《金属材料学》课件金属材料学总复习.ppt

1、金属材料学金属材料学总总 复复 习习 提提 纲纲戴起勋戴起勋 主要内容主要内容一、主线、核心和一、主线、核心和“思想思想”二、合金化二、合金化三、各类钢要点三、各类钢要点四、四、各主要材料的分析思路各主要材料的分析思路主线主线：服役条件：服役条件技术要求技术要求选择材料选择材料强化工强化工艺艺组织结构组织结构最终性能最终性能应用、失效。应用、失效。一、主线、核心和一、主线、核心和“思想思想”零零件件服役服役条件条件性能性能要求要求材料材料成分成分强化强化工艺工艺组织组织结构结构使用使用性能性能要要清清楚楚的的三三点点（1 1）同一零件可用不同材料及相应工艺）同一零件可用不同材料及相应工艺 例：

2、调质钢；工具钢代用例：调质钢；工具钢代用（2 2）同一材料，可采用不同工艺）同一材料，可采用不同工艺 例：例：T10T10钢，淬火有水、水钢，淬火有水、水-油、分级等。强油、分级等。强化工艺不同，组织有差别，但都能满足零件要化工艺不同，组织有差别，但都能满足零件要求。力求最佳的强化工艺。求。力求最佳的强化工艺。(3）同一材料可有不同的用途。）同一材料可有不同的用途。例例:60Si2Mn有时也可用作模具。低合金工具有时也可用作模具。低合金工具钢也可做主轴，钢也可做主轴，GCr15也可做量具、模具等。也可做量具、模具等。要学活，思路要宽，要敢于提出独特见解要学活，思路要宽，要敢于提出独特见解 核心

3、核心：核心是合金化基本原理。这是材料强韧化：核心是合金化基本原理。这是材料强韧化矛盾的主要因素矛盾的主要因素.掌握合金掌握合金元素作用元素作用理解各类钢的设计与发展理解各类钢的设计与发展采用热处理等强化工艺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。料的加工过程中的工艺存在问题。“思想思想”：材料学是一门很有：材料学是一门很有“思想思想”的课程，的课程，只是只是要从学习过程中体会和挖掘出来。要从学习过

4、程中体会和挖掘出来。辨证作用辨证作用矛盾转化矛盾转化结构钢是强度结构钢是强度-韧度的匹配，韧度的匹配，工模具钢主要是韧度工模具钢主要是韧度-耐磨性的协调，耐磨性的协调，铸铁石墨形态和力学性能之间的关系等铸铁石墨形态和力学性能之间的关系等 由强由强-韧性反映出来的矛盾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。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。并且矛盾的主、次方面在一定条件下可以转化。掌握理解掌握理解：固溶强化、位错强化、细晶强化：固溶强化、位错

5、强化、细晶强化和弥散强化等强化机理。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、回火织，但为什么一般钢要经过淬火、回火?在这些处在这些处理过程中，合金元素存在的形式和所处的位置是理过程中，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制是如何相互转化的。这些问题涉及了所有的专业课知识。业课知识。合金化合金化设计设计

6、K形成形成规律规律K类型类型及性质及性质对对C线线的影响的影响对对相图相图影响影响强韧化强韧化矛盾矛盾演化规律演化规律钢钢韧化韧化基本途径基本途径钢钢强化强化基本机理基本机理Me对过对过程影响程影响Me对工对工艺性艺性作用作用组织组织设计设计多元适量多元适量复合加入复合加入 强强-韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形韧矛盾和研究开发就象是一个螺旋形，相，相互转化、轮回。强互转化、轮回。强-韧矛盾在超高强度钢中更为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突出。创新突破之处是彻底改变传统的强化之源C C合金化。所以发展了马氏体时效钢，使强合金化。所以发展了马氏体时效钢，使强韧

7、性提高了一个数量级。韧性提高了一个数量级。在材料发展的过程中，人们不断地在这些矛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。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，相钢等，都是在深入理解强韧化机理的基础上，从传统的强从传统的强-韧矛盾中得到解脱，有所创新。韧矛盾中得到解脱，有所创新。体会体会 分析问题、解决问题的关键分析问题、解决问题的关键和思路。和思路。材料的发展充满了活的辨证材料的发展充满了活的辨证关系，充满了矛盾的演变。当关系，充

8、满了矛盾的演变。当然，对问题的认识有一个逐步然，对问题的认识有一个逐步理解的过程。首先要有宏观的理解的过程。首先要有宏观的认识和思路，从高处看问题有认识和思路，从高处看问题有豁然开朗的意境。豁然开朗的意境。二、合金化二、合金化 1 1、合金化原则、合金化原则 多元适量，复合加入多元适量，复合加入多元：多元：多元作用大，效果好，又经济。合金元素多元作用大，效果好，又经济。合金元素 的作用并不是简单的代数和。简单比喻：人每的作用并不是简单的代数和。简单比喻：人每 天的营养摄入，可科学地配制食谱，做到既满天的营养摄入，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足营养要求，又不会使某

9、种营养过剩。多元复合加入的作用或情况主要有以下几种：多元复合加入的作用或情况主要有以下几种：多多元元复复合合加加入入 提高性能提高性能。如。如淬透性，复合作用不是线性淬透性，复合作用不是线性 相加的。如：相加的。如：40Cr 40CrNi 40CrNiMo扬长避短扬长避短。合金元素能对某些方面起积极的。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，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：可加入另一元素来弥补。如：Si-MnMn-V改善改善K类型与分布类型与分布。某些元素加入会改变钢。某些元素加入会改变钢 中所形成中所形成K类型与分布，或改变其它元素

10、的类型与分布，或改变其它元素的 存在形式和位置，从而提高性能。如耐热钢存在形式和位置，从而提高性能。如耐热钢 中中Cr-Mo-V；高速钢的；高速钢的V-Cr-W适量：适量：合金元素的某种作用在含量达到一定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，而且还有经济性的时往往会起不良的影响，而且还有经济性的 问题。问题。适量的原因，除了经济的因素外，主要有适量的原因，除了经济的因素外，主要有 以下几种情况：以下几种情况：适适量量加加入入有有Me增多后，会增多后，会降低材料的塑韧性降低材料的塑韧性 如构件钢中，一般如构件钢中，一般Si1.1%，Mn1.8%有些有些Me增多，会增多，会恶

11、化恶化K的分布的分布 如高速钢中如高速钢中Cr，CrWMn中的中的W等等有的会有的会改变改变K类型，类型，热处理难度热处理难度 如一般结构钢中如一般结构钢中V0.10.2%，Mo0.5%左右，以免生成难溶的左右，以免生成难溶的K 适量加入适量加入,符合符合经济经济性性 MeMe作用不是线性的作用不是线性的,适量，体现适量，体现经济性经济性2 2、主要合金元素作用归纳、主要合金元素作用归纳Cr:Cr:1 1）淬透性淬透性 GG，K K形核长大。形核长大。CrCr、NiNi等复合作用大，如调质钢等复合作用大，如调质钢40Cr40Cr40CrNi40CrNi40CrNiMo40CrNiMo。2 2）

12、回稳性回稳性 阻止阻止M M3 3C C型长大。如型长大。如40 Cr40 Cr与与4040钢钢相比，回火到相同硬度时，回火温度可相比，回火到相同硬度时，回火温度可30-4030-40。3 3）抗氧化性、热强性抗氧化性、热强性 形成形成CrCr2 2O O3 3，FeOFeO出出现的温度；现的温度；原子间结合力，原子间结合力，热强性。如耐热钢，热强性。如耐热钢，Mo-Cr-VMo-Cr-V。4 4）耐蚀性耐蚀性 电极电位，电极电位，n/8n/8定律。如定律。如不锈钢。不锈钢。5 5）细化晶粒，改善）细化晶粒，改善K K均匀性均匀性 K K较稳定，较稳定，如如GCr15GCr15。6 6）回火脆

13、性回火脆性 促进杂质原子偏聚，如促进杂质原子偏聚，如40CrNi40CrNi。7 7）A A1 1 F F形成元素。形成元素。热疲劳性，如热疲劳性，如5CrNiMo5CrNiMo；淬火温度，如淬火温度，如GCr15GCr15为为840840，而，而T10T10为为780780；含；含CrCr量多时量多时F F钢，如钢，如1Cr171Cr17。8 8）Ms ArMs Ar，如，如GCr15GCr15比比T10T10钢的钢的ArAr多，多，分布为分布为8%8%左右和左右和3%3%左右。左右。Mn:1）强化）强化F 固溶强化，如低合金普通结构钢。固溶强化，如低合金普通结构钢。2）淬透性淬透性 G，使

14、，使“C”线右移，如线右移，如40 Mn2。3）晶粒长大晶粒长大 A1，强化，强化C的促进晶粒长大的促进晶粒长大作用，作用，过热敏感性。过热敏感性。4）Ar Ms。量大时，获得。量大时，获得A钢钢 Mn扩大扩大区。区。5）回火脆性回火脆性 促进有害元素偏聚。促进有害元素偏聚。6）热脆性热脆性 脱硫，形成脱硫，形成MnS；脱氧剂，；脱氧剂，MnO；易切削钢。；易切削钢。Si：1），可切削性可切削性 固溶强化效果显著，如固溶强化效果显著，如弹簧钢弹簧钢60Si2Mn等；等；2）低温回火稳定性低温回火稳定性 抑制抑制-K形核长大及转形核长大及转变，如变，如30CrMnSi、9SiCr。3）抗氧化性抗

15、氧化性 形成致密的氧化物，如高温抗氧形成致密的氧化物，如高温抗氧化钢化钢Cr18Si2,排气阀用钢排气阀用钢4Cr9Si2。4）淬透性淬透性 K形核长大，使形核长大，使“C”线右移，高线右移，高C时作用较大。时作用较大。5）淬火温度淬火温度 A1。如。如9SiCr，Ac1为为770。6）脱脱C、石墨化倾向、石墨化倾向 Si碳活度，含碳活度，含Si钢脱钢脱C倾向大。如倾向大。如9SiCr、60Si2Mn等等。Mo：1）淬透性淬透性 推迟推迟P转变，对转变，对B转变影响较小。转变影响较小。2）热强性热强性 固溶体原子间结合力，如珠光固溶体原子间结合力，如珠光体热强钢体热强钢12CrMoV。3）回火

16、脆性回火脆性 有效地抑制有害元素的偏聚，有效地抑制有害元素的偏聚，如如40CrNiMo。4）回火稳定性回火稳定性 较强较强K形成元素，形成元素，碳活度，碳活度，且且K稳定不易长大。稳定不易长大。5）细化晶粒）细化晶粒 较强较强K形成元素，形成元素，碳活度，阻碳活度，阻止晶界移动。止晶界移动。6）非氧化性酸的耐蚀性，防止点蚀非氧化性酸的耐蚀性，防止点蚀 形成形成MoO3，致密而稳定。，致密而稳定。Ni：1）基体韧度基体韧度 Ni位错运动阻力，使应力位错运动阻力，使应力松弛。如马氏体时效钢。松弛。如马氏体时效钢。40CrNi、40CrNiMo钢钢的韧度较高。的韧度较高。2）稳定）稳定A组织，组织，

17、NiA1，扩大，扩大区，量大区，量大时，室温为时，室温为A组织，如组织，如18-8奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢。3）淬透性淬透性 G，使，使“C”线右移，线右移，Cr-Ni复合效果更好。如复合效果更好。如12CrNi3、40CrNi。4）回火脆性回火脆性 Ni促进有害元素的偏聚，如促进有害元素的偏聚，如40CrNi回火脆性大。回火脆性大。5）Ms Ar。V V：1）热强性热强性 VC质点稳定性好，且弥散分质点稳定性好，且弥散分布，如耐热钢布，如耐热钢Cr-Mo-V。2）细化晶粒）细化晶粒 VC质点细小、稳定，有效阻质点细小、稳定，有效阻止晶界移动，如止晶界移动，如40Mn2V、50CrV。3）红

18、硬性、耐磨性红硬性、耐磨性 VC质点细小、稳定、质点细小、稳定、弥散，如高速钢均含弥散，如高速钢均含V。4）过热倾向过热倾向 VC质点溶解稳定较高，晶质点溶解稳定较高，晶粒不易长大，粒不易长大，4040Mn2V。5）磨削性磨削性 VC质点硬度高，容易产生磨质点硬度高，容易产生磨削裂纹，如削裂纹，如9Mn2V的磨削性较差。的磨削性较差。3 3、利用合金化原理分析典型钢的性能特点、利用合金化原理分析典型钢的性能特点 9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn、9Mn2V9Mn2V；60Si2Mn60Si2Mn；5CrNiMo5CrNiMo；W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2三、各类钢要点三、

19、各类钢要点 1 1、要掌握各类钢的特点、要掌握各类钢的特点 弹簧、热锻模的服役条件及技术要求；弹簧、热锻模的服役条件及技术要求；轴承钢的冶金质量；轴承钢的冶金质量；高速钢的热处理工艺；高速钢的热处理工艺；工具钢的球化处理；工具钢的球化处理；高碳钢的第二相；高碳钢的第二相；齿轮、轴类零件的选材料；齿轮、轴类零件的选材料；不同表面强化工艺特点、应用和适用钢不同表面强化工艺特点、应用和适用钢种。种。2、归纳各类钢工艺特点、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）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、变性也大。因此，工艺相对就比较复杂。

20、如高速钢、Cr12MoV、18Cr2Ni4W、3Cr2W8V等。等。2）过共析钢，希望）过共析钢，希望K稳定，用较强稳定，用较强K形成元素。形成元素。量可较多，残余量可较多，残余K细化晶粒，又提高耐磨性。如过细化晶粒，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。处理，球化工艺。3）亚共析钢，采用完全淬火，希望钢中的）亚共析钢，采用完全淬火，希望钢中的K不不稳定，在加热时能全部溶解。强稳定，在加热时能全部溶解。强K形成元素用得比形成元素用得比较少，即使有，含量也是较少，控制。较少，即使有，含量也是较少，控制。4 4）工

21、具钢淬火时，变形开裂倾向比较大，所以）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、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。分级、双液淬火等方法，且需要及时回火。5 5）工件尺寸大，如锻模，则整个热处理过程需）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。要围绕尽量降低变形开裂而采取一系列措施。6 6）弹簧、轴承、工具钢最终处理前一般已是成）弹簧、轴承、工具钢最终处理前一般已是成品，要注意脱碳倾向，一般措施为采用保护气氛、品，要注意脱碳倾向，一般措施为采用保护气氛、盐浴炉等。盐浴炉

22、等。7 7）精密零件处理过程中要注意尺寸稳定性。）精密零件处理过程中要注意尺寸稳定性。8 8）工模具钢，特别是高碳高合金钢的锻造工艺很）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。由于锻造工艺的原因。1 1 结构钢的特点、应用及演变结构钢的特点、应用及演变 2 2 工具钢的特点、应用及演变工具钢的特点、应用及演变 3 3 铸铁要点铸铁要点4 4 铝合金分类与特点铝合金分类与特点四、各主要材料的思路四、各主要材料的思路服役条件及服役条件及性能要求性能要求 常用常用牌号牌号 C C量量 常用

23、常用工艺工艺 组织组织性能性能 应用应用 要点要点 低强钢低强钢 低低C C马氏体马氏体 渗碳钢渗碳钢 氮化钢氮化钢 调质钢调质钢 弹簧钢弹簧钢 轴承钢轴承钢 高锰钢高锰钢 典型结构钢的特点、应用及演变典型结构钢的特点、应用及演变 纵向要理解系统及纵向要理解系统及相互间关系相互间关系 横向要了横向要了解含碳量及解含碳量及合金化的变合金化的变化原因化原因常用常用牌号牌号 C C量量 常用常用工艺工艺 组织组织 性能性能特点特点 应用应用 要点要点 碳素钢碳素钢 低合金低合金 高速钢高速钢 冷作模具钢冷作模具钢 热作模具钢热作模具钢 量具钢量具钢 典型工具钢的特点、应用及演变典型工具钢的特点、应用

24、及演变自由焓自由焓有利于石墨有利于石墨化化成分、结构、成分、结构、扩 散 有 利 于扩 散 有 利 于Fe3C析出析出HT200QT400-17KTZ450-06灰口铸铁灰口铸铁：片片G，性能特点与用途。性能特点与用途。孕育处理孕育处理热力学热力学动力学动力学牌号及数字意义牌号及数字意义可锻铸铁：团絮状可锻铸铁：团絮状G，由白口铁经石，由白口铁经石墨化得到，性能与墨化得到，性能与用途用途 石墨化过程石墨化过程 决定决定G G形态形态 决定基体决定基体铸铁中心问题：铸铁中心问题：G形状、大小、形状、大小、数量、分布数量、分布球墨铸铁：球状球墨铸铁：球状G，球化处理。热处理球化处理。热处理工艺：与

25、灰铁不同，工艺：与灰铁不同，与钢区别。不同工与钢区别。不同工艺得到不同基体组艺得到不同基体组织。性能与用途织。性能与用途 影响因素影响因素铸铁性能铸铁性能化学成分化学成分C、Si促进促进石 墨 化；石 墨 化；Mn、S阻止阻止石墨化石墨化冷却速度冷却速度薄壁表面易薄壁表面易白口。壁厚白口。壁厚敏感性，性敏感性，性能差异能差异强度、伸长率、冲强度、伸长率、冲击韧度比钢低；耐击韧度比钢低；耐磨；切削性好；消磨；切削性好；消振性好；缺口敏感振性好；缺口敏感性低；铸造性好。性低；铸造性好。蠕铁蠕铁：蠕虫状蠕虫状G特殊性能铸铁：耐特殊性能铸铁：耐蚀、耐磨、耐热蚀、耐磨、耐热工业纯铝工业纯铝：密度密度2.

26、72。导。导电、导热性好，电、导热性好，抗蚀性好，塑抗蚀性好，塑性高性高防锈铝合金防锈铝合金只能变形强化。只能变形强化。Al-Mg、Al-Mn系。系。LF5固溶强化固溶强化细化组织强化细化组织强化时效强化时效强化第二相强化第二相强化基本过程基本过程：GP。条件条件：Me能溶入能溶入；随随T而固溶度而固溶度；析；析出相强化作用大。出相强化作用大。铸造铝合金铸造铝合金：Al-Si，ZL104Al-Cu，ZL201Al-Zn，ZL402Al-Mg，ZL301 可热处理强化可热处理强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化超硬铝超硬铝：如如LC4Al-Zn-Mg-Cu系系性能特点：强度高，性能特点：强度高，耐热性、抗蚀性差。耐热性、抗蚀性差。热处理：淬火温度较热处理：淬火温度较宽宽硬铝硬铝：LY12Al-Cu-Mg系。系。性能特点：强度比较高，耐性能特点：强度比较高，耐热性好，抗蚀性差。热性好，抗蚀性差。热处理：淬火温度窄，要求热处理：淬火温度窄，要求冷速快，转移时间短冷速快，转移时间短锻铝锻铝：如如LD5Al-Mg-Si-Cu系系工艺特点：锻造性好，工艺特点：锻造性好，热处理：采用人工时热处理：采用人工时效效Al Me 合金化合金化 Cu、Mg、Zn、Si、MnLL+