工程材料知识总结.docx

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工程材料知识总结

纯金属结晶：

结晶：

金属自液态转变为固态晶体的过程本质：

金属的原子由不规则排列的液态逐步过渡到原子规则排列的晶体状态的过程，或金属从一种原子排列状态过渡到另一种原子排列状态的转变过程。

一次结晶：

金属从液态过渡到固体晶态的过程。

二次结晶：

金属从一种固体晶态过渡到另一种固体晶态的过程。

又叫重结晶。

冷却曲线：

:

：

:

图：

2、纯金属结晶的过程

晶核的形成：

1.；2.（在实际结晶过程中起主要作用）

“结构相似，尺寸相当”原则

晶体的长大:

1.（在过冷度较小、杂质含量较少的情况下较多）密集面最慢，非密集面较快；2.（在过冷度较大，杂质含量较多的情况下较多）

树枝晶形成的原因:

结晶潜热在突出部位散去得快；

晶体的突出部位缺陷多，易于原子的固定；

树枝状的表面积大，便于从液体中获得生长需要的原子。

同素异构转变:

金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。

即二次结晶的现象。

重结晶

同素异晶体：

以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体。

纯铁冷却曲线图：

铸锭的结构：

细等轴晶区：

在铸锭的表面形成的一层厚度不大、晶粒很细的等轴晶区。

柱状晶区：

在铸锭的表面与中心之间形成的一层垂直于模壁的柱状晶区。

粗等轴晶区：

在铸锭的中心形成的晶粒很粗的等轴晶区。

铸锭晶粒形状的影响因素：

金属加热温度高、冷却速度快、铸造温度高、浇注速度大、单

向散热，有利于获得柱状晶；采用机械振动、电磁搅拌等方法有利于等轴晶的形成

细化铸态金属晶粒的措施：

1.增大过冷度；2.变质处理（变质剂作用:

增加非自发晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织）3.振动4.电磁搅拌

铸锭的缺陷：

（1）缩孔

（2）缩松（3）气孔

细晶强化:

使晶粒细化，提高金属机械性能

强化方式：

1.细晶强化2.固溶强化3.

温度低，原子扩散速率下降的缘故

合金的结晶:

相图：

合金系在平衡条件下各种相之间关系的简明示图

匀晶反应:

匀晶反应：

一种液相在变温下逐渐生成一种固相的反应

匀晶相图:

两组元在液态下无限互溶，在固态下也无限互溶，冷却时发生匀晶反应形成的相图

结晶特点:

1.与纯金属一样，固溶体结晶的过程中，也包括生核与长大两过程，但更趋于呈树枝状长大。

2.与纯金属不一样，固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。

3.在两相区内，温度一定时，两相的成分（即Ni质量分数）是确定的。

（确定相成分的方法;液相与固相成分的变化规律）

4.两相质量也是一定的：

杠杆定律（应用条件:

平衡状态下的两相区）

5.枝晶偏析（在固溶体结晶过程中，两相区各温度下的固相成分是不同的，但冷却过快时，原子扩散不能充分进行，此时会造成一个晶粒内化学成分的分布不均）与扩散退火（合金加热到低于固相线100℃的温度，并长时间保温，使原子充分扩散，获得成分均匀的固溶体）

共晶反应的合金的结晶:

共晶反应：

一种液相在恒温下同时生成两种固相的反应

共晶相图：

两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，冷却时发生共晶反应形成的相图

结晶过程：

阶段

合金Ⅰ

合金Ⅱ

合金Ⅲ

合金Ⅳ

组织

+Ⅱ

（+）

+Ⅱ+（+）

（室温）

+Ⅱ+（+）

（室温）

组织组成物

、Ⅱ

（+）

、Ⅱ、（+）

（室温）

组织组成相

、Ⅱ

f、g

f、g

（室温）

包晶反应

包晶反应：

一种液相与一种固相在恒温下相互作用而转变为另一种固相的反应

包晶相图：

两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，在冷却时发生包晶反应所形成的相图

包晶偏析：

在冷却速度快时，包晶反应生成物中,原相中的Pt偏多，原L相中Pt的偏少

共析反应

共析反应：

一种固相在恒温下同时生成另外两种固相的反应

合金的使用性能和相图的关系

单相固溶体合金：

由于固溶强化主要受晶格畸变的影响，故50%溶质含量时，畸变最大，强度、硬度最大，导电率最差。

两相混合物合金：

性能介于两相单独性能之间。

合金的工艺性能与相图的关系：

单相固溶体合金：

纯组元的流动性最好，易缩孔，不易缩松

两相混合物合金：

纯组元与共晶成分合金的流动性好，易缩孔，不易缩松

合金钢

1.合金钢分类：

（合金元素质量分数多少，及含量）、、

（主要合金元素）、、、

（小试样正火或铸造状态的组织）

（按用途来分类）

2.编号方法：

注：

1）结构钢以为单位的数字（两位数）；工具钢和特殊性能钢以为单位。

2）平均质量少于不标数。

3）高级优质钢在末尾加“”。

3.合金结构钢

名称

低合金高强度结构钢

合金渗碳钢

合金调质钢

合金弹簧钢

滚珠轴承钢

用途

主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢材结构等

制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件

制造汽车，拖拉机，机床和其他机器上的各种重要零件

专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件

制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）；工具钢：

精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件

性能要求

高强度；高韧性；良好的冷成形性能和焊接性能；低的冷脆性转变温度；良好的耐蚀性

表面渗碳层硬度高;心部具有高的韧性和足够高的强度；有良好的热处理工艺性能（在900～950℃下，A晶粒不易长大，并有良好的淬透性）

很好的淬透性。

截面受力均匀的零件，要求整个截面都淬透；截面受力不均匀的零件，主要要求周丽较大的表面区有较好的性能，心部要求可低一些

高的弹性极限，尤其是高的屈强比以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力；高的疲劳强度，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂；另外零件表面质量影响很大，不应有脱碳、裂纹、折叠、斑疤和夹杂等缺陷；足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断

高的接触疲劳强度（1500～5000MPa）；高的硬度和耐磨性（62～64HRC）；足够的韧性和淬透性；在大气和润滑介质中又一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性

成分特点

低碳（不超过0.20%）；加入Mn为主的合金元素（增加固溶强化效果；降低A分解温度；细化F晶粒；使P片变细；消除晶界上粗大的片状碳化物；提高钢的强度和韧性；使共析点C%降低；增加P%提高了钢强度）；加入Nb，Zr（细化碳化物或氮化物，阻碍热轧A晶粒的长大，有利于获得细小的F晶粒；另外，热轧时部分固溶在A内，而冷却时弥散析出，起到强化作用，提高强度和韧性）；少量Cu（≤0.4%）

P（≤0.1%）,提高抗腐蚀性；稀土元素脱S，去气，精华钢材，改善韧性和工艺性能。

低碳

（0.10%～0.25%）；加入提高淬透性的合金元素（Cr,Ni,Mn）；Cr能细化碳化物，提高渗碳层的耐磨性，Nidui渗碳层和心部的韧性非常有利，微量B能显著调高淬透性；加入阻碍A晶粒长大的元素（少量强碳化物形成元素Ti,V,W,Mo）还能增加渗碳层的硬度，提高耐磨性

中碳：

0.25%～0.50%，以0.4%居多；计入提高淬透性的元素（Cr,Mn,

Ni,Si,B）合金元素Cr,

Mn,Ni,Si还能形成合金F提高钢的强度；加入防止第二类回火脆性的元素（Ni,Cr,

Mn）高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性Mo0.15%～0.30%orW0.8%～1.2%

中高碳：

保证高的弹性极限和疲劳强度，比合金调质钢高，一般为0.50%～0.70%；加入Si、Mn为主的提高淬透性的元素（同时提高屈强比，以Si作用更突出但加热时促进表面脱碳，Mn是钢易于过热重要的弹簧钢必须加入Cr、V、W，Si-Cr表面不易脱碳，Cr-V晶粒细小不易过热，耐冲击性能好，高温强度也较高）；

高碳：

；Cr为基本合金元素：

Cr提高淬透性，形成合金渗碳体乘细密，均匀分布，提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。

Cr过多提高残余A量和碳化物分布的不均匀性，适宜的质量分数为0.40%～1.65%；加入Si,Mn,V:

Si,Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。

V部分溶于A中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热（A长大）；严格控制夹杂物含量（电路冶炼和真空去气）

常用钢种

Q345（16Mn）细晶粒F+P;

Q420（15MnVN）V,N，生成V的氮化物可细化晶粒，又有析出强化广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶

低碳贝氏体钢：

加入Cr、Mo、Mn、B等元素，可阻碍A转变，是C曲线的P转变区右移（高压锅炉、高压容器）

低淬透性合金渗碳钢：

20Cr（耐磨件）；

中淬透性合金渗碳钢：

20CrMnTi（高速中载，抗冲击和耐磨损的零件）

20Mn2TiB、20MnVB（淬透性不够稳定，热处理变形稍大且缺乏规律）

高淬透性合金渗碳钢：

18Cr2Ni4WA,20Cr2Ni4A（低温冲击韧度好，制造大截面高载荷的重要耐磨件）

低淬透性合金调质钢：

40Cr,40MnB,40MnVB（淬透性不太稳定，切削加工性能也差一些）

中淬透性合金调质钢：

35CrMo（加入Mo不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性）

高淬透性合金调质钢：

37CrNi3（不宜做大截面零件）40CrNiMo钢（加入Mo具有好的淬透性，还可消除回火脆性，用于制造大截面，重载荷的重要零件）

以Si,Mn为主要合金元素的合金弹簧钢：

65Mn,60Si2Mn（用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧）；含Cr,V,W等元素的合金弹簧钢（50CrA,在350～400℃温度下承受中载的较大弹簧）

GCr4（<10mm的滚珠、滚柱和滚针）

GCr15（与GCr9SiMn同）

GCr15SiMn（壁厚≥14mm，外径250mm的套圈。

直径20～200mm的钢球。

其他同GCr15）

Cr轴承钢：

GCr15；添加Mn,Si,Mo,V的轴承钢：

提高淬透性；

加入可得无铬轴承钢

热处理特点

正火；

F+细P（索氏体）

渗碳后直接淬火，低温回火（20Cr、20Mn2,渗碳后需先正火，消除热组织）

表面：

合金渗碳体+回火M+少量残余A心部：

屈氏体+回火M+少量F

淬火+高温回火（淬透性较高，一般用油淬，可以空冷，减少热处理缺陷，回火温度500～650℃，防止回火脆性，回火后快冷，有利于韧性的提高）

回火索氏体

有些要求中低温回火得到回火屈氏体或回火马氏体组织

热成型弹簧：

用热轧钢或钢板制成，然后淬火和中温回火（回火屈氏体）；

冷成型弹簧：

铅淬冷拔钢丝，油淬回火钢丝，退货钢丝

正火，球化退火，淬火和低温回火（高C材料）

注：

预先热处理：

球化退火（获得细的球状球光体和均匀分布的细粒状碳化物，为最终热处理做组织准备）；

淬火温度过高会过热，晶粒长大，是韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则A中溶解的Cr和C不够，钢淬火后硬度不足

回火组织：

极细的回火M,均匀分布的粒状碳化物以及少量残A；为稳定尺寸，淬火后立即进行“冷处理”，并在回火和磨削加工后，进行低温时效处理

4.合金刃具钢

（1）用途：

主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀，铣刀，钻头等

（2）性能要求：