金属工艺学
第一章 工程材料导论
重点与难点
（1）重点：铁碳合金状态图、热处理工艺及其应用。
（2）难点：铁碳合金状态图的凝固过程分析。
第一节 金属材料的主要性能
两大类：1 使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能。
包括：力学性能、物理、化学性能
2 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。
Ⅰ、金属材料的力学性能：
力学性能---受外力作用反映出来的性能。
一 弹性和塑性：
1弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。
力和变形同时存在、同时消失。 如弹簧：弹簧靠弹性工作。
2 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。
塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。
3 拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。
1）弹性阶段σe
2）屈服阶段：过e点至水平段右端 σs——塑性极限，s——屈服点，过s点水平段——说明载荷不增加，式样仍继续伸长。（P一定，σ=P/F一定，但真实应力P/F1↑ 因为变形，F1↓）发生永久变形
3）强化阶段：水平线右断至b点 P↑ 变形↑
σb——强度极限，材料能承受的最大载荷时的应力。
4）局部变形阶段b k
过b点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小。 “缩颈” （试样横截面变小，拉力↓）
4 延伸率和断面收缩率：——表示塑性大小的指标
1）延伸率： δ= l0——试样原长，l1——拉深后长
2）断面收缩率： F0——原截面，F1—拉断后截面
（1） δ、ψ越大，材料塑性越好
（2）ε与δ区别：拉伸图中 ε=ε弹+ε塑 ， δ=εmas塑
（3）一般δ〉5%为塑性材料，δ〈5%为脆性材料。
5 条件屈服极限σ0。2
1
有些材料在拉伸图中没有明显的水平阶段。通常规定产生0.2塑性变形的应力作为屈服极限,称为条件屈服极限.
二 刚度： 金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。
1 材料本质
弹性模量—在弹性范围内,应力与应变的比值.其大小主要决定材料本身. 相当于单位元元变形所需要的应力.
σ=Εε, Ε=σ/ε=tgα
2几何尺寸、形状、受力
相同材料的E相同,但尺寸不同,则其刚度也不同.所以考虑材料刚度时要把E\形状\尺寸同时考虑.还要考虑受力情况.
三 强度： 强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力.
按作用力性质的不同,可分为:抗拉强度 σ+ 抗压强度σ- 抗弯强度σw 抗剪强度τb 抗扭强度σ
常用来表示金属材料强度的指标:
屈服强度: (Pa N/m2) P s-产生屈服时最大外力, F0-原截面
抗拉强度 (Pa N/m2) P b-断裂前最大应力.
σs/σb在设计机械和选择评定材料时有重要意义.因金属材料不能在超过σs的条件下工作,否则会塑变.超过σb工作,机件会断裂.
σs--σb之间塑性变形,压力加工
四 硬度： 金属抵抗更硬的物体压入其内的能力—
是材料性能的综合物理量,表示金属材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能力.
1布式硬度 HB
用直径D的淬火钢球或硬质合金球,在一定压力P下,将钢球垂直地压入金属表面,并保持压力到规定的时间后卸荷,测压痕直径d(用刻度放大镜测)则
HB=P/F (N/mm2) 单位一般不写. F-压痕面积.
HBS—压头用淬火钢球, HBW—压头用硬质合金球
因钢球存在变形问题,不能测太硬的材料,适于HBS<450, 如铸铁,有色金属,软钢等. 而HBW＜650
特点：压痕大，代表性全面
应用：不适宜薄件和成品件
２ 洛式硬度ＨＲ
用金刚石圆锥在压头或钢球，在规定的预载荷和总载荷下，压入材料，卸载后，测其深度ｈ，由公式求出，可在硬度计上直接读出，无单位．不同压头应用范围不同如下表：
HRB ｄ＝1.588淬火钢球 980.7 退火钢 灰铁 有色金属
HRC 1200金刚石圆锥 1471 淬火 回火件
金属工艺学
HRA 588.4 硬质合金 碳化物
优点:易操作,压痕小,适于薄件,成品件
缺点:压痕小,代表性不全面需多测几点.
*硬度与强度有一定换算关系,故应用广泛.根据硬度可近似确定强度,如灰铁: σb=1HBS
3显微硬度(HV)
用于测定金属组织中个别组成体,夹杂物等硬度.
显微放大测量 显微硬度(查表)与HR有对应关系.如:磨削烧伤表面,看烧伤层硬度变化.
五 冲击韧性a k
材料抵抗冲击载荷的能力
常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性,标准试样一次击断,用试样缺口处单位截面积上的冲击功来表示a k
a k=A k/F(J/m2) A k=G(H-h) G-重量 F-缺口截面
脆性材料一般不开口,因其冲击值低,难以比较差别.
1 a k↑,冲击韧性愈好.
2 A k不直接用于设计计算:在生产中,工件很少因受一次大能量冲击载荷而破坏,多是小冲击载荷,多次冲击引起破坏,而此时,主要取决于强度,故设计时, a k只做校核.
3 a k对组织缺陷很敏感,能够灵敏地反映出材料品质,宏观缺陷,纤维组织方面变化.
所以,冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理工艺质量的有效方法。
（微裂纹——应力集中——冲击——裂纹扩展）
六 疲劳强度：
问题提出：许多零件如曲轴、齿轮、连杆、弹簧等在交变载荷作用下，发生断裂时的应力远低于该材料的屈服强度，这种现象——疲劳破坏。据统计，80%机件失效是由于疲劳破坏。
疲劳强度——当金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。
1 疲劳曲线——交变应力与断裂前的循环次数N之间的关系。
例如：纯弯曲，有色金属N》108 钢材N>107 不疲劳破坏
2 疲劳破坏原因
材料有杂质,表面划痕,能引起应力集中,导致微裂纹,裂纹扩展致使零件不能承受所加载荷突然破坏.
3预防措施
改善结构形状,避免应力集中,表面强化-喷丸处理,表面淬火等.
Ⅱ、金属材料的物理,化学及工艺性能：
一 物理性能
比重: 计算毛坯重量,选材,如航天件 :轻熔点:铸造 锻造温度(再结晶温度)热膨胀性:铁轨 模锻的模具、量具、导热性: 铸造:金属型 锻造:加热速度、导电性: 电器元件 铜 铝磁性:变压器和电机中的硅钢片 磨床: 工作台
二 化学性能
3
金属的化学性能,决定了不同金属与金属,金属与非金属之间形成化合物的性能,使有些合金机械性能高,有些合金抗腐蚀性好,有的金属在高温下组织性能稳定. 如耐酸,耐碱等
如化工机械,高温工作零件等
三 工艺性能
金属材料能适应加工工艺要求的能力.
铸造性,可锻性,可焊性,切削加工性等。
第二节 金属和合金的晶体结构与结晶
Ⅰ、金属的晶体结构
一基本概念:
固体物质按原子排列的特征分为:
晶体: 原子排列有序,规则,固定熔点,各项异性. 如金属 ,合金,金刚石—晶体
非晶体:原子排列无序,不规则,无固定熔点,各项同性 如:玻璃,松香 沥青—非晶体 晶格: 原子看成一个点,把这些点用线连成空间格子.
结点: 晶格中每个点.
晶胞: 晶格中最小单元,能代表整个晶格特征.
晶面: 各个方位的原子平面
晶格常数: 晶胞中各棱边的长度(及夹角), 以A(1A=10-8cm)度量
金属晶体结构的主要区别在于晶格类型,晶格常数.
二 常见晶格类型
1 体心立方晶格: Cr ,W, α-Fe, Mo , V等,特点:强度大,塑性较好,原子数:1/8 X8 +1=
2 20多种
2 面心立方晶格: Cu Ag Au Ni Al Pb γ- Fe塑性好 原子数:4 20多种
3 密排六方晶格: Mg Zn Be β-Cr α-Ti Cd(镉)
纯铁在室温高压(130x108N/M2)成ε-Fe
原子数=1/6 x12+1/2 x2+3=6 , 30多种
三 多晶结构
单晶体- 晶体内部的晶格方位完全一致.
多晶体—许多晶粒组成的晶体结构.各项同性.
晶粒—外形不规则而内部晶各方位一致的小晶体.
晶界—晶粒之间的界面.
Ⅱ、金属的结晶：
一 金属的结晶过程(初次结晶)
1 结晶: 金属从液体转变成晶体状态的过程.
晶核形成: 自发晶核:液体金属中一些原子自发聚集,规则排列.
外来晶核:液态金属中一些外来高熔点固态微质点.
金属工艺学
晶核长大:已晶核为中心,按一定几何形状不断排列.
*晶粒大小控制: 晶核数目: 多—细(晶核长得慢也细)
冷却速度: 快—细(因冷却速度受限,故多加外来质点)
晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方面入手.
结晶过程用冷却曲线描述!
2 冷却曲线
温度随时间变化的曲线—热分析法得到
1） 过冷: 液态金属冷却到理论结晶温度以下才开始结晶的现象.
2) 过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度之差.(实际冷却快,结晶在理论温度下)
二 金属的同素异购转变(二次结晶\重结晶)
同素异构性—一种金属能以几种晶格类型存在的性质.
同素异购转变—金属在固体时改变其晶格类型的过程.如:铁 锡 锰 钛 钴
以铁为例: δ-Fe(1394℃)γ-Fe(912℃)α-Fe
体心 面心 体心
因为铁能同素异构转变,才有对钢铁的各种热处理.
(晶格转变时,体积会变化,以原子排列不同)
Ⅲ、合金的晶体结构：
一 合金概念
合金: 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质.
组元: 组成合金的基本物质.如化学元素(黄铜:二元)金属化合物
相: 在金属或合金中,具有相同成分且结构相同的均匀组成部分.相与相之间有明显的界面.
如:纯金属—一个相,温度升高到熔点,液固两相. 合金液态组元互不溶,几个组元,几个相.
固体合金中的基本相结构为固溶体和金属化合物，还可能出现由固溶体和金属化合物组成的混合物。
二 合金结构
1 固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的金属晶体。 根据溶质在溶剂晶格中所占的位置不同，分为：
1）置换固溶体： 溶质原子替代溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，所形成的固溶体。*溶质原子，溶剂原子直径相差不大时，才能置换如：Cu—Zn Zn溶解度有限。 Cu—Ni溶解度无限 晶格畸变——固溶强化：畸变时塑性变形阻力增加，强、硬增加。这是提高合金机械力学性能的一个途径。
2） 间隙固溶体
溶质原子嵌入各结点之间的空隙，形成固溶体。溶质原子小，与溶剂原子比为〈 0.59 。溶解度有限。也固溶强化。
2 金属化合物
5
合金各组成元素之间相互作用而生成的一种新的具有金属性质，可用分子式表示的物质。如
Fe3C WC
特点：（1）较高熔点、较大脆性、较高硬度。
（2）在合金中作强化相，提高强度、硬度、耐磨性，而塑性、韧性下降，如WC、TiC。可通过调整合金中的金属化合物的数量、形态、分布来改变合金的性能
3 机械混合物
固溶体+金属化合物、固+固——综合性能
三、二元合金状态图的构成
1 基本概念
合金系：由给定的组元可以配制成一系列成分含量不同的合金，这些合金组成一个合金系统—— 为研究合金系的合金成分、温度、结晶组织之间的变化规律、建立合金状态图来描述。
合金状态图——合金系结晶过程的简明图解。
实质：温度——成分作标图，是在平衡状态下（加热冷却都极慢的条件下）得到的。
2 二元合金状态图的建立
以Pb（铅）-Sb（锑）合金为例：
1） 配置几种Pb-Sb成分不同的合金。
2 ）做出每个合金的冷却曲线
3）将每个合金的临界点标在温度—成分坐标上，并将相通意义的点连接起来，即得到Pb-Sb合金的状态图。
Ⅳ、铁碳合金基本组织：
一铁素体：碳溶于α-Fe形成的固溶体——铁素体F体心立方，显微镜下为均匀明亮的多边形晶粒。
性能：韧性很好（因含C少），强、硬不高。δ=45~50%，HBS=80，σb=250Mpa 含碳： 727℃，
0.02%
二 奥氏体：碳溶于γ-Fe中形成的固溶体—“A”面心立方,显微镜下多边形晶粒,晶界较F平直. 性能:塑性好,压力加工所需要组织.含碳最高;1147℃,2.11% HBS=170~220
三渗碳体：金属化合物 Fe3C 复杂晶格,含碳:6.69%. 性能:硬高HB(sw)>800,,脆,作强化相.在一定条件下会分解成铁和石墨,这对铸造很有意义.
四 珠光体：P（F+Fe3C）—机械混合物,含碳0.77%，组织:两种物质相间组成,性能:介于两者之间.强度较高: 硬度HBS=250
五 莱氏体：>727℃ A+Fe3C—Ld 高温莱氏体 <727℃ P+Fe3C—Ld’低温莱氏体
性能: 与Fe3C相似 HBS>700 塑性极差.
铁碳合金状态图：
是表明平衡状态下含C不大于6.69%的铁碳合金的成分,温度与组织之间关系,是研究钢铁的成分,自治和性能之间关系的基础,也是制定热加工工艺的基础.
金属工艺学
含C>6.69在工业上午实际意义,而含C6.69%时,Fe与C形成Fe3C,故可看成一个组元,即铁碳合金状态图实际为Fe-Fe3C的状态图.
1 各特性点的含义
1)A: 纯铁熔点 含C: 0% 1538℃
2)C: 共晶点 4.3% 1148
3)D: Fe3C熔点 6.69 1600
4)E: C在A中最大溶解度 2.11 1148
5)F: Fe3C成分点 6.69 1148
6)G: α-Fe与γ-Fe转变点 0% 912
7)K: Fe3C成分点 6.69 727
8)P: C在α-Fe中最大溶解度 0.02 727
9)S: 共析点 0.77 727
10) Q: C在α-Fe中溶解度 0.0008 室温
2 主要线的意义
1) ACD:液相线,液体冷却到此线开始结晶.
2) AECF:固相线 此线下合金为固态
3) ECF:生铁固相线,共晶线,液体—Ld
4) AE: 钢的固相线,液态到此线—A
5) GS:”A3” A到此线开始析出F
6) ES:”A cm” A到此线开始析出Fe3CⅡ
7) PSK:”A1”共析线.A同时析出P(F+Fe3C)
3 主要区域
1) ACE: 两相区L+A 2) DCF:两相区L+Fe3C1
3) AESG: 单相区A 4) GPS: A+F 两相区
二 钢铁分类
1 工业纯铁: 含C<0.0218% 组织:F
2 钢:含碳: 0.0218~2.11
共析钢 含C=0.77% P
亚共析钢 含C<0.77% P+F
过共析钢 含C>0.77% P+Fe3C11
3 铁 含C:2.11%~6.69%
共晶生铁 4.3% C Ld’
亚共晶生铁 < 4.3% C P+Ld’+ Fe3C11
过共晶生铁 > 4.3% C Ld’+ Fe3C1
三 典型合金结晶过程分析
1共析钢 L—L+A—A--P
7
2亚共析钢 L—A+L—A—A+F—F+P
3过共析钢 L—L+A—A—A+ Fe3C11-- Fe3C1+P
4 共晶铁 L—Ld—Ld’
5 亚共晶铁 L—1点—L+A—A+Ld—P+Ld’
6 过共晶铁 L—1点—L+Fe3C1—2点—Ld+ Fe3C1—3点--- Fe3C1+Ld’
四 铁碳合金状态图的应用
1 铸造确定浇铸温度 选材: 共晶点附近铸造性能好
2 锻造 锻造温度区间 A
3焊接 焊接缺陷用热处理改善.根据状态图制定热处理工艺
第三节 钢的热处理
一 钢的热处理: 把钢在固态下加热到一定的温度进行必要的保温,并以适当的速度冷却到室温,以改变钢的内部组织,从而得到所需性能的工艺方法。
* 只改变组织和性能,而不改变其形状和大小.热处理是改善材料性能的重要手段之一,能提高产品质量,延长机件寿命,节约金属材料,所以,重要机件都要经过热处理.
(提问:前面学过的改善金属材料性能的手段—固溶强化)
热处理工艺曲线: 各种热处理都可以用温度—时间的坐标图形表示.
应用广泛:机械制造业中70%零件需热处理.汽车 拖拉机 制造业70~80% 量具 刃具 模具 滚动轴承等100%
二 目的
1 冶金 、锻 、铸、 焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工艺性能.为后续加工(如机加)做好组织,性能,准备. 退火、正火
2 是钢件的机械性能提高,达到钢件的最终使用性能指标,以满足机械零件或工具使用性能要求. 淬火+回火 、表面淬火、 化学处理
三、 依据:状态图
Ⅰ、热处理过程中的组织转变
一 钢在加热时的组织转变
1 临界温度:
2组织转变
1) 共析钢: P(F+Fe3C)---A
(1) A晶核形成:F和Fe3C界面上先形成A晶核
(因界面原子排列不规则,缺陷多,能量低)
(2) A晶核长大:F晶格转变,Fe3C不断溶入A, A晶核不断生成,长大.F转变快, 先消失.
(3) 残余渗碳体的溶解:随保温时间加长, 残余Fe3C逐渐溶入A
(4)A成分均匀化: A转变完成后,各处含C浓度不均匀,继续保温,C充分扩散,得到单一的均匀A 这个过程是A重结晶的过程.
金属工艺学
2) 亚共析钢: F+P—Ac1—F+A—Ac3---A
3) 过共析钢: P+ Fe3CⅡ--Ac1—A+ Fe3CⅡ--Accm---A(晶粒粗化)
二 钢在冷却时的组织转变
(钢在室温时的机械性能不仅与加热,保温有关,与冷却过程也有关)
1 冷却方式
1) 连续冷却: 时加热到A的钢,在温度连续下降的过程中发生组织转变.
水冷 油冷 空冷(正火) 炉冷(退火)
2) 等温冷却: 使加热到A的钢,先以较快的速度冷却到Ar1线下某一温度,成为过冷A,保温,使A在等温下发生组织转变,转变完,再冷却到室温. 等温退火 等温淬火
2 共析钢冷却时的等温转变
以共析钢为例,进行一系列不同过冷度的等温冷却实验,可以测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间,画到”温度—时间”坐标系中,然后,把开始转变的时间和转变终了的时间分别连接起来,即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线.又叫C曲线.
1) 高温产物:
Ar1 ～650℃ P 层片较厚 500X 显微镜 HRC10-20
650～600℃ 细珠光体 索氏体S HRC25~35 层片较薄 800~1000X
600～550℃ 极细珠光体 屈氏体T HRC30~40 层片极薄
a）以上三种均为F+ Fe3C 层片相间的珠光体，只是层片厚度不同。
b）由于过冷度从小到大，原子活动能力由强到弱，致使析出的渗 碳体和铁素体层片越来越来薄。
c）珠光体层片越薄，塑变抗力越大，强，硬越大。
2）中温产物
550~350℃ 上贝氏体 B上 电镜下观察，渗碳体不连续，短杆状，分布于许多平行而密集的铁素体条之间。
350 ~ 230℃ 下贝氏体 B下 比B上 有较高强、硬、韧、塑。片状过饱和F和其内部沉淀的碳化物组织（因为过饱和F有析出Fe3C倾向，但过冷度太大，导致碳原子没能扩散超出F片，只是在片内沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）
3）低温转变产物：
230 ~ -50℃ 马氏体（M）+残余A 马氏体：过饱和的α固溶体“M”
（由于温度低，原子活动能力低，晶格转变完成，但是，C原子不能从面心中扩散出来，仍留在体心中，形成过饱和α固溶体）
∵ 晶格严重畸形，∴ M硬↑ HRC65 塑 韧较低
3 共析钢连续冷却转变
9
连续冷却可能发生几种转变，很复杂。 共析钢连续冷却，只有珠光体转变区和马氏体转变区。珠光体转变区：三条线构成：开始，终了，终止线；冷却速度过“开始”“终了”线，组织为珠光体；冷却速度过“开始”“终止”线，组织为珠光体和马氏体；冷却速度不过珠光体区，则为M
Ⅱ、钢的热处理工艺
热处理: 整体热处理: 退火 正火 淬火 回火
表面热处理: 表面淬火 化学热处理—渗碳 渗氮
一 退火
将钢件加热到高于或低于钢的临界点,保温一定时间,随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓
慢冷却,以获得接近平衡的组织,这种工艺叫—
目的: 1) 降低硬度—切削加工
2) 细化晶粒,改善组织—提高机械性能
3) 消除内应力—淬火准备
4) 提高塑性,韧性—冷冲压, 冷拉拔
1 完全退火:将钢加热到Ac3以上30~50℃,保温一定时间后,缓慢冷却以获得接近平衡状态组织(P+F)的热处理工艺.
目的:通过完全重结晶,使锻,铸,焊件降低硬度,便于切削加工,同时可消除内应力,使A充分转变成正常的F和P.
应用: 亚共析钢
* 不能用于共析钢,∵在Accm以上缓冷,会析出网状渗碳体(Fe3CⅡ),脆性↑
2 不完全退火:将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~30℃,适当保温,缓慢冷却的热处理工艺 又叫球化退火.
目的:使珠光体组织中的片状渗碳体转变为粒状或球状,这种组织能将低硬度,改善切削加工性.
并为以后淬火做准备.减小变形和开裂的倾向.
应用:共析钢,过共析钢(球化退火)
3 等温退火：将钢件加热到Ac3A（亚共析钢）或Ac1(共析钢或过共析钢)以上,保温后较快地冷却到稍低于Ar1的温度,再等温处理,A转变成P后,出炉空冷.
目的: 节省退火时间,得到更均匀的组织,性能.
应用: 合金工具钢,高合金钢
4 去应力退火:将钢加热到Ac1以下某一温度(约500~650℃)保温后缓冷. (又叫低温退火)
目的:消除内应力
应用:铸,锻,焊
*不发生相变,重结晶 例子:杯裂
5 再结晶退火:将钢件加热到再结晶温度以上150~250℃,即650~750℃,保温,空冷.
目的: 发生再结晶,消除加工硬化.
应用: 冷扎,冷拉,冷压等
* 可能相变
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6 扩散退火: 均匀化退火,高温进行
目的:消除偏析,应用:铸件
二 正火
钢件加热到Ac3(亚)或Accm(过共)以上30~50℃,保温,空冷
* 正火作用与退火相似,区别是正火冷速快,得到非平衡的珠光体组织,细化晶粒,效果好,能得到片层间距较小的珠光体组织.
实践表明:工件硬度HB170-230时,对切削有利
正火目的:1 提高机械性能
2 改善切削加工性
3 为淬火作组织准备—大晶粒易开裂
对于过共析钢,正火能减少二次渗碳体的析出,使其不形成连续的网状结构,有利于缩短过共析钢的球化退火过程,经正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性,淬火就不易开裂,用于生产过共析钢的工具的工艺路线:
锻造—正火—球化退火—切削加工—淬火, 回火—磨
低碳钢,正火代替退火,中C钢: 正火代调质(但晶粒不均)
三 淬火
将钢件加热到Ac3(亚)或Ac1(过)以上30-50℃,经过保温,然后在冷却介质中迅速冷却,以获得高硬度组织的一种热处理工艺.
目的:提高硬度,耐磨性
应用:工具,模具,量具,滚动轴承.
组织:马氏体.下贝氏体
淬火冷却:决定质量,理想冷却速度两头慢中间快.减少内应力.
1 常用淬火法:
1) 单液淬火(普通淬火):在一种淬火介质中连续冷却至室温.如碳钢水冷
缺点: 水冷,易变形,开裂. 油冷:易硬度不足,或不均
优点: 易作,易自动化.
2) 双液淬火:先在冷却能力较强的介质中冷却到300℃左右,再放入冷却到冷却能力较弱的介质中冷却,获得马氏体.
对于形状的碳钢件,先水冷,后空冷.
优点: 防低温时M相变开裂.
3) 分级淬火:工件加热后迅速投入温度稍高于Ms点的冷却介质中,(如言浴火碱浴槽中)停2-5分(待表面与心部的温差减少后再取出)取出空冷.
应用:小尺寸件(如刀具淬火) 防变形,开裂
优点: 工艺理想,操作容易
缺点: ∵在盐浴中冷却,速度不够大 ∴只适合小件
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4) 等温淬火:将加热后的钢件放入稍高于Ms温度的盐浴中保温足够时间, 使其发生下贝氏体转变,随后空冷.
应用: 形状复杂的小零件,硬度较高,韧性好,防变形,开裂.
例子:螺丝刀(T7钢制造)
用淬火+低温回火 HRC55, 韧性不够,扭10°时易断
如用等温淬火, HRC55~58 韧性好, 扭90°不断
等温淬火后如有残余A,需回火, A-F. 如没有残余A,不需回火
缺点:时间长
2 钢的淬透性与淬硬性
淬透性:钢在淬火时具有获得淬硬层深度的能力.
淬硬性:在淬火后获得的马氏体达到的硬度,它的大小取决于淬火时溶解在奥氏体中的碳含量.
四 回火
将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,后冷却到室温的热处理工艺.
目的:消除淬火后因冷却快而产生的内应力,降低脆性,使其具有韧性,防止变形,开裂,调整机械性能.
1 低温回火:加热温度 150~250℃
组织: 回火马氏体—过饱和度小的α-固溶体,片状上分布细小ε-碳化物
目的: 消除内应力,硬度不降.HRC58~64
应用: 量具,刃具 低碳钢: 高塑性,韧性,较高强度配合
2 中温回火:加热温度 350~500℃
组织: 极细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物. (回火屈氏体)
目的:减少内应力,提高弹性,硬度略降.
应用:(0.45~0.9%)弹簧,模具 高强度结构钢
3 高温回火:500~650℃
组织: 回火索氏体—较细的球(粒)状Fe3C和F机械混合物.
目的: 消除内应力,较高韧性,硬度更低.
应用: 齿轮,曲轴,连杆等(受交变载荷)
淬火+高温回火---调质
五 表面淬火
表面层淬透到一定深度而中心部仍保持原状态.
应用:既受摩擦,又受交变,冲击载荷的件.
目的:提高表面的硬度,有利的残余应力.
提高表面耐磨性,疲劳强度
加热方法:1 火焰: 单间小批局部,质量不稳
2 感应加热: 质量不稳
六 化学热处理
金属工艺学
工件放在某种化学介质中加热,保温,使化学元素渗入工件表面,改善工件表面性能.
应用: 受交变载荷,强烈磨损,或在腐蚀,高温等条件下工作的工件.
渗C: 表面成高碳钢,细针状高碳马氏体(0.85~1.05%),心部又有高韧性的受力较大的齿轮,轴类件
固体渗碳, 液体渗碳,气体渗碳(常用:渗碳剂如甲醇+丙酮 900~930℃)
如: 低碳钢,表层:P+Fe3CⅡ 内部:P+F
热处理:淬火+低温回火 得到回火M(细小片状)+ Fe3CⅡ
表面含C: 0.85~1.05% 若表面含C低,得到低含C的回火M,硬度低
含C高,网状或大量块状渗C体,脆性↑
渗N: 表面硬度,耐磨性,耐蚀性,疲劳强度↑
温度: 500~570℃ 最后工序. 为保证内部性能,氮化前调质
优点: 氮化后不淬火,硬度高(>HV850),氮化层残余压应力,疲劳强度↑
氮化物抗腐蚀. 温度低,变形小.
碳氮共渗: 硬度高,渗层较深,硬度变化平缓,具有良好的耐磨性,较小的表面脆性.
第四节 常用金属材料
按化学成分:碳钢: <2.11%C 少量Si Mn S P等杂质
Ⅰ、合金钢:加入一种或几种合金元素
一 碳钢
1 含碳量对碳钢性能的影响
<0.9%C C↑强,硬↑ 塑,韧↓ FeC 强化相
>0.9%C C↑ 硬↑, 强, 塑,韧↓ FeC分布晶界,脆性↑
2 钢中常见杂质对性能的影响
Si: 溶于F ,强化F, 强,硬↑ 塑,韧↓. 含量<0.03~0.4% 有益作用不明显
Mn: 1)溶于F,Fe3C.引起固溶强化. 2)与FeS反应—MnS 比重轻,进入熔渣,如量少,有益作用不明显.
S: FeS—(FeS+Fe)共晶体,熔点985℃,分布晶界,引起脆性”热脆”
P: 溶于F,是强度,硬度↑,但室温塑性,韧性↓↓ “冷脆”
3 碳钢的分类
1 ) 按含碳量分
低碳钢 <0.25%C 中碳钢: 0.25~0.6%C, 高碳钢>0.6%C
2) 按质量分(含S,P多少分)
普通钢 S<=0.055%,P<=0.045%
优质钢 S,P<=0.04%
高级优质钢 S<=0.03% P<=0.035%
3)按用途分 碳素结构钢, 碳素工具钢 >0.6%C
13
4 碳钢的编号和用途
1)普通碳素结构钢: Q235 数字表示屈服强度 单位Mpa
2)优质碳素结构钢
正常含锰量的优质碳素结构钢: 0.25~0.8%Mn
较高含锰量 0.15~0.6%C 0.7~1.0%Mn , >0.6%C 0.9~1.2%Mn
08 10 15 20 25 强↓ 塑↑ 冲压件 焊件
30 35 40 45 50 55 60 强↑硬↑ 弹簧,轴,齿轮 耐磨件
65 70 75 80 85 耐磨件
数字表示含C 万分之几
3)碳素工具钢
T7 T8 T13 数字表示含C千分之几
高级优质钢加 A 含Mn高,加Mn T8MnA
二 合金钢
常加合金元素: Mn Si Cr Ni Mo W V Ti B(硼) 稀土元素(Xt)等
1 合金结构钢
“数 +元素符号+数”表示
数—含碳万分之几, 符号—合金元素,
符号后面数表示含合金%, <1.5%不标, =1.5% 标2
若为高级优质钢,后加A如: 60Si2Mn 0.6%C, 2%Si <1.5%Mn 18Cr2Ni4WA 0.18%C, 2%Cr, 4%Ni, <1.5%W 高级优质
应用: 工程结构件, 机械零件
主要包括:低合金钢,合金渗碳钢,合金调质钢,合金弹簧钢,滚动轴承钢等
2 合金工具钢:
数+元素符号+数 与结构钢同
数—一位数, 含C千分之几,含C>=1.0%不标
如: 9SiCr (板牙, 丝锥) 0.9%C <1.5%Si <1.5%Cr CrWMn (长铰刀,丝锥,拉刀, 精密丝杠)
*高速钢 含C<1.0也不标 W18Cr4V 0.7~0.8%C,18%W,4%Cr,<1.5%V
应用:刃具,模具,量具等
3 特殊性能钢
不锈钢: 1Cr13 1Cr18Ni9Ti 等
耐热钢: 1Cr13 2Cr13 >400℃ 工作
耐磨钢: 高锰钢水韧处理,冲击下工作,表面产生加工硬化.并有马氏体在滑移面形成,表面硬度达HB450~550,表面耐磨,心部为A.
水韧处理: 钢加热到临界点以上(1000~1100℃)保温,碳化物全容于A,水冷,因冷速快,无法析出碳化物,成单一A组织.
金属工艺学
Ⅱ、金属零件选材的一般原则
产品的质量和生产成本如何,与材料选择的是否恰当有直接关系,机械零件进行选材时,主要考虑零件的工作条件,材料的工艺性能和产品的成本.
基本原则如下:
1 满足零件工作条件:
受力状态—机械性能,基本 σ δ αk 等工作温度环境介质—使用环境 ,高温—耐热,抗腐蚀—不锈钢 高硬度—工具钢
2 材料的工艺性能
零件的生产方法不同,直接影响其质量和生产成本.
如:灰口铁,铸造性能 切削加工性很好,可锻性差.
3 经济性
价值=功能/成本
如: 耐腐蚀容器: 1)普通碳素钢:5000元 用一年
2)奥氏体不锈钢: 40000元 用10年
3)铁素体不锈钢: 15000元 用6年
1):2):3) =1:1.25:2
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第一章汽车工程材料
理论教学内容和过程： .金属材料的性能 金属材料的使用性能 请同学们回顾并思考以下两个问题： ）你所知道的汽车材料有哪些？ ）汽车材料的选用与环境有关吗？ （一）汽车材料分类：、金属材料黑色金属、有色金属、合金 、非金属材料有机高分子、无机非金属材料、新型复合材料 、汽车运行材料燃料、润滑剂、工作液 （二）金属材料性能：（分组讨论每组给出答案，老师点拨） .使用性能力学性能、物理性能、化学性能 .工艺性能压力加工性能、铸造性能、焊接性能、切削加工热处理 （三）、力学性能定义：材料受到外力作用所表现出来的性能，又称机械能。、力学性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、抗疲劳性（板书） （五）力学性能指标： .强度在外力作用下，金属材料抵抗永久变形和断裂的能力 （1）强度的大小用应力表示，金属材料在受到外力作用时必然在材料内部产生与外力相等的抵抗力，即内力。 （2）单位截面上的内力称为应力。 （3）用符号σ表示，σ （4）单位： （5）通过拉伸试验得到的指标有；弹性极限、屈服强度、抗拉强度。
.塑性在外力作用下,金属材料产生永久变形而不断裂的能力 （1）定义：指材料受力时在断裂前产生永久变形的能力。 （2）指标：伸长率（δ）和断面收缩率ψ δ（）×﹪ψ（）×﹪ （3）伸长率、断面收缩率与塑性的关系： δ、ψ值越大，塑性越好。 .硬度——指材料表面抵抗局部塑性变形、压痕或划痕的能力。 汽车零件根据工作条件的不同，要求具有一定的硬度以保证零件具有足够的强度、耐磨性、和使用寿命等。 常用硬度试验法；布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度 布氏硬度的测试原理：采用直径为的球体，以一定的压力将其压入被测金属表面，并留下压痕。压痕的表面积越大，则材料的布氏硬度值越低。在实际测定中，只需量出压痕直径的大小，然后查表即可得布氏硬度值。 主要用于测定各种不太硬的钢及灰铸铁和有色金属的硬度。 洛氏硬度的测试原理：是以试样被测点的压痕深度为依据。压痕越深，硬度越低，以锥角为°的金刚石圆锥为压头。 测量洛氏硬度时，根据压头和加载的不同，在洛氏硬度试验机上有、、三种标尺代表三种载荷值，测得的硬度分别用、、表示。 硬度与耐磨性的关系：硬度越大，耐磨性也越好。 .冲击韧性 （1）定义：材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 （2）指标：冲击韧度α .疲劳强度 （1）交变应力：许多零件，在工作过程中往往受到大小或大小及方向随时间呈周期性变化的应力作用，此应力称为交变应力。 （2）金属的疲劳：金属材料在交变应力的长期作用下，虽然应力远小于材料的抗拉强度，甚至低于屈服点，也会发生突然断裂，这种现象叫金属疲劳。（3）举例变速箱上齿轮 金属材料的工艺性能 工艺性能是指材料在成形过程中，对某种加工工艺的适应能力，它是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，材料工艺性能的好坏，会直接影响机械零件的工艺方法、加工质量、制造成本等。材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。
一、解释下列名词 1．淬透性与淬硬性; 2．相与组织; 3．组织应力与热应力； 4．过热与过烧； 5. 回火脆性与回火稳定性 6. 马氏体与回火马氏体 7. 实际晶粒度与本质晶粒度 8.化学热处理与表面热处理 淬透性：钢在淬火时获得的淬硬层深度称为钢的淬透性，其高低用规定条件 下的淬硬层深度来表示 淬硬性：指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力 相：金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其它部分有晶只界分开的 均匀组成部分称为相 组织：显微组织实质是指在显微镜下观察到的各相晶粒的形态、数量、大小 和分布的组合。 组织应力：由于工件内外温差而引起的奥氏体（γ或A）向马氏体（M）转 变时间不一致而产生的应力 热应力：由于工件内外温差而引起的胀缩不均匀而产生的应力 过热：由于加热温度过高而使奥氏体晶粒长大的现象 过烧：由于加热温度过高而使奥氏体晶粒局部熔化或氧化的现象回火脆性：在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称为回 火脆性
回火稳定性：又叫耐回火性，即淬火钢在回炎过程中抵抗硬度下降的能力。 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体。 回火马氏体：在回火时，从马氏体中析出的ε-碳化物以细片状分布在马氏 体基础上的组织称为回火马氏体。 本质晶粒度：钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度，它直接影响钢 的性能。 化学热处理：将工件臵于待定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层，从而改变工件表层化学成分与组织，进而改变其性能的热处理工艺。 表面淬火：：指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热 将表面奥氏休化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。 二、判断题 1. （ ）合金的基本相包括固溶体、金属化合物和这两者的机械混合物。 错。根据结构特点不同，可将合金中相公为固溶体和金属化合物两类。 2. （ ）实际金属是由许多位向不同的小晶粒组成的。 对。 3. （ ）为调整硬度，便于机械加工，低碳钢，中碳钢和低碳合金钢在锻造 后都应采用正火处理。
第一章，钢的合金化原理小结 一，合金元素及其分类 1，合金元素：为了使钢获得预期的性能而又意识地加入碳钢中的元素。 按与碳的亲和力大小，合金元素可分为： 非碳化物形成元素：Ni，Co，Cu，Si，Al，N，B 等 碳化物形成元素：Ti，Zr，Nb，V，W，Mo，Cr 等此外，还有稀土元素：Re 2，合金元素对钢中基本相得影响 （1）合金元素可溶入碳钢三个基本相中：铁素体、渗碳体、和奥氏体中。分别形成合金铁素体、合金渗碳体和合金奥氏体。合金元素在铁基体和奥氏体中起固溶强化作用。 固溶强化：是利用点缺陷对金属基体进行强化的一种合金化方法。基体的方式是通过溶 入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高。 （2）当钢种碳化物形成元素含量较高时可形成一系列合金碳化物，如：MC, M2C,M23C6 、M-C3 和M3C 等。合金元素之间也可以形成化合物即金属间化合物，一般来说，合金碳化物 以及金属间化合物的熔点高、硬度高，加热时难以溶入奥氏体，故对钢的性能有很大的 影响。 3，元素对钢中相平衡的影响 按照合金元素对Fe—C 相图上的相区的影响，可将合金元素分为两大类： a扩大丫区的元素：即奥氏体形成元素。指在丫-Fe中有较大的溶解度，并能扩大丫 相存在的温度范围，使A3下降、A4上升。女口Mn , Ni，Co, C, N，Cu 等。 b扩大a区的元素： 即铁素体形成元素：指在 a —Fe中有较大溶解度，并使丫-Fe不稳定的元素。 它们能缩小丫相区，而扩大a相存在的温度范围，使A3上升、A4下降。如Cr、Mo、 W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr 等。 扩大奥氏体区的直接结果是使共析温度下降；而缩小奥氏体区则使共析温度升高。 因此, 具有共析组织的合金钢碳含量小于0.77％, 同样, 出现共晶组织的最低含碳量也小于 2.11％。 4, 合金元素对钢中相变过程的影响 （1）对加热时奥氏体形成元素过程的影响 a 对奥氏体形核的影响：Cr、Mo、W、V 等元素强烈推迟奥氏体形核；Co、Ni 等元素有利于奥氏体形核。 b 对奥氏体晶核长大的影响：V、Ti、Nb、Zr、Al 等元素强烈阻止奥氏体晶粒的长 大；C、P、Mn （高碳）促使奥氏体晶粒长大。 （2）合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响 具体表现为：①除Co以外，所有的合金元素都使C曲线往右移动，降低钢的临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。②除Co、Al以外，所有的合金元素都使Ms点和Mf点 下降。其结果使淬火后钢种残余奥氏体量增加。 （3）素对回火过程的影响 a 提高了钢的回火稳定性回火稳定性即是钢对于回火时所发生的软化过程的抗力。许多合金 元素可以使回火过程中各阶段的转速大大减慢, 并推向更高的温度发生, 提高回火温度性较强的元素有V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co 等。 b 产生二次硬化现象 若钢种含有足够的碳化物形成元素如W、V、Mo等，淬火后再500-600 C回火时，将形成并析出如W2C、Wo2C和VC等弥散分布的合金碳化物，使合金钢的强度、硬度不降反升，并可达到一个峰值，此称为“二次硬化”现象。
工程材料导论复习题 一、填空 1.灰铸铁包括 , , , , 0 2.共析转变时，奥氏体转变为珠光体还是铁素体和石墨的两相混合物组织，取决于结晶过 程的和条件。 3.灰铸铁的二次结晶过程包括及两个阶段。 4.将铸铁中含碳量与硅、磷等折合的含碳量之和称为,将实际含碳量与共晶点 含碳量之比称为o 5.将一定成分的孕育剂加入到铁液中，可起到和作用。 6.球墨铸铁的球化机理包括和。 7.生产蠕墨铸铁时，常用蠕化剂有, o &黑心可锻铸铁也叫基体可锻铸铁 9.铸铁在较高温度下反复加热和冷却发生体积长大这一现象叫铸铁的o 10.合金元素对铝的强化作用主要表现为, , , O 11.根据目的不同，铝合金的退火分为 , , 0 12.根据钛合金在退火状态的相组成可分为 , , 型钛合金，分别以 , , 表示O 13.钛合金淬火时会得到, 组织。 14.—钛合金是发展高强钛合金潜力最大的合金。 15.根据化学成分的不同，铜合金可分为 , , 三大类。 16.纯铜又叫。 17.纯铜含过高时，会引起“氢病”。 18.黄铜是以—为主加合金元素的铜合金，白铜则是以—为主加合金元素的铜合金。 19.根据添加的化学成分不同，青铜又分为 , , 20.球墨铸铁的等温淬火是为得到组织。 21.低温正火能得到组织。 22.球墨铸铁的表面处理方法有 , , o 33.白口铸铁中碳主要以的形式存在，灰口铸铁中碳主要以的形式存在。 34._________ 灰口铸铁，可锻铸铁，球墨铸铁及蠕墨铸铁中石墨形态分别为 , , 状。 35.灰铁的基体有 , , ,三种，QT500-05牌号中，QT表示 ,数字500表示 ,数字05表 示o 36.HT 250是铸铁，250表示,促进石墨化的元素为, ,阻 碍石墨化的元素有 , o 38. ZL110 是_ _合金，其组成元素是— 39. HSn70-l 是_ ___ 合金，其含锡量为— _____ O 40. QA17 是 __ 合金，其组成元素是—型的 _________ 合 49.可锻铸铁件的生产方法是先,然后再进行 50.球墨铸铁采用作球化剂。 二、选择题 1.铸铁如果第一、第二阶段完全石墨化，其组织应为（）0
1、什么是黄铜？ Cu-Zn合金为黄铜 2、固溶体的力学性能特点是什么？ 固溶体的强度和硬度都要比溶剂元素高，但塑性和韧性变化不大。这种由于溶质原子进入溶剂中使得金属材料的强度和硬度上升的现象称为固溶强化。 3、钢的本质晶粒度是指什么？ 本质晶粒度实际上是钢加热时奥氏体晶粒长大的倾向。他只表示钢在一定范围内奥氏体晶粒长大的倾向性，亦即过热敏感性，并不代表奥氏体具体的晶粒大小。 4、灰铸铁的2个石墨化阶段完全进行得到的基体组织是什么？ 铁素体 5、制造手术刀常用什么材料？ 低合金刃具钢Cr06（3Cr13） 6、机械零件在正常工作条件下多数处于什么状态？ 弹塑性变形状态 7、在工业生产条件下金属结晶时，过冷度增大，则N、G将发生什么变化？ 在一定过冷度范围内，生核率N和生长率G是随过冷度的提高而增大，过冷度愈大，则N/G比值愈大 8、金属在冷变形过程后进行热加工，要进行一次退火，目的是什么？ 目的是使金属发生再结晶，消除加工硬化。 9、实际晶体的线缺陷是什么？ 晶格中的位错，所谓线缺陷可视为晶格中一部分晶体相对另一部分的局部滑移而造成的结果。 10、除钴外，大多数合金元素溶入奥氏体后，C曲线和过冷奥氏体将发生什么变化？ 除Co外，大多数溶于奥氏体的合金元素都使过冷奥氏体的稳定性增大，使C 曲线向右移，增大合金钢的淬透性。 11、含碳量相同的碳钢与合金钢在同一温度下回火，哪个钢更硬? 合金钢的硬度要比碳钢高 12、轴承合金钢组织应为什么？ 极细的回火马氏体和分布均匀的细粒状碳化物及少量残余奥氏 13、20号钢正常淬火后得到的马氏体组织形态是哪一种？ 板条状马氏体和针状马氏体的混合组织，板条状马氏体居多 14、20号钢正常淬火后得到的组织是什么？ 马氏体组织 15、T12钢正常淬火+低温回火后得到的硬度大约是多少？ 64HRC 16、45号钢为了得到回火索氏体应进行何种热处理？ 高温回火 17、碳素钢的质量高低决定于什么？ S、P的含量 18、为了减少GCr15钢制成的精密轴承在日后使用和存放过程中的变形，采用何种终处理方法？ 淬火后进行一次冷处理（-60～-80℃），以减少残余奥氏体的含量，然后再
第一章工程材料 1、按下表要求填出几种力学性能指标（σs、σb、δ、ψ、HBS、HR、αk）的内容。σs ：屈服强度产生屈服现象的应力σs＝F s／A。 σb：抗拉强度σb＝F b／A。 δ: 伸长率δ＝（L1-L0）／L0×100% ψ: 断面伸缩率ψ＝(A。-A k) ／A。×100% HBS: 布氏硬度压痕单位球面积上承受的载荷 HR: 洛氏硬度由压痕深度确定其硬度值的方法 αk 冲击韧度在冲击载荷作用下抵抗断裂的能力 2、材料的硬度试验方法主要有哪几种？HB和HRC主要用于哪些材料的硬度测量？洛氏硬度：HRC: 硬度高的淬火钢、调质钢 布氏硬度：HBS: 退火钢、灰铸铁、有色金属，HBW: 淬火钢 4、碳钢按碳的质量分数分，可分为哪三种？各种碳钢碳的质量分数范围是多少？低碳钢≤0.25% 中碳钢0.25%≤≤0.60% 高碳钢＞0.60% 5、碳钢的质量好坏是以什么来区分的？按质量分碳钢分为哪三类？ 钢的质量优劣按钢中所含有害杂质S、P多少划分 普通钢s≤0.050% P≤0.045% 优质钢S≤0.035% P≤0.035% 高级优质钢S≤0.025% P≤0.030% 6填出下表内容 Q235 Q为“屈”字汉语拼音首字母，数字为屈服强度（MPa） 低碳钢普通钢结构钢 45 数字表示钢的平均含碳量0.45% 中碳钢优质钢结构钢 T10A T为“碳”字汉语拼音首字母，钢的平均含碳量0.10%，A表示高级优质 高碳钢高级优质钢工具钢
7、用碳素工具钢制造的刀具能否用于高速切削？为什么？ 否，红硬性低，硬度太低 8、按下表所列合金钢牌号填写有关内容 16Mn 平均含碳量0.16%，Mn含量＜1.0% 低合金结构钢 20CrMnTi Wc为0.20% cr、mn、ti含量均＜1.0% 合金渗碳钢 40Cr Wc为0.40% Cr含量＜1.0% 合金调质钢 60Si2Mn Wc为0.60% Si含量2% Mn含量＜1.0% 合金弹簧钢 GCr15 Wc≥1.0% WG＜1.0% Wcr=15% 滚动轴承钢 W18Cr4v Wc≥1.0% Ww=18% Wcr=4% Wv＜1.0% 高速钢 4Cr13 Wc为4% Wcr为13% 不锈钢 9、按下表所列铸铁牌号填写内容 HT200 HT普通灰铸铁拼音首字母，最低抗拉强度不小于200MPa 11、碳的质量分数（含碳量）对碳钢的力学性能有什么影响？为什么？ 硬度随含碳量的增加而增加，强度随含碳量的减少而减少 碳＞0.9% C% 增加强度降低σs变小δ变大HB变小αk变大 碳＜0.9% C% 增加强度增加（……） 12、说出20钢、45钢、T12钢碳的质量分数，并比较它们在退火状态下的强度、硬度、塑性、韧度的高低 Wc=0.20% Wc=0.45% Wc=1.2% 从高至低 强度：T12 45 20 硬度：T12 45 20 塑性：20 45 T12 韧性：20 45 T12 13、灰铸铁的强度和塑性比钢差的主要原因是什么？ 灰铸铁中石墨力学性能很低 14、试述灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁的力学性能特点 灰铸铁抗拉强度远低于钢，塑性、韧度等于零，是一种脆性材料
1．写出下列力学性能符号所代表的力学性能指标的名称和含义。 σe、σs、σ r 0.2、σb、δ、ψ、a k 、σ-1、HRA、HRB、HRC、HBS(HBW)。 σe是弹性极限，是材料产生完全弹性变形时所承受的最大应力值； σs是屈服强度，是材料产生屈服现象时的最小应力值； σ r 0.2是以试样的塑性变形量为试样标距长度的0.2%时的应力作为屈服强度； σb是抗拉强度，是材料断裂前所能承受的最大应力值； δ是伸长率，试样拉断后标距长度的伸长量与原始标距长度的百分比； ψ是断面收缩率，是试样拉断后，缩颈处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比； a k是冲击吸收功，摆锤冲击试验中摆锤冲断试样所消耗的能量称为冲击吸收功； σ-1是材料经受无数次应力循环而不被破坏的最大应力； HRA、HRB、HRC是洛氏硬度由于不同的压头和载荷组成的几种不同的洛氏硬度标尺而产生的三种表示方法； HBS(HBW)是布氏硬度，用淬火钢球做压头测得的硬度用符号HBS表示，用硬质合金做压头测得的硬度用符号HBW表示。 2．低碳钢试样在受到静拉力作用直至拉断时经过怎样的变形过程? 由最初受力时的弹性变形到超过屈服极限的塑性变形到最后超过抗拉强度后的断裂。 3．某金属材料的拉伸试样l0=100mm，d0=10mm。拉伸到产生0.2％塑性变形时作用力(载荷)F0.2=6.5×103N；F b=8．5×103N。拉断后标距长为l l=120mm，断口处最小直径为
d l=6.4mm，试求该材料的σ0.2、σb、δ、ψ。 σ0.2= F0.2/ s0=(6.5×103)/π×（10/2）2 =82.8MPa σb= F b/ s0=(8.5×103)/π×（10/2）2 =108.28MPa δ=(l l- l0)/ l0×100%=20% ψ=( s0- s1)/ s0=[π×（10/2）2-π×（6.4/2）2]/π×（10/2）2=59.04% 4．钢的弹性模量为20.7×104MPa，铝的弹性模量为6.9×104MPa。问直径为2.5mm，长12cm 的钢丝在承受450N的拉力作用时产生的弹性变形量(Δl)是多少?若是将钢丝改成同样长度的铝丝，在承受作用力不变、产生的弹性变形量(Δl)也不变的情况下，铝丝的直径应是多少? Δl=F×l/(E×A)=5.3×10-2mm 根据变形量相等，所以E钢×A钢= E铝×A铝 易求得d铝=4.33mm 5．某钢棒需承受14000N的轴向拉力，加上安全系数允许承受的最大应力为140MPa。问钢棒最小直径应是多少?若钢棒长度为60mm、E=210000MPa，则钢棒的弹性变形量(Δl)是多少? σe= F e/ s0, 所以最小直径d,有π（d/2）2= F e/σe d=11.28mm Δl=F×l/(E×A)=0.04mm 6．试比较布氏、洛氏硬度的特点，指出各自最适用的范围。下列几种工件的硬度适宜哪种硬度法测量：淬硬的钢件、灰铸铁毛坯件、硬质合金刀片、渗氮处理后的钢件表面渗氮层的硬度。 布氏硬度： 具有较大的压头和较大的试验力,得到压痕较大，因而能测出试样较大范围的性能。与抗拉强度有着近似的换算关系。测量结果较为准确。对材料表面破坏较大，不适合测量成品。测量过程复杂费事。适合测量灰铸铁、轴承合金和具有粗大晶粒的金属材料，适用于原料及半成品硬度测量。 洛氏硬度： 采用测量压入深度的方式，硬度值可直接读出，操作简单快捷，工作效率高。然而由于金刚石压头的生产及测量机构精度不佳，洛氏硬度的精度不如维氏、布氏。适用于成批量零部件检测，可现场或生产线上对成品检测。 灰铸铁毛坯件适宜用布氏硬来测量；淬硬的钢件、硬质合金刀片、渗氮处理后的钢件表面渗氮层的硬度适宜用洛氏硬度来测量。 7．若工件刚度太低易出现什么问题?若是刚度可以而弹性极限太低易出现什么问题? 工件如果刚度太低则会在受力时较容易产生弹性变形，弹性变形过大。如果刚度可以而弹性极限太低则会在受力时比较容易塑形变形。 8．指出下列硬度值表示方法上的错误。12HRC～15HRC、800HBS、230HBW、550N／mm2HBW、70HRC～75HRC、200N／mm2HBS。 12HRC～15HRC，HRC的表示范围是20~70；
实施六大工程创办特色学校 宝塔区第四中学创办于1958年，已经走过了了54年艰难、曲折而又辉煌的办学历程，从一个普通县（区）属中学，发展成为拥有两个校区，134个教学班，500多名教师，在校生近9000人的省级标准化高中和省级重点中学。近年来，在各级党委、政府及教育主管部门的正确领导和支持下，经过全体师生的共同努力，学校管理规范科学，教学质量稳步提升。2010年学校新一届领导班子成立之后，在深入调研的基础上，科学分析四中发展现状，提出了“创办特色学校”发展战略，为实施“创办特色学校”战略，推动学校科学发展，我们主要实施了六大工程。 工程一：校园文化工程---促进学校内涵发展 先进的校园文化是学校发展的灵魂，是师生共同追求的一种群体价值观。 2010年秋季，四中新一届领导班子成立以来，提出了“注重特色、丰富内涵、打造品牌、科学发展”的办学思想和“育人为本、改革创新、提高质量、创办名校”的办学理念，把创办特色学校作为学校发展战略目标。 为物化这一办学思想，我们加强了校园环境建设，对老校区进行了改造，建设了校内花园，在新老校区建设中突出了人
文性和园林化。在新校区校园广场竖立了“同心”主题雕塑，激发学生团结、奋进、自强不息，形成了具有四中特色的校园环境文化。 为物化这一办学思想，我们加强了学校教学楼楼层励志文化建设，各教学楼楼层墙面上、拐角处、横梁上，张贴了精选的大量的励志哲言、名人名言、感动中国人物的颁奖词、推荐词、获奖感言、世界名校、中国名校及考入中国各个名校的四中学生照片，形成了具有四中鲜明特色的校园励志文化。 为物化这一办学思想，我们加强了学生行为规范教育、养成教育和文明礼仪教育，开展“人人动手、爱我家园”环境卫生综合整治活动，开展禁烟控烟、创建无烟校园活动。通过这些德育实践活动，使师生行为成为四中精神和办学思想的承载者，形成了具有四中鲜明特色的校园行为文化。 长期以来，形成了生机盎然、整洁优美、宁静有序、健康和谐的校园环境，使学生心有所依、目有所染、行有所范，2011年，学校再次被命名为“陕西省文明校园”。 工程二：队伍建设工程---促进学校持续发展 四中在教师队伍建设上坚持以人为本，按照创办特色学校的战略要求加强了两支队伍建设。 在领导班子队伍建设上，我们主要做到以下六个方面： 一是建立了领导班子理论学习制度，不断提高班子成员的政策理论水平、思想道德水平和科学管理水平。二是严格落实
第一章土木工程材料基本性质补充习题 1.某工地所用卵石的密度ρ为 2.65g/cm3，毛体积密度ρ0为2.61g/cm3,堆积密度ρ/0为1680kg/m3，计算此石子的孔隙率P和间隙率P/0。 2.车厢容积为4m3的汽车，问一次可分别装载多少顿石子、烧结普通粘土砖？已知石子的是密度为2.65 g/cm3，堆积密度为1550kg/m3，烧结普通砖的密度为2.6 g/cm3，体积密度为1700 kg/m3。 3.某岩石在气干、绝干、水饱和情况下测的抗压强度分别为172、178、168MPa, 指出该岩石可否用于水下工程。 4.从室外取来一块烧结普通砖，称其质量为2700g，浸水饱和后的质量为2850g，而绝干时的质量为2600g，将此砖磨细烘干后取50g，其排开水的体积由李氏密度瓶测得为18.62cm3，求此砖的含水率(W h)、吸水率(W m、W v)、体积密度（绝干）ρ0d、开口孔隙率P k及孔隙率P，并估计其抗冻性如何？（烧结普通砖实测规格为240×115×53mm) (2700-2600)/(2850-2600)=40% 5.现有甲、乙两同组成的墙体材料，密度为2.7 g/cm3。甲的绝干体积密度ρ0d为1400kg/m3，质量吸水率W m为17%；乙的吸水饱和后的体积密度ρ0sw为1862 kg/m3，体积吸水率W v为4 6.2%。试求：①甲材料的孔隙率P和体积吸水率W v？②乙材料的绝干体积密度ρ0d和
孔隙率P？③评价甲乙两材料哪种更适宜做外墙板，说明依据。 解：甲P=1―ρ0/ρ=1― 1.4/2.7=48.1%， WV= Wmρ0/ ρ水=17%×1.4/1=23.8%， PB=48.1-23.8=24.3% 乙ρ0b=mb/V0=1.862 g/cm3，WV=（mb―m）/（V0 ρ水）=（1.862―ρ0）/ ρ水=46.2%，ρ0=1.40 g/cm3，WV=PK=46.2%，P=1-1.4/2.7=48.1%，PB=P-PK=48.1-46.2=1.9%， PB甲＞PB乙，甲的保温性能好，甲宜做外墙
《材料科学与工程》期末复习题 一、填空题（每空 1 分，共 24 分） 1.根据材料的化学组成，材料可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料。 2.生态环境材料的三要素为先进性、环境协调性、舒适性。 3.生态环境材料可分为原料无害化材料、绿色环境过程材料、可循环利用材料、高资源生产率材料。 4.按照断口颜色分，铸铁可以分为灰铸铁、白口铸铁和马口铸铁。 5.按照化学类型，贮氢合金可以分为AB5型、AB2型、AB型、A2B型。 6.减震合金的分类：孪晶型、铁磁性型、位错型、复相型、复合型。 7.常用的硬度测试方法：布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏硬度法、显微维氏硬度、肖氏硬度 法。 8.按研究的尺度，材料的结构可以分为四个层次：宏观组织结构、显微组织结构、原子(分子)排列结构和原子中的电子结构。 9.塑性变形方式：位错运动、孪晶、蠕变、粘滞性流动。 10.选矿的主要方法有：手工选矿法、重力选矿法、磁选法、浮选法、联合选矿法。 11.从工艺角度看，冶炼可以分为火法冶炼、湿法冶炼、电冶炼。 二、判断题：（所给的是正确表述）（每题1 分，共6 分） 1.用洛氏硬度的三种表示方法 HRC、HRB、HRA 表示出来的硬度无法比较。 2.σmax/гmax 越大，脆性越大。 3.刃型位错的位错线与滑移方向垂直，螺旋位错的位错线与滑移方向平行。 4.位错属于线缺陷。 5.防锈铝合金，不可以采用热处理强化，而是采用冷加工变形硬化。 6.冷变形温度比淬火温度高。 7.工业高纯铝，数字越大,纯度越高。 8.固溶体的晶质类型跟溶剂保持一致。 三、简答题：（每题4 分，共16 分，8 选4） 1.什么是生命周期评价方法？ 答：是用数学物理方法结合实验分析对某一过程、产品或事件的资料、能源消耗、废物排放、环境吸收和消耗能力等环境负担性进行评价、定量该过程、产品或事件的环境合理性及环境负荷量的大小。 2.传统陶瓷与现代陶瓷的区别？ 答：
材料科学与工程导论 1 本课程的基本概念: 材料科学虽然是一门基础科学, 可是它涉及到诸如本课程的基本概念: 表面物理学、表面化学、金属学、陶瓷学、高分子学、传热学、传质学等多个学科的理论; 同时也与信息科学、生命科学、深海和深空科学等现代科学技术紧密相连。 1.1材料与人类文明一、材料与人类文明发展( 历史贡献) --石器时代、铜器时代、铁器时代、钢铁时代、合成材料时代、复合材料时代…… 陶器( china) 1.陶器出現是人类跨入新石器时代的重要标志之一, 2.据当前已知的考古资料, 中国的陶器制作至少已80 以上的历史。 青铜: 第一种合金 1.青铜, 古称金或吉金, 是红铜与其它化学元素( 锡、镍、铅、磷等) 的合金。 2.史学上所称的”青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。 3.到春秋战国時期, 齐国工匠总结科技经验写成的《考工记》一书中, 提出了「金有六齐」, 这是世界科技史上最早的冶铜经验总结。 二、材料与人类现代文明 －－材料是发展高科技的先导和基石 ( 一) 支撑人类现代文明大厦的四大支柱技术 1.材料科学与技术 2.生物科学与技术 3.能源科学与技术 4.信息科学与技术 * 其中材料是基础! 材料的应用: 计算机与材料; 飞机和材料;复合科学材料能源。 ( 二) 新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。 1.主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料;
2.嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料; 3.Si 半导体材料为代表的太阳能电池材料; 4.铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。 1.2 材料科学概论 化学成分不同的材料其性能也不相同。但对于同一成分的材料, 经过不同的加工工艺也能够使其性能发生极大的变化。*可见, 除化学成分外, 材料内部的结构和组织状态也是决定材料性能的重要因素。 *材料科学与工程( MSE ) 四要素:材料的合成与制备;成分与组织结构;材料特性;服役行为与使用寿命。 * 性能: 工程材料的性能主要是指材料的使用性能和工艺性能。 一使用性能: 材料的使用性能是指在服役条件下, 能保证安全可靠工作所必备的性能, 其中包括材料的力学性能、物理性能和化学性能。 ①力学性能:主要包括工程材料的强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能。 ②物理性能:主要包括工程材料的熔点、密度以及电、磁、光和热性能。 ③化学性能:是指工程材料在环境作用下的耐腐蚀和抗老化性能。 ( 一) 、力学性能——材料在外加载荷( 外力或能量) 作用下或载荷环境因素( 温度、介质和加载速率) 联合作用下表现出来的行为。 －主要是指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能。 机械设计中应首先考虑材料的力学性能。通俗地讲力学性能决定了在多大和怎样形式的载荷条件下而不致于改变零件几何形状和尺寸的能力。 指标:弹性、塑性、韧性、强度、硬度和疲劳强度等。1、材料的强度(strength)—材料所能承受的极限应力。 物理意义:材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。 抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度等。公式: σ=P/F o 单 位: 单位: MPa(MN/mm 2 ) ( 1) 屈服强度σs( yield strength) 和条件屈服强度σ0.02
第一章 2.图1-79为五种材料的应力-应变曲线：①45钢，②铝青铜，③35钢，④硬铝，⑤纯铜。试问： （1）当外加应力为300MPa时，各材料处于什么状态？ （2）有一用35钢制作的杆，使用中发现弹性弯曲较大，如改用45钢制作该杆，能否减少弹性变形？ （3）有一用35钢制作的杆，使用中发现塑性变形较大，如改用45钢制作该杆，能否减少塑性变形？ 答：（1）①45钢：弹性变形②铝青铜：塑性变形③35钢：屈服状态④硬铝：塑性变形⑤纯铜：断裂。 （2）不能，弹性变形与弹性模量E有关，由E=σ/ε可以看出在同样的条件下45钢的弹性模量要大，所以不能减少弹性变形。 （3）能，当35钢处于塑性变形阶段时，45钢可能处在弹性或塑性变形之间，且无论处于何种阶段，45钢变形长度明显低于35钢，所以能减少塑性变形。 4．下列符号表示的力学性能指标的名称和含义是什么？ σb 、σs、σ0.2、σ-1、δ、αk、HRC、HBS、HBW 答：σb抗拉强度，是试样保持最大均匀塑性的极限应力。 σs屈服强度，表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力。 σ0.2条件屈服强度，作为屈服强度的指标。 σ-1疲劳强度，材料循环次数N次后达到无穷大时仍不发生疲劳断裂的交变应力值。 δ伸长率，材料拉断后增加的变形长度与原长的比率。 HRC洛氏硬度，表示用金刚石圆锥为压头测定的硬度值。 HBS布氏硬度，表示用淬硬钢球为压头测定的硬度值。 HBW布氏硬度，表示用硬质合金为压头测定的硬度值。 7.常见的金属晶体结构有哪几种？α-Fe 、γ- Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Pb 、Cr 、V 、Mg、Zn 各属何种晶体结构？ 答：常见金属晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格； α－Fe、Cr、V属于体心立方晶格； γ－Fe 、Al、Cu、Ni、Pb属于面心立方晶格；
金属工艺学 第一章 工程材料导论 重点与难点 （1）重点：铁碳合金状态图、热处理工艺及其应用。 （2）难点：铁碳合金状态图的凝固过程分析。 第一节 金属材料的主要性能 两大类：1 使用性能：机械零件在正常工作情况下应具备的性能。 包括：力学性能、物理、化学性能 2 工艺性能：铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削性能等。 Ⅰ、金属材料的力学性能： 力学性能---受外力作用反映出来的性能。 一 弹性和塑性： 1弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。 力和变形同时存在、同时消失。 如弹簧：弹簧靠弹性工作。 2 塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。 塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。 3 拉伸图：金属材料在拉伸过程中弹性变形、塑性变形直到断裂的全部力学性能可用拉伸图形象地表示出来。 1）弹性阶段σe 2）屈服阶段：过e点至水平段右端 σs——塑性极限，s——屈服点，过s点水平段——说明载荷不增加，式样仍继续伸长。（P一定，σ=P/F一定，但真实应力P/F1↑ 因为变形，F1↓）发生永久变形 3）强化阶段：水平线右断至b点 P↑ 变形↑ σb——强度极限，材料能承受的最大载荷时的应力。 4）局部变形阶段b k 过b点，试样某一局部范围内横向尺寸突然急剧缩小。 “缩颈” （试样横截面变小，拉力↓） 4 延伸率和断面收缩率：——表示塑性大小的指标 1）延伸率： δ= l0——试样原长，l1——拉深后长 2）断面收缩率： F0——原截面，F1—拉断后截面 （1） δ、ψ越大，材料塑性越好 （2）ε与δ区别：拉伸图中 ε=ε弹+ε塑 ， δ=εmas塑 （3）一般δ〉5%为塑性材料，δ〈5%为脆性材料。 5 条件屈服极限σ0。2 1
第一章工程材料的基本性质 市政工程中所有材料不仅要受到各种荷载的作用，还要面临负责的自然因素的侵蚀，经 受恶劣气候的考验，因此构成市政工程的工程材料应具备良好的物理性能、力学性能、耐久 性等。本章主要研究各类工程材料所共有的基本性质，以作为研究工程材料性能的出发点和 工具。 工程材料的基本性质主要有三方面：物理性质、力学性质和化学性质。而料的这些性 质主要与其体积构成有密切联系。 物理性质主要有密度、空隙分布状态、与水有关的性质、热工性能等； 力学性质主要包括材料的立方体抗压强度、单轴抗压强度、设计中的经验指标如磨耗值、冲击值等。 化学性质主要包括材料抵抗周围环境对其化学作用的性能，如老化、腐蚀。 第一节材料的体积构成 常见的工程材料有块状的颗粒状之分，块状材料如切块、混凝土、石材等；粒状材料如各种骨科。材料的聚集状态不同，它的体积构成呈现出不同特点。 一、块状材料体积构成特点 打开石料，人们常发现在其内部，材料实体间被分布空气所占据。材料实体内部被空气占据的空间称为空隙。材料内部孔隙的数量和其分布状态对材料基本性质有重要影响。块状材料的宏观构造如图1-1所示。 块状材料在自然状况下的总体积为： V=Vs+Vo （1-1） 材料内部的孔隙分为连通孔（开口孔）和封闭空 (闭口孔) 。连通孔指孔隙之间、孔隙和外界之间都连通的孔隙; 封闭孔是指孔隙之间、孔隙和孔隙之间不连通的孔隙。一般而言，连通孔对材料的吸水性影响较大，而封闭孔对材料的保湿性能影响较大。 孔隙按其直径的大小可分为粗大孔、毛细孔、极细孔三类。粗大孔是指其直径大于毫米级的孔隙，主要影响材料的密度、强度等性能。毛细孔是指其直径位于微米至毫米级的孔隙，这类孔隙对水具有强烈的毛细作用，主要影响材料的吸水性、抗冻性等性能。极细微孔是指其直径在微米以下的孔隙，因其直径微小，反面对材料的性能影响不大。
2、试分析说明铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢的形成原因。 答： ①某些合金元素的加入会是奥氏体区缩小，特别是Cr、Si含量高时将限制奥氏体区，甚至完全消失，使得室温下只有单相铁素体组织存在。如高Cr含量的铬不锈钢。 ②某些合金元素的加入会使奥氏体相区扩大，特别是Ni、Mn。当钢中加入大量这类元素时，甚至可使A1、A2、Acm线将至室温一下，从而获得在室温下只有单相奥氏体存在的所谓奥氏体钢。如高Mn含量的耐磨钢。 ③大部分合金元素可使Fe-Fe3C相图中E点左移，因此，含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的显微组织。某些高碳合金钢中就会出现莱氏体组织，称为莱氏体钢。如高速钢。 3、试根据合金元素与碳的相互作用进行分类，并指出： （1）哪些元素是碳化物形成元素？哪些是非碳化物形成元素？ Ti、V、Cr、Mo、W、Mn、Zr、Nb; Co、Ni、Cu、B、Al、Si （2）哪些元素为弱碳化合物形成元素？性能特点如何？ Mn 除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶于铁素土和奥氏体中 （3）哪些元素为强碳化物形成元素？性能特点如何？ 答：Ti、V、Zr、Nb； 和碳有极强的亲和力，只要有足够的碳，在适当的条件下，节能形成他们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态溶于固溶体中。 （4）何为合金渗碳体，与渗碳体相比，其性能如何？ 合金元素溶于渗碳体中即为合金渗碳体。铁原子可以被其他金属原子所置换，形成以间隙化合物为基体的固溶体，一般把它们称为合金渗碳体。 5、合金元素提高钢挥霍稳定性的原因是什么？常用以提高回火稳定性的回火稳定性的合金元素有哪些？ 答 是指钢对回火时发生软化过程的抵抗能力。由于合金元素强碳化物形成元素能使铁、碳原子扩散速度减慢，使淬火钢回火加热时马氏体不易分解，析出的碳化物也不易聚集长大，保持一种较细小、分散的组织状态，。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）;提高铁元素的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而使钢的硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱，即提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。 6、分析碳及合金元素在低合金高强度钢中的作用，提高低合金高强度钢韧性的途径是什么？ 答：（1）碳的质量分数一般低于0.2%，以保证良好的焊接性、冷成型性和低温韧性；（2）合金元素以Mn为主（国外以Cr、Ni为主），锰的质量分数最高可达1.8%，并辅以少量的V、Ti、Mo、Nb、B等元素。合金元素主要作用是强化铁素体，细化铁素体晶粒，使钢的强度与韧性都得到改善；
《金属材料工程导论》 结业论文 金属材料的种类、性能、用途及其发展展望 专业班级： 姓名: 学号：
指导老师：曹鹏军 参考文献 1、刘宗昌，任慧平，郝少祥《金属材料工程概论》。北京：冶金工业 出版社。2007 2、百度文库《金属材料》 3、戴启勋。《金属材料学》北京：化学工业出版社；2005 4.E. Merchant ,章慈定;近代制造技术、机床及试验技术的发展趋势[J];制造 技术与机床;1980年10期 5.孙庚午;国外重型机床的发展趋势[J];制造技术与机床;1980年12期 6.李正邦《钢铁冶金前沿技术》北京：冶金工业出版社；1997年9月 7.北京科技大学《中国冶金史论文集》北京：科学出版社；2006年 8. 9.金锡根《有色金属冶炼技术》北京：冶金工业出版社；1992年2月
10.中国钢铁学会《钢铁辞典》北京；物价出版社；1995年7月 11.陈裹武《钢铁冶金物理化学》北京：冶金工业出版社；1990年10 月 12.王从曾《材料性能学》北京；北京工业大学出版社；2001年6月 摘要 金属材料是以金属材料或以金属材料为主构成的具有金属特性的以泪材料的统称。金属材料种类繁多性能差异较大，可分为纯金属、合金、金属化合物和特种金属材料等。作为人类最早使用的材料之一，金属材料在几千年后的今天仍然是人类社会最重要的材料。可以预见，在未来，金属材料必将在人文明的发展与进步中起到关键作用。 关键词 材料钢铁应用发展 金属材料的概念 金属材料是以金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。种类金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。
第2章 1.合金元素在金属中的存在形式有哪几种？它们各自有什么特点？ 答：①固溶体。固溶体保持着溶剂的晶格类型，但由于溶质原子的溶入，将会使固溶体的晶格常数发生变化而形成晶格畸变，增加了变形抗力，因而导致材料强度、硬度提高。 ②金属化合物。金属化合物的晶格类型和性能不同于组成它的任一组元，一般熔 点高，硬而脆，生产中很少直接使用单相金属化合物的合金。但当金属化合物呈细小颗粒状均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高。 2. 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？ 答：固溶强化是通过溶入溶质元素，使固溶体强度和硬度提高的现象。 原因：溶入固溶体中的原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。 3.如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小（3分） ①金属模浇注（＜）砂模浇注 ②铸成薄件（＜）铸成厚件 ③浇注时采用震动（＜）不采用震动 例1：铁素体；碳在a-Fe中的固溶体 再结晶；冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程 枝晶偏析；在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。 例2.何谓碳钢中的铁素体、渗碳体、珠光体？他们的力学性能各有何特点？ 铁素体——碳在α-Fe中的间隙固溶体，软而韧。 渗碳体——碳与铁形成的间隙化合物，硬而脆。 珠光体——铁素体与渗碳体形成的层片状交替排列的机械混合物，良好的综合力学性能。 例3. 在金属结晶过程中，细化晶粒的方法及其原理？ ①提高冷却速度增大过冷度可使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度越大。所 以，控制金属结晶时的冷却速度就可以控制过冷度，从而控制晶粒的大小。 ②变质处理（孕育处理）就是在浇注前，向液体中加入某种物质（称变
《工程材料导论》结课论文 13024112卫仕林 一、对材料的认识 1、材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。 2、材料的分类 ⑴按照材料的组成分为金属材料、非金属材料、复合材料。金属材料有分为：黑色金属和有色金属，其中黑色金属有铁及铁基合金；所有黑色金属以外的所有金属称为有色金属。非金属材料有：无机非金属材料和有机高分子材料。无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一定的工艺制备而成的材料，是除金属材料、高分子材料以外所有材料的总称；高聚物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。复合材料是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成 ⑵按物理性质可分为：导电材料、绝缘材料、半导体材料、磁性材料、透光材料、高强度材料、高温材料、超硬材料等。 ⑶按物理效应分为：压电材料、热电材料、铁电材料、非线性光学材料、磁光材料、电光材料、声光材料、激光材料等。 ⑷按用途分为：电子材料、电工材料、光学材料、感光材料、耐酸材料、研磨材料、耐火材料、建筑材料、结构材料、包装材料等。 ⑸根据材料服役的技术领域可分为信息材料、航空航天材料、能源材料、生物医用材料等。 ⑹根据结晶状态分为：单晶材料、多晶材料、非晶态材料、准晶材料。 ⑺材料按材料的尺寸可分为零维材料、一维材料、二维材料、三维材料。 材料与经济和社会发展的关系 材料是人类生存和生活必不可缺少的部分，是人类文明的物质基础和先导，是直接推动社会发展的动力。材料的发展及其应用是人类社会文明和进步的重要里程碑。没有材料科学的发展，就不会有人类社会的进步和经济的繁荣。 新材料既是当代高新技术的重要组成部分，又是发展高新技术的重要支柱和突破口。正是因为有了高强度的合金，新的能源材料及各种非金属材料，才会有航空和汽车工业；正是因为有了光纤，才会有今天的光纤通讯；正是因为有了半导体工业化生产，才有今天高速发展计算机技术和信息技术。当今世界各国在高技术领域的竞争，在很大程度上是新材料水平的较量。 由于材料科学的发展水平与高新技术的发展是相互依存的，因此新材料发展与应用水平直接决定着经济发展的水平。以新材料为基础的一批新兴产业正在迅速兴起，并成为许多国家新的经济增长点。 材料的可持续发展 随着社会的发展，可持续发展已成为人类日益关注的问题，世界上，每秒钟有390000m3的CO2在排放，，71t的O2被消耗，1.3辆汽车和4.2太电视被生产出，2.4人出生，而同时鱿鱼气候变暖有1629m3的冰河在消失。这些数据告诉我们为了人类能够健康的生活在这个星球上，必须认识到生态资源恶化的严重性。人类的生存离不开材料科学的发展与进步，人口的急剧增长、环境恶化、资源匮乏称为威胁人类发展的重要因素，我国已发现的资源有