金属材料学复习重点

第一章钢的合金化

重点：碳对铁碳合金组织和性能的影响

碳钢中常存杂质元素的危害

•碳对铁碳合金组织的影响

含碳量对组织的影响：铁碳合金室温平衡组织由铁素体和渗碳体两相组成。Wc=O时，合金组

织全为铁素体，随着含碳量增加，铁素体数量减少，渗碳体增多，到Wc=6.69%时，铁素体数量降

为0,而渗碳体增至100%.

钢中珠光体对其性能有很大的影响。珠光体由铁素体和渗碳体组成，由于渗碳体以细片状分散

地分布在软韧的铁素体基体上，起了强化作用，因此珠光体有较高的强度和硬度，但塑性较差。珠

光体内的层片越细，强度越高；如果其中的渗碳体球状化，则强度下降，但塑性与韧性提高。

•常存杂质元素的危害

第二章工程结构钢

重点：工程结构用钢的根本要求

工程结构钢的强韧化

时效现象

工程构件用钢的主要性能要求〔根本要求〕

・高强度，强度的提高可增大工程结构的承载能力，减小自重，具有重大的经济效益

・高韧性，包括较高的冲击韧度和较低的冷脆转折温度，以保证在承受冲击载荷时不会发生脆

性断裂而引发事故，同时保证在适当的低温下也不会发生脆性断裂

•良好焊接性能，大局部工程结构钢制作构件时均需要焊接［特别是扁平材〕，需要保证焊接后

钢材性能〔强度和韧性〕不会明显拂氐

•特殊性能，如耐候性、耐火性、深冲性等

•具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。

T程结构用钢的韧化

・强度与韧性是矛盾的，一般情况下提高强度的同时将降低韧性

・晶粒细化是唯一的同时提高强度和韧性的方式，在工程结构用钢中广泛采用；以前的晶粒尺

寸普遍为20~40pm（6~8级晶粒度），现超细晶钢工业生产为5pm左右，实验室已达1pm以下

•消除显著降低韧性的因素：低熔点金属、偏聚的杂质元素、人颗粒夹杂物、组织偏析、间隙

固溶原子、珠光体

・微合金碳氮化物的沉淀强化对韧性的损害不大

第三章机械零件用钢

重点：机械零件用钢对力学性能要求及其所采用的热处理方式

机器零件用钢对力学性能要求

1.要求强度和韧性以保证机器零件体积小、结构紧凑及平安性好；

2.要求有良好的疲劳性能与耐磨性等。

因此对机器零件用钢必须进行热处理强化以充分发挥钢材的性能潜力，所以机器零件用钢的使

用状态通常为淬火加回火态，即强化态。

3.对钢材的其它工艺性能〔如冶炼性能、浇注性能、可锻性能等〕也有要求，但一般问题不大。

机器零件用钢通常以力学性能为主，工艺性能为辅。

第四章工模具钢

重点：刃具钢的力学性能

高速钢的力学性能

刃具钢

•适合于制作各种刃具的工具纲

•刃具钢要求具有高的强度、硬度和耐磨性等力学性能，还应具有良好的工艺性能，如良好的

冷、热加工性，低脱碳倾向以及高淬透性等金属切削用刃具和石材切割刀具还要求具有较高的红硬

性，而生物切割刀具则还要求具有良好的刃口锋利性和一定的耐蚀性

•非合金刃具钢碳含量为0.65~1.35%，价格低廉，刃口锋利性良好，可用于农作物切割刀具、

木工工具及简单手工具；低合金刃具钢碳含量为0.8~1.4%,常参加Cr、Mn、Si、W、V等合金元

素，广泛用于制作丝锥、板牙、较刀、锯片等刃具；而高速工具钢广泛用于金属切削刀具

高速钢

1.用于高速切削金属的高合金工具钢。原则上属于合金工具钢，但因其性能与用途的特殊性，

很多情况下将其分列为一类工具钢。

2.在高速切削过程中,刀具的刃部温度可达600℃以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。

因此，就必须选用高速钢，它在65OP时，仍能使硬度保持HRC50以上，从而保证其切削性能和

耐磨性。高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢增加1~3倍，而耐用性增加7~14

倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。

3.高速钢的淬透性很高，热处理后具有很高的硬度、耐磨性和足够的强度

4.高速钢成分特点为高碳含量(0.7-1.65%)以及高合金元素〔W、Cr、Mo、V、C。等〕含

量。通常可分为铝系和铝系两大类，有时还加上高碳高钢高速钢、钻高速钢、超硬高速钢而成为五

种类型。近年来还广泛使用粉末高速钢

第五章不锈钢

重点：不锈钢的腐蚀类型

不锈钢的腐蚀类型

⑴一般腐蚀

金属裸露外表发生大面积的较为均匀的腐蚀。虽降低构件受刀有效面积及其使用寿命，但比局

部腐蚀的危害性小。又称为均匀腐蚀。

(2)晶间腐蚀

指沿晶界进行的腐蚀，使晶粒的连接遭到破坏。这种腐蚀的危害性最大，它可以使合金变脆或

丧失强度，敲击时失去金属声响，易造成突然事故。晶间腐蚀为奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式，这

是由于晶界区域与晶内成分或应力芍差异，引起晶界区城电极电位显著降低而造成的电极电位的差

异所致。检睑不锈钢晶界腐蚀敏感的温度范围内进行晶界腐蚀灵敏化处理，工业上称为敏化处理。

(3)应力腐蚀

金属在腐蚀介质及拉应力(外力耐力或内应力)的共同作用下产生破裂现象。断裂方式主要是沿晶

的，也有穿晶的，这是一种危险的低应力脆性断裂。在氮化物、碱性氮氧化物或其他水溶性介质中

常发生应力腐蚀，在许多设备的事故中占相当大的比例。

(4)点腐蚀

点腐蚀是发生在金属外表局部区域的一种腐蚀破坏形式。点腐蚀形成后能迅速地向深处开展。

最后穿透金属。点腐蚀危害性很大，尤其是对各种容器是极为不利的。出现点腐蚀后应及时磨光或

涂漆，以防止腐蚀加深。点腐蚀是由于在介质的作用下，金属外表钝化膜受到局部损坏而造成的。

或者在含有氯离子的介质中，材料外表缺陷、疏松及非金属夹杂物等都可引起点腐蚀。点腐蚀的评

定一股是用单位面积上的腐蚀坑数量及最大深度来评价不锈钢点腐蚀的倾向大小。

(5)磨损腐蚀

在腐蚀介质中同时有磨损，腐饱和磨损相互促进、相互加速的现象称为磨损腐蚀。

第六章耐热钢

重点：合金元素对化学稳定性的影响

合金元素对化学稳定性的影响

1、Cr、Al、Si改善钢的化学稳定性。

•Cr、Al、Si提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。

钢外表氧化膜的结构：外层：Fe2O3;中间层Fe3O4;内层FeO,当FeO出现时钢的氧化速度

剧增。

•CLAl含量较高时，钢的外表出现致密的。2。3或AI2O3保护膜。

•含硅钢中生成FezSiCM氧化膜，具有良好的保护作用。

•Cr是提高抗氧化能力的主要元素，AI也能单独提高钢的抗氧化能力。

•Si由于增加钢的脆性，参加量受到限制，只能作辅加元素C

•但铝和硅含量过高会使室温塑性和热塑性严重恶化。

2、银、镒可以形成和稳定奥氏体。

•银能提高奥氏体钢的高温强度和改善抗渗碳性。镒虽然可以代镇形成奥氏体，但损害了耐热

钢的抗氧化性。

3、钢、钛、泥是强碳化物形成元素。

•能形成细小弥散的碳化物，些高钢的高温强度。钛、铜与碳结合还可防止奥氏体钢在高温下

或焊后产生晶间腐蚀。

4、碳、氮可扩大和稳定奥氏体.

•提高耐热钢的高温强度。钢中含铭、镒较多时，可显著提高氮的溶解度，并可利用氮合金化

以代替价格较贵的银。

5、硼、稀土均为耐热钢中的微量元素。

•硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止元素扩散和晶界迁移，从而提高

钢的高温强度；稀土元素能显著提高钢的抗氧化性，改善热塑性.

6、稀土金属或碱土金属提高钢的抗氧化能力，特别在1000℃以上，使高温下晶界优先氧化的

现象几乎消失。。

7、W或M。降低钢和合金的抗氧化能力。

•氧化膜内层贴着金属生成含W和M。的氧化物而MoO3和W03具有低熔点和高挥发性，

使抗氧化能力变坏。

8、H降低化学稳定性。

・高于400。（2的水蒸气能使钢氧化。

•3Fe+4H2O=Fe3O4+2H2

•当H扩散到钢中将引起脱碳，生成甲烷，并在晶界析出，引起裂健，即氢腐蚀。

第七章铸钱

重点：铸铁的石墨化，铸铁石墨化的因素

铸铁的石墨化过程

•铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。

•石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。灰口铸铁和球墨铸铁中

的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而

得至IL

铸铁的石墨化过程

•铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。

1、热力学条件

•按Fe-C系相图进行结晶，铸铁冷却时的石墨化过程应包括三个阶段：

＞第一阶段石墨化：铸铁液体结晶出一次石墨〔过共晶铸铁〕和在1154。（:通过共晶反响形成

共晶石墨。

＞第二阶段石墨化：在1154（~738℃温度范围内奥氏体沿E5'线析出二次石墨。

＞第三阶段石墨化：在738。（：通过共析反响析出共析石墨。

•铸铁加热时的石墨化过程：渗碳体当在比拟高的温度下长时间加热时，会发生分解产生石墨

化，即

Fe3C-＞3Fe+C

•第一阶段石墨化：无论是冷却时的石墨化过程或是加热时的石墨化过程，但凡发生在P'S'K'

线温度以上的石墨化。

・第二阶段石墨化：但凡发生在P'S'K'线温度以下的石墨化。

2、动力学条件

•共晶成分铸铁的液相碳含量为4.3%,渗碳体的碳含量为6.67%,而石墨的碳含量接近于

100%,液相与渗碳体的碳浓度差较小。

•从晶体结构的相似程度来分析，渗碳体的晶体结构比石墨更相近于液相。因而，液相结晶时

有利于渗碳体晶核的形成。

•石墨形核和长大时，不仅需要碳原子通过扩散而集中，还要求铁原子从石墨长大的前沿作相

反方向扩散，故石墨较难长大。

•而渗碳体的结晶长大过程，主要依赖于碳原子的扩散,并不要求铁原布乍长距离的迁移，所

以长大速度快。

•可见，从结晶的形核和长大过程的动力学条件来看都是有利于渗碳体的形成。当结晶冷却速

度（过冷度）增大时，动力学条件的影响表现得更为强烈。

影响铸铁石墨化的因素

影响铸铁石墨化的因素可分为内因和外因两个方面，内因是化学成分，外因是冷却速度。

1、化学成分的影响

①碳和硅

•碳和硅都是强烈促进石墨化的元素。

•石墨来源于碳，随着碳含量的提高，铁水中的碳浓度和未溶解的石墨微粒增多，有利于石墨

形核，从而促进了石墨化。

•硅与铁原子的结合力大于碳与铁原子之间的结合力。硅溶于铁水和铁的固溶体中，由于削弱

了铁和碳原子之间的结合力，不利于渗碳体的析出，从而促使石墨化。

•硅还降低铸铁共晶成分的碳浓度,铸铁中参加硅可代替一局部碳，硅促进石墨化的作用约相

当于碳的三分之一。

•为了综合考虑碳和硅的影响，常用碳当量(CE)和共晶度(SQ表示。

•碳当量是将硅含量折合成相当的碳量与实际碳含量之和，

即：CE=C%+l/3Si%

•共晶度是指铸铁的碳含量与其共晶点碳含量的比值。在Fe-C-Si状态图中，共晶度随硅含量

的变化而改变，

即：Sc=C%/(43%-l/3Si%)

•当Sc=1时，铸铁为共晶组织；Sc<l时，铸铁为吓共晶组织；Sc>l时，铸铁为过共晶组织.

铸铁的共晶度越接近于1,铸造性能越好。

②镒

猱是一个阻碍石墨化的元素。能溶于铁素体和渗碳体中，增强铁、碳原子间的结合力，扩大奥

氏体区，阻止共析转变时的石墨化，促进珠光体基体的形成。铳还能与硫生成MnS,减少硫的有害

作用锈含量一般为Q5%~L4%。

③硫

•硫是一个阻碍石墨化的元素.

•s阻碍碳原子的扩散，而且降低铁水的流动性，增加铸件缺陷，恶化铸造性能和机械性能。

硫是一个有害元素,少量硫即可生成Fes(或MnS)eFeS与铁形成低熔点(约980℃)共晶体，沿晶界

分布。因此,其含量应控制在0.15%以下。

④磷

•磷是f促进石墨化不十分强烈的元素。通常灰口铸铁的含P量应控制在0.2%以下。

•磷在奥氏体和铁素体中的固溶度很小，且随铸铁中碳含量的增加而减小。

•当P含量大于0.2%后，就会出现化合物Fe3P,它常以二元磷共晶(a+Fe3P)或三元磷共晶

(a+Fe3P+Fe3C)的形态存在。磷共晶的性质硬而脆，在铸铁组织中呈孤立、细小、均匀分布时，可

以提高铸铁件的耐磨性。反之，假设以粗大连续网状分布时，将降低铸件的强度，增加铸件的脆性。

2、冷却速度对铸件石墨化的影响

•一般来说,铸件冷却速度越缓慢，即过冷度较小时，越有利于按照Fe-C系状态图进行结晶

和转变，即越有利于石墨化过程的充分进行。反之，铸件冷却速度快,就不利于石墨化的进行。

・铸件冷却速度是一个综合的因素，它与浇注温度、造型材料、铸造方法和铸件壁厚都有关系。

其中铸件壁厚是影响铸件冷却速度的主要因素。壁厚越大，冷却速度越小，越有利于石墨化，反之

亦然。

•在生产，铸件的外表和薄壁处常形成白口组织，使切削加工困难，就是由于这个原因造成的。

•在铸造生产实际中，铸件冷却的速度是一个综合的因素，它与浇注温度、铸型条件以及铸件

壁厚均有关系。一般来说，当其他条件相同时，铸件越厚，冷却速度越小，越容易得到粗大石墨；

反之，越容易得到小的石墨。因此，同一铸件的不同壁厚处具有不同的组织和性能，称为铸件的璧

厚敏感效应。铸型类型与冷却速度也有密切的关系。不同的铸型材料具有不同的导热能力，能导致

不同的冷却速度。干砂型导热能力较慢，湿砂型导臧快，金属型更快。因此，可以通过利用不同

导热能力的材料来调整铸件各处的冷却速度而获得所需的组织。

铸铁的过热和高温静置的影响

•在一定温度范围内，提高铁水的过热温度，延长高温静置的时间，都会导致铸铁中的石墨基

体组织的细化，使铸铁强度提高。进一步提高过热度，铸铁的成核能力下降，因而使石墨形态变差，

甚至出现自由渗碳体，使强度反而下降，因而存在一个“临界温度"。临界温度的上下，主要取决

于铁水的化学成分及铸件的冷却速度。一般认为普通灰铸铁的临界温度约在1500~1550度左右。

第，原铝及铝合金

重点：铝合金的退火

退火

1、再结晶退火

适用于经过冷塑性变形的变形铝合金。将冷变形的铝合金加热到再结晶温度以上保温一定的时

间后空冷，其目的是消除加工硬化，改善合金的塑性，以便进一步进行塑性成形，如冷轧板的中间

退火。

2、去应力退火

在再结晶温度以下某一温度〔通常的温度为180~300℃〕保温后空冷，其目的是消除内应力,

适当增加塑性，以利于随后进行小变形量的成形加工，同时保存一定的加工硬化效果。这是不可热

处理强化铝合金常用的热处理方法。

3、均匀化退火

又称扩散退火。将铸件加热到较高的温度〔500~530。0保温后炉冷或空冷。其目的是为了消

除铝合金铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性，降低加工及使用过程中变形开裂的倾向而进

行的热处理。对于要进行时效强化的铸件，均匀化退火可与固溶处理合并进行，原因在于淬火加热

时即可到达均匀成分和消除应力的目的。

第九章铜合金

重点：铝青铜

铝青铜

•铜与铝形成的合金称为铝青铜。铝青铜是特殊青铜的一种，强度和耐蚀性比黄铜和锡青铜还

高，是应用最广的一种铜合金，也是锡青铜的重要代用品，但铸造性能和焊接性能较差。

・铝青铜的性能

•铝含量对铝青铜的力学性能有■较大的影响。随着铝含量的增加，强度和硬度明显提高，但塑

性下降。当铝含量大于7%~8%时，塑性强烈下降。当铝含童大于时，不仅塑性降低，

而且强度也随之降f氐。工业用铝青铜铝含量不大于12%。压力加工用铝青铜铝含量不大于5%~7%,

铝含量大子7%的铝青铜适合干热加工或铸造。

•铝青铜塑性较差，具有“自发退火"现象，即在生产条件下，由于冷却速度缓慢，往往呈连

续链状的粗大晶粒析出造成严重脆性。铝青铜的结晶间隔小，偏析不严重，流动性很好