金屬材料學復習

金屬材料領域發(fā)生(fāshēng)的革命性變化

①晶態(tài)材料的基礎(jīchǔ)上發(fā)展了非晶，微晶與納米多晶體材料；②多維(大塊)材料的基礎上發(fā)展了低維材料；③單一材料的基礎上發(fā)展了復合材料；④宏觀均勻材料的基礎上發(fā)展了宏觀不均勻材料；⑤固溶體材料的基礎上發(fā)展了金屬間化合物材料。未來材料趨勢智能化、仿生化、復合化、納米化、輕量化、高功能化共五十頁合金化合金化=純金屬(jīnshǔ)（或合金）+第二組元（稱合金元素）①合金元素(yuánsù)溶入基體②合金元素與基體原子反應改變基體特性改變基體性能形成化合物改變材料整體性能與特性鋼中的基體：鐵素體（α-Fe）和奧氏體（γ-Fe

）鋼中的第二相：碳化物和金屬間化合物鋼的合金化=Fe-C合金+第三組元（稱合金元素）鐵的合金化=純Fe+第二組元（C）第1章鋼的合金化概論共五十頁1.

合金元素(yuánsù)溶入鋼中的基體1.1改變基體(jītǐ)特性（固溶體臨界點）擴大奧氏體區(qū)（穩(wěn)定奧氏體）Mn、Ni、Co縮小奧氏體區(qū)（穩(wěn)定鐵素體）Cr、W、Mo幾乎所有的合金元素均使E、S點左移S點左上移S點左下移改變的方面：淬火加熱、淬火冷卻（淬透性）、耐蝕性、組織特征1.2改變基體性能固溶強化合金元素的溶入使固溶體強度硬度增加，塑性韌性下降的現(xiàn)象。溶入基體的所有元素均產生固溶強化效果（Ni可韌化基體）共五十頁2.合金(héjīn)元素與基體原子反應2.1形成(xíngchéng)化合物碳化物金屬間化合物Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe強著穩(wěn)，溶解難，析出難，聚集長大也是難。MC

>M6C

>M23C6

>M7C3

>M3C強者先

相—韌性顯著下降。如高Cr不銹鋼FeCr相AB2相或稱拉維斯相—強化相。如馬氏體不銹鋼MoFe2相AB3相或稱有序相—強化相。如耐熱鋼Ni3(Ti,Al)相似者相溶。溶強愈強，溶弱愈弱。共五十頁2.2改變(gǎibiàn)材料整體性能與特性通過形成(xíngchéng)的化合物達到改變目的。①改變材料整體性能晶界強化（細晶強化）第二相強化（沉淀強化、彌散強化）②改變材料整體特性熱處理工藝性能（淬透性、過熱敏感性、回火穩(wěn)定性等）壓力加工性能（位錯強化、加工硬化）Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe共五十頁3.合金(héjīn)元素分布在退火鋼（緩冷狀態(tài)(zhuàngtài)）中的分布非碳化物形成元素固溶于鐵素體中碳化物形成元素除固溶于鐵素體外，還形成碳化物。Al、V、Ti、Nb、Zr優(yōu)先形成氮化物。Mn和S優(yōu)先形成硫化物。在淬火態(tài)（快冷狀態(tài)）分布溶入A的元素淬火后存在于M、B、Ar中；未溶的仍在碳化物中。在淬火回火后（快冷后緩冷狀態(tài)）分布低溫回火時，Me不發(fā)生重新分配。＞400℃回火時，非碳化物形成元素在基體中，碳化物形成元素在析出相中。共五十頁碳化物形成(xíngchéng)元素Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe提高(tígāo)淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si促進晶粒長大元素Mn強石墨化元素Si改善基體韌度元素

Ni降低回火脆性元素

W、Mo提高耐蝕性元素

Cr影響冶金質量元素

S、P擴大γ區(qū)元素

Mn、Ni、Co；C、N、Cu縮小γ區(qū)元素V、CrE、S點移動A1、A3溫度變化C曲線右移動(除Co)多元少量復合加入

易過熱細晶、彌散、沉淀、回火穩(wěn)定鈍化膜、n/8定律高溫回火脆性共五十頁合金(héjīn)元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti中哪些是鐵素體形成元素？哪些是奧氏體形成元素？哪些能在α-Fe中形成無限固溶體？哪些能在γ-Fe中形成無限固溶體？鐵素體形成元素(yuánsù)：V、Cr、W、Mo、Ti；奧氏體形成元素：Mn、Co、Ni、Cu；能在α-Fe中形成無限固溶體：V、Cr；能在γ-Fe中形成無限固溶體：Mn、Co、Ni。P能形成Fe3P，在冷加工時產生裂紋而形成冷脆。一般鋼中，應嚴格控制雜質元素S、P的含量。S能形成低熔點共晶體，其熱加工溫度時會熔化，產生熱脆。共五十頁簡述合金元素(yuánsù)對鐵碳相圖（如共析碳量、相變溫度等）的影響。Mn、Ni、Co、C、N、Cu擴大(kuòdà)奧氏體相區(qū)；Cr、W、Mo、Ti縮小奧氏體相區(qū)。合金元素對奧氏體相區(qū)的影響：所有合金元素均使S點左移；擴大γ相區(qū)的元素使A1、A3溫度下降；縮小γ相區(qū)的元素使A1、A3溫度升高。合金元素對臨界點的影響：共五十頁簡要(jiǎnyào)說明合金鋼中碳化物形成元素所形成的碳化物基本類型及其相對穩(wěn)定性。相對(xiāngduì)穩(wěn)定性如下鋼中常見碳化物類型MC型：

TiC、VCM23C6型：Cr23C6、Mn23C6M7C3型：Cr7C3、Mn7C3M3C型：Fe3CM6C型：Fe3W3C、Fe4W2CM2C型：

W2C、Mo2CMC>M2C>M6C>M23C6>M7C3>M3C共五十頁試述合金元素在淬火(cuìhuǒ)態(tài)和回火后的分布。淬火態(tài)：Me分布與淬火工藝有關。溶入A的元素淬火后存在(cúnzài)于M、B、Ar中；未溶的仍在未溶解碳化物中。回火后：低溫回火時，Me不發(fā)生重新分配。＞400℃回火時，Me重新分配。非碳化物形成元素在基體中，碳化物形成元素在析出相中。簡單說明合金元素在退火鋼中的分布情況。1）非碳化物形成元素固溶于鐵素體中。2）碳化物形成元素除固溶于鐵素體外，還形成碳化物。碳化物形成元素越強，其在碳化物中的比例越高。共五十頁試定性(dìngxìng)比較40Cr、40CrNi、40CrNiMo鋼的淬透性、回火脆性、韌度和回火穩(wěn)定性，并簡要說明原因淬透性：40Cr

＜

40CrNi

＜

40CrNiMo；Cr-Ni-Mo復合作用更大。

回脆性(cuìxìng)：40CrNiMo

＜40Cr＜40CrNi；Cr、Ni提高脆性，Mo有效降低。韌度：40Cr

＜

40CrNi

＜

40CrNiMo；Ni提高韌性，Mo細化晶粒?；胤€(wěn)性：40Cr

、

40CrNi

＜

40CrNiMo；Mo提高回穩(wěn)性。Ni影響不大。共五十頁試述鋼的強化(qiánghuà)與韌化途徑。鋼的強化(qiánghuà)途徑鋼的韌化途徑1）細化晶粒和組織

Ti、Nb、V2）提高回火穩(wěn)定性

V、W、Mo3）改善基體韌度Ni4）降低回火脆性

W、Mo5）提高冶金質量，降低C含量1）合金化（固溶、細晶、“第二相”等強化）2）冷加工（位錯強化）3）綜合運用（時效強化、彌散強化、細晶強化）共五十頁第2章工程(gōngchéng)結構鋼服役(fúyì)特點不作相對運動,長期承受靜載荷作用,有一定的使用溫度和環(huán)境要求。力學性能要求工藝性能要求①彈性模量大，有好的剛度；②足夠的抗塑性變形及抗破斷的能力；③缺口敏感性及冷脆傾向性較?、芤欢ǖ哪痛髿飧g及海水腐蝕性能。良好的冷變形性能和焊接性能。橋梁、船體、建筑結構、高壓容器等工程結構件。用途共五十頁σs=1.54（3.5+2.1Mn+5.4Si+23N+1.13d-1/2）σb=1.54（19.1+1.8Mn+5.4Si+0.25珠光體+0.5d-1/2）TC=-19+44Si+700N1/2+2.2珠光體-11.5d-1/2[C]=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5＜0.35％成分(chéngfèn)設計考慮依據(jù)強度(qiángdù)貢獻因素降脆影響因素C當量衡量的焊接性能細晶、低碳共五十頁普通碳素結構鋼Q195、Q215、Q235、Q275低合金高強度鋼Q345、...Q620、Q690合金化思想(sīxiǎng)低碳，稍高錳含量，適當(shìdàng)硅強化。C增加強度，塑性韌性下降?？刂啤?.25％

Mn細晶；固溶強化顯著，降低韌性?？刂疲?.8％Si固溶強化非常顯著，但降低韌性?？刂疲?.1％共五十頁低合金高強度鋼發(fā)展(fāzhǎn)微珠光體鋼C≤0.15%，

σs：345～440MPa低碳貝氏體鋼C<0.20%，

σs：450～800MPa低碳馬氏體鋼0.1%C，σs：＞900MPa低碳，V、N微合金化細晶和沉淀(chéndiàn)強化低碳，Mo、B微合金化，細晶和沉淀強化控軋控冷，空冷低碳貝氏體低碳，Mo、Nb、V、B微合金化，細晶和沉淀強化控軋控冷，空冷低碳馬氏體，且“自回火”共五十頁第3章機械制造(jīxièzhìzào)結構鋼服役條件→破壞形式(xíngshì)→力學性能要求變形→屈服強度，斷裂→強度極限拉伸剪切彎曲沖擊變形→屈服強度，斷裂→強度極限變形→剛度或屈服強度，斷裂→強度極限變形→屈服強度，脆性斷裂→韌性疲勞脆性斷裂→屈服強度、韌性和表面質量摩擦磨損→硬度韌性斷裂→強度，脆性斷裂→韌性工藝性能要求壓力加工性能、切削加工性能、熱處理性能共五十頁調質(diàozhì)鋼0.45～0.70%C

60Si2Mn、50CrVA

0.60～0.90%C65、65Mn0.95~1.15%CGCr15、GCr15SiMn滲碳(shèntàn)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼0.10～0.25%C20CrMnTi、20SiMnVB低碳：心部韌性；合金化：淬透性和細晶0.35～0.50％C45、40Cr、40CrNiMo中碳：綜合性能；合金化：淬透性和回火穩(wěn)定性中高碳：屈服強度；合金化：彈性極限、淬透性和回火穩(wěn)定性高碳：強度和硬度；合金化：淬透性、彈性極限和疲勞強度共五十頁耐磨鋼高錳耐磨鋼超高強度(qiángdù)鋼低合金超高強度(qiángdù)鋼馬氏體時效鋼ZGMn13-1…ZGMn13-5“水韌處理”0.9%～1.45%C；11%～14%Mn低合金耐磨鋼NM300、NM400…NM600≤0.35%C；1.6%～1.7%Mn；Cr；Mo0.3～0.5%C：≤5%Me≤0.03％C：18～25％Ni；Mo、Ti、Al、Co和Nb等微合金非調質鋼＜0.40％C；Ti、Nb、V非調質鋼通過微合金化、控軋控冷等強韌化方法，達到或接近調質鋼力學性能的鋼。低碳貝氏體鋼與低碳馬氏體鋼(第二、三代非調質鋼)共五十頁工程材料的失效類型(lèixíng)及性能要求。變形：包括(bāokuò)彈性變形、塑性變形、蠕變變形。斷裂：脆性斷裂和韌性斷裂腐蝕：如應力腐蝕、氫脆、點蝕等。磨損：粘著磨損、磨粒磨損、接觸疲勞磨損等。彈性變形：剛度、屈服強度失效類型失效的性能要求塑性變形：屈服強度蠕變變形：強度極限、韌性脆性斷裂：韌性韌性斷裂：強度極限腐蝕：耐蝕性磨損：硬度共五十頁工具鋼的特點(tèdiǎn)工具鋼分類(fēnlèi)按用途分類：刃具鋼、模具鋼、量具鋼按成分分類：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼具有足夠高的硬度、紅硬性良好的耐磨性，即抵抗磨損的能力具有一定的強度和韌性一定的熱疲勞性、導熱性和耐磨腐蝕性能良好的熱處理工藝性第4章工模具鋼耐磨性與韌度的合理配合是工具鋼的主要矛盾。共五十頁碳素工具鋼T8、T10、T12工作溫度<200℃低合金工具鋼工作溫度250～300℃9SiCr、CrWMn合金化目的(mùdì)：淬透性、回火穩(wěn)定性、細晶、耐磨性高速(ɡāosù)工具鋼工作溫度達650℃W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2合金化目的：高硬度，高耐磨性，且高紅硬性。冷作模具鋼熱作模具鋼C：0.3～0.6％Cr12型、6W6Mo5Cr4V合金化目的：高強度硬度，高耐磨性，一定韌性。4Cr5MoSiV合金化目的：熱強性、熱穩(wěn)定性共五十頁未溶或回火形成(xíngchéng)的碳化物，均能提高硬度和耐磨性。淬火加熱(jiārè)時碳化物溶解進入奧氏體的元素淬火加熱時未溶碳化物中的元素才能以碳化物形式，阻止晶粒長大，起細化晶粒作用。才能影響C曲線位置，提高淬透性；才能在回火時析出碳化物，提高回火穩(wěn)定性，產生二次硬化。二次硬化淬火鋼回火時，合金碳化物的析出，造成硬度升高的現(xiàn)象。二次淬火高合金淬火鋼回火冷卻時殘余奧氏體轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體的現(xiàn)象。共五十頁1）合金量高，導熱性很差。預熱可減少加熱過程中的變形(biànxíng)開裂傾向；縮短高溫保溫時間，減少氧化脫碳。2）鋼中碳化物比較穩(wěn)定，高加熱溫度目的是使奧氏體中固溶足夠多的合金元素，淬火獲得高合金度的馬氏體，在回火時產生有效的二次硬化效果。3）淬火馬氏體回火穩(wěn)定性非常高，在560℃左右回火，才能彌散析出特殊碳化物。多次回火使殘余奧氏體更多地轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體，且使內應力消除得更徹底。4）分級淬火目的：降低熱應力和組織應力，盡可能地減小工件的變形與開裂。高速鋼的熱處理工藝比較復雜，試回答下列問題：1）淬火加熱時，為什么要預熱?

2）高速鋼W6Mo5Cr4V2的AC1在800℃左右，但淬火加熱溫度在1200~1240℃，淬火加熱溫度為什么這樣高?3）高速鋼回火工藝一般為560℃左右，并且進行三次，為什么?

4）淬火冷卻時常用(chánɡyònɡ)分級淬火，分級淬火目的是什么?共五十頁簡答高速鋼中W、V、Cr合金(héjīn)元素的主要作用。W：提高紅硬性(yìngxìng)、耐磨性的主要元素；V：提高紅硬性、耐磨性的重要元素，能有效細化晶粒，且VC也細??；Cr：提高淬透性和抗氧化性。簡述高速鋼的鑄態(tài)組織特征。在淬火加熱時，易產生的3種現(xiàn)象下金相組織上各有什么特征。高速鋼的鑄態(tài)組織為：黑色組織（混合型）+白亮組織（M和AR）+萊氏體欠熱：晶粒細小，碳化物很多；過熱：晶粒較大，碳化物較少；過燒：晶界有熔化組織，即魚骨狀或黑色組織。共五十頁4）W使碳化物易形成(xíngchéng)網狀。

試分析(fēnxī)CrWMn中合金元素的作用。1）Cr、W、Mn復合，淬透性較高；2）殘余奧氏體較多，淬火變形??；3）Cr、W碳化物較穩(wěn)定，故晶粒細小，回穩(wěn)性較好；共五十頁第5章不銹鋼點腐蝕表面(biǎomiàn)鈍化膜或保護膜上形成了活性—鈍性腐蝕電池。晶間腐蝕晶界合金元素的貧化(pínhuà)使晶粒間界受到腐蝕。應力腐蝕在外應力或殘余應力作用下產生的腐蝕。疲勞腐蝕在腐蝕介質與循環(huán)應力的聯(lián)合作用下產生的腐蝕。金屬腐蝕類型與環(huán)境接觸的整個表面幾乎以相同速度進行腐蝕。均勻腐蝕共五十頁Cr決定(juédìng)不銹鋼性能的主要元素。鉻使鐵基固溶體的電極電位提高(tígāo)（n/8定律）Ni調整組織，與鉻配合后才發(fā)揮出來。與鉻形成碳化物，還要保證鉻n/8定律的極限耐腐蝕性。強度與耐腐燭性能兩方面的矛盾

。C與鉻形成碳化物，提高強度、硬度與耐磨性；n/8規(guī)律含鉻量與含鐵量的原子數(shù)比達到1/8、2/8、3/8、…、n/8，也即相當于11.7%、23.4%、…質量分數(shù)時，固溶體電極電位有顯著的提高，鋼的腐蝕程度顯著減弱，這個規(guī)律稱為n/8規(guī)律。共五十頁鐵素體不銹鋼“475℃脆性(cuìxìng)”高Cr（>15%）鐵素體不銹鋼在370～540℃較長時間停留(tíngliú)后，室溫變得很脆，沖擊韌性和塑性接近零。預防：避免在400～550℃停留消除：

600～650℃保溫后快冷奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕奧氏體晶界析出Cr23C6

，形成晶界貧鉻區(qū)，造成腐蝕。預防：控制碳0.03%以下；加入Ti、Nb，固定鋼中碳。消除：550～800℃長時間保溫，擴散消除貧鉻區(qū)。共五十頁40Cr13含碳量（質量分數(shù)(fēnshù)）為0.4%左右，但已屬于過共析鋼。Cr為縮小(suōxiǎo)γ區(qū)元素使共析S點向左移Cr含量達到13%，S點已左移到小于0.4%

C所以40Cr13屬于過共析鋼共五十頁第6章耐熱鋼耐熱鋼在高溫環(huán)境(huánjìng)中保持高強度和良好化學穩(wěn)定性的合金鋼。性能(xìngnéng)要求高溫強度（熱強性）；高溫化學穩(wěn)定性（抗氧化性）熱強鋼抗氧化鋼在高溫下有較好的抗氧化性和一定強度在高溫下有一定的抗氧化能力和較高強度馬氏體熱強鋼1Cr11MoV奧氏體型耐熱鋼1Cr25Ni20Si2Mo，Cr固溶強化基體，V彌散相沉淀強化Cr，Al，Si提高鋼氧化膜穩(wěn)定性共五十頁第7章鑄鐵(zhùtiě)鑄鐵(zhùtiě)分類碳的形態(tài)石墨的形狀生成的過程白口鑄鐵Fe3C鐵水凝固時析出?；铱阼T鐵石墨片狀鐵水凝固時析出。蠕墨鑄鐵石墨蠕蟲狀鐵水凝固時析出（加蠕化劑）球墨鑄鐵石墨球狀鐵水凝固時析出（加球化劑、孕育劑）可鍛鑄鐵石墨團絮狀鐵水凝固時為白口鑄鐵，再退火得到團絮狀石墨。共五十頁對石墨(shímò)化作用排序Al

C

Si

Ni

Cu

P

Zr

Nb

W

Mn

Mo

S

Cr

V

Fe

Mg

B

C、Si強石墨(shímò)化元素強烈阻礙石墨化反石墨化元素，與S形成MnS，間接促進石墨化。MnS石墨化元素，在鑄鐵中生成Fe3P，形成磷共晶。P削弱鐵與碳原子間結合力，增大鐵原子自擴散能力，有利于形成石墨。不利于形成石墨化學成分和結晶時的冷卻速度是影響石墨化的主要因素共五十頁灰口鑄鐵(zhùtiě)鐵素體基體(jītǐ)鐵素體+珠光體基體珠光體基體片狀石墨HT100、HT150、HT200、……、HT350

共五十頁球墨鑄鐵(qiúmò-zhùtiě)珠光體基體(jītǐ)鐵素體基體鐵素體+珠光體基體球狀石墨QT400-17、QT600-02、QT800-02、QT1200-01共五十頁蠕蟲(rúchónɡ)狀石墨蠕墨鑄鐵(zhùtiě)的顯微組織蠕墨鑄鐵RuT260、RuT300、RuT420

共五十頁珠光體基體(jītǐ)可鍛鑄鐵鐵素體基體(jītǐ)可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵KT350-10、KT370-12、KTZ500-4、KTZ600-3共五十頁第8章鋁合金鋁合金的分類(fēnlèi)共五十頁變形(biànxíng)鋁合金的組別1×××、1A××、1B××——(純Al)2×××、2A××、2B××——(Al-Cu系)

熱處理時效硬化高強鋁合金3×××、3A××、3B××——(Al-Mn系)

冷加工硬化型鋁合金4×××、4A××、4B××——(Al-Si系)

鑄造(zhùzào)用基礎合金5×××、5A××、5B××——(Al-Mg系)

加工硬化型鋁合金6×××、6A××、6B××——(Al-Mg-Si系)

熱處理合金7×××、7A××、7B××——(Al-Zn-Mg系)

熱處理高強度鋁合金8×××、8A××、8B××——(Al+其他元素)

如Al-Li系9×××——(備用合金)GB/T3190-2008共五十頁鋁合金的強化(qiánghuà)方式1.固溶強化(qiánghuà)Cu、Mg、Zn、Mn、Si、Li2.時效（沉淀）強化析出共格的金屬間化合物強化3.過剩相強化依靠未溶解的金屬間化合物強化4.變質處理加變質劑改變鑄態(tài)組織形態(tài)和細化晶粒5.細晶強化變質處理和回復再結晶細晶6.形變強化冷變形提高位錯密度共五十頁鋁合金的時效(shíxiào)脫溶過程(guòchéng)以Al-Cu合金為例G.P.區(qū)α過渡相θ"過渡相θ′半共格平衡相θ非共格直徑9nm厚度0.5nm富集過飽和直徑30nm厚度2nm正方有序直徑600nm厚度15nm正方強度顯著增加強度增加強度下降過時效共格共格半共格非共格共五十頁利用鋁銅合金時效過程(guòchéng)與時間的關系圖，闡述沉淀強化相的脫溶過程(guòchéng)。固溶處理后的鋁銅合金隨時間變化強化相的脫溶分為(fēnwéi)四階段：1）形成溶質原子（Cu）的富集區(qū)，即G.P.區(qū)。與母相α保持共格關系，引起嚴重畸變，提高強度；2）G.P.區(qū)有序化形成θ"相。彈性共格應力場引起更嚴重的畸變，顯著提高強度；3）過渡相θ"轉變?yōu)棣?相。共格關系部分破壞，形成半共格界面。強度下降。4）平衡相θ（CuAl2）的形成。與母相完全脫離共格關系，強度硬度顯著下降（過時效）。共五十頁實驗研究指出，不少合金時效時，往往先析出(xīchū)亞穩(wěn)定的過渡相，而不直接析出(xīchū)平衡相這是為什么？平衡相與基體相之間往往是非共格界面，而過渡相和基體相之間是共格或半共格。由于共格相界的界面能最低，且相變初期(chūqī)界面能是抑制相變的主要因素，所以形核功小，時效過程中容易先析出過渡相。另外，過渡相在成分上更接近于基體相，形核時所需的成分起伏小，這也是過渡相容易形成的原因之一。共五十頁第9章銅合金黃銅(huánɡtónɡ)普通(pǔtōng)黃銅(Cu+Zn)

H90、H70、H62特殊黃銅(Cu+Zn+Me)HSn70-1、HAl60-1-1青銅錫青銅(Cu-Sn)QSn6-6-3

鋁青銅(Cu-Al)QAl10-4-4鈹青銅(Cu-Be)QBe2共五十頁H96、H90：導熱性、抗蝕性好。用于冷凝器、散熱器和工藝品等H