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金属材料学 总 复 习 提 纲 戴起勋 主要内容 一、主线、核心和“思想” 二、合金化 三、各类钢要点 四、各主要材料的分析思路 主线：服役条件技术要求选择材料强化工 艺组织结构最终性能应用、失效。 一、主线、核心和“思想” 零件 服役 条件 性能 要求 材料 成分 强化 工艺 组织 结构 使用 性能 要 清 楚 的 三 点 （1）同一零件可用不同材料及相应工艺 例：调质钢；工具钢代用 （2）同一材料，可采用不同工艺 例：T10钢，淬火有水、水-油、分级等。强 化工艺不同，组织有差别，但都能满足零件要 求。力求最佳的强化工艺。 (3）同一材料可有不同的用途。 例:60Si2Mn有时也可用作模具。低合金工具 钢也可做主轴，GCr15也可做量具、模具等。 要学活，思路要宽，要敢于提出独特见解 核心：核心是合金化基本原理。这是材料强韧化 矛盾的主要因素. 掌握合金 元素作用 理解各类钢的设计与发展 采用热处理等强化工艺 如何在这基础上充分优化材料的使 用性能，关键就在于热处理等处理工 艺。企业中的许多问题都是因为在材 料的加工过程中的工艺存在问题。 “思想”：材料学是一门很有“思想”的课程，只是 要从学习过程中体会和挖掘出来。 辨证作用 矛盾转化 结构钢是强度-韧度的匹配， 工模具钢主要是韧度-耐磨性的协调， 铸铁石墨形态和力学性能之间的关系等 由强-韧性反映出来的矛盾 材料的这些矛盾涉及到合金化设计、处理工艺 等。强度有余时，矛盾主要方面是如何提高韧度。 并且矛盾的主、次方面在一定条件下可以转化。 掌握理解：固溶强化、位错强化、细晶强化 和弥散强化等强化机理。 正火和淬火、高温回火得到的同样是珠光体组 织，但为什么一般钢要经过淬火、回火?在这些处 理过程中，合金元素存在的形式和所处的位置是 怎样变化的，其它组织结构是怎样变化的，固溶 强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机 制是如何相互转化的。这些问题涉及了所有的专 业课知识。 合金化 设计 K形成 规律 K类型 及性质 对C线 的影响 对相图 影响 强韧化矛盾 演化规律 钢韧化 基本途径 钢强化 基本机理 Me对过 程影响 Me对工 艺性作用 组织 设计 多元适量 复合加入 强-韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形，相 互转化、轮回。强-韧矛盾在超高强度钢中更为 突出。创新突破之处是彻底改变传统的强化之源 C合金化。所以发展了马氏体时效钢，使强 韧性提高了一个数量级。 在材料发展的过程中，人们不断地在这些矛 盾中进行研究，并不断地取得了突破性进展。 如现在已经广泛使用的微合金钢、非调质钢、双 相钢等，都是在深入理解强韧化机理的基础上， 从传统的强-韧矛盾中得到解脱，有所创新。 体会 分析问题、解决问题的关键 和思路。 材料的发展充满了活的辨证 关系，充满了矛盾的演变。当 然，对问题的认识有一个逐步 理解的过程。首先要有宏观的 认识和思路，从高处看问题有 豁然开朗的意境。 二、合金化 1、合金化原则 多元适量，复合加入 多元：多元作用大，效果好，又经济。合金元素 的作用并不是简单的代数和。简单比喻：人每 天的营养摄入，可科学地配制食谱，做到既满 足营养要求，又不会使某种营养过剩。 多元复合加入的作用或情况主要有以下几种： 多 元 复 合 加 入 提高性能。如淬透性，复合作用不是线性 相加的。如：40Cr 40CrNi 40CrNiMo 扬长避短。合金元素能对某些方面起积极的 作用，但往往还有副作用，为克服这不足， 可加入另一元素来弥补。如：Si-MnMn-V 改善K类型与分布。某些元素加入会改变钢 中所形成K类型与分布，或改变其它元素的 存在形式和位置，从而提高性能。如耐热钢 中Cr-Mo-V；高速钢的V-Cr-W 适量：合金元素的某种作用在含量达到一定量 时往往会起不良的影响，而且还有经济性的 问题。 适量的原因，除了经济的因素外，主要有 以下几种情况： 适 量 加 入 有Me增多后，会降低材料的塑韧性 如构件钢中，一般Si1.1%，Mn1.8% 有些Me增多，会恶化K的分布 如高速钢中Cr，CrWMn中的W等 有的会改变K类型，热处理难度 如一般结构钢中V0.10.2%，Mo0.5% 左右，以免生成难溶的K 适量加入, 符合经济性 Me作用不是线性的,适量，体现经济性 2、主要合金元素作用归纳 Cr: 1）淬透性 G，K形核长大。Cr、 Ni等复合作用大，如调质钢40Cr40CrNi40CrNiMo 。 2）回稳性 阻止M3C型长大。如40 Cr与40钢 相比，回火到相同硬度时，回火温度可30-40。 3）抗氧化性、热强性 形成Cr2O3，FeO出 现的温度；原子间结合力，热强性。如耐热钢， Mo-Cr-V。 4）耐蚀性 电极电位，n/8定律。如 不锈钢。 5）细化晶粒，改善K均匀性 K较稳定， 如GCr15。 6）回火脆性 促进杂质原子偏聚，如 40CrNi。 7）A1 F形成元素。热疲劳性，如 5CrNiMo；淬火温度，如GCr15为840，而 T10为780；含Cr量多时F钢，如1Cr17。 8）Ms Ar，如GCr15比T10钢的Ar多， 分布为8%左右和3%左右。 Mn: 1）强化F 固溶强化，如低合金普通结构钢。 2）淬透性 G，使“C”线右移，如 40 Mn2。 3）晶粒长大 A1 ，强化C的促进晶粒长大 作用，过热敏感性。 4）Ar Ms。量大时，获得A钢 Mn扩大 区。 5）回火脆性 促进有害元素偏聚。 6）热脆性 脱硫，形成MnS；脱氧剂， MnO；易切削钢。 Si： 1），可切削性 固溶强化效果显著，如 弹簧钢60Si2Mn等； 2）低温回火稳定性 抑制-K形核长大及转 变，如30CrMnSi、9SiCr。 3）抗氧化性 形成致密的氧化物，如高温抗氧 化钢Cr18Si2,排气阀用钢4Cr9Si2。 4）淬透性 K形核长大，使“C”线右移，高C 时作用较大。 5）淬火温度 A1 。如9SiCr，Ac1为770。 6）脱C、石墨化倾向 Si碳活度，含Si钢脱C 倾向大。如9SiCr、60Si2Mn等。 Mo： 1）淬透性 推迟P转变，对B转变影响较小。 2）热强性 固溶体原子间结合力，如珠光 体热强钢12CrMoV。 3）回火脆性 有效地抑制有害元素的偏聚， 如40CrNiMo。 4）回火稳定性 较强K形成元素，碳活度， 且K稳定不易长大。 5）细化晶粒 较强K形成元素，碳活度，阻 止晶界移动。 6）非氧化性酸的耐蚀性，防止点蚀 形成 MoO3，致密而稳定。 Ni： 1）基体韧度 Ni位错运动阻力，使应力 松弛。如马氏体时效钢。40CrNi、40CrNiMo钢 的韧度较高。 2）稳定A组织， NiA1 ，扩大区，量大 时，室温为A组织，如18-8奥氏体不锈钢。 3）淬透性 G，使“C”线右移， Cr-Ni复合效果更好。如12CrNi3、40CrNi。 4）回火脆性 Ni促进有害元素的偏聚，如 40CrNi回火脆性大。 5）Ms Ar。 V： 1）热强性 VC质点稳定性好，且弥散分 布，如耐热钢Cr-Mo-V。 2）细化晶粒 VC质点细小、稳定，有效阻 止晶界移动，如40Mn2V、50CrV。 3）红硬性、耐磨性 VC质点细小、稳定、 弥散，如高速钢均含V。 4）过热倾向 VC质点溶解稳定较高，晶 粒不易长大，4040Mn2V。 5）磨削性 VC质点硬度高，容易产生磨 削裂纹，如9Mn2V的磨削性较差。 3、利用合金化原理分析典型钢的性能特点 9SiCr、CrWMn、9Mn2V； 60Si2Mn； 5CrNiMo； W6Mo5Cr4V2 三、各类钢要点 1、要掌握各类钢的特点 弹簧、热锻模的服役条件及技术要求； 轴承钢的冶金质量； 高速钢的热处理工艺； 工具钢的球化处理； 高碳钢的第二相； 齿轮、轴类零件的选材料； 不同表面强化工艺特点、应用和适用钢 种。 2、归纳各类钢工艺特点 1）合金元素多，钢的导热性较差，工艺的可 变性也大。因此，工艺相对就比较复杂。如高速钢、 Cr12MoV、18Cr2Ni4W、3Cr2W8V等。 2）过共析钢，希望K稳定，用较强K形成元素。 量可较多，残余K细化晶粒，又提高耐磨性。如过 共析钢采用不完全淬火，低温回火；要重视预先热 处理，球化工艺。 3）亚共析钢，采用完全淬火，希望钢中的K不 稳定，在加热时能全部溶解。强K形成元素用得比 较少，即使有，含量也是较少，控制。 4）工具钢淬火时，变形开裂倾向比较大，所以 在工艺措施上，常采用预热、预冷，淬火常用等温、 分级、双液淬火等方法，且需要及时回火。 5）工件尺寸大，如锻模，则整个热处理过程需 要围绕尽量降低变形开裂而采取一系列措施。 6）弹簧、轴承、工具钢最终处理前一般已是成 品，要注意脱碳倾向，一般措施为采用保护气氛、 盐浴炉等。 7）精密零件处理过程中要注意尺寸稳定性。 8）工模具钢，特别是高碳高合金钢的锻造工艺很 重要，这是最终热处理质量的前提。许多问题往往是 由于锻造工艺的原因。 1 结构钢的特点、应用及演变 2 工具钢的特点、应用及演变 3 铸铁要点 4 铝合金分类与特点 四、各主要材料的思路 服役条件及 性能要求 常用 牌号 C量 常用 工艺 组织 性能 应用 要点 低强钢 低C马氏体 渗碳钢 氮化钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢 高锰钢 典型结构钢的特点、应用及演变 纵向要理解系统及 相互间关系 横向要了 解含碳量及 合金化的变 化原因 常用 牌号 C量 常用 工艺 组织 性能 特点 应用 要点 碳素钢 低合金 高速钢 冷作模具钢 热作模具钢 量具钢 典型工具钢的特点、应用及演变 自由焓 有利于石墨 化 成分、结构、 扩散有利于 Fe3C析出 HT200 QT400-17 KTZ450-06 灰口铸铁：片G， 性能特点与用途。 孕育处理 热力学 动力学牌号及数字意义 可锻铸铁：团絮状 G，由白口铁经石 墨化得到，性能与 用途 石墨化过程 决定G形态 决定基体 铸铁中心问题： G形状、大小、 数量、分布 球墨铸铁：球状G ，球化处理。热处 理工艺：与灰铁不 同，与钢区别。不 同工艺得到不同基 体组织。性能与用 途 影响因素铸铁性能 化学成分 C、Si促进 石墨化； Mn、S阻止 石墨化 冷却速度 薄壁表面易 白口。壁厚 敏感性，性 能差异 强度、伸长率、冲 击韧度比钢低；耐 磨；切削性好；消 振性好；缺口敏感 性低；铸造性好。 蠕铁：蠕虫状G 特殊性能铸铁：耐 蚀、耐磨、耐热 工业纯铝： 密度2.72。导 电、导热性好 ，抗蚀性好， 塑性高 防锈铝合金 只能变形强化 。Al-Mg、Al- Mn系。 LF5 固溶强化 细化组织强化 时效强化 第二相强化 基本过程： GP。 条件：Me能溶入； 随T而固溶度；析 出相强化作用大。 铸造铝合金： Al-Si ，ZL104 Al-Cu，ZL201 Al-Zn，ZL402