建筑工程材料知识总结

第一章，钢的合金化原理小结一，合金元素及其分类1， 合金元素：为了使钢获得预期的性能而又意识地加入碳钢中的元素。按与碳的亲和力大小，合金元素可分为：非碳化物形成元素：Ni，Co，Cu，Si，Al，N，B等碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V，W，Mo，Cr等此外，还有稀土元素：Re2， 合金元素对钢中基本相得影响（1） 合金元素可溶入碳钢三个基本相中：铁素体、渗碳体、和奥氏体中。分别形成合金铁素体、合金渗碳体和合金奥氏体。合金元素在铁基体和奥氏体中起固溶强化作用。固溶强化：是利用点缺陷对金属基体进行强化的一种合金化方法。基体的方式是通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。（2） 当钢种碳化物形成元素含量较高时可形成一系列合金碳化物，如：MC, M2C,M23C6、M-C3和M3C等。合金元素之间也可以形成化合物即金属间化合物，一般来说，合金碳化物以及金属间化合物的熔点高、硬度高，加热时难以溶入奥氏体，故对钢的性能有很大的影响。3， 元素对钢中相平衡的影响按照合金元素对FeC相图上的相区的影响，可将合金元素分为两大类：a 扩大区的元素：即奥氏体形成元素。指在-Fe中有较大的溶解度，并能扩大相存在的温度范围，使A3下降、A4上升。如Mn，Ni，Co，C，N，Cu等。b 扩大区的元素：即铁素体形成元素：指在Fe中有较大溶解度，并使-Fe不稳定的元素。它们能缩小相区，而扩大相存在的温度范围，使A3上升、A4下降。如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。 扩大奥氏体区的直接结果是使共析温度下降；而缩小奥氏体区则使共析温度升高。因此，具有共析组织的合金钢碳含量小于0.77，同样，出现共晶组织的最低含碳量也小于2.11。4， 合金元素对钢中相变过程的影响（1） 对加热时奥氏体形成元素过程的影响 a 对奥氏体形核的影响：Cr、Mo、W、V等元素强烈推迟奥氏体形核；Co、Ni等元素有利于奥氏体形核。 b 对奥氏体晶核长大的影响：V、Ti、Nb、Zr、Al等元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大；C、P、Mn（高碳）促使奥氏体晶粒长大。（2）合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响具体表现为：除Co以外，所有的合金元素都使C曲线往右移动，降低钢的临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。除Co、Al以外，所有的合金元素都使Ms点和Mf点下降。其结果使淬火后钢种残余奥氏体量增加。（3） 素对回火过程的影响 a 提高了钢的回火稳定性回火稳定性即是钢对于回火时所发生的软化过程的抗力。许多合金元素可以使回火过程中各阶段的转速大大减慢，并推向更高的温度发生，提高回火温度性较强的元素有V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co等。b 产生二次硬化现象若钢种含有足够的碳化物形成元素如W、V、Mo等，淬火后再500-600回火时，将形成并析出如W2C、Wo2C和VC等弥散分布的合金碳化物，使合金钢的强度、硬度不降反升，并可达到一个峰值，此称为“二次硬化”现象。c 增大回火脆性合金钢淬火后再某一温度范围内回火时，将比碳钢发生更明显的脆化现象。含Cr、Mn、Ni的钢对第二类回火脆性（450-600间高温回火脆性）最敏感，这主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，而Mo、W等能减少这种敏感性。因此，大截面的工件要选用含Mo、W的钢，以避免第二类回火脆性。 么合金元素能够改变金属的使用性能和工艺性能？主要是因为合金元素加入后改变了钢和铁的组织结构。合金元素的加入产生了合金元素与铁、碳及合金元素之间的相互作用，改变了钢铁中各相得稳定性，并产生了许多新相，从而改变了原有的组织或形成新的组织。这些元素之间在院子结构、院子尺寸及晶体点阵之间的差异，则是产生这些变化的根源。第二章 工程结构钢小结一，用途及性能要求这类钢主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油气管道、大型钢结构等，用它来代替碳素结构钢，可大大减轻结构重量，节省钢材。1， 高强度，一般屈服强度在300MPa以上。2， 高韧性，要求为15-20，ak大于600KJ/m（平方）800 KJ/m（平方）。3， 良好的焊接性能和冷成型性能、低的冷脆转变温度及良好的耐蚀性。二，成分特点1， 低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，碳含量一般不超高0.25。2， 加入以锰为主的合金元素。3， 加入铌、钛或钒等辅加微量元素。4， 加入少量铜（0.4）和磷（0.1左右）等，可提高抗腐蚀性能。 碳0.25的原因是：1， 低温韧性要求高，随着钢中含碳量的增加，钢中珠光体含量相应增加，而钢中每增加1体积的珠光体，将使FATT50（）升高2.2。2， 焊接性能要求高，钢的焊接性能的好坏主要决定于刚得淬透性和淬硬性，这两者取决于钢种合金元素的含量和碳含量，而碳势最有害的元素。3， 冷成型性能要求高，而碳含量越高，塑性变形能力越差。 为什么我国的低合金高强钢用锰作为主要的合金元素？因为低合金高强钢主要用于制造桥梁、船舶、车辆等大型钢结构，在性能上要求有比碳素结构钢更高的强度和更好的韧性。我国的Mn资源丰富，合金元素锰除了能产生较强的固溶强化效果外还能大大降低奥氏体分解温度，细化铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，是提高低合金高强钢强度和韧性的即经济又有效地合金元素。三，工程结构钢的强化 在结构钢中，合金元素对强化的贡献有：1， 溶入铁素体气固溶强化作用；2， 细化晶粒起晶粒强化作用；3， 析出弥散的碳化物、谈氮化物，起沉淀强化作用；4， 增加珠光体含量。四：热处理特点及常用钢种 这类钢一般在热轧空冷状态下使用。在有特殊需要时，如果为了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。并使用状态下的显微组织一般为铁素体-珠光体。340MPa级别以16Mn最具代表性；390MPa级别有15MnTi、16MnNb；420MPa级别15MnVN是中等级别强度钢中使用最多的钢种；500MPa以上是低碳贝氏体钢，如14MnMoV等。微合金钢：凡是在基体化学成分中添加了微量（不大于0.20）的合金元素（钛、铌、钒），从而使其中一种或几种性能具有明显变化的钢，都可称为微合金钢。控制轧制：通过控制轧制过程中的各种参数，使已变形的奥氏体或者发生再结晶但晶粒来不及长大，或者仅达到回复状态而未发生再结晶，从而得到细化的铁素体晶粒和珠光体体团，使钢强韧化的工艺过程成为控制轧制与控制冷却。第三章 机械制造用钢小结一，调质钢1， 用途及性能特点：用于制造要求具有高强度（承受较大载荷）和高韧性（防止断裂）的重要零件，如各种轴类、紧固螺栓等。这些零件要求具有良好的综合机械性能和高的淬透性。淬透性：钢的淬透性是衡量零件淬火时获得马氏体层深度的能力。2， 成分特点：(1) 中碳（0.35-0.5）：保证热处理后有足够的强度和适当的韧性；(2) 加入Cr、Nb、Mn、Si、B等提高淬透性的元素(3) 加Mo、W等元素：消除回火脆性3， 热处理工艺：淬火+高温回火（500-650），即调质处理，得到回火索氏体。4， 典型钢种：低淬透性的如40Cr、中淬透性的如38CrSi、高淬透性的如40CrNiMo。二，滚珠轴承钢1， 用途及性能特点：主要用来制造滚珠，滚柱、轴承内外套圈，但也广泛用于制造工具盒耐磨零件。要求具有很好的强度和硬度，很高的接触疲劳强度和耐磨性。2， 典型钢种：GCr9、GCr15、GCr15SiMn等。3， 成分特点：（1） 高碳（0.95-1.10）：证热处理后达到最高硬度值，同时获得一定数量的耐磨碳化物；（2） 加入Cr：提高淬透性的同时获得细小、均匀的Cr碳化物，提高耐磨性和解除疲劳强度。（3） 加入Mn、Mo、V等元素，可进一步提高淬透性。4， 热处理工艺：球化退火、淬火+低温回火。组织为回火马氏体、细小碳化物加残余奥氏体（少量）。三，渗碳钢1， 用途及性能特点：用于制造表面硬因而耐磨，心部韧性好儿耐冲击的零件，如齿轮、轴类等。要求淬透性性好、表面硬而心部韧。2， 典型钢种：低淬透性的如15Cr、20Cr，中淬的如20CrMnTi、20MnB；高淬的如18Cr2Ni4WA。3， 成分特点：（1） 低碳（55）。红硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。3， 热加工及热处理工艺：（1） 低合金刃具钢：球化退火、淬火+低温回火。组织为回火马氏体、少量未熔碳化物和残余奥氏体；（2） 高速钢：a 反复锻造：在锻造时充分打碎铸态高速钢中呈鱼骨状的共晶碳化物，对高速钢的使用寿命十分重要；b 球化退火：便于切削加工；c 淬火：一般在1220-1280之间，主要是使碳化物大量溶解到奥氏体中。d 三次回火（550-570）：主要目的是消除大量的残余奥氏体并产生二次硬化。回火组织为回火马氏体、碳化物颗粒和少量残余奥氏体。即：锻打、球化退火、淬火+（550-570）回火。4， 典型钢种：低合金刃具钢，9SiCr、9Mn2V、CrWMn。高速钢：W18Cr4V（18-4-1），W6Mo5Cr4V2（2-5-4-6）二，模具钢1， 用途及性能特点：制造各种冷、热模具。冷模具钢需要高强度、高耐磨性、足够韧性与疲劳抗力；热模具钢要求热硬性和高温耐磨性、热稳定性、足够的韧性和热疲劳抗力。2， 成分特点：（1） 冷模具钢：高碳（1.0）：保证硬度和耐磨性；加入Cr、Mo、W、V等元素：提高耐磨性；Cr还可显著地提高淬透性。（2） 热作模具钢：中碳（0.3-0.6）：保证较高的韧性及热疲劳抗力；加入Cr、Ni、Mn等元素，提高淬透性；加入Mo、W、V等元素：产生二次硬化，保证较高的热强性，这对热压模钢尤为重要。3， 热处理工艺：（1） 冷模具钢：淬火+低温回火。组织为马氏体、合金碳化物和残余奥氏体。（2） 热模具钢：淬火后再550左右回火。组织为回火屈氏体或回火索氏体。4， 典型钢种：冷模具钢如Cr12、r12MoV；热模具钢如5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V。第五章，不锈钢小结1， 用途及性能特点：用于制造在各种腐蚀介质下工作的零件。因此，耐蚀性是不锈钢的首要性能要求。2， 成分特点：（1） 低碳；（2） 加入Cr，遵循n/8原则，大大提高耐蚀性；（3） 加入Ni或Mn、N，使钢形成单相A组织以提高耐蚀性；（4） 加入Ti、Nb等元素：与碳形成稳定的碳化物以减轻晶间腐蚀倾向。3， 奥氏体不锈钢常用的热处理工艺：（1） 固溶处理：将钢加热至1050-1150使碳化物充分溶解，然后水冷，获得单相奥氏体组织，提高耐蚀性。（2） 稳定化处理：主要用于含钛或铌的钢，一般在固溶处理后进行。将钢加热到850-880，使钢种Cr的碳化物完全溶解，而钛等的碳化物不完全溶解。然后缓慢冷却，让溶于奥氏体的碳与钛以碳化钛形式充分析出。（3） 消除应力退火：将钢加热到300-350消除冷加工应力；加热到850以上，消除焊接残余应力。4， 典型钢种：（1） 马氏体型不锈钢如1Cr13、4Cr13等；（2）铁素体型不锈钢如1Cr17等；（3）奥氏体型不锈钢如1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等；（4）奥氏体铁素体双相不锈钢：如Cr21Ni5Ti，00Cr18Ni5Mo3Si2等。第六章，耐热钢和耐热合金小结1，途及性能要求：用于制造加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置及内部构件。要求在高温下具有良好的强度（热强性）和抗蠕变能力、抗氧化能力、必要的韧性以及良好的加工性能。1） 抗氧化性：抗氧化性事指金属在高温下的抗氧化能力，是零件在高温下持久工作的基础。2） 热强性：热强性是指钢在高温下的强度。 提高钢的热强性措施：（1） 提高合金基体的原子间结合力，固溶强化基体（加入W、Mo、Cr）。（2） 晶界强化。晶界在高温下的强度低，所以耐热钢采用“适当地租化晶粒”的方法提高抗蠕变性能。（3） 钢中加入B、稀土（RE）等元素，强化晶界。（4） 沉淀强化。加入合金元素Mo、W、V、Ti等。（5） 获得奥氏体基体。如Ni、Mn的作用。 为什么要获得奥氏体基体？因为奥氏体基体比铁素体基体耐热钢使用温度更高。对于铁基体合金来说，面心立方晶体的原子间结合力比较强，而体心立方晶体则较弱。此外，-Fe晶体的原子排列比较致密，合金元素在-Fe晶体中不容易扩散，而且-Fe晶界上原子有序度比较好，晶界强度更高。2， 成分特点：（1） Cr、Si或Al的加入，提高钢的抗氧化性，Cr还有利于强热性；（2） Mo、W、V、Ti、Al等元素加入钢中，能形成细小弥散的碳化物，气弥散强化的作用，提高室温和高温强度。（3） 由于碳使钢的塑性、抗氧化性、焊接性能降低。同时，碳化物在高温下易聚集，使高温强度显著下降。所以，耐热钢的碳质量分数一般都不高。3， 典型牌号及热处理工艺：（1） 铁素体-珠光体耐热钢：常用牌号是12Cr1MoV。一般在正火-回火状态下使用，组织为细珠光体+铁素体。（2） 马氏体耐热钢：常用钢种为Cr12型（2Cr12MoV）和Cr13型钢。大多在调质状态下使用。（3） 奥氏体耐热钢：最常用的钢种是1Cr18Ni9Ti。一般进行固溶处理或固溶加失效处理。（4） 工业炉用耐热钢：一般使用Cr18Ni25Si2奥氏体耐热钢。节约Cr、Ni的钢种中比较重要的是Fe-Al-Mn系和Cr-Mn-N系耐热钢。 沉淀强化奥氏体耐热钢 a 以碳化物为主要沉淀强化相，如GH36； b 以金属间化合物（一撇）相（Ni3Al）为主要沉淀强化相的，如GH132（A-286）。镍基合金：镍基合金是在Cr20Ni80基础上加入大量强化元素如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，利用金属间化合物作为沉淀强化相，如G33、G37及GH130等，一般采用二次固溶处理。第七章，铸铁小结1，用途及性能特点铸铁是工业中应用很广泛的一种金属材料，它比其他金属材料便宜，加工工艺简单。可以用来制造各种机器零件，如机床的床身、床头箱；发动机的气缸体、缸盒、缸套、活塞环、曲轴、凸轮轴；轧机的轧辊及机器的底座等。2， 成分特点：铸铁是含碳量大于2.11的铁碳合金，工业上常用铸铁的含碳量在2.5-4.0范围内。另外还含有较多的硅、锰、硫、磷等元素。3， 组织特点及分类白口铸铁：碳绝大部分以渗碳体形式存在，断口呈白色，硬度高，性脆。灰口铸铁（HT）：碳大部分或全部以片状石墨形态存在，断口呈灰黑色。如墨铸铁（RUT）：碳大部分或全部以蠕虫状石墨形态存在。球墨铸铁（QT）：碳大部分或全部以球状形态石墨存在。可锻铸铁（KT）：碳大部分或全部以絮状石墨形态存在。合金铸铁：加入各种合金元素，具有特殊性能，用于耐磨、耐热和耐蚀等专门用途。 石墨对铸铁性能的影响：由于石墨的存在，对铸铁的机械性能造成不利的影响。例如：灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低，这是石墨对集体的严重割裂所造成的。同样由于石墨的存在，也使铸铁具备某些特殊性能，如：铸铁的切削加工性能优异，铸铁性能良好，有很好的耐磨性能和很好的抗震性等。4， 影响石墨化的因素：（1） 温度与时间：温度越高，保温时间越长，则石墨化越易进行。（2） 合金元素的影响：单纯靠高温、长时间保温来实现石墨化是困难的。对石墨化发生最强烈影响的还是合金元素。按元素对石墨的影响可分为两大类：促进石墨的化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co等；阻碍石墨化的元素：Cr、W、Mo、V、S等。5， 灰口铸铁及其热处理: 灰口铸铁的抗拉强度和塑性都很低。这是石墨对基体的严重割裂所造成的。经过孕育处理后的灰口铸铁具有较高的强度和硬度，可用来制造机械性能要求较高的铸件。如气缸、曲轴、凸轮、机床床身等。 热处理不能改变石墨的形态和分布。对提高灰口铸铁整体机械性能的作用不大，因此生产中主要用来消除铸铁件内应力、改善切削加工性能和提高表面耐磨性等。 a 消除内应力退火（又称人工时效） b 消除铸件白口、降低硬度的退火 c 表面淬火 变质（孕育）处理经过孕育处理后的灰口铸铁叫做孕育铸铁。变质（孕育）处理就是在浇注前向铁水中加入孕育剂，使铁水内同时生成大量均匀分布的非自发核心，因而获得细小的均匀石墨片，并细化基体组织，提高铸铁强度。常用的孕育剂有两种。一种为硅类合金，另一类是硅钙合金。6， 球墨铸铁及其热处理球墨铸铁的石墨呈球状，具有很高的强度，又具有良好的塑性和韧性，其综合机械性能接近于钢，因其铸造性能好，成本低廉，生产方便，在工业中得到了广泛的应用。球墨铸铁常用来替代钢制造某些重要零件，如曲轴、连杆、凸轮轴等。球墨铸铁的热处理主要有退化、正火、调质、等温淬火等。第八章，有色金属及其合金小结一，铝及铝合金1， 铝合金的分类及用途：分为变形铝合金（包括非热处理强化、可热处理强化两部分）和铸铁铝合金两大类。2， 铝合金的主要强化方法：（1）固溶强化；（2）沉淀强化（固溶+时效处理）；（3）细晶强化；（4）冷变形强化。固溶处理（淬火）+时效处理时铝合金强化的一种重要手段。铝合金中主要的沉淀强化相有：（1）-CuAl2相；（2）S相（Al2CuMg）；（3）-MgZn相；（4）相（Mg2Si）；（5）相（AlLi） 铝合金时效的基本过程： 以4Cu-Al合金为例，它包括以下四下阶段：1， 形成铜原子富集区G. P区（与母相共格）2， 铜原子富集区有序化，形成过渡相（两撇）（与母相共格，但弹性应力场增大）3， 形成过渡相（一撇）（与母相局部共格）4， 形成稳定的相4Cu-Al合金时效的基本过程可以概括为：G.P区（两撇）（一撇）（CuAl2）+二，镁及镁合金1， 镁合金的分类镁合金和铝合金一样，亦可以分为铸铁镁合金和变形镁合金两大类。镁合金系主要包括：（1） Mg-Mn-Zr系；MB15、MB25（2） Mg-Mn系：MB1、MB8（3） Mg-Al-Zn系：ZM5（4） Mg-RE-Zr系：耐热镁合金（5） 镁锂合金（Mg-Li）是超轻型结构合金2， 镁合金的强化方法与铝合金一样：固溶强化、沉淀强化、冷变形强化、细晶强化。三，铜及铜合金1， 铜合金的分类及应用铜合金主要有黄铜、青铜、和白铜，溶质元素均降低铜的导电性及导热性。铜合金的强化方法主要是：固溶强化及沉淀强化。黄铜分为：（1）普通黄铜（Cu-Zn合金），如H62、H70。制作电气零件，弹壳、散热器等。（3） 复杂黄铜：锡黄铜、铅黄铜、铝黄铜等。用钟表零件，船舶零件，涡轮等。 青铜分为：（1）锡青铜QSn6.5-0.1轴承、弹簧；（2）铝青铜QAl9-4耐磨抗蚀零件、齿轮、轴承；（3）铍青铜QBe2弹性元件 白铜（Cu-Ni合金）：如B30。用做船舶仪表，化工机械零件等。四，钛及钛合金1， 钛合金的分类：钛合金可以根据成分和室温基本组织特点分为：-钛合金、+型钛合金和型钛合金。钛合金的主要强化方法：固溶强化、沉淀强化。（1） -钛合金-钛合金多属于钛-铝系。添加合金元素铝是因为铝有较低的密度，而且铝能显著低使室温和高温下的相强化。-钛合金的组织稳定，抗蠕变性能好，焊接性好，可在较高温度下长期稳定地工作，特点是不能热处理强化，通常在退火状态下使用，只有中等水平的室温强度。TA4、TA5、TA6主要用作钛合金的焊丝材料。TA7可用于制造发动机压气机盘和叶片等零件。（2）+型钛合金退火组织由+两相组成，一般以Ti-Al为基再添加适量的稳定元素如V、Cr、Mo等。它兼有和钛合金的优点，具有较高的耐热性，热加工较容易，又能通过热处理强化。但焊接性能不如钛合金。、+合金具有较高的机械性能和优良的高温变形能力，能较顺利地进行各种热加工并能通过淬火时效处理。TC4（Ti-6Al-4V）合金应用最广，其产量占世界各国钛合金总产量的60，可用作火箭发动机外壳、航空发动机压气机盘和叶片、结构锻件等。 （3）型钛合金新型型钛合金具有良好的冷热加工性能、易焊接、耐腐蚀，可通过固溶时效处理获得较高的机械性能及强度与断裂韧性的配合。特点是在淬火状态具有良好的塑性