《金属材料学》各章小结.doc

1、合金化原理小结MC、M2C型：简单点阵结构，熔点高，硬度高，稳定性好 ；M3C、M7C3、M23C6型：复杂点阵结构，熔点低，硬度低，稳定性差 ；M6C型：非金属性K。复杂点阵结构，性能特点接近MC、M2C型KK类型K形成元素TiNbV形成元素对相图的影响形成元素：A1，缩小区，使Fe-C相图S、E点向左上方移动；量多时，可获F钢；形成元素：A1，扩大区，使Fe-C相图S、E点向左下方移动；量多时，可获A钢；固溶体：置换固溶和间隙固溶度规律，与元素周期表的关系WMoCr/ SiMn形成元素1、强者先，依次成；2、相似者相溶：有限溶解，无限溶解；溶入强者，K稳定性；溶入弱者，K稳定性；3、Nm/NC比值决定K类型；4、强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难；5、rc/rM0.59，形成复杂结构K；6、量少时，形成复合K，量多时，形成特殊KK形成规律非K形成元素NiCoCNCuSi /对过冷奥氏体相变影响1、除Co外，Me均不同程度地使“C”曲线右移；2、使P转变右移程度较大的元素：Mo、W、Mn、Cr；3、使B转变右移程度较大的元素：Mn、Cr、Ni、Si；4、K形成元素改变“C”曲线形状；5、使MS点降低程度较大的元 素：（C、N）、Mn、Cr、Ni 多元适量复合加入合金化设计微合金化原理及应用加热奥氏体化：不同K的溶解规律，Me对晶粒长大的影响；回火转变：K形成元素ac，M分解；SiM分解；AR中析出K，反稳定化，MS；K聚集长大，类型转变，原位析出，异位析出，二次硬化；回火过程的强化与弱化，强化机制贡献大小的转化；回火脆性：特征及影响因素，Mn、Cr、Ni回脆性作用大；Si氧化脱碳倾向；Mn过热敏感性热处理及工艺性淬透性：(B)、Mn、Mo、Cr、Ni、Si作用较大；选择钢种，选择淬火工艺；冷成型性：Me加入，冷作硬化率，冷成型性。P、C、Si影响大；可焊性：Me淬透性，可焊性；切削性：S、Pb、Ca等为易切削元素，MnS是易切削化合物热成型性：W、Mo、V、Cr等元素热压力加工性，导热性合金化韧化途径分布组织偏聚钢的基本强化机理1、细化晶粒：Ti、Nb、V、W、Mo、(Al)、Cr；2、回火稳定性：K形成元素。Si低温回火稳定性效果好；3、改善基体韧性：Ni；4、细化K：Cr、V（适量）；5、回火脆性：Mo、W；6、保证强度水平下，适当降低C量；7、提高冶金质量；8、适量AR固溶强化：s=Ki.C、N塑韧性；在低碳合金钢中，Si、Mn量大时塑韧性；位错强化：d=Kd0.5.形变，塑韧性；细晶强化：g=Kgd-0.5.塑韧性；弥散强化：p=Kp-1.塑韧性细晶（组织）强化和弥散沉淀析出强化对强化贡献大钢的强化与韧化合金钢与碳钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响。且Me的作用只有在进行适当热处理条件下才能最优发挥。强度和塑韧性是一对相互长消的矛盾。当强度水平满足要求时，如何改善塑韧性是矛盾的主要方面；反之，提高强度是矛盾的主要方面图1 钢合金化原理、主线、核心和设计思路2、结构钢复习小结表1 典型结构钢的特点、应用及演变类型服役条件及性能要求常用牌号C量%常用工艺组织应用要点低强钢静载、大气、海水侵蚀；无相对运动；有时受交变应力，低温。要有良好的综合性能，焊接性好，耐蚀，时效敏感性小16Mn15MnV15MnVN14CrMnMoVB0.2一般不进行热处理，常在热轧态供应F+P；低C-贝氏体低C-马氏体工程构件，船舶，桥梁。建筑等Si、Mn、C有限制范围；低C-贝氏体中B、Mo的作用；双相钢概念低C马氏体良好的强韧性，TK低，缺口敏感性低；冷变形性、焊接性好，脱C、变形开裂倾向小20MnV15MnVB20SiMn2MoVA0.15-0.25淬火+低温回火板条马氏体代调质件、中小尺寸碳钢渗C件低C-马氏体的优越性及合理应用渗碳钢受磨损、接触疲劳应力、弯曲、冲击力；要求表面硬度高、耐磨，心部强度高，有一定塑性、韧度，良好的工艺性能，淬透性、渗C工艺性好20Cr、20CrV20CrMnTi18Cr2Ni4WA0.12-0.25渗C +直接淬火；一次淬火；二次淬火表层：M回+K+AR心部：低C-M回或S回齿轮、凸轮、销等零件20CrMnTi的广泛应用；渗C工艺特点及应用；主要合金元素作用氮化钢高硬度、高耐磨性；高疲劳强度；尺寸稳定35CrMo38CrAl38CrMoAlA0.25-0.45调质+氮化表面硬化层，心部S回主轴、镗杆等重要零件38CrMoAlA钢性能特点；Me作用调质钢常在扭转、弯曲、拉伸、冲击等条件下工作。要求综合性能好，足够的淬透性，防止回火脆性40Cr40CrNi40CrNiMo0.25-0.50调质S回轴类零件为主常用元素作用；淬透性；回脆弹簧钢动载荷，冲击，振动，周期性交变应力。要求高屈服强度，高屈强比，高疲劳强度，一定塑韧性，工艺性能好65Mn60Si2Mn50CrVA55SiMnMoV0.5-0.75淬火+中温回火T回各种弹簧或弹性零件Si-Mn作用；强化成型方法；冶金质量、表面质量轴承钢高速、高应力。要求接触疲劳强度高，抗压强度高，硬度高而均匀，耐磨，尺寸稳定GCr15GCr15SiMn0.95-1.05球化退火；淬火+低回M+K主要用于轴承冶金质量控制，组织控制高锰钢受冲击、强烈磨损。既耐冲击，又耐磨，强韧性好ZGMn131.0-1.3水韧处理A受冲击强烈磨损零件高锰耐磨钢性能特点、原因，水韧处理横向组织结构最终性能处理工艺服役条件零件部件性能要求材料成分图2 材料成分、工艺、组织、性能间的关系3、合金工具钢复习小结表2 典型工具钢的特点、应用及演变类型常用牌号C量常用工艺组织性能特点应用要点碳素T7-T120.65-1.35球化退火淬火（多种方法）+低回M回+K高硬度，耐磨，加工性好低速，形状简单常用牌号优缺点低合金9SiCrCrWMn0.85-1.50M回+K轻载，小尺寸，要求变形小、形状较复杂工具高速钢18-4-16-5-4-20.70-1.65正确锻造，球退；淬火工艺特点：预热，严格T、t，分级淬火，回火多次M回+K+AR高硬度，耐磨，高红硬性高速切削，重载荷，大进刀量锻造目的，热处理工艺特点，合金元素作用冷作模具钢Cr12Cr12MoV5CrW2Si(9Mn2V)正确锻造，球退；淬火工艺与高速钢相似，一次、二次硬化法 M回+K+AR高硬度，耐磨，有一定韧度，工艺性好各种冷作模具强韧性之间的协调热作模具钢5CrNiMo5CrMnMo3Cr2W8V0.3-0.6正确锻造球化退火淬火+高回工艺操作S(T)或M回+K热强性，耐热疲劳性，热硬性，耐磨，冲击韧度好，淬透性足够锤锻模热挤压模压铸模服役条件，工艺操作，合金元素作用量具钢GCr15CrWMnCr12MoV淬火+低回M回+K高硬度，耐磨，尺寸稳定，表面质量各种量具尺寸稳定性中心问题：G形状、大小、数量、分布石墨化过程决定G形态，决定基体牌号及数字意义动力学热力学球墨铸铁：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。性能与用途可锻铸铁：团絮状G，由白口铁经石墨化得到，性能与用途灰口铸铁：片G，性能特点与用途。孕育处理HT200QT400-17KTZ450-064、铸铁复习小结自由焓有利于石墨化成分、结构、扩散有利于Fe3C析出化学成分C、Si促进石墨化；Mn、P、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、耐热铸铁性能影响因素 图2 铸铁成分、工艺、组织、性能关系 T 合金化 Cu、Mg、 Zn、Si、MnL L+ + Al Me铸造铝合金：Al-Si ，ZL104Al-Cu，ZL201Al-Zn，ZL402Al-Mg，ZL301工业纯铝：密度2.72。导电、导热性好，抗蚀性好，塑性高基本过程：GP。条件：Me能溶入；随T而固溶度；析出相强化作用大。固溶强化细化组织强化时效强化第二相强化防锈铝合金只能变形强化。Al-Mg、Al-Mn系。LF55、铝合金复习小结超硬铝：如LC4Al-Zn-Mg-Cu系性能特点：强度高，耐热性、抗蚀性差。热处理：淬火温度较宽锻铝：如LD5Al-Mg-Si-Cu系工艺特点：锻造性好，热处理：采用人工时效硬铝：LY12Al-Cu-Mg系。性能特点：强度比较高，耐热性好，抗蚀性差。热处理：淬火温度窄，要求冷速快，转移时间短可热处理强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化图3 铝合金分类和性能特点总复习提要一、主线、核心和“思想”主线：零件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。寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。（1）同一零件可用不同材料及相应工艺。例：调质钢符合淬透性原则可代用，柴油机连杆螺栓可用40Cr调质，也可用15MnVB；工模具钢，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等钢在有些情况下也可考虑代用。（2）同一材料，可采用不同的强化工艺。例：60Si2Mn，有常规中温回火，也可等温淬火；T10钢，淬火方法有水、水-油、分级等。根据不同零件的服役条件，考虑改进工艺，以达到提高零件寿命的目的。强化工艺不同，组织有所不同，但都能满足零件的性能要求。通过分析、试验，可得到最佳的强化工艺。考虑问题不可呆板、机械、照搬书本，不要认为中C就是调质，低合金超高强度钢就是用低温回火工艺。弹簧钢就是中温回火?其实，60Si2Mn有时也可用作模具。某些低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可制作量具、模具等。要学活，思路要宽。提出独特见解，怎样才能做到?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，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。”应该主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地采用热处理等强化工艺。从钢厂出来，钢成分已定。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。总结一下常用合金元素的作用、表现是很有必要的。特别要强调的是碳化物的形成规律很重要，许多问题都与此有关。“思想”：课程内容多，其相互联系并不象数学、物理那么强。很多人都认为只有死记硬背钢号。其实，材料学是一门很有“思想”的课程，只是在以前的教材中没有明显地表现出来。主要的“思想”：作用的辨证与矛盾的转化。如，对结构钢是强度-韧度的匹配，对工模具钢主要是韧度-耐磨性的协调。材料中的这些矛盾涉及到合金化设计、处理工艺等。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。结构钢中含C量的变化，工具钢中第二相和基体之间的关系，铸铁中的石墨形态和力学性能之间的关系等都是由强-韧性反映出来的矛盾。强度有余时，矛盾的主要方面是如何提高韧度，而韧度有余时，提高强度是矛盾的主要方面。并且矛盾的主要、次要方面在一定条件下可以转化。对工具钢，一般都是高C成分，为确保钢的强度和耐磨性，所以在保证强度的同时，要尽可能地提高材料的韧度，如采用等温淬火、提高回火温度等。在低C钢中，塑性、韧度是主要的，所以在保证一定的塑性、韧度的同时，希望能有比较高的强度，这样可减轻零件重量，节约材料，降低成本，许多情况下能提高零件的使用寿命。在材料发展的过程，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。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。当强度提高到一定程度时，韧度就难以保证。创新突破之处是彻底改变传统的强化之源C合金化。间隙C原子的存在，使同时提高钢的强度和韧度受到了根本上的限制。所以发展了马氏体时效钢，使强韧性提高了一个数量级。以上的例子只是为了说明分析问题、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。简单的比喻：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：（1）提高性能。提高淬透性等性能，复合的作用不是线性相加的。如：40Cr 40CrNi40CrMn 40CrNiMo/40CrMnMo（2）扬长避短。合金元素能对某些方面起积极的作用，但许多情况下还有不希望的副作用，为了克服这不足，可以加入另一元素来弥补。如：Si-Mn配合, Mn削弱Si的脱C倾向，60Si2Mn；Mn-V配合,9Mn2V。V克服Mn的过热倾向。（3）改善碳化物的类型与分布。某些元素的加入会改变钢中所形成的碳化物的类型与分布，或改变其它元素的存在形式和位置，从而可提高性能。如耐热钢中Cr-Mo-V；高速钢中的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。正象人们要预防感冒，也不必论公斤地服用感冒药，为了增加营养，把人参当胡萝卜一样地炒菜吃，那也是荒唐的。适量的原因，除了经济的因素外，主要有以下几种情况：（1）有的元素增多后，会降低材料的塑韧性。如，在低C构件钢中，一般Si、Mn含量为： Si1.1%，Mn1.8% 。（2）有些合金元素增多，会恶化碳化物的分布。如，高速钢中Cr，轴承钢中的Cr，CrWMn中的W等。（3）有的元素含量过多，会改变碳化物类型，增加热处理过程难度。如，一般情况结构钢中的V控制在0.1-0.2%以下，Mo含量0.5%左右。（4）合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的。选择合适的加入量，既能达到目的，又经济。2、主要合金元素作用归纳(Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni)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 K形成元素，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，耐热钢，Mo-Cr-V。4）耐蚀性 电极电位，n/8-Tammann定律。如不锈钢。5）细化晶粒，改善K均匀性 K较稳定，不易长大，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，60Si2Mn等弹簧钢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 阻止K形核长大，使“C”线右移，高C时作用较大。5）淬火温度 F形成元素，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 大大推迟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 形成含Mo氧化物MoO3，致密而稳定，如0Cr18Ni12Mo3T。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