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金属材料领域发生的革命性变化①晶态材料的基础上发展了非晶，微晶与纳米多晶体材料；②多维(大块)材料的基础上发展了低维材料；③单一材料的基础上发展了复合材料；④宏观均匀材料的基础上发展了宏观不均匀材料；⑤固溶体材料的基础上发展了金属间化合物材料。未来材料趋势智能化、仿生化、复合化、纳米化、轻量化、高功能化合金化合金化=纯金属（或合金）+第二组元（称合金元素）①合金元素溶入基体②合金元素与基体原子反应改变基体特性改变基体性能形成化合物改变材料整体性能与特性钢中的基体：铁素体（α-Fe）和奥氏体（γ-Fe）钢中的第二相：碳化物和金属间化合物钢的合金化=Fe-C合金+第三组元（称合金元素）铁的合金化=纯Fe+第二组元（C）第1章钢的合金化概论1.合金元素溶入钢中的基体1.1改变基体特性（固溶体临界点）扩大奥氏体区（稳定奥氏体）Mn、Ni、Co缩小奥氏体区（稳定铁素体）Cr、W、Mo几乎所有的合金元素均使E、S点左移S点左上移S点左下移改变的方面：淬火加热、淬火冷却（淬透性）、耐蚀性、组织特征1.2改变基体性能固溶强化合金元素的溶入使固溶体强度硬度增加，塑性韧性下降的现象。溶入基体的所有元素均产生固溶强化效果（Ni可韧化基体）2.合金元素与基体原子反应2.1形成化合物碳化物金属间化合物Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe强着稳，溶解难，析出难，聚集长大也是难。MCM6CM23C6M7C3M3C强者先相—韧性显著下降。如高Cr不锈钢FeCr相AB2相或称拉维斯相—强化相。如马氏体不锈钢MoFe2相AB3相或称有序相—强化相。如耐热钢Ni3(Ti,Al)相似者相溶。溶强愈强，溶弱愈弱。2.2改变材料整体性能与特性通过形成的化合物达到改变目的。①改变材料整体性能晶界强化（细晶强化）第二相强化（沉淀强化、弥散强化）②改变材料整体特性热处理工艺性能（淬透性、过热敏感性、回火稳定性等）压力加工性能（位错强化、加工硬化）Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe3.合金元素分布在退火钢（缓冷状态）中的分布非碳化物形成元素固溶于铁素体中碳化物形成元素除固溶于铁素体外，还形成碳化物。Al、V、Ti、Nb、Zr优先形成氮化物。Mn和S优先形成硫化物。在淬火态（快冷状态）分布溶入A的元素淬火后存在于M、B、Ar中；未溶的仍在碳化物中。在淬火回火后（快冷后缓冷状态）分布低温回火时，Me不发生重新分配。＞400℃回火时，非碳化物形成元素在基体中，碳化物形成元素在析出相中。碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe提高淬透性元素Mo、Mn、Cr、Ni、Si促进晶粒长大元素Mn强石墨化元素Si改善基体韧度元素Ni降低回火脆性元素W、Mo提高耐蚀性元素Cr影响冶金质量元素S、P扩大γ区元素Mn、Ni、Co；C、N、Cu缩小γ区元素V、CrE、S点移动A1、A3温度变化C曲线右移动(除Co)多元少量复合加入易过热细晶、弥散、沉淀、回火稳定钝化膜、n/8定律高温回火脆性合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti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？铁素体形成元素：V、Cr、W、Mo、Ti；奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu；能在α-Fe中形成无限固溶体：V、Cr；能在γ-Fe中形成无限固溶体：Mn、Co、Ni。P能形成Fe3P，在冷加工时产生裂纹而形成冷脆。一般钢中，应严格控制杂质元素S、P的含量。S能形成低熔点共晶体，其热加工温度时会熔化，产生热脆。简述合金元素对铁碳相图（如共析碳量、相变温度等）的影响。Mn、Ni、Co、C、N、Cu扩大奥氏体相区；Cr、W、Mo、Ti缩小奥氏体相区。合金元素对奥氏体相区的影响：所有合金元素均使S点左移；扩大γ相区的元素使A1、A3温度下降；缩小γ相区的元素使A1、A3温度升高。合金元素对临界点的影响：简要说明合金钢中碳化物形成元素所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。相对稳定性如下钢中常见碳化物类型MC型：TiC、VCM23C6型：Cr23C6、Mn23C6M7C3型：Cr7C3、Mn7C3M3C型：Fe3CM6C型：Fe3W3C、Fe4W2CM2C型：W2C、Mo2CMCM2CM6CM23C6M7C3M3C试述合金元素在淬火态和回火后的分布。淬火态：Me分布与淬火工艺有关。溶入A的元素淬火后存在于M、B、Ar中；未溶的仍在未溶解碳化物中。回火后：低温回火时，Me不发生重新分配。＞400℃回火时，Me重新分配。非碳化物形成元素在基体中，碳化物形成元素在析出相中。简单说明合金元素在退火钢中的分布情况。1）非碳化物形成元素固溶于铁素体中。2）碳化物形成元素除固溶于铁素体外，还形成碳化物。碳化物形成元素越强，其在碳化物中的比例越高。试定性比较40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢的淬透性、回火脆性、韧度和回火稳定性，并简要说明原因淬透性：40Cr＜40CrNi＜40CrNiMo；Cr-Ni-Mo复合作用更大。回脆性：40CrNiMo＜40Cr＜40CrNi；Cr、Ni提高脆性，Mo有效降低。韧度：40Cr＜40CrNi＜40CrNiMo；Ni提高韧性，Mo细化晶粒。回稳性：40Cr、40CrNi＜40CrNiMo；Mo提高回稳性。Ni影响不大。试述钢的强化与韧化途径。钢的强化途径钢的韧化途径1）细化晶粒和组织Ti、Nb、V2）提高回火稳定性V、W、Mo3）改善基体韧度Ni4）降低回火脆性W、Mo5）提高冶金质量，降低C含量1）合金化（固溶、细晶、“第二相”等强化）2）冷加工（位错强化）3）综合运用（时效强化、弥散强化、细晶强化）第2章工程结构钢服役特点不作相对运动,长期承受静载荷作用,有一定的使用温度和环境要求。力学性能要求工艺性能要求①弹性模量大，有好的刚度；②足够的抗塑性变形及抗破断的能力；③缺口敏感性及冷脆倾向性较小④一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。良好的冷变形性能和焊接性能。桥梁、船体、建筑结构、高压容器等工程结构件。用途σs=1.54（3.5+2.1Mn+5.4Si+23N+1.13d-1/2）σb=1.54（19.1+1.8Mn+5.4Si+0.25珠光体+0.5d-1/2）TC=-19+44Si+700N1/2+2.2珠光体-11.5d-1/2[C]=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5＜0.35％成分设计考虑依据强度贡献因素降脆影响因素C当量衡量的焊接性能细晶、低碳普通碳素结构钢Q195、Q215、Q235、Q275低合金高强度钢Q345、...Q620、Q690合金化思想低碳，稍高锰含量，适当硅强化。C增加强度，塑性韧性下降。控制≤0.25％Mn细晶；固溶强化显著，降低韧性。控制＜1.8％Si固溶强化非常显著，但降低韧性。控制＜1.1％低合金高强度钢发展微珠光体钢C≤0.15%，σs：345～440MPa低碳贝氏体钢C0.20%，σs：450～800MPa低碳马氏体钢0.1%C，σs：＞900MPa低碳，V、N微合金化细晶和沉淀强化低碳，Mo、B微合金化，细晶和沉淀强化控轧控冷，空冷低碳贝氏体低碳，Mo、Nb、V、B微合金化，细晶和沉淀强化控轧控冷，空冷低碳马氏体，且“自回火”第3章机械制造结构钢服役条件→破坏形式→力学性能要求变形→屈服强度，断裂→强度极限拉伸剪切弯曲冲击变形→屈服强度，断裂→强度极限变形→刚度或屈服强度，断裂→强度极限变形→屈服强度，脆性断裂→韧性疲劳脆性断裂→屈服强度、韧性和表面质量摩擦磨损→硬度韧性断裂→强度，脆性断裂→韧性工艺性能要求压力加工性能、切削加工性能、热处理性能调质钢0.45～0.70%C60Si2Mn、50CrVA0.60～0.90%C65、65Mn0.95~1.15%CGCr15、GCr15SiMn渗碳钢弹簧钢滚动轴承钢0.10～0.25%C20CrMnTi、20SiMnVB低碳：心部韧性；合金化：淬透性和细晶0.35～0.50％C45、40Cr、40CrNiMo中碳：综合性能；合金化：淬透性和回火稳定性中高碳：屈服强度；合金化：弹性极限、淬透性和回火稳定性高碳：强度和硬度；合金化：淬透性、弹性极限和疲劳强度耐磨钢高锰耐磨钢超高强度钢低合金超高强度钢马氏体时效钢ZGMn13-1…ZGMn13-5“水韧处理”0.9%～1.45%C；11%～14%Mn低合金耐磨钢NM300、NM400…NM600≤0.35%C；1.6%～1.7%Mn；Cr；Mo0.3～0.5%C：≤5%Me≤0.03％C：18～25％Ni；Mo、Ti、Al、Co和Nb等微合金非调质钢＜0.40％C；Ti、Nb、V非调质钢通过微合金化、控轧控冷等强韧化方法，达到或接近调质钢力学性能的钢。低碳贝氏体钢与低碳马氏体钢(第二、三代非调质钢)工程材料的失效类型及性能要求。变形：包括弹性变形、塑性变形、蠕变变形。断裂：脆性断裂和韧性断裂腐蚀：如应力腐蚀、氢脆、点蚀等。磨损：粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损等。弹性变形：刚度、屈服强度失效类型失效的性能要求塑性变形：屈服强度蠕变变形：强度极限、韧性脆性断裂：韧性韧性断裂：强度极限腐蚀：耐蚀性磨损：硬度工具钢的特点工具钢分类按用途分类：刃具钢、模具钢、量具钢按成分分类：碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢具有足够高的硬度、红硬性良好的耐磨性，即抵抗磨损的能力具有一定的强度和韧性一定的热疲劳性、导热性和耐磨腐蚀性能良好的热处理工艺性第4章工模具钢耐磨性与韧度的合理配合是工具钢的主要矛盾。碳素工具钢T8、T10、T12工作温度200℃低合金工具钢工作温度250～300℃9SiCr、CrWMn合金化目的：淬透性、回火稳定性、细晶、耐磨性高速工具钢工作温度达650℃W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2合金化目的：高硬度，高耐磨性，且高红硬性。冷作模具钢热作模具钢C：0.3～0.6％Cr12型、6W6Mo5Cr4V合金化目的：高强度硬度，高耐磨性，一定韧性。4Cr5MoSiV合金化目的：热强性、热稳定性未溶或回火形成的碳化物，均能提高硬度和耐磨性。淬火加热时碳化物溶解进入奥氏体的元素淬火加热时未溶碳化物中的元素才能以碳化物形式，阻止晶粒长大，起细化晶粒作用。才能影响C曲线位置，提高淬透性；才能在回火时析出碳化物，提高回火稳定性，产生二次硬化。二次硬化淬火钢回火时，合金碳化物的析出，造成硬度升高的现象。二次淬火高合金淬火钢回火冷却时残余奥氏体转变为回火马氏体的现象。1）合金量高，导热性很差。预热可减少加热过程中的变形开裂倾向；缩短高温保温时间，减少氧化脱碳。2）钢中碳化物比较稳定，高加热温度目的是使奥氏体中固溶足够多的合金元素，淬火获得高合金度的马氏体，在回火时产生有效的二次硬化效果。3）淬火马氏体回火稳定性非常高，在560℃左右回火，才能弥散析出特殊碳化物。多次回火使残余奥氏体更多地转变为回火马氏体，且使内应力消除得更彻底。4）分级淬火目的：降低热应力和组织应力，尽可能地减小工件的变形与开裂。高速钢的热处理工艺比较复杂，试回答下列问题：1）淬火加热时，为什么要预热?2）高速钢W6Mo5Cr4V2的AC1在800℃左右，但淬火加热温度在1200~1240℃，淬火加热温度为什么这样高?3）高速钢回火工艺一般为560℃左右，并且进行三次，为什么?4）淬火冷却时常用分级淬火，分级淬火目的是什么?简答高速钢中W、V、Cr合金元素的主要作用。W：提高红硬性、耐磨性的主要元素；V：提高红硬性、耐磨性的重要元素，能有效细化晶粒，且VC也细小；Cr：提高淬透性和抗氧化性。简述高速钢的铸态组织特征。在淬火加热时，易产生的3种现象下金相组织上各有什么特征。高速钢的铸态组织为：黑色组织（混合型）+白亮组织（M和AR）+莱氏体欠热：晶粒细小，碳化物很多；过热：晶粒较大，碳化物较少；过烧：晶界有熔化组织，即鱼骨状或黑色组织。4）W使碳化物易形成网状。试分析CrWMn中合金元素的作用。1）Cr、W、Mn复合，淬透性较高；2）残余奥