金属材料学总复习

金属材料学总复习第一页，共三十八页，2022年，8月28日主要内容一、主线、核心和“思想”二、合金化三、各类钢要点四、各主要材料的分析思路第二页，共三十八页，2022年，8月28日主线：服役条件→技术要求→选择材料→强化工艺→组织结构→最终性能→应用、失效。一、主线、核心和“思想”零件服役条件性能要求材料成分强化工艺组织结构使用性能第三页，共三十八页，2022年，8月28日要清楚的三点（1）同一零件可用不同材料及相应工艺例：调质钢；工具钢代用（2）同一材料，可采用不同工艺例：T10钢，淬火有水、水-油、分级等。强化工艺不同，组织有差别，但都能满足零件要求。力求最佳的强化工艺。(3）同一材料可有不同的用途。例:60Si2Mn有时也可用作模具。低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可做量具、模具等。要学活，思路要宽，要敢于提出独特见解第四页，共三十八页，2022年，8月28日

核心：核心是合金化基本原理。这是材料强韧化矛盾的主要因素.掌握合金元素作用理解各类钢的设计与发展采用热处理等强化工艺如何在这基础上充分优化材料的使用性能，关键就在于热处理等处理工艺。企业中的许多问题都是因为在材料的加工过程中的工艺存在问题。第五页，共三十八页，2022年，8月28日

“思想”：材料学是一门很有“思想”的课程，只是要从学习过程中体会和挖掘出来。辩证作用矛盾转化结构钢是强度-韧度的匹配，工模具钢主要是韧度-耐磨性的协调，铸铁石墨形态和力学性能之间的关系等

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由强-韧性反映出来的矛盾

材料的这些矛盾涉及到合金化设计、处理工艺等。强度有余时，矛盾主要方面是如何提高韧度。并且矛盾的主、次方面在一定条件下可以转化。第六页，共三十八页，2022年，8月28日

掌握理解：固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机理。正火和淬火、高温回火得到的同样是珠光体组织，但为什么一般钢要经过淬火、回火?在这些处理过程中，合金元素存在的形式和所处的位置是怎样变化的，其它组织结构是怎样变化的，固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等强化机制是如何相互转化的。这些问题涉及了所有的专业课知识。第七页，共三十八页，2022年，8月28日合金化设计K形成规律K类型及性质对C线的影响对相图影响强韧化矛盾演化规律钢韧化基本途径钢强化基本机理Me对过程影响Me对工艺性作用组织设计多元适量复合加入第八页，共三十八页，2022年，8月28日

强-韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形，相互转化、轮回。强-韧矛盾在超高强度钢中更为突出。创新突破之处是彻底改变传统的强化之源——C合金化。所以发展了马氏体时效钢，使强韧性提高了一个数量级。

在材料发展的过程中，人们不断地在这些矛盾中进行研究，并不断地取得了突破性进展。如现在已经广泛使用的微合金钢、非调质钢、双相钢等，都是在深入理解强韧化机理的基础上，从传统的强-韧矛盾中得到解脱，有所创新。第九页，共三十八页，2022年，8月28日体会分析问题、解决问题的关键和思路。材料的发展充满了活的辨证关系，充满了矛盾的演变。当然，对问题的认识有一个逐步理解的过程。首先要有宏观的认识和思路，从高处看问题有豁然开朗的意境。第十页，共三十八页，2022年，8月28日二、合金化

1、合金化原则多元适量，复合加入多元：多元作用大，效果好，又经济。合金元素的作用并不是简单的代数和。简单比喻：人每天的营养摄入，可科学地配制食谱，做到既满足营养要求，又不会使某种营养过剩。合金元素作用的辩证规律.

多元复合加入的作用或情况主要有以下几种：

第十一页，共三十八页，2022年，8月28日多元复合加入⑴提高性能。如↑淬透性，复合作用不是线性相加的。如：40Cr→40CrNi→40CrNiMo⑵扬长避短。合金元素能对某些方面起积极的作用，但往往还有副作用，为克服这不足，可加入另一元素来弥补。如：Si-Mn\Mn-V⑶改善K类型与分布。某些元素加入会改变钢中所形成K类型与分布，或改变其它元素的存在形式和位置，从而提高性能。如耐热钢中Cr-Mo-V；高速钢的V-Cr-W第十二页，共三十八页，2022年，8月28日适量：合金元素的某种作用在含量达到一定量时往往会起不良的影响，而且还有经济性的问题。适量的原因，除了经济的因素外，主要有以下几种情况：第十三页，共三十八页，2022年，8月28日适量加入①有Me增多后，会降低材料的塑韧性

如构件钢中，一般Si<1.1%，Mn<1.8%②有些Me增多，会恶化K的分布

如高速钢中Cr，CrWMn中的W等③有的会改变K类型，↑热处理难度

如一般结构钢中V<0.1~0.2%，Mo<0.5%左右，以免生成难溶的K

④适量加入,符合经济性

Me作用不是线性的,适量，体现经济性第十四页，共三十八页，2022年，8月28日2、主要合金元素作用归纳Cr:

1）↑淬透性→↓ΔGγ→α，↓K形核长大。Cr、Ni等复合作用大，如调质钢40Cr—40CrNi—40CrNiMo。

2）↑回稳性→阻止M3C型长大。如40Cr与40钢相比，回火到相同硬度时，回火温度可↑30-40℃。

3）↑抗氧化性、热强性→形成Cr2O3，↑FeO出现的温度；↑原子间结合力，↑热强性。如耐热钢，Mo-Cr-V。第十五页，共三十八页，2022年，8月28日

4）↑耐蚀性→↑电极电位，n/8定律。如不锈钢。5）细化晶粒，改善K均匀性→K较稳定，如GCr15。

6）↑回火脆性→促进杂质原子偏聚，如40CrNi。7）↑A1→F形成元素。↑热疲劳性，如5CrNiMo；↑淬火温度，如GCr15为840℃，而T10为780℃；含Cr量多时→F钢，如1Cr17。8）↓Ms→↑Ar，如GCr15比T10钢的Ar多，分布为8%左右和3%左右。第十六页，共三十八页，2022年，8月28日Mn:1）强化F→固溶强化，如低合金普通结构钢。2）↑淬透性→↓ΔGγ→α，使“C”线右移，如40Mn2。3）↑晶粒长大→↓A1，强化C的促进晶粒长大作用，↑过热敏感性。4）↑Ar→↓Ms。量大时，获得A钢→Mn扩大γ区。5）↑回火脆性→促进有害元素偏聚。6）↓热脆性→脱硫，形成MnS；脱氧剂，MnO；易切削钢。第十七页，共三十八页，2022年，8月28日Si：1）↑σ，↓可切削性→固溶强化效果显著，如弹簧钢60Si2Mn等；2）↑低温回火稳定性→抑制ε-K形核长大及转变，如30CrMnSi、9SiCr。3）↑抗氧化性→形成致密的氧化物，如高温抗氧化钢Cr18Si2,排气阀用钢4Cr9Si2。4）↑淬透性→↓K形核长大，使“C”线右移，高C时作用较大。5）↑淬火温度→↑A1。如9SiCr，Ac1为770℃。6）↑脱C、石墨化倾向→Si↑碳活度，含Si钢脱C倾向大。如9SiCr、60Si2Mn等。第十八页，共三十八页，2022年，8月28日Mo：1）↑淬透性→推迟P转变，对B转变影响较小。2）↑热强性→↑固溶体原子间结合力，如珠光体热强钢12CrMoV。3）↓回火脆性→有效地抑制有害元素的偏聚，如40CrNiMo。4）↑回火稳定性→较强K形成元素，↓碳活度，且K稳定不易长大。5）细化晶粒→较强K形成元素，↓碳活度，阻止晶界移动。6）↑非氧化性酸的耐蚀性，防止点蚀→形成MoO3，致密而稳定。第十九页，共三十八页，2022年，8月28日Ni：1）↑基体韧度→Ni↓位错运动阻力，使应力松弛。如马氏体时效钢。40CrNi、40CrNiMo钢的韧度较高。2）稳定A组织，→Ni↓A1，扩大γ区，量大时，室温为A组织，如18-8奥氏体不锈钢。3）↑淬透性→↓ΔGγ→α，使“C”线右移，Cr-Ni复合效果更好。如12CrNi3、40CrNi。4）↑回火脆性→Ni促进有害元素的偏聚，如40CrNi回火脆性大。5）↓Ms→↑Ar。第二十页，共三十八页，2022年，8月28日V：1）↑热强性→VC质点稳定性好，且弥散分布，如耐热钢Cr-Mo-V。2）细化晶粒→VC质点细小、稳定，有效阻止晶界移动，如40Mn2V、50CrV。3）↑红硬性、耐磨性→VC质点细小、稳定、弥散，如高速钢均含V。4）↓过热倾向→VC质点溶解稳定较高，晶粒不易长大，4040Mn2V。5）↓磨削性→VC质点硬度高，容易产生磨削裂纹，如9Mn2V的磨削性较差。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日3、利用合金化原理分析典型钢的性能特点9SiCr、CrWMn、9Mn2V；60Si2Mn；5CrNiMo；W6Mo5Cr4V2第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日三、各类钢要点1、要掌握各类钢的特点弹簧、热锻模的服役条件及技术要求；轴承钢的冶金质量；高速钢的热处理工艺；工具钢的球化处理；高碳钢的第二相；齿轮、轴类零件的选材料；不同表面强化工艺特点、应用和适用钢种。第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日2、归纳各类钢工艺特点1）合金元素多，钢的导热性较差，工艺的可变性也大。因此，工艺相对就比较复杂。如高速钢、Cr12MoV、18Cr2Ni4W、3Cr2W8V等。2）过共析钢，希望K稳定，用较强K形成元素。量可较多，残余K细化晶粒，又提高耐磨性。如过共析钢采用不完全淬火，低温回火；要重视预先热处理，球化工艺。3）亚共析钢，采用完全淬火，希望钢中的K不稳定，在加热时能全部溶解。强K形成元素用得比较少，即使有，含量也是较少，控制。第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日4）工具钢淬火时，变形开裂倾向比较大，所以在工艺措施上，常采用预热、预冷，淬火常用等温、分级、双液淬火等方法，且需要及时回火。5）工件尺寸大，如锻模，则整个热处理过程需要围绕尽量降低变形开裂而采取一系列措施。6）弹簧、轴承、工具钢最终处理前一般已是成品，要注意脱碳倾向，一般措施为采用保护气氛、盐浴炉等。7）精密零件处理过程中要注意尺寸稳定性。8）工模具钢，特别是高碳高合金钢的锻造工艺很重要，这是最终热处理质量的前提。许多问题往往是由于锻造工艺的原因。第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日1结构钢的特点、应用及演变

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工具钢的特点、应用及演变

3铸铁要点4铝合金分类与特点四、各主要材料的思路第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日服役条件及性能要求常用牌号

C量

常用工艺

组织性能

应用要点低强钢低C马氏体

渗碳钢氮化钢

调质钢

弹簧钢

轴承钢高锰钢典型结构钢的特点、应用及演变

纵向要理解系统及相互间关系横向要了解含碳量及合金化的变化原因第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日常用牌号

C量

常用工艺

组织

性能特点

应用

要点

碳素钢

低合金

高速钢冷作模具钢

热作模具钢

量具钢典型工具钢的特点、应用及演变第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日自由焓有利于石墨化成分、结构、扩散有利于Fe3C析出HT200QT400-17KTZ450-06灰口铸铁：片G，性能特点与用途。孕育处理热力学动力学牌号及数字意义可锻铸铁：团絮状G，由白口铁经石墨化得到，性能与用途

石墨化过程Ⅰ决定G形态Ⅱ决定基体铸铁中心问题：G形状、大小、数量、分布球墨铸铁：球状G，球化处理。热处理工艺：与灰铁不同，与钢区别。不同工艺得到不同基体组织。性能与用途

影响因素铸铁性能化学成分C、Si促进石墨化；Mn、S阻止石墨化冷却速度薄壁表面易白口。壁厚敏感性，性能差异强度、伸长率、冲击韧度比钢低；耐磨；切削性好；消振性好；缺口敏感性低；铸造性好。蠕铁：蠕虫状G特殊性能铸铁：耐蚀、耐磨、耐热第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日工业纯铝：密度2.72。导电、导热性好，抗蚀性好，塑性高防锈铝合金只能变形强化。Al-Mg、Al-Mn系。LF5固溶强化细化组织强化时效强化第二相强化基本过程：GP→θ″→θˊ→θ。条件：Me能溶入α；随T↓而固溶度↓↓；析出相强化作用大。铸造铝合金：Al-Si，ZL104Al-Cu，ZL201Al-Zn，ZL402Al-Mg，ZL301可热处理强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化超硬铝：如LC4Al-Zn-Mg-Cu系性能特点：强度高，耐热性、抗蚀性差。热处理：淬火温度较宽硬铝：LY12Al-Cu-Mg系。性能特点：强度比较高，耐热性好，抗蚀性差。热处理：淬火温度窄，要求冷速快，转移时间短锻铝：如LD5Al-Mg-Si-Cu系工艺特点：锻造性好，热处理：采用人工时效Al

Me

合金化

Cu、Mg、Zn、Si、MnLL+α

α

α+β第三十页，共三十八页，2022年，8月28日黄铜普通黄铜特殊黄铜金色黄铜：H96弹壳黄铜：H70商业黄铜：H62<32%Zn,α>32%Zn,α+β海军黄铜：HSn70-1耐腐蚀性好易切黄铜：HPb59-1可切削性好商业黄铜：HAl77-1热塑性好纯铜密度8.94,无晶形转变导电、导热好，化学稳定性好，耐蚀,成形性优良,可焊,无磁热脆：Bi/Pb形成低熔点组织于晶界；冷脆：S/O→Cu2O、CuS，硬脆第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日青铜锡青铜铝青铜铍青铜<6~7%Sn，压力加工；10~14%Sn，铸造.铸造性比黄铜差，耐蚀性比黄铜好.+P、Zn、Ni等元素，为多元锡青铜.如QSn4-3:Sn-4%左右,Zn-3%左右大部分多元：Cu、Al+Mn、Fe、Ni等.如QAl9-2，+2%左右Mn比黄铜锡青铜有更高强度和硬度，更好的耐磨性和耐蚀性，塑性较差。如QBe2.具有高σb、

σp、

σ-1,耐磨，抗蚀，受冲击不产生火花。经淬火时效后，σb可达1200MPa第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日自然辩证法原理应用一切运动都存在于吸引和排斥的相互作用中。这是基本矛盾。在微观物理运动中，吸引和排斥的统一首先表现在微观粒子之间强大的内聚力和排斥力之间的动态平衡。

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K的稳定性，复合K的性质差别等第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日一切化学过程都归结为化学的吸引和排斥的过程。正是由于分子中原子之间化学键的形成和断裂所引起的化合和分解的对立统一，构成了一切化学运动过程的丰富内容。在化学的吸引和排斥