金属材料学总复习

适 量 加 入
以免生成难溶的K
④适量加入, 符合经济性 Me作用不是线性的,适量，体现经济性
2、主要合金元素作用归纳
Cr ① ↑淬透性 → ↓Δ Gγ →α ，↓K形核长大。Cr、Ni等复合作 用大，如调质钢40Cr—40CrNi—40CrNiMo。
② ↑回稳性 → 阻止M3C型长大。如40 Cr与40钢相比，
球墨铸铁：球状 G ， 球化处理。热处理 工艺：与灰铁不同， 与钢区别。不同工 艺得到不同基体组 织。性能与用途
蠕铁：蠕虫状G 特殊性能铸铁：耐 蚀、耐磨、耐热
工业纯铝： 密度 2.72 。 导 电、导热性好， 抗蚀性好，塑 性高
防锈铝合金 只能变形强化。 Al-Mg 、 AlMn系。 LF5 Al
二、合金化
1、合金化原则 多元适量，复合加入
多元 多元作用大，效果好，又经济。合金元素 并不是简单的代数和。简单比喻：人每 可科学地配制食谱，做到既满 的作用
天的营养摄入，
足营养要求，又不会使
某种营养过剩。
多元复合加入的作用或情况主要有以下几种：
⑴ 提高性能。如↑淬透性，复合作用不是线性 相加的。如：40Cr →40CrNi → 40CrNiMo
思想：材料学是一门很有“思想”的课程，只是 要从学习过程中体会和挖掘出来。
结构钢是强度-韧度的匹配，
辨证作用 矛盾转化
工模具钢主要是韧度-耐磨性的协调， 铸铁石墨形态和力学性能之间的关系等 —— 由强-韧性反映出来的矛盾
材料的这些矛盾涉及到合金化设计、处理工艺
等。强度有余时，矛盾主要方面是如何提高韧度。 并且矛盾的主、次方面在一定条件下可以转化。
合金化
Cu、Mg、 Zn、Si、Mn
固溶强化 细化组织强化 时效强化 第二相强化
α
L+α
L
基本过程： GP→θ ″→θ ˊ→θ 。 条件：Me能溶入α ； 随 T↓ 而 固 溶 度 ↓ ↓ ； 析 出相强化作用大。
α +β Me
铸造铝合金： Al-Si ，ZL104 Al-Cu，ZL201 Al-Zn，ZL402 Al-Mg，ZL301
火脆性大。
⑤ ↓Ms → ↑Ar。
V ① ↑热强性 → VC质点稳定性好，且弥散分布，如耐热 钢Cr-Mo-V。 ② 细化晶粒 → VC质点细小、稳定，有效阻止晶界移动，
如40Mn2V、50CrV。
③ ↑红硬性、耐磨性 → VC质点细小、稳定、弥散，如 高速钢均含V。 ④ ↓过热倾向 → VC质点溶解稳定较高，晶粒不易长大， 4040Mn2V。 ⑤ ↓磨削性 → VC质点硬度高，容易产生磨削裂纹，如 9Mn2V的磨削性较差。
60Si2Mn等；
② ↑低温回火稳定性 → 抑制 ε-K 形核长大及转变，如 30CrMnSi、9SiCr。
③ ↑抗氧化性 → 形成致密的氧化物，如高温抗氧化钢
Cr18Si2,排气阀用钢4Cr9Si2。 ④ ↑淬透性 → ↓K形核长大，使“C”线右移，高C时作
用较大。
⑤ ↑淬火温度 → ↑A1 。如9SiCr，Ac1为770℃。 ⑥ ↑脱C、石墨化倾向 → Si↑碳活度，含Si钢脱C倾向大。 如9SiCr、60Si2Mn等
回火到相同硬度时，回火温度可↑30-40℃。 ③ ↑抗氧化性、热强性 → 形成Cr2O3，↑FeO出现的温 度；↑原子间结合力，↑热强性。如耐热钢， Mo-CrV。
Cr ④ ↑耐蚀性 → ↑电极电位，n/8定律。如不锈钢。 ⑤ 细化晶粒，改善K均匀性 → K较稳定，如GCr15。
⑥ ↑回火脆性 → 促进杂质原子偏聚，如40CrNi。
• 高碳钢的第二相；
• 齿轮、轴类零件的选材料； • 不同表面强化工艺特点、应用和适用钢种。
2、归纳各类钢的工艺特点
① 合金元素多，钢的导热性较差，工艺的可变性也大。因此，
工 艺 相 对 就 比 较 复 杂 。 如 高 速 钢 、 Cr12MoV 、 18Cr2Ni4W、3Cr2W8V等。 ② 过共析钢，希望K稳定，用较强K形成元素。量可较多，残 余K细化晶粒，又提高耐磨性。如过共析钢采用不完全淬火， 低温回火；要重视预先热处理，球化工艺。 ③ 亚共析钢，采用完全淬火，希望钢中的K不稳定，在加热时
C量
组织
应用
要点
碳素钢 低合金 高速钢 冷作模具钢 热作模具钢
量具钢
自由焓 有利于石墨 化
成分、结构、 扩散有利于 Fe3C析出
HT200 QT400-18 KTZ450-06 牌号及数字意义
灰口铸铁：片G， 性能特点与用途。 孕育处理
可锻铸铁：团絮状 G ，由白口铁经石 墨化得到，性能与 用途
热力学
掌握理解：固溶强化、位错强化、细晶强化和弥
散强化等强化机理。
正火和淬火、高温回火得到的同样是珠光体组织，
但为什么一般钢要经过淬火、回火?在这些处理过程
中，合金元素存在的形式和所处的位置是怎样变化
的，其它组织结构是怎样变化的，固溶强化、位错
强化、细晶强化和弥散强化等强化机制是如何相互
转化的。这些问题涉及了所有的专业课知识。
适量 合金元素的某种作用在含量达到一定量 时往往会起
不良的影响，而且还有经济性的问题。
适量的原因，除了经济的因素外，主要有以下几种情 况：
①有Me增多后，会降低材料的塑韧性 如构件钢中，一般Si<1.1%，Mn<1.8% ②有些Me增多，会恶化K的分布 如高速钢中Cr，CrWMn中的W等 ③有的会改变K类型，↑热处理难度 如一般结构钢中V<0.1~0.2%，Mo<0.5%左右，
可热处理强化 特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化
超硬铝：如LC4 Al-Zn-Mg-Cu系 性能特点：强度高， 耐热性、抗蚀性差。 热处理：淬火温度较 宽 硬铝：LY12 Al-Cu-Mg系。 性能特点：强度比较高，耐 热性好，抗蚀性差。 热处理：淬火温度窄，要求 冷速快，转移时间短 锻铝：如LD5 Al-Mg-Si-Cu系 工艺特点：锻造性好， 热处理：采用人工时 效
⑦ ↑A1 → F形成元素。↑热疲劳性，如5CrNiMo；↑淬 火温度，如GCr15为 840℃，而T10为780℃；含 Cr 量多时→F钢，如1Cr17。 ⑧ ↓Ms → ↑Ar，如GCr15比T10钢的AR多，分布为8% 左右和3%左右。
Mn ① 强化F → 固溶强化，如低合金普通结构钢。
② ↑淬透性 → ↓Δ Gγ →α ，使“C”线右移，如40 Mn2。
总复习提纲
主要内容
一、主线、核心和“思想”
二、合金化 三、各类钢的要点
四、各主要材料的分析思路
一、主线、核心和“思想” 性能 要求
服役 条件
材料 成分
强化 工艺
零件
使用 性能
组织 结构
（1）同一零件可用不同材料及相应工艺 例：调质钢；工具钢代用
要 清 楚 的 三 点
（2）同一材料，可采用不同工艺 例：T10钢，淬火有水、水-油、分级等。强 化工艺不同，组织有差别，但都能满足零件要 求。力求最佳的强化工艺。
K类型 及性质
多元适量 复合加入 合金化 设计
对相图 影响 对C线 的影响 Me对 工艺性作用
K形成 规律
Me对 过程影响
组织 设计
合金韧化 基本途径
强韧化矛盾 演化规律
钢强化 基本机理
在材料发展的过程中，人们不断地在这些矛 盾中进行研究，并不断地取得了突破性进展。 如现在已经广泛使用的微合金钢、非调质钢、双 相钢等，都是在深入理解强韧化机理的基础上， 从传统的强-韧矛盾中得到解脱，有所创新。 强-韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形，相 互转化、轮回。强-韧矛盾在超高强度钢中更为 突出。创新突破之处是彻底改变传统的强化之源 ——C合金化。所以发展了马氏体时效钢，使强 韧性提高了一个数量级。
Mo
① ↑淬透性 → 推迟P转变，对B转变影响较小。
② ↑热强性 → ↑固溶体原子间结合力，如珠光体热强钢
12CrMoV。 ③ ↓回火脆性 → 有效地抑制有害元素的偏聚，如40CrNiMo。
④ ↑回火稳定性 → 较强K形成元素，↓碳活度，且K稳定不易
长大。 ⑤ 细化晶粒 → 较强K形成元素，↓碳活度，阻止晶界移动。 ⑥ ↑非氧化性酸的耐蚀性，防止点蚀 → 形成MoO3，致密而 稳定。
动力学
石墨化过程 决定G形态 Ⅱ决定基体
铸铁中心问题： G形状、大小、 数量、分布
影响因素
化学成分 C 、 Si 促 进 石墨化； Mn 、 S 阻 止石墨化 冷却速度 薄壁表面易 白口。壁厚 敏感性，性 能差异
铸铁性能
强度、伸长率、冲 击韧度比钢低；耐 磨；切削性好；消 振性好；缺口敏感 性低；铸造性好。
淬火；K析出类型；回火脆性(原因、特征、Me)
1.5 合金元素对钢强韧化的影响 强化机制；二次硬化；提高韧度途径
1.6 合金元素对钢工艺性的影响 淬透测试方法；提高淬透性作用； 1.7 微量元素在钢中的作用 1.8 金属材料的环境协调性设计
Ni ① ↑基体韧度 → Ni↓位错运动阻力，使应力松弛。如马 氏体时效钢。40CrNi、40CrNiMo钢的韧度较高。
② 稳定A组织，→ Ni↓A1 ，扩大γ 区，量大时，室温为
A组织，如18-8奥氏体不锈钢。 ③ ↑淬透性 → ↓Δ Gγ →α ，使“C”线右移，Cr-Ni复合效 果更好。如12CrNi3、40CrNi。 ④ ↑回火脆性 → Ni促进有害元素的偏聚，如40CrNi回
典型结构钢的特点、应用及演变
服役条件及 性能要求 低强钢 低C马氏体 渗碳钢 氮化钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢 横向要了 解含碳量及 合金化的变 化原因 常用 牌号 C量 常用 工艺 组织 性能 应用 要点
纵向要理解系统及 相互间关系
高锰钢
典型工具钢的特点、应用及演变 常用 牌号 常用 工艺 性能 特点
Hale Waihona Puke Baidu
1钢的和合金化概论
1.1 合金元素和铁的作用 Me分类；A,F稳定元素；E点S影响 1.2 合金钢中的相组成 固溶体及规律；各种K(强弱顺序)；K形成规律；N化物；金
属间化合物；
1.3 合金元素在钢中的分布及偏析 各种气团；B原子作用 1.4 合金钢中的相变 A P, B,M区别及元素作用；B淬透性及Mo和B机制；二次
能全部溶解。强K形成元素用得比较少，即使有，含量也是
较少，控制。
④ 工具钢淬火时，变形开裂倾向比较大，所以在工艺措施上，
常采用预热、预冷，淬火常用等温、分级、双液淬火等方
法，且需要及时回火。 ⑤ 工件尺寸大，如锻模，则整个热处理过程需要围绕尽量降 低变形开裂而采取一系列措施。 ⑥ 弹簧、轴承、工具钢最终处理前一般已是成品，要注意脱
多 元 复 合 加 入
⑵扬长避短。合金元素能对某些方面起积极的 作用，但往往还有副作用，为克服这不足， 可加入另一元素来弥补。如：Si-Mn\Mn-V
⑶改善K类型与分布。某些元素加入会改变钢 中所形成K类型与分布，或改变其它元素的 存在形式和位置，从而提高性能。如耐热钢 中Cr-Mo-V；高速钢的V-Cr-W
3、利用合金化原理分析典型钢的性能特点
• 9SiCr、CrWMn、9Mn2V；
• 60Si2Mn； • 5CrNiMo； • W6Mo5Cr4V2
三、各类钢的要点
1、要掌握各类钢的特点
• 弹簧、热锻模的服役条件及技术要求； • 轴承钢的冶金质量； • 高速钢的热处理工艺； • 工具钢的球化处理；
③ ↑晶粒长大 → ↓A1 ，强化C的促进晶粒长大作用，↑ 过热敏感性。 ④ ↑Ar → ↓Ms。量大时，获得A钢 → Mn扩大γ 区。 ⑤ ↑回火脆性 → 促进有害元素偏聚。
⑥ ↓热脆性 →脱硫，形成MnS；脱氧剂，MnO；易切
削钢。
Si ① ↑ σ ，↓可切削性 → 固溶强化效果显著，如弹簧钢
碳倾向，一般措施为采用保护气氛、盐浴炉等。
⑦ 精密零件处理过程中要注意尺寸稳定性。 ⑧ 工模具钢，特别是高碳高合金钢的锻造工艺很重要，这是 最终热处理质量的前提。许多问题往往是由于锻造工艺的 原因。
四、各主要材料的思路
1. 结构钢的特点、应用及演变 2. 工具钢的特点、应用及演变 3. 铸铁要点
4. 铝合金分类与特点
(3）同一材料可有不同的用途
例:60Si2Mn有时也可用作模具。低合金工具 钢也可做主轴，GCr15也可做量具、模具等。 要学活，思路要宽，要敢于提出独特见解
核心：核心是合金化基本原理。这是材料强韧化 矛盾的主要因素.
掌握合金 元素作用
理解各类钢的设计与发展 采用热处理等强化工艺
如何在这基础上充分优化材料的使 用性能，关键就在于热处理等处理工 艺。企业中的许多问题都是因为在材 料的加工过程中的工艺存在问题。