金属材料学复习资料Word格式.docx
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*合金钢与C钢的强度性差异，在于合金元素对钢相变过程的影响。
1
3.合金化原理的重点问题：
1）什么是奥氏体形成元素，什么是铁素体形成元素？
答：
在γ-Fe中有较大溶解度并稳定γ固溶体的元素称为奥氏体形成元素，如Mn,Ni,Co,C,N,Cu；
在α-Fe中有较大溶解度并稳定α固溶体的元素称为铁素体形成元素，如：
V，Nb,Ti。
2）钢中碳化物稳定性顺序？
碳化物在钢中的稳定性取决于金属元素与碳亲和力的大小，即d层电子数：
电子越少，金属元素与碳的结合强度越大，越稳定。
此外，考虑到热效应影响稳定性时，碳化物生成热越大，越稳定。
碳化物根据结构类型可分为简单点阵结构和复杂点阵结构。
简单点阵结构：
有M2C型、MC型，特点是硬度较高，熔点较高，稳定性较好；
复杂点阵结构：
有M23
C
6
型、M7C
3
型、M3C型，其特点是硬度较低，熔点较低，稳定性较
差。
特别指出：
M6C型碳化物虽属于复杂点阵结构，但稳定性比M23C6型、M7C3型好。
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：
Ti>
Zr>
Nb>
V>
W,Mo>
Cr>
Mn>
Fe）各种K相对稳定性如下：
MC→M2C→M6C→M23C6→M7C3→M3C
（高-------------------------低）
3）钢的强化机制？
提高钢韧性的途径？
如上，钢的强化机制是几种强化机制的综合结果。
提高钢韧性的途径：
教材版本，举例参考上图
A.细化奥氏体晶粒，从而细化了铁素体晶粒与组织，如强碳化物形成元素；
B.提高钢的回火稳定性，如强碳化物形成元素；
C.改善基体韧度，如Ni；
D.细化碳化物；
E.降低或消除钢的回火脆性；
F.在保证强度水平下，适当降低含碳量；
2
G.
H.
提高冶金质量；
通过合金化形成一定量的残余奥氏体。
4）钢中的杂质？
S、P作用？
杂质有三类：
常存杂质，冶炼残余，由脱氧剂带入，Mn、Si、Al；
S、P难清除。
隐存杂质，生产过程中形成，如微量元素O、H、N等。
偶存杂质，与炼钢时的矿石、废钢有关，如Cu、Sn、Pb、Cr等。
典型杂质：
S容易与Fe结合形成熔点为989℃的FeS相，会使钢产生热脆性；
P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相，使钢在冷加工过程中产生冷脆性；
H留在钢中形成所谓的白点，导致钢的氢脆。
5）钢中各合金元素作用？
如Si，Cr？
具体表现在T9和9SiCr（后面有题）答：
复习PPT上有归纳。
硅和铬具体表现在T9和9SiCr上：
对于9SiCr，由于Si、Cr的作用提高了淬透性，一般情况下油淬临界直径小于40mm；
回火稳定性较好，经约250℃回火，硬度仍然大于60HRC；
由于Si的存在，脱碳倾向较大，切削加工性相对也差些。
6）第一、第二类回火脆性的典型特征和产生原因（教材24页）
第一类回火脆性，典型特征有：
①不可逆；
②脆性的产生与回火后冷却速度无关；
③脆性的表现特征为晶界脆断。
产生原因：
①Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上形成，削弱了晶界强度；
②杂质元素P、S、Bi等由于内吸附现象偏聚晶界，降低了晶界的结合强度。
第二类回火脆性，典型特征：
①可逆；
②脆性是在回火后慢冷产生，快冷可抑制脆性；
回火时，杂质Sb、S、As或N、P等偏聚晶界，形成网状或片状化合物，降低晶界强度。
高于回火脆性温度，杂质扩散离开晶界或化合物分解；
快冷抑制了杂质元素扩散。
4.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？
钢的淬火目的是为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性。
回火目的是消除淬火应力，降低脆性；
稳定工件尺寸；
调整淬火零件的力学性能。
5.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？
6.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？
7.合金化设计到组织设计的要点
1）碳化物的类型及性质：
碳化物的形成规律：
合金元素对相图的影响：
合金元素对C线的影响：
合金元素对过程的影响：
合金元素对工艺性的作用：
4
钢的强韧化矛盾
8.合金化原则
多元适量，复合加入（看总复习PPT）
9.主要合金元素的作用（总复习PPT）
第三、四章
1.掌握各类钢的特点（总复习PPT）
2.弹簧、热锻模的服役条件及技术要求
弹簧的服役条件：
板簧主要承受弯曲载荷，失效形式是疲劳破坏；
螺旋弹簧主要承受扭转应力，失效形式也为疲劳破坏。
弹簧的技术要求：
高的弹性极限σe、屈强比σs/σb→弹性↓；
高的疲劳强度σ-1→避免早期疲劳破坏；
有足够的塑性和韧性→不产生脆性断裂；
足够的淬透性→保证σe和整体强度；
具有良好的表面质量。
热锻模的服役条件：
1）反复冷、热→易产生龟裂、热疲劳；
2）表层温度~500℃，冲击力大；
3）强烈摩擦磨损；
4）模具尺寸比较大。
热锻模的性能要求：
↑热疲劳抗力
→↑A1，↓硬度是有利的；
↑热强性\韧度→高温回火；
→消除回脆，整体性能好；
↑模具
5
高温耐磨性；
淬透性好，导热性好。
热锻模的工艺要求：
注意保护模面和模尾，以避免脱碳。
加热要注意预热，450左右预热，升温速度要慢，<
50℃/h；
冷却要注意预冷，预冷到780℃左右，循环油冷，冷至150~200℃取出；
淬火后必须立即回火，绝对不允许冷至室温。
3.轴承钢的冶金质量
对轴承钢的基本质量要求是纯净和组织均匀。
纯净就是杂质元素和非金属夹杂物要少，组织均匀是钢中碳化物要细小，分布要均匀。
因以上两种原因造成的失效占总失效的65%。
非金属夹杂主要有氧化物，硫化物和硅酸盐三种。
根据形状划分又可分为脆性夹杂物、塑性夹杂物和球状不变形夹杂物。
其中危害最大的是硬而脆的氧化物，主要有刚玉和尖晶石。
钢冶炼时彻底脱氧是获得高纯净钢的必要条件。
碳化物的不均匀性可分为碳化物液析，可采用高温扩散退火消除；
带状碳化物可由较长的退火时间消除；
而控制终轧或终锻温度、控制终轧后冷速或正火可消除网状碳化物。
老师PPT上的：
碳化物细小均布。
主要有三类K：
K液析→结晶时枝晶偏析而存在→高温扩散退火，不允许液析严重；
带状K→轧制时二次碳化物偏析→高温扩散退火；
网状K→冷却时在晶界析出→正火。
4.高速钢的热处理工艺（后面有题）
高速钢经锻轧后，要经过退火处理，有普通退火和等温退火两种方式，其中普通退火工艺为860-880℃保温2-3小时。
然后进行淬火前的预热，因为高速钢导热率低，淬火加热温度又很高。
预热可减少工件在淬火加热过程中的变形开裂倾向，缩短高温保温时间，减少氧化脱碳。
分为一次预热和两次预热。
一次预热为800-850℃，适用于直径小的工件；
两次预热是在一次预热之前加一次500-600℃预热。
预热时间一般为淬火时间的两倍。
淬火温度和时间的确定。
采用分级淬火的冷却方式
5.工具钢的球化处理
一般要求钢中的碳化物呈球状、细小、均匀分布，这样可保证钢的耐磨性和韧度，而且对热处理工艺也非常有利。
因此，一般情况下工具钢的预先热处理都采用球化退火。
低合金工具钢在淬火前必须经过球化退火，得到粒状珠光体的原始组织，以利于切削加工，并且淬火过热倾向小。
球化退火一般采用等温退火工艺，由退火温度以30-40℃/h冷至700℃，等温4h，再炉冷到600℃出炉。
工具钢的工艺特点：
锻造→球化退火→不完全淬火，淬火工艺参数要求严格。
6.高碳钢的第二相
指的是碳化物。
99页
7.齿轮、轴类零件的选材料
齿轮：
不同机械的齿轮，其工作条件差别很大，所以在选择材料和热处理工艺上也有很大不同。
1）机床齿轮，载荷不大，工作平稳，一般无大的冲击力，转速也不高。
常选用调质钢制造，如45、40Cr、42SiMn等钢，热处理工艺为正火或调质，高频感应加热淬火。
一般工艺路线为：
备料→锻造→正火→粗加工→调质处理→半精加工→高频淬火+回火→磨削
2）汽车、拖拉机的变速箱齿轮，汽车、拖拉机上的变速箱齿轮属于重载荷齿轮。
一般都采用渗碳钢，如20Cr、20CrMnTi等，进行渗碳热处理。
备料→锻造→正火→粗加工→渗碳+淬火+回火→喷丸→磨削3）重载齿轮，航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承受高速和重载，一般多采用高
淬透性渗碳钢，如12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等钢。
工艺路线较复杂：
备料→模锻→正火+高温回火→机械加工→渗碳→高温回火→机械加工→淬火+回火→精加工→检验。
轴类零件：
轴是各类机械中最基本零件，也是关键零部件。
它直接影响精度和使用寿命。
1）轻载主轴。
如普通车床主轴，负荷小，冲击力不大，磨损也不严重，一般采用45钢，
整体经正火或调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。
2）中载主轴。
如铣床，中等负荷，有一定冲击力，磨损也较重，一般用40Cr等制造，进行调质处理，轴颈处高频感应加热淬火。
如冲击力较大，也可用20Cr等钢进行渗碳淬火。
3）重载主轴。
如组合机床的主轴，负荷较大，冲击力大，磨损严重，可用20CrMnTi钢制造，渗碳淬火。
4）高精度主轴。
如精密镗床的主轴，虽然负荷不大，磨损也不严重，但是精度要求很高，一般可用38CrMoAlA氮化钢制造，经调质后氮化处理，可满足要求。
8.不同表面强化工艺特点、应用和适用钢种。
82页
表面强化手段也有很多，如既改变表面化学成分又改变组织的渗碳……
9.各类钢的工艺特点：
总复习PPT
除第一章外的其余
1.各类结构钢的特点、应用及演变（后面）
2.工具钢的特点、应用及演变
3.工程结构钢：
1）工程结构钢中的基本服役条件以及性能要求？
牌号？
Q295
基本服役条件：
工程结构件长期受静载；
互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；
有些构件受疲劳冲击；
一般在-50~100℃范围内使用；
如：
桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击。
性能要求：
足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；
良好的焊接性和成型工艺性；
良好的耐腐蚀性。
牌号：
铁素体-珠光体（F-P）类型是工程结构钢中最主要的一类钢。
有
Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。
根据质量要求分为A、B、C、D四个等级。
A、B级为普通质量级；
C级为优质级；
D级和E级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。
后面的数字表示屈服强度大于等于多少MPa
2）什么是钢的微合金化？
在钢中加入少量（一般不大于0.2%，通常在0.1%以下）特殊的合金元素（如铌、钒、钛、硼等）以提高性能的工艺技术。
微合金元素的主要作用是细化晶粒组织和析出强化。
3）合金元素在低合金高强度结构钢中的主要作用是什么？
为什么考虑采用低碳？
合金元素通过固溶强化、析出弥散强化、细化晶粒强化和增加珠光体含量这四种强化机制提高这类钢的强度。
（以下为各种元素的作用：
）
C：
↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。
↑C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型。
如0.1%C，TK为-50℃，0.3%C，TK为50℃，一般均应限制在0.2%以下
Si：
最常用且较经济的元素。
强化F较显著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在<
1.1%
7
Mn：
固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。
约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，
↓TK。
同样量多时可大为降低塑韧性.所以Mn控制在<
1.8%。
Nb\VTi\Al：
形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK，综合效果↓TK。
改善焊接性。
作用顺序：
Al>
V。
Re：
脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓TK
碳含量增加使韧脆转变温度提高，又使钢的焊接、成形困难，容易引起结构件发生严重的变形和开裂。
所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。
网上答案：
为提高碳素工程结构钢的强度，而加入少量合金元素，利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化。
利用细晶强化使钢的韧-脆转变温度的降低，来抵消由于碳氮化物沉淀强化使钢的韧-脆转变温度的升高。
考虑低C的原因：
（1）C含量过高，P量增多，P为片状组织，会使钢的脆性增加，使FATT50（℃）增高。
（2）C含量增加，会使C当量增大，当C当量>
0.47时，会使钢的可焊性变差，不利于工程结构钢的使用。
4.机器零件用钢
1）高锰钢（ZGMn13）在Acm以上温度加热后空冷得到大量的马氏体，而水冷却可得到全部奥氏体组织？
高锰钢在Acm以上温度加热后得到了单一奥氏体组织，奥氏体中合金度高（高C、高Mn），使钢的Ms低于室温以下。
如快冷，就获得了单一奥氏体组织，而慢冷由于中途析出了大量的K，使奥氏体的合金度降低，Ms上升，所以空冷时发生相变，得到了大量的马氏体。
2）高锰钢主要有些什么特点？
主要在什么场合使用？
高锰钢化学成分的特点是高碳、高锰，并且其成分变化范围比较大。
由于该类钢加工非常困难，基本上都是铸件使用。
高锰钢冷作硬化的本质是通过大形变在奥氏体基体中产生大量层错，形成孪晶和马氏体，成为位错运动的障碍。
强烈冲击后，表面硬度提高，心部仍保持韧性的奥氏体，所以承受强有力的冲击载荷而不破裂。
所以被广泛应用于承受大冲击载荷、强烈磨损的工况下工作的零件，如各式碎石机的衬板、颚板、磨球，挖掘机斗齿，坦克履带板等。
5.工模具钢
1）高速钢在淬火后必须经过三次回火，试论述这种回火的工艺过程以及对组织的影响。
高速钢一般需要在560℃左右三次回火，其过程为：
一次回火使大部分的残留奥氏体发生了马氏体转变，二次回火使第一次回火时产生的淬火马氏体回火，并且使残留奥氏体更多地转变为马氏体，三次回火可将残留奥氏体控制在合
8
适的量，并且使内应力消除得更彻底。
2）量具钢的典型应用特征。
量具钢最重要的要求是具有稳定而精确的尺寸。
没有专用的钢号。
尽量降低淬火加热温度，采用油冷，淬火后进行冷处理。
有时在淬火回火后还应进行时效处理。
6.不锈钢
1）常见不锈钢牌号
马氏体不锈钢：
主要有Cr13型不锈钢，如1Crl3~4Crl3等Crl3型，Crl7Ni2、9Cr18等铁素体不锈钢：
如0Cr17Ti，1Cr25Ti，00Cr27Mo等
奥氏体不锈钢：
具有单相A组织，如0Cr18Ni9、1Crl8Mn8Ni5N等
奥氏体-铁素体复相不锈钢：
如0Cr21Ni5Ti
沉淀硬化不锈钢：
如0Cr17Ni4Cu4Nb
2）不锈钢腐蚀类型
均匀腐蚀：
腐蚀均匀地在材料的表面产生，损坏大量的材料。
容易发现，危害性不是很大。
点腐蚀：
由于应力等原因使腐蚀集中在材料表面不大的区域，向深处发展，最后甚至能穿透金属。
晶界腐蚀：
晶界腐蚀是指腐蚀过程是沿着晶界进行的，其危害性最大。
如虫蛀的苹果。
应力腐蚀：
钢在拉应力状态下能发生应力腐蚀破坏的现象。
没有什么预兆，所以其危害性也是比较大的。
磨损腐蚀：
在腐蚀介质中同时有磨损，腐蚀和磨损相互促进、相互加速的现象称为磨损腐蚀。
3）不锈钢中n/8定律
将较稳定的A组元加入到较活泼的B组元固溶体中，当A组元含量达n/8原子比时，固溶体电极电位突然升高，耐蚀性也有一急剧变化。
也称为二元合金固溶体电位的n/8定律。
7.耐热钢
1）耐热钢中常用的合金元素有铬、钼、铝、硅、镍、钛、铌、钒，试分析哪些是抗氧化性元素？
说明其作用机理
铬Cr，提高钢抗氧化性主要元素。
能形成致密而稳定的氧化物Cr2O3，提高钢的抗氧化性。
随着温度提高，所需铬的含量也增加，如600~650℃，需要5%Cr；
800℃时，为12%Cr。
也能固溶强化，提高钢的持久强度和蠕变极限。
铝Al：
提高抗氧化性的有效元素。
在1000℃时，6%Al相当于18%Cr的水平。
但铝会降低冶金工艺性，使钢变脆。
因此不能单独加入，作为辅助合金化元素。
硅Si：
提高抗氧化性的辅助元素。
但效果比Al还要有效，使钢脆性大，用Si代替部分Cr。
且硅可以促进石墨化，使碳化物聚集长大。
一般在2~3%Si。
用于渗碳罐，抗渗性好。
除此之外，镍是为了获得工艺性良好的奥氏体而加入，对抗氧化性影响不大；
钛、铌、钒是强碳化物形成元素，可生成稳定碳化物，影响也不大。
而钼、钨形成的氧化物熔点低，使抗氧化性被破坏。
作用机理：
铬、铝、硅氧化物点阵结构接近Fe3O4，离子半径也比铁小，会缩小FeO形成区，升高FeO的形成温度。
这些合金元素如果溶入氧化膜形成固溶体，氧化膜会得到固溶强化，增加稳定性。
致密氧化膜有效阻止了氧原子和铁原子的扩散，提高抗氧化性。
8.铸铁（注意复习PPT上的图）
1）什么是灰铸铁，什么是球铸铁，其性能特点？
灰铸铁是指断面呈灰色，其中碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。
其性能特点如下：
•抗拉强度低、塑韧性很差；
9
•缺口敏感性小，良好的铸造性、可切削性；
•硬度和抗压强度较高；
•良好的减震性和减摩性；
•存在壁厚敏感效应。
球磨铸铁是将铁水经过球化处理，将片状石墨转化为球状石墨而获得的一种铸铁。
其性能特点如下：
球状G应力集中减小，基体的缩减作用减小，割裂基体作用减小。
球墨铸铁基体的利用率大大提高。
强度和硬度较高，具有一定韧性，有较好的耐磨性。
2）为什么球铁强度和塑韧性都比灰铁好？
球铁中，石墨呈球形，灰口铁石墨呈片状。
球状石墨对基体的切割作用和石墨的应力集中效应大大小于片状，球铁基体的利用率大大高于灰口铁，所以球墨铸铁的强度和塑韧性都要比灰口铸铁好。
3）从热力学和动力学条件分析壁厚铸件可得到石墨组织，而在壁薄时却得到白口组织
从热力学而言，高温铁水冷却时对石墨的形成是有利的。
而从动力学条件看，形成石墨需要高的C浓度起伏和Fe、C长距离的扩散，而Fe3C的形成只需要C浓度起伏和Fe、C短距离的扩散，因此不利于石墨的形成但有利于Fe3C的形成。
铸件在壁厚时，由于冷速慢，C原子可充分扩散，石墨形成的动力学条件较好，有利于石墨形成。
壁薄时，由于铁水冷却快，C原子不能充分扩散，所以易得到Fe3C白口组织。
9.有色金属
1）青铜、黄铜区别
黄铜是以锌为主要元素的铜合金。
而青铜最早是指铜锡合金，含铝、硅、铍、锰和铅的铜基合金，也称青铜。
通常把铜锡合金称为锡青铜（普通青铜），其它称为无锡青铜（特殊青铜）。
组织不同，性能自然也不同。
普通青铜有较高的强度、硬度和耐磨性；
普通黄铜有较高的塑性，耐蚀性较好。
2）铝合金分类
铝合金可分为变形铝合金-1和铸造铝合金-2两种；
其中变形铝合金又可分为防锈铝-3——不能热处理强化和硬铝/超硬铝/锻铝-4——能热处理强化两种。
3）什么是形状记忆合金
合金在低温下被施加应力产生变形，应力去除后形变保留，但加热会逐渐消除形变，并恢复原来形状，这种现象称为形状记忆效应（shapememoryeffect），简称SME。
具有形状记忆效应的合金称为形状记忆合金（shapememeryalloy），简称SMA.
10
2、结构钢复习小结
表1典型结构钢的特点、应用及演变
表层：
M
回
+K+A
R
次淬火；
心部：
低C-M
或
S
表面硬
化层，
38CrMoAlA钢性能特点；
心部S
e
作用
11
钢
压强度高，硬度高而
均匀，耐磨，尺寸稳定
火+低回
制
高
锰
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
横向
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
+K
+A
S（T）
1.
可能会出的典型题
一般地，钢有哪些强化与韧化途径？
强化的主要途径
12
宏观上：
钢的合金化、冷热加工及其综合运用是钢强化的主要手段。
微观上：
在金属晶体中造成尽可能多的阻碍位错运动的障碍；
或者尽可能减少晶体中的可动位错，抑制位错源的开动，如晶须。
固溶强化、细晶强化、位错强化、“第二相”强化沉淀强化、时效强化、弥散强化、析出强化、二次硬化、过剩相强化）
韧化途径：
细化晶粒；
降低有害元素的含量；
防止预存的显微裂纹；
形变热处理；
利用
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