西北工业大学热处理复习02

第5章 金属强韧化导论
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5.1 金属材料的强度、塑性和韧性
¾ 力学性能是金属材料在受外加载荷作用时，或载 荷与环境因素（环境、介质和加载速率）联合作 用下所反映出来的性能
¾ 表现为变形和断裂 ¾ 改善强韧性：金属材料领域重要的研究方向之一
5.1.3 金属材料的强韧化
¾ 强度和韧性，通常只能居其一 ¾ 强韧化方法，从材料学成分、组织（结构）与性能
的思路可分为，添加合金元素的强韧化和改变组织 的强韧化 ¾ 与金属在变形和断裂过程中位错的运动、增值和交 互作用等微观过程有关 ① 合金化对金属材料强韧化的作用 ② 组织结构对金属材料强韧化的作用
5.2 强化机制
提高金属材料强度途径
两种方法 ¾ 完全消除内部的缺
陷，使它的强度接 近于理论强度
¾ 增加材料内部的 缺陷，提高强度
材 料
无缺陷的 理论强度
强
度
退火状态
冷加 工状 态
缺陷数量
材料强度与缺陷数量的关系
提高金属材料强度途径
¾增加材料内部的缺陷，提高强度
即在金属中引入大量的缺陷，以阻碍位错的运动
① 固溶强化 ② 细晶强化 ③ 形变强化 ④ 第二相强化
5.2.1 固溶强化
™ 定义：当合金由单相固溶体构成时，随溶质原子含量的
增加，强度和硬度上升，塑性和韧性值下降。

™ 本质：利用点缺陷对位错运动的阻力使金属获得强化 ™强化机理
¾ 间隙固溶体
a. 碳、氮等间隙式溶质原子嵌入金属基体的晶格间 隙中，使晶格产生不对称畸变造成的强化效应
b. 间隙式原子在基体中与刃位错和螺位错产生弹性 交互作用，使金属获得强化。

¾ 替代式溶质原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面 对称的，因而强化效果要比填隙式原子小
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5.2.2 细晶强化
™ 定义 ™ 强化机理
¾晶界对位错滑移的阻滞效应
当位错运动时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，加之这 里杂质原子较多，增大了晶界附近的滑移阻力，滑移 带不能直接进入一侧晶粒中
¾晶界上形变要满足协调性
需要多个滑移系统同时动作，这同样导致位错不易穿过 晶界，而是塞积在晶界处 —晶粒越细，晶界越多，位错阻滞效应越显著，多晶体的强 度就越高
5.2.3 形变强化（位错强化）
™定义 ™强化机理
金属在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力 场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错
的运动越来越困难—形变强化(位错强化/加工硬化)
™作用
¾提高材料的强度 ¾使变形更均匀 ¾防止材料偶然过载引起破坏
形变强化是热处理不能强化的金属材料的主要强化方法。

™不利方面
¾ 金属在加工过程中塑性变形抗力不断增加，使金属的 冷加工需要消耗更多的功率
¾ 形变强化使金属变脆，因而在冷加工过程中需要进行 多次中间退火，使金属软化，才能够继续加工
™限制
¾ 使用温度不能太高，否则由于退火效应，金属会软化 ¾ 对于脆性材料，一般不宜用形变强化来提高强度性能
5.2.4 第二相强化
™分类 ① 通过相变（热处理）获得 析出硬化、沉淀强化或时效强化 ② 通过粉末烧结或内氧化获得 弥散强化
™强化效果 ¾相粒子的强度、体积分数、间距、粒子的形状 和分布等都对强化效果有影响 ¾第二相粒子强化比固溶强化的效果更为显著
通过各种工艺手段使第二相质点弥散分布，可以阻 碍合金内部的位错运动，从而提高合金强度的方法。

第二相一般指各种化合物质点。

获得第二相的途径： 1）沉淀强化：第二相微粒是通过过饱和固溶体的时效处 理而沉淀析出并产生强化 2）弥散强化：第二相微粒是通过粉末冶金方法加入并起 强化作用。

5.3 改善塑性和韧性的途径
¾ 工程实践中，建筑、桥梁、船舶、压力容器、输气管道等出 现过不少重大脆断事故
¾ 单纯依靠材料强度作为构件设计原则远远不够 ¾ 需要对塑性指标、以及反映强度和塑性的韧性指标进行合理
设计，寻求改善塑性和韧性的途径 ¾ 材料的韧化，即抑制其脆化 ¾ 提高韧性：在保障所需强度的前提下增加塑性。

成分和组织结构，外界条件
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5.3.2 影响塑性的主要因素
塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形，而不破坏其 完整性的能力。

变形抗力是指金属对变形的抵抗力。

➣化学成分的影响 材料的性质(内因)
➣组织结构的影响
加工条件(外因)
➣变形温度的影响 ➣变形程度的影响 ➣变形速度的影响 ➣应力状态的影响 ➣接触摩擦等的影响
1. 化学成分的影响
1).杂质的影响
一般而言，金属的塑性是随纯度的提高而增加的
例1. 纯铝：纯度99.96%，延伸率45% 98%，延伸率30%
例2. 化学纯铁具有非常大的塑性，但工业纯铁，其塑性却不完全如此。

例3. 铁中的杂质：磷→冷脆性； 硫→热脆性； 碳、氮→时效脆性； 氢→氢脆现象，白点(细小裂纹)
2. 组织结构的影响
1). 晶粒大小 2). 第二相的影响 3). 位错强化与钢的塑性 4). 铸造组织的影响 5). 晶格类型的影响
提高金属塑性的主要途径
为提高金属的塑性，必须设法促进对塑性有利的因素，同 时要减小或避免不利的因素。

① 控制化学成分、改善组织结构，提高材料的成分和组织的 均匀性； ② 采用合适的变形温度—速度制度； ③ 选用三向压应力较强的变形过程，减小变形的不均匀性， 尽量形成均匀的变形状态； ④ 避免加热和加工时周围介质的不良影响等，在分析解决具 体问题时应当综合考虑所有因素，要根据具体情况来采取 相应的有效措施。

5.3.3 改善韧性的途径
韧性：强度与塑性综合 断裂过程：裂纹形核 + 裂纹扩展 通常以裂纹形核和扩展能量消耗或裂纹扩展抗力标
志材料韧性。

组织结构不同，断裂方式不同，断裂机制不同。

促进裂纹形核和扩展 —— 导致材料脆化； 缓和裂纹形核和扩展 —— 导致材料韧化。

断裂：延性断裂、解理断裂和沿晶断裂
延性断裂：微孔形成、聚集长大，塑性起主导作用。

韧窝是金属塑性断裂的主要微观特征 改善金属材料延性断裂的途径： ① 减少诱发微孔组成相，如减少沉淀相数量； ② 提高基体塑性，增大裂纹扩展能量消耗； ③ 增加组织均匀性，减小应力集中； ④ 避免晶界弱化，防止裂纹沿晶界形核与扩展；
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5.4 环境对强韧性的影响
¾环境效应：自然环境、工业环境 油气管道中的硫腐蚀
¾腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、材料的高温行为、 液态金属致脆和辐照损伤
5.4.2 高温对金属强韧性的影响
¾ 高温、低温：以0.5Tm为界 ¾ 存在所谓“蓝脆”区 高温条件下 ¾ 形变方式：不仅有位错滑移、还有扩散变形及晶界
的滑动与迁移等方式 ¾ 断裂方式：由低温时的穿晶断裂过渡到高温的晶间
断裂。

高温下，晶界的强度减弱
高温力学性能指标 ¾ 材料除应力应变关系外，加入温度与时间因素 ¾ 热强性：金属材料在高温和载荷作用下，抵抗塑
性变形和破坏的能力 ① 高温短时力学性能指标：
拉伸力学性能、高温硬度 ② 高温长时力学性能指标：
蠕变极限、持久强度和松弛稳定性
改善金属高温力学性能的途径 ① 强化基体：选择原子结合力强、熔点高、自扩散
能大或层错能低的金属 ② 强化晶界：净化晶界、填充晶界空位、晶界沉淀
强化 ③ 弥散相强化：固溶时效、粉末冶金或形变热处理
第6章 钢铁材料
6.1 钢的合金化基础
6.1.1 钢中的元素及其影响
合金元素和杂质元素 杂质元素：S、P、N、H、O等 冶炼时或由原料、燃料、耐火材料带入。

① 合金元素 以固溶体形式存在 碳化物或金属间化合物强化相 形成非金属夹杂物（氧化物、氮化物） 以游离态存在
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② 硫和磷的影响
a. S和Fe能形成FeS，与γ-Fe形成低熔点(989℃)共晶。

凝固时沿 晶界分布；钢加热到高温，1100℃以上时，共晶体熔化，轧 制或锻造时的晶界碎裂(热脆)。

加Mn可消除。

b. P可固溶于α-Fe，有明显固溶强化效果，但显著降低塑性和 韧性韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

此外，P-Fe合金的 结晶范围很宽，P具有严重的偏析倾向。

P可提高钢在大气 中的抗腐蚀性能。

③ 气体元素的影响
a. H：冶炼过程中，由含水的炉料及潮湿的大气带入；钢中和应力的联合 作用将引起金属材料产生氢脆。

在钢中产生裂纹，降低钢的塑韧性；易 在焊缝处产生裂纹。

b. N：在冶炼时由炉料及炉气进入；含过饱和N的钢在室温长时间放置或 稍微加热时，N逐渐以氮化铁的形式从F中弥散析出。

使低碳钢的强度 、硬度↑，塑韧性↓（时效脆化） ；可与V、Ti、Nb等形成稳定的氮化物 ，有细化晶粒和沉淀强化，N也可↑钢的耐热性能。

c. O：在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物 MgO•Al2O3、MnO•Al2O3等非金属夹杂物，裂纹起点，对钢的质量有 重要影响
6.1.2 合金元素与铁和碳的相互作用 1 合金元素与铁的相互作用
(1) 无限扩大γ相区
δ
A4
温
度
A3
γ
α
Fe 主要有Ni、Mn、Co
Fe-Ni相图
(2) 有限扩大γ相区
δ
A4
温
度
γ
A3
A1 α Fe
• 合金元素在γ-Fe中有限固 溶，不能无限扩大
• 碳和氮；Cu、Zn、Au等
(3) 封闭γ相区
A4
温
度γ
α
A3
Fe
形成γ相圈，α-Fe与δ-Fe相区合并 主要有钒、铬、钛、钼、钨、铝、 硅、磷、锡、锑、砷等
1500
1400
1300
温 1200
度， ℃ 1100
7Mo
4Mo
1000 900 800
2Mo 0Mo
700
600
1500 1400 1300 温 1200 度， ℃ 1100 1000 900 800 700 600
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 碳含量，%
钼对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
19Cr 15Cr
12Cr 5Cr 0Cr
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 碳含量，%
铬对Fe-Fe3C相图奥氏体区的影响
(4) 缩小γ相区
A4
δ
温
度
γ
A3 α Fe
出现了金属间化合物，破坏了γ 圈的完整性，主要有硼、锆、 铌、钽、硫、铈
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2. 合金元素与碳的相互作用
根据与碳的亲和力，合金元素分为两类： 碳化物形成元素：
Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti 以上由弱至强 非碳化物形成元素：
Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B
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6.1.3 合金元素对钢相变的影响 1 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 (1) 对奥氏体和铁素体存在范围的影响
奥氏体钢 铁素体钢
(2) 影响相图临界点（S、E)
所有合金元素均使S、E点左移 强碳化物形成元素的作用尤为强烈
6.1.4 钢的分类和编号 1 钢的分类 (1) 按化学成分分
低碳钢 ≤0.25%C 碳素钢 中碳钢 0.25~0.6%C
高碳钢 >0.6%C
低合金钢 合金元素总量 <5% 合金钢 中合金钢 合金元素总量 5~10%
高合金钢 合金元素总量 >10%
(2) 按用途分
工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆
结构钢
渗碳钢 调质钢
机器用钢 弹 簧 钢
滚动轴承钢
耐磨钢
刃具钢 工 具 钢 模具钢
量具钢
不锈钢 特殊性能钢 耐热钢
(5) 按品质分
¾ 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。

¾ 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢. ¾ 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：
钢类
普通质量钢 优质钢
高级优质钢 特级优质钢
碳素钢
P
S
≤0.045
≤0.045
≤0.035
≤0.035
≤0.030 ≤0.025
≤0.030 ≤0.020
合金钢
P
S
≤0.045
≤0.045
≤0.035
≤0.035
≤0.025 ≤0.025
≤0.025 ≤0.015
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2 钢铁产品牌号表示方法
¾ 沟通生产者、经销者和使用者的共同语言。

¾ 我国现行有两种钢铁产品牌号表示方法，即“钢
铁产品牌号表示法（GB/T221-2000）”和“钢铁 及合金牌号统一数字代号体系（GB/T176161998）”，两种表示方法在现行国家标准和行业 标准中并列使用，两者均有效。

6.2.2 构件用钢的力学性能特点
构件用钢使用特点：
1.用于制作工程结构，冶炼简便，成本低，用量大 2.供静态使用。

使用时一般没有相对运动 3.长期承受静载 4.在一定温度与环境条件下
构件用钢性能要求： 1. 使用性能：保证钢材安全可靠服役的性能要求
（1）力学（机械性能）：足够的刚度、塑变抗力、 断裂抗力、塑性，尽量减小缺口敏感性、冷脆倾向
（2）化学稳定性：耐环境（大气、海水、河水、工 业环境）腐蚀能力
6.2.3 构件用钢的工艺性能
工艺性能：为满足构件服役时的形状和连接要求的性能
（1）冷变形性能： a. 变形抗力反映了通过变形制备成设计形状部件的难易程度； b.承受一定量塑性变形时产生变形、开裂或其它缺陷的倾向性； c.冷变形前后的性能变化。

（2）焊接性能：
a. 焊接接头性能(碳当量)；b. 焊接时形成裂缝的倾向
构件用钢选材原则：
1.选材首先满足工艺性能的要求，并充分考虑其力学性能 2.材料的成分以低碳钢(C<0.2%)为主；材料组织大量F+少量P 3.构件材料供应态（热轧空冷正火态）直接使用；特殊情况下 使用淬火回火态
6.3 机械零件用钢
• 定义：
用于制造各种机器零件的钢种。

• 按用途分类：
调质钢、低碳马氏体钢、超高强度钢、渗碳钢、 弹簧钢、氮化钢、轴承钢、易切削钢、低温用钢等
受力状态：
拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几 种载荷同时作用
6.3.2 机械零件用钢的合金化特点
¾ 合金元素主要Cr, Mn, Si, Ni, Mo, W, V等。

对提高 淬透性和力学性能起主导作用。

¾ 辅加元素 如W, Mo, V, Ti, B, RE等 单加或混合加入，总量一般不超过5%
主要作用有：
① 提高钢的淬透性 ② 降低钢的过热敏感性 ③ 提高回火稳定性 ④ 抑制第二类回火脆性 ⑤ 提高钢的工艺性能
6.5 不锈钢
• 不锈钢、耐热钢、耐磨钢 ——主要介绍不锈钢
1 腐蚀概念与分类： 概念：材料与环境介质产生有害 反应，导致材料的变质或破坏。

分类： 化学腐蚀： 金属 －介质，纯化学反应； 电化学腐蚀： 金属－电介质溶液，原电池 └条件： 存在电极电位差；液态介质 钢中组织不均匀、成分不均匀→电极电位差
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2 提高耐电化学腐蚀途径
减少原电池形成的可能； 减小内部电极电位差； 将金属与电介质隔离。

具体： （1）形成单相、均匀组织 （2）提高基体电极电位 （3）形成致密钝化薄膜
(4) 产生钝化作用
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腐 蚀 速 度
3 不锈钢的合金化原理
(1) 添加提高基体电极电位元素
Cr、Ni、Si
1/8 2/8 3/8 n/8
Cr 加入铁中形成的固溶体，电极电位与Cr 含量之间符合n/8 规律
12.5%, →11.7%, →Cr>13%
（2）添加形成单相固溶体元素
Ni 、Mn、Cu; ——单相奥氏体
Cr>12.7%——单相铁素体
(3) 可形成致密氧化物元素： 要求：结构致密、不溶于腐介、高电阻 Cr – Cr2O3; Al – Al2O3; Si – SiO2 ； MoO3;
不锈钢中不可缺的元素： Cr>13%
Cr的作用：提高基体电极电位； 形成致密氧化膜； 一定条件下形成单相铁素体
不锈钢成分特点
¾低碳 ¾主加Cr，>13% ¾添加Ni: 单相奥氏体 ¾加Mo、Cu——抗非氧化性酸 ¾Ti、Nb——抗晶间腐蚀 ¾Mn、N——替代Ni
4 典型不锈钢
按正火态组织分为：M、F、A Cr13型：0.1%~0.4%C; 13～18％Cr
马氏体型 ( 较高碳；较低Cr ) 1Cr13、 2Cr13、 3Cr13、9Cr18
Cr17型： C<0.15% ; Cr>15% 铁素体型 ( 低碳高铬) 1Cr17、 1Cr17Mo2Ti
18-8型： C<0.1% ; 18%Cr, 9%Ni 奥氏体型 （低碳高铬高镍）
1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9 (Ti)
6.7 铸铁
¾使用最早的金属材料之一 ¾用量仅次于钢材 ¾以铁和碳为主的合金，化学成分：2~4%C、 1~3%Si、 0.1~1%Mn、0.02~0.25%S、 0.05~1.0%P ¾实际是以Fe、C、Si为主要成分的且在结晶过程中 具有共晶转变的多元铁基合金
白口铸铁硬、脆，基本无实用意义。

但实际应用中存在大量铸铁——灰口铸铁
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3 铸铁的分类与牌号表示方法 根据碳的存在形式及石墨的形态
① 灰口铸铁：碳全部或大部分以游离态的片状石墨形态存在， 断口呈浅灰色
② 球磨铸铁：碳以游离态的球状石墨形态存在 ③ 蠕墨铸铁：碳以游离态的蠕虫状石墨形态存在 ④ 可锻铸铁：碳以游离态的团絮状石墨形态存在，与回扣铸铁
相比，有较好的塑性和韧性，但并不可锻 ⑤ 白口铸铁：碳以化合态的Fe3C形式存在，断口呈亮白色
第7章 有色金属及其合金
7.1 铝及铝合金
7. 1.1 铝及铝合金的主要特征
重要的有色金属材料之一，产量占有色金属的一半。

（1）密度小
纯铝密度约为2.7g/cm3, 常见铝合金的密度处于2.63-2.85g/cm3 , 而Al-4Li, 2.4g/cm3 , Al-12Fe, 3.06/cm3 , 比Cu、Fe及其合金轻得多。

铝及铝合金的比强度（强度/密度的比值）高（LY12的比强度约为17.4， 而40Cr的约为12.8 ）， 铝及铝合金在航天航空工业，交通运输，兵器军工等领域有着广泛的 用途，对航天器、汽车、高速磁悬浮列车、火箭导弹等的轻量化起着 积极的推动作用。

7.1.2 铝的合金化、分类与牌号
纯铝强度低，σb=80-100MPa, σ0.2=30-50MPa, δ=35-40%,
HB=25-30, 即使是冷变形60-80%, σb=150-180MPa,但 δ=1-1.5%，
难以满足需要，需合金化。

（1）提高强度的途径
共晶含量少或无， 高温和低温塑性高， 强度高
铸造性好，流动性 好，易填充，不易 冷热裂
¾固溶强化
¾沉淀强化 ¾过剩相强化
主要的
¾细晶强化
¾加工硬化
从合金化的角度看，可选择的元素应有如下特点：固溶度大（低温） ，或高温极 限固溶度大，而低温的小，或可形成作为结晶晶核的第二相颗粒或钉扎晶界的稳 定相颗粒。

（3）铝及铝合金分类
纯铝
变形铝及
铝 铝合金
及
铝
铝合金
合
金 Al-Si系
铸造铝合 Al-Cu系
金
Al-Mg系
Al-Zn系
热处理不可强化铝合金
高纯铝（Al ＞ 99.93%）
工业纯铝（Al ＞ 98.8%）
防锈铝 Al-Mn系, Al-Mg系 硬 铝 Al-Cu-(Mg)系 锻 铝 Al-Mg-Si-(Cu)系,
Al-Cu-Mg-Fe-Ni系 超硬铝 Al-Zn-Mg-(Cu)系
热处理可强化铝合金
7.2 铜及铜合金
铜及铜合金性能特点
¾ 纯铜呈紫红色，故又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素 异构转变，无磁性。

¾ 纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水 中有良好的耐蚀性，塑性好。

¾ 铜合金常加元素为Zn、Sn、Al、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Zr 、Cr等。

¾ 铜合金分为黄铜、青铜、白铜三大类。

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7.3 钛及钛合金
（1）性能优良 力学性能—— 强度与调质钢相当，但密度小，4.5×103kg/m3，即比强度高， 航空、航天不可少； 400-500℃高温性能优于Al、Mg合金； 抗蚀性—— 可与不锈钢媲美，用于化工，有生物相容性（人造骨、心脏起 搏器等） （2）工艺难度大 化学性能活泼，冶金熔炼难度，因此生产成本高、价格高。

3. 合金元素的分类：
（1）α稳定元素 提高转变温度，扩大α相区，在α相中有较大溶解度的元素，
主要包括：Al、O、N、C等 （2）β稳定元素
降低转变温度，扩大β相区，在β相中有较大溶解度的元素， 有两种情况：与β-Ti同晶型的元素——V、Nb、Ta、Mo、RE等
与β-Ti异晶型的元素——H、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si等 （3）中性元素
对转变温度影响不大，既溶于α相又溶于β相的元素， 主要包括：Zr、Hf、Sn等
4. 合金类型与成分的关系
根据合金元素的种类、数量及室温组织的不同，可将 钛合金分为三大类：
4α型钛合金、以TA后加顺序号表示其牌号 4β型钛合金，以TB后加顺序号表示其牌号 4α+β型钛合金，以TC后加顺序号表示其牌号。

7.5 镍及镍合金
¾ 具有优良的力学性能和极优秀的耐蚀性 ¾ 适当合金化可得到高电阻 ¾ 高的热强性和热稳定性等 用途： ① 电热用镍合金 ② 热电偶用镍合金 ③ 电真空用镍合金 ④ 镍基高温合金
耐热镍合金
¾ 耐热镍合金的基体是以镍为基的固溶体，面心立方结构， 以γ表示。

可固溶大量的W、Mo、Cr、V其固溶强化作用
¾ γ’相是耐热镍合金的主要强化相，为长程有序的面心立方 结构，A3B型金属间化合物，化学式为Ni3Al
¾ 碳化物对耐热镍合金的高温强度、抗氧化性能有重要影响 MC、M23C6、M6C
7.6 难熔金属及其合金
指熔点高于1650℃的金属，W、Mo、Ta、 Nb、V、Zr等 ① 熔点高、熔炼困难 ② 高温下易吸气与氧化，加工过程需要真空或 保护气氛下进行 ③ 变形抗力大、加工过程高耗能
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