第7章 金属材料,思考题

第10章金属材料

习题1对钢进行退火和正火的目的？加热温度？如何冷却？2钢淬火后为什么要进行回火？回火时组织和性能有何变化？3合金产生时效强化的条件是什么？如何进行时效强化？4按下表对常用的热处理方法进行总结热处理方法工艺特点组织性能适用范围退火正火淬火+回火渗碳+淬火+低温回火淬火+时效习题1、说明下述牌号的成分并说明各属于哪一类钢？45，T8A，38CrMoAlA，9CrSi，LF11，LC4，ZL203，H80，HPb59-1，QSn10-1，K2112、碳钢在哪些方面具有局限性？3、为什么不锈钢必须含12%以上Cr？比较各类不锈钢的特点。4、铸铁与钢相比，在组织和性能上有何不同？5、铝合金、镁合金和钛合金各有何特点？简述其应用范围。6、比较黄铜和青铜在组成和性能上的差异。10-1-1热处理的理论基础一、金属材料的主要强化方式固溶强化：形成固溶体，晶格畸变，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。细晶强化：晶粒细化，晶界增加，塑性变形，动态再结晶。加工硬化：加工致塑性变形，强度、硬度提高，塑性、韧性下降。时效强化：过饱和固溶体在一定温度下析出第二相或形成细小等轴晶。第二相强化：固溶析出第二相，马氏体回火相变，共晶析出复合强化：第二相弥散强化

热处理与金属强化的关系？§10-1金属材料热处理二、固态相变热力学条件：系统自由能降低，内因动力学条件：相变的速度，外因（温度、压力）晶体学：晶核形成和晶体长大，粘度

热处理如何促进固态相变？10-1-2钢的热处理一、钢的热处理原理相变：在加热和冷却过程中产生相变（温度、加热速率，保温时间）组织转变：加热过程中奥氏体的形成（组织均化）共析钢的奥氏体形成过程二、钢的普通热处理1、退火：加热到一定温度进行保温，然后缓慢冷却到600℃以下，再在空气中冷却至室温的过程。完全退火：目的是细化晶粒、降低硬度、提高塑性、消除铸造偏析，组织发生再结晶。不完全退火(球化退火)：加热至Ac1+（20~40℃），通过渗碳体的不完全溶解使片状珠光体网状渗碳体组织转变为球状，以降低硬度、改善切削性能，同时为淬火提供良好的原始组织。扩散退火：消除钢锭中化学成分偏析。扩散退火后，一般需再进行完全退火，以细化晶粒。再结晶退火：消除加工硬化，提高塑性。去应力退火：消除加工过程中残余内应力，稳定工件尺寸，特点是加热温度低，保温时间长。2、正火：加热到Ac3以上温度并保温，出炉空冷至室温。完全退火比，正火温度略高，冷却速度快，机械性能好。正火目的：

1）正火作为一般结构件的最终热处理

2）改善亚共晶钢的切削性能

3）消除或减少过共晶钢的网状先共析渗碳体组织，为球化退火作准备3、淬火：加热到临界点（Ac1或Ac3）以上，保温后快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的过程。钢在淬火时的组织和性能的变化：

1）获得由奥氏体转变为马氏体的条件

2）转变过程只有相变而无扩散，即化学成分无改变

3）马氏体转变不依靠已形成马氏体晶体的长大，而是依靠出现新的马氏体晶核。

4）马氏体具有高硬度，耐磨性好，机械性能优异。淬火温度、保温时间、冷却速率、冷却方法不同热处理时的加热和冷却方式奥氏体晶核形成温度

钢的淬硬性与淬透性

淬硬性：表示钢能够淬硬的程度，用钢在正常淬火条件下能达到的最高硬度表示。淬硬性主要取决于碳含量。淬透性：指钢在淬火时获得马氏体层深度的能力。淬透层的深度是从表面至半马氏体层（50%马氏体+50%屈氏体）的深度。钢的淬透性取决于其化学成分和临界冷却速度Vk。4、回火：是将淬火冷却后的钢件重新加热到A1以下的某温度，保温后再空冷至室温。因淬火后的工件内部存在较大的内应力，回火主要是消除内应力，稳定工件尺寸。回火后材料的强度和硬度降低，塑性和韧性提高。三、钢的表面淬火和化学热处理1、表面淬火：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火2、化学热处理：渗碳：加热至一定温度使活性碳原子渗入工件表面，渗碳量一般不超过0.3%，渗碳后需进行淬火和低温回火处理才能有效地发挥渗碳的作用。渗氮：使工件表面氮化，以提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性和热硬性。渗氮温度比渗碳低，工件变形小。碳氮共渗（氰化）：在炉膛中通入煤油和氨分解气体。四、钢的热处理新工艺1、无氧化加热：用保护气氛加热；采用保护涂料；真空热处理2、强韧化处理：同时改善钢的强度和韧性，措施包括：获得板条状马氏体；超细化处理；获得复合组织的淬火。3、化学热处理新工艺：离子氮化；离子碳氮共渗；真空渗碳；多元共渗。4、钢的变形热处理：将变形强化与热处理合并，可大幅提高材料的综合性能。方法：

1）在发生马氏体相变前进行变形，变形后立即进行马氏体相变；

2）在发生马氏体、贝氏体或珠光体相变的同时进行变形；

3）对相变后的产物立即进行变形。10-1-3固溶与时效处理一、基本原理与步骤原理：通过热处理在一个塑性较好的金属固溶体基体中形成弥散分布的细小颗粒（中间相）。沉淀颗粒可阻碍位错运动，从而使金属得到强化。必要条件：固溶体的固溶度随温度降低而减少，减少越多，淬火后的过饱和度就越大，时效强化的效果就越明显。时效强化效果还与析出相的结构和特征有关。步骤：1）固溶处理；2）淬火；3）时效自然时效，人工时效时效温度：固溶温度的15%~25%时效强化示意图时效时间与强度的关系

二、典型合金的固溶时效处理1、铝合金：淬火：将高温下的固溶体固定到室温，得到均匀的过饱和固溶体，亦称固溶处理。铝合金淬火后不仅强度和硬度略有提高，而且塑性显著增加，不同于钢的淬火。时效：（以含4%Cu的铝合金为例）分为四个阶段：

1）形成溶质原子富集区

2）GP区有序化：在GP1的基础上有序化，形成GP2区

3）形成过渡相θ’：CuAl2，正方晶格

4）形成稳定的θ相2、钛合金：淬火：将钛合金加热到β区保温，水冷进行固溶处理。时效：将淬火后的钛合金重新加热到一定温度，使介稳β或马氏体α’相分解为弥散的α固溶体而达到强化。10-2-1黑色金属一、碳钢1、碳钢分类：按碳含量：低碳钢(＜0.25%)、中碳钢(0.25~0.35%)、高碳钢(＞0.35%)。按用途：结构钢、工具钢。（A3钢：Q235，C：0.12~0.22%)按质量等级：普通钢、优质钢、高级优质钢（硫、磷、气体、缺陷）优质碳素结构钢：需经热处理以提高力学性能，牌号以碳含量的万分数表示，如45#钢的碳含量0.45%。碳素工具钢：牌号以碳含量的千分数表示，前面加T，如T10，高级优质钢则在后加A，如T10A。牌号越大，碳含量越高，材料越硬、更脆§10-2工程合金2、碳钢的局限性：1）在具有一定的塑性和韧性时，强度有限(＜690MPa)；2）厚截面工件淬火时难以淬透，即无法全部得到马氏体组织；3）抗腐蚀性和抗氧化性能较差；4）要使中碳钢零件得到马氏体组织，淬火时需快冷，工件易变形开裂；5）碳钢在低温时的抗冲击能力较差，即较脆。为解决以上问题，通常加入合金元素来改善性能—合金钢二、合金钢1、分类：1）按用途：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢；2）按成分：锰钢、铬钢、铬镍钢等；3）按合金元素含量：低合金钢(＜2.5%)、中合金钢(2.5~10%)、高合金钢(＞10%)；4）按热处理后的金相组织：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢等2、合金钢的编号我国沿用前苏联的编号系统：1）用汉字或化学元素符号代表示合金元素；2）碳含量与合金元素含量用数字表示，碳含量在前，合金元素含量在后；3）对高级优质钢，后面加A。

30CrMnSiA？GCr15?95W18Cr4V?美国的牌号：前两位表示合金元素及含量，后两位表示碳含量如4340钢：43表示含Ni(1.8%)、Cr(0.5或0.8%)、Mo(0.25%)的钢，40表示碳含量为0.40%。三、不锈钢从金相学角度分析,因为不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜,这个膜隔离开与钢内侵入的氧气起耐腐蚀的作用.为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性,钢必须含有12%以上的铬.1、铁素体不锈钢：铁铬二元合金，铬含量12~30%，组织为铁素体，铬溶解于α-Fe中形成转换型固溶体。含碳铁素体不锈钢因碳化物的存在会降低其耐腐蚀性。（430，446）2、马氏体不锈钢：含12~17%Cr、0.15~1.0%C，从奥氏体淬火得马氏体组织，强度和硬度高，耐腐蚀性较差。（410，420，440C）3、奥氏体不锈钢：含16~25%Cr、7~20%Ni，成形性好，耐蚀性好，使用中出现晶间腐蚀。（304：0Cr18Ni9，316:Cr18Ni12Mo2）4、沉淀硬化不锈钢：成分与奥氏体钢相近，因增加了铝、铌、钽，强化包括固溶强化、加工硬化、时效硬化和马氏体相变，有较高强度。四、铸铁1、碳在铸铁中的存在形式和形态：碳主要以石墨存在，铁有铁素体、珠光体和铁素体+珠光体三种形式。铸铁性能主要由石墨的形状、大小和分布决定.2、铸铁的性能特点：抗拉强度、塑性、韧性低于钢，硬度和抗压强度与钢相近，不能进行压力加工，焊接性能也较差。有良好的铸造性、切削加工性、优良的耐磨与减震性。3、铸铁的分类：白口铸铁：碳主要以Fe3C存在，硬度高、脆性大、难加工，灰口铸铁：碳以石墨存在，包括普通灰口铸铁、可煅铸铁和球墨铸铁。4、铸铁的牌号：普通灰口铸铁以HT表示，后面数字为抗强度(如HT100)；可煅铸铁以KT表示，如KT300-06，后面第一组数字表示抗拉强度，第二组数表示伸长率；球墨铸铁用QT表示，如QT450-0510-2-2有色金属一、铝及铝合金铝：密度2.7g/cm3，熔点660℃，导电导热、耐蚀、塑性好，强度较低铝合金：Cu,Mg,Si,Mn,Zn等可与铝形成合金，强度大幅提高1、变形铝合金：合金含量较低，可通过压力加工成型为各种型材防锈铝合金(LF)：Al-Mg,Al-Mn系，塑性好、耐腐蚀、可冷变形强化硬铝合金(LY)：Al-Cu-Mg系，CuAl2、CuMgAl2为强化相，通过淬火时效可显著提高强度至与钢接近，硬度和耐热性好，但耐蚀性较差。超硬铝合金(LC)：Al-Cu-Mg-Zn系，MgZn及Al2Mg3Zn3为强硬化相，强度相当于超高强度钢，可做飞机大梁、起落架等，但耐蚀性较差。煅铝合金：Al-Cu-Mg-Si系，强化相Mg2Si，机械性能与硬铝相近，热煅性和耐蚀性较高，用于形状复杂、比强度高的结构件。2、铸造铝合金：合金含量较高，二元系，适合于铸造方法成型，牌号为ZL，第一位数表示合金成分，1-Si，2-Cu，3-Mg，4-Zn，后两位数表示合金的序号。铝硅系合金：具有优良的铸造性能和机械性能。铝铜系合金：强度较大，且在高温下能保持较高强度，属耐热铝合金，但铸造性能较差。铝镁系合金：强度和塑性高，耐蚀性优良，但铸造性能较差。铝锌系合金：强度较高，价廉，但耐蚀性较差。二、铜及铜合金铜：密度8.9g/cm3，熔点1083℃，导电导热、耐蚀、塑性好，强度硬度低铜合金：黄铜：Cu-Zn系,青铜：Cu-Sn系普通黄铜(H)：Cu-Zn二元系，锌溶于铜中形成α固溶体，当Zn大于39%，会出现硬脆的第二相β’相，低锌黄铜压力加工性能好，高锌黄铜铸造性能好特殊黄铜：在普通黄铜中加入Sn,Si,Pb,Fe等合金元素，以提高黄铜的强度、铸造性能、切削性能和耐腐蚀性能。普通青铜(Q)：Cu-Sn系，Sn含量3~14%，具有良好的减磨、抗磁、低温韧性，在大气、海水、高压蒸汽中耐蚀性优于黄铜，但耐酸性差。特殊青铜：不含Sn的青铜，合金元素为：Al,Si,Be,Pb等。铝青铜磨、耐蚀性好，价格低；铍青铜有较高的弹性极限和疲劳极限。三、镁及镁合金镁：密度1.74g/cm3，熔点651℃，密排六方晶体，无同素异构体，塑性较低，电极电位低，氧化膜脆且不致密，故抗蚀性很差。纯镁力学性能较差，活泼，主要用作脱氧脱硫剂、照明弹和焰火原料，纯镁不能用作结构材料。镁合金：主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等，其特点是：密度小(1.8g/cm3)、比强度高、弹性模量大、散热好、消震性好，承受