第一章合金化原理
碳钢中的常存杂质
1.锰（Mn ）和硅（Si ）
炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。
Mn：可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。
Si：可固溶，也可形成SiO2夹杂物。Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。2．硫（S）和磷（P）
S：S和Fe能形成FeS，并易发生热脆(裂)。
P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。
S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。
3．氮（N）、氢（H）、氧（O）
N：在α-铁中可溶解。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。
H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。
O：在钢中形成硅酸盐2MnO?SiO2、MnO?SiO2或复合氧化物MgO?Al2O3、MnO?Al2O3。N、H、O是有害杂质。
碳钢的分类
1．按钢中的碳含量
1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢0.0218%≤w c≤0.77% 共析钢w c=0.77% 过共析钢：0.77%＜w c≤2.11%
2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：w c ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜w c≤0.6% 高碳钢：w c＞0.6%
2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢（2）优质碳素钢（3）高级优质碳素钢（4）特级优质碳素钢3．按钢的用途分类，碳钢可分为（1）碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为（1）沸腾钢F （2）镇静钢Z （3）半镇静钢b （4）特殊镇静钢TZ
碳钢的用途
1-普通碳素结构钢
（1）主要用于一般工程结构和普通零件
（2）热轧后空冷是这类钢通常的供货状态。
（3）普通碳素结构钢的牌号表示方法
由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。屈服点数值共分195、215、235、255、275五个强度等级；D级最高
2-优质碳素结构钢
（1）用于较为重要的机械零件
（2）供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，一般随用户需要而定。
（3）牌号一般用两位数字表示。这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍，如20钢、45钢。
3-碳素工具钢
（1）主要用于制作各种小型工具。
（2）牌号“T”加上碳的质量分数的千倍表示。如T10，T12等。高级优质碳素工具钢加上“A”如T8A，T12等。
4-一般工程用铸造碳素钢
（1）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件
（2）牌号用符号“ZG”加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。
合金元素的存在形式
1．形成铁基固溶体
（1）形成铁基置换固溶体
①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。
②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。
③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。
2）形成铁基间隙固溶体
2．形成合金渗碳体或碳化物
（1）合金渗碳体（碳化物）(Fe,Mn)3C 、氮化物和碳、氮化物间隙化合物相，是钢中的基本强化相；(Fe,Mn)3C 、TiN、Ti（C、N）等；
（2）过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：
Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe
3．形成金属间化合物γ(TiAl)、NiAl、NiTi、FeAl、
4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相
（1）钢中的非金属相有：FeO、MnO、MnS、FeS、等。非金属夹杂物一般都是有害的。
（2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。
合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响
1．合金元素与铁的相互作用
（1）γ相稳定化元素（奥氏体形成元素）
使A3降低，A4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：
开启γ相区(无限扩大γ相区) 这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等
扩展γ相区(有限扩大γ相区)这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等
（2）α相稳定化元素（铁素体形成元素）
合金元素使A4降低，A3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了γ相区。根据Fe-Me相图的不同，可分为：
封闭γ相区(无限扩大α相区)；这类合金元素有：Si、Al 和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 、P及Be 等
缩小γ相区(不能使γ相区封闭)。这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta 等。
2．合金元素与碳的相互作用
（1）形成碳化物
碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元素均位于Fe的左侧。
非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。
（2）Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响
合金元素对碳在固溶体中活度的影响主要表现在存在于固溶体中的合金元素，会改变金属原子与碳的结合力或结合强度。碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。
非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子，增加碳的活度，同时将出现碳从固溶体中析出的倾向
（3）Me对C在A中的扩散激活能和扩散系数的影响（Si是个例外）
碳化物形成元素：如Cr、Mo和W等降低C的活度，即提高了C在A中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数下降。非碳化物形成元素：如Ni、Co等提高C的活度，即降低了C在A中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高。合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
1．合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响
扩大γ相区的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。
缩小γ相区的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。
2．合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响
Me对共析转变温度的影响扩大γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降；
缩小γ相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。
Me对共析点（S）成分的影响几乎所有合金元素都使点S降低。共晶点E的碳含量随合金元素增加而降低。
合金元素对钢的热处理的影响
1.Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响
合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。
（1）Me对奥氏体形成速度的影响
非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。
强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。（2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响
合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒长大；Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；Mn有助于奥氏体的晶粒长大。
2.Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响
主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。具体可以分为以下几个方面：
（1）对高温转变（珠光体转变）的影响；除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移
Me的加入对钢还有固溶强化的作用；
合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。
（2）对中温转变（贝氏体转变）的影响；合金元素对贝氏体转变的作用是通过对γ→α转变和碳原子的扩散的影响而起作用。首先表现在对贝氏体转变上限温度BS点的影响。碳、锰、镍、铬、钼、钒、钛等元素都降低BS点
（2）对低温转变（马氏体转变）的影响。合金元素的作用表现在对马氏体点Ms~Mf温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降。
3．合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响
主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。
冷处理就是将淬火后的钢件在负温下继续冷却，使残余奥氏体转变为马氏体的工艺。如生产上采用干冰与酒精混合可获得-70℃的低温。
合金钢的分类
1．按化学成分分类
（1）按钢中所含合金元素的种类分，可分为：锰钢、铬钢、硅钢、硅锰钢、铬锰钛钢等。
（2）按钢中合金元素总质量分数分，可分为：低合金钢、中合金钢和高合金钢。
2．按钢的用途分类
（1）合金结构钢：工程构件用钢和机械制造用钢。
（2）合金工具钢：刃具钢、量具钢和模具钢（冷作模具钢和热作模具钢）。
（3）特殊性能钢：抗氧化钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢和易削钢等。
3．按金相组织分类
（1）按退火后的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。
（2）按正火后的组织分：铁素体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。
4．按冶金质量分类
（1）普通低合金钢（2）优质低合金钢（3）高级优质合金钢（4）特高级优质合金
第二章工程构件用合金结构钢
普通低合金高强度结构钢的化学成分特点
（1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。
（2）主加合金元素主要是Mn。Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；
（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。
（4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。
（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。
针状铁素体钢
1 显微组织
低碳或超低碳的针状铁素体（属于贝氏体），其α片呈板条状，具有高密度位错。
2 成分及性能
典型钢种：Mn-Mo-Nb钢。其成分范围：
C≤0.10%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6%，Nb：0.04-0.06%；有时还加0.06%V或0.01%Ti。
屈服强度＞470MPa，伸长率≥20%，室温冲击值≥80J，并具有好的低温韧性。焊接性能良好。抗H2S腐蚀性好。
3.合金元素的作用
碳：低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀；降低对韧性的损害。
锰：Mn推迟铁素体-珠光体相变，降低BS点固溶强化元素。
钼：Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；Mo与Mn联合使用还有利于得到细晶粒的针状铁素
铌：产生沉淀强化，细化晶粒。
低碳马氏体钢
显微组织、性能及处理工艺
锻轧后空冷：贝氏体+马氏体+铁素体；
具有高强度、高韧性和高的疲劳强度，适用于工程机械上运动的部件和低温下使用的部件。
锻轧后直接淬火并回火：低碳回火马氏体。
第三章机械制造结构钢
调质钢
调质钢的化学成分特点
1.碳：中碳，以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。
2. 合金元素
主加合金元素：Cr、Mn、Si、Ni；
辅加合金元素：Mo、W、V、Ti、Al、B等。
合金元素的作用：
提高淬透性；Cr、Mn、Si、Ni溶于α相，起固溶强化作用。Cr、Mo、W、V等，使钢保持高硬度。加入Mo、W来防止回火脆性。V、Ti、Al起细化晶粒的作用。
调质钢的热处理特点
1 预备热处理
2 最终热处理
（1）淬火
（2）回火
（3）表面处理
调质钢在高温回火后的韧性
(1) 合金元素与调质钢的韧性
碳：是降低调质钢冲击韧性的元素。
锰：调质钢中加入<2%的锰后，钢的冲击韧性有所改善，但含锰量高2％后，钢的脆性转化温度反而升高，冲击韧性恶化。镍：可改善钢的冲击韧性，使脆性转化温度不断下降。
磷：对钢的冲击韧性危害甚大
弹簧钢
弹簧钢的化学成分特点
1 碳含量
碳素弹簧钢的碳含量一般为0.8%~0.9%，合金弹簧钢的碳含量为0.45%~0.7%。
碳含量过低，达不到高强度的要求；碳含量过高，钢的脆性很大。
2 加入Si、Mn
目的是提高淬透性、固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性。Si含量高时加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。
3 加入Cr、W、V、Nb均为碳化物形成元素，防止过热（细化晶粒）和脱碳，保证弹簧具有高的弹性极限和屈服极限。
4 弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。
弹簧钢的热处理特点
1 冷成形弹簧
2 热成形弹簧
典型弹簧钢及应用实例
1 碳素弹簧钢65、70、75和85钢
2 合金弹簧钢60Si2Mn 主要用于制造汽车、拖拉机和机车上的板簧和螺旋弹簧，淬透性和性能高于65Mn。
滚动轴承钢（典型代表是GCr15 GSiMnMoV、GSiMnMoVRE）
滚动轴承钢的化学成分特点
1 高碳为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高，一般为0.95%~1.15%，属于过共析钢。
2 加入主加合金元素铬Cr的作用是提高钢的淬透性和钢的耐腐蚀性能。
3 加入硅、锰、钒等以进一步提高淬透性。
4 降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐夹杂物的数量，提高冶金质量。
滚动轴承钢的热处理特点
1预先热处理球化退火。
2 最终热处理淬火加低温回火。
渗碳钢（20Cr、20Mn2）
渗碳钢的化学成分特点
1低碳一般在0.12%~ 0.25%。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。
2 合金化常加入的合金元素有Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si、V、Ti、B等。
提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性；V、Ti可以细化奥氏体晶粒。
渗碳钢的热处理特点
1 预先热处理
第一步：正火目的是细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工。
第二步：退火（对P型钢）；高温回火（对M型钢）
2 最终热处理
（1）渗碳
（2）淬火和低温回火。
典型渗碳钢及其应用
（1）低淬透性合金渗碳钢20Cr、20Mn2等。
（2）中淬透性合金渗碳钢20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。
（3）高淬透性合金渗碳钢12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4W A、20Cr2Ni4A等。
为了减少残余奥氏体的数量，通常可以采用下面的三种方法：
第一种方法是淬火后进行冷处理（-60~-100℃），使残余奥氏体继续转变为马氏体；
第二种方法渗碳及正火后进行一次高温回火（600~620℃），使碳化物从马氏体和残余奥氏体中进一步析出（高淬透性钢在正火时就可淬火形成马氏体）；随后再加热到较低温度（Ac1+30~50℃），淬火时，这些碳化物不再溶入奥氏体中，故减少
了奥氏体中碳及合金元素含量，使马氏体转变温度有所升高，淬火后残余奥氏体数量就自然减少了。最后再进行低温回火，以消除内应力并提高渗层的强度和韧性。若将上述两种减少奥氏体的方法同时采用，效果更好。
氮化钢
氮化钢的热处理特点淬火→高温回火→氮化
典型氮化钢种38CrMoAlA、38Cr2WV AlA、35CrMo、40CrV
马氏体型结构钢
马氏体时效钢
1 合金化原理
马氏体时效钢的高强度来源于合金元素的固溶强化、马氏体相变的冷作硬化和时效析出金属间化合物的沉淀强化。
2 合金化元素
（1）主加元素Ni
Ni的加入可以保证马氏体的形成，从而增加基体的强度，并降低其它合金元素在基体中的溶解度；
Ni的加入能降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，促进应力松弛，从而减少脆性断裂倾向；
Ni的加入还有利于马氏体中的沉淀相的均匀形核与成长，这种均匀沉淀将促进良好的塑性变形特性和高的延性。
（2）加入一定量的钴Co
降低残余奥氏体含量：随着镍含量的增加，MS点也会下降，因此要控制镍的加入量；加入钴Co能升高MS点；
增加钢中扩大A相区的能力，降低点阵中位错运动抗力和位错与间隙元素之间交互作用能量，促进板条马氏体的形成。（3）加入合金元素钛、铝、钼、铌等，以形成金属间化合物Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo和Fe2Mo相等的沉淀硬化相。马氏体时效钢的板条马氏体具有良好的塑性和韧性，又有较好的低温塑性和韧性
（4）加入合金元素钼和钴产生协同效应：使沉淀强化效应进一步加强。
（5）严格控制冶炼过程中钢中杂质元素含量
碳固溶于马氏体中的碳会形成气团，钉扎位错，降低马氏体的塑性；碳与钼、钛、铌能形成稳定的碳化物，在晶界上析出时使钢的韧性降低，缺口敏感性增加，同时还减少其有效含量，使强化效应减少。
氮在钢中形成TiN和NbN，会作为裂纹源。
少量硅和锰有强化作用，但对韧性有害。
硫形成硫化物，降低钢的横向性能。
特殊用途钢
高锰钢
高锰钢是指含10%~14%Mn和0.9%~1.4%C的合金钢。
铸态组织：奥氏体+网状碳化物
高锰钢的成分特点
高锰钢中碳含量自1.0%增至1.5%时，表面硬化后的硬度增加，耐磨性可提高2~3倍，强度亦提高，但冲击韧性下降，增加开裂倾向，故碳含量以1.15%~1.25%范围为最合适。
锰可以扩大γ相区，增加奥氏体的稳定性。通常Mn/C的比值应为9~11，以保证获得奥氏体的组织。
易削钢
易切削钢牌号
在钢号前加“Y”，代表“易切削钢”（汉语拼音“易”的第一个字母）。Y后面的阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计）。
第四章工具钢
工具钢的分类
1、按化学成分分：碳素工具钢；低合金工具钢；高合金工具钢。
2、按用途分：刃具钢；模具钢：冷作模具钢；热作模具钢；塑料模具钢。量具钢。
工具钢的基本性能
1、力学性能
（1）刃具钢高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韧性。有的还要求高的红硬性。红硬性：在高温下保持高硬度的能力。（2）热作模具钢高温下具有一定的强度和硬度、抗热疲劳性和良好的韧性。
（3）冷作模具钢高硬度、高耐磨性、一定的塑性和韧性。
（4）量具钢高硬度、高耐磨性和良好的尺寸稳定性。
2、工艺性能
（1）一定的淬透性
（2）变形与开裂倾向小
（3）降低脱碳敏感性
（4）良好的切削加工性能
刃具钢
1 碳素工具钢
化学成分：一般含有0.65-1.35%C。含碳量越高，则钢的耐磨性越好，而韧性越差。
典型牌号：T7、T8、T9、T10、T11、T12及T13各类。随着数字的升高，钢的硬度与耐磨性增高，而韧性逐渐下降。
锻造和热处理：锻造球化退火淬火和回火淬火加热温度为Ac1+30-50℃，属于不完全淬火。
2 低合金工具钢（CrWMn ）
合金元素的作用
（1）铬增加淬透性。提高了钢的回火抗力。Cr还能防止Si的石墨化倾向。
（2）硅
增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。
Si高温加热时引起脱碳和促进石墨化，必须同时添加W、Cr、Mn等，减少钢的脱碳倾向。
（3）锰提高钢的淬透性，但Mn增加钢的过热倾向。
（4）钨晶粒细化，提高钢的耐磨性。
（5）钒V有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性。
热处理淬火回火
3 高速钢
合金元素的作用
（1）碳主要强化元素，随着碳含量进一步增高，淬火回火后的硬度和热硬性都增高。
（2）钨和钼提高热硬性、回火稳定性和细化晶粒、改善韧性
（3）铬提高淬透性，也增加耐蚀性和抗氧化能力。
（4）钒细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性
（5）钴提高回火稳定性和热硬性。降低韧性、增大脱碳倾向。
（6）微合金元素氮：增加回火硬度和热硬性。稀土元素：提高热塑性
冷作模具钢
常用作冷作模具的碳素工具钢有T8A、T10A、T12A。
常用作冷作模具的低合金工具钢有9Mn2V、9CrSi、CrWMn等。
只能用于制作尺寸小、形状简单、工作负荷较轻的模具。
高碳高铬模具钢
1、高铬模具钢的成分和特点
含有较高的C（1.4%~2.3%）和大量的Cr（11%~13%），有时还加入少量的Mo和V。
这类钢的典型钢号有Cr12和Cr12MoV，
高碳高铬冷变形模具钢具有以下特点：①高的耐磨性②高的淬透性③淬火变形小④高的红硬性⑤碳化物不均匀比较严重
2 锻造和退火锻造后通常采用等温球化退火进行软化
3 淬火和回火
(1)一次硬化处理
采用较低的淬火温度并进行低温回火。
选用较低的淬火温度，晶粒较细，钢的强度和韧性较好。通常Cr12MoV钢选用980～1030℃淬火，如希望得到较高的硬度，淬火温度可取上限。
回火温度一般在150-170℃。硬度HRC61-63。回火温度升高时硬度降低,但强度和韧性提高。
大多数Cr12型钢制作冷变形模具均采用此工艺。
(2)二次硬化处理
在较高的温度淬火，然后进行多次高温回火，以达到二次硬化的目的。这样可以获得高的回火稳定性，但稍降低钢的强度和韧性。
高碳中铬模具钢典型钢种：Cr6WV、Cr4W2MoV和Cr5Mo1V
新型冷作模具钢典型的钢种有8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2V2WSi，我国常用的是7 Cr7Mo2V2Si
7Cr7Mo2V2Si钢成分：0.75%C,1.0%Si,7.0%Cr,2.5%Mo,2.0%V。
热作模具钢
热作模具主要包括锤锻模、热挤压模和压铸模三类。
锤锻模用钢
1、化学成分和典型钢种
碳含量不宜过高，一般在0.45-0.6%之间。
中碳可以保证钢具有足够的韧性，碳含量过低会导致钢的硬度和强度下降，碳含量过高，钢的导热性能低，对抗热疲劳有利。
加入Cr、Mn、Ni、Si、W、V等合金元素。
一方面可以强化铁素体基体和增加淬透性，另一方面这些合金元素还可以提高钢的回火稳定性，并在回火过程中产生二次硬化效应，从而提高钢的高温强度、高的热塑性变形抗力；同时这些合金元素的加入还可以提高钢的临界点，并使模面在交替受热与冷却过程中不致发生容积变化较大的相变，从而提高钢的热疲劳抗力。
加入Mo、W等合金元素还可以防止回火脆性。
典型钢种：5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2MoWVNi和45Cr2NiMoSiV。
热挤压、压铸模用钢
1、铬系热作模具钢
含有大约5％Cr，并加入W、Mo、V、Si等。
典型钢种：45Cr5MoSiV、45Cr5MoSiV1、4Cr5W2SiV、33Cr3Mo3VNb、4Cr3Mo2NiVNbB等。成分见上图
Si、Cr抗氧化性和烧蚀性较好；Si还有利于提高回火稳定性和抗热疲劳性能；
加入V可加强钢的二次硬化现象，增加热稳定性。
2、钨系热作模具钢
主要特点是具有高的热稳定性。
W提高热稳定性和耐磨性，含W量越高，热稳定性越高。Cr增加钢的淬透性，使模具有较好的抗氧化性。
典型钢种：3Cr2W8V
一般采用1080℃～1150℃淬火加热；560～600℃回火，回火组织为回火马氏体＋过剩碳化物，硬度HRC40～48。
这类钢主要用于制造高温下承受高应力，但不承受冲击负荷的压铸模、热挤压模和顶锻模等。
第五章不锈耐蚀钢
金属腐蚀的基本概念
1、化学腐蚀
金属和化学介质直接发生化学反应造成的腐蚀称化学腐蚀。
2 电化学腐蚀
电化学腐蚀是金属腐蚀更重要更普遍的形式，它是由于不同金属或金属的不同相之间，电极电位不同，构成原电池而产生的
提高钢的耐蚀性途径
提高基体的电极电位，来降低原电池电动势；
使钢具有单相组织，减少微电池的数量；
使钢表面生成稳定的表面保护膜，如钢中加硅、铝、铬等。
成分对钢耐蚀性的影响
（1）碳
碳能强烈地稳定奥氏体，稳定奥氏体的能力为镍的30倍；
碳与铬能形成一系列碳化物，使不锈钢的耐蚀性受到严重影响；
（2）铬
是提高钝化膜稳定性的必要元素：Cr＞10-12%，合金的钝化能力显著提高；
当铬含量(原子比)达到1/8,2/8…时，铁的电极电位就跳跃式地增加，耐蚀性也随之而提高。
（3）镍
?提高钢的耐蚀性。
?镍是γ稳定化元素，镍能有效地降低Ms点，使奥氏体能保持到很低的温度。
（4）锰
?提高铬不锈钢在有机酸如醋酸、甲酸等中的耐蚀性，比镍更有效。
?锰是镍的代用品，是γ稳定化元素；锰在奥氏体不锈钢中部分替代Ni，2%Mn相当1％Ni。（5）钼
?提高不锈钢的钝化作用和耐蚀性，可阻止点蚀。
（6）硅
?提高钢在盐酸、硫酸和高浓度硝酸中的耐蚀性。
?在不锈钢中加入2-4%的Si，提高耐蚀性。
（7）钛、铌
?钛和铌是强的碳化物形成元素，可优先于铬同碳形成碳化物，防止晶间腐蚀，提高耐蚀性。
不锈耐蚀钢的组织
Cr-Mn系不锈钢
1、Fe-Cr-Mn相图
2 Cr-Mn-C-N钢中的组织：
要获得单相γ，所需最少的C、N与钢中Cr之间的关系为：
C+N=0.078[Cr-12.5]
N在钢中的溶解度取决于氮化物形成元素Cr和Mn在钢中的含量：
N=1/100[Cr+Mn]
Cr-Ni系不锈钢
铬,镍当量可由下列公式计算：
铬当量由铁素体形成元素来确定：Cr当量= (Cr)+2(Si)+1.5(Mo)+5(V)+5.5(Al)+1.75(Nb)+1.5(Ti)+0.75(W)
镍当量由奥氏体形成元素确定：Ni当量=(Ni)+(Co)+0.5(Mn)+0.3(Cu)+25(N)+30(C) 以上各元素均为重量百分比。不锈钢的分类
1、按化学成分分
铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢等。
2、按金相组织分
马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体-铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
不锈耐蚀钢的腐蚀特性
奥氏体不锈钢的晶间腐蚀
1、晶间腐蚀产生的原因
（1）由钢中的碳引起的。
（2）σ相在晶界析出也会造成晶间腐蚀。固溶的Mo和Ti促进σ相在晶界析出，在晶界产生贫铬区。
（3）钢中氮含量。N＞0.16%，沿晶界析出Cr2N，增加晶间腐蚀倾向。
（4）在氧化性介质中，奥氏体不锈钢经固溶处理也会发生晶间腐蚀。
2、消除晶间腐蚀的方法
（1）在敏化温度范围长期加热，通过铬的扩散消除贫铬区。
（2）降低奥氏体不锈钢中的碳含量。C≤0.03%，没有晶间腐蚀发生。如00Cr18Ni10钢。
（3）加入强碳化物形成元素Ti和Nb，形成稳定的TiC或NbC。
（4）钢中有10-50%体积的δ铁素体，可改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。
不锈钢的应力腐蚀
1、不锈钢应力腐蚀的介质特点
引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质特点是含有氯离子。随Cl-浓度升高，应力腐蚀破断时间缩短。
2、应力对应力腐蚀的影响
?只有张应力才会引发应力腐蚀。在温度恒定时，应力愈大，则破断时间愈短。
3、温度对应力腐蚀的影响
?温度愈高，应力腐蚀破断时间愈短。
含Cl-的水溶液中，80℃以上才有应力腐蚀。
4、组织对应力腐蚀的影响
?Cr=15-28%的铁素体不锈钢对Cl-引起的应力腐蚀不敏感。
5、化学成分对应力腐蚀的影响
Ni（Ni＞45%不产生应力腐蚀）、C、Si（2-4%）、Cu（2%）降低应力腐蚀敏感度；
N（＜0.04%）、Cr、Mo、P、As、Sb、Bi、Al、S促进应力腐蚀敏感度。
6、应力腐蚀的机理
?应力腐蚀是应力和电化学腐蚀共同作用的结果，是滑移溶解机制。
不锈钢的点腐蚀
?不锈钢在含Cl-介质中表面会出现点状凹坑腐蚀，成为点腐蚀。
?不锈钢中的夹杂物、晶界析出相、晶界等是点腐蚀容易发生的地点。
如MnS处，易在有机酸中溶解，形成点腐蚀源。
?提高Cr和加Mo和N（＞0.3%）减少点腐蚀倾向。
铁素体不锈钢
铁素体不锈钢的耐蚀性和抗氧化性均较好，特别是抗应力腐蚀性能较好，但机械性能及工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构和作抗氧化钢使用。
铁素体不锈钢的钢种和类型
（1）Cr13型如0Cr13、0Cr13Al 等，常用作耐热钢；
（2）Cr16-19型如Cr17、Cr17Ti、Cr17Mo1Nb等，可耐大气、淡水、稀硝酸介质腐蚀。
（3）Cr25-28型如Cr25Ti、Cr26Mo1、Cr28等，是耐强腐蚀介质的耐酸钢。
铁素体不锈钢的脆性
高铬铁素体钢的缺点是脆性大，其原因主要是：
（1）粗大的原始晶粒
（2）σ相σ相具有高的硬度(HRC68以上)引起很大的脆性，并可能促进晶间腐蚀。
（3）475℃脆性
（4）钢中含有C、N、O等杂质及夹杂物
铁素体不锈钢的热处理淬火、回火或退火热处理工艺
奥氏体不锈钢
?奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体的一种不锈钢。
?它耐蚀性高，而且具有高的塑性、韧性和低温韧性，易于加工成形为各种形状的钢材，具有良好的焊接性能、无磁性等
典型钢种、性能及应用
1、Cr-Ni系不锈钢
典型钢种:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb、00Cr18Ni10、00Cr17Ni7Cu2、00Cr17Ni8SiCu2。
含Ni高的不锈钢Ms点低，在极低温下保持单相奥氏体组织，具有良好的塑性和韧性，做液氮或更低温度液体的压力容器。
2、Cr-Mn-N系、Cr-Mn-Ni-N系不锈钢
典型钢种：1Cr17Mn13N、1Cr18Mn8Ni5N
N的固溶强化使钢具有较高的屈服强度、塑性和韧性，性能优于Cr18Ni9型。适用于要求耐蚀的同时又要求较高的屈服强度的零部件。
3.亚稳奥氏体不锈钢
典型钢种：1Cr18Ni8、1Cr18Ni8Mo、Cr15Mn14N。
在冷变形时发生部分马氏体转变，使钢在冷作硬化基础上又加上马氏体强化。
用来制作不锈弹簧，采用零下温度轧制和低温回火。
4、Cr-Ni-Mo-Cu系
典型钢种：1Cr18Ni12Mo3Ti、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti、0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti、00Cr18Ni14Mo2Cu2等。
适用于在非氧化性酸中工作的部件。
5、Cr-Ni-Mo-N系
典型钢种：00Cr22Ni22Mo2.5N、00Cr22Ni6Mo3N、Cr22Ni26Mo5Ti、Cr26Mo4等。
用于在含卤族元素离子介质中，抗点腐蚀的钢，也用于耐海水腐蚀的海洋设备上。
6、Cr-Ni-Si系
典型钢种：0Cr18Ni14Si4
用于抗应力腐蚀用钢。
奥氏体不锈钢的平衡组织及热处理奥氏体不锈钢平衡态组织为奥氏体＋铁素体＋碳化物复相组织
马氏体不锈钢
耐蚀性、塑性、焊接性较差有较好的机械性能和耐蚀性的结合，所以是机械工业中广泛使用的一类钢。
用于制造机械零件、医用手术工具、测量工具、不锈轴承、弹簧等。
典型钢种、成分和应用
1、低碳的13％Cr钢
如1Cr13、2Cr13，可用于制造汽轮机叶片、抗弱腐蚀介质并承受冲击的零件，如螺栓、螺母等机械结构件。
2、低碳的17％Cr-2%Ni钢
如1Cr17Ni2等，可用于制造高强度耐蚀件。
3、中碳的13％Cr钢
如3Cr13、4Cr13，可用于制造耐磨的零件如阀门零件、轴承、弹簧和医用手术刀等。
4、高碳的18％Cr钢
如9Cr18等，可用于制造轴承和手术工具等。
典型马氏体不锈钢的牌号和成分如表5-4
马氏体不锈钢的热处理
1、软化处理：高温回火完全退火
2、调质处理：淬火回火油冷（目的防止回火脆性）
3、淬火及低温回火：其目的是为了获得高的硬度和高的耐磨性。
高强度不锈钢
马氏体型沉淀硬化不锈钢
半奥氏体型沉淀硬化不锈钢
Chapter 6 耐热钢和铁基耐热合金
耐热钢和高温合金是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的金属材料。耐热钢
合金元素对化学稳定性的影响
1、Cr、Al、Si改善钢的化学稳定性。
Cr、Al、Si提高FeO出现的温度，改善钢的高温化学稳定性。
Cr、Al含量较高时，钢的表面出现致密的Cr2O3或Al2O3保护膜。
含硅钢中生成Fe2SiO4氧化膜，具有良好的保护作用。
Cr是提高抗氧化能力的主要元素，Al也能单独提高钢的抗氧化能力。
Si由于增加钢的脆性，加入量受到限制，只能作辅加元素。
2、稀土金属或碱土金属提高钢的抗氧化能力
3、W或Mo降低钢和合金的抗氧化能力。
4、H降低化学稳定性
珠光体型热强钢
低碳珠光体型热强钢
1.低碳珠光体型热强钢的典型钢种及应用
12Cr1MoV 和12Cr2MoWSiVTiB 等；
12Cr1MoV用于540℃的导管或580℃的过热蒸汽管，而12Cr2MoWSiVTiB 用于600℃~620℃的过热器管。
2．低碳珠光体型热强钢的合金化
（1）低碳，一般为0.08%~0.20%
（2）主加合金元素是铬和钼，辅加元素是V、Ti、Nb、W 等。提高钢的热强性的途径有固溶强化和第二相强化
3．低碳珠光体型热强钢的热处理
采用正火加高温回火。
中碳珠光体型热强钢
1.中碳珠光体型热强钢的典型钢种及应用
主要用于制作汽轮机等耐热紧固件，汽轮机转子（主轴、叶轮等）。
典型钢种为25Cr2Mo1VA，20Cr1Mo1VNbTiB，20Cr1Mo1VTiB，35Cr2MoV、33Cr3WMoV 等。
2．中碳珠光体型热强钢的合金化
在低碳珠光体型热强钢的基础上适当地提高碳含量以提高室温下的屈服极限；
增加Cr、Mo、V 含量，促进正火后的贝氏体转变量，得到
具有高的松弛稳定性的贝氏体组织。
3.中碳珠光体型热强钢的热处理
一般采用油淬加高温回火。回火通常要求高于使用温度100℃左右。
马氏体型热强钢
汽轮机叶片用钢要求更高的蠕变强度、耐蚀性和耐腐蚀磨损性能。
马氏体型耐热钢典型钢种4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo
铁素体型、奥氏体型及沉淀硬化型耐热钢
铁素体型耐热钢
具有单相铁素体组织，抗氧化性能强，还可耐含硫气氛的腐蚀。
（1）Cr13 型铁素体型耐热钢。这类钢主要用于使用温度在800℃~850℃的构件。典型的钢种如0Cr13Al、00Cr12 等。（2）Cr18 型铁素体型耐热钢。这类钢主要用于使用温度在1000℃左右的构件。典型的钢种如1Cr17、1Cr19Al3 等。（3）Cr25 型铁素体型耐热钢。这类钢主要用于使用温度在1050℃~1100℃左右的构件。典型的钢种如2Cr25N 等。
奥氏体型耐热钢
1．奥氏体型抗氧化钢
（1）Fe-Al-Mn 系热稳定钢
Al 在Fe 中含量增加能使钢具有高的抗氧化性，高温强度很低；
Mn为了使钢具有足够高的高温强度，应使钢具有奥氏体组织。Mn 含量太多对抗氧化不利。
（2）Cr-Mn-N 系热稳定钢
Cr-Mn-N 系奥氏体型热稳定钢（如Cr19Mn12Si2N 和Cr20Mn9Ni2Si2N）
2．奥氏体型热强钢
（1）固溶强化型奥氏体耐热钢
这类钢具有良好的焊接性能以及热加工和冷冲压性能，能制管和轧成薄板，能通过薄板冲压和焊接制成零件。（2）碳化物沉淀型奥氏体耐热钢
固溶淬火和时效沉淀的热处理。
典型钢种为4Cr14Ni14W2Mo、5Cr21Mn9Ni4N 和4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)
3．金属间化合物沉淀强化型奥氏体热强钢
热处理为固溶处理+时效。典型合金GH132
Chapter7 铸铁
铸铁的特点
1 成分特点
铸铁与碳钢相比较，有较高的碳和硅含量，还有较高的杂质元素硫和磷。
2 组织特点
铸铁中的碳主要有如下三种分布形式：
溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体，如铁素体、奥氏体；与Fe生成化合物，如Fe3C碳化物；以游离的石墨形式析出。
3 性能特点
（1）机械性能低
（2）良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性、优良的切削加工性和铸造性能。
铸铁的石墨化过程
铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程。
1、热力学条件
Fe3C→3Fe+C
2、动力学条件
影响铸铁石墨化的因素
1、化学成分的影响
①碳和硅强烈促进石墨化的元素。
②锰阻碍石墨化的元素
③硫阻碍石墨化的元素。
④磷促进石墨化不十分强烈的元素
2、冷却速度对铸件石墨化的影响铸件冷却速度快，就不利于石墨化的进行。
灰口铸铁
灰铸铁的化学成分及显微组织
1、灰铸铁的化学成分
主要化学元素有C、Si、Mn、P、S等，其中C、Si、Mn是调节组织的元素，P是控制使用的元素，S是应该限制的元素。灰铸铁的化学成分范围一般为：wC=2.7%~3.6%，wSi=1.0%~2.5%，wMn=0.5%~1.3%，wP≤0.3%，wS≤0.15%。
2、灰铸铁的显微组织
显微组织由片状石墨和金属基体组成，石墨镶嵌在金属基体内。
灰铸铁的牌号HT
灰铸铁的性能和应用
抗拉强度比同样基体的钢要低很多；
抗压强度约为抗拉强度的2.5-4.0倍；硬度HB130-270；冲击韧性很差；耐磨性比钢好；
减震性比钢大6-10倍；
易于铸造成型，切削加工性能优于钢。
被广泛应用于机床底座、床身和支柱等耐压零件。
球墨铸铁
球墨铸铁的化学成分及显微组织
1、球墨铸铁的化学成分
与灰铸铁相比，其特点是碳和硅的含量高，锰含量较低，磷、硫含量低，并含有一定量的稀土与镁。
2、球墨铸铁的显微组织
显微组织由球状石墨和钢基体两部分组成。
球墨铸铁的牌号、性能和应用
1、球墨铸铁的牌号QT
2、球墨铸铁的性能及用途
高的抗拉强度，而且其屈服强度也高。
塑性与韧性虽低于钢，但却高于其它各类铸铁
疲劳强度在很大程度上取决于石墨的形状。球状的疲劳强度最高，团絮状的次之，片状的最低，且随石墨数量增多，铸铁的疲劳强度降低。
用途
球墨铸铁以可以代替部分锻钢、铸钢、某些合金钢及可锻铸铁等，用来制造一些受力复杂，强度、韧性和耐磨性要求较高的零件；
球墨铸铁生产中，铁水在临浇铸前加入一定量的球化剂，以促使石墨结晶时生长为球状的工艺操作称为球化处理。
蠕墨铸铁
蠕墨铸铁的化学成分及显微组织
1、蠕墨铸铁的化学成分
化学成分要求与球墨铸铁相似，即要求高碳、高硅、低硫、低磷，并含有一定量的稀土与镁。
2、蠕墨铸铁的显微组织
由钢基体和蠕虫状石墨组成。
蠕墨铸铁的牌号、性能和应用
蠕墨铸铁的牌号RuT
强度、韧性、疲劳极限、耐磨性及抗热疲劳性能都比灰铸铁高，而且对断面的敏感性也较小。
塑性、韧性和强度都比球墨铸铁低。
铸造性能、减振性、导热性及切削加工性等均优于球墨铸铁。因此蠕墨铸铁是一种具有良好综合性能的铸铁。
应用在一些经受热循环载荷的铸件（如钢锭模、玻璃模具、柴油机缸盖、排气管、刹车件等）和组织致密零件（如一些液压阀的阀体、各种耐压泵的泵体等）以及一些结构复杂而设计又要求高强度的零件。
可锻铸铁KT
可锻铸铁的化学成分及显微组织
化学成分
较低的含碳量和含硅量。锰可消除硫的有害影响，但锰又是促进石墨化元素，含锰量过高也会延长退火周期。
组织黑心可锻铸铁珠光体可锻铸铁白心可锻铸铁：
铸铁的合金化及特殊性能铸铁
耐热合金铸铁RT
1、铸铁的耐热性
铸铁的耐热性主要是指铸铁在高温下抗氧化和抗热生长的能力。
2、提高铸铁耐热性的途径
在铸铁中加入Si、Al、Cr等合金元素，可在铸铁表面形成一层致密的、牢固的、匀整的氧化膜，阻止氧
化性气氛进一步渗入铸铁内部发生内氧化，从而抑制了铸铁的热生长；
提高铸铁基体金属的连续性也可以提高铸铁的耐热性。
3、常用耐热铸铁
耐热铸铁系列大致可分为铬系、硅系、铝系和硅铝系等。
铸铁的热处理
消除应力退火消除铸铁白口以改善切削加工性的退火球墨铸铁的正火
球墨铸铁的淬火及回火球墨铸铁的等温淬火表面淬火化学热处理
Chapter8 铝及其合金
铝的合金化及铝合金的分类
工业纯铝
铝具有优良的导电、导热性
铝在大气中具有优良的抗蚀性。
铝在室温中即能与空气中的氧化合，表面生成一层薄而致密并与基体金属牢固结合的氧化膜，阻止氧向金属内部扩散而起保护作用。
铝的主要用途是配制铝基合金。
铝合金的分类
1、铸造铝合金
2、变形铝合金
铝合金的强化方式
1、固溶强化
2、时效强化
3、过剩相强化
4、细化组织强化
铝合金的热处理与时效强化
退火
1、再结晶退火目的是消除加工硬化，改善合金的塑性
2、去应力退火目的是消除内应力，适当增加塑性，以利于成形加工，同时保留一定的加工硬化效果
3、均匀化退火目的是为了消除铝合金铸锭或铸件的成分偏析及内应力，提高塑性，降低加工及使用过程中变
形开裂的倾向
淬火（固溶处理）目的是为后续的时效处理作组织上的准备。
时效目的是在一定的条件下使沉淀强化相从淬火得到的过饱和固溶体中析出，以获得满意的强化效果。
时效的基本过程
（1）形成铜原子富集区（GP区）
（2）铜原子富集区有序化
（3）形成过渡性θ'
（4）形成稳定θ相
影响时效的因素
（1）组成合金的元素能否溶于固溶体以及时效析出相的情况。
（2）固溶处理（淬火）工艺
（3）时效温度
变形铝合金
非热处理强化变形铝合金
1、铝锰防锈铝合金
热处理强化变形铝合金
1、硬铝合金L Y 铝-铜-镁系合金总称为硬铝合金
2、锻铝合金LD
3、超硬铝合金LC
铸造铝合金ZL”
铝-硅铸造合金
具有极好的流动性，小的铸造收缩率和优良的焊接性、抗蚀性以及足够的机械性能。但合金的致密度较小，适宜制造致密度要求不太高的、形状复杂的铸件。
铝-铜铸造合金有较高的强度和热稳定性，是所有铸造铝合金中耐热性最高的一类合金。
铝-镁铸造合金比重小(2.55)、耐蚀性好、强度和韧性较高。流动性差用于造船、食品及化学工业。
Chapter9 镁及其合金
镁合金的类型及热处理
变形镁合金：MB×。
主要合金系为Mg-Zn-Zr系Mg-Al-Zn系、Mg-稀土-Zr系、Mg-Mn系、Mg-Li系。
热处理：固溶+人工时效或热变形+人工时效
铸造镁合金：ZM×。
1、Mg-Al-Zn系
T1-部分固溶+自然时效；T2-铸后退火；T3-固溶+冷加工；T4-固溶+自然时效；T5-人工时效；T6-固溶+人工时效；T7-固溶后稳定化；T8-固溶+冷加工+人工时效
金属材料的基本知识综合测试 一、判断题（正确的填√，错误的填×） 1、导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器等零件。（） 2、一般，金属材料导热性比非金属材料差。（） 3、精密测量工具要选用膨胀系数较大的金属材料来制造。（） 4、易熔金属广泛用于火箭、导弹、飞机等。（） 5、铁磁性材料可用于变压器、测量仪表等。（） 6、δ、ψ值越大，表示材料的塑性越好。（） 7、维氏硬度测试手续较繁，不宜用于成批生产的常规检验。（） 8、布氏硬度不能测试很硬的工件。（） 9、布氏硬度与洛氏硬度实验条件不同，两种硬度没有换算关系。（） 10、布氏硬度试验常用于成品件和较薄工件的硬度。 11、在F、D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径的大小有关，直径愈小，硬度值愈大。（） 12、材料硬度越高，耐磨性越好，抵抗局部变形的能力也越强。（） 13、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 14、20钢比T12钢的含碳量高。（） 15、金属材料的工艺性能有铸造性、锻压性，焊接性、热处理性能、切削加工性能、硬度、强度等。（） 16、金属材料愈硬愈好切削加工。（） 17、含碳量大于0.60%的钢为高碳钢，合金元素总含量大于10%的钢为高合金钢。（） 18、T10钢的平均含碳量比60Si2Mn的高。（） 19、一般来说低碳钢的锻压性最好，中碳钢次之，高碳钢最差。（） 20、布氏硬度的代号为HV，而洛氏硬度的代号为HR。（） 21、疲劳强度是考虑交变载荷作用下材料表现出来的性能。（） 22、某工人加工时，测量金属工件合格，交检验员后发现尺寸变动，其原因可能是金属材料有弹性变形。（） 二、选择题 1、下列性能不属于金属材料物理性能的是（）。 A、熔点 B、热膨胀性 C、耐腐蚀性 D、磁性 2、下列材料导电性最好的是（）。 A、铜 B、铝 C、铁烙合金 D、银 3、下列材料导热性最好的是（）。 A、银 B、塑料 C、铜 D、铝 4、铸造性能最好的是（）。 A、铸铁 B、灰口铸铁 C、铸造铝合金 D、铸造铝合金 5、锻压性最好的是（）。
第一章钢的合金化原理 1．名词解释 1）合金元素: 特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机械性能的化学元素。(常用M来表示) 2）微合金元素: 有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。 3）奥氏体形成元素:在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn, Ni, Co, C, N, Cu；4）铁素体形成元素: 在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如：V，Nb, Ti 等。 5）原位析出: 元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物如Cr钢中的Cr： ε-FexC→Fe3C→（Fe, Cr）3C→（Cr, Fe）7C3→（Cr, Fe）23C6 6）离位析出: 在回火过程中直接从α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，可使HRC和强度提高（二次硬化效应）。如V，Nb, Ti等都属于此类型。 2．合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在a-Fe中形成无限固溶体？哪些能在g-Fe 中形成无限固溶体？ 答：铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti、Al； 奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu 能在a-Fe中形成无限固溶体：V、Cr； 能在g-Fe 中形成无限固溶体：Mn、Co、Ni 3．简述合金元素对扩大或缩小γ相区的影响，并说明利用此原理在生产中有何意义？ 答：（1）扩大γ相区：使A3降低，A4升高一般为奥氏体形成元素 分为两类：a.开启γ相区：Mn, Ni, Co 与γ-Fe无限互溶. b.扩大γ相区：有C，N，Cu等。如Fe-C相图，形成的扩大的γ相区，构成了钢的热处理的基础。 （2）缩小γ相区：使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素 分为两类:a.封闭γ相区：使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。如V, Cr, Si, A1, Ti, Mo, W, P, Sn, As, Sb。 b.缩小γ相区：Zr, Nb, Ta, B, S, Ce 等 （3）生产中的意义：可以利用M扩大和缩小γ相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。 4．简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。 答：答：1）改变了奥氏体区的位置 2）改变了共晶温度：（l）扩大γ相区的元素使A1，A3下降； (2)缩小γ相区的元素使A1，A3升高。当Mo>8.2%, W>12%,Ti>1.0%,V>4.5%,Si>8.5%，γ
习题 第一章 1、何时不能直接淬火呢？本质粗晶粒钢为什么渗碳后不直接淬火？重结晶为什么可以细化晶粒？那么渗碳时为什么不选择重结晶温度进行A化？ 答：本质粗晶粒钢，必须缓冷后再加热进行重结晶，细化晶粒后再淬火。晶粒粗大。A 形核、长大过程。影响渗碳效果。 2、C是扩大还是缩小奥氏体相区元素？ 答：扩大。 3、Me对S、E点的影响？ 答：A形成元素均使S、E点向左下方移动。F形成元素使S、E点向左上方移动。 S点左移—共析C量减小；E点左移—出现莱氏体的C量降低。 4、合金钢加热均匀化与碳钢相比有什么区别? 答：由于合金元素阻碍碳原子扩散以及碳化物的分解，因此奥氏体化温度高、保温时间长。 5、对一般结构钢的成分设计时，要考虑其M S点不能太低，为什么? 答：M量少，Ar量多，影响强度。 6、W、Mo等元素对贝氏体转变影响不大，而对珠光体转变的推迟作用大，如何理解? 答：对于珠光体转变：Ti, V：主要是通过推迟（P转变时）K形核与长大来提高过冷γ的稳定性。 W，Mo： 1）推迟K形核与长大。 2）增加固溶体原子间的结合力，降低Fe的自扩散系数，增加Fe的扩散激活能。 3）减缓C的扩散。 对于贝氏体转变：W，Mo，V，Ti：增加C在γ相中的扩散激活能，降低扩散系数，推迟贝氏体转变，但作用比Cr，Mn，Ni小。 7、淬硬性和淬透性 答：淬硬性：指钢在淬火时硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。 淬透性：指由钢的表面量到钢的半马氏体区组织处的深度。 8、C在γ-Fe与α-Fe中溶解度不同，那个大？ 答：γ-Fe中，为八面体空隙，比α-Fe的四面体空隙大。 9、C、N原子在α-Fe中溶解度不同，那个大？ 答：N大，因为N的半径比C小。 10、合金钢中碳化物形成元素（V，Cr，Mo，Mn等）所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。 答：V：MC型；Cr：M7C3、M23C6型；Mo：M6C、M2C、M7C3型；Mn：M3C型。 复杂点阵：M23C6、M7C3、M3C、稳定性较差；简单点阵：M2C、MC、M6C稳定性好。 11、如何理解二次硬化与二次淬火？ 答：二次硬化：含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。 二次淬火：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象称为二次淬火。
第一章 1、为什么钢中的硫和磷一般情况下总是有害的？控制硫化物形态的方法有哪些？ 答：S与Fe形成FeS，会导致钢产生热脆；P与形成Fe3P，使钢在冷加工过程中产生冷脆性，剧烈降低钢的韧性，使钢在凝固时晶界处发生偏析。 硫化物形态控制：a、加入足量的锰，形成高熔点MnS；b、控制钢的冷却速度；c、改善其形态最好为球状，而不是杆状，控制氧含量大于0.02%；d、加入变形剂，使其在金属中扩散开防止聚焦产生裂纹。 2、钢的强化机制有哪些?为什么一般钢的强化工艺采用淬火加回火？答：a、固溶强化（合金中形成固溶体、晶格畸变、阻碍位错运动、强化） b、细晶强化（晶粒细化、晶界增多、位错塞积、阻碍位错运动、强化） c、加工硬化（塑性变形、位错缠绕交割、阻碍位错运动、强化） d、弥散强化（固溶处理的后的合金时效处理、脱溶析出第二相、弥散分布在基体上、与位错交互作用、阻碍位错运动、强化） 淬火处理得到强硬相马氏体，提高钢的强度、硬度，使钢塑性降低；回火可有效改善钢的韧性。淬火和回火结合使用提高钢的综合性能。 3、按照合金化思路，如何改善钢的韧性？ 答：a、加入可细化晶粒的元素Mo、W、Cr； b、改善基体韧性，加Ni元素；
c、提高冲击韧性，加Mn、Si元素； d、调整化学成分； e、形变热处理； f、提高冶金质量； g、加入合金元素提高耐回火性，以提高韧性。 4、试解释40Cr13属于过共析钢，Cr12钢中已出现共晶组织，属于莱氏体钢。 答、Cr元素使共析点左移，当Cr量达到一定程度时，共析点左移到碳含量小于0.4%，所以40Cr13属于过共析钢；Cr12中含有高于12%的Cr元素，缩小Fe-C平衡相图的奥氏体区，使共析点右移。 5、试解释含Mn钢易过热，而含Si钢高淬火加热温度应稍高，且冷作硬化率高，不利于冷变性加工。 答：Mn在一定量时会促使晶粒长大，而过热就会使晶粒长大。 6、合金钢中碳化物形成规律①②③④⑤⑥⑦ 答：①、K类型：与Me的原子半径有关；②、相似相容原理；③、强碳化物形成元素优先于碳结合形成碳化物；④、NM/NC比值决定了K类型；⑤、碳化物稳定型越好，溶解越难，析出越难，聚集长大也越难。 第二章 1、简述工程钢一般服役条件、加工特点和性能要求。 答：服役条件：静载、无相对运动、受大气腐蚀。 加工特点：简单构件是热轧或正火状态，空气冷却，有焊接、剪切、
第二章工程结构钢 1.叙述构件用钢一般的服役条件、加工特点和性能要求。 答：服役条件：①工程结构件长期受静载；②互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；③有些构件受疲劳冲击；④一般在-50~100℃范围内使用； 加工特点：焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺。 性能要求：①足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；②良好的焊接性和成型工艺性； ③良好的耐腐蚀性； 2.低碳钢中淬火时效和应变时效的机理是什么对构件有何危害 答：构件用钢加热到Ac1以上淬火或塑性变形后，在放置过程中，强度、硬度上升，塑性、韧性下降，韧脆转变温度上升，这种现象分别称为淬火时效和应变时效。 产生的原因：C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。 危害：在生产中的弯角、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑形变形的工艺操作，由于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难，往往因为裁剪边出现裂缝而报废。 3.为什么普低钢中基本上都含有不大于%w(Mn) 答：加入Mn有固溶强化作用，每1%Mn能够使屈服强度增加33MPa。但是由于Mn能降低A3温度，使奥氏体在更低的温度下转变为铁素体而有轻微细化铁素体晶粒的作用。Mn的含量过多时，可大为降低塑韧性，所以Mn控制在<%。 4.为什么贝氏体型普低钢多采用%w(Mo)和微量B作为基本合金化元素 答：钢中的主要合金元素是保证在较宽的冷却速度范围内获得以贝氏体为主的组织。当Mo 大于%时，能显着推迟珠光体的转变，而微量的B在奥氏体晶界上有偏析作用，可有效推迟铁素体的转变，并且对贝氏体转变推迟较少。因此Mo、B是贝氏体钢中必不可少的元素。 5.什么是微合金化钢微合金化元素的主要作用是什么 答：微合金化钢是指化学成分规范上明确列入需加入一种或几种碳氮化物形成元素的钢中。作用：Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素通过阻止加热时奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体形变再结晶这两方面作用可使轧制后铁素体晶粒细化，从而具有较好的强韧度配合。 6.在汽车工业上广泛应用的双相钢，其成分、组织和性能特点是什么为什么能在汽车工业上得到大量应用，发展很快 答：主要成分：~%C，~%Si，~%Mn，~%Cr，~%Mo，少量V 、Nb、Ti。（质量分数） 组织：F+M组织，F基体上分布不连续岛状混合型M（<20%）。 F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大部分在M中. 性能特点：低σs，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可达500~700MPa。 因为双相钢具有足够的冲压成型性，而且具备良好的塑性、韧度，一定的马氏体还可以保证提高钢的强度。 7.在低合金高强度工程结构钢中大多采用微合金元素（Nb、V、Ti等），它们的主要作用是什么 答：Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素通过阻止加热时奥氏体晶粒长大和抑制奥氏体形变再结晶这两方面作用可使轧制后铁素体晶粒细化，从而具有较好的强韧度配合。 8.什么是热机械控制处理工艺为什么这种工艺比相同的成分普通热轧钢有更高的力学综合
金属学与热处理总结 一、金属的晶体结构 重点内容：面心立方、体心立方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，八面体、四面体间隙个数；晶向指数、晶面指数的标定；柏氏矢量具的特性、晶界具的特性。 基本内容：密排六方金属晶体结构的配位数、致密度、原子半径，密排面上原子的堆垛顺序、晶胞、晶格、金属键的概念。晶体的特征、晶体中的空间点阵。 晶胞：在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞。 金属键：失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。 位错：晶体中原子的排列在一定范围内发生有规律错动的一种特殊结构组态。 位错的柏氏矢量具有的一些特性： ①用位错的柏氏矢量可以判断位错的类型；②柏氏矢量的守恒性，即柏氏矢量与回路起点及回路途径无关；③位错的柏氏矢量个部分均相同。 刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直；螺型平行；混合型呈任意角度。 晶界具有的一些特性： ①晶界的能量较高，具有自发长大和使界面平直化，以减少晶界总面积的趋势；②原子在晶界上的扩散速度高于晶内，熔点较低；③相变时新相优先在晶界出形核；④晶界处易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚；⑤晶界易于腐蚀和氧化；⑥常温下晶界可以阻止位错的运动，提高材料的强度。 二、纯金属的结晶 重点内容：均匀形核时过冷度与临界晶核半径、临界形核功之间的关系；细化晶粒的方法，铸锭三晶区的形成机制。 基本内容：结晶过程、阻力、动力，过冷度、变质处理的概念。铸锭的缺陷；结晶的热力学条件和结构条件，非均匀形核的临界晶核半径、临界形核功。 相起伏：液态金属中，时聚时散，起伏不定，不断变化着的近程规则排列的原子集团。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。 变质处理：在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。 过冷度与液态金属结晶的关系：液态金属结晶的过程是形核与晶核的长大过程。从热力学的角度上看，
第一章1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？ 答：S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。 S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆； P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。 2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？ 答：简单点阵结构和复杂点阵结构 简单点阵结构的特点：硬度较高、熔点较高、稳定性较好； 复杂点阵结构的特点：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。 3.简述合金钢中碳化物形成规律。 答：①当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构； ②相似者相溶：完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似；有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合碳化物。 ③NM/NC比值决定了碳化物类型④碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难；⑤强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。
4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 答：A形成元素均使S、E点向_____移动，F形成元素使S、E点向_____移动。 S点左移意味着_____减小，E点左移意味着出现_______降低。 （左下方；左上方）（共析碳量；莱氏体的C量） 5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。 答：退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。 淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A 中，未溶者仍在K中。 回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。 6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？ 答：Ti、Nb、V等强碳化物形成元素（好处）：能够细化晶粒，从而使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能。 7.哪些合金元素能显着提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？ 答：在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显着的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni 等。
第一章答案 1、为什么说钢中的S、P杂质元素总是有害的？ 答：S容易和Fe结合成熔点为989℃的FeS相，会使钢产生热脆性；P和Fe结合形成硬脆的Fe3P相使钢在冷加工过程中产生冷脆性。 2、合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 答：凡是扩大γ相区的元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni; 凡是封闭γ相区的元素均使S、E点向左上方移动，如Cr、Si、Mo。E点左移意味着出现莱氏体的碳含量减小；S点左移意味着共析碳含量减小。 3、那些合金元素能够显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有什么作用？ 答：B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni等元素能够显著提高钢的淬透性。提高钢的淬透性一方面可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求;另一方面在淬火时，可以选用比较缓和的冷却介质以减小零件的变形和开裂的倾向。 4、为什么说合金化的基本原则是“复合加入”？举二例说明合金复合作用的机 理。 答：1.提高性能，如淬透性；2.扬长避短，合金元素能对某些方面起积极作用，但往往还有些副作用，为了克服不足，可以加入另一些合金元素弥补，如Si-Mn，Mn-V;3.改善碳化物的类型和分布，某些合金元素改变钢中碳化物的类型和分布或改变其他元素的存在形式和位置，从而提高钢的性能，如耐热钢中Cr-Mo-V,高速钢中V-Cr-W。 5、合金元素提高钢的韧度主要有哪些途径？ 答：1.细化A晶粒；2.提高钢的回火稳定性；3.改善机体韧度；4.细化碳化物；5.降低或消除钢的回火脆性；6.在保证强度水平下适当降低碳含量；7.提高冶金质量；8.通过合金化形成一定量的残余A，利用稳定的残余A提高钢的韧度。 6、钢的强化机制有那些？为什么一般的强化工艺都采用淬火-回火？ 答：固溶强化、细晶强化、位错强化、第二相强化。因为一般的钢的强化都要求它有一定的强度的同时又要保持一定的任性，淬火后钢中能够形成M,这给了钢足够的强度，但是带来的后果就是韧度不够，而回火能够在强度降低不大的情况下给淬火钢以足够的韧性，这样能够得到综合力学性能比较优良的材料，所以一般钢的强化工艺都采用淬火加回火。 7、铁置换固溶体的影响因素？ 答：1.溶剂与溶质的点阵结构；2.原子尺寸因素；3.电子结构。 第二章 1、叙述构件用钢一般的服役条件、加工特点、性能要求? 答：服役条件：工程结构件长期受静载荷；互相无相对运动；受大气（海水）侵蚀；
第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,晶胞中原子数为 ，把原子视为刚性球时，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；bcc 结构的密排方向是 ，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ；hcp 结构的密排方向是 ，密排面 是 ，密排面的堆垛顺序是 ，致密度为 ，配位数是 ,， 晶胞中原子数为 ，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是 ，每个晶胞中八面体间隙数为 ，四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构，配位数 ，致密度降低 ，晶体体积 ，原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平 面上的方向。在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1） 随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度 ，塑性 ，导电性 ，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数 。 2） 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1） ； （2） ；（3） ；（4） 和环境因素。 3） 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4） 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为 和 。 5） 无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ，塑性 ，导电性 。 6）间隙固溶体是 ，间隙化合物是 。 二、 问答 1、 分析氢，氮，碳，硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，?-Fe ：0.124nm ，?-Fe ：0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空 1. 在液态纯金属中进行均质形核时，需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时，体系自由能的变化包括两部分，其中 自由能
《金属材料学》复习总结 第1章：钢的合金化概论 一、名词解释： 合金化：未获得所要求的组织结构、力学性能、物理性能、化学性能或工艺性能而特别在钢铁中加入某些元素，称为合金化。 过热敏感性：钢淬火加热时，对奥氏体晶粒急剧长大的敏感性。 回火稳定性：淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力。 回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象。 二、填空题： 1.合金化理论是金属材料成分设计和工艺过程控制的重要原理，是材料成分、工艺、组织、 性能、应用之间有机关系的根本源头，也是重分发结材料潜力和开发新材料的基本依据。 2.扩大A相区的元素有：Ni、Mn、Co（与Fe -γ无限互溶）；C、N、Cu（有限互溶）； α无限互溶）；Mo、W、Ti（有限互溶）； 扩大F相区的元素有：Cr、V（与Fe - 缩小F相区的元素有：B、Nb、Zr（锆）。 3.强C化物形成元素有：Ti、Zr、Nb、V； 弱C化物形成元素有：Mn、Fe； 4.强N化物形成元素有：Ti、Zr、Nb、V； 弱N化物形成元素有：Cr、Mn、Fe； 三、简答题： 1.合金钢按照含量的分类有哪些？具体含量是多少？按含碳量划分又如何？ ●按照合金含量分类：低合金钢：合金元素总量<5%； 中合金钢：合金元素总量在5%～10%； 高合金钢：合金元素总量>10%； ●按照含碳量的分类：低碳钢：w c≤0.25%； 中碳钢：w c=0.25%～0.6%； 高碳钢：w c>0.6%； 2.加入合金元素的作用？ ①：与Fe、C作用，产生新相，组成新的组织与结构； ②：使性能改善。 3.合金元素对铁碳相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ (1)A形成元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni等； F形成元素均是S、E点向左上方移动，如Cr、V等 (2)S点向左下方移动，意味着共析C含量减小，使得室温下将得到A组织； E点向左上方移动，意味着出现Ld的碳含量会减小。 4.请简述合金元素对奥氏体形成的影响。 (1)碳化物形成元素可以提高碳在A中的扩散激活能，对A形成有一定阻碍作用； (2)非碳化物形成元素Ni、Co可以降低碳的扩散激活能，对A形成有一定加速作用。 (3)钢的A转化过程中存在合金元素和碳的均匀化过程，可以采用淬火加热来达到成 分均匀化。 5.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？组织奥氏体晶粒长大有什么好处？ (1)Ti、Nb、V等强碳化物形成元素会强烈阻止奥氏体晶粒长大，因为：Ti、Nb、V等
第一章 1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？ 答：S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。 S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆； P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。 4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 答：A形成元素均使S、E点向_____移动，F形成元素使S、E点向_____移动。 S点左移意味着_____减小，E点左移意味着出现_______降低。（左下方；左上方）（共析碳量；莱氏体的C量 5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。 答：退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。 淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。 回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。 8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？答：提高回火稳定性的合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si 作用：提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度；或者在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些。 10.就合金元素对铁素体力学性能、碳化物形成倾向、奥氏体晶粒长大倾向、淬透性、回火稳定性和回火脆性等几个方面总结下列元素的作用：Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ni。答：Si： ①Si是铁素体形成元素，固溶强化效果显著；（强度增加，韧性减小）②Si是非碳化物形成元素，增大钢中的碳活度，所以含Si钢的脱C倾向和石墨化倾向较大；③Si量少时，如果以化合物形式存在，则阻止奥氏体晶粒长大，从而细化A晶粒，同时增大了钢的强度和韧性； ④Si提高了钢的淬透性，使工件得到均匀而良好的力学性能。在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。 ⑤Si提高钢的低温回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢；⑥Si能够防止第一类回火脆性。 11.根据合金元素在钢中的作用，从淬透性、回火稳定性、奥氏体晶粒长大倾向、韧性和回火脆性等方面比较下列钢号的性能：40Cr、40CrNi、40CrMn、40CrNiMo 答：①淬透性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr （因为在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni，而合金元素的复合作用更大。） ②回火稳定性：40CrNiMo>40CrMn >40CrNi >40Cr ③奥氏体晶粒长大倾向：40CrMn>40Cr >40CrNi>40CrNiMo ④韧性：40CrNiMo>40CrNi>40CrMn>40Cr（Ni能够改善基体的韧度）⑤回火脆性：
1.为什么说钢中的S、P杂质元素在一般情况下总是有害的？S、P会导致钢的热脆和冷脆，并且容易在晶界偏聚，导致合金钢的第二类高温回火脆性，高温蠕变时的晶界脆断。S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆；P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。 2.钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？有什么特点？简单点阵结构和复杂点阵结构简单点阵结构的特点：硬度较高、熔点较高、稳定性较好；复杂点阵结构的特点：硬度较低、熔点较低、稳定性较差。 3.简述合金钢中碳化物形成规律。①当rC/rM>0.59时，形成复杂点阵结构；当rC/rM<0.59时，形成简单点阵结构；②相似者相溶：完全互溶：原子尺寸、电化学因素均相似；有限溶解：一般K都能溶解其它元素，形成复合碳化物。③NM/NC比值决定了碳化物类型④碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难；⑤强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物。 4.合金元素对Fe-C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？A形成元素均使S、E点向左下方移动，F形成元素使S、E点向左上方移动。S点左移意味着共析碳量减小，E点左移意味着出现莱氏体的碳量降低。 5.试述钢在退火态、淬火态及淬火-回火态下，不同合金元素的分布状况。退火态：非碳化物形成元素绝大多数固溶于基体中，而碳化物形成元素视C和本身量多少而定。优先形成碳化物，余量溶入基体。淬火态：合金元素的分布与淬火工艺有关。溶入A体的因素淬火后存在于M、B中或残余A中，未溶者仍在K中。回火态：低温回火，置换式合金元素基本上不发生重新分布；>400℃，Me开始重新分布。非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进入析出的K中，其程度取决于回火温度和时间。 6.有哪些合金元素强烈阻止奥氏体晶粒的长大？阻止奥氏体晶粒长大有什么好处？Ti、Nb、V等强碳化物形成元素（好处）：能够细化晶粒，从而使钢具有良好的强韧度配合，提高了钢的综合力学性能。 7.哪些合金元素能显著提高钢的淬透性？提高钢的淬透性有何作用？在结构钢中，提高马氏体淬透性作用显著的元素从大到小排列：Mn、Mo、Cr、Si、Ni等。作用：一方面可以使工件得到均匀而良好的力学性能，满足技术要求；另一方面，在淬火时，可选用比较缓和的冷却介质，以减小工件的变形与开裂倾向。 8.能明显提高回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？Cr、Mn、Ni、Mo、W、V、Si作用：提高钢的回火稳定性，可以使得合金钢在相同的温度下回火时，比同样碳含量的碳钢具有更高的硬度和强度；或者在保证相同强度的条件下，可在更高的温度下回火，而使韧性更好些。 9.第一类回火脆性和第二类回火脆性是在什么条件下产生的？如何减轻和消除？第一类回火脆性:脆性特征：①不可逆；②与回火后冷速无关；③断口为晶界脆断。产生原因：钢在200-350℃回火时，Fe3C 薄膜在奥氏体晶界形成，削弱了晶界强度；杂质元素P、S、Bi等偏聚晶界，降低了晶界的结合强度。防止措施：①降低钢中杂质元素的含量；②用Al脱氧或加入Nb（铌）、V、Ti等合金元素细化奥氏体晶粒；③加入Cr、Si调整温度范围；④采用等温淬火代替淬火回火工艺。第二类回火脆性：脆性特征：①可逆；②回火后满冷产生，快冷抑制；③断口为晶界脆断。产生原因：钢在450-650℃回火时，杂质元素Sb、S、As或N、P等偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低了晶界强度。高于回火脆性温度，杂质元素扩散离开了晶界或化合物分解了；快冷抑制了杂质元素的扩散。防止措施：①降低钢中的杂质元素；②加入能细化A晶粒的元素（Nb、V、Ti）③加入适量的Mo、W元素；④避免在第二类回火脆性温度范围回火 14.合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？钒和碳、氨、氧有极强的亲和力，与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在时，降低淬透性。 19.试解释40Cr13已属于过共析钢，而Cr12钢中已经出现共晶组织，属于莱氏体钢。①因为Cr属于封闭y相区的元素，使S点左移，意味着共析碳量减小，所以钢中含有Cr12%时，共析碳量小于0.4%，所以含0.4%C、13%Cr的40Cr13不锈钢就属于过共析钢。②Cr使E点左移，意味着出现莱氏体的碳含量减小。在Fe-C相图中，E点是钢和铁的分界线，在碳钢中是不存在莱氏体组织的。但是如果加入了12%
金属材料学习题与思考题 第七章铸铁 1、铸铁与碳钢相比，在成分、组织和性能上有什么区别？ （1）白口铸铁：含碳量约2.5%,硅在1%以下白口铸铁中的碳全部以渗透碳体（Fe3c）形式存在，因断口呈亮白色。故称白口铸铁，由于有大量硬而脆的Fe3c，白口铸铁硬度高、脆性大、很难加工。因此，在工业应用方面很少直接使用，只用于少数要求耐磨而不受冲击的制件，如拔丝模、球磨机铁球等。大多用作炼钢和可锻铸铁的坯料 （2）灰口铸铁；含碳量大于4.3％，铸铁中的碳大部或全部以自由状态片状石墨存在。断口呈灰色。它具有良好铸造性能、切削加工性好，减磨性，耐磨性好、加上它熔化配料简单，成本低、广泛用于制造结构复杂铸件和耐磨件。（3）钢的成分要复杂的多，而且性能也是各不相同钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。我们通常将其与铁合称为钢铁，为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等，而且钢还根据品质分类为①普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）②优质钢（P、S均≤0.035%）③高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）按照化学成分又分①碳素钢：.低碳钢（C≤0.25%）.中碳钢（C≤0.25~0.60%）.高碳钢（C≤0.60%）。 ②合金钢：低合金钢（合金元素总含量≤5%）.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）.高合金钢（合金元素总含量＞10%）。 2、C、Si、Mn、P、S元素对铸铁石墨化有什么影响？为什么三低（C、Si、Mn低）一高（S高）的铸铁易出现白口？ （1）合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为： Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb为中性元素，向左促进程度加强，向右阻碍程度加强。C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素，为综合考虑它们的影响，引入碳当量CE = C% + 1/3Si%，一般CE≈4%，接近共晶点。S是强烈阻碍石墨化元素，降低铸铁的铸造和力学性能，控制其含量。 （2）铸铁的含碳量高，脆性大，焊接性很差，在焊接过程中易产生白口组织和裂纹。 白口组织是由于在铸铁补焊时，碳、硅等促进石墨化元素大量烧损，且补焊区冷速快，在焊缝区石墨化过程来不及进行而产生的。白口铸铁硬而脆，切削加工性能很差。采用含碳、硅量高的铸铁焊接材料或镍基合金、铜镍合金、高钒钢等非铸铁焊接材料，或补焊时进行预热缓冷使石墨充分析出，或采用钎焊，可避免出现白口组织，。 3、铸铁壁厚对石墨化有什么影响？冷速越快，不利于铸铁的石墨化，这主要取决于浇注温度、铸型材料的导热能力及铸件壁厚等因素。冷速过快，第二阶段石墨化难以充分进行。 4、石墨形态是铸铁性能特点的主要矛盾因素，试分别比较说明石墨形态对灰铸铁和球墨铸铁力学性能及热处理工艺的影响。墨的数量、大小和分布对铸铁的性能有显著影响。如片状石墨，数量越多对基体的削弱作用和应力集中程度越大。 石墨形状影响铸铁性能：片状、团絮状、球状。对于灰铸铁，热处理仅能改变基体组织，改变不了石墨形态，热处理不能明显改善灰铸铁的力学性能。 球墨铸铁是石墨呈球体的灰铸铁，简称球铁。由于球墨铸铁中的石墨呈球状，对基体的割裂作用大为减少，球铁比灰铸铁及可锻铸铁具有高得多的强度、塑性和韧性。 5、球墨铸铁的性能特点及用途是什么？ 球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等.。 珠光体型球墨铸铁——柴油机的曲轴、连杆、齿轮；机床主轴、蜗轮、蜗杆；轧钢机的轧辊；水压机的工作缸、缸套、活塞等。铁素体型球墨铸铁——受压阀门、机器底座、汽车后桥壳等。 6、和刚相比，球墨铸铁的热处理原理有什么异同？ 球墨铸铁的热处理主要有退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。 7、HT200、HT350、KTH300-06、QT400、QT600各是什么铸铁？数字代表什么意义？各具有什么样的基体和石墨形态？说明他们的力学性能特点及用途。 （1）灰铸铁常用型号为HT100/HT150/HT200/HT250/HT300/HT350 球墨铸铁常用型号为QT400-18/QT400-15/QT450-10/QT500-7/QT600-3/QT700-2/QT800-2/QT900-2 黑心可锻铸铁常用牌号为KTH300-06/KTH350-10/KTZ450-06/KTZ550-04/KTZ650-02/KTZ700-02,其中KTH300-06适用于气密性零件,KTH380-08适用于水暖件，KTH350-10适用于阀门、汽车底盘。
名词解释 合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构从而得到一定的物理、化学或机 械性能的化学元素。（常用Me表示） 微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti, Zr和B等，当其含量只在0.1%左右（如B 0.001%，V 0.2 %）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。 奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ-Fe的元素C,N,Cu,Mn,Ni,Co,W 等 铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能α-Fe稳定的元素Cr，V，Si，Al，Ti，Mo等 原位析出：指在回火过程中，合金渗碳体转变为特殊碳化物。碳化物形成元素向渗碳体富集，当其浓度超过在合金渗碳体中的溶解度时, 合金渗碳体就在原位转变成特殊碳化物。如Cr 钢碳化物转变 异位析出：含强碳化物形成元素的钢，在回火过程中直接从过饱和α相中析出特殊碳化物，同时伴随着渗碳体的溶解，如V，Nb，Ti。（Ｗ和Mo既有原味析出又有异位析出） 网状碳化物：热加工的钢材冷却后，沿奥氏体晶界析出的过剩碳化物（过共析钢）或铁素 体（亚共析钢）形成的网状碳化物。 水韧处理：高锰钢铸态组织中沿晶界析出的网状碳化物显著降低钢的强度、韧性和抗磨性。将高锰钢加热到单相奥氏体温度范围，使碳化物完全溶入奥氏体，然后在水中快冷，使碳化 物来不及析出，从而获得获得单相奥氏体组织。（水韧后不再回火） 超高强度钢：用回火M或下B作为其使用组织，经过热处理后抗拉强度大于1400 MPa （或屈服强度大于1250MPa）的中碳钢，均可称为超高强度钢。 晶间腐蚀：沿金属晶界进行的腐蚀（已发生晶间腐蚀的金属在外形上无任何变化，但实际 金属已丧失强度） n/8规律：随着Cr含量的提高，钢的的电极电呈跳跃式增高。即当Cr的含量达到1/8，2/8，3/8，……原子比时，Fe的电极电位就跳跃式显著提高，腐蚀也跳跃式显著下降。这个定律 叫做n/8规律。 黄铜： Cu与Zn组成的铜合金 青铜： Cu与Zn、Ni以外的其它元素组成的铜合金 白铜： Cu与Ni组成的铜合金 灰口铸铁：灰口铸铁中碳全部或大部分以片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色。（片状石墨 对基体产生割裂作用，并在尖端造成应力集中，故灰口铸铁力学性能较差） 可锻铸铁：可锻铸铁中的碳全部以或大部分以图案絮状的石墨形式存在，它是由一定成分的 白口铸铁经长时间高温石墨化退火而形成的。又称韧性铸铁。 蠕墨铸铁：蠕墨铸铁中的碳大部分以蠕虫状石墨形式存在。（高耐热性） 麻口铸铁：：麻口铸铁中的碳一部分以渗碳体形式存在，另一部分以石墨形式存在，端口呈 黑白相间。（无实用价值）。 基体钢：指其成分含有高速钢淬火组织中除过剩余碳化物以外的基体化学成分的钢种。（高 强度高硬度，韧性和疲劳强度优于高速钢，可做冷热变形模具刚，也可作超高强度钢） 双相钢：是指显微组织主要是由铁素体和５％－２０％体积分数的马氏体所组成的低合金高 强度结构钢，即在软相铁素体基体上分布着一定量的硬质相马氏体。 黑色组织：高速钢在实际铸锭凝固时，冷速＞平均冷速。合金元素来不及扩散，在结晶和固 态相变过程中转变不能完全进行，共析转变形成δ共析体为两相组织，易被腐蚀，在金相组 织上呈黑色，而称作黑色组织。 低（中高）合金钢：合金元素总量小于５％的合金钢叫低合金钢。合金含量在５％－１０％
颜色不同的是课件和课后题都有的题目，水平有限，大家参考哦3-1在结构钢的部颁标准中，每个钢号的力学性能都注明热处理状态和试样直径或钢材厚度，为什么？有什么意义？（这个实在不会也查不到，大家集思广益吧！！！） 3-2为什么说淬透性是评定钢结构性能的重要指标？ 结构钢一般要经过淬火后才能使用。淬透性好坏直接影响淬火后产品质量3-3调质钢中常用哪些合金元素？这些合金元素各起什么作用？ Mn：↑↑淬透性，但↑过热倾向，↑回脆倾向； Cr：↑↑淬透性，↑回稳性，但↑回脆倾向； Ni:↑基体韧度， Ni-Cr复合↑↑淬透性，↑回脆； Mo：↑淬透性,↑回稳性，细晶,↓↓回脆倾向； V：有效细晶，(↑淬透性) ，↓↓过热敏感性。 3-4机械制造结构钢和工程结构钢对使用性能和工艺性能上的要求有什么不同？ 工程结构钢：1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；2、良好的焊接性和成型工艺性；3、良好的耐腐蚀性；4、低的成本 机械制造结构钢：1具有良好的力学性能不同零件，对钢强、塑、韧、疲劳、耐磨性等有不同要求2具有良好冷热加工工艺性如锻造、冲压、热处理、车、铣、刨、磨等 3-5低碳马氏体钢在力学性能和工艺性上有哪些优点？在应用上应注意些什么问题？ 力学性能：抗拉强度σb ，1150~1500MPa ；屈服强度σs , 950~1250 MPa
ψ≥40% ；伸长率δ，≥10% ；冲击韧度A K≥6J 。这些性能指标和中碳合金调质钢性能相当，常规的力学性能甚至优于调质钢。 工艺性能：锻造温度淬火加自回火 局限性：工作温度<200℃;强化后难以进行冷加工\焊接等工序; 只能用于中小件;淬火时变形大,要求严格的零件慎用. 3-6某工厂原来使用45MnNiV生产直径为8mm高强度调质钢筋，要求Rm>1450Mpa,ReL>1200Mpa,A>0.6%,热处理工艺是（920±20）℃油淬，（470±10）℃回火。因该钢缺货，库存有25MnSi钢。请考虑是否可以代用。热处理工艺如何调整？ 能代替，900℃油淬或水淬，200℃回火 3-7试述弹簧的服役条件和对弹簧钢的主要性能要求。为什么低合金弹簧钢中碳含量一般在0.5%~0.75%（质量分数）之间？ 服役条件：储能减振、一般在动负荷下工作即在冲击、振动和长期均匀的周期改变应力下工作、也会在动静载荷作用下服役； 性能要求：高的弹性极限及弹性减退抗力好，较高的屈服比；高的疲劳强度、足够的塑性和韧度；工艺性能要求有足够的淬透性；在某些环境下，还要求弹簧具有导电、无磁、耐高温和耐蚀等性能，良好的表面质量和冶金质量 总的来说是为了保证弹簧不但具有高的弹性极限﹑高的屈服极限和疲劳极限（弹簧钢含碳量要比调质钢高），还要有一定的塑性和韧性（含碳量太高必然影响塑性和韧性了）。 3-8弹簧为什么要求较高的冶金质量和表面质量？弹簧的强度极限高是否也