工程材料复习全解

工程材料复习全解工程材料复习全解工程材料复习全解使用性能工艺性能纯金属合金工业用钢有色金属及其合金铸铁结晶塑性变形热处理使用性能工艺性能纯金属合金工业用钢有色金属及其合金铸铁结晶塑性变形热处理一、性能㈠使用性能1、力学性能⑴刚度：材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量：E=/⑵强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：抗拉强度b—材料断裂前承受的最大应力。屈服强度s—材料产生微量塑性变形时的应力。条件屈服强度0.2—剩余塑变为0.2%时的应力。疲劳强度-1—无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。⑶塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC、HV。⑸冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为αk。材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。⑹断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。2、化学性能⑴耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。⑵抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。3、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。㈡工艺性能1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。2、锻造性能：成型性与变形抗力。3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。5、热处理性能：淬透性、回火稳定性、二次硬化、回火脆性。强碳化物形成元素：Ti、Nb、V如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe如Fe3C性能比较：强度：固溶体纯金属硬度：化合物固溶体纯金属塑性：化合物固溶体纯金属二、成分金属化合物形态对性能的影响①基体、晶界网状：强韧性低②晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低③颗粒状：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。合金元素在钢中的作用1、强化铁素体；2、形成化合物——第二相强化3、扩大〔C,Mn,Ni,Co〕或缩小〔Cr,Si,W,Mo〕A相区4、使S、E点左移5、影响A化6、溶于A(除Co外),使C曲线右移,Vk减小,淬透性提高.7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。8、提高回火稳定性〔淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力〕9、产生二次硬化〔含高W、Mo、Cr、V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A’转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象〕10、防止第二类回火脆性：W、Mo(回火脆性：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。)三、组织㈠纯金属的组织1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程⑴结晶的条件——过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。T=T0–T1实际液态金属的结晶总是在过冷的条件下进展过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。⑵结晶的根本过程——晶核形成与晶核长大形核——自发形核与非自发形核长大——均匀长大与树枝状长大⑶结晶晶粒度控制方法：①增加过冷度；②变质处理；③机械振动、搅拌在一般情况下，晶粒愈小，其强度、塑性、韧性也愈高。

铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:表层细晶区、柱状晶区、中心粗等轴晶区2、纯金属中的固态转变同素异构转变：物质在固态下晶体构造随温度而发生变化的现象。固态转变的特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大；③伴随着体积变化。1394℃

912℃

铁的同素异构转变：-Fe⇄-Fe⇄-Fe三、铁碳合金相图的分析1、特征点特征点温度/℃Wc/%

含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11C在奥氏体中的最大溶解度

G9120纯铁的同素异晶转变点P7270.0218C在铁素体中的最大溶解度S7270.77共析点Q6000.006600℃时碳在铁素体中的溶解度四、钢的热处理㈠热处理原理1、加热时的转变奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；剩余渗碳体溶解；A成分均匀化。奥氏体化后的晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚完毕时的晶粒度。实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。

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Ar1、Ar3、Arcm表示。

临界温度与实际转变温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将影响奥氏体晶粒长大的因素A、加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。B、加热速度：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：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。D、原始组织原始组织愈细，晶粒愈细。2、冷却时的转变

过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。

五个区域：过冷奥氏体区；奥氏体转变产物区；过冷奥氏体＋转变产物的混合区；在Ms～Mf之间为马氏体区。在A1线以上是稳定的奥氏体区。时间温度A1MSMfA过冷APBMA→MA→BA→P转变开始线转变终了线C曲线分析转变开场线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C曲线的“鼻尖〞。碳钢鼻尖处的温度为550℃。⑴等温转变曲线及产物

650℃600℃550℃350℃A1MSMf时间PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M过冷A过冷A过冷A过冷A过冷A过冷奥氏体转变产物〔共析钢〕转变类型转变产物形成温度，℃转变机制显微组织特征HRC获得工艺珠光体PA1~650扩散型粗片状，F、Fe3C相间分布5-20退火S650~600细片状，F、Fe3C相间分布20-30正火T600~550极细片状，F、Fe3C相间分布30-40等温处理贝氏体B上550~350半扩散型羽毛状，短棒状Fe3C分布于过饱和F条之间40-50等温处理B下350~MS竹叶状，细片状Fe3C分布于过饱和F针上50-60等温淬火马氏体M针MS~Mf无扩散型针状60-65淬火M*板条MS~Mf板条状50淬火⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物

根据与C曲线交点位置判断转变产物P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃㈡热处理工艺工艺目的加热温度组织退火1.调整硬度,便于切削加工。2.细化晶粒,为最终热处理作组织准备。亚共析钢Ac3+30~50℃共析钢Ac1+30~50℃过共析钢Ac1+30~50℃F+PPP球正火1.低中碳钢同退火。2.过工析钢：消除网状二次渗碳体。3.普通件最终热处理亚共析钢Ac3+30~50℃共析钢Ac1+30~50℃过共析钢Accm+30~50℃<0.6%C,F+S;≧0.6%C，SSS淬火获得马氏体组织。亚共析钢Ac3+30~50℃共析钢Ac1+30~50℃过共析钢Ac1+30~50℃≦0.6%C,M>0.6%C,M+A’M+A’M+A’+粒状Fe3C热处理工艺〔续〕工艺目的加热温度组织回火1.消除内应力，减少变形。2.获得所需要的性能。低温回火150~250℃中温回火350~500℃高温回火500~650℃(调质)亚共析,共析钢：M回过共析钢:M回+A’(少)+粒状Fe3CT回S回表面淬火表面获得马氏体组织，并获得表硬里韧的性能。预备热处理：调质或正火适用于中碳钢0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(调质)或F+S(正火)渗碳提高表面含碳量，获得表硬里韧的性能。渗碳温度:900~950℃淬火温度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃适用于低碳钢0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+颗粒状Fe3C心部：M回+F

M回四钢的回火回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。一、回火的目的1、减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。3、稳定尺寸。回火可使非平衡M与A’转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。淬火钢的回火转变1、马氏体分解〔100～350℃〕马氏体中析出细片状-碳化物；马氏体转变为α相〔过饱和的铁素体〕，回火马氏体。2、残留奥氏体分解〔200～300℃〕A’转变为B下，马氏体仍在继续分解，应力进一步降低，硬度无明显降低3、碳化物转变〔250～400℃〕-碳化物转变为弥散分布的细小、粒状Fe3C；α相转变为针状铁素体。4、渗碳体聚集长大〔＞400℃〕回火索氏体，S回。二、回火的种类1、低温回火：150~250℃回火马氏体M回目的是在保存淬火后高硬度高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。工具、模具、轴承及经渗碳和外表淬火的工件。2、中温回火：250-500℃获得回火托氏体，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35~45HRC。弹簧3、高温回火回火温度：500-650℃获得回火索氏体，连杆、轴、齿轮回火脆性1、第一类回火脆性：是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性。2、第二类回火脆性：是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn的构造钢中。防止方法：⑴回火后快冷。⑵参加合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。五、工业用金属材料钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途碳素结构钢<0.4Q195Q235热轧空冷F+P塑性,焊接性好建筑结构低合金高强度钢<0.2Q345(16Mn)Mn:强化F,增加P,降低脆转温度热轧空冷F+P塑性,焊接性好桥梁,船舶,容器渗碳钢0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,强化F,Ti:细化晶粒渗碳+淬火+低温回火表面：M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C心部：M回+F表硬里韧轴、齿轮调质钢0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,强化F,Mo:防止第二类回火脆性调质S回良好综合力学性能轴、齿轮弹簧钢0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,强化F；Si:提高屈强比淬火+中温回火T回高s/b高-1弹簧㈠工业用钢工业用钢〔续〕钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动轴承钢0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蚀性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高耐磨高-1足够ak滚动轴承耐磨钢1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A组织水韧处理表：M+碳化物心：A高耐磨耐冲击铲齿，履带板碳素工具钢0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨冲子、丝锥、锉刀低合金工具钢0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速钢0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高热硬、耐磨性锻、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物高热硬高硬度高耐磨高速刃具工业用钢〔续〕钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途冷作模具钢1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性锻，退，淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物高硬度高耐磨冷冲模挤压模热锻模钢0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同调质钢调质S回抗热疲劳热锻模压铸模钢0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速钢淬火+回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物抗热疲劳,耐磨压铸模不锈钢0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蚀性；Ni:形成A；Ti:防止晶间腐蚀调质S回高耐蚀性(随C%增加,耐蚀性下降)汽轮机叶片3Cr13,4Cr13淬火+低温回火M回医疗器械0Cr13不能热处理F硝酸氮肥工业1Cr18Ni9Ti固溶处理A化工管道耐热钢15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:弥散强化;Ni:形成A组织正火F+P高热强性,高抗氧化性锅炉零件4Cr9Si2,1Cr11MoV调质S回气阀,叶片1Cr18Ni9Ti固溶A过热器管㈡铸铁石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁名称牌号举例获得方法组织热处理用途灰铸铁HT250(最低抗拉强度为250MPa)液态金属石墨化+孕育处理基体(F、P、F+P)+片状