轴承钢的工作条件与基本性能要求83

2.3.3高品质轴承钢的发展与质量控制84

2.3.4高品质重大装备轴承钢应用例解89

2.3.5高品质轴承钢的发展趋势92

2.4耐高温的金属间化合物结构材料94

2.4.1金属间化合物概述94

2.4.2金属间化合物的结构、分类与特性96

2.4.3改善金属间化合物作为高温结构材料的方法99

2.4.4典型金属间化合物的性能、应用及发展100

3新型工模具用钢——高性能、高精度104

3.1高速切削刀具材料的性能与应用104

3.1.1高速切削及其特点104

3.1.2高速切削刀具材料的性能要求104

3.1.3高速切削刀具材料的种类、特点及应用106

3.1.4高速切削刀具材料的合理选用111

3.2模具材料概论114

3.2.1模具与模具材料的发展114

3.2.2模具及模具材料的分类115

3.2.3模具材料主要的性能要求116

3.2.4模具及模具材料的发展趋势117

3.3激发模具活力的热处理技术121

3.3.1模具钢的预备热处理工艺121

3.3.2模具钢的最终热处理工艺124

3.3.3模具材料的表面强化技术128

3.3.4模具热处理缺陷与原因分析133

3.3.5模具钢热处理强韧化例解136

3.3.6模具钢生产企业的热处理工艺137

3.4新型模具材料面面观137

3.4.1新型冷作模具材料138

3.4.2新型热作模具钢143

3.4.3耐热球墨铸铁模具材料146

3.4.4新型塑料模具钢149

4特殊性能钢——“高性能化”157

4.1超级不锈钢的性能及应用157

4.1.1不锈钢概述157

4.1.2节能、经济型的现代铁素体不锈钢158

4.1.3超级奥氏体不锈钢161

4.1.4超级双相(奥氏体铁素体)不锈钢及其发展162

4.1.5超级(现代)马氏体不锈钢164

4.1.6沉淀硬化不锈钢164

4.2没有最耐热，只有更耐热——火电机组用耐热钢的发展167

4.2.1火电机组用耐热钢的发展167

4.2.2火电机组用钢的分类与特点169

4.2.3火电机组用钢的服役条件与性能要求170

4.2.4火电机组用钢典型钢号的特点与应用172

4.2.5先进超超临界机组及所用高温材料的进展186

5新型非铁金属合金材料——“轻而强”190

5.1飞行金属——铝锂合金190

5.1.1铝锂合金的发展历史191

5.1.2中国铝锂合金的发展情况195

5.1.3铝锂合金的性能特点及其应用196

5.1.4高焊接性能的1424合金200

5.1.5铝锂合金现状及展望202

5.2年轻有为的多面手——新型钛合金203

5.2.1钛的基础知识204

5.2.2钛材料的分类与特性208

5.2.3钛合金材料的制备方法简介229

5.2.4钛合金材料展望230

5.3绿色最轻质金属——镁合金231

5.3.1镁的晶体结构和物理性能232

5.3.2镁合金发展概况232

5.3.3镁合金的应用235

5.3.4镁合金的展望247

5.4粉末冶金新材料247

5.4.1粉末冶金简介247

5.4.2粉末冶金新材料及其应用251

5.4.3粉末冶金材料展望255

6新型功能金属材料——神奇而多变257

6.1新型医用金属材料及其生物功能化257

6.1.1医用金属材料概述257

6.1.2对医用金属材料性能的基本要求258

6.1.3开发新型医用金属材料的重要现实意义259

6.1.4抗菌不锈钢的发展与生物功能化260

6.1.5生物可降解镁基金属的研究进展265

6.1.6医用金属钛合金材料的应用及前景展望266

6.2金属家族中的“变形金刚”——形状记忆合金268

6.2.1金属真的具有“记忆”功能吗？268

6.2.2阿波罗登月飞船天线的奥秘所在269

6.2.3“形状记忆效应”及其机理简介269

6.2.4形状记忆效应的类型及主要形状记忆合金材料272

6.2.5多孔形状记忆合金简介274

6.2.6形状记忆合金的应用274

6.3“千疮百孔”的多孔金属材料284

6.3.1多孔金属材料概述284

6.3.2多孔金属材料的制备方法285

6.3.3多孔金属材料的应用286

6.4“博采众长”的梯度功能材料288

6.4.1梯度功能材料——“博采众长”288

6.4.2梯度功能材料的发展历史及研究现状289

6.4.3梯度功能材料的制备工艺290

6.4.4梯度功能材料广泛的应用前景291

6.5新能源材料——储氢合金293

6.5.1前景广阔的氢能293

6.5.2氢气的储存方式294

6.5.3储氢合金简介295

6.5.4储氢合金的分类296

6.5.5储氢合金的应用298

6.5.6储氢材料前景展望301

6.6神奇的纳米合金301

6.6.1纳米技术与纳米材料概述301

6.6.2纳米合金的定义及特性302

6.6.3纳米合金的制备方法304

6.6.4纳米晶材料的性能与应用305

6.6.5纳米金属材料的发展307

6.7电阻为零的超导合金307

6.7.1超导材料概述307

6.7.2超导的发展历史及研究现状309

6.7.3超导理论的发展311

6.7.4超导材料的广泛应用及发展前景316

6.8“小影盘大容量”的巨磁电阻合金318

6.8.1巨磁电阻合金概述318

6.8.2巨磁电阻合金的发展历史及研究现状319

6.8.3巨磁电阻效应的产生机理320

6.8.4巨磁电阻材料的分类321

6.8.5巨磁电阻材料的应用325

6.9改善环境的减震合金326

6.9.1减震合金的定义327

6.9.2内耗和阻尼327

6.9.3典型阻尼减震合金的成分、特点和减震性能328

6.9.4阻尼合金的应用331

6.9.5阻尼合金的其他类型332

6.10刚柔相济的超塑性合金334

6.10.1超塑性定义、特点及分类334

6.10.2超塑性合金的种类337

6.10.3实现超塑性的条件337

6.10.4超塑性成形及应用337

6.11奇异的新型材料——金属玻璃339

6.11.1金属玻璃的定义及简介340

6.11.2金属玻璃材料的发展340

6.11.3金属玻璃的性能特点344

6.11.4金属玻璃材料的应用346

6.11.5金属玻璃材料的发展前景348

6.12神奇的新型材料——金属橡胶349

6.12.1金属橡胶，是橡胶还是金属？350

6.12.2金属橡胶材料特殊的性能特点350

6.12.3金属橡胶材料制备工艺352

6.12.4金属橡胶材料的应用355

6.12.5金属橡胶材料的发展前景359

7新型金属基复合材料——多功能化360

7.1金属基复合材料概述360

7.1.1金属基复合材料定义360

7.1.2金属基复合材料分类361

7.2金属基复合材料的性能特点363

7.2.1金属基复合材料的特性363

7.2.2金属基复合材料的性能367

7.3金属基复合材料的制备工艺382

7.3.1概述382

7.3.2制造技术分类383

7.4新型金属基复合材料的应用与前景展望398

7.4.1金属基复合材料的应用398

7.4.2金属基复合材料的研究趋势和前景展望411

参考文献417 2100433B

本书系介绍新型金属材料的科普读物，作者将邀请读者一同畅游高性能金属材料世界，领略各类金属材料奇妙的性能及应用。本书集新颖性、知识性和趣味性于一体，虽然呈现的仅仅是新型金属材料这座冰山上的一角，但作者力图用通俗易懂的语言，揭开神奇的高性能金属材料面纱，引领读者步入高性能金属材料的广阔殿堂。

本书系介绍新型金属材料的科普读物，作者将邀请读者一同畅游高性能金属材料世界，领略各类金属材料奇妙的性能及应用。本书集新颖性、知识性和趣味性于一体，虽然呈现的仅仅是新型金属材料这座冰山上的一角，但作者力图用通俗易懂的语言，揭开神奇的高性能金属材料面纱，引领读者步入高性能金属材料的广阔殿堂。

本书适合大学生与科技工作者以及渴望了解新型金属材料知识的读者使用，对高年级本科生及研究生也具有一定的参考价值。

长期以来，金属材料一直是重要的结构材料和功能材料。铜、铁、铜合金、铝合金、钛合金、镍合金等都是重要的和应用广泛的传统金属材料。工业化应用对金属材料的使用性能的要求越来越高，金属材料本身也必须要发展以满足新的需要；同时，科学技术的新发展，也使得金属材料有可能得到新的大发展。我们可以预期，新型金属材料的发展和应用将成为21世纪金属材料工业的重要特征之一。新型金属材料的发展主要包括两个大方向，即目前大量应用的传统金属材料的新发展（俗称冶金新材料）和发展全新的完全不同于传统金属材料特性的新型金属材料。而新型金属材料是完全不同于传统金属材料的一类新的金属材料。新型金属材料具有某些优越的使用性能，是传统金属材料不具备的特殊性能。这种新型金属材料并非一定是新发现的，但在过去不可能作为一种工程材料实现工业化应用，只是在当今的科学和技术发展的条件下，才有可能成为工程材料得到应用。本文主要研究的是这一种新型金属材料，并结合大量的理论研究与实践应用，从七个方面人手详细研究了目前世界上技术比较先进、应用比较广泛的数十种新型金属材料（即文中的超级合金），尽量做到了内容翔实，言之有物。希望通过本研究能够对我国的新型金属开发与应用尽到自己的一份义务，也希望能够帮助到翻阅《深入探讨新型金属材料：超级合金的性能与应用》的朋友们。

1新型工程结构用钢——高强高韧1

1.1超级钢(新一代钢铁材料)概述2

1.1.1新一代钢铁材料(超级钢)的概念2

1.1.2新一代钢铁材料(超级钢)的主要特征3

1.1.3超级钢研发的两个关键——“微合金化”与“新型TMCP”4

1.1.4新一代钢铁材料(超级钢)在我国的研发7

1.2新型工程结构用钢及其发展10

1.2.1工程结构用钢的工作条件与性能要求10

1.2.2铁素体珠光体工程结构钢11

1.2.3低合金高强度钢的发展——低碳贝氏体钢、针状铁素体钢、马氏体钢与双相钢17

1.3第三代汽车先进高强度钢的开发22

1.3.1汽车轻量化与先进高强度钢的发展22

1.3.2第三代汽车钢的概念及其在我国的开发22

1.3.3高强度钢的强化机理、分类与发展23

1.3.4第3代先进高强度钢的研究进展26

1.4现代社会的绿色建筑——抗震耐火钢结构34

1.4.1建筑钢结构及其发展34

1.4.2抗震耐火钢的性能要求37

1.4.3抗震耐火钢中的合金元素作用38

1.4.4典型的抗震耐火钢及其应用39

1.5西气东输管线钢的发展40

1.5.1油气管道工程的发展及面临的挑战40

1.5.2管线钢及其性能要求41

1.5.3管线钢的类型与组织特点42

1.5.4管道工程的发展方向——超高强度管线钢的应用49

2新型机械结构用钢——性能“强韧化”53

2.1高效节能的微合金非调质钢53

2.1.1微合金非调质钢概述53

2.1.2微合金非调质钢的特点57

2.1.3典型新型非调质钢品种的研发应用实例64

2.1.4微合金非调质钢的发展方向71

2.2高强韧性齿轮钢71

2.2.1表面硬化齿轮钢的服役条件与主要性能要求71

2.2.2高强韧性齿轮钢在我国的发展73

2.2.3高强韧性齿轮钢应用例解78

2.2.4齿轮钢的发展趋势80

2.3“特钢之王”——高品质重大装备用轴承钢82

2.3.1高品质重大装备轴承的生产与应用现状83

2.3.2轴承钢的工作条件与基本性能要求83

2.3.3高品质轴承钢的发展与质量控制84

2.3.4高品质重大装备轴承钢应用例解89

2.3.5高品质轴承钢的发展趋势92

2.4耐高温的金属间化合物结构材料94

2.4.1金属间化合物概述94

2.4.2金属间化合物的结构、分类与特性96

2.4.3改善金属间化合物作为高温结构材料的方法99

2.4.4典型金属间化合物的性能、应用及发展100

3新型工模具用钢——高性能、高精度104

3.1高速切削刀具材料的性能与应用104

3.1.1高速切削及其特点104

3.1.2高速切削刀具材料的性能要求104

3.1.3高速切削刀具材料的种类、特点及应用106

3.1.4高速切削刀具材料的合理选用111

3.2模具材料概论114

3.2.1模具与模具材料的发展114

3.2.2模具及模具材料的分类115

3.2.3模具材料主要的性能要求116

3.2.4模具及模具材料的发展趋势117

3.3激发模具活力的热处理技术121

3.3.1模具钢的预备热处理工艺121

3.3.2模具钢的最终热处理工艺124

3.3.3模具材料的表面强化技术128

3.3.4模具热处理缺陷与原因分析133

3.3.5模具钢热处理强韧化例解136

3.3.6模具钢生产企业的热处理工艺137

3.4新型模具材料面面观137

3.4.1新型冷作模具材料138

3.4.2新型热作模具钢143

3.4.3耐热球墨铸铁模具材料146

3.4.4新型塑料模具钢149

4特殊性能钢——“高性能化”157

4.1超级不锈钢的性能及应用157

4.1.1不锈钢概述157

4.1.2节能、经济型的现代铁素体不锈钢158

4.1.3超级奥氏体不锈钢161

4.1.4超级双相(奥氏体铁素体)不锈钢及其发展162

4.1.5超级(现代)马氏体不锈钢164

4.1.6沉淀硬化不锈钢164

4.2没有最耐热，只有更耐热——火电机组用耐热钢的发展167

4.2.1火电机组用耐热钢的发展167

4.2.2火电机组用钢的分类与特点169

4.2.3火电机组用钢的服役条件与性能要求170

4.2.4火电机组用钢典型钢号的特点与应用172

4.2.5先进超超临界机组及所用高温材料的进展186

5新型非铁金属合金材料——“轻而强”190

5.1飞行金属——铝锂合金190

5.1.1铝锂合金的发展历史191

5.1.2中国铝锂合金的发展情况195

5.1.3铝锂合金的性能特点及其应用196

5.1.4高焊接性能的1424合金200

5.1.5铝锂合金现状及展望202

5.2年轻有为的多面手——新型钛合金203

5.2.1钛的基础知识204

5.2.2钛材料的分类与特性208

5.2.3钛合金材料的制备方法简介229

5.2.4钛合金材料展望230

5.3绿色最轻质金属——镁合金231

5.3.1镁的晶体结构和物理性能232

5.3.2镁合金发展概况232

5.3.3镁合金的应用235

5.3.4镁合金的展望247

5.4粉末冶金新材料247

5.4.1粉末冶金简介247

5.4.2粉末冶金新材料及其应用251

5.4.3粉末冶金材料展望255

6新型功能金属材料——神奇而多变257

6.1新型医用金属材料及其生物功能化257

6.1.1医用金属材料概述257

6.1.2对医用金属材料性能的基本要求258

6.1.3开发新型医用金属材料的重要现实意义259

6.1.4抗菌不锈钢的发展与生物功能化260

6.1.5生物可降解镁基金属的研究进展265

6.1.6医用金属钛合金材料的应用及前景展望266

6.2金属家族中的“变形金刚”——形状记忆合金268

6.2.1金属真的具有“记忆”功能吗？268

6.2.2阿波罗登月飞船天线的奥秘所在269

6.2.3“形状记忆效应”及其机理简介269

6.2.4形状记忆效应的类型及主要形状记忆合金材料272

6.2.5多孔形状记忆合金简介274

6.2.6形状记忆合金的应用274

6.3“千疮百孔”的多孔金属材料284

6.3.1多孔金属材料概述284

6.3.2多孔金属材料的制备方法285

6.3.3多孔金属材料的应用286

6.4“博采众长”的梯度功能材料288

6.4.1梯度功能材料——“博采众长”288

6.4.2梯度功能材料的发展历史及研究现状289

6.4.3梯度功能材料的制备工艺290

6.4.4梯度功能材料广泛的应用前景291

6.5新能源材料——储氢合金293

6.5.1前景广阔的氢能293

6.5.2氢气的储存方式294

6.5.3储氢合金简介295

6.5.4储氢合金的分类296

6.5.5储氢合金的应用298

6.5.6储氢材料前景展望301

6.6神奇的纳米合金301

6.6.1纳米技术与纳米材料概述301

6.6.2纳米合金的定义及特性302

6.6.3纳米合金的制备方法304

6.6.4纳米晶材料的性能与应用305

6.6.5纳米金属材料的发展307

6.7电阻为零的超导合金307

6.7.1超导材料概述307

6.7.2超导的发展历史及研究现状309

6.7.3超导理论的发展311

6.7.4超导材料的广泛应用及发展前景316

6.8“小影盘大容量”的巨磁电阻合金318

6.8.1巨磁电阻合金概述318

6.8.2巨磁电阻合金的发展历史及研究现状319

6.8.3巨磁电阻效应的产生机理320

6.8.4巨磁电阻材料的分类321

6.8.5巨磁电阻材料的应用325

6.9改善环境的减震合金326

6.9.1减震合金的定义327

6.9.2内耗和阻尼327

6.9.3典型阻尼减震合金的成分、特点和减震性能328

6.9.4阻尼合金的应用331

6.9.5阻尼合金的其他类型332

6.10刚柔相济的超塑性合金334

6.10.1超塑性定义、特点及分类334

6.10.2超塑性合金的种类337

6.10.3实现超塑性的条件337

6.10.4超塑性成形及应用337

6.11奇异的新型材料——金属玻璃339

6.11.1金属玻璃的定义及简介340

6.11.2金属玻璃材料的发展340

6.11.3金属玻璃的性能特点344

6.11.4金属玻璃材料的应用346

6.11.5金属玻璃材料的发展前景348

6.12神奇的新型材料——金属橡胶349

6.12.1金属橡胶，是橡胶还是金属？350

6.12.2金属橡胶材料特殊的性能特点350

6.12.3金属橡胶材料制备工艺352

6.12.4金属橡胶材料的应用355

6.12.5金属橡胶材料的发展前景359

7新型金属基复合材料——多功能化360

7.1金属基复合材料概述360

7.1.1金属基复合材料定义360

7.1.2金属基复合材料分类361

7.2金属基复合材料的性能特点363

7.2.1金属基复合材料的特性363

7.2.2金属基复合材料的性能367

7.3金属基复合材料的制备工艺382

7.3.1概述382

7.3.2制造技术分类383

7.4新型金属基复合材料的应用与前景展望398

7.4.1金属基复合材料的应用398

7.4.2金属基复合材料的研究趋势和前景展望411

参考文献417