工程材料學(xué)筆記整理

鋼的合金化概論表1.15常用各類合金鋼剛好表示方法鋼類鋼號舉例表示方法及說明合金構(gòu)造鋼40Cr20CrMnTi18Cr2Ni4W38CrMoAlA40CrNiMo碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般用萬分之幾表示，列于鋼號開頭。主要合金元素一般用百分之十幾表示，當(dāng)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1.5%，一般只標(biāo)出元素符號低合金構(gòu)造鋼和耐候鋼Q345AQ500C16Mn低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼，鋼號按照國際標(biāo)準(zhǔn)用屈服強(qiáng)度命名Q+屈服強(qiáng)度，八個強(qiáng)度等級，三或五個質(zhì)量等級。專業(yè)用低合金高強(qiáng)鋼：鋼號加后綴，16MnL、Q235R、16Mnq(Q345q)滾動軸承鋼GCr15GCr15SiMnG20CrMo高碳鉻軸承鋼：鋼號冠G，含碳量不標(biāo)出，Cr平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)千分之幾；滲碳軸承鋼：與合金構(gòu)造鋼類似，但也冠G;高碳鉻不銹鋼和高溫軸承鋼：鋼號不冠G，其他與不銹鋼耐熱鋼表示方法一樣合金工具鋼和高速鋼9SiCr5CrW2SiCr12MoV9Mn2V5Cr06NiMo3Cr2W8VW18Cr4VW6Mo5Cr4V2平均含碳量>=1.0%不標(biāo)，<1.0%用千分之幾表示。低鉻合金工具鋼中Cr含量用千分之幾表示，并在表示含量的數(shù)字前加0.塑料模具冠SM；高速鋼不標(biāo)碳含量合金元素含量百分之幾表示工程構(gòu)造鋼〔力學(xué)性能為主，兼顧一定的物理性能〕1.工程構(gòu)造鋼包括碳素構(gòu)造鋼和低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼。碳素構(gòu)造鋼分為Q195，Q215，Q235,Q275(最低強(qiáng)度)四個等級。低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼最低屈服強(qiáng)度為345MPa2.低合金高強(qiáng)度構(gòu)造鋼按用途可分為構(gòu)造鋼，耐腐蝕鋼，低溫用鋼，耐磨鋼，鋼筋鋼，鋼軌剛及其他專業(yè)用鋼3.工程機(jī)構(gòu)鋼以工藝性能為主，力學(xué)性能為輔，主要性能要求如下①足夠的強(qiáng)度和韌度②良好的焊接性和成型工藝性③良好的耐腐蝕性4.合金元素通過固溶強(qiáng)化，析出彌散強(qiáng)化，細(xì)化晶粒強(qiáng)化和增加珠光體含量這四種強(qiáng)化機(jī)制提高這類鋼的強(qiáng)度優(yōu)良的焊接性是指焊接工藝簡單，焊縫與母材結(jié)合結(jié)實(shí)強(qiáng)度不低于母材，焊縫熱影響區(qū)保持足夠的強(qiáng)度和韌性，沒有裂紋及各種缺陷6.少量Cu可以非常有效的提高鋼耐大氣腐蝕的能力。7.低合金高強(qiáng)鋼合金元素強(qiáng)化方法：固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化7.機(jī)械制造構(gòu)造鋼1.機(jī)械零件要求有良好的服役性能，如具有足夠高的強(qiáng)度，塑形，韌度，疲勞強(qiáng)度，耐磨性等熱處理強(qiáng)化工藝特點(diǎn)分為整體強(qiáng)化態(tài)鋼和外表強(qiáng)化態(tài)鋼。根據(jù)鋼的生產(chǎn)工藝和用途可分為調(diào)質(zhì)鋼，非調(diào)質(zhì)鋼，低碳馬氏體鋼，超高強(qiáng)度構(gòu)造鋼，滲碳鋼氮化鋼，彈簧鋼，軸承鋼等3.機(jī)械制造構(gòu)造鋼主要性能①具有良好的冷熱加工工藝性②具有良好的力學(xué)性能4.機(jī)械零件用鋼的合金化元素主要有Cr,Mn,Si,Ni,Mo,W,V,B等或是單獨(dú)參加，或是復(fù)合參加。其中，主加元素為Cr,Mn,Si,Ni。主加元素的作用主要是提高鋼的淬透性和力學(xué)性能。輔加元素有Mo,W,V,B，能降低鋼的過熱敏感性，消除鋼的回火脆性，進(jìn)一步提高淬透性等作用，但含量一般都不高主要失效形式是變形和斷裂均承受拉，壓，扭等交變應(yīng)力，大局部是整體受力。其主要失效形式是疲勞破壞，主要性能指標(biāo)為δ，抗拉強(qiáng)度，沖擊吸收能量KV〔KU〕，斷裂韌度等?？傮w上要求具有良好的綜合力學(xué)性能。這些鋼主要制造軸，桿，軸承類零件，如連桿，螺栓，主軸，半軸等。這類鋼主要有調(diào)質(zhì)鋼，彈簧鋼，軸承鋼，低碳馬氏體鋼，超高強(qiáng)度鋼等。7.調(diào)質(zhì)鋼：構(gòu)造鋼在淬火高溫回火后具有良好的綜合力學(xué)性能，有較高強(qiáng)韌性，適用于這種熱處理的鋼稱為調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼含碳量一般是中碳，調(diào)質(zhì)鋼按淬透性分級：低淬透性鋼，中淬透性鋼、高淬透性鋼。調(diào)質(zhì)鋼中合金元素作用:Mn：↑↑淬透性，易使鋼有過熱傾向，回火脆性傾向Cr：提高淬透性、提高回火穩(wěn)定性，有回火脆性傾向Ni：非碳化物形成元素，↑韌度Ni-Cr復(fù)合參加：提高淬透性作用很大，也有回火脆性Mo：進(jìn)一步提高淬透性，↑回火穩(wěn)定性，細(xì)化晶粒，有效消除回火脆性傾向V：碳化物形成元素，細(xì)化晶粒，溶入奧氏體會提高淬透性，降低過熱敏感性復(fù)合熱處理綜合強(qiáng)化也得到了許多應(yīng)用，即熱處理強(qiáng)化，外表處理及形變強(qiáng)化結(jié)合起來。主要作用是儲能減震，它一般是在動負(fù)荷下工作，即在沖擊，振動或長期均勻的周期改變應(yīng)力的條件下工作。它起到緩和沖擊力，使與它配合的零部件不受到?jīng)_擊而早期破壞2.要求彈簧鋼具有高的彈性極限以及彈性減退抗力好，較高的屈強(qiáng)比，高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性和韌度。對淬火強(qiáng)化處理的彈簧鋼還應(yīng)有做夠的淬透性，較好的冶金質(zhì)量和組織均勻性，要求嚴(yán)格控制材料內(nèi)部缺陷。3.常用彈簧材料是碳素鋼和低合金彈簧鋼。碳素鋼含碳量在0.60％-1.05％，高碳，低合金彈簧鋼0.40％-0.74％.常參加Si，Mn，Cr，V等合金元素。Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高彈性極限，V提高淬透性和細(xì)化晶粒4.彈簧在熱成型后，進(jìn)展淬火及回火強(qiáng)化處理熱處理工藝是淬火和中溫回火，得到回火托氏體1.在各種載荷作用下，運(yùn)行一段時間后將產(chǎn)生解除疲勞破壞，即在軸承套圈和滾體外表出現(xiàn)小塊剝落，形成麻點(diǎn)，使噪聲和振動增大，磨損加劇，工作溫度不斷上升，最后導(dǎo)致軸承破壞失效純潔和組織均勻4.非金屬夾雜物根據(jù)化學(xué)成分主要有氧化物，硫化物，硅酸鹽三種6.軸承鋼淬火后應(yīng)及時進(jìn)展回火。〔一般為淬火+低溫回火，精細(xì)為淬火+冷處理+低溫回火〕10.合金滲碳鋼〔低碳，淬火+低溫回火，表硬里韌〕1.外表具有高硬度，高耐磨性，高接觸疲勞抗力，芯部具有良好的綜合力學(xué)性能2.滲碳鋼含碳量0.12％-0.25％，低碳。常用合金化元素Mn,Cr,Ni,W,V,Ti,Mo。Mn,Cr,Ni的主要作用是提高淬透性。3.滲碳鋼按淬透性大小分類低淬透性鋼，中淬透性鋼，高淬透性鋼4.20Cr,20CrV制造受力較輕的零件，如活塞銷。20CrMnTi高速中載受沖擊力和磨損的重要零件。20Cr2Ni4A,18Cr2Ni4WA高速柴油機(jī)，航空發(fā)動機(jī)曲軸，齒輪。20用于制造軸套，不重要的小齒輪。12Cr2Ni4高負(fù)荷齒輪，蝸輪蝸桿。5.減少殘留奧氏體方法，淬火后冷處理和淬火前高溫回火11.氮化鋼〔調(diào)質(zhì)，滲氮，高溫回火〕含碳低1.工作載荷不大，根本無沖擊力，有摩擦，比齒輪等磨損輕，受交變疲勞應(yīng)力，要求能保持高精度1.高錳鑄鋼化學(xué)成分特點(diǎn)是高碳高錳，鑄件使用2.ZGMn13力學(xué)性能差，耐磨性低不宜直接使用，經(jīng)固溶處理〔水韌處理〕后顯微組織為單相奧氏體1.溫度在以上，一定保溫時間下使碳化物全部溶入奧氏體2.高錳鋼導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大，鑄件尺寸大，所以要緩慢加熱防止裂紋3.鑄件出爐至入水時間盡量縮短，防止碳化物析出。水冷4.高錳鋼冷作硬化本質(zhì)是通過大的形變在奧氏體基體中產(chǎn)生大量層錯，形變欒晶，ε馬氏體和α馬氏體成為位錯運(yùn)動的障礙。能承受強(qiáng)有力沖擊不破裂，廣泛用于承受大沖擊載荷強(qiáng)烈磨損工況下的零件，襯板，磨球坦克履帶3.經(jīng)濟(jì)性4.其他因素〔尺寸，外形特點(diǎn)〕1.分析零件的工作條件、盡寸形狀和應(yīng)力狀態(tài)，科學(xué)合理地確定零件的技術(shù)要求2.通過分析或?qū)嶒?yàn)，結(jié)合同類零件失效分析結(jié)果，找出零件實(shí)際工作時的失效抗力指標(biāo)作為選材依據(jù)5.審查所選鋼種是否滿足所有工藝性根本要求和組織生產(chǎn)可能性，進(jìn)一步考察材料經(jīng)濟(jì)性和本錢工模具鋼〔高碳〕工模具鋼：用來制造刃具、模具、量具等各種工具的鋼稱為工模具鋼。按用途分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼三大類①刃具鋼可分為碳素、低合金工具鋼和高速鋼三大類②模具鋼按工作溫度可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和塑料模具鋼③量具鋼用來制作量規(guī)、卡尺、樣板等。用來測量工件尺寸和形狀工具鋼性能特點(diǎn)：耐磨、熱穩(wěn)定性、足夠強(qiáng)度與韌度。工具鋼根本性能：①強(qiáng)度和塑形②韌度③硬度及耐磨④淬透性⑤熱穩(wěn)定性〔鋼在較高溫度下仍保持一定強(qiáng)度的性質(zhì)〕⑥變形開裂傾向大含碳量高，形成足夠碳化物保證高耐磨性一般要求碳化物呈球狀，細(xì)小均勻分布成分組織:一般含0.6~1.3%C→M+足夠數(shù)量K。M硬度高、切斷抗力較高、耐磨性好Cr、W、Mo、V等:↑淬透性、耐磨性和熱穩(wěn)定性;Mn、Si輔助參加:↑淬透性,回火穩(wěn)定性;第二相K→→球狀、細(xì)小、均勻分布碳素工具鋼1.含碳量0.65~1.35%高碳〔不完全淬火+低溫回火〕鋼號從T7到T13。做低速切削的刃具和簡單冷沖模。淬透性低,斷面尺寸<15mm的工具T7有較好的塑韌性,宜做受沖擊的刃具,如鑿子等T8易過熱,制造形狀簡單的木工工具等T10、T12耐磨性較好,強(qiáng)度高,但韌度低,制造不受沖擊或沖擊較小形狀簡單的工具,如車刀、銑刀等。二、低合金工具鋼〔采用球化退火→不完全淬火→低回〕合金元素作用：Cr:1%左右,細(xì)化K,均勻分布;Mn:主要是提高淬透性Si:提上下溫回火穩(wěn)定性,還可強(qiáng)化鐵素體,降低切削加工性;增大脫碳敏感性,不單獨(dú)加w:在Cr含量較高的鋼易固溶于特殊碳化物,含量過多會形成碳化物,且使碳化物分布不均勻,惡化性能。V:降低過熱敏感性,細(xì)化晶粒,提高回火穩(wěn)定性9sic①Si、Cr↑淬透性,D油<40mm②Si、Cr↑回火穩(wěn)定性,~250℃回，>60HRC③K細(xì)小、均勻→不容易崩刃④分級淬火或等溫淬火處理,變形較?、軸i使鋼的脫碳傾向增大。適于制作形狀較復(fù)雜、變形要求小的工件,特別是薄刃工具,如絲錐、扳牙、鉸刀等。CrWMn：①Cr、W、Mn復(fù)合參加:↑淬透性,D油=50~70mn②AR在18-20%,淬火后變形③含Cr、W的碳化物較多且穩(wěn)定,晶粒細(xì)小→高硬度、高耐磨性④回火穩(wěn)定性較好,>250回火,硬度才<60HRC⑤W使碳化物易形成網(wǎng)狀。適于制作要求變形小、耐磨性高的工件,如拉刀等也可做量具及形狀復(fù)雜的高精度沖模。高速鋼熱處理特點(diǎn)：高淬高回一、高速鋼中合金元素的作用一般高速鋼含0.7~1.65%C:形成足夠數(shù)量的碳化物,淬火回火之后硬熱硬性都提高；保證馬氏體中固溶碳量。C%過高影響：a.AR增多;b.碳量的提高使固相線降低,晶界熔化溫度降低→淬火溫度↓→A中Me%↓→紅硬性↓;c.韌性低。W：造成紅硬性的主要元素退火時主要以型碳化物存在強(qiáng)烈阻礙回火時馬氏體中碳原子析出,提高回火穩(wěn)定性,在600℃回火時,仍為過飽和固溶體,具有高的紅硬性回火時在馬氏體中彌散析出W2C,造成二次硬化,具有高的紅硬性和耐磨性。局部M6C型碳化物未溶入奧氏體強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長大。保證淬火加熱采用1220~1310℃的高溫,使足夠數(shù)量的碳化物溶入奧氏體,保證高的紅硬性,提高耐磨性。W↓↓↓熱導(dǎo)率→鋼導(dǎo)熱性差。W和Mo相似,1%Mo可取代1.5~2.0%W。V顯著個紅硬性、↑硬度和耐磨性,細(xì)化晶粒，↓過熱敏感性。以VC存在。Cr加熱時全溶,保證鋼淬透性,4%Cr改善抗氧化能力、切削能力Co可顯著個紅硬性、有5%、8%和12%三個級別。但鋼的韌性,↑鋼脫碳傾向。二、高速鋼中的碳化物在所有的高速鋼中,除鈷高速鋼以外,退火狀態(tài)下都含有、三種碳化物,在含W、Mo較少的高速鋼中還有型碳化物。在淬火狀態(tài)下,只有?；鼗馉顟B(tài)有M2C、MC析出淬火態(tài)：加熱時,K溶解順序?yàn)?M2C3、M23C6型在100℃左右溶解完→M6C型在1200℃時比分溶解→MC型比擬穩(wěn)定,在1200℃時，開場少量溶解。回火態(tài)：主要為等碳化物。冷作模具鋼：金屬在冷態(tài)下變形所用的模具鋼1.特點(diǎn)工作溫度不高，模具主要承受高的壓力和沖擊力，金屬之間有強(qiáng)烈摩擦2.要求具有高硬度和耐磨性，也要有一定韌性3.高鉻鋼是含Cr12％左右的高碳亞共晶萊氏體鋼。Cr12MoV具有高的淬透性，用于制造大尺寸，形狀復(fù)雜，承受載荷較大的模具.冷作模具王牌4.一次硬化法采用較低溫度淬火和低溫回火，淬火溫度低，晶粒細(xì)小，強(qiáng)韌性好。二次硬化法采用高的淬火溫度，進(jìn)展屢次高溫回火熱作模具鋼：用于制造使加熱金屬或液態(tài)金屬后會獲得所需形狀的模具1.特點(diǎn)受熱時間長，沖擊力大2.要求高的抗熱塑性變形能力，高韌度，高抗熱疲勞性和良好的抗熱燒蝕性不銹鋼鋼電化學(xué)腐蝕形式：均勻腐蝕、晶界腐蝕、點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕磨損不銹鋼分類：馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼〔考牌號加應(yīng)用〕定律：固溶體中的Cr量到達(dá)12.5原子比〔1/8〕時，鐵固溶體電極電位有一個突然升高，當(dāng)Cr量提高到25%〔2/8〕時，點(diǎn)位有一次突然提高，這種現(xiàn)象稱為tammann定律，也稱二元合金固溶體點(diǎn)位的定律。晶間腐蝕：不銹鋼在腐蝕介質(zhì)作用下，在晶粒之間產(chǎn)生的一種腐蝕現(xiàn)象稱為晶間腐蝕。固溶處理：把鋼加熱到ES線以上，才有可能使碳化物溶解。穩(wěn)定化處理：也可稱穩(wěn)定化退火。穩(wěn)定化處理為使工件在長期服役的條件下形狀和尺寸變化能夠保持在規(guī)定范圍內(nèi)的熱處理。敏化處理：Cr-Ni不銹鋼中，如果在450-800℃范圍工作，或在該溫度時效處理，也會得到同樣效果，這種時效處理考察不銹鋼晶間腐蝕的敏感性，所以又稱不銹鋼的敏化處理。表5.1典型鐵素體不銹鋼棒的熱處理與性能表5.2常用馬氏體不銹鋼的熱處理與性能耐熱鋼耐熱鋼：通常把在高溫條件下工作的鋼成為耐熱鋼。兩個根本性能：①良好高溫強(qiáng)度、塑性②高溫化學(xué)穩(wěn)定性好。根據(jù)不同服役條件分：熱強(qiáng)鋼、抗氧化鋼。鋼的熱強(qiáng)性指標(biāo)：蠕變極限、持久強(qiáng)度、高溫疲勞性能、持久壽命。強(qiáng)化途徑：①基體強(qiáng)化：↑原子結(jié)合力，↑熔點(diǎn)②晶界強(qiáng)化：凈化雜質(zhì)、填充空位③彌散強(qiáng)化：第二向細(xì)小、彌散、均布④工藝措施：熱處理超高強(qiáng)度構(gòu)造鋼鑄鐵鑄鐵是指碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%以上或組織中具有共晶組織的鐵碳合金。是以鐵、碳、硅為主要組成元素并含有較多錳、硫、磷等雜質(zhì)元素的多元合金。石墨化：鑄鐵中碳原子析出和形成石墨的過程。影響鑄態(tài)組織的因素：化學(xué)成分的影響：Si使共晶點(diǎn)共析點(diǎn)含碳量隨Si含量增加而減少使共晶和共析轉(zhuǎn)變在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)展提高了共晶和共析溫度冷卻速度的影響：鑄件過冷度越小，冷速越慢，越有利于石墨化過程充分進(jìn)展，越容易得到粗大石墨。孕育處理：把孕育劑參加到鐵液中去，以改變鐵液的冶金狀態(tài)，從而改善鑄鐵組織的性能。球石墨與片石墨的區(qū)別：球石墨對基體的縮減、切割作用大大減小，球墨鑄鐵基體的利用率70~90%。片石墨減少了金屬基體受負(fù)荷的有效面積，石墨的縮減作用，使基體利用率只有30~50%。球化處理：鑄鐵澆注時，參加一定球化劑進(jìn)展孕育處理，獲得很多非自發(fā)晶核，獲得細(xì)小均勻分布的球狀鑄鐵。有色金屬合金有色金屬強(qiáng)化方式：變形、固溶、時效、過剩相鋁合金特點(diǎn)：密度小，優(yōu)良導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性；良好耐蝕性；優(yōu)良的塑形和加工性能。鋁合金時效處理過程：形成銅原子富集區(qū)銅原子富集區(qū)有序化形成過渡相形成穩(wěn)定的按合金中所含主要元素成分可分為(四位數(shù)字體牌號):工業(yè)純鋁(1XXX系),Al-Cu合金(2XXX系),Al-Mn合金(3XXX系),Al-Si合金(4XXX系),Al-Mg合金(5XXX系),Al-Mg-Si合金(6XXX系),Al-Zn-Mg-Cu合金(7XXX系),Al-其它合金元素(8XXX系)及備用合金組(9XXX系)這三種方法各有特點(diǎn),有事互相穿插、相互補(bǔ)充。在工業(yè)生產(chǎn)中,國際上慣用第三種分類方法,即合金中所含主要元素成分的4位數(shù)碼法分類。這種分類方法較本質(zhì)的反響合金的根本性能,也便于編碼、記憶和計(jì)算機(jī)管理。表9.2典型變形鋁合金牌號及意思〔只記舊牌