金属材料学复习

金属材料领域发生的革命性变化

①晶态材料的基础上发展了非晶，微晶与纳米多晶体材料；②多维(大块)材料的基础上发展了低维材料；③单一材料的基础上发展了复合材料；④宏观均匀材料的基础上发展了宏观不均匀材料；⑤固溶体材料的基础上发展了金属间化合物材料。未来材料趋势智能化、仿生化、复合化、纳米化、轻量化、高功能化合金化合金化=纯金属（或合金）+第二组元（称合金元素）①合金元素溶入基体②合金元素与基体原子反应改变基体特性改变基体性能形成化合物改变材料整体性能与特性钢中的基体：铁素体（α-Fe）和奥氏体（γ-Fe

）钢中的第二相：碳化物和金属间化合物钢的合金化=Fe-C合金+第三组元（称合金元素）铁的合金化=纯Fe+第二组元（C）第1章钢的合金化概论1.

合金元素溶入钢中的基体1.1改变基体特性（固溶体临界点）扩大奥氏体区（稳定奥氏体）Mn、Ni、Co缩小奥氏体区（稳定铁素体）Cr、W、Mo几乎所有的合金元素均使E、S点左移S点左上移S点左下移改变的方面：淬火加热、淬火冷却（淬透性）、耐蚀性、组织特征1.2改变基体性能固溶强化合金元素的溶入使固溶体强度硬度增加，塑性韧性下降的现象。溶入基体的所有元素均产生固溶强化效果（Ni可韧化基体）2.合金元素与基体原子反应2.1形成化合物碳化物金属间化合物Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe强着稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难。MC

>M6C

>M23C6

>M7C3

>M3C强者先相—韧性显著下降。如高Cr不锈钢FeCr相AB2相或称拉维斯相—强化相。如马氏体不锈钢MoFe2相AB3相或称有序相—强化相。如耐热钢Ni3(Ti,Al)相似者相溶。溶强愈强，溶弱愈弱。2.2改变材料整体性能与特性通过形成的化合物达到改变目的。①改变材料整体性能晶界强化（细晶强化）第二相强化（沉淀强化、弥散强化）②改变材料整体特性热处理工艺性能（淬透性、过热敏感性、回火稳定性等）压力加工性能（位错强化、加工硬化）Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe3.合金元素分布在退火钢（缓冷状态）中的分布非碳化物形成元素固溶于铁素体中碳化物形成元素除固溶于铁素体外，还形成碳化物。Al、V、Ti、Nb、Zr优先形成氮化物。Mn和S优先形成硫化物。在淬火态（快冷状态）分布溶入A的元素淬火后存在于M、B、Ar中；未溶的仍在碳化物中。在淬火回火后（快冷后缓冷状态）分布低温回火时，Me不发生重新分配。＞400℃回火时，非碳化物形成元素在基体中，碳化物形成元素在析出相中。碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe提高淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si促进晶粒长大元素Mn强石墨化元素Si改善基体韧度元素

Ni降低回火脆性元素

W、Mo提高耐蚀性元素

Cr影响冶金质量元素

S、P扩大γ区元素

Mn、Ni、Co；C、N、Cu缩小γ区元素V、CrE、S点移动A1、A3温度变化C曲线右移动(除Co)多元少量复合加入

易过热细晶、弥散、沉淀、回火稳定钝化膜、n/8定律高温回火脆性合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe中形成无限固溶体？铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti；奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu；能在α-Fe中形成无限固溶体：V、Cr；能在γ-Fe中形成无限固溶体：Mn、Co、Ni。P能形成Fe3P，在冷加工时产生裂纹而形成冷脆。一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。S能形成低熔点共晶体，其热加工温度时会熔化，产生热脆。简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。Mn、Ni、Co、C、N、Cu扩大奥氏体相区；Cr、W、Mo、Ti缩小奥氏体相区。合金元素对奥氏体相区的影响：所有合金元素均使S点左移；扩大γ相区的元素使A1、A3温度下降；缩小γ相区的元素使A1、A3温度升高。合金元素对临界点的影响：简要说明合金钢中碳化物形成元素所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。相对稳定性如下钢中常见碳化物类型MC型：

TiC、VCM23C6型：Cr23C6、Mn23C6M7C3型：Cr7C3、Mn7C3M3C型：Fe3CM6C型：Fe3W3C、Fe4W2CM2C型：

W2C、Mo2CMC>M2C>M6C>M23C6>M7C3>M3C试述合金元素在淬火态和回火后的分布。淬火态：Me分布与淬火工艺有关。溶入A的元素淬火后存在于M、B、Ar中；未溶的仍在未溶解碳化物中。回火后：低温回火时，Me不发生重新分配。＞400℃回火时，Me重新分配。非碳化物形成元素在基体中，碳化物形成元素在析出相中。简单说明合金元素在退火钢中的分布情况。1）非碳化物形成元素固溶于铁素体中。2）碳化物形成元素除固溶于铁素体外，还形成碳化物。碳化物形成元素越强，其在碳化物中的比例越高。试定性比较40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢的淬透性、回火脆性、韧度和回火稳定性，并简要说明原因淬透性：40Cr

＜

40CrNi

＜

40CrNiMo；Cr-Ni-Mo复合作用更大。

回脆性：40CrNiMo

＜40Cr＜40CrNi；Cr、Ni提高脆性，Mo有效降低。韧度：40Cr

＜

40CrNi

＜

40CrNiMo；Ni提高韧性，Mo细化晶粒。回稳性：40Cr

、

40CrNi

＜

40CrNiMo；Mo提高回稳性。Ni影响不大。试述钢的强化与韧化途径。钢的强化途径钢的韧化途径1）细化晶粒和组织

Ti、Nb、V2）提高回火稳定性

V、W、Mo3）改善基体韧度Ni4）降低回火脆性

W、Mo5）提高冶金质量，降低C含量1）合金化（固溶、细晶、“第二相”等强化）2）冷加工（位错强化）3）综合运用（时效强化、弥散强化、细晶强化）第2章工程结构钢服役特点不作相对运动,长期承受静载荷作用,有一定的使用温度和环境要求。力学性能要求工艺性能要求①弹性模量大，有好的刚度；②足够的抗塑性变形及抗破断的能力；③缺口敏感性及冷脆倾向性较小④一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。良好的冷变形性能和焊接性能。桥梁、船体、建筑结构、高压容器等工程结构件。用途σs=1.54（3.5+2.1Mn+5.4Si+23N+1.13d-1/2）σb=1.54（19.1+1.8Mn+5.4Si+0.25珠光体+0.5d-1/2）TC=-19+44Si+700N1/2+2.2珠光体-11.5d-1/2[C]=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5＜0.35％成分设计考虑依据强度贡献因素降脆影响因素C当量衡量的焊接性能细晶、低碳普通碳素结构钢Q195、Q215、Q235、Q275低合金高强度钢Q345、...Q620、Q690合金化思想低碳，稍高锰含量，适当硅强化。C增加强度，塑性韧性下降。控制≤0.25％

Mn细晶；固溶强化显著，降低韧性。控制＜1.8％Si固溶强化非常显著，但降低韧性。控制＜1.1％低合金高强度钢发展微珠光体钢C≤0.15%，

σs：345～440MPa低碳贝氏体钢C<0.20%，

σs：450～800MPa低碳马氏体钢0.1%C，σs：＞900MPa低碳，V、N微合金化细晶和沉淀强化低碳，Mo、B微合金化，细晶和沉淀强化控轧控冷，空冷低碳贝氏体低碳，Mo、Nb、V、B微合金化，细晶和沉淀强化控轧控冷，空冷低碳马氏体，且“自回火”第3章机械制造结构钢服役条件→破坏形式→力学性能要求变形→屈服强度，断裂→强度极限拉伸剪切弯曲冲击变形→屈服强度，断裂→强度极限变形→刚度或屈服强度，断裂→强度极限变形→屈服强度，脆性断裂→韧性疲劳脆性断裂→屈服强度、韧性和表面质量摩擦磨损→硬度韧性断裂→强度，脆性断裂→韧性工艺性能要求压力加工性能、切削加工性能、热处理性能调质钢0.45～0.70%C

60Si2Mn、50CrVA

0.60～0.90%C65、65Mn0.95~1.15%CGCr15、GCr15SiMn渗碳钢弹簧钢滚动轴承钢0.10～0.25%C20CrMnTi、20SiMnVB低碳：心部韧性；合金化：淬透性和细晶0.35～0.50％C45、40Cr、40CrNiMo中碳：综合性能；合金化：淬透性和回火稳定性中高碳：屈服强度；合金化：弹性极限、淬透性和回火稳定性高碳：强度和硬度；合金化：淬透性、弹性极限和疲劳强度耐磨钢高锰耐磨钢超高强度钢低合金超高强度钢马氏体时效钢ZGMn13-1…ZGMn13-5“水韧处理”0.9%～1.45%C；11%～14%Mn低合金耐磨钢NM300、NM400…NM600≤0.35%C；1.6%～1.7%Mn；Cr；Mo0.3～0.5%C：≤5%Me≤0.03％C：18～25％Ni；Mo、Ti、Al、Co和Nb等微合金非调质钢＜0.40％C；Ti、Nb、V非调质钢通过微合金化、控轧控冷等强韧化方法，达到或接近调质钢力学性能的钢。低碳贝氏体钢与低碳马氏体钢(第二、三代非调质钢)工程材料的失效类型及性能要求。变形：包括弹性变形、塑性变形、蠕变变形。断裂：脆性断裂和韧性断裂腐蚀：如应力腐蚀、氢脆、点蚀等。磨损：粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损等。弹性变形：刚度、屈服强度失效类型失效的性能要求塑性变形：屈服强度蠕变变形：强度极限、韧性脆性断裂：韧性韧性断裂：强度极限腐蚀：耐蚀性磨损：硬度工具钢的特点工具钢分类按用途分类：刃具钢、模具钢、量具钢按成分分类：碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢具有足够高的硬度、红硬性良好的耐磨性，即抵抗磨损的能力具有一定的强度和韧性一定的热疲劳性、导热性和耐磨腐蚀性能良好的热处理工艺性第4章工模具钢耐磨性与韧度的合理配合是工具钢的主要矛盾。碳素工具钢T8、T10、T12工作温度<200℃低合金工具钢工作温度250～300℃9SiCr、CrWMn合金化目的：淬透性、回火稳定性、细晶、耐磨性高速工具钢工作温度达650℃W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2合金化目的：高硬度，高耐磨性，且高红硬性。冷作模具钢热作模具钢C：0.3～0.6％Cr12型、6W6Mo5Cr4V合金化目的：高强度硬度，高耐磨性，一定韧性。4Cr5MoSiV合金化目的：热强性、热稳定性未溶或回火形成的碳化物，均能提高硬度和耐磨性。淬火加热时碳化物溶解进入奥氏体的元素淬火加热时未溶碳化物中的元素才能以碳化物形式，阻止晶粒长大，起细化晶粒作用。才能影响C曲线位置，提高淬透性；才能在回火时析出碳化物，提高回火稳定性，产生二次硬化。二次硬化淬火钢回火时，合金碳化物的析出，造成硬度升高的现象。二次淬火高合金淬火钢回火冷却时残余奥氏体转变为回火马氏体的现象。1）合金量高，导热性很差。预热可减少加热过程中的变形开裂倾向；缩短高温保温时间，减少氧化脱碳。2）钢中碳化物比较稳定，高加热温度目的是使奥氏体中固溶足够多的合金元素，淬火获得高合金度的马氏体，在回火时产生有效的二次硬化效果。3）淬火马氏体回火稳定性非常高，在560℃左右回火，才能弥散析出特殊碳化物。多次回火使残余奥氏体更多地转变为回火马氏体，且使内应力消除得更彻底。4）分级淬火目的：降低热应力和组织应力，尽可能地减小工件的变形与开裂。高速钢的热处理工艺比较复杂，试回答下列问题：1）淬火加热时，为什么要预热?

2）高速钢W6Mo5Cr4V2的AC1在800℃左右，但淬火加热温度在1200~1240℃，淬火加热温度为什么这样高?3）高速钢回火工艺一般为560℃左右，并且进行三次，为什么?

4）淬火冷却时常用分级淬火，分级淬火目的是什么?简答高速钢中W、V、Cr合金元素的主要作用。W：提高红硬性、耐磨性的主要元素；V：提高红硬性、耐磨性的重要元素，能有效细化晶粒，且VC也细小；Cr：提高淬透性和抗氧化性。简述高速钢的铸态组织特征。在淬火加热时，易产生的3种现象下金相组织上各有什么特征。高速钢的铸态组织为：黑色组织（混合型）+白亮组织（M和AR）+莱氏体欠热：晶粒细小，碳化物很多；过热：晶粒较大，碳化物较少；过烧：晶界有熔化组织，即鱼骨状或黑色组织。4）W使碳化物易形成网状。

试分析CrWMn中合金元素的作用。1）Cr、W、Mn复合，淬透性较高；2）残余奥氏体较多，淬火变形小；3）Cr、W碳化物较稳定，故晶粒细小，回稳性较好；第5章不锈钢点腐蚀表面钝化膜或保护膜上形成了活性—钝性腐蚀电池。晶间腐蚀晶界合金元素的贫化使晶粒间界受到腐蚀。应力腐蚀在外应力或残余应力作用下产生的腐蚀。疲劳腐蚀在腐蚀介质与循环应力的联合作用下产生的腐蚀。金属腐蚀类型与环境接触的整个表面几乎以相同速度进行腐蚀。均匀腐蚀Cr决定不锈钢性能的主要元素。铬使铁基固溶体的电极电位提高（n/8定律）Ni调整组织，与铬配合后才发挥出来。与铬形成碳化物，还要保证铬n/8定律的极限耐腐蚀性。强度与耐腐烛性能两方面的矛盾

。C与铬形成碳化物，提高强度、硬度与耐磨性；n/8规律含铬量与含铁量的原子数比达到1/8、2/8、3/8、…、n/8，也即相当于11.7%、23.4%、…质量分数时，固溶体电极电位有显著的提高，钢的腐蚀程度显著减弱，这个规律称为n/8规律。铁素体不锈钢“475℃脆性”高Cr（>15%）铁素体不锈钢在370～540℃较长时间停留后，室温变得很脆，冲击韧性和塑性接近零。预防：避免在400～550℃停留消除：

600～650℃保温后快冷奥氏体不锈钢的晶间腐蚀奥氏体晶界析出Cr23C6

，形成晶界贫铬区，造成腐蚀。预防：控制碳0.03%以下；加入Ti、Nb，固定钢中碳。消除：550～800℃长时间保温，扩散消除贫铬区。40Cr13含碳量（质量分数）为0.4%左右，但已属于过共析钢。Cr为缩小γ区元素使共析S点向左移Cr含量达到13%，S点已左移到小于0.4%

C所以40Cr13属于过共析钢第6章耐热钢耐热钢在高温环境中保持高强度和良好化学稳定性的合金钢。性能要求高温强度（热强性）；高温化学稳定性（抗氧化性）热强钢抗氧化钢在高温下有较好的抗氧化性和一定强度在高温下有一定的抗氧化能力和较高强度马氏体热强钢1Cr11MoV奥氏体型耐热钢1Cr25Ni20Si2Mo，Cr固溶强化基体，V弥散相沉淀强化Cr，Al，Si提高钢氧化膜稳定性第7章铸铁铸铁分类碳的形态石墨的形状生成的过程白口铸铁Fe3C铁水凝固时析出。灰口铸铁石墨片状铁水凝固时析出。蠕墨铸铁石墨蠕虫状铁水凝固时析出（加蠕化剂）球墨铸铁石墨球状铁水凝固时析出（加球化剂、孕育剂）可锻铸铁石墨团絮状铁水凝固时为白口铸铁，再退火得到团絮状石墨。对石墨化作用排序Al

C

Si

Ni

Cu

P

Zr

Nb

W

Mn

Mo

S

Cr

V

Fe

Mg

B

C、Si强石墨化元素强烈阻碍石墨化反石墨化元素，与S形成MnS，间接促进石墨化。MnS石墨化元素，在铸铁中生成Fe3P，形成磷共晶。P削弱铁与碳原子间结合力，增大铁原子自扩散能力，有利于形成石墨。不利于形成石墨化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化的主要因素灰口铸铁铁素体基体铁素体+珠光体基体珠光体基体片状石墨HT100、HT150、HT200、……、HT350

球墨铸铁珠光体基体铁素体基体铁素体+珠光体基体球状石墨QT400-17、QT600-02、QT800-02、QT1200-01蠕虫状石墨蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁RuT260、RuT300、RuT420

珠光体基体可锻铸铁铁素体基体可锻铸铁可锻铸铁KT350-10、KT370-12、KTZ500-4、KTZ600-3第8章铝合金铝合金的分类变形铝合金的组别1×××、1A××、1B××——(纯Al)2×××、2A××、2B××——(Al-Cu系)

热处理时效硬化高强铝合金3×××、3A××、3B××——(Al-Mn系)

冷加工硬化型铝合金4×××、4A××、4B××——(Al-Si系)

铸造用基础合金5×××、5A××、5B××——(Al-Mg系)

加工硬化型铝合金6×××、6A××、6B××——(Al-Mg-Si系)

热处理合金7×××、7A××、7B××——(Al-Zn-Mg系)

热处理高强度铝合金8×××、8A××、8B××——(Al+其他元素)

如Al-Li系9×××——(备用合金)GB/T3190-2008铝合金的强化方式1.固溶强化Cu、Mg、Zn、Mn、Si、Li2.时效（沉淀）强化析出共格的金属间化合物强化3.过剩相强化依靠未溶解的金属间化合物强化4.变质处理加变质剂改变铸态组织形态和细化晶粒5.细晶强化变质处理和回复再结晶细晶6.形变强化冷变形提高位错密度铝合金的时效脱溶过程以Al-Cu合金为例G.P.区α过渡相θ"过渡相θ′半共格平衡相θ非共格直径9nm厚度0.5nm富集过饱和直径30nm厚度2nm正方有序直径600nm厚度15nm正方强度显著增加强度增加强度下降过时效共格共格半共格非共格利用铝铜合金时效过程与时间的关系图，阐述沉淀强化相的脱溶过程。固溶处理后的铝铜合金随时间变化强化相的脱溶分为四阶段：1）形成溶质原子（Cu）的富集区，即G.P.区。与母相α保持共格关系，引起严重畸变，提高强度；2）G.P.区有序化形成θ"相。弹性共格应力场引起更严重的畸变，显著提高强度；3）过渡相θ"转变为θ'相。共格关系部分破坏，形成半共格界面。强度下降。4）平衡相θ（CuAl2）的形成。与母相完全脱离共格关系，强度硬度显著下降（过时效）。实验研究指出，不少合金时效时，往往先析出亚稳定的过渡相，而不直接析出平衡相这是为什么？平衡相与基体相之间往往是非共格界面，而过渡相和基体相之间是共格或半共格。由于共格相界的界面能最低，且相变初期界面能是抑制相变的主要因素，所以形核功小，时效过程中容易先析出过渡相。另外，过渡相在成分上更接近于基体相，形核时所需的成分起伏小，这也是过渡相容易形成的原因之一。第9章铜合金黄铜普通黄铜(Cu+Zn)

H90、H7