金属材料学复习大纲.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流金属材料学复习大纲.精品文档.金属材料学复习大纲题型：1、名词解释3分10；2、填空1分10；3、简答题35分；4、论述题25分（期末70+平时30）一、 钢的合金化1. 合金元素主要以三种形式存在钢中：溶于铁中，形成固溶体；与碳化合，形成碳化物；形成金属间化合物。2. 扩大相区的元素（奥氏体稳定化元素；使铁碳相图中S点下降）：Mn、Ni、Co、C、N、Cu等； 缩小相区元素（铁素体稳定化元素；使S点上升）：Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr。3. 碳化物形成元素：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn等（按碳化物的稳定

2、性程度由强到弱排列） 非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。都溶于铁素体和奥氏体中。4. 几乎所有的合金元素都使S点和E点左移, 强碳化物形成元素的作用强烈。例如：4Cr13含碳量为0.4%左右，但已是属于过共析钢。这是因为Cr元素使共析S点向左移动，当Cr含量达到一定程度时，S点已左移到小于0.4%C，所以4Cr13是属于过共析钢。5. 细化晶粒合金元素：即强碳化物形成元素（见上），防止第二类回火脆性（450-650）元素：W、Mo6. 第一类回火脆性：合金在200-350范围内回火时发生的脆性，不可逆回火脆性。第二类回火脆性：合金在450-650范围内回火后，缓冷时出现

3、的脆性，是可逆回火脆性。（调质钢、高速钢中出现第二类回火脆性）7. 几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性, 推迟珠光体类型组织的转变, 使C曲线右移, 即提高钢的淬透性。8. 提高回火稳定性合金元素：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。回火稳定性：淬火钢回火时，抵抗强度、硬度下降的能力。9. 除Co、Al外, 多数合金元素都使Ms和Mf点下降，使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时，进行冷处理(冷至Mf点以下), 转变为马氏体; 或进行多次回火，残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升，在回火后冷却过程中转变为马氏体或贝氏体（二次淬火）。10. 二次硬化：Mo、W、V含量较高

4、的合金钢回火时, 硬度不是随回火温度升高单调降低, 到某一温度(约400)后开始增大, 并在更高温度（一般为550 左右）达到峰值。 产生二次硬化原因：（1）当回火温度低于450时, 钢中析出渗碳体，降低了马氏体中含碳量，硬度降低。在450 以上渗碳体溶解, 钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等, 使硬度升高, 称为沉淀硬化。（2）回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火也导致硬度升高。11. 提高强度, 要设法增大位错运动的阻力。金属中的强化机制主要有：固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相（沉淀和弥散）强化。二、 碳钢1. 碳钢成分：Fe+C+Si、Mn、P、S

5、；低碳钢w(C)0.25%，中碳钢0.25% 0.6%2. S容易和Fe结合形成熔点为989的FeS相，使钢在加热过程中产生热脆性；P和Fe结合生成硬脆的Fe3P相，使钢在加热过程中产生冷脆性。3. 常用碳钢：普通碳素结构钢：Q215A、Q235 热处理：常在热轧状态下使用，不再进行热处理。A级钢含硫、磷量最低。3. 优质碳素结构钢：20、45、60 热处理：20钢（齿轮钢）：淬火+低温回火；40钢（轴承钢）：淬火+高温回火；60钢（弹簧钢）：淬火+中温回火4. 碳素工具钢：T8、T10、T12 热处理：淬火+低温回火。碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之间。热处理后组织：回火马氏体

6、+粒状渗碳体+残余奥氏体。三、 合金钢1. 低合金结构钢：Q345(16Mn)、Q420(15MnVN) 热处理：热轧空冷状态（正火态）下使用，不需要进行专门的热处理。2. 合金渗碳钢：20Cr、20MnVB、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA热处理：渗碳后预冷淬火，再低温回火。表面组织：合金渗碳体+回火马氏体（高碳）+少量残余奥氏体，心部组织：回火马氏体（低碳）+屈氏体+少量铁素体。表面硬度高、耐磨；心部具有高的韧性和足够高的强度；有良好的热处理工艺性能。加入提高淬透性的合金元素：Cr、Ni、Mn、B等。加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、W、Mo等。3. 合金调质钢：40Cr、40

7、CrB、40CrNiMo、38CrSi热处理：淬火+高温回火。常规热处理后的组织是回火索氏体；表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体，心部组织是回火索氏体。4. 合金弹簧钢：65Mn、50CrV、60Si2Mn 热处理：淬火+中温回火。组织：回火屈氏体。加入Si、Mn：提高淬透性，同时也提高屈强比。为了提高弹簧的疲劳寿命，广泛采用喷丸强化处理。5. 轴承钢：GCr9、GCr15、GCr15SiMn热处理：球化退火（对于过共析钢球化退火，降低硬度，便于机加工）+ 淬火+低温回火。组织：极细的回火马氏体、均匀分布的粒状碳化物以及少量残余奥氏体。为

8、了稳定尺寸，淬火后立即进行“冷处理”（-60-50），降低内应力和残余奥氏体。在回火和磨削加工后，进行低温时效处理（120130，保温5 h10 h）。Cr、Si、Mn、V等合金元素提高淬透性。GCr15（特例）w(C)1%、w(Cr)1.5%。当GCr15作量具、块规时的热处理如左图。左图中时效目的：使不稳定的碳化物析出，稳定尺寸。6. 低合金刃具钢：9SiCr、CrWMn要有高热硬性（红硬性）：钢在高温下保持高硬度的能力。加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素：Cr、Mn、Si提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；W、V提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。加工过程：球

9、化退火、机加工，然后淬火和低温回火。热处理后组织：回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。7. 高速钢：W18Cr4V（w(C)0.75%、w(W)18%、w(Cr)4%、w(V)1.5%）以及W6Mo5Cr4V2高速钢铸态组织中由于枝晶偏析，含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物（M6C），需要多次镦拔，得到小块均匀的碳化物。淬火温度高（12201280）：为了确保高熔点合金元素全部溶入奥氏体中，提高淬透性；分级加热：避免产生热应力使工件开裂；回火温度高（550570）：为了充分发挥二次硬化效果；回火多次：降低残余奥氏体含量，同时降低残余内应力更彻底。左图回火温度曲线中开始硬度高由于固溶强化（C原

10、子在M中形成过饱和固溶体）；最后硬度高由于二次硬化（Mo2C、W2C析出；残余奥氏体转变为马氏体）。淬火+高温回火后组织：回火马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体。8. 冷作模具钢：Cr12MoV 加入Cr、Mo、W、V等合金元素形成碳化物，提高耐磨性，同时提高淬透性。9. 热作模具钢：5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSiCr、Ni、Mn、Si元素：Cr主要提高淬透性，和Ni一起提高回火稳定性。Ni强化铁素体，增加钢的韧性，与Cr、Mo一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能。Mo、W、V等元素：产生二次硬化。Mo还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。四、 不锈钢1. 腐蚀分类：

11、化学腐蚀（直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程）、电化学腐蚀（金属材料在电解质溶液中发生原电池作用而破坏的过程，占主导）。2. 电化学腐蚀原理：金属和电解质组成两个电极，组成腐蚀原电池。3. 提高钢的耐蚀性的措施：钝化；得到单相均匀的固溶体组织；提高固溶体（阳极）的电极电位；阳极极化；阴极极化。4. 金属电化学腐蚀形式：均匀腐蚀、晶间腐蚀（危害性最大）、点腐蚀、应力腐蚀、磨损腐蚀和其它腐蚀。5. 敏化处理：在晶界腐蚀敏感的温度范围内对不锈钢进行晶界腐蚀灵敏化处理，用来衡量奥氏体不锈钢晶界腐蚀倾向的一种检测手段。6. 各元素作用：C：提供不锈钢的强度，大多数不锈钢质量分数为0.1-0.2。对碳

12、质量分数高（0.85%0.95%）的不锈钢应提高铬含量。Cr：按照n/8规律提高基体的电极电位，理论上不锈钢的最低铬含量为11.8。由于不锈钢中C与Cr形成碳化物，故Cr的含量一般不少于13%。Ni：获得单相奥氏体组织，显著提高耐蚀性。Ti和Nb：避免晶界贫铬，防止晶间腐蚀。7. 不锈钢分类：单相不锈钢、双相不锈钢（铁素体+奥氏体不锈钢）、沉淀硬化不锈钢（马氏体相【基体】+金属间化合物【沉淀相】，沉淀硬化不锈钢为多相组织，但沉淀相体积分数较小，因此可以视为单相不锈钢。）8. 单相不锈钢：（Cr扩大铁素体相区铁素体不锈钢；Ni、Mn、N等扩大奥氏体相区奥氏体不锈钢）铁素体不锈钢：10Cr17、1

13、0Cr17Ti；退火或正火状态下使用，形变强化提高强度。奥氏体不锈钢：00Cr18Ni9、12Cr18Ni9Ti；热处理方式：固溶处理；稳定化处理；去应力退火。马氏体不锈钢：12Cr13、20Cr13、30Cr13、40Cr139. 奥氏体和铁素体双相不锈钢：00Cr26Ni5Mo2；在奥氏体型不锈钢的基础上，提高铬含量或加入其它铁素体形成元素。五、 耐热钢1. 高温环境下服役金属的失效形式有：氧化、蠕变、组织粗化。2. 耐热钢：好的热稳定性（Cr、Si、Al保证热稳定性）+好的热强性（强碳化物元素保证热强性）。提高钢抗氧化性方法：合金化（加入Cr、Si、Al）3. Cr、Al、Si改善钢的化

14、学稳定性。稀土金属或碱土金属提高钢的抗氧化能力。W或Mo降低钢和合金的抗氧化能力。H降低化学稳定性。4. 低于等强温度时，晶粒强度；高于等强温度时，晶粒强度。加载速度或应变速度，等强温度。低于等强温度时，发生穿晶断裂；高于等强温度时，发生沿晶断裂。5. 蠕变：金属在一定的温度和应力作用下，随着时间的延长发生缓慢的塑性变形的现象。6. 应力松弛：材料在高温和应力作用下，若维持总变形量不变，随时间的延长，应力逐渐降低的现象。7. 热疲劳：由于温度的循环变化，导致热应力的循环变化，由此引起的疲劳破坏。8. 热脆性：钢长时间保持在400-500，以后冷却到室温其冲击韧性明显下降的现象。产生原因：沿晶界

15、析出了碳化物。9. 珠光体的球化：在高温、应力长期作用下，珠光体中的片状Fe3C逐渐转变为球状Fe3C并聚集长大的现象。原因：在体积相同时，片状Fe3C的表面积比球状Fe3C的表面积大，表面能高，因此，球状Fe3C比片状Fe3C稳定，球化是高能量向低能量的自发过程。碳钢最易球化，钢中加入Cr、Mo、V、Ti、Nb等，阻止球化。10. 石墨化：在高温和应力作用下，钢中的Fe3C自行分解的现象。对性能影响：强度降低，脆性增大。11. 合金元素在固溶体和碳化物之间重新分配：钢在高温长期作用下，固溶体中的合金元素如Cr、Mo等，会逐渐转移到碳化物中，导致固溶体中合金元素逐渐减少，碳化物中合金元素逐渐增

16、多。12. 时效：钢在长期运行过程中，随运行时间的推移从过饱和固溶体中析出一些强化相（碳化物、氮化物、金属化合物）质点而使金属的性能随时间发生变化的现象。13. 耐热钢的强化通过合金化实现：通过加入合金元素Cr、Mo、V、W、Ti、Nb、B、Si、Re，并适当进行热处理，产生固溶强化、晶界强化、沉淀强化。14. 耐热钢中合金元素作用：六、 铸钢与铸铁1. 碳素铸钢的化学成分：Fe、C、Si、Mn、S、P。硅、锰可以提高强度（固溶强化）；硫、磷应控制，硫会增大钢的热裂倾向，磷使钢的脆性增加。2. 碳素铸钢牌号：如ZG230-450(ZG25)，其中ZG表示铸钢，数字分别表示屈服强度和抗拉强度。3

17、. 碳素铸钢与铸铁机械性能比较：铸钢强度和塑性、韧性较高。但其钢水的流动性差，收缩率较大。4. 铸钢组织特征：铸钢浇注温度很高，冷却较慢，容易得到粗大的奥氏体晶粒。在冷却过程中，铁素体首先沿奥氏体晶界呈网状析出，然后沿一定方向以片状生长，形成“魏氏组织”。使钢的塑性和韧性下降，不能直接使用。5. 铸钢热处理：扩散退火：成分均匀化；完全退火：消除魏氏组织和铸造应力（组织：珠光体+铁素体）；正火：细化晶粒，消除魏氏组织和铸造应力，改善机械性能（组织：索氏体+铁素体）。6. 在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：固溶在F、A中；化合物态的渗碳体(Fe3C)；游离态石墨（G）7. 石墨化：铸铁中碳原子析

18、出形成石墨的过程。(1) 从液体和奥氏体中缓冷析出。(2) 高温下渗碳体分解获得。8. 铸铁具体的石墨化过程：Si、Al促进石墨化第一阶段石墨化：形成一次石墨和共晶石墨。 LC G(一次） LC AE + G(共晶）第二阶段石墨化：奥氏体析出二次石墨。 AE G(二次）第三阶段石墨化：形成共析石墨和F中析出三次石墨。 AE FP + G(共析） F G(三次）9. 其中Le为莱氏体10. 白口铸铁中碳全部以Fe3C形式存在，由于有大量硬而脆的Fe3C，白口铸铁硬度高，脆性大，难加工，故工业上很少直接使用白口铸铁。11. 灰口铸铁：铸铁中的碳全部或大部分以片状石墨形态存在，断口呈灰色的铸铁。组织

19、由基体和石墨组成，基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体；石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状。灰口铸铁性能：耐磨性、减震性好，良好的铸造性能、切削加工性能，价格便宜。12. 灰铸铁：石墨呈片状的铸铁。常用牌号如HT150、HT250、HT400，其中“HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。13. 热处理不能改变石墨的形态和分布，对提高灰铸铁整体机械性能作用不大。14. 孕育铸铁：孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁。孕育处理目的：铁水中生成大量均匀分布的非自发核心，获得细小均匀的石墨片，细化基体组织，提高铸铁强度；避免铸件边缘及薄断面处出现白口组织，提高断面组织的均匀性。15. 变质处理：也称孕

20、育处理，把孕育剂加入到铁液中，以改变铁液的冶金状态，从而改善铸铁的组织和性能。16. 球墨铸铁：石墨呈球状的铸铁。球化处理：在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。17. 球墨铸铁常用牌号如QT400-15、QT600-3、QT800-2，其中球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。18. 球墨铸铁的热处理：退火、正火、调质（回火索氏体+球状石墨）、等温淬火（下贝氏体+球状石墨）19. 蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状的铸铁。20. 蠕墨铸铁常见牌号如RuT300、RuT420，其中蠕墨铸铁以“RuT”表示，数字表示最低抗拉强度。21. 可锻铸铁：

21、石墨呈団絮状的铸铁。常见牌号如KT350-10、KTZ600-3（铁素体可锻铸铁以“KT”表示。珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。）两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。七、 典型工件的选材齿轮选材 老师提示：重点内容机床齿轮用中碳钢、中碳合金钢（45、40Cr） 汽车齿轮用合金渗碳钢（20CrMnTi)轴类零件选材 老师提示：重点内容 机床主轴可选用45、40Cr钢； 内燃机曲轴主要用优质中碳钢或中碳合金钢制造，也可选用球墨铸铁制造。刃具选材 老师提示：重点内容手动刃具可用T8、T10等碳素工具钢； 低速切削刃具用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn高速切削刃具用高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr

22、4V2补充：金属中的强化机制主要有：1) 固溶强化：原子固溶于钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的阻力，从而提高强度，降低塑、韧性。2) 位错强化（加工硬化/冷作硬化/形变强化）：随着位错密度增大，增加了位错产生交割、缠结的几率，有效地阻止了位错运动，提高钢的强度。但在强化的同时，也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度。3) 细晶强化：晶粒尺寸越小，已变形晶粒中位错塞积群中位错数目越少，领先位错的应力场强度越弱。这使相邻晶粒中的位错源必须在较大的外应力作用下才能启动，因此材料的强度就越高。从位错塞积的角度考虑，小晶粒中位错塞积群的应力场较弱，也不容易在晶体界面处由于应力集中而产生微裂纹；晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展，因此塑性、韧性得以提高。4) 第二相强化（沉淀和弥散强化）：钢中微粒第二相对位错有很好的钉扎作用，位错通过第二相要消耗能量，从而起到强化效果。根据位错的作用过程，分为切过机制和绕过机制。