金属材料学考试重点

Me对Fe-C相图的影响

一、对S、E点的影响

A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。

S点左移—意味着共析C量减小；E点左移—意味着出现莱氏体的C量降低。

二、对临界点的影响

A形成元素Ni、Mn等使A1（A3）线向下移动；

F形成元素Cr、Si等使A1（A3）线向上移动

三、对γ-Fe区的影响

A形成元素Ni、Mn等使γ-Fe区扩大→钢在室温下也为A体—奥氏体钢；

F形成元素Cr、Si等使γ-Fe区缩小→钢在高温下仍为F体—铁素体钢。

二次淬火：高合金钢在500——600度这个温度范围回火后，若在加热的过程中不分解，

则在冷却时发生残留奥氏体到马氏体的转变的过程。也是二次硬化的原因之一，但它与析出特殊碳化物的弥散强化相比作用较小，只有当淬火钢中残留奥氏体量高时，其作用才显著。二次硬化：强碳化物形成元素如cr、mo、w 、v 、ti、nb等富集于渗碳体中，当回火温度较高时（400度以上），这些元素在渗碳体中富集到超过饱和浓度后，便发生渗碳体转变特殊碳化物的过程。这些特殊碳化物比渗碳体更为坚硬，且它形成时，以高度弥散的粒子析出于基体中，不易聚集长大，引起相固溶碳量增大并钉扎位错阻碍作用，增加弥散的强化。

三、回火脆性

第1类回火脆性

脆性特征①不可逆；②与回火后冷速无关；③晶界脆断。

产生原因①Fe3C薄膜在晶界形成；②杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，↓晶界强度。

Me作用：Mn、Cr↑脆性；V、Al改善脆性；Si ↑脆性温度区.

第二类回火脆性

脆性特征①可逆；②回火后慢冷产生，快冷抑制；③晶界脆断.

产生原因①杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界；②形成网状或片状化合物,↓晶界强度。高于回脆温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；快冷抑制杂质元素扩散。

Me作用

N、O、P、S、As、Bi等是脆化剂；Mn、Ni与杂质元素共偏聚，是促进剂；Cr促进其它

元素偏聚，助偏剂；Mo、W、Ti抑制其它元素偏聚，清除剂

Me对钢强化的形式及其机理

强化本质：各种途径增大了位错滑移的阻力，在宏观上提高了钢的塑性变形抗力，即提高了强度

1、固溶强化机理原子固溶→晶格发生畸变→产生弹性应力场，与位错交互作用→↑位错运动阻力

效果提高强度，降低塑韧性

2、位错强化机理位错密度ρ↑→↑↑位错交割、缠结，→有效地阻止了位错运动→↑钢强度。

对体心立方晶体，位错强化效果较好

效果：在强化的同时，同样也降低了伸长率，提高了韧脆转变温度TK

3、细晶强化机理

晶粒越细→晶界、亚晶界越多→有效阻止位错运动，产生位错塞积强化。

效果：↑钢的强度，又↑塑性和韧度。这是最理想的强化途径.

4、第二相强化机理微粒第二相钉扎位错运动→强化效果

主要有切割机制和绕过机制。在钢中主要是绕过机制。

两种情况：回火时弥散沉淀析出强化，淬火时残留第二相强化

效果：有效提高强度，但稍降低塑韧性。

合金化的基本原则：多元适量，复合加入。

复合加入的作用机理锰钼铌钒等

碳钢的牌号（课本42页）

1、碳素工程结构钢

如Q235C，Q235CF。

2、优质碳素结构钢

编号方法：含碳量＋脱氧。

含碳量：以0.01%为单位，用两位数表示。

脱氧：和碳素工程结构钢相同。如08F。

含Mn较高用Mn表示：如40Mn（0.7-1.2%Mn）

3、碳素工具钢如T8，T8A，T8Mn。

合金钢编号方法

编号方法：碳含量＋合金元素种类和数量＋质量

1、合金元素种类和数量：

种类：用化学符号表示

数量：<1.5%，不表示 1.5～2.5%，用2表示 2.5～3.5%，用3表示（以下类推）

2、质量：高级优质钢加A，其余不表示。

3、碳含量：不同钢种有不同表示方法

(1)合金结构钢

①含C量以0.01%为单位，用两位数字表示。

如：22CrMnMo，40Cr，42CrMo，40MnVB。

②有时两个钢种，其中一个主要合金元素含量不同，但都小1.5%，其余成分相同，此时含量较高的在元素后面标“1”来加以区别。

如:12CrMoV，Cr：0.4～0.6% 12Cr1MoV，Cr：0.9～1.2%

(2) 轴承钢

①前面标以G，表示滚动轴承钢。②含C量≥1%，故不表示。

③含Cr量以0.1%为单位，其余合金元素方法不变。如：GCr15，GCr15SiMn，GCr9。

(3) 不锈、耐蚀和耐热钢

①含碳量以0.1%为单位。如：1Cr13，2Cr13。

②含碳量很低时，用0，00表示。0：≤0.08%；00：≤0.03%。

如：0Cr18Ni9，00Cr18Ni10。

4) 工具钢

①含碳量以0.1%为单位，用1位数字表示。当≥1%时不表示。如：9CrSi，CrWMn。

②含Cr量低于1%的铬合金工具钢，Cr含量以0.1%为单位，并在前面加一个“0”字表示。如：Cr06, Cr, Cr2。

③高速钢含碳量小于1％时，通常也不标注含碳量。

如：W18Cr4V：含碳量0.7-0.8% W6Mo5Cr4V2：含碳量0.8-0.9% 合金元素相同，含碳量不同的要标注含碳量，如9W18Cr4V。

低合金钢的编号（可以采用两种不同的方法表示。）

1、采用合金结构钢的编号方法，如09CuPTi，15MnVN，15MnVB。

2、采用碳素结构钢的编号方法，如Q490，Q640。

Me对低合金高强度钢力学性能的影响

硅锰是低合金高强度钢中最常用且最经济的元素

1、锰加入的好处及锰含量过高会如何：

固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。

同样量多时可大为降低塑韧性.

低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。

2、常用低合金高强度结构钢主要加入元素、作用

铁素体珠光体类组织：10~25％片层状P+ 75~90％多边形F。

低合金高强度结构钢在碳素工程结构钢的基础上加入少量合金元素（主要是锰硅和微量合金元素Nb、V、Ti、Al等）而形成的。利用合金元素产生的固溶强化、细晶强化和沉淀强化来提高钢的强度。同时利用细晶强化使钢的韧脆转化温度的降低，来抵消由于碳氮化物析出强化使钢的韧脆转化温度的升高。

3、微珠光体的强化机理（碳对焊接性的影响）

对F-P钢, P量每↑10%，将使TK↑22℃。要增加珠光体的含量，必须增加碳含量，但这将大大损害钢的焊接性和低温冲击韧度。

油气管线用钢:↓C, <0.1%，

降低碳含量会降低钢的强度，为保证强度，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和

韧度的强化措施。

→析出强化和晶粒细化↑钢性能。

→Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。

微合金元素的作用：

Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢

晶粒主要通过以下两种方式：

（1）阻止加热时奥氏体晶粒长大

（2）抑制奥氏体形变再结晶

在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶

界和位错的运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。

滚动轴承钢

GCr15预先热处理扩散退火

轴承钢的热处理包括：

预先热处理（扩散退火，正火）+ 球化退火

最终热处理淬火+ 低温回火+（稳定化处理）

高锰耐磨钢

高锰铸钢的化学成分及性能特点：高碳、高锰。铸件使用。

常用高锰铸钢为ZGMn13型。铸态组织一般是奥氏体、珠光体、马氏体加碳化物复合组织，力学性能差，耐磨性低，不宜直接使用。经过水韧处理（即固溶处理）后的显微组织是单相奥氏体，软而韧。

高锰钢的热处理

1、水韧处理加热T应＞Acm，一般为1050 ~1100℃，在一定保温时间下，K全部溶入A中

2、高锰钢导热性较差，仅为碳素钢的1/4~1/5，热膨胀系数比普通钢大50%，而且铸件尺寸往往又较大，所以要缓慢加热，以避免产生裂纹；

3、铸件出炉至入水时间应尽量缩短，以避免碳化物析出。冷速要快，常采用水冷。水冷前水温不宜超过30℃，水冷后水温应小于60℃

4、水韧处理后不宜再进行250~350℃的回火处理，也不宜在250~350℃以上温度环境中使用。因为在高于250度时，会析出碳化物，降低性能。

高锰钢的耐磨性及应用

（冷作硬化的本质是）大形变在A基体中产生大量层错、形变孪晶、ε和α马氏体而硬化。表面硬度从原来200HB左右可↑到500HB以上，硬化深度可达10~20mm，而心部仍保持A，所以能承受较大冲击载荷而不破裂。在表层逐渐被磨掉的同时，硬化层不断地向内发展━━“前赴后继”。在低应力和低冲击载荷下，耐磨性往往不一定好

高速工具钢

高速钢概述

用途：适用于高速切削刀具，也可制作高温工作的弹簧、轴承和模具。（锋钢）特点：合金度高，高热硬性（刃部在650℃时实际硬度仍高于HRC50 ）

主要性能：高硬度，高热硬性，高耐磨性，高强度和一定的韧性

成分：C, W, Mo, Cr, V, Co, Nb, Al, Si。

高速钢中合金元素的作用

C↑: ↑硬度,但↓熔点,易过热; ↑K量, ↑不均匀性; ↑AR→↑回火次数; ↓σ和AK 钨是钢获得红硬性的主要元素。M6C型K，回火时析出W2C；

W↓↓热导率→钢导热性差

钼和钨相似，1％Mo可取代1.5~2.0％W

V 显著↑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 可显著提高钢的红硬性，5、8和12％三个级别。但↓钢韧性、↑钢脱碳倾向

微量氮增加硬度和热硬性，一般~0.10％。稀土可明显改善热塑性,↓硫在晶界的偏聚

高速钢中的碳化物

铸态组织：鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织

（δ共析体等）和白亮组织（M+AR）

淬火态：加热时，K溶解顺序为：

M7C3\M23C6型在1000℃左右溶解完→

M6C型在1200℃时部分溶解→MC型比

较稳定，在1200℃时开始少量溶解。

回火态：主要为M6C(淬火残留)、MC(回火时析

出和淬火残留)、M2C (回火析出)等K.

（1）锻造

?高速钢的铸态组织很不均匀。大量不均匀分布的粗大碳化物，将造成强度及韧性的

下降。这种缺陷不能用热处理工艺来矫正，必须借助于反复压力热加工(锻、轧)，将粗大的共晶碳化物和二次碳化物破碎，并使其均匀分布在基体内。

?高速钢在空气中冷却即可进行马氏体转变，所以锻造或轧制以后，钢坯应缓慢冷却，

以防止产生过高的应力导致开裂。

?高速钢锻造以后，必须进行球化退火，其目的不仅在于降低钢的硬度，以利切削加

工，而且也为以后的淬火作组织上的准备。

?18-4-1钢的AC1温度是820-860℃，故退火温度为860℃～880℃。在该温度保温2～

3h，大部分合金碳化物未溶入奥氏体中，此时奥氏体中合金元素含量不多，冷却时易于转变为粒状珠光体和剩余碳化物

?18-4-1钢的淬火温度是1280℃。

?淬火温度越高，合金元素溶入奥氏体的数量越多，淬火之后马氏体的合金浓度越高。

只有合金含量高的马氏体才具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散合金碳化物产生二次硬化，使钢具有高的硬度和红硬性。

?高速钢中的合金碳化物M6C、M23C6和MC比较稳定，必须在高温下将其溶解。

三者中M23C6稳定性最差，在900℃大量溶解，1090℃溶解完毕；M6C在1037℃以上开始溶解，1250℃以上溶解量逐渐减小；MC在1100℃以上逐渐溶解，溶解速度比M6C缓慢。在1280℃淬火温度下，18-4-1钢奥氏体中合金元素的质量分数，Cr基本溶解，W溶解7-8%，V溶解0.5-1.0%。

预热: 高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热，速度较快，常采用一次或多次预热为什么？高速钢导热性差,加热温度又高,预热—

①↓淬火加热过程中的变形开裂倾向；

②缩短高温保温时间，减少氧化脱碳；

③准确地控制炉温稳定性。

可采用一次预热和二次预热。

过热：T 淬过高，晶粒长大，K溶解过多，K发生角状化；奥氏体中合金度过高，冷却时易在晶界上析出网状K。

过烧：温度再高→晶界熔化→铸态组织特征，主要为鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织。

欠热：淬火温度较低，大量K未溶, 且晶粒特别细小。

淬火冷却：冷却很重要，方式也很多，可根据工具不同情况进行选择。

常用一次分级或多次分级方法。?

80%高速钢工具是采用一次分级淬火，分级温度常在600℃左右，停留时间严格控制，一般＜15min。多次分级适用于形状特殊、极易变形的工具。

回火：高速钢一般需要在560℃左右三次回火

W18Cr4V高速钢回火次数与残余奥氏体量（a）和性能（b）的关系

铝合金热处理强化特点

1. 特点：淬火加热时不发生同素异构转变。热处理强化包括固溶处理与时效处理。

固溶处理：α+β→α′固溶度↑强度/硬度变化小塑性明显↑

时效处理：第二相从固溶体中析出力学性能等发生显著变化

1）、固溶强化

?纯铝通过加入合金元素形成铝基固溶体，起固溶强化作用，使其强度提高。

2）、时效强化

?由于合金元素在铝中有较大固溶度，且随着温度的降低而固溶度急剧减小。故铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的铝基固溶体。这种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度时，其强度和硬度随时间的延长而增高，但塑性、韧性则降低，这个过程称作时效。

?时效过程使合金的强度、硬度增高的现象称为时效强化或时效硬化。

?淬火（又称固溶）+时效处理是铝合金强化的一种重要手段。

图铝-铜二元合金状态图

α是铜在铝中的固溶体，在室温时的最大溶解度为0.5%Cu，加热到548℃时，极限溶解度为5.7%Cu。

(1) 形成铜原子富集区

铜富集区称G.P.区晶体结构与基体α同，但产生了共格应变区强度、硬度↑。G.P.呈盘状，仅几个原子层厚，室温下直径约5nm，超过200℃就不再出现G.P.区。

(2) 铜原子富集区有序化

G.P.区急剧长大，G.P.区铜原子有序化，形成θ”相θ”相与基体仍然保持完全共格，具有正方点阵点阵常数a=b=0.404nm，c=0.768nm。它比G.P.区周围的畸变更大，因此时效强化作用更大

(3)形成过渡相θ

θ”相转变成过渡相θ＇，θ＇是正方点阵，成分接近CuAl2，完全共格→局部共格

强度、硬度开始降低，合金此时处于过时效阶段。

(4) 形成稳定的θ

过渡相θ＇，完全脱溶，形成稳定相CuAl2，(θ)与基体非共格

，合金的强度、硬度进一步下降

合金的种类不同，形成的G.P.区、过渡相以及最后析出的稳定相各不相同，时效强化

效果也不一样。

铸造铝合金应具有高的流动性，较小的收缩性等良好的铸造性。共晶合金应最佳，但容易有大量硬脆化合物，使脆性增加。因此，实际使用的铸造合金并非都是共晶合金。

简单的二元铝-硅合金（ZL102）是硅含量11～13％的合金。其组织为粗大的针状硅与铝基固溶体组成的共晶体和少量的板块状初晶硅。变质处理，则可以细化组织。常用的变质剂为钠盐混合物。

变质处理后，粗大的针状共晶硅细化成细小条状或点状，并在组织中出现初晶α固溶体。

经变质处理后的ZL102合金的抗拉强度σb达180 MPa，延伸率δ明显提高。

适当减少硅的含量而加入铜和镁可进一步改善合金的耐热性。

钠盐的缺点是变质处理有效时间短，加入后要在30分钟内浇注完。钠盐变质剂易与熔融合金中的气体起反应，使变质处理后的铝合金铸件产生气孔等铸造缺陷，为消除这种缺陷，浇注前必须进行精炼脱气，导致铸造工艺复杂化，故一般对小于百分之七至百分之八硅的合金不进行变质处理。