工程材料复习完全版

第一章钢的合金化概论S容易与Fe结合生成FeS，会导致钢产生热脆；P与Fe结合生成Fe3P，会导致钢在冷加工中产生冷脆性；H会残留在钢中，产生白点，氢脆。合金元素总含量小于等于5%称为低合金钢；5%-10%为中合金钢；超过10%为高合金钢。一般钢中合金元素的质量分数大于或等于1%时，这种合金化可称为宏合金化；某些微量合金元素（V、Nb、Ti、Zr、Ta、B）当其质量分数达到0.1%（B为0.001%）时，可能会显著地影响钢的组织性能，这种合金化称为微合金化，这类钢称为微合金钢。微合金化元素在钢的主要作用表现在：1、降低钢中的有害杂质含量，从而净化了晶界；2、细化晶粒；3、强化固溶体，同时形成新的强化相。合金元素与铁的相互作用：1、扩大γ相区，如Mn、Ni、Co、C、N、Cu等合金元素使A3温度降低，A4温度升高，即扩大了γ相区；2、缩小γ相区，如Cr、V、Ti、Mo、W、Al、P、Sn、Sb、As等即倾向于促进铁素体的形成从而使其稳定化。化学元素与晶体缺陷（空位、位错、晶界等）之间的相互作用，会出现空位与溶质金属形成的的亚稳定集团、碳原子与位错结合的柯氏气团以及溶质原子在晶界的偏聚，称为晶界吸附现象。合金元素对铁碳相图的影响（1）改变奥氏体相区的位置奥氏体形成元素均使奥氏体存在的区域扩大；（2）改变共析温度扩大γ相区的元素时铁碳相图中的共析转变温度降低，缩小γ相区的元素则使其上升；（3）改变S和E等临界点的碳含量几乎是所有的合金元素都使共析点（S）和共晶点（E）的含碳量降低，即使S点和E点左移。合金元素对过冷奥氏体转变的影响1）非碳化物形成元素Ni、Si和弱碳化物形成元素Mn，大致保持碳钢的C曲线形状，只使C曲线向右做不同程度的移动；2）非碳化物形成元素Co不改变C曲线形状，使C曲线左移；3）碳化物形成元素不仅改变C曲线右移，还改变形状。合金元素对淬火钢回火转变的影响1）提高耐回火性合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变（即在较高温度才开始分解和转变），提高铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大。2）产生二次硬化与二次淬火Mo、W、V等较强碳化物形成元素含量较高的高合金钢在回火是，硬度不是随着回火温度的升高而单调升高，而是达到某一温度后反而开始提高，当在另一更高温度达到峰值，这就是回火过程中的二次硬化现象。二次淬火现象就是在残余奥氏体较多的高合金钢淬火组织中，当加热温度达到500-600℃时仍不能分解，而析出一些特殊碳化物，是奥氏体转变为马氏体。3）回火脆性的影响钢在淬火后需要进行回火，目的是降低脆性，提高韧性，稳定组织。一般认为，Mn、Cr、Ni促进脆性，Mo、Ti、V、Al可改善脆性，Si可有效推迟脆性温度区。P、Sn、B、S、As、Bi等杂质元素时引起回火脆性的根源，称为脆化剂；Mn、Ni、Cr、Si等元素促进钢的回火脆性，称为促进剂；Cr称为助偏剂；MoW和稀土元素能抑制回火脆性。通常，能使材料强度（主要是屈服强度）提高的过程称为强化。金属的强度一般指金属材料对塑性变形的抵抗能力。固溶强化遵循的一般规律：1、对同一合金，固溶体浓度越高，则强化效果越好；2、对同一种固溶体，强度随着浓度增加呈曲线关系升高，浓度较低时强度升高较快，以后趋于平缓；3、在固溶强化的同时，合金的塑性将降低；4、采用多元少量的合金化原则细晶强化：随着晶粒细化，晶界越多，材料的强度升高的现象称为细晶强化，也叫晶界强化。细晶强化不仅可以提高强度，而且还能改善钢的塑性和韧性。形变强化：金属材料在冷变形过程中强度逐渐升高的现象称为形变强化，也叫加工硬化。第二相强化：第二相强化是指在金属基体中还存在另一个或几个相，这些相的存在使金属的强度得到提高。影响第二相强化效果的因素1）沉淀相的体积比，沉淀相的体积比越大，强化效果越显著。2）第二相的弥散度，第二相弥散度越大，强化效果越好。3）硬质点，对位错运动阻力越大的硬质点，其强化效果越好。金属材料韧化所采取的具体措施1、细化晶粒。2、提高钢的耐回火性。3、改善基体韧性。4、细化碳化物。5、调整化学成分。6、形变热处理。7、低碳马氏体强韧化。8、提高冶金质量。金属材料的韧化途径1、减小诱发微孔的组成相；2、提高基体塑性；3、增加组织的塑性形变均匀性；4、避免晶界的弱化；5、加入某些可促进在低温下交滑移的元素。合金元素对钢在淬火回火状态下力学性能的影响1、除钴外，所有合金元素均提高钢的粹透性2、合金元素对奥氏体晶粒长大的影响决定着淬火后钢的实际晶粒大小3、除Co、Al、外，合金元素含量较多时，马氏体点降低，残余奥氏体量增多，使淬火钢硬度降低，塑性、韧性提高4、淬火钢的性能主要取决于含碳量，即主要取决于碳在α固溶体中的过饱和度合金元素对淬火状态下钢的力学性能的影响特点1、淬火后两种钢的硬度几乎相同，可是回火后的变化却不同。低温回火，硬度基本相同，中温高温回火时，合金钢的硬度下降比碳钢慢2、合金钢在淬火级淬火加回火后，强度指标皆高于碳钢3、塑性指标的变化是，在淬火低温回火后，合金钢高于碳钢；在高温回火后，合金钢和低碳钢没有区别4、冲击韧度的变化是，淬火低温回火后合金钢的ak值高于碳钢；中温回火后合金钢的ak值显著降低，和碳钢不相上下，甚至还低于碳钢；高温回火后，合金钢的ak值又逐渐升高，超过碳钢合金元素对钢力学性能的影响规律1、强度和碳钢相同，冲击韧度却大大提高；2、冲击韧度与碳钢相同，强度却大大提高；3、二者几乎相同合金元素对钢低温力学性能的影响1）碳是重要的脆化元素。2）氮是增加应变失效敏感性的元素，因此最好把氮固定住。3）是晶间诱导脆化元素，随着氧含量的提高，钢的脆性转变温度显著提高。4）硫是以夹杂物形态存在，硫降低钢的冲击韧度。5）磷影响位错的交叉滑移，是促进钢低温脆化的元素，同时，磷还容易在晶界偏析。6）锡等低溶点夹杂物对钢的脆性转变温度也会带来不利的影响。7）镍是提高钢低温韧性最有效的元素，随着钢中镍含量的增加，钢的低温冲击韧度提高，最低使用温度降低。8）细化晶粒的元素都提高钢的冲击韧度，包括低温冲击韧度粹透性。钢的粹透性是指在规定条件下，决定钢材粹硬深度和硬度分布的特征，也就是钢在淬火是获得马氏体的能力。粹硬性：粹硬性是指在理想条件的淬火条件下，以超过临界冷却速度冷却所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。淬火内应力是指在淬火过程中由于工件不同部位的温度差异以及组织转变的不同时所引起的内应力。微量元素：是指以微量代入或加入钢中的化学元素，这些元素虽然含量很低，但往往会对合金性能产生明显的影响。微量元素的有益作用1）净化作用。这些元素具有脱氧、退氮、降氢的作用，能减少非金属夹杂物，改善夹杂物的类型和分布2）变质作用。3）改变夹杂物性质或形态。3）微合金化作用微合金元素在钢中几种分布形式1、微量合金元素均匀分布在基体固溶体中；2、微量合金元素原子与固溶体中其他原子之间发生交互作用；3、微量合金元素偏聚与空位，位错或晶界，相界和表面等缺陷处。V、Ti、Nb等元素在钢中形成碳化物或氮化物，是微合金化常用的主要元素合金元素对非调制钢强度和韧性的影响：C、N、V、Nb、P等元素提高强度，降低韧性；Ti元素降低强敌，提高韧性；Mn、Cr、Cu+Ni、Mo等元素提高强度，同时又改善韧性；Al元素无明显影响，但形成ALN可细化晶粒，改善韧性。第二章工程构件用钢结构用钢的基本要求：1、有足够的强度和韧度；2、良好的工艺性能；3、良好的焊接性以及一定的耐蚀性。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等强化机制来提高钢的强度在低强度高合金钢中，利用Ti、V、Nb等元素细化晶粒和产生沉淀强化。这些微合金元素能生成弥散的碳化物、氮化物和碳氮化物，加热时能阻止奥氏体晶粒的长大，冷却转变后可得到细小的铁素体和珠光体，所以常用来细化晶粒。碳素工程结构钢按屈服强度分为四级，即Q195、Q215、Q235和Q275，其中Q表示屈服强度，其后的数字表示屈服强度值，单位是MPa。碳素工程钢的特点：1、含碳量低；2、除Q195不分等级外，其余三类均按硫、磷含量高低分成若干质量等级；3、规定了各种钢的脱氧方法微合金元素在钢中的作用：①阻止奥氏体晶粒的长大：②抑制奥氏体形变再结晶：应变诱导析出钛、铌、钒的碳化物或碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，其钉扎作用，抑制再结晶。铌最强，钛次之，钒较弱。③形成沉淀相促进沉淀强化生产工艺特点：运用控制轧制和控制冷却生产工艺，通过化学成分和生产工艺的最佳配合达到最好的强韧化效果，即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组合。轧制过程分为加热，粗轧和精轧三个阶段双相钢：指显微组织只要是由铁素体和5%-20%（体积分数）的马氏体所组成的低合金高强度钢。双相钢按生产工艺分为退火双相钢和热轧双相钢。第三章机器零件用钢机器零件的主要性能指标为疲劳强度S、抗拉强度Rm、吸收能量KV、断裂韧度Kic等。这类钢主要有调质钢、弹簧钢、轴承钢、低碳钢、低碳马氏体钢、超高强度钢等。结构钢经淬火并高温回火处理后具有良好的综合力学性能，有较高的强韧性，适用于这种热处理的钢种称为调质钢。调质钢的碳含量质量分数通常为0.25%-0.45%。调质钢中铬提高钢的淬透性，同时提高耐回火性，但有回火脆性的倾向。加入锰能提高钢的淬透性，易使钢有过热倾向和回火脆性倾向。钼能进一步提高淬透性，既能提高耐回火性，细化晶粒，又能有效的消除或大大降低回火脆性倾向。钒是强碳化物形成元素，能有效的细化晶粒，提高淬透性，降低钢的过热敏感性。弹簧钢的性能要求1具有高的强度极限，特别是弹性极限，还要求有高的屈强比，以提高强度的利用率。2具有高的疲劳极限：在热处理过程中，尽量预防表面缺陷和减轻表面脱碳。采用喷丸处理可显著改善弹簧的表面状态，大大提高弹簧的使用寿命。3具有较好的工艺性能：具有一定的塑性和淬透性，过热敏感性要小，不易脱碳。4良好的耐热性和耐蚀性，足够的韧性加入Si、Mn提高淬透性、固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。Si提高弹性极限※，缺点：含量高时增大C石墨化倾向（特别软），且在加热时易于脱碳。加入Cr、W、V、Nb（碳化物形成元素除Mn外都细化晶粒）细化晶粒和防止脱碳，从而提高弹簧的弹性极限和屈服极限。对滚动轴承钢的性能要求1高的淬硬性和必要的淬透性；2高的耐磨性；3高的接触疲劳性能；4高的弹性极限和一定的冲击韧性；5尺寸要精确而经久稳定（配合）；6一定的抗腐蚀能力（加Cr）；7具有良好的冷、热加工工艺性热处理特点（轴承钢）1.正火，消除锻造毛坯的网状碳化物。2.球化退火，为最终退火做好组织准备，便于机加工。3.淬火，得到极细的马氏体和较少的残留奥氏体。4.冷处理，使钢的硬度略有升高，增加尺寸稳定性。5.回火，去除应力，提高韧性，稳定尺寸。6.时效，对精密零件，消除内应力，稳定尺寸。第四章工具钢高速钢化学成分和性能特点分类：1.钨系高速钢，W18Cr4V，是工业生产中的最广泛应用的钢种。2.钨钼系高速钢，W6Mo5Cr4V2。3.一般含钴高速钢，W18Cr4VCo5,热硬性高，价格昂贵。4.超硬高速钢。W6Mo5Cr4V2。高速钢中合金元素的作用：1.碳，保证碳化物所需要的碳和保证马氏体能获得的高硬度，获得最大的二次硬化效应。2.钨，使高速钢拥有热硬性，提高了马氏体的耐回火性，使钢的强度塑性降低。3.钼，较好的塑性，良好的力学性能和工艺性能，脱碳敏感性和过热敏感性较大。4.钒，提高钢的热硬性提高硬度和耐磨性，有效细化晶粒，降低钢的过热敏感性。5.铬，提高钢的粹透性。6.钴，显著提高钢的热硬性。7.微合金元素，为了改善高速钢的性能，氮可细化奥氏体晶粒，增加了淬火回火硬度和热硬性，提高抗弯强度和挠度，改善了韧性。平衡态组织为合金铁素体和合金碳化物。高速钢属于高合金莱式体钢。高速钢的热处理：1.退火，高速钢普通退火和等温退火工艺。2.淬火，高速钢的淬火是通过加热获得高合金的奥氏体，高温回火时析出的弥散合金碳化物产生二次硬化。高速钢工具最常用的冷却方式是分级淬火，根据工件的形状和要求可分别选用一次分级或多级方法。3.回火，