《工程材料》复习

1、 复 习使用性能使用性能工艺性能工艺性能纯金属纯金属合金合金工业用钢工业用钢有色金属及其合金有色金属及其合金铸铁铸铁结晶结晶塑性变形塑性变形热处理热处理l 使用性能使用性能l1、力学性能、力学性能l 刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。l指标为弹性模量：指标为弹性模量：E= / l 强度：强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：l抗拉强度抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。材料断裂前承受的最大应力。l屈服强度屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力。材料产生微量塑性变形时的应力。l条件屈服强度条件屈服强度 0.2残余塑变为残余塑变为0.2

2、%时的应力。时的应力。l疲劳强度疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏的无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。最大应力。l 塑性：塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为标为 、 。l 硬度：硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC、HV。l 冲击韧性：冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为材料抵抗冲击破坏的能力。指标为k。材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。l 断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为为K1C。l

3、2、化学性能、化学性能l 耐蚀性：耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。材料在介质中抵抗腐蚀的能力。l 抗氧化性：抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。材料在高温下抵抗氧化作用的能力。l3、耐磨性：、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。材料抵抗磨损的能力。l 工艺性能工艺性能l1、铸造性能：、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。偏析倾向。l2、锻造性能：、锻造性能：成型性与变形抗力。成型性与变形抗力。l3、切削性能：、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。对刀具的磨损、断屑能力及导热性。l4、焊接性能：、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。产生焊接缺

4、陷的倾向。l5、热处理性能：、热处理性能：淬透性、回火稳定性、二次硬化、淬透性、回火稳定性、二次硬化、回火脆性。回火脆性。l强碳化物形成元素：强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如如TiC、VCl中碳化物形成元素：中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如如Cr23C6l弱碳化物形成元素：弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如如Fe3Cl 性能比较：性能比较：强度：固溶体强度：固溶体 纯金属纯金属l 硬度：化合物硬度：化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属l 塑性：塑性：化合物化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属金属化合物形态对性能的影响金属化合物形态对性能的影响l 基体、晶界网状：基体、晶界网状：强韧性低强韧性

5、低l 晶内片状：晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低强硬度提高，塑韧性降低l 颗粒状：颗粒状：l弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀，弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。 l1、强化铁素体；、强化铁素体；l2、形成化合物、形成化合物第二相强化第二相强化l3、扩大（、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区相区l4、使、使S、E点左移点左移l5、影响、影响A化化l6、溶于、溶于A(除除Co外外), 使使C曲线右移曲线右移, Vk减小减小, 淬透性提高淬透性提

6、高.l7、除、除Co、Al外，使外，使Ms、Mf点下降。点下降。l8、提高回火稳定性（、提高回火稳定性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力降的能力） l9、产生二次硬化（、产生二次硬化（含高含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为转变为M回回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象，使硬度不仅不下降，反而升高的现象 ） l10、防止第二类回火脆性：、防止第二类回火脆性：W、Mol( (回火脆性回火脆性 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现：淬火钢在某些温度范围内回火时，

7、出现的冲击韧性下降的现象。的冲击韧性下降的现象。) )l 纯金属的组织纯金属的组织l1、结晶：、结晶：金属由液态转变为晶体的过程金属由液态转变为晶体的过程l 结晶的条件结晶的条件过冷：过冷：在理论结晶温度以下发生在理论结晶温度以下发生结晶的现象。结晶的现象。l过冷度：过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。理论结晶温度与实际结晶温度的差。v T= T0 T1v实际液态金属的结晶总是在过冷的条件下进行实际液态金属的结晶总是在过冷的条件下进行v过冷度大小与冷却速过冷度大小与冷却速 度有关，度有关，冷速越大，冷速越大， 过冷过冷度越大度越大。l 结晶的基本过程结晶的基本过程晶核形成与晶核长大晶核形成

8、与晶核长大l形核形核自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核l长大长大均匀长大与树枝状长大均匀长大与树枝状长大l 结晶晶粒度控制方法：结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；变增加过冷度；变质处理；机械振动、搅拌质处理；机械振动、搅拌 在一般情况下，晶粒愈小，其强度、塑性、在一般情况下，晶粒愈小，其强度、塑性、韧性也愈高。韧性也愈高。 铸锭铸锭(件件)的宏观组织通常由三个区组成的宏观组织通常由三个区组成: 表层细晶区表层细晶区、柱状柱状晶区、中心粗等轴晶区晶区、中心粗等轴晶区l2、纯金属中的固态转变、纯金属中的固态转变l同素异构转变：同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温物质在固态下晶体结构随温度而发

9、生变化的现象。度而发生变化的现象。l固态转变的特点：固态转变的特点：形核部位特殊；过冷形核部位特殊；过冷倾向大；伴随着体积变化。倾向大；伴随着体积变化。1394 912 铁的铁的同素异构转变：同素异构转变： -Fe -Fe -Fe1、特征点、特征点特特征征点点温度温度/Wc/% 含义含义A15380纯铁的熔点纯铁的熔点 C11484.3共晶点共晶点 D12276.69渗碳体的熔点渗碳体的熔点 E11482.11C在奥氏体中的最大溶在奥氏体中的最大溶解度解度 G9120纯铁的同素异晶转变点纯铁的同素异晶转变点P7270.0218C在铁素体中的最大溶在铁素体中的最大溶解度解度S7270.77共析点

10、共析点 Q6000.006600时碳在铁素体中时碳在铁素体中的溶解度的溶解度 Lc Ld (AEFe3C) 1148 AS P(FP Fe3CK) 727 l 热处理原理热处理原理l1、加热时的转变、加热时的转变l奥氏体化步骤：奥氏体化步骤：A形核；形核；A晶核长大；残余渗碳体晶核长大；残余渗碳体溶解；溶解；A成分均匀化。成分均匀化。l奥氏体化后的晶粒度：奥氏体化后的晶粒度：l初始晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度。l实际晶粒度：实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。给定温度下奥氏体的晶粒度。l本质晶粒度：本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。加热时奥氏体

11、晶粒的长大倾向。 钢加热时的实际转变温度分别用钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。 临界温度与实际转变温度临界温度与实际转变温度l铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线线分别用分别用A1、A3、Acm表示。表示。l由于实际加热或冷却时存在由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将过冷或过热现象，因此，将影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素A、 加热温度和保温时间：加热温度和保温时间：l加热温度高、保温时间长，加热温度高、保温时间长， 晶粒粗大。晶粒粗大。B、加

12、热速度：、加热速度：l加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。C、合金元素：、合金元素：l阻碍奥氏体晶粒长大的元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等等，多为碳化物和氮化物形成元素。，多为碳化物和氮化物形成元素。l促进奥氏体晶粒长大的元素：促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。D、 原始组织原始组织l原始组织愈细，晶粒愈细。原始组织愈细，晶粒愈细。2、冷却时的转变、冷却时的转变过冷奥氏体的转变方式过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却有等温转变和连续冷却转变两种。转变两种。 五个区域：五个

13、区域：u过冷奥氏体区；过冷奥氏体区；u奥氏体转变产物区；奥氏体转变产物区；u过冷奥氏体转变产物过冷奥氏体转变产物的混合区；的混合区；u在在MsMsM Mf f之间为马氏体之间为马氏体区。区。u在在A A1 1线以上是稳定的奥线以上是稳定的奥氏体区。氏体区。时间时间温度温度A1MSMfA过冷过冷APBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转变终了线C曲线分析曲线分析 转变开始线与纵坐标之间转变开始线与纵坐标之间的距离为的距离为孕育期孕育期。l孕育期越小，过冷奥氏孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。体稳定性越小。l孕育期最小处称孕育期最小处称C 曲线曲线的的“鼻尖鼻尖”。碳钢鼻尖。碳钢鼻尖处的

14、温度为处的温度为550。l 等温转变曲线及产物等温转变曲线及产物 650600550350A1MSMf时间时间PSTB上上B下下MM+AAPASATAB上上AB下下AM过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A转变转变类型类型转变转变产物产物形成温形成温度，度，转变转变机制机制显微组织特征显微组织特征HRC获得获得工艺工艺珠珠光光体体PA1650扩扩散散型型粗片状，粗片状，F、Fe3C相间分布相间分布5-20退火退火S650600细片状，细片状，F、Fe3C相间分布相间分布20-30正火正火T600550极细片状，极细片状，F、Fe3C相间分布相间分布30-40等温等温处理处理贝贝氏氏

15、体体B上上550350半扩半扩散型散型羽毛状，短棒状羽毛状，短棒状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F条之间条之间40-50等温等温处理处理B下下350MS竹叶状，细片状竹叶状，细片状Fe3C分布于分布于过饱和过饱和F针上针上50-60等温等温淬火淬火马马氏氏体体M针针MSMf无扩无扩散型散型针状针状60-65淬火淬火M*板条板条MSMf板条状板条状50淬火淬火l根据与根据与C C曲线交点位置判断转变产物曲线交点位置判断转变产物 P均匀均匀A细细AA1MSMf时间时间等温退火等温退火PP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分

16、级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)M回回150-250T回回350-500S回回500-650?工艺工艺目的目的加热温度加热温度组织组织退退火火1.调整硬度调整硬度,便于切便于切削加工。削加工。2.细化晶粒细化晶粒,为最终为最终热处理作组织准备。热处理作组织准备。亚共析钢亚共析钢Ac3+3050共析钢共析钢 Ac1+3050过共析钢过共析钢Ac1+3050F+PPP球球正正火火1.低中碳钢同退火。低中碳钢同退火。2.过工析钢：消除网过工析钢：消除网状二次渗碳体。状二次渗碳体。3.普通件最终热处理普通件最终热处理亚共析钢亚共析钢Ac3+3050共析钢共析钢 Ac1+3050过共析钢过共析钢Accm

17、+30500.6%C, M+AM+AM+A+粒状粒状Fe3C工工艺艺目的目的加热温度加热温度组织组织回回火火1.消除内应力，减消除内应力，减少变形。少变形。2.获得所需要的性获得所需要的性能。能。低温回火低温回火150250中温回火中温回火350500高温回火高温回火500650 (调质调质)亚共析亚共析,共析钢：共析钢：M回回过共析钢过共析钢:M回回+A(少少)+粒状粒状Fe3CT回回S回回表表面面淬淬火火表面获得马氏体表面获得马氏体组织，并获得表组织，并获得表硬里韧的性能。硬里韧的性能。预备热处理：预备热处理：调质或正火调质或正火适用于中碳钢适用于中碳钢 0.40.5%C表面：表面：M回回

18、心部：心部： S回回(调质调质) 或或F+S(正火正火)渗渗碳碳提高表面含碳量，提高表面含碳量，获得表硬里韧的获得表硬里韧的性能。性能。渗碳温渗碳温度度:900950淬火温度：淬火温度：表面表面Ac1+3050心部心部Ac3+3050适用于低碳钢适用于低碳钢 0.10.25%C表面：表面：M回回+A(少少)+颗粒状颗粒状Fe3C心部心部：M回回+F M回回l回火是指将淬火钢加热到回火是指将淬火钢加热到A1以以 下的某温度保温后冷却的工下的某温度保温后冷却的工艺。艺。l一一、回火的目的回火的目的l1、减少或消除淬火内应力、减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。，防止变形或开裂。l2、获得所需要的

19、力学性能。、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。火可调整硬度、韧性。l3、稳定尺寸。、稳定尺寸。回火可使非平衡回火可使非平衡M与与A转变为平衡或接近平衡转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。的组织，防止使用时变形。l淬火钢的回火转变淬火钢的回火转变1 1、马氏体分解（、马氏体分解（100100350350）马氏体中析出细片状马氏体中析出细片状 - -碳化物；马氏体转变为碳化物；马氏体转变为相（过饱和的相（过饱和的铁素体），铁素体），回火马氏体回火马氏体。2 2、残留奥氏体分解（、残留奥氏体分解（200200300300） A

20、A转变为转变为B B下下，马氏体仍在，马氏体仍在继续分解，应力进一步降低，硬度无明显降低继续分解，应力进一步降低，硬度无明显降低3 3、碳化物转变（、碳化物转变（250250400400） - -碳化物转变为弥散分布的细小、碳化物转变为弥散分布的细小、粒状粒状FeFe3 3C C； 相转变为针状铁素体。相转变为针状铁素体。4 4、渗碳体聚集长大（、渗碳体聚集长大（400400）l回火索氏体，回火索氏体，S S回。回。l1、低温回火：、低温回火： 150250 回火马氏体回火马氏体M回回l目的是在保留淬火目的是在保留淬火后高硬度高耐磨性的同时，降低内应力，后高硬度高耐磨性的同时，降低内应力，提高

21、韧性。提高韧性。l工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。l2、中温回火、中温回火 ：250-500获得回火托氏体，获得回火托氏体，具有较高的弹性具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为3545HRC。弹簧。弹簧l3、高温回火高温回火 l回火温度：回火温度：500-650获得回火索氏体，连杆、轴、齿轮获得回火索氏体，连杆、轴、齿轮l回火脆性回火脆性l1、第一类回火脆性：、第一类回火脆性：是指淬火钢在是指淬火钢在250-350回火时出现的回火时出现的脆性。脆性。l2、第二类回火脆性：、第二类

22、回火脆性：是指淬火钢在是指淬火钢在500-650范围内回火后范围内回火后缓冷时出现的脆性。缓冷时出现的脆性。 回火后快冷不出现。主要发生在含回火后快冷不出现。主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn的结构钢的结构钢中。中。l防止办法：防止办法：l 回火后快冷。回火后快冷。l 加入合金元素加入合金元素W (约约1%)、 Mo(约约0.5%)。该法更适用于大。该法更适用于大截面的零部件。截面的零部件。 钢种钢种C%典型牌号典型牌号合金元素作用合金元素作用热处理热处理使用状态下组织使用状态下组织性能性能用途用途碳素结碳素结构钢构钢0.4Q195Q235热轧空热轧空冷冷F+P塑性塑性,焊接性焊接性好好建筑结

23、建筑结构构低合金低合金高强度高强度钢钢0.2Q345(16Mn)Mn:强化强化F,增加增加P,降低降低脆转温度脆转温度热轧空热轧空冷冷F+P塑性塑性,焊接性焊接性好好桥梁桥梁,船舶船舶, 容器容器渗碳钢渗碳钢0.10.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高提高淬透性淬透性,强强化化F,Ti:细化细化晶粒晶粒渗碳渗碳+淬淬火火+低温低温回火回火表面：表面：M回回+ A (少量少量)+颗粒颗粒状状Fe3C心部心部：M回回+F表硬表硬里韧里韧轴、齿轴、齿轮轮调质钢调质钢0.30.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透提高淬透性性,强化强化F,Mo:防止第二防止第二类回火脆性类回

24、火脆性调质调质S回回良好综良好综合力学合力学性能性能轴、齿轴、齿轮轮弹簧钢弹簧钢0.60.90.450.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬提高淬透性透性,强化强化F；Si:提高屈强比提高屈强比淬火淬火+中中温回火温回火T回回高高 s/ b高高 - -1弹簧弹簧l 工业用钢工业用钢钢种钢种C%典型牌号典型牌号合金元素作合金元素作用用热处理热处理使用状态下组使用状态下组织织性能性能用途用途滚动轴滚动轴承钢承钢0.951.10GCr15Cr:提高淬提高淬透性透性,耐磨耐磨耐蚀性耐蚀性球退球退+淬淬火火+低温低温回火回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状颗粒状Fe3C高耐磨高耐磨高高 - -1足

25、够足够ak滚动轴滚动轴承承耐磨钢耐磨钢1.01.3ZGMn13Mn:形成形成A组织组织水韧处水韧处理理表：表：M+碳化物碳化物心：心：A高耐磨高耐磨耐冲击耐冲击铲齿，铲齿，履带板履带板碳素工碳素工具钢具钢0.651.35T7T13球退球退+淬淬火火+低温低温回火回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状颗粒状Fe3C高硬度高硬度高耐磨高耐磨冲子、冲子、丝锥、丝锥、锉刀锉刀低合金低合金工具钢工具钢0.751.59SiCrSi、Cr：提：提高淬透性高淬透性球退球退+淬淬火火+低温低温回火回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状颗粒状Fe3C高硬度高硬度高耐磨高耐磨低速刃低速刃具具高速钢高速钢0.71.5W1

26、8Cr4VCr:提高淬透性；提高淬透性；W、V：提高：提高热硬、耐磨性热硬、耐磨性锻、退火、锻、退火、淬火淬火+三三次回火次回火M回回+ A(少少量量)+颗粒状碳颗粒状碳化物化物高热硬高热硬高硬度高硬度高耐磨高耐磨高速刃高速刃具具钢种钢种C%典型牌号典型牌号合金元素作合金元素作用用热处理热处理使用状态下组织使用状态下组织性能性能用途用途冷作冷作模具模具钢钢1.42.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透提高淬透性。性。MoV:提提高耐磨性高耐磨性锻，退，锻，退，淬火淬火+低低温回火温回火M回回+ A(少量少量) +颗粒状碳化物颗粒状碳化物高硬度高硬度高耐磨高耐磨冷冲模冷冲模挤压模挤压模热锻热锻

27、模钢模钢0.50.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作合金元素作用同调质钢用同调质钢调质调质S回回抗热疲抗热疲劳劳热锻模热锻模压铸压铸模钢模钢0.30.63Cr2W8V合金元素作合金元素作用同高速钢用同高速钢淬火淬火+回回火火M回回+ A(少量少量) +颗粒状碳化物颗粒状碳化物抗热疲抗热疲劳劳,耐磨耐磨压铸模压铸模不不锈锈钢钢0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蚀提高耐蚀性；性；Ni:形成形成A；Ti:防止防止晶间腐蚀晶间腐蚀调质调质S回回高耐蚀高耐蚀性性(随随C%增增加加,耐蚀耐蚀性下降性下降)汽轮机叶片汽轮机叶片3Cr13,4Cr13淬火淬火+低温回低温回火火M回回医疗

28、器医疗器械械0Cr13不能热处理不能热处理F硝酸氮肥硝酸氮肥工业工业1Cr18Ni9Ti固溶处理固溶处理A化工管化工管道道耐耐热热钢钢15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化提高抗氧化性性;Mo:提高提高T再；再；V,Ti:弥散强化弥散强化; Ni:形成形成A组织组织正火正火F+P高热强高热强性性,高抗高抗氧化性氧化性锅炉零锅炉零件件4Cr9Si2,1Cr11MoV调质调质S回回气阀气阀,叶片叶片1Cr18Ni9Ti固溶固溶A过热器过热器管管l石墨化：石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁铸铁名称名称牌号举例牌号举例获得方法获得方法组织组织热处理热处理用途用途灰铸灰铸铁铁HT250(最低抗拉强度最低抗拉强度为为250MPa)液态金属石液态金属石墨化墨化+孕育孕育处理处理基体基体(F、P