第7章 金屬材料,思考題

第10章金屬材料

習題1對鋼進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行回火？回火時組織和性能有何變化？3合金產生時效強化的條件是什么？如何進行時效強化？4按下表對常用的熱處理方法進行總結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熱處理的理論基礎一、金屬材料的主要強化方式固溶強化：形成固溶體，晶格畸變，強度、硬度提高，塑性、韌性下降。細晶強化：晶粒細化，晶界增加，塑性變形，動態(tài)再結晶。加工硬化：加工致塑性變形，強度、硬度提高，塑性、韌性下降。時效強化：過飽和固溶體在一定溫度下析出第二相或形成細小等軸晶。第二相強化：固溶析出第二相，馬氏體回火相變，共晶析出復合強化：第二相彌散強化

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

熱處理如何促進固態(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生相變（溫度、加熱速率，保溫時間）組織轉變：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：目的是細化晶粒、降低硬度、提高塑性、消除鑄造偏析，組織發(fā)生再結晶。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狀滲碳體組織轉變?yōu)榍驙睿越档陀捕?、改善切削性能，同時為淬火提供良好的原始組織。擴散退火：消除鋼錠中化學成分偏析。擴散退火后，一般需再進行完全退火，以細化晶粒。再結晶退火：消除加工硬化，提高塑性。去應力退火：消除加工過程中殘余內應力，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，機械性能好。正火目的：

1）正火作為一般結構件的最終熱處理

2）改善亞共晶鋼的切削性能

3）消除或減少過共晶鋼的網狀先共析滲碳體組織，為球化退火作準備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）獲得由奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的條件

2）轉變過程只有相變而無擴散，即化學成分無改變

3）馬氏體轉變不依靠已形成馬氏體晶體的長大，而是依靠出現新的馬氏體晶核。

4）馬氏體具有高硬度，耐磨性好，機械性能優(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。因淬火后的工件內部存在較大的內應力，回火主要是消除內應力，穩(wěn)定工件尺寸?；鼗鸷蟛牧系膹姸群陀捕冉档?，塑性和韌性提高。三、鋼的表面淬火和化學熱處理1、表面淬火：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火2、化學熱處理：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：用保護氣氛加熱；采用保護涂料；真空熱處理2、強韌化處理：同時改善鋼的強度和韌性，措施包括：獲得板條狀馬氏體；超細化處理；獲得復合組織的淬火。3、化學熱處理新工藝：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)生馬氏體相變前進行變形，變形后立即進行馬氏體相變；

2）在發(fā)生馬氏體、貝氏體或珠光體相變的同時進行變形；

3）對相變后的產物立即進行變形。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小顆粒（中間相）。沉淀顆?？勺璧K位錯運動，從而使金屬得到強化。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，時效強化的效果就越明顯。時效強化效果還與析出相的結構和特征有關。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%時效強化示意圖時效時間與強度的關系

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）形成溶質原子富集區(qū)

2）GP區(qū)有序化：在GP1的基礎上有序化，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固溶體而達到強化。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：結構鋼、工具鋼。（A3鋼：Q235，C：0.12~0.22%)按質量等級：普通鋼、優(yōu)質鋼、高級優(yōu)質鋼（硫、磷、氣體、缺陷）優(yōu)質碳素結構鋼：需經熱處理以提高力學性能，牌號以碳含量的萬分數表示，如45#鋼的碳含量0.45%。碳素工具鋼：牌號以碳含量的千分數表示，前面加T，如T10，高級優(yōu)質鋼則在后加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：合金結構鋼、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的編號系統(tǒng)：1）用漢字或化學元素符號代表示合金元素；2）碳含量與合金元素含量用數字表示，碳含量在前，合金元素含量在后；3）對高級優(yōu)質鋼，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，強化包括固溶強化、加工硬化、時效硬化和馬氏體相變，有較高強度。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：抗拉強度、塑性、韌性低于鋼，硬度和抗壓強度與鋼相近，不能進行壓力加工，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，后面數字為抗強度(如HT100)；可煅鑄鐵以KT表示，如KT300-06，后面第一組數字表示抗拉強度，第二組數表示伸長率；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℃，導電導熱、耐蝕、塑性好，強度較低鋁合金：Cu,Mg,Si,Mn,Zn等可與鋁形成合金，強度大幅提高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、可冷變形強化硬鋁合金(LY)：Al-Cu-Mg系，CuAl2、CuMgAl2為強化相，通過淬火時效可顯著提高強度至與鋼接近，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為強硬化相，強度相當于超高強度鋼，可做飛機大梁、起落架等，但耐蝕性較差。煅鋁合金：Al-Cu-Mg-Si系，強化相Mg2Si，機械性能與硬鋁相近，熱煅性和耐蝕性較高，用于形狀復雜、比強度高的結構件。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，第一位數表示合金成分，1-Si，2-Cu，3-Mg，4-Zn，后兩位數表示合金的序號。鋁硅系合金：具有優(yōu)良的鑄造性能和機械性能。鋁銅系合金：強度較大，且在高溫下能保持較高強度，屬耐熱鋁合金，但鑄造性能較差。鋁鎂系合金：強度和塑性高，耐蝕性優(yōu)良，但鑄造性能較差。鋁鋅系合金：強度較高，價廉，但耐蝕性較差。二、銅及銅合金銅：密度8.9g/cm3，熔點1083℃，導電導熱、耐蝕、塑性好，強度硬度低銅合金：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Zn大于39%，會出現硬脆的第二相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，純鎂不能用作結構材料。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)、比強度高、彈性模量大、散熱好、消震性好，承受