工程材料的成分、组织、性能、选材、工艺与应用.doc

1、材 料 学绪 论一、本课程的性质一门研究材料的化学成分，加工工艺，组织、性能及应用几者之间的内在联系，分析如何运用材料科学的基础知识解决各实际问题的综合性，实践性极强的专业课。二、本课程的目的使学生掌握如下能力：1、对各类工件所用材料进行合理选材和制定正确的热处理工艺（或其它加工工艺） ，以满足其使用要求。2、解决工件加工和使用中出现的各类早期失效问题。3、从事新材料、新工艺的开发和研制的初步能力。三、工程材料定义工程材料（结构材料）：用来制备在工作环境下承受载荷的工件的材料。四、参考书工程材料 朱张校 清华大学出版社金属材料学 王笑天 机械工业出版社复合材料（二十一世纪新材料丛书） 吴人洁

2、天津大学出版社第一章 钢的合金化基础一、合金元素（Me）的定义碳钢（碳素钢）：Fe+C+杂质元素（S 、 P、 Si、Mn、O 、H、N ）合金钢：Fe+C+合金元素（Me）+ 杂质元素合金元素：以改善钢的工艺性能和使用性能为目的，人为添加到钢中的元素。锰（Mn） 铬（Cr） 钼（Mo） 钨（W） 钒（V ） 铌（Nb） 钛（Ti） 镍（Ni） 铜（Cu） 钴（Co） 硅（Si） 硼（B ） 氮（ N） 铝（AL ） 稀土（ RE）杂质元素：混入钢中的元素硫（S） 磷（P） 硅（Si） 锰（Mn） 氧（O） 氢（H ） 氮（N）二、合金元素的分类及性质1、分类a、按是否形成碳化物（c）分为：（

3、1）碳化物（c）形成元素：弱碳化物形成元素，MnMn 3C（固溶态） ；强碳化物形成元素（Me 强 ）Cr 、Mo、W、V、Nb、Ti，其中：Cr、 Mo、 W（部分固溶态，部分化合态） ，V、Nb、Ti（化合态） 。（2）非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、B、Cu、Co、RE （固溶态）b、按对 Fe-Fe3C 相图各区的影响不同分为：（1）扩大 F 区元素（固溶态）：Cr、 Mo、 W、V、Nb、Ti 、Al、Si （提高 A1、A 3，使 S 点左移） 。（2）扩大 A 区元素：Ni、Cu、Mn、C、N （降低 A 自由能（G A） ，增加 A 稳定性） 。2、碳化物（c）形成元素的性

4、质a、愈强的碳化物形成元素，形成的碳化物愈稳定。b、愈强的碳化物形成元素，总是优先与 C 形成 C。c、 C中可溶其他合金元素（Me） ，当溶入的 Me 与 C 的结合力大于原 C中的元素与 C 的结合力时，溶入后所形成的新 C的稳定性增加，反之亦然。d、过剩型 C的强化效果低于沉淀型的 C的强化效果。三、钢的几种强化机理（1） 提 高 强 度阻 止 位 错 运 动氏 气 团小 尺 寸 溶 质 钉 扎 位 错 柯 滑 移 面 歪 扭溶 质 产 生 晶 格 畸 变固 溶 强 化 :（2）第二相强化：弥散均匀在基体中分布的第二相颗位阻止位错运动，提高强度。（3）晶界强化：细化晶粒增加晶界面积增加位

5、错运动阻力，提高强度。（4）位错强化：位错密度增加运动中产生缠结增加位错运动阻力提高强度。四、钢的韧化途径1、细化基体（F.M）和第二相（1）合金化：V、Nb、Ti，形成 VC、Nb、C、TiC，阻止 A 长大。（2）热处理：形变热处理，重结晶细化，快速加热淬火（激光淬火、离子束淬火、太阳能淬火、感应淬火） 。（3）快冷凝固：搅拌凝固、雾化、滴液成型法、急冷金属模铸造。（4）变质处理（4）消除网状，带状第二相，使之球化均匀分布（球化退火，改锻，淬火后回火） 。2、球化消除网状，带状组织，使之球化均匀分布（球化退火，改锻，淬火后回火） ，钢中加稀土元素球化第二相。3、纯化（1）精炼：真空熔炼、电

6、渣重熔。（2）加稀土（RE）：（去杂质） （15MnVNiRE、稀土重轨钢（包钢） ） 。4、复化：产生复相基体、M+A（晶间薄膜）5、消除残余内应力6、防止各种脆化现象产生（回火脆性、氢脆、晶间腐蚀、应力腐蚀）7、加 Ni 提高低温韧性。8、低 C+多元少量合金化的成份形式。用低 C（0.6%2、按质量不同分为：普通钢 优质钢 高级优质钢杂质元素含量： 较多 较少 最少3、按用途不同分为： 耐 热 钢不 锈 钢特 殊 性 能 钢量 具 用 钢模 具 用 钢刃 具 用 钢工 具 钢 钢调 质 钢 弹 簧 钢 滚 动 轴 承渗 碳 钢机 器 零 件 用 钢构 件 用 钢结 构 钢（二）编号（或牌

7、号）1、碳钢的编号（1）普通碳素结构钢（普碳钢）Q235-A.F Q235：该钢的屈服强度（ S）=235MPaA：该钢的质量等级为 A 级（共有 A、 B、C、D四级，按顺序 A 级质量最差，D 级的质量最好）F：该钢为沸腾钢（Z ：镇静钢，b：半镇静钢）（2）优质碳素结构钢08F 08:C%=0.08% F：沸腾钢（无 F 则为镇静钢）10 15 20 25 30 35 40 4565：分别表示 C%为0.1%、0.15%、0.2%0.65%的优质碳素结构钢（镇静钢）ZG25:C%=0.25%的铸钢，上述无 ZG 则为轧制型钢（3）碳素工具钢T12:C%为 1.2%的碳（T ）素工具钢T1

8、0A：其中 A：表示高级优质的工具钢，上述无 A 则为优质的工具钢。2、合金钢编号（1）合金结构钢18Cr2Ni4WA, 18:C%=0.18%,Cr2:Cr%=2%,Ni4:Ni%=4%,W:W 的后面无数字，表示 W%低于 1.5%，A：高级优质钢，无 A 则为优质钢。40Mn2:C%为 0.4%,Mn%为 2%的优质合金结构钢40Cr:C%为 0.4%,Cr%低于 1.5%的优质合金结构钢16Mn:C%为 0.16%Mn%低于 1.5%的优质合金结构钢GCr15 G：滚动轴承钢，Cr15:Cr%=1.5%(并非 15%)，C%为1%左右。（2）合金工具钢9Mn2V, 9:C%=0.9%,

9、Mn2:Mn%=2%,V:V%低于 1.5%。Cr12,前无数字：表示 C%高于 1.0%,Cr12:Cr%=12%注意：合金结构钢和合金工具钢的编号的主要区别是：前者为两位数居首，而后者为一位数居首，或首无数字。（3）特殊性能钢0Cr18Ni9Ti, 0:C%在 0.1%以下， Cr18:Cr%=18%, Ni9:Ni%=9%, Ti:Ti%低于 1.5%。1Cr13:C%=0.1%,Cr%=13%的特殊性能钢该类钢的主要特点是：Cr%、Ni%高（通常 Cr%13%） 。上述各类的钢编号的总规律：（1）数字居首者，C%=0.数字%，1Cr13:C%=0.1%, 08F:C%=0.08%。（2

10、）对于 T7、T8、T10 、T12 类编号，数字为一位时，则小数点居前，当数字为两位时，则小数点居中，数字后再加%构成 C%。如 T7:C%=0.7%, T10:C%=1.0%, T12:C%=1.2%。（3）对于合金工具钢，如编号前无数字，则 C%大于1%，Cr12MoV:C%大于 1%。（4）除 GCr15,Gr9 类编号的 Cr%=（数字 10）%外，其它编号中合金元素含量均为元素符号后数字+%（无数字则表示含量小于 1.5%） 。如 GCr15: Cr%=1.5%, GCr9:Cr%=0.9%。Cr12:Cr%=12% W18Cr4V:W%=18%,Cr%=4% V%1.5%。第一章

11、作业题、思考题1、对下列元素进行分类：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si 、Al、Nb、V、Ti、Cu（1）扩大 r 区元素 （2）扩大 a 区元素（3）使 A1、A 3 上升的元素 （4）使 A1、A 3 下降的元素（5）碳化物形成元素 （6）非碳化物形成元素2、比较平衡冷至室温后，40 钢和 40Mn2 钢中的珠光体含量，珠光体中 C%大小，并说明理由，哪一种钢的组织的强度更高，如将它们在同一奥氏体化温度下加热保温，其奥氏体晶粒大小有无差别？为什么？3、有人探测出某钢含 Fe、C、Mn、Si、N 、Ni、Cu、S 、P 等元素，是否能断定该钢就是合金钢？4、试对下列各元素进行分类：Nb、Mo、Mn、V、P、W、Co 、Si、 Ni、Cu 、Al、Cr、B、Ti（1）阻止 A 晶粒长大的元素 （2）促进 A 晶粒长大的元素（3）提高淬透性的元素 （4）降低淬透性的元素（5）使 MS 下降的元素 （6）使 MS 上升的元素（7）提高回火稳定性的元素 （8）降低回火稳定性的元素（9）促进回火脆性的元素