金属材料学复习解析

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1、金金 属属 材材 料料 学学 复 习 金属材料领域发生的革命性变化金属材料领域发生的革命性变化 晶态材料的基础上发展了非晶，微晶与纳米多晶体材料； 多维(大块)材料的基础上发展了低维材料； 单一材料的基础上发展了复合材料； 宏观均匀材料的基础上发展了宏观不均匀材料； 固溶体材料的基础上发展了金属间化合物材料。 未来材料趋势未来材料趋势 智能化、 仿生化、 复合化、 纳米化、 轻量化、 高功能化 第第1 1章章 钢的合金化概论钢的合金化概论 1.1 1.1 合金元素和铁的作用合金元素和铁的作用 合金元素在钢中的存在方式合金元素在钢中的存在方式 溶入基本相 形成强化相碳化物、氮化物或金属间化合物

2、以游离状态存在 、 、Fe3C Pb、Cu 、G（C） 形成非金属夹杂物氧化物、硫化物、硅酸盐、AlN 合金元素的分类合金元素的分类 按与Fe相互作用的特点分: 形成元素：Mn，Ni，Co；C，N，Cu 形成元素：Cr，Mo，Si 按照与碳（C）相互作用的特点分: 碳化物形成元素： Ti，Zr， Nb，V，W，Mo，Cr，Mn，Fe 非碳化物形成元素：Ni，Si，Al 奥氏体形成元素扩大相区的元素 Mn，Ni，Co：与- Fe可以无限固溶 C，N，Cu：与- Fe有限固溶 铁素体形成元素缩小相区的元素 Cr，V：与- Fe无限固溶 B，Nb：出现了金属间化合物 合金元素对合金元素对FeFe-

3、-C C相图的影响相图的影响 1、改变S、E点位置，改变合金相的相互比例及组织类型。 1、扩大奥氏体相区(Ni、Mn 、N、Cu)，使奥氏体成为室温组织。 2、缩小奥氏体相区(Cr、W、Mo、Ti)，使铁素体成为高温组织。 合金元素对临界点的影响 2、A1、A3点的影响改变了合金相的形成温度。 合金元素对奥氏体相区的影响 钢钢中常见中常见碳碳化物类型化物类型 MC型： 面心立方点阵。如TiC，VC。 M23C6型： 复杂立方点阵。如Cr23C6，Mn23C6。 M7C3型： 复杂六方点阵。如Cr7C3，Mn7C3。 M3C型： 正交点阵。如Fe3C。 M6C型： 复杂六方点阵。如Fe3W3C，

4、Fe4W2C。 M2C型： 密排六方点阵。如 W2C，Mo2C 。 似着相溶，强者先。似着相溶，强者先。 MCMCMM 6 6C C MM23 23 C C6 6 MM 7 7C C3 3 MM 3 3C C 强着稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难。强着稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难。 1.2 1.2 合金元素在钢中的分布及偏聚合金元素在钢中的分布及偏聚 合金元素的偏聚合金元素的偏聚 溶质原子与晶界结合 晶界内吸附 溶质原子与位错结合 C、N偏聚 柯氏气团 晶体缺陷：晶界、相界、亚晶界、位错等 Cg 缺陷的溶质偏聚浓度 C0 溶质在基体晶内的浓度 E 为溶质原子在晶内和晶界区引起畸变能差

5、缺陷偏聚的富积系数缺陷偏聚的富积系数 位错偏聚晶界内吸附 1.3 1.3 合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢强韧化的影响 强化即提高塑变抗力，而塑变本质是位错运动。 提高强度即阻碍位错运动，造成位错运动困难。 固溶强化：固溶强化：晶格畸变，产生弹性应力场， 应力场作用于 位错，增大位错运动阻力，导致强化。 若干种合金元素合金化铁素体时，其对强度的贡献 KiF是1%(重量)的第i种合金元素固溶后引起铁素体屈服强度增量的强化系数； CiF为第i种合金元素溶于铁素体中的重量百分浓度 晶界强化：晶界强化：晶界附近产生位错塞积，形成加工硬化微区阻碍 位错运动。 晶粒越细，晶界越多，强化效果好。 晶界强

6、化的具体方法: C、N、Ni等，使其晶界偏聚； Nb、Ti、V等，形成稳定、细小的碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大。 s = i + kd-0.5 铁素体的屈服强度随晶粒度变化 韧-脆转变温度Tc随晶粒度变化 Tc=Klnd-0.5 第二相强化：第二相强化：位错运动遇到第二相粒子，或切过或绕 过，消耗额外能量。 沉淀强化 第二相粒子通过合金化+淬火时效形成。 弥散强化 改变第二相粒子分布。 第二相粒子与母相非共格（绕过） 第二相粒子与母相共格（切过） 位错强化：位错强化：提高位错密度。 方法塑性变形提高位错密度。 增加第二相粒子。让位错增殖。 提高淬透性，位错型亚结构增加。 不同情况，不同要求，要严

7、格控制合金元素含量不同情况，不同要求，要严格控制合金元素含量! ! 强化必然以损失塑性和韧性的为代价强化必然以损失塑性和韧性的为代价! ! 韧化途径韧化途径 细化晶粒它是既强化又韧化钢材的唯一办法 降低有害元素的含量减少在晶界的偏聚 调整合金元素含量抑制钢的脆性断裂倾向 降低钢中的含碳量 发展位错型马氏体 两个合金化基本原则：两个合金化基本原则： 在维持合金高性能的前提下，尽量减少合金组元数。 获得合金高性能时，控制显微组织作为替代方法。 这种设计合金的思路叫省合金化设计或最小合金化法这种设计合金的思路叫省合金化设计或最小合金化法。 1.4 1.4 合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号 用途分

8、类用途分类 工具钢 特殊性能钢 结构钢 工程结构钢 普通碳素结构钢 机械制造结构钢 低合金高强度钢 调质钢 渗碳钢 弹簧钢 轴承钢 刃具钢 模具钢 量具钢 碳素工具钢 低合金工具钢 高速钢 热作模具钢 冷作模具钢 不锈钢 耐热钢 解释下列现象: (1)在相同含碳量情况下，除了含Ni和Mn的合金钢外 ，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高. (2)在相同含碳量情况下，含碳化物形成元素的合金 钢具有较高的回火抗力. (3)含碳0.40，含Cr12的钢属于过共析钢，而含 碳1.5、含Cr12的钢属于莱氏体钢. (4)高速钢在热锻或热轧后，经空冷获得马氏体组织. 第第2 2章章 工程结构钢工程结构钢

9、 服役特点服役特点 不作相对运动,长期承受静载荷作用,有一定的使用温度和环境要求。 力学性能要求力学性能要求 工艺性能要求工艺性能要求 弹性模量大，有好的刚度； 足够的抗塑性变形及抗破断的能力； 缺口敏感性及冷脆倾向性较小 一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。 良好的冷变形性能和焊接性能。 以工艺性能为主，力学性能为辅。 普普通碳素结构钢通碳素结构钢Q195、Q215、Q235、Q275 低合金高强度钢低合金高强度钢Q345、.Q620 、Q690 低合金高强度钢设计思路低合金高强度钢设计思路 设计指标设计指标 1. 较高的屈服强度，低的脆性转变温度，一定的屈强比； 2. 良好的可焊性；成本低。

10、. 为满足可焊性要求，钢的碳含量应低于0.3。 . Mn是唯一增加强度又对Tk影响不大的元素。不宜加过多，易过热。 . Nb、V、Ti可作为微合金化元素。 . Al可净化铁素体中N，同时AlN可细化晶粒。 . 应慎重考虑Si、Mn的置换固溶强化机制应用。 . Cu提高抗电化学腐蚀能力，但过多引起热脆。 成分设计思路成分设计思路 . 珠光体虽能增加强度，但增加TR，继续强化不能它实现。 . 细化铁素体晶粒能获得最佳的强韧配合效果。 . 还可考虑第二相沉淀强化，影响Tk较小。 工程结构钢的强化工程结构钢的强化 Mn、Si起主要作用固溶强化固溶强化 细晶强化细晶强化 强碳化物形成元素（V，Ti，Nb

11、）和Al 沉淀强化沉淀强化 固溶于奥氏体中的V，Ti，Nb，发生相间沉淀和 在铁素体中析出极细小的碳化物颗粒。 合金元素对韧性的影响合金元素对韧性的影响 脆性转变温度升高 C C MnMn 1.5%时，明显降低韧性 NiNi、CrCr 降低脆性转变温度 N N、P P、SiSi 明显降低冲击韧性 V V、TiTi、NbNb 细晶强化可以补偿对韧性的损害 第第3 3章章 机械制造结构钢机械制造结构钢 承受大小或大小方向变化的载荷要求高的疲劳强度； 承受静载荷或短时超载要求高的屈服极限和强度极限； 承受冲击载荷要求高的韧性、疲劳强度、硬度等； 零件存在相互运动要求高的耐磨性； 零件形状复杂存在台阶

12、等尖角要求低的缺口敏感性。 服役条件下力学性能要求服役条件下力学性能要求 调质钢调质钢 齿轮、轴、拉杆等零件 用途用途 良好的综合机械性能 性能要求性能要求 3.1 3.1 整体强化态钢整体强化态钢 淬火+高温回火 热处理热处理 二次硬化二次硬化 二次淬火二次淬火 非调质钢非调质钢 通过微合金化、控轧控冷等强韧化方法，达到或接近调质 钢力学性能的钢。 淬火钢回火时，合金碳化物的析出，造成硬度升高的现象。 高合金淬火钢回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象 。 晶间腐蚀晶间腐蚀 晶界合金元素的贫化使晶粒间界受到腐蚀。 应力腐蚀应力腐蚀 在外应力或残余应力作用下产生的腐蚀。 功能材料功能材料 以优

13、良的电学、磁学、光学、热学、声学等物理性能为基 础，在能量与信息的显示、转换、传输、存储等方面具有 独特功能的材料。 磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料。 永磁材料永磁材料 超导材料超导材料 具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线 的性质的材料。 具有形状记忆效应的合金。 形状记忆合金形状记忆合金 奥氏体不锈钢晶间腐蚀奥氏体不锈钢晶间腐蚀 晶界上析出连续网状富铬的 Cr23C6引起晶界周围基体产生贫铬区，贫 铬区成为微阳极而发生的腐蚀。 n/8n/8规律规律 当Cr 的含量达到1/8，2/8原子比时，Fe固溶体的电极电位跳跃式显著提 高的现象。 锌当量系数锌当量系数

14、用加入1%的其它合金元素对组织的影响上相当于百分之几的Zn的换算 系数来预估加入的合金元素对多元黄铜组织的影响，这种换算关系称为 锌当量系数。 “475475脆性脆性” 高Cr（15%）铁素体不锈钢在370540较长时间停留后，室温变得 很脆，冲击韧性和塑性接近零。 是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或 化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。 复合材料复合材料 金属基复合材料的理念金属基复合材料的理念 1）把基体优越的塑形和成形性与强化体的承受载荷能力及刚 性结合起来； 2）把基体的高热传导性与强化体的低热膨胀系数结合起来。 合金元素合金元素V V、CrCr、WW、MoMo、MnM

15、n、CoCo、NiNi、CuCu、TiTi、AlAl中哪些是中哪些是 铁素体形成元素？哪些是铁素体形成元素？哪些是 奥氏体形成元素？哪些能在奥氏体形成元素？哪些能在-Fe-Fe中形中形 成无限固溶体？哪些能在成无限固溶体？哪些能在-Fe -Fe 中形成无限固溶体？中形成无限固溶体？ 铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti、Al； 奥氏体形成元素：Mn、 Co、Ni、Cu能在-Fe中形成无限固溶体：V、Cr； 能在-Fe 中形成无 限固溶体：Mn、Co、Ni 简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。 1）改变了奥氏体区的位

16、置 2）改变了共晶温度：扩大相区的元素使 A1，A3下降；缩小相区的元素使A1，A3升高。3）改变了共析含碳量 ：所有合金元素均使S点左移。 合金钢中碳化物形成元素（合金钢中碳化物形成元素（V V，CrCr，MoMo，MnMn等）所形成的碳化物等）所形成的碳化物 基本类型及其相对稳定性。基本类型及其相对稳定性。 基本类型：MC型；M2C型；M23C6型；M7C3型；M3C型；M6C型；（强K形 成元素形成的K比较稳定，其顺序为：TiZrNbVWMoCrMnFe） 各种K相对稳定性如下：MCM2CM6CM23C6M7C3M3C 钢有哪些强化与韧化途径？钢有哪些强化与韧化途径？ 强化的主要途径：在晶体中增加阻碍位错运动的阻力。钢的合金化 、冷热加工及其综合运用是强化的主要手段。 强化机理：固溶强化、细晶强