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
1 固溶强化 纯金属由于强度低, 很少用作结构材料, 在工业上合金的应用远比纯金属广泛。合金组元溶入基体金属的晶格形成的均匀相称为固溶体。形成固溶体后基体金属的晶格将发生程度不等的畸变, 但晶体结构的基本类型不变。固溶体按合金组元原子的位置可分为替代固溶体和间隙固溶体; 按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体; 按合金组元和基体金属的原子分布方式可分为有序固溶体和无序固溶体。绝大多数固溶体都属于替代固溶体、有限固溶体和无序固溶体。替代固溶体的溶解度取决于合金组元和基体金属的晶体结构差异、原子大小差异、电化学性差异和电子浓度因素。间隙固溶体的溶解度则取决于基体金属的晶体结构类型、晶体间隙的大小和形状以及合金组元的原子尺寸。纯金属一旦加入合金组元变为固溶体,其强度、硬度将升高而塑性将降低, 这个现象称为固溶强化。固溶强化的机制是: 金属材料的变形主要是依靠位错滑移完成的, 故凡是可以增大位错滑移阻力的因素都将使变形抗力增大, 从而使材料强化。合金组元溶入基体金属的晶格形成固溶体后, 不仅使晶格发生畸变, 同时使位错密度增加。畸变产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用, 使合金组元的原子聚集在位错线周围形成“气团”。位错滑移时必须克服气团的钉扎作用, 带着气团一起滑移或从气团里挣脱出来, 使位错滑移所需的切应力增大。此外, 合金组元的溶入还将改变基体金属的弹性模量、扩散系数、内聚力和晶体缺陷, 使位错线弯曲, 从而使位错滑移的阻力增大。在合金组元的原子和位错之间还会产生电交互作用和化学交互作用, 也是固溶强化的原因之一。固溶强化遵循下列规律: 第一, 对同一合金系, 固溶体浓度越大, 则强化效果越好。表1 列出了几种普通黄铜的强度值, 它们的显微组织都是单相固溶体, 但含锌量不同, 强度有很大差异。在以固溶强化作为主要强化方法时, 应选择在基体金属中溶解度较大的组元作为合金元素, 例如在铝合金中加入铜、镁; 在镁合金中加入铝、锌; 在铜合金中加入锌、铝、锡、镍; 在钛合金中加入铝、钒等。第二, 合金组元与基体金属的 表1 几种普通黄铜的强度(退火状态)
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
第五章金属材料的强化方法 一、金属材料的基本强化途径 许多离子晶体和共价晶体受力后直到断裂，其变形都属于弹性变形。 而金属材料的应力与应变关系如图5-1所示。 它在断裂前通常有大量塑性变形。它是晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面晶向的相对滑动。但是，晶体的实际滑移过程并不是晶体的一部分相对于另一部分的刚性滑移。 如果是刚性的滑移，则滑移所需的切应力极大，其数值远高于实际测定值。如，使铜单晶刚性滑移的最小切应力（计算值）为1540MPa, 而实际测定值仅为1MPa。各种金属的这种理论强度与实际测定值均相差3～4个数量级。这样的结果，迫使人们去探求滑移的机理问题，即金属晶体滑移的机理是什么？20世纪20年代，泰勒等人提出的位错理论解释了这种差异。 位错是实际晶体中存在的真实缺陷。现已可以直接观察到位错。 图5-2 位错结构
图5-3 位错参与的滑移过程 位错在力τ的作用下向右的滑移，最终移出表面而消失。由于只需沿滑移面A —A 改变近邻原子的位置即可实现滑移，因此，所需的力很小，上述过程很易进行。 由上述的分析可知，金属晶体中的位错数量愈少，则其强度愈高。现已能制造出位错数量极少的金属晶体，其实测强度值接近理论强度值。这种晶体的直径在1μm 数量级，称之为晶须。 由位错参与的塑性变形过程似乎可得到另一结论，即金属中位错愈多，滑移过程愈易于进行，其强度也愈低。事实并不是这样。如图5-4所示。 图5-4 强度和位错与其它畸变 可见，仅仅是在位错密度增加的初期，金属的实际强度下降；位错密度继续增大，则金属晶体的强度又上升。这是因为位错密度继续增加时，位错之间会产生相互作用：1）应力场引起的阻力，如位错塞积，当大量位错从一个位错源中产生并且在某个强障碍面前停止的时候就构成了位错的塞积；2）位错交截所产生的阻力；3）形成割阶引起的阻力（两个不平行柏氏矢量的位错在交截过程中在一位错上产生短位错）；4）割阶运动引起的阻力。 金属受力变形达到断裂之前，其最大强度由两部分构成：一是未变形金属的流变应力σl ，即宏观上为产生微量塑性变形所需要的应力。流变应力的大小决定于位错的易动性：晶体内部滑移面上的位错源越容易动作，运动位错在扫过晶体滑移面时所受的阻力越小，则流变应力越低；其二是因应变硬化产生的附加强度，它由塑性变形过程中应变硬化速率 εσd d 和塑性变形量l f εε-来决定。所以，在断裂前的最大强度大致可按下式计算： ?+=f l d d d l εεεε σσσ)(max 工程结构材料主要是在弹性范围内使用的，因此，在构件的设计和使用中，流变应力的重要性更为突出。 对流变应力有贡献的阻力主要是两类：
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；
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）
陶瓷材料和聚合物材料虽然比较脆，但也有滑移面的存在。金属材料的变形主要是通过滑移实现的，位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。而位错理论可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也有较大影响。 首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键理论预测的理论强度低得多的原因。此外，金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向断裂而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于材料在变形过程中发生了滑移。 其次，滑移赋予了金属材料的延性。如果材料中没有位错，铁棒就是脆性的，也就不可能采用各种加工工艺，如锻造等将金属加工成有用的形状。 第三，通过干预位错的运动，进行合金的固溶强化，控制金属或合金的力学性能。把障碍物引入晶体就可以阻止位错的运动，造成固溶强化。如板条状马氏体钢( F12钢)等。 第四，晶体成型加工过程中出现硬化，这是因为晶体在塑性变形过程中位错密度不断增加，使弹性应力场不断增大，位错间的交互作用不断增强，因而位错运动变得越来越困难。 第五，含裂纹材料的疲劳开裂和断裂、材料的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是以位错理论为基础。 金属的强化 strengthening of metals 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属材料的强度，称为金属的强化。所谓强度是指材料对塑性变形和断裂的抗力，用给定条件下材料所能承受的应力来表示。随试验条件不同，强度有不同的表示方法，如室温准静态拉伸试验所测定的屈服强度、流变强度、抗拉强度、断裂强度等（见金属力学性能的表征）；压缩试验中的抗压强度；弯曲试验中的抗弯强度；疲劳试验中的疲劳强度（见疲劳）；高温条件静态拉伸所测的持久强度（见蠕变）。每一种强度都有其特殊的物理本质，所以金属的强化不是笼统的概念，而是具体反映到某个强度指标上。一种手段对提高某一强度指标可能是有效的，而对另一强度指标
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。
金属材料的强化方法 金属材料的强化途径，主要有以下几个方面； (1)结晶强化。结晶强化就是通过控制结晶条件，在凝固结晶以后获得良好的宏观组织和显微组织，从而提高金属材料的性能。它包括： 1)细化晶粒。细化晶粒可以使金属组织中包含较多的晶界，由于晶界具有阻碍滑移变形作用，因而可使金属料得到强化。同时也改善了韧性，这是其它强化机制不可能做到的。 2)提纯强化。在浇注过程中，把液态金属充分地提纯，尽量减少夹杂物，能显著提高固态金属的性能。夹杂物对金属材料的性能有很大的影响。在损坏的构件中，常可发现有大量的夹杂物。采用真空冶炼等方法，可以获得高纯度的金属材料。 (2)形变强化。金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度。这是由于材料在塑性变形后位错运动的阻力增加所致。 (3)固溶强化．通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化。 (4)相变强化。含金化的金属材料，通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构．使金属材料得到强化，称为相变强化。相变强化可以分为两类： 1)沉淀强化（或称弥散强化）。在金属材料中能形成稳定化合物的合金元素，在一定条件下，使之生成的第二相化合物从固溶体中沉淀析出，弥散地分布在组织中，从而有效地提高材料的强度，通常析出的合金化合物是碳化物相。在低合金钢（低合金结构钢和低合金热强钢）中，沉淀相主要是各种碳化物，大致可分为三类。一是立方晶系，如TiC、V4C3．NbC 等，二是六方晶系，如M02、W2C、wc等，三是正菱形，如Fe3C。对低合金热强钢高温强化最有效的是体心立方晶系的碳化物。 2）马氏体强化。金属材料经过淬火和随后同火的热处理工艺后，可获得马氏体组织，使材料强化。但是，马氏体强化只能适用于在不太高的温度下工作的元件，工作于高温条件下的元件不能采用这种强化方法。 (5)晶界强化。晶界部位的自由能较高，而且存在着大量的缺陷和空穴，在低温时，晶界阻碍了位错的运动，因而晶界强度高于晶粒本身：世在高温时，沿晶界的扩散速度比晶内扩敞速度大得多，晶界强度显著降低。因此强化品界对提高钢的热强性是很有效的。硼对晶界的强化作用，足由于硼偏集于晶界上，使晶界区域的品格缺位和空穴减少，晶界自由能降低；B还减缓了合金元素沿晶界的扩放过程；硼能使沿晶界的析出物降低，改善了晶界状态，加入微量硼、锆或硼+锆能延迟晶界上的裂纹形成过程；此外，它们还有利于碳化物相的稳定。 (6)综合强化。在实际生产上，强化金属材料大都是同时采用几种强化方法的综合强化，以充分发挥强化能力。例如： 1)固溶强化十形变强化，常用于固溶体系合金的强化。 2)结晶强化+沉淀强化，用于铸件强化。 3)马氏体强化+表面形变强化。对一些承受疲劳裁荷的构件，常存调质处理后再进行喷丸或滚压处理。 4)固溶强化+沉淀强化。对于高温承压元件常采用这种方法，以提高材料的高温性能。有时还采用硼的强化晶界作用．进一步提高材料的高温强度。
第十章材料的强韧化 第一节材料强化基本原理 结合键和原子排列方式的不同，是金属材料、陶瓷材料、高分子材料力学性能不同的根本原因。通过改变材料的内部结构可以达到控制材料性能的目的。不同种类的材料，提高其强度的机理、方法也不同。 一、金属材料的强化原理 纯金属经过适当的合金化后强度、硬度提高的现象， 称为固溶强化。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作 用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。固溶体可 分为无序固溶体和有序固溶体，其强化机理也不相同。 （1）无序固溶强化固溶强化的实质是溶质原子的 长程应力场和位错的交互作用导致致错运动受阻。溶质相 位错的交互作用是二者应力场之间的作用。作用的大小要 看溶质本身及溶质与基体之间的交互作用，这种作用使位 错截交成弯曲形状。如图10—l所示． 图中的A、B、C表示溶质原子强烈地钉扎了位错。 x—x＇，A未被钉扎的乎直位错线，被钉后呈观曲线形状。 处于位错线上的少数溶质原子与位错线的相互作用很强， 这些原子允许位错线的局部曲率远大于根据平均内应力 求出的曲率。钉扎的第一个效应就是使位错线呈曲折形 状。相对于x—x＇的偏离为x在受到垂直方向的外加切应力τ作用下，由于B点位错张力的协助作用，将使ABC段位错移到AB＇C，在B＇处又被钉扎起来。位错之所以能够这样弯曲，其原因是因位错长度的增加而升高的弹件能被强钉扎所释放的能量抵偿旧有余，位错的弹性能反而有所降低．位错经热激活可以脱钉，因而被钉扎时相对处于低能态。在切应力τ的作用下，ABC 段移动到AB＇C．ABC和AB＇C是相邻的平衡位置，阻力最大在位错处于中间位置AC时产生，外加切应力要克服这样的阻力方可使位错移动。若AC≈2y，ABC比2y略大，近似地当作2y。由ABC变为AC方面要脱钉需要能量，另一方面要缩短位错长度释放能量。总共需要 式中：Eb是位错脱扎所需能量；EI为单位长度位错由于加长而升高的能量，EI与Eb相比小而略去。由ABC 变为AC，平均位移为x/2，外加切应力需要做功为τb(2y)·x/2，故
Cu +→Cu 2++e O E ＝0.17V 2H 2O →4H ++O 2+4e O E ＝1.229V 此外，阳极中含有比铜电势更负的杂质离子也可能从阳极溶解。一般由于Cu 2+离子的电极电势较Cu +离子的更负，主要发生的二价铜离子的阳极溶解；而一价铜离子的反应为次要的， 但因溶液中存在以下化学平衡：2Cu + = Cu 2++Cu ，Cu +的浓度虽很低，却可能引起副反应，使 电流效率下降。 阴极过程是阳极过程的逆反应，即Cu 2+离子的还原 ：Cu 2++2e - →Cu ，尽管电解液是酸性，一般情况氢析出的电势较铜更负，所以在阴极很少有氢气析出。 在铜电解精炼时，比铜电极电势更负的杂质如:Fe 、Ni 、Zn 等，可在阳极共溶，进入电解液，但不能在阴极与铜析出；而电极电势较铜正的杂质虽可能在阴极共析，却不能在阳极共溶而进入电解液，只能进入阳极泥，这类金属包括Ag 、Au 、铂族等。这样就达到分离杂质精炼金属铜以及资源充分利用的目的。最危险的杂质是电极电势与铜接近的杂质，它们在阳极可能共溶，又可能在阴析共析，这要定期地对电解液进行净化，尽量降低这些离子在溶液中的积累。 三* 无机电合成 1氯碱工业的电化学基础 2氯碱工业的发展 3 膜电解技术 四* 有机电合成 1 直接有机电合成 2 间接有机电合成 §10.3 电化学腐蚀与防护 金属腐蚀会导致国民经济的巨大损失，美国在20世纪80年代初期的统计年损失达1千多亿美元；估计我国的年损失在300亿元以上。电化学腐蚀与防护问题既有我们日常生活常见到的钢铁生锈、电池的点蚀等问题，也与当前新能源、新材料等领域密切相关。可以说，腐蚀与防护问题存在于国民经济和科学技术的各个领域，不断地提出的新问题促使腐蚀与防护成为一门迅速发展的综合性边缘学科。 引起金属腐蚀的主要原因是：金属表面与周围介质的生物、化学或电化学作用而导致金属被破坏。这一节仅讨论金属表面与潮湿空气、电解质溶液等介质发生电化学作用而引起的腐蚀——电化学腐蚀。 一 电化学腐蚀原理 1．腐蚀电池 金属的电化学腐蚀是金属与介质接触时发生的自溶解过程。在这个过程中金属被氧化，所释放的电子完全为氧化剂消耗，构成一个自发的短路电池，这类电池被称之为腐蚀电池。 图10—7 微电池示意图 （1）不同金属与同一种电解质溶液接触就会形成腐蚀电池。例如：在铜板上有一铁铆钉，其形成的腐蚀电池如图10—7所示。铁作阳极发生金属的氧化反应Fe → Fe 2+ + 2e -；同时在阴极铜上可能有如下两种还原反应： 一般来说，在空气中氧分压)O (2p =21 kPa 时，O E (O 2+2H 2O+4e - →4OH - )＝1.23 V , 远远高于O E （2H + + 2e - → H 2），所以吸氧腐蚀更容易