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金属材料学
金属材料学，语言简单，直指重点
编辑于2020-07-21 12:38:54- 金属，材料
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金属材料学
钢的合金化基础
钢中的合金元素
(Mn、Si)、Cr、Ni、Cu、Mo、W、(P、S)、W
Me和Fe的相互作用
Me对Fe的作用
奥氏体形成元素
与r区无限固溶：Ni、Mn、Co，可将奥氏体开动至室温
与r区有限固溶：C、N、Cu，扩大r区
铁素体形成元素
Cr、V与a-Fe完全互溶，量大时为a相
缩小r区，B、Zb、Zr
Me对Fe-C相图的影响
对S、E点的影响
几乎所有的元素都使得S、E点左移
S点左移：意味着共析碳含量减少（P含量减少）
E点左移：意味着出现莱氏体的C含量降低
A形成元素：S E点左下方移动
F形成元素：S、E点左上方移动
对临界点的影响
A形成元素：A1线下降
F形成元素：A1线上升
合金元素在钢种的存在形式
存在形式
铁基固溶体
碳化物（行成规律）
非金属夹杂
金属间化合物
Me在不同热处理状态下的分布
退火态、正火态：非K形成元素基本上固溶于基体中，而K形成元素是C和本身情况来定，优先形成碳化物，余量融入基体
淬火态：Me元素分布与淬火工艺有关，溶入A的元素淬火后存在于M，B或残余A中，未溶者仍在K中
回火态
低温回火：Me不重新分布
温度＞400：Me重新分布，非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步溶入析出的K中，其程度取决于回火温度和回火时间
合金元素对热处理的影响
合金钢的加热A化
Me对A形成速度的影响
K形成元素：降低C在A中的扩散，降低A的形成速度
非K形成元素（Co、Ni）：↑C在A中的扩散速度↑A形成速度
Al、Si、Mn影响不大
Me对K分解的影响
K稳定性越好，溶解度越低
温度↓溶解度↓，导致沉淀析出
K稳定性差的先溶解
A均匀化
A晶粒大小
碳化物形成元素：↓晶粒长大
Mn P C↓晶粒长大
Ni Co Si Cu 作用不大
过冷A的分解
P转变
除Al、Co外，几乎所有的合金元素都使得C曲线右移，结果导致降低了临界冷却速度，提高了淬透性
凡扩大r区的元素：降低A1点，使得P相变区移向较低温度
凡缩小A区的元素，提高A1点，使相变移向较高温度
B转变（通过影响两相自由能差）
降低自由能差，如Mn、Cr、Ni等，从而减小了相变的动力，为了使过冷A易分解，必须过冷到更低温度，相变才能进行，即降低了B的转变温度
增大自由能差：Co、Al，同时Co还提高C的扩散速度，所以均使A稳定性下降,加速B的形成
不显著影响两相自由能差，Mo W
降低B转变温度
提高P转变温度，使P的C曲线和B的C曲线分离
M转变
对Ms点：除Al、Co都降低Ms温度
改变M形态及亚结构
Ms点高，位错马氏体
Ms点低，孪晶马氏体
过冷A的稳定性
非碳化物形成元素(Ni、Si、Al、Cu)以及Mn：C曲线与碳钢相似，只是使整个曲线向右作不同程度的移动
Co不改变C曲线，但是使得C曲线左移
K形成元素（Mn除外）：使C曲线右移，且改变形状，明显出现P和B两条C曲线
Me对回火转变的影响:
Me元素对马氏体分解的影响
低温回火：C和Me扩散困难，Me影响不大
中温以上：Me活动能力增强，对M分解产生不同程度的影响
非碳化物形成元素影响不大
K形成元素抑制M的分解
合金元素对残余奥氏体分解的影响：
大部分合金将A分解温度向高温推移
Me对碳化物形成聚集长大的影响
Me对a回复再结晶的影响
大多数合金元素延缓a回复再结晶过程
Me对钢强韧性及工艺性能的影响
四大强化机制
韧性
强化因素：一般相反
合金元素：Ni提高韧性
第二相，一般会降低韧性，小，圆，匀
晶粒度
杂质
工艺性能
淬透性
淬硬性
过热敏感性
氧化脱碳倾向
回火稳定性
冷成型性
热成形性
钢的分类及拍号
工程构件钢
概念
工程构件钢的基本要求
服役条件
静载
无相互运动
有一定环境使用温度
受大气海水的侵蚀
疲劳冲击
生产工艺
技术要求
足够的强度和韧度
良好的焊接行和成形工艺性
耐蚀性
低成本
低合金高强度钢的合金化
钢种
铁素体珠光体钢
微珠光体低合金高强度钢
针状铁素体钢
低碳贝氏体和马氏体钢
双相钢
机器零件用钢
概述
机器零件用钢的分类
调质钢、弹簧钢、表面强化态钢、滚动轴承钢
机器零件钢的性能要求
良好的综合力学性能
强度设计
弹性范围内工作：弹性极限
允许少量塑形变形：屈服强度
韧度设计
低温冲击韧性
韧脆转变温度
断裂韧性
良好的冷热加工性能
结构钢的淬透性
机械零件用钢的合金化特点
零件材料和工艺选择途径
要求良好的综合力学性能
低碳马氏体 淬火+低温回火 渗碳（对耐磨性有要求）
回火索氏体 中碳钢 调质 渗氮或感应淬火（对耐磨性有要求）
要求高强度：适当牺牲塑性，中碳钢+低温回火
要求高弹性极限、屈服强度，又要求塑形、韧度：中高碳钢+中温回火：弹簧钢
高强、高硬、高接触疲劳、一定塑韧性：高碳钢+低温回火：轴承钢
调质钢
组织性能特点
化学成分
合金元素作用
调质钢热处理
调质钢的发展动向：低碳马氏体钢
弹簧钢
组织性能要求
功能：储能减振
高弹性极限、屈强比：吸收大量的弹性能而不产生塑性变形
高疲劳强度，有足够的塑性和韧性：以防冲击断裂
淬透性
化学成分、合金元素作用
常用弹簧钢及其热处理
表面强化态钢
性能要求：表面硬度高，心部有良好的，强韧性配合
化学成分、合金元素作用
常用渗碳钢的热处理
滚动轴承钢
滚动轴承的组成：内圈、外圈、滚动体
工作条件：高负荷、高转速、高灵敏度
性能要求
高而均匀的硬度和耐磨性
高接触疲劳强度
一定韧度
一定耐蚀性
化学成分、组织特点
高碳铬轴承钢的热处理
工模具用钢
概述
分类
刃具钢
碳素钢
低合金工具钢
高速钢
模具钢
热作模具钢
冷作模具钢
塑料模具钢
量具钢
化学成分、合金元素作用
性能特点：分级加热、分级淬火、等温淬火、双液淬火
刃具钢
碳素工具钢
牌号：T7-T13
用途：低速切削的刃具，简单的冷冲模（淬透性低）
淬火方式：水-油双液淬火、分级淬火
低合金工具钢
合金元素及具体作用
淬火工艺：熔盐分级淬火、等温淬火
一般组织：含碳量0.5%-0.6%的M加K
高速钢
高速钢简介
高速钢中合金元素作用
高速钢中的碳化物
铸态组织：鱼骨状的莱氏体、黑色组织、白亮的马氏体、残余奥氏体
退火态：索氏体、碳化物、残余奥氏体
淬火态：隐针马氏体、颗粒状碳化物、较多残余奥氏体
回火态：回火马氏体、颗粒状碳化物、少量残余奥氏体
高速钢的热处理
确定淬火温度时要考虑的因素
不同工作条件
车刀→硬度和红硬性→高淬火温度
中心钻→强韧性高→低淬火温度
形状
形状复杂（锯片）和薄刃具：低淬火温度
形状简单：高淬火温度
尺寸较大或尺寸较小：低淬火温度
原材料级别：K不均匀性大的材料，低的淬火温度
确定保温时间要考虑的因素
一定K溶入A而晶粒长大
冷作模具钢
服役条件：高压力、冲击力、摩擦力
技术要求：高硬度、耐磨性、一定韧性
低合金工具钢：9SiCr
高铬高碳模具钢：Cr12MoV
高碳中铬模具钢
热作模具钢
服役条件：反复受热和冷却、一定冲击
性能要求：抗热塑形变形、高韧、高抗热疲劳
热锤锻模
热挤压模
压铸模
量具钢
基本性能
高硬度、耐磨性
组织稳定
低表面粗糙度
耐蚀性
子主题
不锈钢
概述
不锈钢的基本概念
不锈钢的分类
M不锈钢、A不锈钢、F不锈钢、A-F不锈钢、沉淀硬化不锈钢（马氏体基体上析出金属间化合物产生沉淀强化）
腐蚀的分类
化学腐蚀
特点
不产生腐蚀电流
有一层氧化膜（致密膜、非致密膜）
电化学腐蚀
特点
液体介质
不同金属相有电极电位差
腐蚀电流
钢铁材料腐蚀的基本类型
均匀腐蚀
晶间腐蚀
点腐蚀
应力腐蚀
氢脆
腐蚀疲劳
磨损腐蚀
合金元素对不锈钢组织性能的影响
提高钢耐蚀性能的主要措施有（4点）
合金元素对铁的极化性能的影响
合金元素对电极电位的影响n/8
合金元素对不锈钢基体组织的影响
扩大r相区
缩小r相区
合金元素的作用
铁素体不锈钢
化学成分及类型
基本特点
含碳量<0.15%，为提高某些性能，可加入Mo、Ti、Al等元素
在硝酸、氨水等介质中有较好的耐蚀性和抗氧化性
力学性能和工艺性差，脆性大，Tk在室温左右
无同素异构转变，多在退火软化态下使用
用途：用于硝酸和氨肥工业的耐腐蚀件
铁素体不锈钢的脆性
马氏体不锈钢
化学成分与类型
Cr13型
高碳高铬
低碳17%Cr-2%Ni钢
马氏体不锈钢的热处理特点
软化处理
高温回火
完全退火
调质处理
1Cr13、2Cr13
淬火 低温回火
3Cr13、4Cr13
球化退火
奥氏体不锈钢
特点
主要钢种
奥氏体的不锈钢的晶间腐蚀
现象
形成原因：贫铬理论
影响因素
改善与预防
奥氏体不锈钢的热处理：固溶处理
铸铁及锈钢
铸铁概述
铸铁的概念
铸铁的特点
C在铁碳合金中的存在形式
固溶在F、A中
化合态的渗碳体
游离态石墨
石墨对铸铁性能的影响
铸铁的分类
白口铸铁
灰口铸铁
麻口铸铁
铸铁的石墨化过程
影响石墨化过程的主要因素
铸铁经不同程度石墨化后所得到的组织
灰口铸铁的分类
灰铸铁：片状
可锻铸铁：团絮状
球墨铸铁：球状
蠕墨铸铁：蠕虫状
常用铸铁的特点及应用
灰铸铁
牌号
成分范围
性能
孕育铸铁：孕育剂的作用
热处理特点
去应力退火
高温退火
表面淬火
可锻铸铁
牌号
生产过程
性能特点：优于HT，低于QT
应用：形状复杂，承受冲击和振动载荷的零件
球墨铸铁
牌号
生产过程
在铁水浇筑前同时加入球化剂、孕育剂
球化剂、孕育剂作用
热处理特点
退火（提高塑韧性和切削加工性）
去应力退火
低温退火
高温退火
正火（细化组织、强度、耐磨性）
高温正火（塑韧性）
低温正火（强度）
调质（回火S G）
等温淬火（下B和G）
组织特点
性能特点：
强韧、塑、疲劳优于灰铸铁
综合力学性能接近于钢
应用：受力复杂、负荷较大、要求耐磨的零件
蠕墨铸铁
牌号
生产过程：在铁水浇筑前加蠕化剂
组织：钢基体加蠕虫状G
性能特点：介于灰铸铁和球墨铸铁之间
应用：承受热循环载荷的零件、结构复杂、强度要求高
浮动主题