金属材料学(全套)

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。

《金属材料学》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：金属材料学英文名称：Science of Metal Materials二、课程代码及性质课程代码: 0806803课程性质:专业必修课三、学时与学分总学时：48（理论学时：48学时；实践学时：0学时）学分：3四、先修课程材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能五、授课对象本课程面向材料科学与工程专业开设六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程的教学目的:1. 系统掌握金属合金化的基本原理，建立典型金属材料的牌号--成分--热处理工艺--组织特征--性能之间的关系，形成完整的金属材料学知识体系；2. 熟悉典型金属材料的服役条件与失效方式，为金属材料的工程应用奠定基础；3. 培养学生金属材料设计与选材的基本能力，使学生具备将所学知识进行综合分析的能力；4. 了解金属材料发展前沿与动态，掌握其发展规律。

七、教学重点与难点：教学重点：熟练掌握钢的合金化原理，系统掌握服役条件—材料成分和编号—热处理工艺—组织结构—性能之间的关系。

教学难点：金属材料合金化原理中的元素交互作用辩证关系，针对品种繁杂的钢种，灵活掌握其特点，具备初步应用的基本能力。

八、教学方法与手段：教学方法：(1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,引入生动的工程案例，将知识性与趣味性有机结合;(2)安排适量的课堂作业和课堂讨论,调动学生学习的主管能动性，要求学生通过课下资料查阅，掌握文献阅读、归纳和表达的基本能力。

教学手段：(1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,引入图像、视频等，生动教学；(2)多引入工程案例，并结合知识点进行剖析。

九、教学内容与学时安排（1）总体安排教学内容与学时的总体安排，如表2所示。

（2）具体内容各章节的具体内容如下：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 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 Mn ％<0.8％ ①固溶强化 ②形成高熔点MnS 夹杂物（塑性夹杂物），减少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）；⑵Si ：W Si ％<0.5％ ①固溶强化 ②形成SiO2脆性夹杂物；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。

发生热脆 (裂)。

⑵P ：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。

⑶S 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 ）⑴N ：在α-铁中可溶解，含过饱和N 的钢析出氮化物—机械时效或应变时效（经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变）。

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。

⑵H ：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

⑶O ：在钢中形成硅酸盐（2MnO•SiO2、MnO•SiO2）或复合氧化物（MgO•Al2O3、碳钢中的常存杂质 碳钢的分类 碳钢的用途 1.1 碳钢概论 主要内容 1.2 钢的合金化原理： ①Me 在钢中的存在形式 ②Me 与铁和碳的相互作用 ③Me 对Fe-Fe3C 相图的影响 ④Me 对钢的热处理的影响 ⑤Me 对钢的性能的影响 1.3合金钢的分类MnO•Al2O3）。

金属材料学复习资料一．名词解释1、合金元素: 为了得到一定的物理、化学或机械性能而特别添加到钢中的化学元素。

(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、原位转变（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.6、离位转变（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.7、二次淬火:在强碳化物形成元素含量较高的合金钢中淬火后残余奥氏体十分稳定,甚至加热到500~600℃范围内回火时仍不分解，而是在冷却时部分转化成马氏体，使钢的硬度提高.8、二次硬化:在含有Ti、V、Nb、Mo、W等较高合金淬火后,在500~600℃范围内回火，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的硬度和强度提高9、液析碳化物：由于碳和合金元素偏析,在局部微小区域内从液态结晶时析出的碳化物。

10、带状碳化物:由于二次碳化物偏析，在偏析区沿轧向伸长呈带状分布。

11、网状碳化物：过共析钢在热轧（锻）加工后缓慢冷却过程中由二次碳化物以网状析出于奥氏体晶界所造成的。

12、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,使碳化物充分溶入奥氏体，然后水冷，获得单一奥氏体组织。

13、超高强度钢：用回火M和下B作为其使用组织，经过热处理后一般讲，抗拉强度在大于1400MPa,（或屈服强度大于1250MPa）的中碳钢均称为超高强度钢。

金属材料学绪论：§ 1.1 材料与人类文明的发展1、金属材料的地位和作用材料是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为人类生活和生产的物质基础。

二十世纪之后，特别是近几年来，非金属材料如工程陶瓷等，有了迅速的发展，在某些领域上在逐步代替金属材料、并显示了明显的优点。

又由于各种现代研究手段的发展与应用；从而大大加深了人们对金属材料微观结构与宏观性能关系的认识。

因此，金属材料学近几十年来得到了迅速的发展。

金属材料的分类工业上使用的金属材料种类繁多，通常可以分为：黑色金属：铁、锰、铬及其合金；有色金属：除黑色金属以外的所有金属与合金；开设本课程的目的a、使学生了解和掌握金属材料的性能与成分和组织结构之间的关系及其变化规律；正确的选择和使用金属材料、充分发挥材料的潜力、合理的制定热处理工艺。

掌握合金化的基本原理，为研制新型材料打下基础.课程要求金属材料学是一门综合性很强的专业必修课。

应在学完材料科学基础、材料力学性能等课程的基础上学习本课程，而在学习其他专业课、进行课程设计、毕业设计时，时常用到金属材料学基础；金属材料学应在理解的基础上记住重点内容。

第一章钢的合金化原理1-1钢中的元素与合金元素一、钢中的元素：Si Mn、S、P、Cu、Cr、Ni、O、N、H、Re等炼钢生铁和炼钢炉钢种元素的归类：a、常存元素：硅、锰、硫、磷；b、偶存元素：铜、铬、镍；c、隐存元素：氧、氮、氢；d、合金元素：为提高钢的某些性能，有意在冶炼时加入到钢中，其含量在一定范围的化学元素。

性能：物理性能、化学性能、机械性能、某些组织结构。

钢中常用的合金元素：B、N、AL、Si、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、W、Re；钢中的元素：利与害；杂质元素：由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入到钢中的化学元素钢中的杂质含量一般限制在以下范围：锰≤0.5% ;硅≤0.4%;Cr≤0.3%; Ni、Cu≤0.3%;Mo≤0.1%; W≤0.2%; P≤0.025~0.04;%;S≤0.015~0.05。

1-1. 为什么说钢中的S、P 杂质元素在一般情况下是有害的？答：S容易和Fe结合形成熔点为989C的FeS相，会使钢在热加工过程中产生热脆性；P与Fe 结合形成硬脆的F&P相，使钢在冷变形加工过程中产生冷脆性。

1-2. 钢中的碳化物按点阵结构分为哪两大类？各有什么特点？答：可以分为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。

1-3. 简述合金钢中碳化物形成规律。

答:①当r C r M>0.59时，形成复杂点阵结构；当r C r x0.59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。

③强碳化合物形成元素优先与碳结合形成碳化物。

④N M N C 比值决定了碳化物类型⑤碳化物稳定性越好，溶解越难，析出难越，聚集长大也越难。

1-4.合金元素对Fe - F&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Y 相区的元素均使S、E点向左下方移动；凡是封闭丫相区的元素均使S E 点向左上方移动。

S 点左移，意味着共析碳量减少； E 点左移，意味着出现莱氏体的碳含量减少。

1-19. 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。

答：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%寸，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%的Cr,尽管含碳量只有2%左右，钢中却已经出现了莱氏体组织。

1-21. 什么叫钢的内吸附现象？其机理和主要影响因素是什么？答：合金元素溶入基体后，与晶体缺陷产生交互作用，使这些合金元素发生偏聚或内吸附，使偏聚元素在缺陷处的浓度大于基体中的平均浓度，这种现象称为内吸附现象。

金属材料学合金元素作用归纳Cr：提高淬透性提高回火稳定性提高抗氧化性，热强性提高耐蚀性细化晶粒降低Ms 点Mn：强化F 提高淬透性促进晶粒长大提高残余A含量，降低Ms点提高回火稳定性降低热脆性-脱硫Si：提高δ，降低可切削性提高低温回火稳定性提高抗氧化性提高淬透性提高淬火温度提高脱C，石墨化倾向Mo：提高淬透性提高热强性降低回火脆性提高回火稳定性细化晶粒提高非氧化性酸的耐蚀性，防止点蚀Ni：提高基体韧度稳定A组织提高淬透性提高回火脆性降低Ms点-提高残余A含量V：提高热强性细化晶粒提高红硬性、耐磨性降低过热倾向降低磨削性Pb:提高切削性能低碳马氏体钢15MnVB 18Cr2Ni4W 热处理：固溶+淬火+时效+冷却高碳Cr轴承钢GCr15 GCr15SiMn渗碳轴承钢20CrNi2Mo 20CrNi4不锈轴承钢9Cr18高温轴承钢Cr4Mo4V Cr5Mo4V2轴承钢热处理：预先：球化退火（760-800加热，连续炉冷20-30°C/h 650出炉或者700等温2-4h 炉冷650出炉）最终：840淬火》隐晶M+残余A====》160低温回火》回火隐晶M渗碳钢：(1)15 20(2)20Cr 20MnV(3)20MnVB 20CrMnTi 25MnTiBRE（4）20Cr2Ni4 18Cr2Ni4W 20CrNi2Mo（1）》(4)淬透性提高渗碳钢热处理工艺直接淬火+低温回火或者预冷淬火+低温回火对易过热钢渗碳后正火消除过热组织再淬火+回火一次淬火二次淬火（细化心部-细化表层）氮化钢：38CrMoAl 35CrMo 40CrVW18Cr4V 1Cr18Ni9Ti弹簧钢：65Mn 50CrV 55SiMnMo 60Si2Mn弹簧钢热处理：820-880淬火+460-580中温回火得到回火T高锰钢2CrMnB 2CrMnBRE热处理：水韧处理1050-1080（固溶）保温碳化物溶入A+水冷碳素工具钢T7-T13 热处理：预先：球化退火最终淬火Ac1+30-50 +<200低温回火T8=锯条低合金工具钢9SiCr CrWMn 9Mn2V热处理预先：球化退火最终：Ac1+30-50 油淬&熔盐分级淬火减少变形开裂160-200低温回火等温淬火获得B下高速工具钢18-4-1 Mo8Cr4V 6-5-4-2热处理：预先：球化退火最终：淬火回火最终组织：回火隐晶M+颗粒碳化物+极少量残余A880- （500-600-800-850-1280）1280-560+-10 3次高Cr模具钢Cr12MoV Cr12热处理球化退火+低温淬火+低温回火球化退火+高温淬火+高温回火冷处理降低残余A高碳中Cr模具钢Cr7C3热处理：Cr6WV 830-860球化退火4h+720-750等温5h+900-980淬火低碳高速钢6W6Mo5Cr4V热处理：1180-1200油淬+560-580 3次回火基体钢6-5-4-2 》50Cr4Mo3W2V W2Mo9Cr4VCo8 》55Cr4Mo5WVCo8热处理：1100-1120淬火512-620多次回火不锈钢固溶+时效M不锈钢Cr13型蒸汽涡轮叶片水压机阀门食品工业用具F不锈钢石油化工人造纤维耐硝酸&有机酸A不锈钢18-8型石油化工航空民用A-F不锈钢固溶处理沉淀硬化不锈钢耐热钢F型耐热钢F+P 12Cr1MoV 15CrMo 12Cr2MoVWSiTiB 锅炉蒸汽管道A型不锈钢例：GH36 热处理固溶1140 1.5-2h 水冷时效2次670 160 析出细小弥散VC760-800 14-16h VC适当长大空冷使用：涡轮盘~650度GH132固溶980-1000 4h 水冷时效700-760 200h使用：650-700度M型耐热钢2Cr12MoV 2Cr12WMoV 汽轮机叶片蒸汽管道涡轮叶片热处理：1000-1050淬火+650-750回火》回火T或者回火SF抗氧化钢热交换机退火护罩镍基耐热合金Cr20Ni80+W.Mo.Al.Nb.Co.Ta等基本处理2次固溶+双重时效铸铁灰口铸铁热处理：人工时效消除内应力退火消除铸件白口降低硬度的退火表面淬火应用：导轨，缸体内壁等球墨铸铁孕育+球化处理热处理：退火》F基体正火》P基体调质》回火S 等温淬火》B下蠕墨铸铁蠕化+孕育处理耐磨铸铁：合金化.P Cr Mn Cu V Ti W 用途：机床导轨、发动机缸套、活塞环、轴套、磨球耐热铸铁：合金化.Al Si Cr 用途：加热炉底板、炉门、压铸模、钢锭模耐蚀铸铁：合金化.Al Si Ca Cr 用途：管道、阀门、泵类、反应釜1,简述钢的分类？答：(A)按用途分：a结构钢（工程结构钢，机械结构钢），b工具钢（刃具钢，磨具钢，量具钢），特殊性能钢（不锈钢，耐热钢等）。