第7章 金屬材料,思考題

第10章金屬材料

習(xí)題1對鋼進(jìn)行退火和正火的目的？加熱溫度？如何冷卻？2鋼淬火后為什么要進(jìn)行回火？回火時組織和性能有何變化？3合金產(chǎn)生時效強(qiáng)化的條件是什么？如何進(jìn)行時效強(qiáng)化？4按下表對常用的熱處理方法進(jìn)行總結(jié)熱處理方法工藝特點組織性能適用范圍退火正火淬火+回火滲碳+淬火+低溫回火淬火+時效習(xí)題1、說明下述牌號的成分并說明各屬于哪一類鋼？45，T8A，38CrMoAlA，9CrSi，LF11，LC4，ZL203，H80，HPb59-1，QSn10-1，K2112、碳鋼在哪些方面具有局限性？3、為什么不銹鋼必須含12%以上Cr？比較各類不銹鋼的特點。4、鑄鐵與鋼相比，在組織和性能上有何不同？5、鋁合金、鎂合金和鈦合金各有何特點？簡述其應(yīng)用范圍。6、比較黃銅和青銅在組成和性能上的差異。10-1-1熱處理的理論基礎(chǔ)一、金屬材料的主要強(qiáng)化方式固溶強(qiáng)化：形成固溶體，晶格畸變，強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。細(xì)晶強(qiáng)化：晶粒細(xì)化，晶界增加，塑性變形，動態(tài)再結(jié)晶。加工硬化：加工致塑性變形，強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。時效強(qiáng)化：過飽和固溶體在一定溫度下析出第二相或形成細(xì)小等軸晶。第二相強(qiáng)化：固溶析出第二相，馬氏體回火相變，共晶析出復(fù)合強(qiáng)化：第二相彌散強(qiáng)化

熱處理與金屬強(qiáng)化的關(guān)系？§10-1金屬材料熱處理二、固態(tài)相變熱力學(xué)條件：系統(tǒng)自由能降低，內(nèi)因動力學(xué)條件：相變的速度，外因（溫度、壓力）晶體學(xué)：晶核形成和晶體長大，粘度

熱處理如何促進(jìn)固態(tài)相變？10-1-2鋼的熱處理一、鋼的熱處理原理相變：在加熱和冷卻過程中產(chǎn)生相變（溫度、加熱速率，保溫時間）組織轉(zhuǎn)變：加熱過程中奧氏體的形成（組織均化）共析鋼的奧氏體形成過程二、鋼的普通熱處理1、退火：加熱到一定溫度進(jìn)行保溫，然后緩慢冷卻到600℃以下，再在空氣中冷卻至室溫的過程。完全退火：目的是細(xì)化晶粒、降低硬度、提高塑性、消除鑄造偏析，組織發(fā)生再結(jié)晶。不完全退火(球化退火)：加熱至Ac1+（20~40℃），通過滲碳體的不完全溶解使片狀珠光體網(wǎng)狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?，以降低硬度、改善切削性能，同時為淬火提供良好的原始組織。擴(kuò)散退火：消除鋼錠中化學(xué)成分偏析。擴(kuò)散退火后，一般需再進(jìn)行完全退火，以細(xì)化晶粒。再結(jié)晶退火：消除加工硬化，提高塑性。去應(yīng)力退火：消除加工過程中殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，特點是加熱溫度低，保溫時間長。2、正火：加熱到Ac3以上溫度并保溫，出爐空冷至室溫。完全退火比，正火溫度略高，冷卻速度快，機(jī)械性能好。正火目的：

1）正火作為一般結(jié)構(gòu)件的最終熱處理

2）改善亞共晶鋼的切削性能

3）消除或減少過共晶鋼的網(wǎng)狀先共析滲碳體組織，為球化退火作準(zhǔn)備3、淬火：加熱到臨界點（Ac1或Ac3）以上，保溫后快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的過程。鋼在淬火時的組織和性能的變化：

1）獲得由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的條件

2）轉(zhuǎn)變過程只有相變而無擴(kuò)散，即化學(xué)成分無改變

3）馬氏體轉(zhuǎn)變不依靠已形成馬氏體晶體的長大，而是依靠出現(xiàn)新的馬氏體晶核。

4）馬氏體具有高硬度，耐磨性好，機(jī)械性能優(yōu)異。淬火溫度、保溫時間、冷卻速率、冷卻方法不同熱處理時的加熱和冷卻方式奧氏體晶核形成溫度

鋼的淬硬性與淬透性

淬硬性：表示鋼能夠淬硬的程度，用鋼在正常淬火條件下能達(dá)到的最高硬度表示。淬硬性主要取決于碳含量。淬透性：指鋼在淬火時獲得馬氏體層深度的能力。淬透層的深度是從表面至半馬氏體層（50%馬氏體+50%屈氏體）的深度。鋼的淬透性取決于其化學(xué)成分和臨界冷卻速度Vk。4、回火：是將淬火冷卻后的鋼件重新加熱到A1以下的某溫度，保溫后再空冷至室溫。因淬火后的工件內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，回火主要是消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸。回火后材料的強(qiáng)度和硬度降低，塑性和韌性提高。三、鋼的表面淬火和化學(xué)熱處理1、表面淬火：感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火2、化學(xué)熱處理：滲碳：加熱至一定溫度使活性碳原子滲入工件表面，滲碳量一般不超過0.3%，滲碳后需進(jìn)行淬火和低溫回火處理才能有效地發(fā)揮滲碳的作用。滲氮：使工件表面氮化，以提高表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度、耐蝕性和熱硬性。滲氮溫度比滲碳低，工件變形小。碳氮共滲（氰化）：在爐膛中通入煤油和氨分解氣體。四、鋼的熱處理新工藝1、無氧化加熱：用保護(hù)氣氛加熱；采用保護(hù)涂料；真空熱處理2、強(qiáng)韌化處理：同時改善鋼的強(qiáng)度和韌性，措施包括：獲得板條狀馬氏體；超細(xì)化處理；獲得復(fù)合組織的淬火。3、化學(xué)熱處理新工藝：離子氮化；離子碳氮共滲；真空滲碳；多元共滲。4、鋼的變形熱處理：將變形強(qiáng)化與熱處理合并，可大幅提高材料的綜合性能。方法：

1）在發(fā)生馬氏體相變前進(jìn)行變形，變形后立即進(jìn)行馬氏體相變；

2）在發(fā)生馬氏體、貝氏體或珠光體相變的同時進(jìn)行變形；

3）對相變后的產(chǎn)物立即進(jìn)行變形。10-1-3固溶與時效處理一、基本原理與步驟原理：通過熱處理在一個塑性較好的金屬固溶體基體中形成彌散分布的細(xì)小顆粒（中間相）。沉淀顆?？勺璧K位錯運(yùn)動，從而使金屬得到強(qiáng)化。必要條件：固溶體的固溶度隨溫度降低而減少，減少越多，淬火后的過飽和度就越大，時效強(qiáng)化的效果就越明顯。時效強(qiáng)化效果還與析出相的結(jié)構(gòu)和特征有關(guān)。步驟：1）固溶處理；2）淬火；3）時效自然時效，人工時效時效溫度：固溶溫度的15%~25%時效強(qiáng)化示意圖時效時間與強(qiáng)度的關(guān)系

二、典型合金的固溶時效處理1、鋁合金：淬火：將高溫下的固溶體固定到室溫，得到均勻的過飽和固溶體，亦稱固溶處理。鋁合金淬火后不僅強(qiáng)度和硬度略有提高，而且塑性顯著增加，不同于鋼的淬火。時效：（以含4%Cu的鋁合金為例）分為四個階段：

1）形成溶質(zhì)原子富集區(qū)

2）GP區(qū)有序化：在GP1的基礎(chǔ)上有序化，形成GP2區(qū)

3）形成過渡相θ’：CuAl2，正方晶格

4）形成穩(wěn)定的θ相2、鈦合金：淬火：將鈦合金加熱到β區(qū)保溫，水冷進(jìn)行固溶處理。時效：將淬火后的鈦合金重新加熱到一定溫度，使介穩(wěn)β或馬氏體α’相分解為彌散的α固溶體而達(dá)到強(qiáng)化。10-2-1黑色金屬一、碳鋼1、碳鋼分類：按碳含量：低碳鋼(＜0.25%)、中碳鋼(0.25~0.35%)、高碳鋼(＞0.35%)。按用途：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼。（A3鋼：Q235，C：0.12~0.22%)按質(zhì)量等級：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼（硫、磷、氣體、缺陷）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：需經(jīng)熱處理以提高力學(xué)性能，牌號以碳含量的萬分?jǐn)?shù)表示，如45#鋼的碳含量0.45%。碳素工具鋼：牌號以碳含量的千分?jǐn)?shù)表示，前面加T，如T10，高級優(yōu)質(zhì)鋼則在后加A，如T10A。牌號越大，碳含量越高，材料越硬、更脆§10-2工程合金2、碳鋼的局限性：1）在具有一定的塑性和韌性時，強(qiáng)度有限(＜690MPa)；2）厚截面工件淬火時難以淬透，即無法全部得到馬氏體組織；3）抗腐蝕性和抗氧化性能較差；4）要使中碳鋼零件得到馬氏體組織，淬火時需快冷，工件易變形開裂；5）碳鋼在低溫時的抗沖擊能力較差，即較脆。為解決以上問題，通常加入合金元素來改善性能—合金鋼二、合金鋼1、分類：1）按用途：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼；2）按成分：錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼等；3）按合金元素含量：低合金鋼(＜2.5%)、中合金鋼(2.5~10%)、高合金鋼(＞10%)；4）按熱處理后的金相組織：珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼等2、合金鋼的編號我國沿用前蘇聯(lián)的編號系統(tǒng)：1）用漢字或化學(xué)元素符號代表示合金元素；2）碳含量與合金元素含量用數(shù)字表示，碳含量在前，合金元素含量在后；3）對高級優(yōu)質(zhì)鋼，后面加A。

30CrMnSiA？GCr15?95W18Cr4V?美國的牌號：前兩位表示合金元素及含量，后兩位表示碳含量如4340鋼：43表示含Ni(1.8%)、Cr(0.5或0.8%)、Mo(0.25%)的鋼，40表示碳含量為0.40%。三、不銹鋼從金相學(xué)角度分析,因為不銹鋼含有鉻而使表面形成很薄的鉻膜,這個膜隔離開與鋼內(nèi)侵入的氧氣起耐腐蝕的作用.為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性,鋼必須含有12%以上的鉻.1、鐵素體不銹鋼：鐵鉻二元合金，鉻含量12~30%，組織為鐵素體，鉻溶解于α-Fe中形成轉(zhuǎn)換型固溶體。含碳鐵素體不銹鋼因碳化物的存在會降低其耐腐蝕性。（430，446）2、馬氏體不銹鋼：含12~17%Cr、0.15~1.0%C，從奧氏體淬火得馬氏體組織，強(qiáng)度和硬度高，耐腐蝕性較差。（410，420，440C）3、奧氏體不銹鋼：含16~25%Cr、7~20%Ni，成形性好，耐蝕性好，使用中出現(xiàn)晶間腐蝕。（304：0Cr18Ni9，316:Cr18Ni12Mo2）4、沉淀硬化不銹鋼：成分與奧氏體鋼相近，因增加了鋁、鈮、鉭，強(qiáng)化包括固溶強(qiáng)化、加工硬化、時效硬化和馬氏體相變，有較高強(qiáng)度。四、鑄鐵1、碳在鑄鐵中的存在形式和形態(tài)：碳主要以石墨存在，鐵有鐵素體、珠光體和鐵素體+珠光體三種形式。鑄鐵性能主要由石墨的形狀、大小和分布決定.2、鑄鐵的性能特點：抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性低于鋼，硬度和抗壓強(qiáng)度與鋼相近，不能進(jìn)行壓力加工，焊接性能也較差。有良好的鑄造性、切削加工性、優(yōu)良的耐磨與減震性。3、鑄鐵的分類：白口鑄鐵：碳主要以Fe3C存在，硬度高、脆性大、難加工，灰口鑄鐵：碳以石墨存在，包括普通灰口鑄鐵、可煅鑄鐵和球墨鑄鐵。4、鑄鐵的牌號：普通灰口鑄鐵以HT表示，后面數(shù)字為抗強(qiáng)度(如HT100)；可煅鑄鐵以KT表示，如KT300-06，后面第一組數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)表示伸長率；球墨鑄鐵用QT表示，如QT450-0510-2-2有色金屬一、鋁及鋁合金鋁：密度2.7g/cm3，熔點660℃，導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐蝕、塑性好，強(qiáng)度較低鋁合金：Cu,Mg,Si,Mn,Zn等可與鋁形成合金，強(qiáng)度大幅提高1、變形鋁合金：合金含量較低，可通過壓力加工成型為各種型材防銹鋁合金(LF)：Al-Mg,Al-Mn系，塑性好、耐腐蝕、可冷變形強(qiáng)化硬鋁合金(LY)：Al-Cu-Mg系，CuAl2、CuMgAl2為強(qiáng)化相，通過淬火時效可顯著提高強(qiáng)度至與鋼接近，硬度和耐熱性好，但耐蝕性較差。超硬鋁合金(LC)：Al-Cu-Mg-Zn系，MgZn及Al2Mg3Zn3為強(qiáng)硬化相，強(qiáng)度相當(dāng)于超高強(qiáng)度鋼，可做飛機(jī)大梁、起落架等，但耐蝕性較差。煅鋁合金：Al-Cu-Mg-Si系，強(qiáng)化相Mg2Si，機(jī)械性能與硬鋁相近，熱煅性和耐蝕性較高，用于形狀復(fù)雜、比強(qiáng)度高的結(jié)構(gòu)件。2、鑄造鋁合金：合金含量較高，二元系，適合于鑄造方法成型，牌號為ZL，第一位數(shù)表示合金成分，1-Si，2-Cu，3-Mg，4-Zn，后兩位數(shù)表示合金的序號。鋁硅系合金：具有優(yōu)良的鑄造性能和機(jī)械性能。鋁銅系合金：強(qiáng)度較大，且在高溫下能保持較高強(qiáng)度，屬耐熱鋁合金，但鑄造性能較差。鋁鎂系合金：強(qiáng)度和塑性高，耐蝕性優(yōu)良，但鑄造性能較差。鋁鋅系合金：強(qiáng)度較高，價廉，但耐蝕性較差。二、銅及銅合金銅：密度8.9g/cm3，熔點1083℃，導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐蝕、塑性好，強(qiáng)度硬度低銅合金：黃銅：Cu-Zn系,青銅：Cu-Sn系普通黃銅(H)：Cu-Zn二元系，鋅溶于銅中形成α固溶體，當(dāng)Zn大于39%，會出現(xiàn)硬脆的第二相β’相，低鋅黃銅壓力加工性能好，高鋅黃銅鑄造性能好特殊黃銅：在普通黃銅中加入Sn,Si,Pb,Fe等合金元素，以提高黃銅的強(qiáng)度、鑄造性能、切削性能和耐腐蝕性能。普通青銅(Q)：Cu-Sn系，Sn含量3~14%，具有良好的減磨、抗磁、低溫韌性，在大氣、海水、高壓蒸汽中耐蝕性優(yōu)于黃銅，但耐酸性差。特殊青銅：不含Sn的青銅，合金元素為：Al,Si,Be,Pb等。鋁青銅磨、耐蝕性好，價格低；鈹青銅有較高的彈性極限和疲勞極限。三、鎂及鎂合金鎂：密度1.74g/cm3，熔點651℃，密排六方晶體，無同素異構(gòu)體，塑性較低，電極電位低，氧化膜脆且不致密，故抗蝕性很差。純鎂力學(xué)性能較差，活潑，主要用作脫氧脫硫劑、照明彈和焰火原料，純鎂不能用作結(jié)構(gòu)材料。鎂合金：主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等，其特點是：密度小(1.8g/cm3)、比強(qiáng)度高、彈性模量大、散熱好、消震性好，承受