《金属材料学》各章小结.doc

金属材料学课程 各 章 小 结 和 学 习 思 路 （2005年修改） 戴起勋 材料科学与工程学院 2005年12月 1、合金化原理小结 MC、M2C型简单点阵结构，熔点高，硬度高，稳定性好 ； M3C、M7C3、M23C6型复杂点阵结构，熔点低，硬度低，稳定性差 ； M6C型非金属性K。复杂点阵结构，性能特点接近MC、M2C型K K 类型 K 形成元素 Ti Nb V α 形成元素 对 相图 的影响 α形成元素↑A1，缩小γ区，使Fe-C相图S、E点向左上方移动；量多时，可获F钢； γ形成元素↓A1，扩大γ区，使Fe-C相图S、E点向左下方移动；量多时，可获A钢； 固溶体置换固溶和间隙固溶度规律，与元素周期表的关系 W Mo Cr / Si Mn γ 形成元素 1、强者先，依次成； 2、相似者相溶有限溶解，无限溶解；溶入强者，↑K稳定性；溶入弱者，↓K稳定性； 3、Nm/NC比值决定K类型； 4、强者稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难； 5、rc/rM0.59，形成复杂结构K； 6、量少时，形成复合K，量多时，形成特殊K K 形成规律 非K 形成元素 Ni Co C N Cu Si / 对过冷 奥氏体相变影响 1、除Co外，Me均不同程度地使“C”曲线右移； 2、使P转变右移程度较大的元素Mo、W、Mn、Cr； 3、使B转变右移程度较大的元素Mn、Cr、Ni、Si； 4、K形成元素改变“C”曲线形状； 5、使MS点降低程度较大的元 素（C、N）、Mn、Cr、Ni 多元适量复合加入 合金化设计 微合金化原理及应用 加热奥氏体化不同K的溶解规律，Me对晶粒长大的影响； 回火转变K形成元素↓ac，↓M分解；Si↓M分解；AR中析出K，反稳定化，↑MS；K聚集长大，类型转变，原位析出，异位析出，二次硬化；回火过程的强化与弱化，强化机制贡献大小的转化； 回火脆性特征及影响因素，Mn、Cr、Ni↑回脆性作用大； Si↑氧化脱碳倾向；Mn↑过热敏感性 热 处 理 及 工 艺 性 淬透性B、Mn、Mo、Cr、Ni、Si作用较大；选择钢种，选择淬火工艺； 冷成型性Me加入，↑冷作硬化率，↓冷成型性。P、C、Si影响大； 可焊性Me↑淬透性，↓可焊性； 切削性S、Pb、Ca等为易切削元素，MnS是易切削化合物 热成型性W、Mo、V、Cr等元素↓热压力加工性，↓导热性 合金化韧化途径 分布组织偏聚 钢的基本强化机理 1、细化晶粒Ti、Nb、V、W、Mo、Al、Cr； 2、↑回火稳定性K形成元素。Si↑低温回火稳定性效果好； 3、改善基体韧性Ni； 4、细化KCr、V（适量）； 5、↓回火脆性Mo、W； 6、保证强度水平下，适当降低C量； 7、提高冶金质量； 8、适量AR 固溶强化ΔσsKi. C、N↓↓↓塑韧性；在低碳合金钢中，Si、Mn量大时↓塑韧性； 位错强化ΔσdKdρ0.5. 形变↑ρ，↓↓塑韧性； 细晶强化ΔσgKgd-0.5. ↑↑塑韧性； 弥散强化ΔσpKpλ-1. ↓塑韧性 细晶（组织）强化和弥散沉淀析出强化对强化贡献大 钢的强化与韧化 合金钢与碳钢的强韧性差异，主要不在于Me本身的强化作用，而在于Me对钢相变过程的影响。且Me的作用只有在进行适当热处理条件下才能最优发挥。强度和塑韧性是一对相互长消的矛盾。当强度水平满足要求时，如何改善塑韧性是矛盾的主要方面；反之，提高强度是矛盾的主要方面 图1 钢合金化原理、主线、核心和设计思路 2、结构钢复习小结 表1 典型结构钢的特点、应用及演变 类型 服役条件及 性能要求 常用牌号 C量 常用 工艺 组织 应用 要点 低强钢 静载、大气、海水侵蚀；无相对运动；有时受交变应力，低温。要有良好的综合性能，焊接性好，耐蚀，时效敏感性小 16Mn 15MnV 15MnVN 14CrMnMoVB 0.2 一般不进行热处理，常在热轧态供应 FP； 低C- 贝氏体 低C- 马氏体 工程构件，船舶，桥梁。建筑等 Si、Mn、C有限制范围； 低C-贝氏体中B、Mo的作用；双相钢概念 低C 马氏体 良好的强韧性，TK低，缺口敏感性低；冷变形性、焊接性好，脱C、变形开裂倾向小 20MnV 15MnVB 20SiMn2MoVA 0.15- 0.25 淬火 低温回火 板条马氏体 代调质件、中小尺寸碳钢渗C件 低C-马氏体的优越性及合理应用 渗碳钢 受磨损、接触疲劳应力、弯曲、冲击力；要求表面硬度高、耐磨，心部强度高，有一定塑性、韧度，良好的工艺性能，淬透性、渗C工艺性好 20Cr、20CrV 20CrMnTi 18Cr2Ni4WA 0.12- 0.25 渗C 直接淬火；一次淬火；二次淬火 表层M回KAR 心部低C-M回或S回 齿轮、凸轮、销等零件 20CrMnTi的广泛应用；渗C工艺特点及应用；主要合金元素作用 氮化钢 高硬度、高耐磨性；高疲劳强度；尺寸稳定 35CrMo 38CrAl 38CrMoAlA 0.25- 0.45 调质 氮化 表面硬化层，心部S回 主轴、镗杆等重要零件 38CrMoAlA钢性能特点；Me作用 调质钢 常在扭转、弯曲、拉伸、冲击等条件下工作。要求综合性能好，足够的淬透性，防止回火脆性 40Cr 40CrNi 40CrNiMo 0.25- 0.50 调质 S回 轴类零件为主 常用元素作用；淬透性；回脆 弹簧钢 动载荷，冲击，振动，周期性交变应力。要求高屈服强度，高屈强比，高疲劳强度，一定塑韧性，工艺性能好 65Mn 60Si2Mn 50CrVA 55SiMnMoV 0.5- 0.75 淬火中温回火 T回 各种弹簧或弹性零件 Si-Mn作用；强化成型方法；冶金质量、表面质量 轴承钢 高速、高应力。要求接触疲劳强度高，抗压强度高，硬度高而均匀，耐磨，尺寸稳定 GCr15 GCr15SiMn 0.95- 1.05 球化退火；淬火低回 MK 主要用于轴承 冶金质量控制，组织控制 高锰钢 受冲击、强烈磨损。既耐冲击，又耐磨，强韧性好 ZGMn13 1.0- 1.3 水韧 处理 A 受冲击强烈磨损零件 高锰耐磨钢性能特点、原因，水韧处理 横向 组织结构 最终性能 处理工艺 服役条件 零件部件 性能 要求 材料成分 图2 材料成分、工艺、组织、性能间的关系 3、合金工具钢复习小结 表2 典型工具钢的特点、应用及演变 类型 常用牌号 C量 常用工艺 组织 性能特点 应用 要点 碳素 T7-T12 0.65- 1.35 球化退火 淬火（多种方法）低回 M回K 高硬度，耐磨，加工性好 低速，形状简单 常用牌号优缺点 低合金 9SiCr CrWMn 0.85- 1.50 M回K 轻载，小尺寸，要求变形小、形状较复杂工具 高速钢 18-4-1 6-5-4-2 0.70- 1.65 正确锻造，球退；淬火工艺特点预热，严格T、t，分级淬火，回火多次 M回K AR 高硬度，耐磨，高红硬性 高速切削，重载荷，大进刀量 锻造目的，热处理工艺特点，合金元素作用 冷作模具钢 Cr12 Cr12MoV 5CrW2Si 9Mn2V 正确锻造，球退；淬火工艺与高速钢相似，一次、二次硬化法 M回K AR 高硬度，耐磨，有一定韧度，工艺性好 各种冷作模具 强韧性之间的协调 热作模具钢 5CrNiMo 5CrMnMo 3Cr2W8V 0.3- 0.6 正确锻造 球化退火 淬火高回 工艺操作 ST或 M回K 热强性，耐热疲劳性，热硬性，耐磨，冲击韧度好，淬透性足够 锤锻模 热挤压模 压铸模 服役条件， 工艺操作， 合金元素作用 量具钢 GCr15 CrWMn Cr12MoV 淬火低回 M回K 高硬度，耐磨，尺寸稳定，表面质量 各种量具 尺寸稳定性 中心问题 G形状、大小、数量、分布 石墨化过程 Ⅰ决定G形态， Ⅱ决定基体 牌号及数字意义 动力学 热力学 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 可锻铸铁团絮状G，由白口铁经石墨化得到，性能与用途 灰口铸铁片G，性能特点与用途。孕育处理 HT200 QT400-17 KTZ450-06 成分、结构、扩散有利于Fe3C析出 自由焓 有利于石墨化 4、铸铁复习小结 化学成分 C、Si促进石墨化；Mn、P、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 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。 蠕铁蠕虫状G 特殊性能铸铁耐蚀、耐磨、耐热 铸铁性能 影响因素 图2 铸铁成分、工艺、组织、性能关系 T 合金化 Cu、Mg、 Zn、Si、Mn L Lα α αβ Al Me 铸造铝合金 Al-Si ，ZL104 Al-Cu，ZL201 Al-Zn，ZL402 Al-Mg，ZL301 工业纯铝 密度2.72。导电、导热性好，抗蚀性好，塑性高 基本过程GP→θ″→θˊ→θ。 条件Me能溶入α； 随T↓而固溶度↓↓；析出相强化作用大。 固溶强化 细化组织强化 时效强化 第二相强化 防锈铝合金 只能变形强化。Al-Mg、Al-Mn系。 LF5 5、铝合金复习小结 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 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 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 可热处理强化 特点无同素异构转变；固溶处理和时效强化 图3 铝合金分类和性能特点 总复习提要 一、主线、核心和“思想” 主线零件服役条件→技术要求→选择材料→强化工艺→组织结构→最终性能→应用、失效。寻求最佳方案，充分发掘材料潜力。 （1）同一零件可用不同材料及相应工艺。例调质钢符合淬透性原则可代用，柴油机连杆螺栓可用40Cr调质，也可用15MnVB；工模具钢，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等钢在有些情况下也可考虑代用。 （2）同一材料，可采用不同的强化工艺。例60Si2Mn，有常规中温回火，也可等温淬火；T10钢，淬火方法有水、水-油、分级等。根据不同零件的服役条件，考虑改进工艺，以达到提高零件寿命的目的。强化工艺不同，组织有所不同，但都能满足零件的性能要求。通过分析、试验，可得到最佳的强化工艺。 考虑问题不可呆板、机械、照搬书本，不要认为中C就是调质，低合金超高强度钢就是用低温回火工艺。弹簧钢就是中温回火其实，60Si2Mn有时也可用作模具。某些低合金工具钢也可做主轴，GCr15也可制作量具、模具等。 要学活，思路要宽。提出独特见解，怎样才能做到 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，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶强化，而在于对合金材料相变过程的影响，而良好的作用只有在合适的处理条件下才能得到体现。”应该主要从强化机理和相变过程两个方面来考虑。 掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各类钢的设计与发展，才能更好地采用热处理等强化工艺。从钢厂出来，钢成分已定。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。 总结一下常用合金元素的作用、表现是很有必要的。特别要强调的是碳化物的形成规律很重要，许多问题都与此有关。 “思想”课程内容多，其相互联系并不象数学、物理那么强。很多人都认为只有死记硬背钢号。其实，材料学是一门很有“思想”的课程，只是在以前的教材中没有明显地表现出来。主要的“思想”作用的辨证与矛盾的转化。如，对结构钢是强度-韧度的匹配，对工模具钢主要是韧度-耐磨性的协调。材料中的这些矛盾涉及到合金化设计、处理工艺等。 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。 结构钢中含C量的变化，工具钢中第二相和基体之间的关系，铸铁中的石墨形态和力学性能之间的关系等都是由强-韧性反映出来的矛盾。强度有余时，矛盾的主要方面是如何提高韧度，而韧度有余时，提高强度是矛盾的主要方面。并且矛盾的主要、次要方面在一定条件下可以转化。对工具钢，一般都是高C成分，为确保钢的强度和耐磨性，所以在保证强度的同时，要尽可能地提高材料的韧度，如采用等温淬火、提高回火温度等。在低C钢中，塑性、韧度是主要的，所以在保证一定的塑性、韧度的同时，希望能有比较高的强度，这样可减轻零件重量，节约材料，降低成本，许多情况下能提高零件的使用寿命。在材料发展的过程，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。当强度提高到一定程度时，韧度就难以保证。创新突破之处是彻底改变传统的强化之源C合金化。间隙C原子的存在，使同时提高钢的强度和韧度受到了根本上的限制。所以发展了马氏体时效钢，使强韧性提高了一个数量级。 以上的例子只是为了说明分析问题、解决问题的关键和思路。材料的发展充满了活的辨证关系，充满了矛盾的演变。当然，对问题的认识有一个逐步理解的过程。首先要有宏观的认识和思路，从高处看问题有豁然开朗的意境。 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。合金元素的作用并不是简单的代数和。简单的比喻人每天的营养摄入，可科学地配制食谱，做到既满足营养要求，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 （1）提高性能。提高淬透性等性能，复合的作用不是线性相加的。如 40Cr → 40CrNi\40CrMn → 40CrNiMo/40CrMnMo （2）扬长避短。合金元素能对某些方面起积极的作用，但许多情况下还有不希望的副作用，为了克服这不足，可以加入另一元素来弥补。如 Si-Mn配合, Mn削弱Si的脱C倾向，60Si2Mn； Mn-V配合,9Mn2V。V克服Mn的过热倾向。 （3）改善碳化物的类型与分布。某些元素的加入会改变钢中所形成的碳化物的类型与分布，或改变其它元素的存在形式和位置，从而可提高性能。如耐热钢中Cr-Mo-V；高速钢中的V-Cr-W。 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。正象人们要预防感冒，也不必论公斤地服用感冒药，为了增加营养，把人参当胡萝卜一样地炒菜吃，那也是荒唐的。 适量的原因，除了经济的因素外，主要有以下几种情况 （1）有的元素增多后，会降低材料的塑韧性。如，在低C构件钢中，一般Si、Mn含量为 Si1.1，Mn1.8 。 （2）有些合金元素增多，会恶化碳化物的分布。如，高速钢中Cr，轴承钢中的Cr，CrWMn中的W等。 （3）有的元素含量过多，会改变碳化物类型，增加热处理过程难度。如，一般情况结构钢中的V控制在0.1-0.2以下，Mo含量0.5左右。 （4）合金元素的作用往往不是随量的增加而线性地增加的。选择合适的加入量，既能达到目的，又经济。 2、主要合金元素作用归纳Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni Cr 1）↑淬透性 → ↓ΔGγ→α，↓K形核长大。Cr、Ni等复合作用大，如调质钢40Cr40CrNi40CrNiMo。 2）↑回稳性 → K形成元素，阻止M3C型长大。如，40 Cr与40钢相比，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，耐热钢，Mo-Cr-V。 4）↑耐蚀性 → ↑电极电位，n/8-Tammann定律。如不锈钢。 5）细化晶粒，改善K均匀性 → K较稳定，不易长大，如GCr15。 6）↑回火脆性 → 促进杂质原子偏聚，如40CrNi。 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 → ↓ΔGγ→α，使“C”线右移，如40 Mn2。 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，60Si2Mn等弹簧钢 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 → 阻止K形核长大，使“C”线右移，高C时作用较大。 5）↑淬火温度 → F形成元素，↑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。 Mo 1）↑淬透性 → 大大推迟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 → 形成含Mo氧化物MoO3，致密而稳定，如0Cr18Ni12Mo3T。 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，如奥氏体不锈钢。 3）↑淬透性 → ↓ΔGγ→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。 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；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，变形开裂的倾向比较大，所以在工艺措施上，经常采用预热、预冷，淬火常用等温、分级、双液淬火等方法，并且需要及时回火。 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经是成品，要注意脱碳倾向，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环节很重要，这是最终热处理性能质量的基本前提。许多零件过早失效或最终热处理出现问题往往是由于锻造工艺的原因。 11