川大工程材料基础考试资料

1第一章，钢的合金化原理小结一，合金元素及其分类1，合金元素：为了使钢获得预期的性能而又意识地加入碳钢中的元素。按与碳的亲和力大小，合金元素可分为：非碳化物形成元素：Ni，Co，Cu，Si，Al，N，B等碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V，W，Mo，Cr等此外，还有稀土元素：Re2，合金元素对钢中基本相得影响（1）合金元素可溶入碳钢三个基本相中：铁素体、渗碳体、和奥氏体中。分别形成合金铁素体、合金渗碳体和合金奥氏体。合金元素在铁基体和奥氏体中起固溶强化作用。固溶强化：是利用点缺陷对金属基体进行强化的一种合金化方法。基体的方式是通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。（2）当钢种碳化物形成元素含量较高时可形成一系列合金碳化物，如：MC,M2C,M23C6、M-C3和M3C等。合金元素之间也可以形成化合物即金属间化合物，一般来说，合金碳化物以及金属间化合物的熔点高、硬度高，加热时难以溶入奥氏体，故对钢的性能有很大的影响。3，元素对钢中相平衡的影响按照合金元素对Fe—C相图上的相区的影响，可将合金元素分为两大类：a扩大γ区的元素：即奥氏体形成元素。指在γ-Fe中有较大的溶解度，并能扩大γ相存在的温度范围，使A3下降、A4上升。如Mn，Ni，Co，C，N，Cu等。b扩大α区的元素：即铁素体形成元素：指在α—Fe中有较大溶解度，并使γ-Fe不稳定的元素。它们能缩小γ相区，而扩大α相存在的温度范围，使A3上升、A4下降。如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。扩大奥氏体区的直接结果是使共析温度下降；而缩小奥氏体区则使共析温度升高。因此，具有共析组织的合金钢碳含量小于0.77％，同样，出现共晶组织的最低含碳量也小于2.11％。4，合金元素对钢中相变过程的影响（1）对加热时奥氏体形成元素过程的影响a对奥氏体形核的影响：Cr、Mo、W、V等元素强烈推迟奥氏体形核；Co、Ni等元素有利于奥氏体形核。b对奥氏体晶核长大的影响：V、Ti、Nb、Zr、Al等元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大；C、P、Mn（高碳）促使奥氏体晶粒长大。（2）合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响具体表现为：①除Co以外，所有的合金元素都使C曲线往右移动，降低钢的临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。②除Co、Al以外，所有的合金元素都使Ms点和Mf点下降。其结果使淬火后钢种残余奥氏体量增加。（3）素对回火过程的影响a提高了钢的回火稳定性回火稳定性即是钢对于回火时所发生的软化过程的抗力。许多合金元素可以使回火过程中各阶段的转速大大减慢，并推向更高的温度发生，提高回火温度性较强的元素有V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co等。2b产生二次硬化现象若钢种含有足够的碳化物形成元素如W、V、Mo等，淬火后再500-600℃回火时，将形成并析出如W2C、Wo2C和VC等弥散分布的合金碳化物，使合金钢的强度、硬度不降反升，并可达到一个峰值，此称为“二次硬化”现象。c增大回火脆性合金钢淬火后再某一温度范围内回火时，将比碳钢发生更明显的脆化现象。含Cr、Mn、Ni的钢对第二类回火脆性（450-600℃间高温回火脆性）最敏感，这主要与某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关，而Mo、W等能减少这种敏感性。因此，大截面的工件要选用含Mo、W的钢，以避免第二类回火脆性。▲么合金元素能够改变金属的使用性能和工艺性能？主要是因为合金元素加入后改变了钢和铁的组织结构。合金元素的加入产生了合金元素与铁、碳及合金元素之间的相互作用，改变了钢铁中各相得稳定性，并产生了许多新相，从而改变了原有的组织或形成新的组织。这些元素之间在院子结构、院子尺寸及晶体点阵之间的差异，则是产生这些变化的根源。第二章工程结构钢小结一，用途及性能要求这类钢主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油气管道、大型钢结构等，用它来代替碳素结构钢，可大大减轻结构重量，节省钢材。1，高强度，一般屈服强度在300MPa以上。2，高韧性，要求δ为15％-20％，ak大于600KJ/m（平方）—800KJ/m（平方）。3，良好的焊接性能和冷成型性能、低的冷脆转变温度及良好的耐蚀性。二，成分特点1，低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，碳含量一般不超高0.25％。2，加入以锰为主的合金元素。3，加入铌、钛或钒等辅加微量元素。4，加入少量铜（0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。▲碳《0.25的原因是：1，低温韧性要求高，随着钢中含碳量的增加，钢中珠光体含量相应增加，而钢中每增加1％体积的珠光体，将使FATT50（℃）升高2.2℃。2，焊接性能要求高，钢的焊接性能的好坏主要决定于刚得淬透性和淬硬性，这两者取决于钢种合金元素的含量和碳含量，而碳势最有害的元素。3，冷成型性能要求高，而碳含量越高，塑性变形能力越差。▲为什么我国的低合金高强钢用锰作为主要的合金元素？因为低合金高强钢主要用于制造桥梁、船舶、车辆等大型钢结构，在性能上要求有比碳素结构钢更高的强度和更好的韧性。我国的Mn资源丰富，合金元素锰除了能产生较强的固溶强化效果外还能大大降低奥氏体分解温度，细化铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，是提高低合金高强钢强度和韧性的即经济又有效地合金元素。三，工程结构钢的强化在结构钢中，合金元素对强化的贡献有：1，溶入铁素体气固溶强化作用；2，细化晶粒起晶粒强化作用；3，析出弥散的碳化物、谈氮化物，起沉淀强化作用；4，增加珠光体含量。3四：热处理特点及常用钢种这类钢一般在热轧空冷状态下使用。在有特殊需要时，如果为了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。并使用状态下的显微组织一般为铁素体-珠光体。340MPa级别以16Mn最具代表性；390MPa级别有15MnTi、16MnNb；420MPa级别15MnVN是中等级别强度钢中使用最多的钢种；500MPa以上是低碳贝氏体钢，如14MnMoV等。微合金钢：凡是在基体化学成分中添加了微量（不大于0.20％）的合金元素（钛、铌、钒），从而使其中一种或几种性能具有明显变化的钢，都可称为微合金钢。控制轧制：通过控制轧制过程中的各种参数，使已变形的奥氏体或者发生再结晶但晶粒来不及长大，或者仅达到回复状态而未发生再结晶，从而得到细化的铁素体晶粒和珠光体体团，使钢强韧化的工艺过程成为控制轧制与控制冷却。第三章机械制造用钢小结一，调质钢1，用途及性能特点：用于制造要求具有高强度（承受较大载荷）和高韧性（防止断裂）的重要零件，如各种轴类、紧固螺栓等。这些零件要求具有良好的综合机械性能和高的淬透性。淬透性：钢的淬透性是衡量零件淬火时获得马氏体层深度的能力。2，成分特点：(1)中碳（0.35-0.5％）：保证热处理后有足够的强度和适当的韧性；(2)加入Cr、Nb、Mn、Si、B等提高淬透性的元素(3)加Mo、W等元素：消除回火脆性3，热处理工艺：淬火+高温回火（500-650℃），即调质处理，得到回火索氏体。4，典型钢种：低淬透性的如40Cr、中淬透性的如38CrSi、高淬透性的如40CrNiMo。二，滚珠轴承钢1，用途及性能特点：主要用来制造滚珠，滚柱、轴承内外套圈，但也广泛用于制造工具盒耐磨零件。要求具有很好的强度和硬度，很高的接触疲劳强度和耐磨性。2，典型钢种：GCr9、GCr15、GCr15SiMn等。3，成分特点：（1）高碳（0.95-1.10％）：证热处理后达到最高硬度值，同时获得一定数量的耐磨碳化物；（2）加入Cr：提高淬透性的同时获得细小、均匀的Cr碳化物，提高耐磨性和解除疲劳强度。（3）加入Mn、Mo、V等元素，可进一步提高淬透性。4，热处理工艺：球化退火、淬火+低温回火。组织为回火马氏体、细小碳化物加残余奥氏体（少量）。三，渗碳钢1，用途及性能特点：用于制造表面硬因而耐磨，心部韧性好儿耐冲击的零件，如齿轮、轴类等。要求淬透性性好、表面硬而心部韧。2，典型钢种：低淬透性的如15Cr、20Cr，中淬的如20CrMnTi、20MnB；高淬的如18Cr2Ni4WA。3，成分特点：（1）低碳（0.25％）：保证心部有较好的韧性，表层高硬度由渗碳后热处理达到；（2）加入Cr、Mn、Ni、B等元素提高淬透性；（3）加入V、Ti、W、Wo等元素形成合金碳化物，阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。44，热处理工艺：一般是渗碳后预冷直接淬火+低温回火。组织为：表面，回火马氏体、碳化物和残余奥氏体；心部，铁素体、屈氏体和回火马氏体（未淬透）。四，弹簧钢1，用途及性能特点：制造各种弹性元件如圈簧、板簧等。弹簧利用弹性变形所储存的弹性能起到缓冲机械上的震动和冲击作用。因此该钢必须具有高的弹性极限，高的屈强比，高的疲劳强度和高的淬透性等。2，典型钢种：一般弹簧钢如60Si2Mn；优质弹簧钢如50CrVA。3，成分特点：（1）中高碳（0.5-0.7％）以保证强度；（2）硅、锰等元素提高淬透性，硅还能提高比例极限；（3）加入Cr、V、W等元素，防止钢的脱碳与过滤、保持细小晶粒。5，热处理工艺：热成型弹簧：淬火+中温回火（450-550℃）。组织为回火屈氏体。五，耐磨钢1，用途及性能特点：耐磨性钢主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。对耐磨性钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。2，典型钢种：（1）高碳（0.9-1.4％）保证钢的耐磨性和强度。（2）高锰（11-14％），保证完全获得奥氏体组织。（3）一定量的硅：硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。3，成分特点：ZGMn13及ZGMn13Re。4，热处理工艺：水韧处理，即将钢加热到1000-1100℃，保温，使碳化物全部溶解，然后再水中快冷，在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。此时钢的硬度很低（约为210HB），而韧性很高。当工件在工作中受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面层将产生强烈的加工硬化，并发生马氏体转变，使硬度显著提高，心部则仍保持原有的高韧性状态。第四章工具钢小结一，刃具钢1，用途及性能特点：制造各种切削刀具如钻头、车刀、铣刀等，要求高硬度、高耐磨性、高热硬性、足够的塑、韧性。2，成分特点：（1）低合金刃具钢（工作温度低于300℃）：高碳（0.9-1.1％），保证高硬度与高耐磨性；Cr、Si、Mn、V等元素提高淬透性和回火稳定性。（2）高速钢（工作温度可达500-600℃）：高碳（0.7-1.1％）保证硬度和耐磨性；加入较多的W、Mo、V、Ti等元素，可产生“二次硬化”（沉淀强化）以保证红硬性，同时较多的碳化物可显著地提高耐磨性；V和Ti还有细化晶粒的作用。加入Cr，提高淬透性。▲红硬性（热硬性）：指钢在高温下保持高硬度的能力（当刃具温度升到500-650℃时，仍能保持较高的硬度（HRC55）。红硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。3，热加工及热处理工艺：（1）低合金刃具钢：球化退火、淬火+低温回火。组织为回火马氏体、少量未熔碳化物和残余奥氏体；（2）高速钢：5a反复锻造：在锻造时充分打碎铸态高速钢中呈鱼骨状的共晶碳化物，对高速钢的使用寿命十分重要；b球化退火：便于切削加工；c淬火：一般在1220-1280℃之间，主要是使碳化物大量溶解到奥氏体中。d三次回火（550-570℃）：主要目的是消除大量的残余奥氏体并产生二次硬化。回火组织为回火马氏体、碳化物颗粒和少量残余奥氏体。即：锻打、球化退火、淬火+（550-570℃）回火。4，典型钢种：低合金刃具钢，9SiCr、9Mn2V、CrWMn。高速钢：W18Cr4V（18-4-1），W6Mo5Cr4V2（2-5-4-6）二，模具钢1，用途及性能特点：制造各种冷、热模具。冷模具钢需要高强度、高耐磨性、足够韧性与疲劳抗力；热模具钢要求热硬性和高温耐磨性、热稳定性、足够的韧性和热疲劳抗力。2，成分特点：（1）冷模具钢：高碳（1.0％）：保证硬度和耐磨性；加入Cr、Mo、W、V等元素：提高耐磨性；Cr还可显著地提高淬透性。（2）热作模具钢：中碳（0.3-0.6％）：保证较高的韧性及热疲