金属材料学-复习总结.ppt

1.1本课的特点,综合性是内容涉及知识面比较广，涉及所有以前学过的专业知识；是指课程的内容是生产或科研中正在广泛使用的材料和技术；是指某些内容是长期的经验总结，在实际应用中可变性还比较大。,1.2材料科学,材料科学主要是研究材料的组分、结构与性能之间的相互关系和变化规律的科学。材料科学是一门介于基础科学和应用科学之间的应用基础科学。,使用性能,成分与结构,性质,制备与加工,MSE四要素使用性能材料的性质结构与成分合成与加工,金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料,黑色金属材料有色金属材料,塑料橡胶合成纤维,金属基复合材料陶瓷基复合材料聚合物（树脂）基复合材料,工程材料,按化学成分分：,氧化物陶瓷（Al2O3,SiO2,MgO,ZrO2)非氧化物陶瓷（SiC,Si3N4等）,第二节合金钢的分类和编号,2.1钢的分类1.按冶金方法分类平炉钢冶炼设备转炉钢电炉钢（电弧炉，感应炉，电渣炉）沸腾钢按脱氧程度和镇静钢浇注制度分半镇静钢,酸性，碱性,2.按化学成分分类,3.按质量分类GB/T699-1999,2.2.1普通碳素结构钢编号原则,由四部分组成：（1）代表屈服点的字母：Q（2）屈服点的数值（3）质量等级符号：A，B，C，D（4）脱氧方法符号F沸腾钢b半镇静钢Z镇静钢TZ特殊镇静钢举例Q235A.F表示碳素结构钢，屈服强度235MPa，质量等级为A的沸腾钢,钢号以碳的平均质量万分数表示。如20、45等。20表示含C：0.20%（万分之20）。类似的10，20，35，10F等,2.2.2优质碳素结构钢编号原则,2.2.3碳素工具钢编号原则,碳素工具钢都是高级优质钢或特级优质钢用“T”（碳）表示含碳量千分之几的数值表示举例T8表示含碳量为0.8的碳素工具钢类似钢号：T7，T9，T10，T9A，T10A其中：A高级优质钢,合金钢,在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的钢称之为合金钢。,2.2.4合金钢的编号原则,化学元素采用国际化学符号或元素中文名称表示化学成分：（1）含碳量1）合金结构钢：一般以平均含碳量的万分之几表示，如40Cr，40CrNiMo等。2）合金工具钢：含碳量小于1时用千分之几表示，如9SiCr，9Mn2V等。含碳量大于1时不标碳含量，如Cr12MoV，CrWMn等。,（2）合金元素含量（Cr轴承钢和低Cr工具钢除外）1）平均含量少于1.5的合金钢仅表示元素，一般不标含量,V、Ti、B、RE除外2）含量在1.52.49，2.53.49，22.523.49分别以2，3，23表示。如：60Si2，W6Mo5Cr4V2，1Cr18Ni9,3）铬轴承钢含碳量0.951.05，1.01.10不标在钢号前冠以“G”（滚），Cr的含量用千分之几表示，如GCr15，GCr94）低铬工具钢Cr含量用千分之几表示，如：Cr06,2.2.5不锈钢和耐热钢的编号原则碳含量一般用千分之几表示。如1Cr13，1Cr18Ni9；合金含量用百分制。表示类型可不标碳含量，如Cr13，Cr18Ni9，Cr25Ni20；含碳量小于0.08标0。低于0.03标注00。如：00Cr18Ni9,0Cr13，,（2008国家标准）,1.合金元素还是百分制。NbTiZrN等含量低也要标注。2.对于碳含量有上下限者，新标准碳含量改为万分制3.对于只规定碳含量上限者，也就是含碳量小于0.1、低于0.03（超低碳）者采用十万分制。1）当含碳量上限不大于0.1时，以其上限的3/4表示含碳量；例如：含碳量上限为0.08者用06表示；含碳量上限为0.03者用022表示；含碳量上限为0.01者用015表示。2）当含碳量上限大于0.1时，以其上线的4/5表示含碳量；例如：含碳量上限为0.20者用16表示；含碳量上限为0.15者用12表示。,2.2.6编号补充说明,各级优质钢，在钢号后加“A”特级优质钢，在钢号后面加“E”如：20Cr2Ni4A易切削钢，在钢号前加“Y”（易）表示（GB/87311988）如：Y20，Y40Mn非调质结构钢F45V为热锻用非调质钢,YF35V为易切削非调质钢（万分制）；塑料模具钢：SM3CrMo，SM45（万分制）；,重点及基本要求,第二章是本课程基础和重点，要求全面掌握了解钢中的常见元素及合金元素对钢的组织、热处理及性能的影响规律；掌握合金元素的加入对钢的基本强化机制的影响；难点是合金元素对钢中基本合金相结构的影响。,第1章钢的合金化概念,1.奥氏体形成元素C,N,Cu,Mn,Ni,Co,2.铁素体形成元素Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V,W,Mo,Cr,Si,Al,（一）按与Fe相互作用分类,能与Fe形成无限固溶体Cr、V；能与Fe形成无限固溶体Co、Mn、Ni,2.碳化物形成元素Hf，Zr，Ti，Ta，Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，Fe,1.非碳化物形成元素Ni，Cu，Si，Al，P等,最强中强弱,（二）按与C相互作用（亲和力大小）分类,3.碳化物特点,1）硬度高硬度，其形成碳化物的倾向越强，则碳化物硬度越高。2）稳定性形成碳化物能力越强的元素，其熔点越高，稳定性越高。稳定性排序：M3C，M7C3，M23C6，M6C，M2C，MC（弱强）,（三）按对奥氏体层错能的影响分类,一般认为层错能越低，越有利于位错扩展和形成位错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。,1）提高奥氏体层错能元素Ni，Cu，C等,2）降低奥氏体层错能元素Mn，Cr，Ru（钌），Ir（铱）等,1.1.3合金元素对FeC相图的影响,1.1.3.1对S、E点的影响,缩小奥氏体区的元素，使A3线上升，S点左移。E点左移意味着出现莱氏体组织的含碳量降低，这样钢中碳的质量分数不足2时就可以出现共晶莱氏体。保持到室温时高速钢W18Cr4V钢（含碳0.70.9）中会出现莱氏体。,1.1.3.1对S、E点的影响,S点左移，意味着钢中含碳量小于0.77时，就会变为过共析钢而析出二次渗碳体。4Cr13马氏体不锈钢，由于含Cr13，致使共析点移至0.4C附近，从而使4Cr13变为过共析钢。,1.1.3.4对C曲线和淬透性的影响,除Co外，C曲线全部右移，临界冷却速度减小，淬透性提高。淬透性由强到弱Mo、Mn、W、Cr、Ni、Si、V碳化物形成元素（固溶在基体中）甚至导致C曲线出现两个独立区域。多元少量有利于提高淬透性，使Ms、Mf不至降低太多。,1.3合金元素在钢中的分布及偏聚,1.3.1合金元素在钢中的分布,合金元素在钢中的存在形式,固熔体,化合物,游离态,固熔于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W,碳化物,金属间化合物,非金属夹杂物,合金渗碳体,特殊碳化物,如Pb、Cu等,奥氏体形成过程,奥氏体形成,残余碳化物溶解,奥氏体成分均匀化,奥氏体晶粒长大,1.4.1合金钢的加热奥氏体化,1.4合金元素对钢相变的影响,1.4.3.合金元素对淬火钢回火转变的影响,钢淬火后，内部组织很不稳定，随回火温度的不同，淬火组织会发生一系列的组织转变，包括：,强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb等抑制了碳在钢中的扩散，强烈阻止了奥氏体晶粒的长大。,1.4.3合金钢的回火转变1.4.3.1合金元素对马氏体分解的影响碳化物形成元素Mo、Mn、W、Cr、V提高回火稳定性，要达到同样硬度回火温度和时间需要升高。非碳化物形成元素Ni，Co，Cu等影响较小（Si除外）。碳化物形成元素阻碍马氏体分解和碳化物析出长大。Si阻止马氏体分解，Fe-Si结合力大于Fe-C，阻止-FexC形核长大，Si可进入-FexC，但不溶Fe3C，析出时阻止M分解。,合金元素降低MS点，阻碍扩散，因此马氏体的碳浓度高于碳素钢在相同温度下合金钢马氏体含C量（曲线3）比C钢高（曲线1）。含非碳化物形成元素（Si除外）的合金钢含碳量（曲线2）和C钢（曲线1）规律相同。,回火时马氏体含碳量的变化,低温Tc以下（150200）回火时，合金元素对M分解影响不大。温度升高到T1/Tk回火时，合金元素活动能力增加，对M分解有显著影响结论：碳化物形成元素将强烈阻碍马氏体分解和碳化物析出长大。即推迟C从M中析出，如一般碳钢中C从M析出完全析出的温度范围是（250300），而含碳化物形成元素的钢中C从M中析出的温度提高到（400500），有时即使到550或更高温度也难以使C完全从相中析出，表现为回火稳定性高。,1.5合金元素对钢强韧化的影响,合金元素是通过阻碍位错运动来提高强度，从而达到强化金属的目的。常见的提高钢材强度的手段有：固溶强化，晶界强化，第二相强化（沉淀强化），位错强化（加工硬化强化）通过对这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。,钢淬火形成马氏体。马氏体中溶有过饱和的碳和合金元素，产生很强的固溶强化效应；马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大；,附：钢淬火回火提高强度的机制,提高钢强度最常用的方法是淬火和随后的回火,奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应。淬火后回火，马氏体中析出细碳化物粒子，间隙固溶强化效应大大减小，但产生强烈的析出强化效应。由此可知，马氏体强化充分而合理地利用了全部四种强化机制，是钢的最经济和最有效的强化方法。,1.5.3.2提高钢韧性的合金化途径1.降低钢中有害杂质S，O，P，N等的含量；2.降低C含量；3.加入Ni；提高奥氏体层错能元素来提高韧性的。4.细化晶粒；5.改变碳化物大小、形状和分布；6.控制杂质的形状为球状。,1.7.1.1有益效应：1.净化作用：B、RE脱氧、去氮、降氢。微量B，RE等元素使钢净化(1)B，RE与O或N，形成比重小（易上浮）氧化物或氮化物。(2)B，RE等能与As，Sb，Sn，Pb，Bi形成高熔点金属间化合物。消除钢的热脆性，提高高温强度。2.变质作用：B、RE改变凝固过程和铸态组织。形成非自发形核核心，表面活性剂，降低晶体长大速率，细化晶粒。减少偏析。RE还可增大钢的流动性。,3.改变性质或形态。球形好于枝晶间共晶形态和不规则角状。MnS-MnO，球形，FeS为网状化合物钢中常见的MnS是降低钢强度的基本原因,1.7.1.2有害作用1.一些微量元素不是有意加入的，而是在炼钢过程中由原材料（矿石、合金元素、废钢）带入的，它们在钢中的总量15%时，在400525长时间加热，或在此温度范围内缓冷，钢在室温下将变得很脆，特别是在475脆化最为明显，称为475脆性。原因是：475加热时，F内的Cr原子趋于有序化，形成许多富Cr的小区域（80Cr20Fe）并与母相共格，引起点阵畸变和内应力，造成脆性，可通过在高于475加热，随后快冷消除。,2.高温脆性（925脆性）：F不锈钢在加热900-1100以上，冷却到室温，会出现严重脆化，抗蚀性能也大大降低，称为高温脆性。主要原因：一是C，N较多的F不锈钢冷却时，会在晶界处或位错处析出高Cr碳化物和氮化物引起脆性；二是高温时，C，N在晶界吸附，使晶界区稳定A元素浓度增高，形成一层包围F晶粒的奥氏体层，在冷却时转变为M，造成脆性,1-4Cr13热处理特点：1.软化处理：降低硬度，有利切削，消除锻轧应力防止开裂1）高温回火：700-800，2-6h空冷，得到回火索氏体2）完全退火：840-900，2-4h，25/h冷至600空冷，组织为：F碳化物,三、马氏体不锈钢,2.调质处理（淬火+高温回火）淬火温度：1000-10503Cr13，4Cr13含碳量高，温度高些淬火后组织：1Cr13：FM2Cr13：M少量A3Cr13：M少量A4Cr13：M碳化物A,Cr13型马氏体不锈钢淬火后，硬度高，内应力大，易开裂，必须回火。低温回火：要求高硬度，高耐磨性时回火温度：200-2503Cr13，4Cr13多采用低温回火：得到回火M碳化物A,3.淬火+低温回火,思考题：Crl3型马氏体不锈钢淬火后为什么一般不采用中温回火状态下使用?Crl3型马氏体不锈钢不宜在550600范围内进行回火，由于在此温度回火钢中易弥散析出Cr的碳化物，不仅钢的耐蚀性降低而且冲击韧性也降低。故不采用中温回火状态下使用。,四、奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢在使用过程中经常发生晶间腐蚀，应力腐蚀，点腐蚀。188奥氏体的晶间腐蚀是由于在450800加热或时效过程中，沿晶界析出Cr23C6，引起奥氏体晶界附近贫Cr，使固溶体中Cr含量降至钝化所需极限含量以下引起的，是一种危害性很大的腐蚀破坏形式。,晶间腐蚀,稳定化处理奥氏体不锈钢的稳定化处理是针对加钛和铌的188稳定奥氏体不锈钢而设计的一种热处理工艺。将钢的温度加热到高于Cr23C6溶解温度，低于NbC的溶解温度，并在此温度保温几个小时再冷却至室温就可以实现，这种处理称之为稳定性处理。,第六章耐热钢一、提高钢抗氧化性的途径措施：1）合金化提高氧化膜稳定性合金Cr、Si、Al形成氧化膜与FeO互溶。增加稳定性。2）Cr、Al、Si、Ti合金化形成致密稳定氧化膜Cr2O3、Al2O3、SiO2。渗铝，渗Cr或者在金属表面涂覆保护性的薄膜也是常用的方法,二、低碳珠光体耐热钢,低碳珠光体耐热钢在使用过程中组织经常发生一系列的变化，导致构件失效，主要有三个方面：（1）珠光体的球化及碳化物聚集长大（2）石墨化（3）合金元素在固溶体和碳化物中的扩散和再分配,三、奥氏体型高温合金,铁基合金又分为：1.固溶强化型GH10152.碳化物失效强化型GH20363.金属间化合物强化型GH2130三类。GH高温，第一个数字1：固溶强化型，第一个数字2：沉淀强化型,思考题,1下列是什么钢?使用状态下的组织?15CrMo；12CrlMoV；4Cr9Si2；15Cr11MoV；4Cr14Nil4W2Mo；4Cr25Ni20(HK40)；0Cr15Ni26MoTi2AlVB(GH2l32)2下列是什么钢?括号中合金元素的主要作用?15CrMo；12Cr1MoV；4Cr13；1Crl8Ni9Ti；0Crl5Ni35V2Ti2A13B(GH2l35),3.材料库中存有：42CrMo、15GCr、T13、60Si2Mn。现要制作锉刀、齿轮、连杆螺栓，试选用材料，并说明应采用何种热处理方法及使用状态下的显微组织。4.指出下列钢号属于什么钢？各符号代表什么意义？Q235、15、T7、T10A、08F、Y40Mn。,5下列是什么钢，钢中合金元素的主要作用，使用状态?T10A9SiCr9Mn2VCrWMn5Cr2W8VCr12MoV5CrNiMoW6Mo5Cr4V24Cr5MoSiV6Cr4W3Mo2WNb(65Nb),6.现有下列钢号：(1)Q235；(2)W18Cr4V；(3)5CrNiMo；(4)60Si2Mn；(5)ZGMn13；(6)1Cr13；(7)Q295；(8)20CrMnTi；(9)9SiCr；(10)1Cr18Ni9Ti；(11)T12；(12)40Cr；(13)GCr15；(14)Cr12MoV；(15)12CrMoV。请按用途选择钢号：制造机床齿轮应选用（）；制造汽车板簧应选用（）；制造滚动轴承应选用（）；制造高速车刀应选用（）；制造桥梁应选用（）；制造大尺寸冷作模具应选用（）；制造耐酸容器应选用（）；制造锉刀应选用（）。,7.下列是什么钢，钢中合金元素的主要作用、使用状态？4540Cr40CrMo40MnVB20MnV20MnTi65Mn60Si2MnGCr15GCrl5SiMn,8.判断下列钢号的类别、成分、常用的热处理方法及使用状态下的显微组织和用途：Q275、ZGMn13、40Cr、35CrMo、20CrMnTi、4Cr13、GCr15、60Si2Mn、12CrMo、Cr12MoV、3Cr2W8V、9SiCr、5CrNiMo、W18Cr4V、CrWMn、1Cr18Ni9Ti、Cr17、38CrMoAlA。,第八章铸铁,一、铸铁中碳的分布形式与石墨的形态1.碳的分布形式（1）溶于铁晶格间隙中，形成间隙固溶体（2）与Fe形成Fe3C（3）游离的石墨,二、铸铁的分类,按石墨存在的形式及石墨形态分类灰口铸铁C全部或大部分以游离的片状石墨形式存在，断口呈灰色球墨铸铁C全部或大部分以游离的球形石墨形式存在蠕墨铸铁C全部或大部分以游离的蠕虫状石墨形式存在可锻铸铁C全部或大部分以团絮状石墨形式存在，好的韧性，塑性白口铸铁C全部或大部分以化合态的Fe3C形式存在，呈白亮色麻口铸铁灰口白口铁的混合组织,三、影响铸铁结晶的因素,1.碳当量的影响C，Si强烈促进石墨化，调整其含量可控制铸铁的组织和性能，P能促进石墨化，作用较小。Si，P能使共晶点左移碳当量：把Si，P折合成相当的碳含量CEWC1/3W(Si+P)共晶度：表示铸铁中碳含量接近共晶碳含量的程度Sc=WC/4.3%-1/3W(Si+P),2.冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化。,快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图进行,不利于石墨化。,8.2.4、铸铁的分类与牌号表示方法,1.提高铸铁性能有哪些途径？2.HT200、KTH300-06、KTZ550-04、QT400-15、QT700-2、QT900-2等铸铁牌号中数字分别表示什么性能？具有什么显微组织？这些性能是铸态性能，还是热处理后性能？若是热处理后性能，请指出其热处理方法。,第九章铝合金,一、Al的合金化及强化合金元素主要强化作用有：固溶强化，沉淀强化，过剩相强化和细化组织强化,可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金（以B点为界）两大类。变形铝合金又分为可热处理强化和不可热处理强化（以D点为界）两类。,二、铝合金的分类与牌号,（按合金元素分类）,GB3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:防锈铝合金：LF+序号硬铝合金：LY+序号超硬铝合金：LC+序号锻铝合金：LD+序号,三、Al-Si合金变质处理机理,Na粒子等变质元素能促进硅的形核，并吸附在硅晶体的表面，阻止硅的长大，最终生长为球状或多面体状。钠的存在使液态合金