金属材料学总复习课件

总复习提纲总复习提纲1主要内容一、主线、核心和“思想”二、合金化三、各类钢的要点四、各主要材料的分析思路主要内容一、主线、核心和“思想”二、合金化三、各类钢的要点四2一、主线、核心和“思想”强化工艺性能要求材料成分使用性能组织结构服役条件零件一、主线、核心和“思想”强化工艺性能要求材料成分使用性能组织3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要（1）同一零件可用不同材料及相应工艺（2）同一材料，可采用4

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。核心：核心是合金化基本原理。这是材料强韧化掌握5

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。辨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

——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。思想：材料学是一门很有“思想”的课程，只是辨证6

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。掌握理解：固溶强化、位错强化、细晶强化和弥散强化等7合金化设计K类型及性质K形成规律对相图影响对C线的影响组织设计Me对过程影响Me对工艺性作用强韧化矛盾演化规律钢强化基本机理合金韧化基本途径多元适量复合加入合金化K类型K形成对相图对C线组织Me对Me对强韧化矛盾钢强8

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。强-韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形，相9二、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。多元复合加入的作用或情况主要有以下几种：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10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多⑴提高性能。如↑淬透性，复合作用不是线性⑵扬长避短。合金11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：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12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，体现经济性适①有Me增多后，会降低材料的塑韧性132、主要合金元素作用归纳Cr↑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。↑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℃。↑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。2、主要合金元素作用归纳Cr↑淬透性→↓ΔGγ→α，↓K14Cr↑耐蚀性→↑电极电位，n/8定律。如不锈钢。细化晶粒，改善K均匀性→K较稳定，如GCr15。↑回火脆性→促进杂质原子偏聚，如40CrNi。↑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。↓Ms→↑Ar，如GCr15比T10钢的AR多，分布为8%左右和3%左右。Cr↑耐蚀性→↑电极电位，n/8定律。如不锈钢。15Mn强化F→固溶强化，如低合金普通结构钢。↑淬透性→↓ΔGγ→α，使“C”线右移，如40Mn2。↑晶粒长大→↓A1

，强化C的促进晶粒长大作用，↑过热敏感性。↑Ar→↓Ms。量大时，获得A钢→Mn扩大γ区。↑回火脆性→促进有害元素偏聚。↓热脆性→脱硫，形成MnS；脱氧剂，MnO；易切削钢。Mn强化F→固溶强化，如低合金普通结构钢。16Si↑σ，↓可切削性→固溶强化效果显著，如弹簧钢60Si2Mn等；↑低温回火稳定性→抑制ε-K形核长大及转变，如30CrMnSi、9SiCr。↑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。↑淬透性→↓K形核长大，使“C”线右移，高C时作用较大。↑淬火温度→↑A1

。如9SiCr，Ac1为770℃。↑脱C、石墨化倾向→Si↑碳活度，含Si钢脱C倾向大。如9SiCr、60Si2Mn等Si↑σ，↓可切削性→固溶强化效果显著，如弹簧钢60Si17Mo↑淬透性→推迟P转变，对B转变影响较小。↑热强性→↑固溶体原子间结合力，如珠光体热强钢12CrMoV。↓回火脆性→有效地抑制有害元素的偏聚，如40CrNiMo。↑回火稳定性→较强K形成元素，↓碳活度，且K稳定不易长大。细化晶粒→较强K形成元素，↓碳活度，阻止晶界移动。↑非氧化性酸的耐蚀性，防止点蚀→形成MoO3，致密而稳定。Mo↑淬透性→推迟P转变，对B转变影响较小。18Ni↑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。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。↑淬透性→↓ΔGγ→α，使“C”线右移，Cr-Ni复合效果更好。如12CrNi3、40CrNi。↑回火脆性→Ni促进有害元素的偏聚，如40CrNi回火脆性大。↓Ms→↑Ar。Ni↑基体韧度→Ni↓位错运动阻力，使应力松弛。如马氏体19V↑热强性→VC质点稳定性好，且弥散分布，如耐热钢Cr-Mo-V。细化晶粒→VC质点细小、稳定，有效阻止晶界移动，如40Mn2V、50CrV。↑红硬性、耐磨性→VC质点细小、稳定、弥散，如高速钢均含V。↓过热倾向→VC质点溶解稳定较高，晶粒不易长大，4040Mn2V。↓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。V↑热强性→VC质点稳定性好，且弥散分布，如耐热钢Cr-203、利用合金化原理分析典型钢的性能特点9SiCr、CrWMn、9Mn2V；60Si2Mn；5CrNiMo；W6Mo5Cr4V23、利用合金化原理分析典型钢的性能特点9SiCr、CrWMn21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。三、各类钢的要点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；三、各类钢的要点1、要掌握22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。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。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。2、归纳各类钢的工艺特点合金元素多，钢的导热性较差，工艺的可变性也大。因此，工艺相对23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。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。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。精密零件处理过程中要注意尺寸稳定性。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。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24结构钢的特点、应用及演变

工具钢的特点、应用及演变

铸铁要点铝合金分类与特点四、各主要材料的思路结构钢的特点、应用及演变四、各主要材料的思路25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服役条件及常用C量常用组织应用要点低强钢低C马氏体26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、应用及演变常用C量常用组织性能应用要点碳素钢低合金高速钢27铸铁中心问题：G形状、大小、数量、分布石墨化过程决定G形态Ⅱ决定基体热力学自由焓有利于石墨化动力学成分、结构、扩散有利于Fe3C析出

影响因素化学成分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，性能差异牌号及数字意义HT200QT400-18KTZ450-06铸铁性能强度、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。灰口铸铁：片G，性能特点与用途。孕育处理可锻铸铁：团絮状G，由白口铁经石墨化得到，性能与用途球墨铸铁：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。性能与用途蠕铁：蠕虫状G特殊性能铸铁：耐蚀、耐磨、耐热铸铁中心问题：石墨化过程热力学自由焓动力学成分、结构、扩散有28α

Cu、Mg、

Zn、Si、MnLL+α

α+βAlMe

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合金化

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αCu、Mg、LL+αα+βAlMe工业纯铝：防锈291钢的和合金化概论1.1合金元素和铁的作用

Me分类；A,F稳定元素；E点S影响

1.2合金钢中的相组成

固溶体及规律；各种K(强弱顺序)；K形成规律；N化物；金属间化合物；1.3合金元素在钢中的分布及偏析

各种气团；B原子作用1.4合金钢中的相变

AP,B,M区别及元素作用；B淬透性及Mo和B机制；二次淬火；K析出类型；回火脆性(原因、特征、Me)1.5合金元素对钢强韧化的影响

强化机制；二次硬化；提高韧度途径1.6合金元素对钢工艺性的影响

淬透测试方法；提高淬透性作用；1.7微量元素在钢中的作用1.8金属材料的环境协调性设计

1.9合金钢的分类与牌号

自学了吗？1钢的和合金化概论1.3合金元素在钢中的分布及偏析各种气30第2章工程结构钢2.1工程结构刚的基本要求

几条要求；2.2低合金高强度结构钢的合金化

Ti、V、Ni；Cu、P2.3常用低合金高强度结构钢

2.4微珠光体低合金高强度钢

2.5针状铁素体钢2.6低碳贝氏体和马氏体2.7双相钢

双相控制机制；轧控；2.8低合金高强度钢发展趋势第2章工程结构钢2.5针状铁素体钢31第3章机械制造结构钢3.1概述

3.2调质钢

淬透原则；常用Me，作用；40Mn2；40CrNiMo，横向对比3.3非调质机械结构钢

微合金化元素，作用3.4弹簧钢

性能要求和工艺；60Si2Mn3.5滚动轴承钢

GCr15；GCr15SiMn；K不均匀性3.6低碳马氏体钢3.7合金渗碳钢

18Cr2Ni4W3.8氮化钢

38CrMoAl3.9低淬透性钢

3.10耐磨钢

ZGMn133.11零件材料选择基本原则与思路

基本原则第3章机械制造结构钢32第4章工模具钢4.1概述4.2刃具用碳素钢及低合金工具钢

T9和9SiCr、CrWMn、Cr24.3高速钢

铸态组织组成；热处理；W18Cr4V；W、V、Cr作用4.4冷作模具钢

9Mn2V；Cr12MoV4.5热作模具钢

H134.6其他类型工具钢第4章工模具钢33第5章不锈钢5.1概述

5.2影响不锈钢组织和性能的因素

Tammann定律5.3铁素体不锈钢

475℃脆性；

5.4马氏体不锈钢

5.5奥氏体不锈钢

12Cr18Ni9;

18-8；晶间腐蚀；腐蚀区域(图)第5章不锈钢34第6章耐热钢6.1概述

提高热强性途径；6.2热强钢

6.3抗氧化刚第7章超高强度结构钢

每种钢的强化来源，K还是金属间化合物7.1低合金超高强度钢7.2二次硬化型超高强度钢

7.3马氏体时效钢

各种贡献强弱7.4沉淀硬化超高强度不锈钢第6章耐热钢35第8