金属材料学复习

碳钢分类方法：1.按钢中碳含量分类铁碳合金按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：0.0218%WwcW0.77%共析钢：wc=0.77%过共析钢：0.77%<wcW2.11%按钢中碳含量，碳钢通常可分为低碳钢：wc<0.25%中碳钢：0.25%<wcW0.6%高碳钢：wc>0.6%按钢的质量(品质)，碳钢可分为普通碳素钢：wS<0.05%,wP<0.045%优质碳素钢：wS<0.035%,wP<0.035%高级优质碳素钢：wS<0.02%,wP<0.03%特级优质碳素钢：wS<0.015%,wP<0.025%3.按钢的用途分类，碳钢可分为普通碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为沸腾钢：是指脱氧不彻底的钢，代号为F。镇静钢：是指脱氧彻底的钢，代号为Z。半镇静钢：是指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。特殊镇静钢：是指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。合金钢分类按钢中合金元素总质量分数，合金钢分为：低合金钢(Me总质量分数小于5%)中合金钢(Me总质量分数在5%~10%)高合金钢(Me总质量分数大于10%)间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B，C，N，O，H的顺序而增加。合金元素对相区影响Y相稳定化元素Y相稳定化元素使A3降低，A4升高，促使奥氏体形成。启Y相区(无限扩大Y相区)Mn、Ni、Co,与Y-Fe无限固溶扩展Y相区(有限扩大Y相区)C、N、Cu、Zn、Au，与Y-Fe有限固溶a相稳定化元素A4降低，A3升高，促使铁素体形成。闭Y相区(无限扩大a相区)Si、Al和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti及P、Be等。含Cr量小于7%时，A3下降；含Cr量大于7%时，A3才上升。缩小Y相区(但不能使Y相区封闭)B、Nb、Zr、Ta等。合金元素对碳的扩散的影响强碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度；弱碳化物形成元素Mn以及大多数非碳化物形成元素则无此作用，甚至某些元素如Co还有增大碳原子扩散的作用。普通碳素结构钢牌号中数字代表屈服点数值；优质碳素结构钢中两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍；碳素工具钢中数字表示碳的质量分数的千倍。层错能越低，钢的加工硬化趋势增大。高Ni钢易于变形加工，Ni、Cu和C等元素使奥氏体层错能提高。高Mn钢则难于变形加工，Mn、Cr、Ru和Ir则降低奥氏体的层错能。Me对共析转变温度的影响扩大Y相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降；缩小Y相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。Me对共析点(S)和共晶点(E)成分的影响几乎所有合金元素都使共析点碳含量降低；共晶点也有类似的规律，尤其以强碳化物：较高的强度与韧性工程结构钢主要是承受各种载荷，要求有较高的强度与韧性。工程结构钢一般在-50〜100。。范围内使用，需具有较高的低温韧性。低温韧性的指标是韧-脆转化温度FATT50(°C)。良好的焊接性和成形工艺性。良好的耐腐蚀性。影响钢的冲击韧性和韧-脆转化温度的因素有含碳量，晶粒尺寸，固溶元素，弥散析出相和非金属夹杂物等。焊接要求：焊缝与母材有牢固的结合，强度不低于母材，焊缝周围有较高的韧性，没有焊接裂纹。焊接裂纹产生的原因：焊接是一次热处理过程，电弧移走以后，焊缝的热量被周围的母材迅速吸收，使焊缝的冷却速度很大，发生局部淬火，产生相变，产生很大的内应力。热影响区由于温度高而引起晶粒粗化。这些都促使焊接裂纹产生。合金元素对工程结构钢焊接性的影响合金元素增加钢的淬透性，焊后冷却时发生马氏体相变，升高内应力；钢中的碳增高马氏体的比容和硬度，引起内应力增加；降低Ms点，使马氏体转变温度降低，导致塑性变差；钢中含氢量高将使钢的塑性下降，引起氢脆。碳当量：把合金元素对焊接性的影响折合成碳的作用。用碳当量判断焊接性的好坏。铜和磷共同作用对抗大气腐蚀最为有效。控制轧制、控制冷却工艺的最终目的是：细化晶粒。与相同含碳量的铁素体-珠光体组织相比，经贝氏体相变强化低碳贝氏体钢有更高的强度和良好的韧性，屈服强度490〜780MPa。显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而较少推迟贝氏体的转变的主要合金元素是:钼和硼。与上贝氏体相比，下贝氏体有更高的强度和低的多的FATT50(C)。双相钢组成：20〜30%马氏体，80〜70%铁素体减少硫化物的方式：a-减少钢液中的含硫量；b-钢液中加入稀土金属，反应吸收S元素，形成难变形的稀土硫氧化物RE2O2S、稀土硫化物RE2S3,呈小颗粒的圆形或椭圆形。再结晶控制轧制工艺以TiN为奥氏体晶粒粗化的阻碍物，以V(C,N)为沉淀强化相。在弹性范围内，根据比例极限。p来计算，称为弹性设计。若允许少量塑性变形，根据屈服强度s来计算，称为塑性设计。在应力远低于屈服强度下还会发生变形和断裂。因此脆性也非常重要，要进行韧性设计。临界直径尺寸：淬火后，圆棒达到中心50%马氏体的直径长度。适用于淬火高温回火工艺的结构钢称为调质钢，具有良好的综合机械性能。调质钢显微组织：回火屈氏体或回火索氏体产生高温回火脆性的直接因素是：高温时发生杂质偏聚。低温回火钢的显微组织：回火马氏体马氏体时效钢空冷即可得马氏体。马氏体时效钢的强化作用分类：固溶强化，马氏体相变冷作硬化和沉淀强化(作用效果依次增强)对轴承钢的基本质量要求是纯净和组织均匀。渗碳钢都是低碳钢。坦克履带板的材料是：高锰钢。碳化物的均匀分布程度是考核高速钢的主要技术指标之一。不均匀碳化物的影响：a-淬火加热时，碳化物稀少区奥氏体晶粒易粗化，淬火开裂倾向大；碳化物密集区脆性大，易引起崩刃。b-粗大碳化物在淬火加热时溶解少，使附近奥氏体合金度低，热处理后刃具的硬度、热硬性和耐磨性都降低，抗弯强度，韧性因碳化物不均匀而降低。碳化物是高速钢的主要合金相。钨和钼是高速钢获得热硬性的主要元素。在腐蚀过程中，阳极和阴极均产生极化作用。阳极极化引起阳极电位由负向正方向升高，主要是由于阳极表面形成保护膜，阻碍阳极金属离子进入溶液，降低了阳极表面电荷密度。阴极极化是由于消耗电子的阴极过程的速度低于阳极流来的电子，造成阴极电子堆积，阴极表面电荷密度升高，导致阴极电位降低。阳极和阴极极化曲线的交点相当于短路状态，即阳极与阴极间电阻趋于零，此时阳极与阴极间的最大电流Imax,就是腐蚀电流。阳极极化曲线有三个电化学区：活化区(A)，钝化区(P)，过钝化区(T)纯铁在浓硝酸中就会处于钝化状态铬是提高钢钝化膜稳定性的必要元素。镍：提高铁的耐蚀性，特别是在非氧化性的硫酸中。锰：也能提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性，而且比Ni更有效。钼能防止氯离子对膜的破坏，抵抗点腐蚀。不锈钢受张应力时，在某些介质中很快就会发生破坏。氯离子Cl-对应力腐蚀危害最大。只要含25X10-6质量浓度的Cl-，甚至浓度更低，都会引起应力腐蚀。耐热钢和耐热合金钢的基本要求：良好的高温强度、塑性和足够高的化学稳定性高温强度高温强度三种指标：蠕变强度，持久强度和持久寿命。当FeO出现时，钢的氧化速度剧增铬是提高抗氧化的主要元素镍基耐热合金采用金属间化合物作为沉淀强化相，主要采用的是丫’-Ni3(TiAl)相。硼：偏聚于晶界，提高低熔点合金在晶界的扩散激活能。铸铁是Fe、C、Si元素为主的铁基材料白口铸铁-渗碳体灰口铸铁-片状石墨灰口铸铁-渗碳体+游离态石墨蠕墨铸铁-蠕虫状石墨球墨铸铁-球状石墨可锻铸铁-絮状石墨灰口铸铁-片状石墨展性铸铁由含碳和硅不高的白口铸铁经石墨化退火而成。铝合金分类：铝合金分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。变形铝合金按照性能特点和用途分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四种。防锈铝属于不能热处理强化的铝合金。硬铝、超硬铝、锻铝属于可热处理强化的铝合金。铸造铝硅合金一般需要采用变质处理，达到细化晶粒的目的。常用的变质剂为钠盐。镁合金是一种轻合金，镁是最轻的工程金属。铜是人类最早使用的金属。工业中广泛应用的铜和铜合金有：工业纯铜(紫铜)、黄铜、青铜和白铜。电工白铜包括：康铜，考铜和B0.6白铜。目前，生产金属钛都采用钛的氯化物热还原法。铝是最常见的、最有效的a强化元素。能有效提高低温和高温(550^以下)的强度，同时铝的密度小，因此铝是钛合金中的一个基本合金元素。铁，钻和镍是室温下具有强磁性的单质。材料具有超导性，是因为其中的传导电子借助于与晶格的交互作用，形成了较低能量的电子对。只有温度T，承载的电流密度j及所处的磁场H均不超过临界值，材料才处于超导态。超导两大特性：完全抗磁性和电阻为零。银，铜和铝是导电率最好的三种金属。目前人们所发现的形状记忆合金，多数发生热弹性马氏体相变。金属钯分离氢效率最高。简答题；合金元素对铁素体-珠光体钢的强化作用：固溶强化加入合金元素形成固溶体，提高强度。常用的合金元素有Mn、Si、Cu、P、C。合金元素在提高强度的同时降低韧性。细晶强化晶粒细化可以提高强度和韧性。细化晶粒的重要途径是用铝脱氧、合金化。用铝脱氧生成细小弥散的AlN颗粒，用钛、铌、钒的合金化可以生成弥散的碳化物、氮化物、碳氮化物。这些弥散相都能钉扎晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，转变后细化铁素体珠光体晶粒。弥散强化(沉淀强化)铌、钛、钒的合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀，并从铁素体中析出碳化物、氮化物、碳氮化物，钉扎晶粒移动，起弥散强化作用。氮化物最稳定，一般在奥氏体中沉淀。碳化物、碳氮化物一般在奥氏体转变中产生相间沉淀和从铁素体中析出。沉淀强化相的尺寸2〜10nm。微合金元素在控制轧制和控制冷却工艺过程中，对微合金钢的组织和性能有很大的影响：(1)抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，通过应变诱导析出Nb、Ti、V的氮化物，沉淀在晶界、位错上，起钉扎作用，有效的阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的运动，抑制再结晶过程的进行。阻止奥氏体晶粒长大在锻造和轧制过程中，会发生晶粒长大现象TiN或Nb(C，N)高温的稳定性好，其弥散分布对控制高温下的晶粒有强烈的抑制作用沉淀强化微合金钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb(C、N)和VC。改变钢的显微组织在轧制加热过程中，溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb(C、N)和V(C、N)的粒子更细小。针状铁素体钢与低碳贝氏体钢的异同点：相同点：a-组织是贝氏体b-微合金元素Nb、Ti、V起细化晶粒与沉淀强化作用c-加入钼、锰推迟铁素体和珠光体转变。不同点：a-碳含量＜0.1%，为了改善韧性。b-显微组织为针状铁素体，具有高位错密度。c-更好的低温韧性，更好的焊接性。典型钢种Mn-Mo-Nb钢，成分w(C)W0.1%,w(Mn)=0.6〜2.0%，w(Mo)=0.2〜0.6%,w(Nb)=0.04〜0.06%,w(V)=0.06%或w(Ti)=0.01%高温回火脆性的两个异常表现：在高温回火后的冷却速度严重的影响到钢的韧-脆转化温度，冷却速度愈慢，室温冲击韧性愈低，韧-脆转化温度愈高。在350〜600°C范围等温回火保持时间愈长，不管回火后冷却快慢，其在室温的冲击韧性愈恶化，韧-脆转化温度愈高。低温回火脆性产生原因：a-发生回火转变(分解)，存在£-Fe2.4C，并且向Fe3C转变，在马氏体晶界处析出薄片状的铁碳化合物，在冲击下沿马氏体板条裂开，产生穿晶断裂。b-杂质元素P、Sn、锑在淬火加热时偏聚在奥氏体晶界处，淬火后被冻结在原来的位置。同时，在此处还会形成Fe3C连续薄膜，使晶界处脆性极大，容易造成沿晶脆断。’-Ni3(TiAl)相对合金的强化表现在两方面，一是共格强化，二是反相畴界强化。共格强化：’相与镍基固溶体有相同的点阵类型、相近的点阵常数，析出的Y’相与固溶体形成共格。但Y'相的点阵常数稍大于Y固溶体，形成共格界面时存在匹配差，因而在界面周围的Y固溶体中产生畸变应力。畸变应力场阻碍位错运动，提高了屈服强度。反相畴界强化：在高Al/Ti比的镍基合金中，Y'相的体积分数可高到60〜70%。其沉淀强化主要靠丫‘相在位错切割时形成反相畴界强化。当位错切割Y'相时，使滑移面上下的原子改变了原来有序的相邻关系，形成了新的高能量的反相畴界，位错的移动需要更大的外力。防止淬火钢的低温回火脆性的措施：a-避免在250〜350C温度范围回火b-生产高纯钢，降低P、Sn、锑等杂质元素含量c-加入硅推迟脆化温度范围，使钢的回火温度可提高到320C改善碳化物不均匀性的措施：a-采用200〜300kg小锭型，使钢锭凝固快，减少结晶时宏观偏析，莱氏体共晶也细小b-采用扁锭加快凝固，一般用630kg型，减少集中偏析，使莱氏体共晶细小c-锻轧破碎碳化物；增大钢锭锻压比，反复拉拔和镦粗d-大尺寸钢材可采用电渣重熔，钢液在水冷结晶器中径向结晶，莱氏体共晶细小双相钢性能特点：a-低屈服强度，一般不超过350MPab-钢的应力-应变曲线是光滑连续的，没有屈服平台，没有锯齿形屈服现象c-高的伸长率，总生长率>24%d-高的塑性应变比Y>1，£w-宽度应变，£b-厚度应变冲压件厚度保持均匀。e-高的加工硬化指数n>0.24应力应变关系低应变之后达到高的屈服强度增量。组织特点：析出铁素体时，碳集中在奥氏体中，最后奥氏体转变为中高碳马氏体，而铁素体间隙碳原子贫化。马氏体的转变引起体积效应，在基体铁素体中激发出许多位错。这些位错是可动的，未被碳、氮间隙原子钉扎。双相钢中存在强韧的马氏体岛或纤维，结合牢固的马氏体/铁素体界面，铁素体中又有大量可动的位错，使加工硬化率增大。铝合金沉淀强化相应满足以下的基本条件：1） 硬度高的质点；2） 在铝基固溶体中高温下有较大的溶解度；随温度降低，溶解度急剧减小，能析出较大体积分数的沉淀相；3） 在时效过程中，沉淀相具有一系列介稳相，并且是弥散分布，与基体形成共格，在周围基体中产生较大的共格应变区。共晶中的第二相不溶于铝基固溶体，又称为过剩相，其数量达到一定量时可提高合金的强度和硬度，过高会降低韧性。锡青铜铸造的优点是（1）铸件收缩率小，适于铸造形状复杂、壁厚变化大的零件；（2）锡青铜存在枝晶间的分散缩孔，致密性差，（3）铸件凝固时含锡高的低熔点液相易从中部向表面渗出，出现反偏析。（4）锡固溶于0固溶体，有强的固溶强化作用。锡青铜的强度和延长率随锡含量升高而增加。（5）锡青铜在大气、海水和碱性溶液中有良好耐蚀性，用于海上船舶、矿山机械零件。阳氮化处理提高疲劳强度和耐磨性的原因a-表面形成高硬度的Y’-Fe4N和£-Fe3-2Nb-氮原子与合金元素形成氮化物，弥散强化作用，提高强度、硬度c-表面渗入氮原子后体积膨胀，表面产生了压应力，能抵消外力作用产生的张应力，减少表面疲劳裂纹的产生。论述题合金元素对钢的过冷奥氏体分解转变的影响主要表现在合金元素可以使钢的CCT图，具体可以分为以下几个方面：对高温转变（珠光体转变）的影响；除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移（即增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体型的转变）。C曲线右移的结果，降低了钢的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。合金元素对淬透性影响的大小取决于该元素的作用强度及其可能的溶解量。（2） 对中温转变（贝氏体转变）的影响；合金元素对贝氏体转变的作用是通过对y-a转变和碳原子扩散的影响而起作用。首先表现在对贝氏体转变上限温度BS点的影响。碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点，使得在贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变的C曲线。合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。碳、硅、锰、镍、铬的作用较强钨、钼、钒、钛的作用较小（3） 对低温转变（马氏体转变）的影响。合金元素的作用表现在对马氏体点Ms~Mf温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降。Ms和Mf点的下降，使得室温下将保留更多的残留奥氏体量。合金元素还影响马氏体的形态和马氏体的亚结构。当Ms点温度较高时，形成位错结构的马氏体；在Ms点温度较低时，形成挛晶结构的马氏体。常用铸铁的石墨形状及主要力学特点：1.灰口铸铁片状石墨。机械性能低，其抗拉强度和塑性、韧性都远远低于钢。耐磨性与消震性好。工艺性能好。灰口铸铁的可切削加工性优于钢。球墨铸铁球状石墨球墨铸铁的力学性能主要取决于基体类型与灰口铸铁相比，球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限、良好的塑性及韧性。球墨铸铁的刚性比灰口铸铁好球墨铸铁的消震能力比灰口铸铁低很多。蠕墨铸铁当KV0.15时属于片状石墨；0.15VKV0.8属于蠕虫状石墨；K>0.8属于球状石墨。(2)蠕墨铸铁的性能特点蠕墨铸铁的性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。即强度和韧性高于灰口铸铁，但不如球墨铸铁。蠕墨铸铁的耐磨性较好导热性比球墨铸铁要高得多，几乎接近于灰口铸铁高温强度、热疲劳性能大大优于灰口铸铁，适用于制造承受交变热负荷的零件减震能力优于球墨铸铁铸造性能接近于灰口铸铁，铸造工艺简便，成品率高可锻铸铁(展性铸铁)铁素体基体加团絮状石墨或珠光体基体加团絮状石墨。铁素体基体+团絮状石墨的可锻铸铁断口呈黑灰色，俗称黑心可锻铸铁。最为常用的一种可锻铸铁。珠光体基体+团絮状石墨的可锻铸铁件断口呈白色俗称白心可锻铸铁，这种可锻铸铁应用不多。(2)可锻铸铁的性能特点可锻铸铁不能用锻造方法制成零件。因为石墨的形态改造为团絮状，不如灰口铸铁的石墨片分割基体严重，因而强度与韧性比灰口铸铁高。可锻铸铁的机械性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间，有较好的耐蚀性。由于退火时间长，生产效率极低，使用受到限制。灰口铸铁每次热循环体积膨胀的原因：第一次加热时的膨胀是渗碳体分解为石墨所造成。第二次以后主要是共析转变引起的膨胀，它又引起微裂纹，进而微裂纹内又发生氧化，产生附加的体积膨胀。极极化电位与阴极极化电位的相对位置有四种情况：(论述题)a-£阳与£阴仅有一个交点A，有一个稳定的£A，它不超过钝化电位£P，此时合金处于活化状态，有较大的腐蚀电流，合金的腐蚀速度大。b-£阳与£阴有三个交点B、C、D。C点是不稳定的，B与D是相对稳定的，即合金可以处在钝化状态，也可以处在活化状态。这种钝化状态可以因为其他偶然因素而受到破坏，使合金处于活化状态。C-£阳与£阴相交于E，仅有一个钝化稳定电位，合金钝化状态是稳定的，具有很小腐蚀速度。d-£阳与£阴相交于F，£F超过了过钝化电位£T，合金处于过钝化状态，有较高的腐蚀速度。三种腐蚀对应的原因及预防措施：1.奥氏体不锈钢的晶间腐蚀产生原因a-晶界上析出富铬的连续网状Cr23C6，引起晶界周围基体产生贫铬区，宽度约10-5cm，w(Cr)<12%。碳是析出Cr23C6的主要原因，碳含量越高，晶间腐蚀越严重。b-晶界上析出。相，产生贫铬区，特别是含钼钢，能促进。相在晶界析出。c-氮含量高，w(N)高于0.16%，沿晶界析出Cr2N，增加腐蚀倾向。d-固溶处理后也会发生晶间腐蚀，原因是杂质元素P、Si的晶界偏聚。预防与解决方法a-最有效方法，降低碳含量，生产超低碳不锈钢，w(C)M0.03%。当w(C)M0.03%，无Cr23C6析出。b-加入碳化物形成元素Ti、Nb,固定碳，形成稳定的TiC、NbC，与TiC相平衡，奥氏体固溶碳仅有0.01%以下。c-10%~50%体积的0铁素体，可以改善晶间腐蚀倾向。由于0铁素体在500~800°C间发生相间沉淀，Cr23C6在0/丫相界0相一侧呈点状析出，排除了在奥氏体晶界析出Cr23C6，且0相内铬的扩散系数比Y相内高103倍，不致产生贫铬区。d-在敏感温度范围长期加热，通过铬的扩散消除贫铬区。e-降低N含量，当w(N)低于0.16%，抵制Cr23C6在晶界析出。不锈钢的应力腐蚀应力腐蚀机制：应力腐蚀是应力和电化学腐蚀共同作用的结果，是滑移溶解机制。预防措