金屬材料學(xué)課程

1、金屬材料學(xué)課程主要章小結(jié)和學(xué)習(xí)思路（2007年修改）戴起勛材料科學(xué)與工程學(xué)院2007年12月主要章小結(jié)與課程總復(fù)習(xí)提要1、合金化原理小結(jié)MC、M2C型：簡單點陣結(jié)構(gòu)，熔點高，硬度高，穩(wěn)定性好 ；M3C、M7C3、M23C6型：復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)，熔點低，硬度低，穩(wěn)定性差 ；M6C型：非金屬性K。性能特點接近MC、M2C型KK類型K形成元素TiNbV形成元素對相圖的影響形成元素：A1，縮小區(qū)，使Fe-C相圖S、E點向左上方移動；量多時，可獲F鋼；形成元素：A1，擴大區(qū)，使Fe-C相圖S、E點向左下方移動；量多時，可獲A鋼；固溶體：置換固溶和間隙固溶度規(guī)律，與元素周期表的關(guān)系WMoCr/ SiMn形成元

2、素1、強者先，依次成；2、相似者相溶：有限溶解，無限溶解；溶入強者，K穩(wěn)定性；溶入弱者，K穩(wěn)定性；3、Nm/NC比值決定K類型；4、強者穩(wěn)，溶解難，析出難，聚集長大也是難；5、rc/rM<0.59，形成簡單結(jié)構(gòu)間隙相；>0.59，復(fù)雜結(jié)構(gòu)；6、量少時，形成復(fù)合KK形成規(guī)律非K形成元素NiCoCNCuSi /對過冷奧氏體相變影響1、除Co外，Me均不同程度地使“C”曲線右移；2、使P轉(zhuǎn)變右移程度較大的元素：Mo、W、Mn、Cr；3、使B轉(zhuǎn)變右移程度較大的元素：Mn、Cr、Ni、Si；4、K形成元素改變“C”曲線形狀；5、使MS點降低程度較大的元 素：（C、N）、Mn、Cr、Ni 多元

3、適量復(fù)合加入合金化設(shè)計微合金化原理及應(yīng)用加熱奧氏體化：不同K的溶解規(guī)律，Me對晶粒長大的影響；回火轉(zhuǎn)變：K形成元素ac，M分解；SiM分解；AR中析出K，反穩(wěn)定化，MS；K聚集長大，類型轉(zhuǎn)變，原位析出，異位析出，二次硬化；回火過程的強化與弱化，強化機制貢獻大小的轉(zhuǎn)化；回火脆性：特征及影響因素，Mn、Cr、Ni回脆性作用大；Si氧化脫碳傾向；Mn過熱敏感性熱處理及工藝性淬透性：(B)、Mn、Mo、Cr、Ni、Si作用較大；選擇鋼種，選擇淬火工藝；冷成型性：Me加入，冷作硬化率，冷成型性。P、C、Si影響大；可焊性：Me淬透性，可焊性；切削性：S、Pb、Ca等為易切削元素，MnS是易切削化合物熱成

4、型性：W、Mo、V、Cr等元素?zé)釅毫庸ば?，?dǎo)熱性合金化韌化途徑分布組織偏聚鋼的基本強化機理1、細化晶粒：Ti、Nb、V、W、Mo、(Al)、Cr；2、回穩(wěn)性：K形成元素。Si低溫回穩(wěn)性效果好；3、改善基體韌性：Ni；4、細化K：Cr、V（適量）；5、回火脆性：Mo、W；6、保證強度水平下，適當(dāng)降低C量；7、提高冶金質(zhì)量；8、適量AR固溶強化：s=Ki.C、N塑韌性；彈性應(yīng)力場作用位錯強化：d=Kd0.5.形變，塑韌性；位錯交割纏結(jié)細晶強化：g=Kgd-0.5.塑韌性。位錯塞積效應(yīng)彌散強化：p=Kp-1.塑韌性。第二相釘扎作用細晶（組織）強化和彌散沉淀析出強化對強化貢獻大鋼的強化與韌化合金鋼與

5、碳鋼的強韌性差異，主要不在于Me本身的強化作用，而在于Me對鋼相變過程的影響。且Me的作用只有在進行適當(dāng)熱處理條件下才能最優(yōu)發(fā)揮。強度和塑韌性是一對相互長消的矛盾。當(dāng)強度水平滿足要求時，如何改善塑韌性是矛盾的主要方面圖1 鋼合金化原理、主線、核心和設(shè)計思路材料學(xué)核心是合金化基本原理，這是材料強韌化矛盾的主要因素。要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶強化，而在于對合金材料相變過程的影響，而良好的作用只有在合適的處理條件下才能得到體現(xiàn)?！敝饕獜膹娀瘷C理和相變過程兩個方面來考慮。掌握了合金元素的作用及其在加工處理過程中的演化機理，才能更好地理解各類鋼的設(shè)計與發(fā)展，才能更好地開發(fā)新工藝、新

6、材料。如何充分發(fā)掘現(xiàn)有材料的性能，關(guān)鍵就在于熱處理等處理工藝。圖1為鋼合金化原理和設(shè)計思路。2、結(jié)構(gòu)鋼復(fù)習(xí)小結(jié)材料學(xué)主線：零件服役條件技術(shù)要求選擇材料強化工藝組織結(jié)構(gòu)最終性能應(yīng)用、失效。尋求最佳方案，充分發(fā)掘材料潛力。從自然科學(xué)辨證法理論來說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能間的關(guān)系是辨證的：材料結(jié)構(gòu)要素不同，系統(tǒng)的性能也不同；結(jié)構(gòu)要素相同，但結(jié)構(gòu)不同，性能也不同；系統(tǒng)的要素和結(jié)構(gòu)都不同，但有可能有相似的性能；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是保持性能的必要條件。這些自然科學(xué)辨證理論在材料科學(xué)中也是表現(xiàn)得非常充分的。例如：同一零件可用不同材料及相應(yīng)工藝；同一材料，可采用不同的強化工藝。根據(jù)不同零件的服役條件，考慮改進工藝，以達

7、到提高零件壽命的目的。強化工藝不同，組織有所不同，但都有可能滿足零件的性能要求。材料學(xué)主要的“思想”是作用的辨證與矛盾的轉(zhuǎn)化。材料中的這些矛盾涉及到合金化設(shè)計、處理工藝等。結(jié)構(gòu)鋼的主要矛盾是強度和塑韌性之間的配合。在結(jié)構(gòu)鋼中，碳是強韌化的主要因素。隨著碳含量的增加，強度不斷地提高，而塑性和韌度是不斷地下降的。不同的機械結(jié)構(gòu)零件服役條件不同，因而強度、塑性、韌度等綜合力學(xué)性能的配合程度也不同。人們盡可能地發(fā)揮材料的潛力，要求既具有高強度又具有高韌度。掌握理解固溶強化、位錯強化、細晶強化和彌散強化等強化機理是很重要的，這是理解強韌化矛盾及其互相長消規(guī)律的基礎(chǔ)。這些強化機制在處理過程中是相互制約和轉(zhuǎn)

8、化的。在結(jié)構(gòu)鋼中，許多問題都是由強-韌性反映出來的矛盾。強度有余時，矛盾的主要方面是如何提高韌度；而韌度有余時，提高強度是矛盾的主要方面。并且矛盾的主要、次要方面在一定條件下可以轉(zhuǎn)化。在低碳鋼中，塑性、韌度是主要的，所以在保證一定的塑性、韌度的同時，希望能有比較高的強度，這樣可減輕零件重量，降低成本，提高使用壽命。在材料發(fā)展的過程中，人們不斷地在這些矛盾中進行研究，并不斷地取得了突破性進展。如現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用的微合金鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、雙相鋼等，都是在深入理解強韌化機理的基礎(chǔ)上，從傳統(tǒng)的強-韌矛盾中得到解脫，有所創(chuàng)新。強-韌矛盾在超高強度鋼中則更為突出，以至于在設(shè)計時將鋼中主要強化元素碳作為雜質(zhì)元素

9、來處理。材料的發(fā)展充滿了矛盾對立統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化的辨證關(guān)系。鋼的合金化和處理工藝是影響強韌化矛盾的主要因素。就其本質(zhì)來說，最佳的熱處理工藝是在合金化基礎(chǔ)上合理地安排了合金元素的位置，充分發(fā)揮了合金元素的作用，從而也充分發(fā)掘了材料的潛力。性能與組織直接相關(guān)，組織變化是多因素的。各組織參數(shù)的變化是相互制約、相互轉(zhuǎn)化的。性能的變化是各組織因素共同作用的結(jié)果，而組織變化又取決于工藝。所以制定科學(xué)合理的處理工藝是至關(guān)重要的。表1 典型結(jié)構(gòu)鋼的特點、應(yīng)用及演變類型服役條件及性能要求典型牌號C量%常用工藝組 織應(yīng) 用要 點低強鋼靜載、大氣、海水侵蝕；無相對運動；有時受交變應(yīng)力，低溫。良好的綜合性能，焊接性好等16

10、Mn15MnV15MnVN14CrMnMoVB<0.2一般不熱處理，常在熱軋態(tài)供應(yīng)F+P；低C-B低C-M工程構(gòu)件，船舶，橋梁等Si、Mn、C有限制范圍；B、Mo作用；雙相鋼低C馬氏體強韌性好，TK低，缺口敏感性低；冷變形性、焊接性好，脫C、變形開裂傾向小20MnV15MnVB20SiMn2MoVA0.150.25淬火+低溫回火板條馬氏體代調(diào)質(zhì)件、中小尺寸件低C-馬氏體的優(yōu)越性及合理應(yīng)用滲碳鋼要求表面硬度高、耐磨，心部強韌配合，良好的工藝性能20Cr、20CrV20CrMnTi18Cr2Ni4WA0.120.25滲C +淬火表層：M回+K+AR齒輪、凸輪、銷等零件20CrMnTi廣泛應(yīng)用

11、；主要元素作用氮化鋼高硬度、高耐磨性；高疲勞強度；尺寸穩(wěn)定35CrMo38CrAl38CrMoAlA0.250.45調(diào)質(zhì)+氮化表面硬化層，心部S回主軸、鏜桿等重要零件38CrMoAlA鋼性能特點；Me作用調(diào)質(zhì)鋼常在扭轉(zhuǎn)、彎曲、拉伸、沖擊等條件下工作。要求綜合性能好，足夠的淬透性，防止回火脆性40Cr40CrNi40CrNiMo0.250.50調(diào)質(zhì)S回軸類零件為主常用元素作用；淬透性；回脆彈簧鋼動載荷，沖擊，振動，周期性交變應(yīng)力。高s，s/b，-1，一定塑韌性，工藝性能好65Mn60Si2Mn50CrVA55SiMnMoV0.50.75淬火+中溫回火T回各種彈簧或彈性零件Si-Mn作用；強化成型

12、方法；冶金質(zhì)量、表面質(zhì)量軸承鋼高速、高應(yīng)力。要求接觸疲勞強度高，抗壓強度高，硬度高而均勻，耐磨，尺寸穩(wěn)定GCr15GCr15SiMn0.951.05球化退火；淬火+低回M+K主要用于軸承冶金質(zhì)量控制，組織控制高錳鋼受沖擊、強烈磨損。既耐沖擊，又耐磨，強韌性好ZGMn131.01.3水韌處理A受沖擊強烈磨損零件高錳耐磨鋼性能特點、原因，水韌處理橫向3、合金工具鋼復(fù)習(xí)小結(jié)工具主要是用于通過切削、鍛造、擠壓、沖裁、剪切等各種方式加工零件材料的。對于制造工具的材料，其共同的性能要求是需要比被加工材料有更高的硬度、強度，具有良好的耐磨性，同時也必須有相應(yīng)的韌度。所以，耐磨性與韌度的合理配合是工具鋼的主要

13、矛盾。工具鋼的合金化和熱處理工藝基本上都是圍繞這主要矛盾進行優(yōu)化設(shè)計的。工具鋼的合金化目的主要是改變碳化物類型、提高淬透性、提高回火穩(wěn)定性等，熱處理工藝主要應(yīng)注意盡可能地降低淬火應(yīng)力、減小變形開裂傾向和穩(wěn)定組織。在工藝措施上，經(jīng)常采用預(yù)熱、預(yù)冷，淬火常用等溫、分級、雙液淬火等方法，并且需要及時回火。工件尺寸大，如鍛模，則整個熱處理過程需要圍繞盡量降低變形開裂而采取一系列措施。精密零件處理過程中要注意尺寸穩(wěn)定性。表2 典型工具鋼的特點、應(yīng)用及演變類型常用牌號C量常用工藝組 織性能特點應(yīng) 用要 點碳素T7T120.651.35球化退火淬火（多種方法）+低回M回+K高硬度，耐磨，加工性好低速，形狀簡

14、單常用牌號優(yōu)缺點低合金9SiCrCrWMn0.851.50M回+K輕載，小尺寸，要求變形小、形狀較復(fù)雜工具高速鋼18-4-16-5-4-20.701.65正確鍛造，球退；淬火工藝特點：預(yù)熱，嚴(yán)格T、t，分級淬火，回火多次M回+K+AR高硬度，耐磨，高紅硬性高速切削，重載荷，大進刀量鍛造目的，熱處理工藝特點，合金元素作用冷作模具鋼Cr12Cr12MoV5CrW2Si(9Mn2V)正確鍛造，球退；淬火工藝與高速鋼相似，一次、二次硬化法M回+K+AR高硬度，耐磨，有一定韌度，工藝性好各種冷作模具強韌性之間的協(xié)調(diào)熱作模具鋼5CrNiMo5CrMnMo3Cr2W8V0.30.6正確鍛造球化退火淬火+高回

15、工藝操作S(T)或M回+K熱強性，耐熱疲勞性，熱硬性，耐磨，沖擊韌度好，淬透性足夠錘鍛模熱擠壓模壓鑄模服役條件，工藝操作，合金元素作用量具鋼GCr15CrWMnCr12MoV淬火+低回M回+K高硬度，耐磨，尺寸穩(wěn)定，表面質(zhì)量各種量具尺寸穩(wěn)定性工具鋼在使用狀態(tài)的組織一般都有第二相碳化物。對于一定成分的鋼，在淬火加熱時碳化物的溶解量決定了基體的含碳量和合金度，在回火過程中基體成分變化和碳化物析出程度主要取決于回火溫度和時間。碳化物的形狀、大小、數(shù)量和分布對工具性能有很大影響。因此，工具鋼的鍛造和預(yù)處理工藝非常重要，它決定了工具鋼最終熱處理前的組織狀態(tài)，特別是碳化物形態(tài)和分布，這是最終熱處理性能質(zhì)量

16、的基本前提。工具鋼的最終熱處理工藝比結(jié)構(gòu)鋼一般要更“精確”，溫度和時間控制比較嚴(yán)格。合金度高，鋼的導(dǎo)熱性較差，在工藝上要采取相應(yīng)的措施。合金度高，其熱處理工藝往往相對比較復(fù)雜，而且工藝可變性也比較大，這為熱處理工藝的優(yōu)化選擇帶來了較大的空間。采用不同的熱處理工藝參數(shù)，從而也得到了不同的性能，適用于不同服役條件或不同性能要求特點的工具。4、特殊性能鋼小結(jié)不銹鋼的主要功能必須是在相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)下有一定的抗腐蝕能力，根據(jù)不同的用途又有相應(yīng)的力學(xué)性能要求。所以，不銹鋼的主要矛盾是耐蝕性和強度及塑韌性的合理兼顧。首先是根據(jù)耐蝕性要求并兼顧力學(xué)性能，進行最佳的合金化基本設(shè)計；要達到預(yù)定的耐蝕性和力學(xué)性能，

17、關(guān)鍵是進行合適的熱處理工藝。不同類型或成分的不銹鋼適用于不同介質(zhì)的工作環(huán)境。圖3 不銹鋼鋼小結(jié)不銹鋼合金化主要成分是鉻元素，其耐蝕能力遵循“n/8”規(guī)律。不銹鋼中用量最大的是奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼的主要問題是晶界腐蝕。消除或減弱晶界腐蝕傾向的措施從合金化角度考慮主要是盡可能地降低碳含量和加入鈦、釩等元素，從后續(xù)的熱處理工藝方面考慮，應(yīng)該根據(jù)合金元素碳化物形成規(guī)律和碳化物溶解、析出的熱力學(xué)及動力學(xué)，設(shè)計和制定熱處理工藝參數(shù)。溫度對鋼的使用來說影響很大，是關(guān)鍵因素。由于鋼的組織變化對溫度是很敏感的，所以鋼的高溫強度和組織穩(wěn)定性是耐熱鋼設(shè)計與處理工藝的主要矛盾。從合金化方面考慮，提高鋼高溫強度及

18、其穩(wěn)定性的主要措施有增強固溶體原子間結(jié)合力、強化晶界、穩(wěn)定第二相的彌散強化。每一種耐熱鋼的合金化強化都有一定的限度，也就是說，不同合金化的耐熱鋼都有其適宜的使用溫度范圍。使用溫度越高，對耐熱鋼的要求也就越嚴(yán)酷。在很高溫度下工作的零件，鋼基的耐熱合金就難以勝任，就需要采用鎳基、鈷基等具有更高耐熱性材料來制造。圖4 耐熱鋼小結(jié)框圖5、鑄鐵復(fù)習(xí)小結(jié)圖5 鑄鐵成分-工藝-組織-性能關(guān)系鑄鐵的中心問題是石墨，石墨是矛盾演化的主要方面。不同類型石墨的形成主要取決于體系的熱力學(xué)和動力學(xué)條件，即化學(xué)成分和冷卻速度。鑄鐵中石墨參與相變過程，但熱處理不能改變石墨的形態(tài)和分布。石墨的形狀、大小、數(shù)量、分布影響了鑄鐵

19、基體性能的發(fā)揮程度，從而也基本上決定了鑄鐵的宏觀力學(xué)性能。從片狀石墨到球狀石墨，使鑄鐵中石墨和基體的組織配合發(fā)生了質(zhì)的變化。因為球狀石墨割裂基體的作用較小，應(yīng)力集中的現(xiàn)象也大為減輕，所以球墨鑄鐵基體的性能可得到較大的利用，鋼的各種熱處理強化工藝基本上都可以在球墨鑄鐵中應(yīng)用。不同類型的鑄鐵有不同用途，根據(jù)零部件的工作條件和技術(shù)要求，可合理地選擇鑄鐵類型及其處理工藝。通過成分組織和工藝的特殊設(shè)計，可得到相應(yīng)的耐熱、耐磨、耐蝕等特種鑄鐵。6、鋁合金復(fù)習(xí)小結(jié)圖6 鋁合金分類和性能特點鋁合金一般仍具有純鋁的密度小、耐蝕、導(dǎo)熱等特殊性能。但由于在純鋁中加入了合金元素，改變了其組織結(jié)構(gòu)與性能，使之適宜做各種

20、機器結(jié)構(gòu)零件。鋁合金熱處理強化雖然工藝操作與鋼的淬火工藝操作基本上相似，但強化機理與鋼有著本質(zhì)不同。鋁合金沒有固態(tài)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鋁合金主要靠固溶度的提高獲得鋁基固溶體。鋁合金時效的基本過程是強化相的析出過程，在析出過程的各種過渡階段引起合金的強化。由于時效過程進行的階段不同，析出相的形態(tài)、大小也不同，所以各個階段的強化效果也不同。正確制定合金的固溶處理工藝，是保證獲得良好時效強化效果的前提。7、銅合金小結(jié)純銅的強度不高，合金化可以實現(xiàn)時效強化和過剩相強化，從而獲得高強度銅合金。銅合金中固溶強化的合金元素主要是鋅、鋁、錫、錳、鎳等。許多元素在固態(tài)銅中的溶解度隨溫度降低而急劇減小，如鈹、鈦、鋯、鉻

21、等，因而它們具有時效強化效果。過剩相強化在銅合金中的應(yīng)用也較普遍。黃銅和青銅中的Cu31Sn8等相均產(chǎn)生過剩相強化作用。由于鋅在銅中的固溶度隨溫度降低而增大，故黃銅不能熱處理強化。黃銅常用的熱處理是去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火。此外，一般青銅也不能熱處理強化，但鈹青銅經(jīng)過固溶處理并時效后，強化效果十分顯著。圖7 銅合金分類與特點 課程總復(fù)習(xí)提要一、主線、核心和“思想”主線：零件服役條件技術(shù)要求選擇材料強化工藝組織結(jié)構(gòu)最終性能應(yīng)用、失效。尋求最佳方案，充分發(fā)掘材料潛力。自然界物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是辯證的。存在多種情況：組成要素不同，系統(tǒng)的功能也不同；組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要素相同，但結(jié)構(gòu)不同，系統(tǒng)整體功

22、能也不相同；組成系統(tǒng)的要素與結(jié)構(gòu)都不同，但卻具有相似甚至相同的功能。或組成系統(tǒng)的要素與結(jié)構(gòu)都相似或相同，卻具有不同的功能；同一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，不僅只有一種功能，可能有多種功能，即同一結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的多功能效應(yīng)。（自然辯證法原理）這原理在金屬材料中也得到了充分的體現(xiàn)。（1）同一零件可用不同材料及相應(yīng)工藝。例：調(diào)質(zhì)鋼符合淬透性原則可代用，柴油機連桿螺栓可用40Cr調(diào)質(zhì)，也可用15MnVB；工模具鋼，CrWMn、9SiCr、9Mn2V等鋼在有些情況下也可考慮代用。（2）同一材料，可采用不同的強化工藝。例：60Si2Mn，有常規(guī)中溫回火，也可等溫淬火；T10鋼，淬火方法有水、水-油、分級等。根據(jù)不同零件的服役條件

23、，考慮改進工藝，以達到提高零件壽命的目的。強化工藝不同，組織有所不同，但都能滿足零件的性能要求。通過分析、試驗，可得到最佳的強化工藝。要學(xué)活，思路要寬。提出獨特見解。核心：核心是合金化基本原理。這是材料強韌化矛盾的主要因素，要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶強化，而在于對合金材料相變過程的影響，而良好的作用只有在合適的處理條件下才能得到體現(xiàn)?！睉?yīng)該主要從強化機理和相變過程兩個方面來考慮。掌握了合金元素的作用，才能更好地理解各類鋼的設(shè)計與發(fā)展，才能更好地采用熱處理等強化工藝。從鋼廠出來，鋼成分已定。如何在這基礎(chǔ)上充分優(yōu)化材料的使用性能，關(guān)鍵就在于熱處理等處理工藝。企業(yè)中的許多問題都

24、是因為在材料的加工過程中的工藝存在問題?？偨Y(jié)一下常用合金元素的作用、表現(xiàn)是很有必要的。特別要強調(diào)的是碳化物的形成規(guī)律很重要，許多問題都與此有關(guān)。“思想”：課程內(nèi)容多，其相互聯(lián)系并不象數(shù)學(xué)、物理那么強。很多人都認為只有死記硬背鋼號。其實，材料學(xué)是一門很有“思想”的課程。主要的“思想”：作用的辯證與矛盾的轉(zhuǎn)化。如，對結(jié)構(gòu)鋼是強度-韌度的匹配，對工模具鋼主要是韌度-耐磨性的協(xié)調(diào)。材料中的這些矛盾涉及到合金化設(shè)計、處理工藝等。掌握理解：固溶強化、位錯強化、細晶強化和彌散強化等強化機理。正火和淬火、高溫回火得到的同樣是珠光體組織，但為什么一般鋼要經(jīng)過淬火、回火?在這些處理過程中，合金元素存在的形式和所處

25、的位置是怎樣變化的，其它組織結(jié)構(gòu)是怎樣變化的，固溶強化、位錯強化、細晶強化和彌散強化等強化機制是如何相互轉(zhuǎn)化的。這些問題涉及了所有的專業(yè)課知識。在材料發(fā)展的過程，人們不斷地在這些矛盾中進行研究，并不斷地取得了突破性進展。如現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用的微合金鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、雙相鋼等，都是在深入理解強韌化機理的基礎(chǔ)上，從傳統(tǒng)的強-韌矛盾中得到解脫，有所創(chuàng)新。強-韌矛盾和研究開發(fā)就象是一個螺旋形，相互轉(zhuǎn)化、輪回。以上的例子只是為了說明分析問題、解決問題的關(guān)鍵和思路。材料的發(fā)展充滿了活的辨證關(guān)系，充滿了矛盾的演變。當(dāng)然，對問題的認識有一個逐步理解的過程。首先要有宏觀的認識和思路，從高處看問題有豁然開朗的意境。二、

26、以辯證法原理提煉課程內(nèi)涵1、材料性能演化過程的矛盾規(guī)律反映物質(zhì)系統(tǒng)特征及規(guī)律的基本范疇是：系統(tǒng)、要素、結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境（欒玉廣主編. 自然辯證法原理.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2002） 。材料學(xué)的主線：零件服役條件技術(shù)要求選擇材料強化工藝組織結(jié)構(gòu)最終性能應(yīng)用、失效。零件對材料性能的要求可能不止一種，但一般都有一種主要性能要求，各性能間存在相互制約、此消彼長的關(guān)系。在復(fù)雜的事物的發(fā)展過程中，有許多的矛盾存在，其中必有一種是主要的矛盾，起著領(lǐng)導(dǎo)的、決定的作用，由于它的存在和發(fā)展規(guī)定或影響著其他矛盾的存在和發(fā)展，這種矛盾就稱為主要矛盾。在事物發(fā)展的不同過程中，主要矛盾也是可以改變的（毛澤東.毛澤東選

27、集·第一卷·矛盾論.人民出版社，2003）。材料的發(fā)展，如在結(jié)構(gòu)鋼、工模具鋼、不銹鋼、熱強鋼、構(gòu)件鋼等鋼類中，都充滿了矛盾對立統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化的辯證關(guān)系。材料中的這些矛盾涉及合金化設(shè)計、處理工藝等因素。例如結(jié)構(gòu)鋼的主要矛盾是強度和塑韌性之間的配合。一般情況下，鋼的強化和韌化是一對矛盾。在結(jié)構(gòu)鋼中，隨著碳含量的增加，強度不斷地提高，而塑性和韌度是不斷地下降的。不同的機械結(jié)構(gòu)零件有不同的服役條件，因而也就要求有不同程度的強度、塑性、韌度等綜合力學(xué)性能的配合。人們盡可能地發(fā)揮材料的潛力，要求既具有高強度又具有高韌度。在結(jié)構(gòu)鋼中，許多問題都是由強-韌性反映出來的矛盾。強度有余時，矛盾的主

28、要方面是如何提高韌度；而韌度有余時，提高強度是矛盾的主要方面。并且矛盾的主要、次要方面在一定條件下可以轉(zhuǎn)化。在材料發(fā)展的過程中，人們不斷地在這些矛盾中進行研究，并不斷地取得了突破性進展。如現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用的微合金鋼、非調(diào)質(zhì)鋼、雙相鋼等，都是在深入理解強韌化機理的基礎(chǔ)上，從傳統(tǒng)的強-韌矛盾中得到解脫，有所創(chuàng)新。強-韌矛盾和研究開發(fā)就象是一個螺旋形，相互轉(zhuǎn)化、輪回。如低合金高強度鋼，最早是美國的4130鋼得到了應(yīng)用，但嫌強度不夠，這時強度是矛盾的主要方面，所以增加了C，發(fā)展了4340；隨著性能要求的提高，4340鋼的韌性不能滿足，因此在4340基礎(chǔ)上又降低了C，加入了V元素，開發(fā)了4335V。從強

29、化機制上說，增大了細晶強化和彌散強化的貢獻，從而在相同強度水平下提高了韌性；后來更進一步，再加入Si元素，得到了優(yōu)異性能鋼種300M，強韌性同時提高。強-韌矛盾在超高強度鋼中則更為突出，以至于在設(shè)計時將鋼中主要強化元素碳作為雜質(zhì)元素來處理。石墨的形狀、大小、數(shù)量、分布影響了鑄鐵基體性能的發(fā)揮程度，從而也基本上決定了鑄鐵的宏觀力學(xué)性能。從片狀石墨到球狀石墨，使鑄鐵中石墨和基體的組織配合發(fā)生了質(zhì)的變化。因為球狀石墨割裂基體的作用較小，應(yīng)力集中的現(xiàn)象也大為減輕，所以球墨鑄鐵基體的性能可得到較大的利用，鋼的各種熱處理強化工藝基本上都可以在球墨鑄鐵中應(yīng)用。掌握理解固溶強化、位錯強化、細晶強化和彌散強化等

30、強化機理及其在處理過程中相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律是很重要的，這是理解強韌化矛盾及其互相長消規(guī)律的基礎(chǔ)。2、合金元素作用的辯證規(guī)律合金元素能對某些方面起積極的作用，但許多情況下還有不希望的副作用，因此材料的合金化設(shè)計都存在著不可避免的矛盾。矛盾雙方必有主要的和非主要的。矛盾的主要方面決定著事物的性質(zhì)。矛盾的主次方面的地位不是一成不變的，在一定條件下，矛盾的主次方面是可以轉(zhuǎn)化的（毛澤東.毛澤東選集·第一卷·矛盾論.人民出版社，2003）。合金化基本原則是多元適量，復(fù)合加入。不同元素有不同的個性，元素之間的交互作用是復(fù)雜的，不同元素的復(fù)合，其作用是不同的。合金化原則：多元適量，復(fù)合加入。多

31、元：多元作用大，效果好，又經(jīng)濟。合金元素的作用并不是簡單的代數(shù)和。簡單的比喻：人每天的營養(yǎng)攝入，可科學(xué)地配制食譜，做到既滿足營養(yǎng)要求，又不會使某種營養(yǎng)過剩。多元復(fù)合加入的作用或情況主要有以下幾種：（1）提高性能。提高淬透性等性能，復(fù)合的作用不是線性相加的。如：40Cr 40CrNi / 40CrMn 40CrNiMo / 40CrMnMo（2）揚長避短。合金元素能對某些方面起積極的作用，但許多情況下還有不希望的副作用，為了克服這不足，可以加入另一元素來彌補。如：Si-Mn配合, Mn削弱Si的脫C傾向，60Si2Mn；Mn-V配合，9Mn2V，V能抵消部分Mn的過熱傾向。（3）改善碳化物的類型

32、與分布。某些元素的加入會改變鋼中所形成的碳化物的類型與分布，或改變其它元素的存在形式和位置，從而可提高性能。如耐熱鋼中Cr-Mo-V；高速鋼中的V-Cr-W。適量：合金元素的某種作用在含量達到一定量時往往會起不良的影響，而且還有經(jīng)濟性的問題。正象人們要預(yù)防感冒，也不必論公斤地服用感冒藥，為了增加營養(yǎng)，把人參當(dāng)胡蘿卜一樣地炒菜吃，那也是荒唐的。適量的原因，除了經(jīng)濟的因素外，主要有以下幾種情況：（1）有的元素增多后，會降低材料的塑韌性。如，在低C構(gòu)件鋼中，一般Si、Mn含量為： Si<1.1%，Mn<1.8% 。（2）有些合金元素增多，會惡化碳化物的分布。如，高速鋼中Cr，軸承鋼中的C

33、r，CrWMn中的W等。（3）有的元素含量過多，會改變碳化物類型，增加熱處理過程難度。如，一般情況結(jié)構(gòu)鋼中的V控制在0.10.2%以下，Mo含量<0.5%左右。（4）合金元素的作用往往不是隨量的增加而線性地增加的。選擇合適的加入量，既能達到目的，又經(jīng)濟。合金元素的這些復(fù)雜的作用在回火脆性、相變形核與長大、元素偏聚、熱強鋼Cr-Mo-V元素的合金化原理等方面都有很好的表現(xiàn)。材料的發(fā)展充滿了活的辯證關(guān)系，充滿了矛盾的演變。在教學(xué)過程中以自然辯證法原理切入課程內(nèi)容，講清分析問題、解決問題的關(guān)鍵和思路，取得了很好的教學(xué)效果。3、材料組織演化的量變與質(zhì)變規(guī)律物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是物質(zhì)系統(tǒng)整體性的內(nèi)在依據(jù)

34、，物質(zhì)系統(tǒng)的功能則是物質(zhì)系統(tǒng)整體性的外在表現(xiàn)（欒玉廣主編.自然辯證法原理.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2002）。材料的組織結(jié)構(gòu)決定了性能，而材料成分和工藝過程又決定了組織。組織結(jié)構(gòu)的變化是多因素的，組織參數(shù)的變化也是相互制約、相互轉(zhuǎn)化的，而且組織結(jié)構(gòu)演化過程遵循了量變與質(zhì)變的自然規(guī)律。自然界運動形式的轉(zhuǎn)化，是一個由量變引起質(zhì)變的過程，這個過程是通過漸變和突變實現(xiàn)的，是連續(xù)與間斷的統(tǒng)一。漸變往往是突變的前提，在一定條件下，兩者可以轉(zhuǎn)化（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等編. 自然辯證法原理.湖南教育出版社，1983）。漸變和突變是自然界物質(zhì)系統(tǒng)演化的兩種基本形式（欒玉廣主編.自然辯證法原理.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社

35、，2002）。理論上相變臨界點就是量變到質(zhì)變的拐點。鋼的過冷奧氏體在相變過程中一般都有一個孕育期，孕育期的物理本質(zhì)是在進行能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏和成分起伏的形核準(zhǔn)備，一旦時機成熟就發(fā)生相變，產(chǎn)生突變。合金元素在鋼中的存在形式主要是化合物（主要是碳化物）和固溶體，在處理過程中兩者是相互轉(zhuǎn)化的，嚴(yán)格遵循碳化物形成規(guī)律和固溶規(guī)律，這是合金化和熱處理工藝設(shè)計所必須掌握的知識。要真正理解“合金元素的作用，主要不在于本身的固溶強化，而在于對合金材料相變過程的影響，而良好的作用只有在合適的處理條件下才能得到體現(xiàn)。” 主要從強化機理和相變過程兩個方面來考慮。例如合金元素在固溶體和碳化物中往往都有一定的溶解度，元素

36、的量超過了這個度，就可能以碳化物等形式存在，或使碳化物類型發(fā)生變化，這是一個量變引起質(zhì)變的過程。在新、舊物質(zhì)演化過程中，系統(tǒng)之間往往存在過渡狀態(tài)或中介類型。其特點首先反映了新舊系統(tǒng)的相互包含，即原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，但未完全改變，新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還處在萌芽狀態(tài)，又尚未產(chǎn)生。這樣，它既包含舊系統(tǒng)的內(nèi)容，又包含新系統(tǒng)的內(nèi)容。鋼的回火過程和鋁合金時效過程中的組織結(jié)構(gòu)變化是最典型的例子。就其本質(zhì)來說，最佳的處理工藝是充分發(fā)揮了合金元素的作用，在材料成分的基礎(chǔ)上合理地安排了合金元素的位置，從而也充分發(fā)掘了材料的潛力。三、主要合金元素作用歸納Cr:1）淬透性 G， K形核長大。Cr、Ni等復(fù)合作用大，如調(diào)質(zhì)鋼

37、40Cr40CrNi40CrNiMo。2）回穩(wěn)性 K形成元素，阻止M3C型長大。如，40 Cr與40鋼相比，回火到相同硬度時，回火溫度可 3040。3）抗氧化性、熱強性 形成Cr2O3， FeO出現(xiàn)的溫度； 原子間結(jié)合力， 熱強性，耐熱鋼，Mo-Cr-V。4）耐蝕性 電極電位，n/8-Tammann定律。如不銹鋼。5）細化晶粒，改善K均勻性 K較穩(wěn)定，不易長大，如GCr15。6）回火脆性 促進雜質(zhì)原子偏聚，如40CrNi。7）A1 F形成元素。 熱疲勞性，如5CrNiMo；淬火溫度，如GCr15為840，而T10為780；含Cr量多時 F鋼，如1Cr17。8） Ms Ar，如GCr15比T10鋼的Ar 多，分別為8%左右和3%左右。Mn:1）強化F 固溶強化，如低合金普通結(jié)構(gòu)鋼。2）淬透性 G，使“C”線右移，如40 Mn2。3）晶粒長大 A1 ，強化C的促進晶粒長大作用， 過熱敏感性。4）Ar Ms。量大時，獲得A鋼 Mn擴大區(qū)。5）回火脆性 促進有害元素偏聚。6）熱脆性 脫硫，形成MnS；脫氧劑，MnO。易切削鋼。Si：1），可切削性 固溶強化效果顯著，60Si2Mn等彈簧鋼2）低溫回火穩(wěn)定性 抑制-K形核長大及轉(zhuǎn)變，如30CrMnSi、9SiCr。3）抗氧化性 形成致密的氧化物，如高溫抗氧化鋼Cr18Si2,排氣閥用鋼4Cr9Si2。4）淬透性 阻止K形核長大，使“C”線右