《【2017年整理】工程材料的成分、组织、性能、选材、工艺与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【2017年整理】工程材料的成分、组织、性能、选材、工艺与应用（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材 料 学绪 论一、本课程的性质一门研究材料的化学成分，加工工艺，组织、性能及应用几者之间的内在联系，分析如何运用材料科学的基础知识解决各实际问题的综合性，实践性极强的专业课。二、本课程的目的使学生掌握如下能力：1、对各类工件所用材料进行合理选材和制定正确的热处理工艺（或其它加工工艺） ，以满足其使用要求。2、解决工件加工和使用中出现的各类早期失效问题。3、从事新材料、新工艺的开发和研制的初步能力。三、工程材料定义工程材料（结构材料）：用来制备在工作环境下承受载荷的工件的材料。四、参考书工程材料 朱张校 清华大学出版社金属材料学 王笑天 机械工业出版社复合材料（二十一世纪新材料丛书） 吴人洁
2、天津大学出版社第一章 钢的合金化基础一、合金元素（Me）的定义碳钢（碳素钢）：Fe+C+杂质元素（S 、 P、 Si、Mn、O 、H、N ）合金钢：Fe+C+合金元素（Me）+ 杂质元素合金元素：以改善钢的工艺性能和使用性能为目的，人为添加到钢中的元素。锰（Mn） 铬（Cr） 钼（Mo） 钨（W） 钒（V ） 铌（Nb） 钛（Ti） 镍（Ni） 铜（Cu） 钴（Co） 硅（Si） 硼（B ） 氮（ N） 铝（AL ） 稀土（ RE）杂质元素：混入钢中的元素硫（S） 磷（P） 硅（Si） 锰（Mn） 氧（O） 氢（H ） 氮（N）二、合金元素的分类及性质1、分类a、按是否形成碳化物（c）分为：（
3、1）碳化物（c）形成元素：弱碳化物形成元素，MnMn 3C（固溶态） ；强碳化物形成元素（Me 强 ）Cr 、Mo、W、V、Nb、Ti，其中：Cr、 Mo、 W（部分固溶态，部分化合态） ，V、Nb、Ti（化合态） 。（2）非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、B、Cu、Co、RE （固溶态）b、按对 Fe-Fe3C 相图各区的影响不同分为：（1）扩大 F 区元素（固溶态）：Cr、 Mo、 W、V、Nb、Ti 、Al、Si （提高 A1、A 3，使 S 点左移） 。（2）扩大 A 区元素：Ni、Cu、Mn、C、N （降低 A 自由能（G A） ，增加 A 稳定性） 。2、碳化物（c）形成元素的性
4、质a、愈强的碳化物形成元素，形成的碳化物愈稳定。b、愈强的碳化物形成元素，总是优先与 C 形成 C。c、 C中可溶其他合金元素（Me） ，当溶入的 Me 与 C 的结合力大于原 C中的元素与 C 的结合力时，溶入后所形成的新 C的稳定性增加，反之亦然。d、过剩型 C的强化效果低于沉淀型的 C的强化效果。三、钢的几种强化机理（1） 提 高 强 度阻 止 位 错 运 动氏 气 团小 尺 寸 溶 质 钉 扎 位 错 柯 滑 移 面 歪 扭溶 质 产 生 晶 格 畸 变固 溶 强 化 :（2）第二相强化：弥散均匀在基体中分布的第二相颗位阻止位错运动，提高强度。（3）晶界强化：细化晶粒增加晶界面积增加位
5、错运动阻力，提高强度。（4）位错强化：位错密度增加运动中产生缠结增加位错运动阻力提高强度。四、钢的韧化途径1、细化基体（F.M）和第二相（1）合金化：V、Nb、Ti，形成 VC、Nb、C、TiC，阻止 A 长大。（2）热处理：形变热处理，重结晶细化，快速加热淬火（激光淬火、离子束淬火、太阳能淬火、感应淬火） 。（3）快冷凝固：搅拌凝固、雾化、滴液成型法、急冷金属模铸造。（4）变质处理（4）消除网状，带状第二相，使之球化均匀分布（球化退火，改锻，淬火后回火） 。2、球化消除网状，带状组织，使之球化均匀分布（球化退火，改锻，淬火后回火） ，钢中加稀土元素球化第二相。3、纯化（1）精炼：真空熔炼、电
6、渣重熔。（2）加稀土（RE）：（去杂质） （15MnVNiRE、稀土重轨钢（包钢） ） 。4、复化：产生复相基体、M+A（晶间薄膜）5、消除残余内应力6、防止各种脆化现象产生（回火脆性、氢脆、晶间腐蚀、应力腐蚀）7、加 Ni 提高低温韧性。8、低 C+多元少量合金化的成份形式。用低 C（0.6%2、按质量不同分为：普通钢 优质钢 高级优质钢杂质元素含量： 较多 较少 最少3、按用途不同分为： 耐 热 钢不 锈 钢特 殊 性 能 钢量 具 用 钢模 具 用 钢刃 具 用 钢工 具 钢 钢调 质 钢 弹 簧 钢 滚 动 轴 承渗 碳 钢机 器 零 件 用 钢构 件 用 钢结 构 钢（二）编号（或牌
7、号）1、碳钢的编号（1）普通碳素结构钢（普碳钢）Q235-A.F Q235：该钢的屈服强度（ S）=235MPaA：该钢的质量等级为 A 级（共有 A、 B、C、D四级，按顺序 A 级质量最差，D 级的质量最好）F：该钢为沸腾钢（Z ：镇静钢，b：半镇静钢）（2）优质碳素结构钢08F 08:C%=0.08% F：沸腾钢（无 F 则为镇静钢）10 15 20 25 30 35 40 4565：分别表示 C%为0.1%、0.15%、0.2%0.65%的优质碳素结构钢（镇静钢）ZG25:C%=0.25%的铸钢，上述无 ZG 则为轧制型钢（3）碳素工具钢T12:C%为 1.2%的碳（T ）素工具钢T1
8、0A：其中 A：表示高级优质的工具钢，上述无 A 则为优质的工具钢。2、合金钢编号（1）合金结构钢18Cr2Ni4WA, 18:C%=0.18%,Cr2:Cr%=2%,Ni4:Ni%=4%,W:W 的后面无数字，表示 W%低于 1.5%，A：高级优质钢，无 A 则为优质钢。40Mn2:C%为 0.4%,Mn%为 2%的优质合金结构钢40Cr:C%为 0.4%,Cr%低于 1.5%的优质合金结构钢16Mn:C%为 0.16%Mn%低于 1.5%的优质合金结构钢GCr15 G：滚动轴承钢，Cr15:Cr%=1.5%(并非 15%)，C%为1%左右。（2）合金工具钢9Mn2V, 9:C%=0.9%,
9、Mn2:Mn%=2%,V:V%低于 1.5%。Cr12,前无数字：表示 C%高于 1.0%,Cr12:Cr%=12%注意：合金结构钢和合金工具钢的编号的主要区别是：前者为两位数居首，而后者为一位数居首，或首无数字。（3）特殊性能钢0Cr18Ni9Ti, 0:C%在 0.1%以下， Cr18:Cr%=18%, Ni9:Ni%=9%, Ti:Ti%低于 1.5%。1Cr13:C%=0.1%,Cr%=13%的特殊性能钢该类钢的主要特点是：Cr%、Ni%高（通常 Cr%13%） 。上述各类的钢编号的总规律：（1）数字居首者，C%=0.数字%，1Cr13:C%=0.1%, 08F:C%=0.08%。（2
10、）对于 T7、T8、T10 、T12 类编号，数字为一位时，则小数点居前，当数字为两位时，则小数点居中，数字后再加%构成 C%。如 T7:C%=0.7%, T10:C%=1.0%, T12:C%=1.2%。（3）对于合金工具钢，如编号前无数字，则 C%大于1%，Cr12MoV:C%大于 1%。（4）除 GCr15,Gr9 类编号的 Cr%=（数字 10）%外，其它编号中合金元素含量均为元素符号后数字+%（无数字则表示含量小于 1.5%） 。如 GCr15: Cr%=1.5%, GCr9:Cr%=0.9%。Cr12:Cr%=12% W18Cr4V:W%=18%,Cr%=4% V%58，现在有 2
11、0Cr、50Mn、08F 三种钢，请选二种制造凸轮轴，其热处理工艺如何，才能达到性能的基本要求。23、20CrMnTi 是什么钢？其中各合金元素起什么作用？指出其各热处理工艺名称最终组织名称，例举出其适用的零件。24、某厂欲制作压力容器紧固螺栓，但库房内刚好无调质钢，试在下列几种材料中选一合适材料代替，并指出其最终热处理名称和最终组织名称，说明这样做能代替调质钢的理由。09MnV GCr15 20Cr25、下列三图分别是 40Cr 钢调质处理后的组织（前二图） ，和GCr15 钢球化退火后的组织，分析各组织形貌的产生原因。第四章 工具钢一、碳素工具钢、低合金工具钢（Me10%）用于造制高速机动
12、切削刀具（轫、钻头、锐刀、滚齿刀、机锯条）1、性能要求高的红硬性、硬度、耐磨性，一定韧性（抗弯强度高） 。2、成分高碳（0.71.65%）：高碳马氏体和大量沉淀型合金碳化物来源高合金：红硬性元素 W、Mo、Cr 、V、Co(Co ：提高高速钢熔点回火中促进 C沉淀和阻止其长大)。淬透性元素：Cr、Mo 杂质少，纯净度高：改善韧性。W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 W2Mo10Cr4Co83、热锻和热处理特点（1）热锻：反复纵横锻打（改锻） ，打碎粗大网状、鱼骨状碳化物（共晶 C）使之均匀分布。（2）热处理：特点：淬火中用分级加热和冷却（高合金钢传热慢）：减少内应力、变形、开裂。、淬火加热温
13、度高（为使碳化物更多溶入 A 中，提高淬火后马氏体中的 C%和 Me%，从而提高马氏体的回火稳定性和红硬性） 。回火温度高（在产生“二次硬化”的回火温度下回火，为产生回火“二次硬化” ）二次硬化：高合金工具钢在较高温度（560）下回火，其硬度反而上升的现象。二次硬化产生原因：a、固溶于 M 中的 Me（Cr、Mo、W、V ）阻止 M 分解，使 M基体能保存到高温。b、在高的回火温度下（560） ，有大量硬而稳定的细粒状合金碳化物沉淀（与基体共格）产生强烈的沉淀硬化。c、回火冷却中有部分残余奥氏体转变成马氏体，产生“二次淬火” 。回火次数多（3 次）：消除上一次回火冷却中的淬火应力，进一步提高硬
14、度。三、中高合金模具钢（中合金：Me：510%）（一）冷作模具钢用于冷冲模、冷剪机剪刀、拉丝模Cr12、Cr12MoV 、Cr4W2MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2最终热处理：方案 1：9501050 淬火+150250 低温回火M+C粒+A 韧性好，硬，用于变冲击的冷冲模，冷剪机剪刀。方案 2：10801120 淬火+510520 23 次回火（产生“二次硬化” ）M+C粒 红硬性高 用于拉丝模新型模具钢：基体钢：65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)（剩型 C%）（二）热作模具钢（硬度要求不如冷模具）热锻模、热挤压模用钢1、热锻模用钢：5CrNiMo 5CrMnMo 5CrMn
15、SiMoV最终热处理：淬火（850900）+500-550回火（调质处理）S（或 T）2、热挤压模用钢（红硬性要求高于热锻模）3Cr2W8V 4CrW2Si 4Cr5MoSiV 4Cr5W2SiV最终热处理：11201160 淬火+550回火 23 次（产生“二次硬化” ）最终组织：M+C第四章作业及思考题1、为什么回火中产生“二次硬化”的钢有高的红硬性？并指出“二次硬化”对红硬性大小的影响规律。2、请描出高速钢淬火后的组织以及淬火后三次回火后的组织，并予以解释。3、指出钢产生“二次硬化”的原因和条件。4、Cr12、CrW5 钢的主要缺点是什么？应如何弥补？5、与 W18Cr4V 相比，W6Mo5Cr4V2 有何优点和缺点。6、有人说，对高速钢淬火后可用一次 3 小时保温的回火来代替三次 1 小时保温的回火，问这种说法对吗？为什么？7、指出淬火加热温度对高合金工具钢的淬火后的硬度和韧性的影响规律。8、T8(0.8%C)钢心部未淬透，试指出心部组织名称，并描绘出其金相显微形貌。9、淬透性和淬硬性有何区别，是否淬透性高的钢淬硬性也一定高。10、仓库有GCr15、W6Mo5Cr4V2、T10、45、35CrMnSi、Cr12MoV 等材料，现车间需要制造下列零件或工具：(a)小手工锻模；(b)车刀；(c)硅钢片冲模；(d)拉
