工程材料学笔记整理

钢的合金化概论表1.15常用各类合金钢刚好表示方法钢类钢号举例表示方法及说明合金构造钢40Cr20CrMnTi18Cr2Ni4W38CrMoAlA40CrNiMo碳的质量分数一般用万分之几表示，列于钢号开头。主要合金元素一般用百分之十几表示，当平均质量分数<1.5%，一般只标出元素符号低合金构造钢和耐候钢Q345AQ500C16Mn低合金高强度构造钢，钢号按照国际标准用屈服强度命名Q+屈服强度，八个强度等级，三或五个质量等级。专业用低合金高强钢：钢号加后缀，16MnL、Q235R、16Mnq(Q345q)滚动轴承钢GCr15GCr15SiMnG20CrMo高碳铬轴承钢：钢号冠G，含碳量不标出，Cr平均质量分数千分之几；渗碳轴承钢：与合金构造钢类似，但也冠G;高碳铬不锈钢和高温轴承钢：钢号不冠G，其他与不锈钢耐热钢表示方法一样合金工具钢和高速钢9SiCr5CrW2SiCr12MoV9Mn2V5Cr06NiMo3Cr2W8VW18Cr4VW6Mo5Cr4V2平均含碳量>=1.0%不标，<1.0%用千分之几表示。低铬合金工具钢中Cr含量用千分之几表示，并在表示含量的数字前加0.塑料模具冠SM；高速钢不标碳含量合金元素含量百分之几表示工程构造钢〔力学性能为主，兼顾一定的物理性能〕1.工程构造钢包括碳素构造钢和低合金高强度构造钢。碳素构造钢分为Q195，Q215，Q235,Q275(最低强度)四个等级。低合金高强度构造钢最低屈服强度为345MPa2.低合金高强度构造钢按用途可分为构造钢，耐腐蚀钢，低温用钢，耐磨钢，钢筋钢，钢轨刚及其他专业用钢3.工程机构钢以工艺性能为主，力学性能为辅，主要性能要求如下①足够的强度和韧度②良好的焊接性和成型工艺性③良好的耐腐蚀性4.合金元素通过固溶强化，析出弥散强化，细化晶粒强化和增加珠光体含量这四种强化机制提高这类钢的强度优良的焊接性是指焊接工艺简单，焊缝与母材结合结实强度不低于母材，焊缝热影响区保持足够的强度和韧性，没有裂纹及各种缺陷6.少量Cu可以非常有效的提高钢耐大气腐蚀的能力。7.低合金高强钢合金元素强化方法：固溶强化、细晶强化、沉淀强化7.机械制造构造钢1.机械零件要求有良好的服役性能，如具有足够高的强度，塑形，韧度，疲劳强度，耐磨性等热处理强化工艺特点分为整体强化态钢和外表强化态钢。根据钢的生产工艺和用途可分为调质钢，非调质钢，低碳马氏体钢，超高强度构造钢，渗碳钢氮化钢，弹簧钢，轴承钢等3.机械制造构造钢主要性能①具有良好的冷热加工工艺性②具有良好的力学性能4.机械零件用钢的合金化元素主要有Cr,Mn,Si,Ni,Mo,W,V,B等或是单独参加，或是复合参加。其中，主加元素为Cr,Mn,Si,Ni。主加元素的作用主要是提高钢的淬透性和力学性能。辅加元素有Mo,W,V,B，能降低钢的过热敏感性，消除钢的回火脆性，进一步提高淬透性等作用，但含量一般都不高主要失效形式是变形和断裂均承受拉，压，扭等交变应力，大局部是整体受力。其主要失效形式是疲劳破坏，主要性能指标为δ，抗拉强度，冲击吸收能量KV〔KU〕，断裂韧度等。总体上要求具有良好的综合力学性能。这些钢主要制造轴，杆，轴承类零件，如连杆，螺栓，主轴，半轴等。这类钢主要有调质钢，弹簧钢，轴承钢，低碳马氏体钢，超高强度钢等。7.调质钢：构造钢在淬火高温回火后具有良好的综合力学性能，有较高强韧性，适用于这种热处理的钢称为调质钢。调质钢含碳量一般是中碳，调质钢按淬透性分级：低淬透性钢，中淬透性钢、高淬透性钢。调质钢中合金元素作用:Mn：↑↑淬透性，易使钢有过热倾向，回火脆性倾向Cr：提高淬透性、提高回火稳定性，有回火脆性倾向Ni：非碳化物形成元素，↑韧度Ni-Cr复合参加：提高淬透性作用很大，也有回火脆性Mo：进一步提高淬透性，↑回火稳定性，细化晶粒，有效消除回火脆性倾向V：碳化物形成元素，细化晶粒，溶入奥氏体会提高淬透性，降低过热敏感性复合热处理综合强化也得到了许多应用，即热处理强化，外表处理及形变强化结合起来。主要作用是储能减震，它一般是在动负荷下工作，即在冲击，振动或长期均匀的周期改变应力的条件下工作。它起到缓和冲击力，使与它配合的零部件不受到冲击而早期破坏2.要求弹簧钢具有高的弹性极限以及弹性减退抗力好，较高的屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性和韧度。对淬火强化处理的弹簧钢还应有做够的淬透性，较好的冶金质量和组织均匀性，要求严格控制材料内部缺陷。3.常用弹簧材料是碳素钢和低合金弹簧钢。碳素钢含碳量在0.60％-1.05％，高碳，低合金弹簧钢0.40％-0.74％.常参加Si，Mn，Cr，V等合金元素。Cr和Mn主要是提高淬透性，Si提高弹性极限，V提高淬透性和细化晶粒4.弹簧在热成型后，进展淬火及回火强化处理热处理工艺是淬火和中温回火，得到回火托氏体1.在各种载荷作用下，运行一段时间后将产生解除疲劳破坏，即在轴承套圈和滚体外表出现小块剥落，形成麻点，使噪声和振动增大，磨损加剧，工作温度不断上升，最后导致轴承破坏失效纯洁和组织均匀4.非金属夹杂物根据化学成分主要有氧化物，硫化物，硅酸盐三种6.轴承钢淬火后应及时进展回火。〔一般为淬火+低温回火，精细为淬火+冷处理+低温回火〕10.合金渗碳钢〔低碳，淬火+低温回火，表硬里韧〕1.外表具有高硬度，高耐磨性，高接触疲劳抗力，芯部具有良好的综合力学性能2.渗碳钢含碳量0.12％-0.25％，低碳。常用合金化元素Mn,Cr,Ni,W,V,Ti,Mo。Mn,Cr,Ni的主要作用是提高淬透性。3.渗碳钢按淬透性大小分类低淬透性钢，中淬透性钢，高淬透性钢4.20Cr,20CrV制造受力较轻的零件，如活塞销。20CrMnTi高速中载受冲击力和磨损的重要零件。20Cr2Ni4A,18Cr2Ni4WA高速柴油机，航空发动机曲轴，齿轮。20用于制造轴套，不重要的小齿轮。12Cr2Ni4高负荷齿轮，蜗轮蜗杆。5.减少残留奥氏体方法，淬火后冷处理和淬火前高温回火11.氮化钢〔调质，渗氮，高温回火〕含碳低1.工作载荷不大，根本无冲击力，有摩擦，比齿轮等磨损轻，受交变疲劳应力，要求能保持高精度1.高锰铸钢化学成分特点是高碳高锰，铸件使用2.ZGMn13力学性能差，耐磨性低不宜直接使用，经固溶处理〔水韧处理〕后显微组织为单相奥氏体1.温度在以上，一定保温时间下使碳化物全部溶入奥氏体2.高锰钢导热性差，热膨胀系数大，铸件尺寸大，所以要缓慢加热防止裂纹3.铸件出炉至入水时间尽量缩短，防止碳化物析出。水冷4.高锰钢冷作硬化本质是通过大的形变在奥氏体基体中产生大量层错，形变栾晶，ε马氏体和α马氏体成为位错运动的障碍。能承受强有力冲击不破裂，广泛用于承受大冲击载荷强烈磨损工况下的零件，衬板，磨球坦克履带3.经济性4.其他因素〔尺寸，外形特点〕1.分析零件的工作条件、尽寸形状和应力状态，科学合理地确定零件的技术要求2.通过分析或实验，结合同类零件失效分析结果，找出零件实际工作时的失效抗力指标作为选材依据5.审查所选钢种是否满足所有工艺性根本要求和组织生产可能性，进一步考察材料经济性和本钱工模具钢〔高碳〕工模具钢：用来制造刃具、模具、量具等各种工具的钢称为工模具钢。按用途分为刃具钢、模具钢、量具钢三大类①刃具钢可分为碳素、低合金工具钢和高速钢三大类②模具钢按工作温度可分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢③量具钢用来制作量规、卡尺、样板等。用来测量工件尺寸和形状工具钢性能特点：耐磨、热稳定性、足够强度与韧度。工具钢根本性能：①强度和塑形②韧度③硬度及耐磨④淬透性⑤热稳定性〔钢在较高温度下仍保持一定强度的性质〕⑥变形开裂倾向大含碳量高，形成足够碳化物保证高耐磨性一般要求碳化物呈球状，细小均匀分布成分组织:一般含0.6~1.3%C→M+足够数量K。M硬度高、切断抗力较高、耐磨性好Cr、W、Mo、V等:↑淬透性、耐磨性和热稳定性;Mn、Si辅助参加:↑淬透性,回火稳定性;第二相K→→球状、细小、均匀分布碳素工具钢1.含碳量0.65~1.35%高碳〔不完全淬火+低温回火〕钢号从T7到T13。做低速切削的刃具和简单冷冲模。淬透性低,断面尺寸<15mm的工具T7有较好的塑韧性,宜做受冲击的刃具,如凿子等T8易过热,制造形状简单的木工工具等T10、T12耐磨性较好,强度高,但韧度低,制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具,如车刀、铣刀等。二、低合金工具钢〔采用球化退火→不完全淬火→低回〕合金元素作用：Cr:1%左右,细化K,均匀分布;Mn:主要是提高淬透性Si:提上下温回火稳定性,还可强化铁素体,降低切削加工性;增大脱碳敏感性,不单独加w:在Cr含量较高的钢易固溶于特殊碳化物,含量过多会形成碳化物,且使碳化物分布不均匀,恶化性能。V:降低过热敏感性,细化晶粒,提高回火稳定性9sic①Si、Cr↑淬透性,D油<40mm②Si、Cr↑回火稳定性,~250℃回，>60HRC③K细小、均匀→不容易崩刃④分级淬火或等温淬火处理,变形较小⑤Si使钢的脱碳倾向增大。适于制作形状较复杂、变形要求小的工件,特别是薄刃工具,如丝锥、扳牙、铰刀等。CrWMn：①Cr、W、Mn复合参加:↑淬透性,D油=50~70mn②AR在18-20%,淬火后变形③含Cr、W的碳化物较多且稳定,晶粒细小→高硬度、高耐磨性④回火稳定性较好,>250回火,硬度才<60HRC⑤W使碳化物易形成网状。适于制作要求变形小、耐磨性高的工件,如拉刀等也可做量具及形状复杂的高精度冲模。高速钢热处理特点：高淬高回一、高速钢中合金元素的作用一般高速钢含0.7~1.65%C:形成足够数量的碳化物,淬火回火之后硬热硬性都提高；保证马氏体中固溶碳量。C%过高影响：a.AR增多;b.碳量的提高使固相线降低,晶界熔化温度降低→淬火温度↓→A中Me%↓→红硬性↓;c.韧性低。W：造成红硬性的主要元素退火时主要以型碳化物存在强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出,提高回火稳定性,在600℃回火时,仍为过饱和固溶体,具有高的红硬性回火时在马氏体中弥散析出W2C,造成二次硬化,具有高的红硬性和耐磨性。局部M6C型碳化物未溶入奥氏体强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用1220~1310℃的高温,使足够数量的碳化物溶入奥氏体,保证高的红硬性,提高耐磨性。W↓↓↓热导率→钢导热性差。W和Mo相似,1%Mo可取代1.5~2.0%W。V显著个红硬性、↑硬度和耐磨性,细化晶粒，↓过热敏感性。以VC存在。Cr加热时全溶,保证钢淬透性,4%Cr改善抗氧化能力、切削能力Co可显著个红硬性、有5%、8%和12%三个级别。但钢的韧性,↑钢脱碳倾向。二、高速钢中的碳化物在所有的高速钢中,除钴高速钢以外,退火状态下都含有、三种碳化物,在含W、Mo较少的高速钢中还有型碳化物。在淬火状态下,只有。回火状态有M2C、MC析出淬火态：加热时,K溶解顺序为:M2C3、M23C6型在100℃左右溶解完→M6C型在1200℃时比分溶解→MC型比拟稳定,在1200℃时，开场少量溶解。回火态：主要为等碳化物。冷作模具钢：金属在冷态下变形所用的模具钢1.特点工作温度不高，模具主要承受高的压力和冲击力，金属之间有强烈摩擦2.要求具有高硬度和耐磨性，也要有一定韧性3.高铬钢是含Cr12％左右的高碳亚共晶莱氏体钢。Cr12MoV具有高的淬透性，用于制造大尺寸，形状复杂，承受载荷较大的模具.冷作模具王牌4.一次硬化法采用较低温度淬火和低温回火，淬火温度低，晶粒细小，强韧性好。二次硬化法采用高的淬火温度，进展屡次高温回火热作模具钢：用于制造使加热金属或液态金属后会获得所需形状的模具1.特点受热时间长，冲击力大2.要求高的抗热塑性变形能力，高韧度，高抗热疲劳性和良好的抗热烧蚀性不锈钢钢电化学腐蚀形式：均匀腐蚀、晶界腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀、腐蚀磨损不锈钢分类：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢〔考牌号加应用〕定律：固溶体中的Cr量到达12.5原子比〔1/8〕时，铁固溶体电极电位有一个突然升高，当Cr量提高到25%〔2/8〕时，点位有一次突然提高，这种现象称为tammann定律，也称二元合金固溶体点位的定律。晶间腐蚀：不锈钢在腐蚀介质作用下，在晶粒之间产生的一种腐蚀现象称为晶间腐蚀。固溶处理：把钢加热到ES线以上，才有可能使碳化物溶解。稳定化处理：也可称稳定化退火。稳定化处理为使工件在长期服役的条件下形状和尺寸变化能够保持在规定范围内的热处理。敏化处理：Cr-Ni不锈钢中，如果在450-800℃范围工作，或在该温度时效处理，也会得到同样效果，这种时效处理考察不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称不锈钢的敏化处理。表5.1典型铁素体不锈钢棒的热处理与性能表5.2常用马氏体不锈钢的热处理与性能耐热钢耐热钢：通常把在高温条件下工作的钢成为耐热钢。两个根本性能：①良好高温强度、塑性②高温化学稳定性好。根据不同服役条件分：热强钢、抗氧化钢。钢的热强性指标：蠕变极限、持久强度、高温疲劳性能、持久寿命。强化途径：①基体强化：↑原子结合力，↑熔点②晶界强化：净化杂质、填充空位③弥散强化：第二向细小、弥散、均布④工艺措施：热处理超高强度构造钢铸铁铸铁是指碳的质量分数在2.11%以上或组织中具有共晶组织的铁碳合金。是以铁、碳、硅为主要组成元素并含有较多锰、硫、磷等杂质元素的多元合金。石墨化：铸铁中碳原子析出和形成石墨的过程。影响铸态组织的因素：化学成分的影响：Si使共晶点共析点含碳量随Si含量增加而减少使共晶和共析转变在一个温度范围内进展提高了共晶和共析温度冷却速度的影响：铸件过冷度越小，冷速越慢，越有利于石墨化过程充分进展，越容易得到粗大石墨。孕育处理：把孕育剂参加到铁液中去，以改变铁液的冶金状态，从而改善铸铁组织的性能。球石墨与片石墨的区别：球石墨对基体的缩减、切割作用大大减小，球墨铸铁基体的利用率70~90%。片石墨减少了金属基体受负荷的有效面积，石墨的缩减作用，使基体利用率只有30~50%。球化处理：铸铁浇注时，参加一定球化剂进展孕育处理，获得很多非自发晶核，获得细小均匀分布的球状铸铁。有色金属合金有色金属强化方式：变形、固溶、时效、过剩相铝合金特点：密度小，优良导电性、导热性；良好耐蚀性；优良的塑形和加工性能。铝合金时效处理过程：形成铜原子富集区铜原子富集区有序化形成过渡相形成稳定的按合金中所含主要元素成分可分为(四位数字体牌号):工业纯铝(1XXX系),Al-Cu合金(2XXX系),Al-Mn合金(3XXX系),Al-Si合金(4XXX系),Al-Mg合金(5XXX系),Al-Mg-Si合金(6XXX系),Al-Zn-Mg-Cu合金(7XXX系),Al-其它合金元素(8XXX系)及备用合金组(9XXX系)这三种方法各有特点,有事互相穿插、相互补充。在工业生产中,国际上惯用第三种分类方法,即合金中所含主要元素成分的4位数码法分类。这种分类方法较本质的反响合金的根本性能,也便于编码、记忆和计算机管理。表9.2典型变形铝合金牌号及意思〔只记旧牌