四、钛合金的合金化原理
1．钛合金的合金化特点
钛合金的性能由Ti 同合金元素间的物理化学反应特点来决定，即由形成的固溶体和化合物的特性以及对α?β转变的影响等来决定。而这些影响又与合金元素的原子尺寸、电化学性质（在周期表中的相对位置）、晶格类型和电子浓度等有关。但作为Ti 合金与其它有色金属如Al、Cu、Ni 等比较，还有其独有的特点，如：
（1）利用Ti 的α?β转变，通过合金化和热处理可以随意得到α、α + β和β相组织；（2）Ti 是过渡族元素，有未填满的d 电子层，能同原子直径差位于±20％以内的置换式元素形成高浓度的固溶体；（3）Ti 及其合金在远远低于熔点的温度中能同O、N、H、C 等间隙式杂质发生反应，使性能发生强烈的改变；（4）Ti 同其它元素能形成金属键、共价键和离子键固溶体和化合物。
Ti 合金合金化的主要目的是利用合金元素对α或β相的稳定作用，来控制α和β相的组成和性能。各种合金元素的稳定作用又与元素的电子浓度（价电子数与原子的比值）有密切关系，一般来说，电子浓度小于4 的元素能稳定α相，电子浓度大于4的元素能稳定β相，电子浓度等于4 的元素，既能稳定α相，也能稳定β相。
工业用Ti 合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu 和Si等，按其对转变温度的影响和在α或β相中的固溶度可以分为三大类。能提高相变点，在α相中大量溶解和扩大α相区的元素叫α稳定元素；能降低相变温度，在β相中大量溶解和扩大β相区的元素叫β稳定元素；对转变温度影响小，在α和β相中均能大量溶解或完全互溶的元素叫中性元素。按合金元素与Ti 的反应特点或二元状态图的类型，可以分成四大类（图1-44）：
（1）α稳定型状态图（图1-44(a)）
Al、Ga、Sn 和间
隙式元素C、N、O 等与
Ti 形成这种状态图。
这些元素分别属于Ⅲ
B~ⅥB 族，外层电子
（S、P）数＜4，如Al 为
3S2P1，故为α稳定元
素；Sn 的外层电子为
5S2P2=4，对相变温度
影响小，故又属于中性
元素。
（2）β全溶固溶体型状态图（图1-44(b)）
ⅤB 族的V、Nb、Ta 和ⅥB 族的Mo，晶格与β -Ti 相同，外层电子数（各为d3s2和d4s2）＞4，是β稳定元素，能降低相变温度，缩小α相区，扩大β相区。这种元素含量愈多，钛合金的β相愈多，也愈稳定。当含量达某一临界值时，快冷可以使β相全部保留到室温，变成全β型合金。这一浓度叫“临界浓度”，它的高、低反映元素对β相的稳定能力。临界浓度愈小，稳定β相的能力愈大。前述四种元素中，Mo（11.0%）的稳定能力比V（19.3%）、Nb（26.8％）、Ta（50.0％）都大。
（3）β共析型状态图（图1-44(c)）
形成这种状态图的元素是Fe、Mn、Co、Ni、Cr、Cu、Si、H 等，在α和β相中都能溶解，但在β相中的溶解度比α大，并能降低相变温度，形成共析反应，稳定β相的能力比上述β同晶型元素还大。其中Fe 的临界浓度最小（5.2~5.7%），稳定能力最大，其它元素按Mn（5.7％）、Co（6.0％）、Ni（7.0~7.6%）、Cr（9.0％）的顺序依次降低。
这类元素的d 层电子数＞5，有从Ti 原子取得电子形成d10 稳定壳层的倾向。合金元素d 层电子数愈多，这种倾向愈大，愈容易形成化合物和同α相组成共析型状态图。根据β相共析转变的快慢或难易，这类元素还可分成活性的和非活性的共析型β稳定元素两种。Cu、Si、H 等非过渡族元素是活性β稳定元素，共析分解速度快，在一般冷却条件下，在室温得不到β相，但能赋予合金时效硬化能力。与此相反，Fe、Mn、Cr 等过渡族元素是非活性元素，共析转变速度极慢，在通常的冷却条件下，β相来不及分解，在室温只能得到与图1-44(b)相同的α +β组织。
（4）α- β全溶固溶体型状态图（图1-44(d)）
与Ti 同族（ⅣB）的Zr 和Hf 不仅外层电子结构完全相同（d2s2），而且有同素异晶转变，α和β相的晶格也完全相同，故与Ti 能形成完全互溶的α和β固溶体，和Sn 一样，同属中性元素。Zr 能强化α相，在工业合金中已得到广泛的应用，但Hf 的密度高（13.28×103kg/m3），而且稀少，还未得到实际应用。
综上所述，Ti 的合金化就是以合金元素的上述作用规律为指导原则，根据实际需要，合理地控制元素的种类和加入量，以得到预期的组织、性能和工艺特性。
2．钛合金的固态相变
纯Ti 的β→α转变，是体心立方晶格向密排六方晶格的转变，完全符合Burgers的取向关系：(110)β//(0001)α，[111]β//[1120 ]α；惯习面是(331)
β，或(8811)α、(8912)α。但Ti 合金因合金系、浓度和热处理条件不同，还会出现一系列复杂的相变过程。这些相变可归纳为两大类，即淬火相变：
β→α′，α′′，ωq ,βr
和回火相变:
(α′,α′′，βr) →β+ωa+α→β+α
（1）马氏体转变
β稳定型Ti 合金自β相区淬火，会发生无扩散的马氏体转变，生成过饱和α′固溶体。如果合金的浓度高，马氏体转变点Ms 降低到室温以下，β相将被冻结到室温。这种β相称“残留β相”或“过冷β相”，用β r 表示。值得说明的是，当合金的β相稳定元素含量少，转变阻力小，β相可由体心立方晶格直接转变为密排六方晶格，这种马氏体称“六方马氏体”，用“α′”表示。如果β稳定元素含量高，转变阻力大，不能直接转变成六方晶格，只能转变为斜方晶格，这种马氏体称“斜方马氏体”，用α′′表示（图1-45）。
六方马氏体有两种惯习面。以{334}β面为惯习面的马氏体（浓度低，Ms 高），称{334}型六方马氏体，取向关系为(0001)α′//{110}β，（1120）α′//
〈111〉β；以{334}β面为惯习面的马氏体称{334}型六方马氏体（浓度高，Ms 点低），取向关系仍为(0001 ) α′//{110}β，〈1120〉α′//〈111〉Β。斜
方马氏体的惯习面为{133}β，取向关系为(001 )α′//{110}β，〈110〉α′′//〈111〉β。
Ti 合金的马氏体转变如图1-45
所示，与β相的浓度和转变温度有密闭
关系。由图可知，马氏体转变温度Ms 是
随合金元素含量的增加而降低，当合金
浓度增加到临界浓度ck，Ms点即降低到
室温，β相即不再发生马氏体转变。同
样，成分已定的合金，随着淬火温度的
降低，β相的浓度将沿β(β +α )转变
曲线升高（浓度沿曲线向右方移动，图
7-3），当淬火温度降低到一定温度，β
相的浓度升高到ck时，淬火到室温β相
也不发生马氏体转变，这一温度称“临
界淬火温度”，可用tc表示。ck 和tc在
讨论Ti 合金的热处理和组织变化时，是
非常重要的两个参数。
马氏体的形态与合金的浓度和Ms 高低有关。六方马氏体有两种形态，合金元素含量低（图1-45），马氏体转变温度Ms 高时，形成板条状马氏体。这种六方马氏体有大量的位错，但基本上没有孪晶，是单晶马氏体。反之，合金元素含量高，Ms 点降低，形成针状或锯齿形马氏体。这种六方马氏体有高的位错密度和
层错，还有大量的{1011}c′孪晶，是孪晶马氏体。斜方马氏体α′′，由于合
金元素含量更高，Ms 点更低，马氏体针更细，可以看到更密集的孪晶。
但应指出，Ti 合金的马氏体是置换型过饱和固溶体，与钢的间隙式马氏体不同，强度和硬度只比α相略高些，强化作用不明显。当出现斜方马氏体时，强度和硬度特别是屈服强度反而略有降低。Ti 合金的浓度超过临界浓度ck（图
1-45），但又不太多时，淬火后会形成亚稳定的过冷βr 相。这种不稳定的βr 相，在应力（或应变）作用下能转变为马氏体。这种马氏体称“应力感生马氏体”，屈服强度很低，但有高的应变硬化率和塑性，有利于均匀拉伸成型操作。
（2）ω相的形成
β稳定型Ti合金的成分位于临界浓度ck 附近时，如Blackburn说明图所示（图1-45），淬火时除了形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq 表示。ωq是六方晶格，a=0.4607nm，c=0.2821nm，c/a=0.613，与β相共生，并有共格关系。β→ωq 是无扩散转变，无论如何快冷也不能被阻止，与β相的取向关系：
[0001]β//[111]ω，(1120)ω// (110)β。
ω相的形状与合金元素的原子半径有关，原子半径与Ti 相差较小的合金，ω相是椭圆形，半径相差较大时是立方体形。
β相的浓度远远超过临界浓度（ck）的合金（图7-3），淬火时不出现ω相，但在200~500℃回火，βr可以转变为ω相。这种ω相称回火ω相或时效ω相，用ωa表示。ωa相的形接是无扩散过程，但长大要靠原子扩散，是β→α转变的过渡相。由500℃以下回火形成的a ω相，是由于不稳定的过冷βr相在回火过程中发生了溶质原子偏聚，形成溶质原子富集区和贫化区，当贫化区的浓度接近ck 时即转变为ωa。ω相硬而且脆（HB=500,δ=0），虽能显著提高强度、硬度和弹性模量，但塑性急剧降低。当ω相的体积分数Fv＞80％，合金即完全失去了塑性；如果Fv 控制在50%左右，合金会有较好的强度和塑性的配合。
ω相是Ti 合金的有害组织，在淬火和回火时都要避开它的形成区间，但加Al 能抑制ω相的形成。大多数工业用Ti 合金都含有Al，故回火ωa相一般很少出现或体积分数Fv 很小。
（3）亚稳定相的分解
钛合金淬火形成的α′、α′、ω和βr相都是不稳定的，回火时即发生分解。各种相的分解过程很复杂，但分解的最终产物都是平衡的α+β相。如果合金是β共析型的，分解的最终产物将是α+TixMy 化合物。但应说明，这种共析分解在一定条件下可以得到弥散的α+β相，有弥散硬化作用，是Ti 合金时效硬化的主要原因。各种亚稳定相的分解过程如下。
①过冷rβ相分解βr 相有两种分解方式：
βr →α+βx →α+βe βr →ωa + βx →ωa +α+βx →α+βe 式中的ωa是回火ω相；βx 是浓度比βr高的β相,βe浓度的β相。高温回火，可以越过形成ωa的过渡阶段，直接按第一种反应式进行；如果回火温度低，
则按第二种反应式发生分解：βr先析出ω
a ,使βr相的浓度升高到β
x
，随后ω
a
再分解出α，使βx的浓度升高到βe，最后变成α+βe。
②马氏体的分解马氏体在300~400℃即能发生快速分解，但在400~500℃回火可获得弥散度高的α+β相混合物，使合金弥散强化。实验研究表明，马氏体要经过许多中间阶段才能分解为平衡的α+β或α+ TixMy 。X射线结构分析发现，各种Ti 合金的马氏体（α′，α′′）有三四种过渡分解阶段。现举两种典型分解过程如下，第一种：α′′→βs +αd′′→βs +α′→α+β分解过程是先从α′′中析出β s（非平衡成分），使α′′中的β稳定元素贫化变成αd′′，然后转变为α′，再转变为α。另一种典型分解过程为：α′′→α+αc′′→α+ βs →α+β这个分解过程是无从α′′中析出α，使α′′所含β稳定元素富化成αc′′，然后再转变为βs和β相。
六方马氏体（α′）的分解过程与α′′基本相同。
③ω相的分解ω相实际上是β稳定元素在α相中的过饱和固溶体，回火分解过程也很复杂，与α′′的分解过程基本一样，但分解过程随ω相本身的成分、合金元素的性质和热处理条件等而不同。
材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理
摘要 综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。 关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变
Abstract In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc. Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition
铝合金熔炼工艺1、性能特征目前压铸件数量最多的就是铝合金，它具有重量轻、比强度高，有较高的力学性能和耐腐蚀性能等。但与锌合金相比，它的铸造性能相对要差，有粘模倾向，在熔炼中更易产生氧化、吸气、偏析、夹渣、结晶粒大等缺陷，铁是铝合金中的有害元素，但铝合金中的含铁量低于0.6%时，在生产过程中容易产生粘模，高于1%时，会使合金中力学性能降低。铝合金"增铁"的原因主要来自三个方面：1）熔炼过程中，铁和合金接触机会较多，如坩埚、铁勺、浇包、熔炼工具等，它们的表面均应涂上涂料。 2）铁在铝合金熔液中溶解速度随温度升高而增大，铝合金熔炼温度高于750℃时，即称为"铝合金过烧"，这时候铁的溶解速度增大很快。3）铝合金中的增铁除了温度因素外，还与时间有关，即保温时间越长，增铁量越多，吸气量也增加，因此尽量减少保温时间对合金增铁， 吸气的减少都是有利的。2、铸铁坩埚及熔炼工具、涂料的使用方法铸铁坩埚及工具预热至120～200℃后，在其表面涂上或喷上涂料，可重复喷涂2～3次，以获得致密、均匀的涂层，随后徐徐加热到200～300℃，以烘干排除水分。3、熔炼坩埚铸铁坩埚也 用于铝合金的保温炉中，因铝合金的熔化温度高，易损坏坩埚，其损坏原因有以下因素：1）表面涂料喷涂不好，造成坩埚腐蚀严重。 2）在正常情况下，采用铸铁坩埚保温时，其溶液温度为620～680℃（按不同合金牌号的铸件的要求而异），如将铸铁坩埚作熔化兼保温时，则埚壁最高温度可达800℃以下；当合金过热时，埚壁温度可达850℃以上，如此温度下，铸铁的抗拉强度很低，稍受载荷或冲击，极可能出现裂纹。3）由于铝合金熔液对铁的侵蚀使铸铁埚壁的内部和外表同时受到侵蚀和烧损，就会加剧裂纹出现的可能。从安全和维护合金质量出发，在连续使用时，应经常清除残渣，涂上涂料，转换坩埚方向使用。使用期限：作保温用为150h左右；作熔化用为100h 左右。4）纯铝熔炼时，应用石墨坩埚。石墨坩埚易碎裂，并吸潮，搬运存放时必须轻挪轻放，避免撞击，应存放在防晒及干燥的场合，使用时应注意以下事项：①首次使用前，应置于熔炉侧缓缓烘干36h，温度不高于80～100℃。②坩埚入炉前，应先将炉壁加热至200～250℃，然后将预热的坩埚放入炉内的填砖上，点火徐徐加热20～30min；再开中火加热坩埚，直到坩埚底呈暗红色，再仔细观察检查坩埚确无伤裂，即可将合金放入进行熔化。③料锭加入坩埚切忌撞击埚壁埚底，如熔炼中发现铝料板结埚壁，切莫扳撬，防止损坏坩埚。④ 使用结束前，必须把坩埚内存余料全部舀出，热坩埚切忌受潮，应放置在干燥的火砖上。4、熔炼方法对于大中型压铸厂家铝合金是采用中央熔炉熔炼后再分配到保温炉保温，而小 型的压铸厂家，通常每台压铸机配备一台以轻柴油为燃料的熔炉，也可采用电熔炉。中央熔炉的熔炼操作要求如下：1）锭料与回炉料应搭配使用，回炉料的比例不大于50%，回炉料是指浇口溢流槽、废铸件，不包括飞边和残屑。2）入炉的料锭和回炉料的表面应干净，干燥，先以小料（回炉料）填底，加入料锭，以防砸坏炉底。 3）炉料熔化开始即用覆盖剂撒在液面上，要覆盖全部金属液面，防止氧化和吸气。4）铝合金液的出水温度应为720～750℃，盛铝液的浇包应预热及涂上涂料。当铝液离浇包口端100mm处即停止放液,并以备好的干燥精炼剂用钟罩压入合金液底部，除气精炼后即运至保温炉保温。 5）从浇包中的铝液倒入保温炉坩埚时应稳妥，防止铝液飞溅伤人和卷入空气，当倒入的铝液至离埚口端50mm处止。6）表面氧化、污染和经油漆、电镀的浇口或铸件都不能直接加
所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在普通碳钢上形成的氧化铁继续进行氧化，使锈蚀不断扩大，最终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金属（例如，锌，镍和铬）进行电镀来保证碳钢表面，但是，正如人们所知道的那样，这种保护仅是一种薄膜。如果保护层被破坏，下面的钢便开始锈蚀。 不锈钢的耐腐蚀性取决于铬，但是因为铬是钢的组成部分之一，所以保护方法不尽相同。 在铬的添加量达到10．5％时，钢的耐大气腐蚀性能显著增加，但铬含量更高时，尽管仍可提高耐腐蚀性，但不明显。原因是用铬对钢进行合金化处理时，把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化物。这种紧密粘附的富铬氧化物保护表面，防止进一步地氧化。这种氧化层极薄，透过它可以看到钢表面的自然光泽，使不锈钢具有独特的表面。而且，如果损坏了表层，所暴露出的钢表面会和大气反应进行自我修理，重新形成这种氧化物"钝化膜"，继续起保护作用。 当锈蚀不深时，当然可以很容易擦去。 因此，所有的不锈钢元素都具有一种共同的特性，即铬含量均在10．5％以上。 不锈钢为什么也生锈？当不锈钢管表面出现褐色锈斑（点）的时候，人们大感惊奇：认为"不锈钢是不生锈的，生锈就不是不锈钢了，可能是钢质出现了问题"。其实，这是对不锈钢缺乏了解的一种片面的错误看法。不锈钢在一定的条件下也会生锈的。不锈钢具有抵抗大气氧化的能力---即不锈性，同时也具有在含酸、碱、盐的介质中耐腐蚀的能力---即耐蚀性。但其抗腐蚀能力的大小是随其钢质本身化学组成、加互状态、使用条件及环境介质类型而改变的。如304钢管，在干燥清洁的大气中，有绝对优良的抗锈蚀能力，但将它移到海滨地区，在含有大量盐份的海雾中，很快就会生锈了；而316钢管则表现良好。因此，不是任何一种不锈钢，在任何环境下都能耐腐蚀，不生锈的。 不锈钢是靠其表面形成的一层极薄而坚固细密的稳定的富铬氧化膜（防护膜），防止氧原子的继续渗入、继续氧化，而获得抗锈蚀的能力。一旦有某种原因，这种薄膜遭到了不断地破坏，空气或液体中氧原子就会不断渗入或金属中铁原子不断地析离出来，形成疏松的氧化铁，金属表面也就受到不断地锈蚀。 这种表面膜受到破坏的形式很多，日常生活中多见的有如下几种： 1、不锈钢表面存积着含有其他金属元素的粉尘或异类金属颗粒的附着物，在潮湿的空气中，附着物与不锈钢间的冷凝水，将二者连成一个微电池，引发了电化学反应，保护膜受到破坏，称之谓电化学腐蚀。 2、不锈钢表面粘附有机物汁液（如瓜菜、面汤、痰等），在有水氧情况下，构成有机酸，长时间则有机酸对金属表面的腐蚀。 3、不锈钢表面粘附含有酸、碱、盐类物质（如装修墙壁的碱水、石灰水喷溅），引起局部腐蚀。 4、在有污染的空气中（如含有大量硫化物、氧化碳、氧化氮的大气），遇冷凝水，形成硫酸、硝酸、醋酸液点，引起化学腐蚀。 以上情况均可造成不锈钢表面防护膜的破坏引发锈蚀。 所以，为确保金属表面永久光亮，不被锈蚀，我们建议： 1、必须经常对装饰不锈钢表面进行清洁擦洗，去除附着物，消除引发修饰的外界因素。 2、海滨地区要使用316材质不锈钢，316材质能抵抗海水腐蚀。 3、市场上有些不锈钢管化学成分不能符合相应国家标准，达不到304材质要求。因此也会引起生锈，这就需要用户认真选择有信誉厂家的产品。 201不锈钢是非食品级的不锈钢，他是二战时候为了缓解镍的压力而研发的节镍不锈钢产品，
第一章钢的合金化原理作业题参考答案要点 1、名词解释： 1）合金元素：特别添加到钢中用以改变钢的组织、提高钢的性能的化学元素。2）微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti和B等，当其含量只在0.2%左右甚至更低时（如B 0.002%）时，也会显著地影响钢的组织与 性能，将这种化学（合金）元素称为微合金元素。 3）原位析出：在淬火回火过程中，合金元素溶解于原渗碳体中，当其溶解度超过其最大溶解量后，合金渗碳体转变为特殊碳化物的析出方式。4）离位析出：在淬火回火过程中，直接从α相中析出特殊碳化物的析出方式。5）二次硬化：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，在500- 600℃范围内回火时，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的 HRC和强度提高的现象。 6）二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，残余奥氏体十分稳定，甚至加热到500-600℃回火时升温与保温时中仍不分解，而是在 冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度和强度提高的现象。 2、说明钢中常用合金元素（V，Mo，Cr，Ni，Mn，Si，Al, B）对珠光体（贝 氏体）转变影响的作用机制。 答：（1）对珠光体转变影响的作用机制：P20 （2）对贝氏体转变影响的作用机制：P20 3、以低碳回火马氏体钢20SiMn2MoVB 为例，说明其合金化及热处理（淬火 加低温回火）中存在哪些强化与韧化途径？
答：低碳回火马氏体钢通过合金化与热处理工艺相结合，在实现强化的同时，保证有较好的韧性。主要体现在以下方面： （1）强化： ①C及合金元素的固溶强化； ②加入Si, Mn等合金元素能提高奥氏体的过冷能力，从而细化晶粒； ③加入V、Ti后的弥散强化; ④加入V、Ti后的细化晶粒作用； ⑤马氏体中大量位错的位错强化。 （2）韧化： ①低碳马氏体为位错型马氏体，韧性较好； ②Ni,Mn韧性元素的加入有利于提高韧性； ③工艺中的快冷、加入的合金元素对奥氏体过冷能力的提高、第二相粒子对晶粒长大的抑制作用，均能使马氏体晶粒细化，从而提高韧性； ④通过加入Si对低温回火脆性温度的延迟作用以及钢的回火稳定性的增加，可以适当提高回火温度，从而提高韧性水平。 4、为何Si-Mn-Mo-V复合添加可以大大提高钢的淬透性？ 答：Si、Mn、Mo、V这四种合金元素提高过冷奥氏体稳定性的机制不同。 （1）Si在钢中不形成碳化物，也不溶于体，因此碳化物晶核形成必须等待硅的扩散（推迟P转变）。另外，Si能提高铁原子间作用力，提高铁的自扩散激活能，推迟P和B转变； （2）Mn是扩大γ相区元素，大大增加了α形核功；且锰也是碳化物形成元素，推迟合金渗碳体的形核与长大，因此锰不仅使C曲线向右移，且使之向下移； （3）Mo是中强碳化物形成元素，除了推迟珠光体转变时碳化物的形核与长
摘要：本文论述了腐蚀的产生机理，从而探讨了防腐蚀的办法。文章介绍了金属腐蚀与腐蚀机理,详细综述了形成保护层、电化学保护法、缓蚀剂法等几种常见腐蚀防护方法的原理以及在金属腐蚀与防腐中的应用和研究进展。 关键词：金属腐蚀防护 金属腐蚀的分类：根据金属腐蚀的反应机理，腐蚀可以分为电化学腐蚀和化学腐蚀。电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生的破坏；化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。电化学腐蚀是最常见、最普遍的腐蚀,因为只要环境的介质中有水存在,金属的腐蚀就会以电化学腐蚀的形式进行。金属在各种电解质溶液,比如大气、海水和土壤等介质中所发生的腐蚀都属于电化学腐蚀.。环境中引起金属腐蚀的物质主要是氧分子和氢离子,它们分别导致金属的吸氧腐蚀和析氢腐蚀,其中又以吸氧腐蚀最为普遍。 腐蚀给人类社会带来的直接损失是巨大的。20世纪70年代前后，许多工业发达国家相继进行了比较系统的腐蚀调查工作，并发表了调查报告。结果显示，腐蚀的损蚀占全国GNP的1%到5%。这次调查是各国政府关注腐蚀的危害，也对腐蚀科学的发展起到了重要的推动作用。在此后的30年间，人们在不同程度上进行了金属的保护工作。在以后的不同时间各国又进行了不同程度的调查工作，不同时期的损失情况也是不同的。有资料记载，美国1975年的腐蚀损失为820亿美元，占国民经济总产值的4.9%；1995年为3000亿美元，占国民经济总产值的4.21%。这些数据只是与腐蚀有关的直接损失数据，间接损失数据有时是难以统计的，甚至是一个惊人的数字。我国的金属腐蚀情况也是很严重的，特别是我国对金属腐蚀的保护工作与发达的工业国家相比还有一段距离。据2003年出版的《中国腐蚀调查报告》中分析，中国石油工业的金属腐蚀损失每年约100亿人民币，汽车工业的金属腐蚀损失约为300亿人民币，化学工业的金属腐蚀损失也约为300亿人民币，这些数字都属于直接损失。如该报告中调查某火电厂锅炉酸腐蚀脆爆的实例，累计损失约15亿千瓦·时的电量，折合人民币3亿元，而由于缺少供电量所带来的间接损失还没有计算在内。所以说，金属腐蚀的损失是很严重的，必须予以高度的重视。金属腐蚀在造成经济损失的同时，也造成了资源和能源的浪费，由于所报废的设备或构件有少部分是不能再生的，可以重新也冶炼再生的部分在冶炼过程中也会耗费大量的能源。目前世界上的资源和能源日益紧张，因此由腐蚀所带来的问题不仅仅只是一个经济损失的问题了。腐蚀对金属的破坏，有时也会引发灾难性的后果，此方面的例子太多了，所以对金属腐蚀的研究是利国利民的选择。由于世界各国对于腐蚀的危害有了深刻的认识，因此利用各种技术开展了金属腐蚀学的研究，经过几十年代努力已经取得了显著的成绩。 金属防护的方法： 改善金属的本质根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐腐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。 在金属表面形成保护层在金属表面覆盖各种保护，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法[3]。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法、物理方法和电化学方法实现的。该法就是使金属表面形成转化层和加上一层坚固的保护层，达到隔离大气保护金属的目的.如对金属表面实施电镀、化学镀以及氧化、磷化处理等，可使金属表面覆盖一层耐腐蚀的保护层;也可以对金属表面氮化。
金属材料学 (Science of Metal Materials) 课程编号：07171390 学分：3 学时： 48 （其中：讲课学时：38 课堂讨论学时：10 ） 先修课程：金属学、热处理原理、热处理工艺、工程材料力学性能 适用专业：金属材料工程、材料成型加工、冶金专业。 教材：戴起勋主编.金属材料学.北京：化学工业出版社，2005.9 开课学院：材料科学与工程学院 一、课程的性质与任务： 《金属材料学》是一门综合性应用性较强的专业必修课。在金属学、金属组织控制原理及工艺和力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。 二、课程的基本内容及要求 绪论（金属材料的过去、现在和将来）： 1．教学内容 （1）金属材料发展简史 （2）现代金属材料 （3）金属材料的可持续发展与趋势 2．基本要求 了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。 第一章钢的合金化概论 1．教学内容 （1）钢中的合金元素：合金元素和铁基二元相图；合金元素对Fe-C相图的影响；合金钢中的相组成；合金元素在钢中的分布； （2）合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；合金钢回火转变； （3）金元素对强度、韧度的影响及其强韧化； （4）合金元素对钢工艺性能的影响； （5）微量元素在钢中的作用 （6）金属材料的环境协调性设计基本概念； （7）钢的分类、编号方法。 2．基本要求 （1）掌握钢中合金元素与铁和碳的作用；铁基固溶体、碳（氮）化合物的形成规律；合金元素在钢中的分布；合金元素对铁-碳状态图的影响（2）了解钢的分类、编号方法 （3）掌握合金元素对合金钢工艺过程的影响 （4）掌握合金元素对合金钢力学性能的影响规律 （5）理解微量元素在钢中的作用 （6）了解材料的环境协调性设计基本概念
有色金属行业特有职业（工种）技能考评 2013年云南冶金集团股份有限公司 铝及铝合金熔铸工理论试题(初级工) 注意事项 1、考试时间：150 分钟。 2、请首先按要求在试卷的标封处填写您的姓名、单位和申报工种名称。 3、请仔细阅读各种题目的回答要求，在规定的位置填写您的答案。 4、不要在试卷上乱写乱画，不要在标封区填写无关的内容。 一、填空题：(将正确答案填写在横线上。每空1.5分，共20空，合计30分。) 1、铸造铝合金的强化原理分为：固溶强化、时效强化、过剩相强化组织细化。 2、铸造按其作用原理，可分为普通模铸造、隔热模铸造和热顶铸造。 3、连续及半连续铸造按铸锭拉出的方向不同，可分为立式铸造和卧式铸造。 4、铝及铝合金在铸造过程中所使用的熔剂主要有三大类：精炼剂、覆盖剂、打渣剂。 4、铸造速度的快慢直接影响铸锭的结晶速度、液穴深度及过度带宽窄，是决定铸锭质量重要参 数。 5、偏析主要有晶内偏析和逆偏析。 6、显微组织中同一个晶粒内化学成分不均匀的现象叫晶内偏析。 7、铸锭边部的溶质浓度高于铸锭中心溶质浓度的现象叫逆偏析。 8、使用中间合金是合金生产中添加高熔点和难熔金属的有效方法。 9、硅（Si）：晶体硅为钢灰色，无定形硅为黑色，密度2.4g/cm3，熔点1420℃，沸点2355℃。 电解铝中含量为0.01~0.15%，仅低于铁，含Si3%以上的的高纯铝硅合金具有热脆性，硅在合金中可改善流动性和铸造性能。 10、钠(Na)：金属钠是银白色固体,质软,热和电的良导体。密度0.97克/cm3,熔点97.81℃,沸点 882.9℃。对铝合金铸件而言钠具有钠脆性（热裂敏感性），常影响熔体的流动性和铸造性能。 11、合金元素钛，其元素符号为Ti，密度4.5g/cm3,熔点1668℃。钛的主要作用是用作铝合金铸 件的晶粒细化剂，只用钛的细化效果随熔融状态静置时间的增加和反复重熔而减弱。 12、铝及铝合金在铸造过程中所使用的熔剂主要有三大类：精炼剂、覆盖剂、打渣剂。 13、炉外熔体的连续处理也叫在线式处理或联机处理。二、单项选择题：（每题2分，共15题，共计30分，将正确答案的符号填写在横线上。） 1、各车间运行的操作规程属于。 B A、外来文件 B、作业指导书 C、质量手册 D、程序文件 2.晶核形核率和晶粒长大速度与（C）有关 A.浇铸温度 B.浇铸速度 C.过冷度 D.冷却水压 3、铸造方式按时间区分主要分为（ A ） A.半连续和连续 B.水冷模 C.铸锭模 D.倾斜模 4.铸锭中存在的主要由氧化铝形成的非金属夹杂称为（B ） A.金属夹杂 B.氧化物夹杂 C.非金属夹杂 D.化合物 5.在断口上存在的反光能力很强的白点称（B ） A.白点 B.白亮点 C.白斑 D.氧化膜 6.在铸锭宏观组织中存在的类似羽毛状的金属组织称为（C ） A.枝晶 B.等轴晶 C.羽毛状晶 D.粗晶 7.铸锭纵向轴线不成一条直线的现象（A ） A.弯曲 B.拉裂 C.拉痕 D. 偏心 8.向铝及铝合金熔体中通入纯净的惰性气体对熔体净化脱气处理，它的脱气原理是（A. ）。 A.分压差脱气原理 B.预凝固脱气原理 C.振动脱气原理 9.使用静置炉对炉内铝合金熔体进行净化，并进行保温和控制浇铸温度，采用的净化原理是 （ C. ）。 A. 吸附除渣原理 B. 过滤除渣原理 C. 澄清除渣原理 D.前面三种 10、公司的能源方针是: C A、持续创新治尘害、严字当头防事故、遵章守法保安康、科学管理创一流 B、依靠科技进步、推动管理创新、争创一流产品、实现顾客满意 C、科学用能、节能降耗、低碳发展、行业标杆 D、树环保典范、建花园工厂、作文明员工、创一流企业 11、《中华人民共和国安全生产法》规定，生产经营单位的。 B 对本单位的安全生产工作全面负责。 A、安全生产分管负责人 B、生产经营单位主要负责人
练习题 一、选择题 1、为了提高合金的耐蚀性，向材料中加入强的阴极性元素金属，属于以下哪种 方法A。 A）降低阳极相活性B）降低阴极相活性C）增加系统阻力 2、同样加入强阴极性元素，有的合金耐腐蚀，有的却不耐蚀。其原因是A。 A）前者处于可钝化的，后者不是B）前者腐蚀体系处于常温，后者不是 C）前者腐蚀体系存有活化离子（如Cl－），后者不是D）以上都不是 3、为提高铁金属材料耐蚀性，铬是一种常添加的元素，主要起以下作用B。 A）使腐蚀电位正移，增加材料的热力学稳定性B）合金易进入钝态区 C）致钝电位向正向移动D）以上都对 4、加入Cu、P、Cr元素的耐候钢具有较好的耐大气腐蚀性，机理是D。 A）有序固溶理论B）电子机构理论 C）表面富集理论D）形成致密腐蚀产物膜理论 5、金属产生晶间腐蚀应满足的条件是C A）在高压的环境中，只要其电极电位低且强度不够； B）在高温的环境中，只要其产生的氧化膜不够致密； C）在腐蚀的环境中，只要其晶粒与晶界物－化状态和电化学性能不同； D）在高压、高温、腐蚀的环境中,只要其晶粒与晶界成分不符合塔曼定律； 6、奥氏体不锈钢中添加Nb元素的主要作用是C A）增加膜的致密性B）提高材料的抗点蚀能力 C）作为稳定化元素抑制碳化铬的生成D）增加热力学稳定性 7、黄铜脱锌属于以下哪种腐蚀类型E。 A）点蚀B）缝隙腐蚀C）晶间腐蚀D）电偶腐蚀E）选择性腐蚀 8、下列哪种热处理工艺对1Cr18Ni9Ti的抗晶间腐蚀是必须的B A）固溶处理B)稳定化处理 C）去应力退火处理D）敏化处理 9、加入了稳定化元素Ti、Nb的奥氏体不锈钢，却没有达到耐腐蚀的目的。这可能是该钢种在使用前没能进行过D处理。 A）固溶处理B）敏化处理C）退火处理D）稳定化处理 10、海水腐蚀环境中，以下哪个区域腐蚀最严重A。 A）飞溅带B）潮差带C）全浸带D）海泥带 11．以下关于可逆氢脆说法错误的是C A）氢脆在室温附近最敏感；B）材料强度越高，氢脆越敏感；
第三章钛合金及合金化原理 3.1钛合金相图类型及合金元素分类 1.钛合金的二元相图 （1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。 （2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。 V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。Ti-V系中无共析反应和金属化合物。 Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。 Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。 （3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。只要铝当量低于8%～9%，就不会出现α2相。Sn是相当弱的强化剂，但能显著提高热强性，以锡合金化时，其室温塑性不降低而热强性增加。微量的B可细化钛及其合金的大晶粒，Ga可以与钛良好溶合，并显著提高钛合金的热强性。氧是较“软”的强化剂，在含量允许的范围内时，不仅可保证所需的强度水平，而且可以保证足够高的塑性。 （4）第四种类型与α、β均有限溶解，并且有共析分解的相图，有Ti-Cr、Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co、Ti-Ni、Ti-Cu、Ti-Si、Ti-Bi、Ti-W、Ti-H。 Ti-Cr系中，形成的Ti2Cr化合物有两种同素异晶形式，其固溶体以δ和γ表示。Cr属于β稳定元素，在α钛中的溶解度不超过0.5%。Cr含量大于9%时，通过淬火可将β相固定到室温。Cr可以使钛合金有好的室温塑性并有高的强度，同时可保证有高的热处理强化效应。 Ti-W系中,会产生偏析转变：β′?α + β′′。偏析反应温度较高，Ti-W系的热稳定性比Ti-Cr合金高的多。W在α钛中的溶解度不高。W含量大于25%时，通过淬火可将β相固定到室温。 氢降低钛的同素异晶转变温度，形成共析反应，从而使β固溶体分解而形成α相和钛的氢化物，在共析温度下氢在α钛中的溶解度为0.18%。氢组成间隙型固溶体，属于有害杂质，会引起钛合金的氢脆。在非合金化钛和以α组织为基的单相钛合金中，氢脆的主要原因是脆性氢化物相的析出，急剧降低断裂强度。在两相合金中，不形成氢化物，但形成氢的过饱和固溶体区，在低速变形时引起脆性断裂。在β相含量小的合金中，这两种产生联合作用。纯钛和近α组织的钛合
转炉炼钢脱氧合金化的特点 贾卫国 （陕西略阳钢铁有限责任公司炼钢分厂） 摘要：论述了转炉炼钢脱氧、合金化的特点，并结合实际对脱氧剂使用、合金化工艺进行了探索。 关键词：硅钡钙硅钒氮 一、前言 略阳钢铁有限责任公司二炼钢自投产以来，通常采用硅钡钙、增碳剂、硅铁、锰硅铁、钒氮等作为脱氧、合金化材料。在冶炼HRB335钢时，合金易结块，造成[SI]、[Mn]成分波动大，冶炼HRB400钢时，钒氮合金回收率不稳定，易出现废品等问题，为此，对原有的脱氧、合金化特点进行了解，改进合金加入量，加入方法，有效解决上述问题。 二、各种合金特点 （一）硅钡钙 主要成份Ca30.16%，Ba10.69，Si20.38，采用硅钡钙脱氧，由于在炼钢温度下Ca的蒸汽压非常高，故反应激烈，加上有部分脱氧产物为气体CO，钢液搅动比较强，有利于合金的快速溶化和成分的均匀。 加入到钢中的硅钡钙是以氧化钙、硫化钙、铝酸钙的形式存在于钢中，由于钢中的AI2O3与钙钡的脱氧产物生成复合的钙酸盐夹杂，因此，钢中单纯的铝夹杂减少。 钡在炼钢温度范围内有效地降低钙的蒸气压，增加钙在钢液中的溶解度，同硅钙合金相比，用硅钡钙合金作为钙源加入钢液中，加入的钙量即
使是钙合金加入量的一半时，钢液中的钙含量却是硅钙合金的两倍左右，钙在钢液中也显著提高，充分显示钡在钢液中有效的保护了钙，降低了钙的氧化，从而达到对钢液钙处理的目的。 （二）锰的特点 锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低，氧含量很高时，可以显示出脱氧作用。 锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布以提高钢质。 锰对铁素体的固溶强化能力极强，可以提高钢的强度，钢含锰量高时，具有明显的回火脆性，锰对钢有使钢过热的倾向，为了克服这一倾向，可在钢中配加少量细化晶粒的元素钒等。钒产生极稳定的碳化物，可以强烈细化晶粒，所以钢中加钒对钢的性能特别有利。 （三）硅的特点 硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中硅在0.17—0.37%,1450℃钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于碳平衡的量，抑制凝固过程中CO气泡的产生。 硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度，硬度增加，塑性、韧性降低，硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。 硅能还原钒 ①2/5V2O5+Si=4/5V+SiO2 ②1/2 V2O4+Si=V+SiO2 ③2/3 V2O3+Si=4/3V+SiO2
1.钢中的杂质元素：O H S P 2.合金元素小于或等于5%为低合金钢，在5%-10%之间为中合金钢，大于10%为高合金 钢 3.奥氏体形成元素：Mn Ni Co（开启γ相区）C N Cu（扩展γ相区） 4.铁素体形成元素：Cr V Ti Mo W 5.间隙原子：C N B O H R溶质/R溶剂<0.59 6.碳化物类型：简单间隙碳化物MC M2C 复杂间隙碳化物M6C M23C M2C3 7.合金钢中常见的金属间化合物有σ相、AB2相和B2A相 8.二次硬化：淬火钢在回火时在一定温度下，由于特殊碳化物的析出的初期阶段，形成 [M-C]偏聚团，硬度不降低，反而升高的现象。 9.二次淬火：淬火钢在回火时，冷却过程残余奥氏体转变为马氏体的现象。 10.合金元素对铁碳相图的影响 1.改变奥氏体相区位置 2.改变共析转变温度 3.改变S和E等零界点的含碳量 11.合金元素对退火钢加热转变的影响 1.对奥氏体形成速度的影响中强碳化物形成元素与碳形成难溶于奥氏体的合金碳化 物，减慢奥氏体的形成速度 2.对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用，影响 程度不同。V Ti强碳化物和适量的AL强烈阻碍晶粒长大，他们的碳化物或氮化物熔点高，高温下稳定，不易聚集长大，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大。Wu Mo Cr中强碳化物也有阻碍作用，但是影响程度中等。Si Ni非碳化物形成元素影响不大。
Mn P等元素含量在一定限度下促进奥氏体晶粒长大 12.合金元素对淬火钢回火转变的影响 1.提高耐回火性合金元素在回火过程中推迟马氏体分解和残留奥氏体的转变；提高铁 素体在结晶温度，使碳化物难以聚集长大，从而提高钢的耐回火性。 2.淬火钢在回火时产生二次硬化和二次淬火，提高钢的性能。 3.对回火脆性的影响产生第一类回火脆性和第二类回火脆性，降低晶界强度，从而使 钢的脆性增加 13.钢的强化机制：固溶强化、细晶强化、形变强化和第二相强化 14.合金元素对钢在淬火回火状态下力学性能的影响 1.合金元素一般均能减缓钢的回火转变过程，特别是阻碍碳化物的聚集长大，相对的 提高钢中组成相的弥散度 2.合金元素溶解于铁素体，是铁素体强化，并提高了铁素体的再结晶温度。 3.强碳化物形成元素提高了钢的耐回火性，并产生沉淀强化的作用 4.钼、钨等有利于防止或消除第二类回火脆性 15.合金元素对钢高温力学性能的影响 1.可以净化晶界，使易熔杂质元素从晶界转移到晶界内，强化晶界 2.可以提高合金原子间的结合力，增大原子自扩散激活能 3.强碳化物形成元素的加入，可以对位错运动有阻碍作用，可提高合金的高温性能16.合金元素对钢热处理性能的影响 淬透性、淬硬性、变形开裂性、过热敏感性、氧化脱碳倾向和回火脆化倾向 17.合金元素对钢的焊接性能影响 1.钢的焊接性能主要由焊后开裂敏感性和焊接区的硬度来评价
1、影响加热速度的因素有哪些？为什么？ 答：（1）加热方法（加热介质）的不同。 由综合传热公式Q=а（T介-T工）得知，当加热介质与被加热工件表面温度差（T 介-T工）越小，单位表面积上在单位时间内传给工件表面的热量越小，因而加热速度越慢。 （2）工件在炉内排布方式的影响。 工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，例如辐射传递中的挡热现象及对流传热中影响气流运动情况等，从而影响加热速度。 （3）工件本身的影响。 工件本身的几何形状、工件表面积与其体积之比以及工件材料的物理性能（C、λ、γ等）直接影响工件内部的热量传递及温度，从而影响加热速度。同种材料制成的工件，当其特征尺寸s与形状系数k的乘积相等时，以同种方式加热时则加热速度相等 2、回火炉中装置风扇的目的是什么？气体渗碳炉中装置风扇的目的是什么？ 答：回火炉中装置风扇的目的是为了温度均匀，避免因为温度不均而造成材料回火后的硬度不均。气体渗碳炉中装置的风扇的目的是为了气氛的均匀，避免造成贫碳区从而影响组织性能。 3、今有T8钢工件在极强的氧化气氛中分别与950度和830度长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为什么？ 答：根据题意，由于气氛氧化性强，则炉火碳势低。在950℃长时间加热时，加热过程中工件表面发生氧化脱碳。工件最外层发生氧化反应，往里，由于950℃高于Fe-C状态图中的G点，所以无论气氛碳势如何低，脱碳过程中从表面至中心始终处于A状态，缓冷后，由表面至中心碳浓度由于脱碳和扩散作用，碳含量依次升高直至0.8%，所以组织依次为铁素体和珠光体逐渐过渡到珠光体，再至相当于碳含量为0.8%的钢的退火组织（P+C）。当工件在830℃加热时，温度低于G点，最外层依然会发生氧化反应。往里，工件将在该温度下发生脱碳。由于气氛氧化性极强，则碳势将位于铁素体和奥氏体的双相区，所以工件发生完全脱碳。由外及里的组织在缓冷后依次是铁素体，铁素体加珠光体，珠光体加渗碳体。 4、今有一批ZG45铸钢件，外形复杂，而机械性能要求高，铸后应采用何种热处理？为什么？ 答：实现应该采用均匀化退火，以消除铸件的偏析和应力（如果偏析不严重，也可以采用完全退火。就机械性能而言，45最好为调质，如果形状确实太复杂，淬火时容易变形、开裂、可用正火代替。 5、20GrMnTi钢拖拉机传动齿轮，锻后要进行车内孔，拉花键及滚齿等机械加工，然后进行渗碳淬火，回火。问锻后和机械加工前是否需要热处理？若需要，应进行何种热处理？主要工艺参数如何选择？ 答：锻后和机械加工前需要正火处理，这样可使同批毛坯具有相同的硬度（便于切削加工），可以细化精粒,均匀组织,为后续的渗碳与淬火提供良好的组织状态;二则应该是把硬度调整到利于切削加工的硬度 正火工艺：正火加热温度为Ac3以上120~150（即在960℃左右），其原则是在不引起晶粒粗话的前提下尽量采用高的加热温度，以加速合金碳化物的溶解和奥氏体的均匀化,然后风冷5分钟左右,接着在640℃等温适当时间后空冷，硬度在HB180左右，利于切削加工。 6、45钢普通车床传动齿轮，其工艺路线为锻造---热处理---机械加工----高频淬火—回火。试问锻后应进行何种热处理，为什么？ 答：常用淬火介质及冷却特性；进行正火处理，45钢市中碳钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。对45钢，虽然碳含量较高，硬度稍高，但由于正火生产率高，成本低，随意采用正火处理。
金属材料学复习思考题 （2016.05） 第一章钢的合金化原理 1-1名词解释 （1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性 1-2 合金元素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α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？ C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 1-3简述合金元素对Fe-Fe 3 1-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业） 1-5 能明显提高钢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？（作业） 1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。 1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业） 1-8 V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。 1-9合金元素对马氏体转变有何影响？ 1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？ 1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？ 1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业） 1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业） 1-14 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？（作业） 1-15 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。（作业） 1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）
一、工程结构钢的合金化原理 1、低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。 2、加入以锰为主的合金元素，起固溶强化作用，提高钢的强度和韧性。 3、加入铌、钛或钒等辅加元素，起弥散强化作用，提高钢的强度和韧性。 4、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。 二、调质钢合金化特点 1、中碳，碳质量分数一般在0.25％～0.50％之间，以0.4％居多。碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；碳量过高则韧性不够。 2、加入提高淬透性的元素，如Cr、Mn、Ni、Si、B等。 3、加入防止第二类回火脆性的元素，如Mo、W等。 三、轴承钢的合金化特点 1、高碳，为了保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，碳质量分数应较高，一般为0.95％～1.10％。 2、铬为基本合金元素，铬含量为0.40％～1.65％。铬能提高淬透性，并与基体金属形成合金渗碳体（Fe，Cr）3C，呈细密、均匀分布，从而提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。 3、加入硅、锰、钒等提高淬透性 四、渗碳钢的合金化特点 （1）碳质量分数一般在0.10％～0.25％之间，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。 （2）加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr、Ni、Mn等，以提高经热处理后心部的强度和韧性。Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性，Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。 （3）加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素，主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度，提高耐磨性。 五、氮化钢的合金化特点 1、低碳 2、铬、钼、锰可使钢获得足够的淬透性。 3、钼及钒能使钢在500~580℃之间长时间保温时保持强度。为了防止或减轻钢发生回火脆化，往往须要在氮化钢中加入0.2～0.5％钼。 六、弹簧钢的合金化特点 1、中、高碳。一般为0.50％～0.70％。碳质量分数过低，强度不足。碳质量分数过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。 2、加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素。 七、耐磨钢的合金化特点 1、高碳：保证钢的耐磨性和强度。其碳质量分数不超过1.4％。 2、高锰：提高钢的加工硬化率及良好的韧性。 3、一定量的硅：硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。 八、高速钢的合金化主要特点 1、工作温度可达500~600℃，有很高的热硬性（593℃HRC＞55）。 3、高碳（0.70~1.10％C），保证硬度和耐磨性。 4、加入较多的钨、钼、钒、铬等元素。钨、钼、可产生“二次硬化”以保证热硬性，同时较多的碳化物可显著地提高耐磨性。 九、热作模具钢的合金化特点 1、中碳（0.30~0.50％C）范围 2、加入铬、硅、锰等提高淬透性，铬和硅还能提高抗氧化和抗烧蚀性。 3、镍可提高钢的韧性，并与铬、钼一起提高耐热疲劳性能。 4、钨、钼、钒可产生二次硬化效果，钼还能防止第二类回火脆性、提高高温硬度和回火稳定性。
1 合金化原理 (1) 主要内容： (1) 1.1 碳钢概论 (1) 一、碳钢中的常存杂质 (1) 二、碳钢的分类 (2) 三、碳钢的用途 (2) 1.2 钢的合金化原理 (3) 一、合金元素的存在形式※ (3) 二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响 (4) 三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 (5) 四、合金元素对钢的热处理的影响 (6) 五、合金元素对钢性能的影响 (7) 1.3 合金钢的分类 (7) 1 合金化原理 主要内容： 概念： ⑴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、物理、化学和机械性能的化学元素。 ⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。 ⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。 ⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。 ①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。 ②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。 ③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。 ④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。 1.1 碳钢概论 一、碳钢中的常存杂质 1.锰（Mn ）和硅（Si ） ⑴Mn：W ％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），减Mn 少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑） ％<0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物， ⑵Si：W Si ⑶Mn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） ⑴S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。