《金属材料学复习资料 个人整理版》 一
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一、钢铁材料
_把加入合金元素总量小于5%的钢，称为低合金钢；合金10%的钢称为高合金钢；在5%~10%之间的钢称为中合金钢。合金元素对临界点的影响：合金元素对碳钢的重要影响是改变临界点的温度和碳含量，使合金钢和铸铁的热处理制度不同于碳钢。奥氏体形成元素Ni、Mn等使共析温度A1向下移动；铁素体形成元素Cr、Si等则使共析温度A1向上移动。合金元素对A3的影响同A1。
决定组元在置换固溶体中的溶解条件是：溶剂与溶质的点阵结构、原子尺寸因素和电子结构。也就是组成元素在元素周期表的相对位置。
原子半径对溶解度的影响是比较大的，一般规律为：ΔR 8%，可形成无限固溶体； ΔR 15%，形成有限固溶体；ΔR 15%，溶解度极小。
按照碳化物形成能力由强到弱排列，常用碳化物形成元素有Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe等。它们都是过渡元素。过渡族金属元素可依其与碳的结合强度的大小分类。钛（Ti）、锆（Zr）、铌（Nb）、钒（V）、是强碳化物形成元素；钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr)是中等强度碳化物形成元素；锰（Mn）和铁属于弱碳比物形成元素。
钢中常见碳化物可分为简单点阵和复杂点阵结构。属于简单点阵结构有M2C型、MC型，其特点是硬度高、熔点较高、稳定性较好。复杂点阵结构有M23C6型、M7C3型、M3C型等，相当于简单点阵结构的碳化物来说，其特点是硬度较低、熔点较低、稳定性较差。M6C型碳化物是复杂点阵结构，但是从性能上接近简单点阵结构，稳定性要比M23C6型、M7C3型好。
合金元素对铁的多型性转变的影响（1）扩大 相区 合金元素使A3温度下降，A4温度升高， 稳定存在相区扩大，（a）与 -Fe无限互溶，Ni、Mn、Co开启 相区，当合金元素量足够大时，为奥氏体组织。（b）与 -Fe有限溶解，C、N、Cu扩展 相区。(2)封闭 相区，使A3升高A4下降， 相区稳定存在相区缩小。（a）与 -Fe无限互溶，A3↑A4↓ 相区完全被封闭。（b）与 -Fe有限溶解，Mo、W、Ti， 相区被封闭，在相图上形成 圈。（3）缩小 相区。
合金元素对S、E点的影响1、凡是扩大 相区的元素均使S、E点向左下方移动，如Mn、Ni等2、凡是封闭 相区的元素均使S、E、点向左上方移动，如Cr、Si、Mo等S点左移，
意味着共析碳含量减小。E点左移，意味着出现莱式体的碳含量减小。
合金元素对临界点的影响合金元素对碳钢的重要影响是改变临界点的温度和碳含量，使合金钢和铸铁的热处理制度不同于碳钢。奥氏体形成元素Ni、Mn等使共析温度A1向左下移动；铁素体形成
元素Cr、Si等则使共析温度A1向上移动，合金元素对A3的影响同A1.
碳化物形成的一般规律1、碳化物类型的形成2、相似者相溶3、强碳化物形成元素优先于碳结合形成碳化物4、NM/NC比值决定了碳化物类型5、碳化物稳定越好，溶解越难，析出越难，聚集长大也越难。
合金钢的加热奥实体化：合金钢加热时的转变包括奥氏体相的形成，碳化物和铁素体的溶解。奥氏体相中合金元素的均匀化，溶质元素的晶界平衡偏聚，奥氏体晶粒长大。
合金元素对马氏体转变的影响：绝大多数合金元素都降低Ms点，递减排序C、Mn、Ni、Cr、Mo、W、Si只有钴和铝相反，它们升高Ms点。
如果再加热过程中不分解，则在冷却时发生残留奥氏体向马氏体的转变，又称为二次淬火
原位析出是指在回火过程中合金渗碳体原为转变成特殊碳化物。
异位析出是指直接由 相中析出特殊碳化物。
第一类回火脆性又称低温回火脆性、不可逆回火脆性其特征是：不可逆，如果已经出现回火脆性的钢，再加热到更高温度回火，可以将脆性消除。脆性的产生与会或冷却速度无关；脆性的表现特征为晶界脆断。产生原因一般认为：钢在200-350℃回火时，Fe3C薄膜在原奥氏体晶界上或马氏体板条间形成，削弱了晶界强度；P、S、Bi等杂质元素容易发生内吸附现象，偏聚于晶界，也降低了晶界的结合强度。
第二类回火脆性又称高温回火脆性，其特征：钢在发生脆性后，可在合适的工艺条件下重新处理消除脆性，但是在回火后采用缓冷的方法，仍然可以再次发生脆性。第二类挥霍脆性是可逆的；脆性是在回火后缓冷产生的，回火侯快冷可抑制脆性的产生；表象特征也是晶界脆断。产生原因一般认为：钢在450-650℃回火时，杂质元素Sb、S、As等偏聚于晶界；或N、P、O等杂质元素偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低晶界强度；高于回火脆性温度，杂质元素扩散离开了晶界，或化合物分解了；快冷是为了抑制杂质元素的扩散。
合金元素对第二类回火脆性有很大影响，一般认为：P、Sn、B、S、As、Bi等杂质元素是引起回火
脆性的根源，称为脆化剂；Mn、Ni、Cr、Si等元素促进了钢的回火脆性，这些元素与杂质元素共同存在时才会产生回火脆性现象，它们促进了杂质元素的偏聚，因此可称为助偏剂；Mo、W、Ti等元素有效地抑制了其他元素的偏聚，是清洁剂，稀土元素也能抑制回火脆性。
合金钢三大优点是：晶粒细化，淬透性高，回火稳定性好。缺点是存在回火脆性。
合金元素强化机理从本质上说有四种：固溶强化、位错强化
、细晶强化和第二相弥散强化
固溶强化机理：原子固溶于钢的基体中，一般都会使晶格发生畸变，从而在基体中产生了弹性应力场，弹性应力场与位错的交互作用将增加位错运动的位错阻力。
位错强化机理：随着位错密度的增大，大为增加了位错产生交割、缠结的概率，所以有效地阻止了位错运动，从而提高了钢的强度。对体心立方结构晶体，位错强化效果较好。但是在强化的同时，同样也降低了伸长率 ，提高了韧脆转变温度TK。
根据位错的作用的过程，主要有切割机制和绕过机制。在钢种主要是绕过机制。根据第二相形成过程，可分为两种情况：回火时第二相弥散沉淀析出强化；淬火时第二相强化。
影响韧度的因素（1）导致强化的组织因素（2）置换固溶元素（3）晶粒度（4）碳化物或其他脆性相（5）杂质
提高钢韧性合金化途径（1）细化奥氏体晶粒，Ti、Nb、V、W、Mo（2）提高钢的回火稳定性（3）改善机体韧度（4）细化碳化物（5）降低或消除钢的回火脆性W、Mo（6）保证强度水平下，适当降低碳含量（7）提高冶金质量（8）通过合金化行程一定量的残余奥氏体，利用稳定的残余奥氏体来提高材料的韧度。
二、工程结构钢
工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%（质量分数）的普通碳钢基础上，通过添加一种或多种少量合金元素，使钢的强度明显碳素钢的一类工程结构用钢。按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等；按显微组织可分为铁素体-珠光体、微珠光体钢、针状铁素体钢，低碳回火马氏体钢，低碳贝氏体钢和双相钢。
工程结构钢的基本要求（1）足够的强度和韧性（2）良好的焊接性和成型工艺性（3）良好的耐腐蚀性。
在铁素体-珠光体钢中，珠光体含量是影响钢强度的主要因素之一。
Nb、V、Ti单个元素或它们组合是经常采用的，
它们的作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢晶粒主要通过（1）阻止加热时奥氏体晶粒长大（2）抑制奥氏体形变再结晶。
针状铁素体钢实际上也属于超低碳贝氏体钢。它在低合金钢的基础上，当钢的碳含量低于0.06%时，添加适量的Mn、Mo、Nb等其它元素，形成的一种具有高密度位错亚结构的“针状铁素体”组织的钢。针状体素体钢的主要强化机制是：极细的贝氏体型铁素体晶粒或板条、高的位错密度、细小弥散分布的碳氮化物、固溶在贝氏体型铁素体中的碳等间隙原子的强化和固溶在铁素体的合金元素的置换固
溶强化。
低碳贝氏体钢是指碳含量在0.10%-0.15%，在使用状态组织为贝氏体的钢的总称。主要用于制造容器的板材和其他钢结构
所谓的双相低合金高强度钢是指显微组织主要有铁素体和5%-20%的马氏体所组成的钢。具有：（1）低的屈服强度，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服。（2）均匀的伸长率和总的伸长率较大，冷加工性能好（3）塑性变形比 值很高（4）加工硬化率n值大。
三、机器零件用钢
根据钢的生产工艺和用途，可分为调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和易削钢等。
合金元素的另一主要作用是提高回火稳定性，改善回火索氏体的韧性。
调质钢的碳含量在0.25%-0.45%。根据零件要求可选择碳含量，在保证强度的前提下，尽量选择较低碳量，以保证零件韧性。常用合金元素有Cr、Mn、Mo、V、Si、Ni、B等。调质钢按淬透性分为低淬透性钢、中淬透性钢和高淬透性钢。
调质钢中加入Mn，能大为提高钢的淬透性，但容易使钢有过热倾向，并有回火脆性倾向。Cr元素在提高钢的淬透性的同时，还提高回火稳定性，但是有回火脆性倾向。Ni是非碳化物形成元素，能有效地提高钢基体韧度，并且Ni-Cr复合加入，提高淬透性作用很大，但是也有回火脆性倾向。Mo能进一步提高淬透性，既提高回火稳定性，细化晶粒，又能有效的消除或大为降低回火脆性倾向。V是强碳化物形成元素，有效地细化晶粒，如溶入奥氏体能提高淬透性，能降低钢的过热敏感性。
弹簧主要有板簧、螺旋弹簧和其他弹性元件。弹簧主要作用是储能减振，板簧主要承受弯曲载荷，主要失效形式为疲劳破坏；螺旋弹簧根据他的不同用途有压簧、拉簧和扭簧等，主要承受扭转应力，其主要失效形式也是疲劳破坏。
弹簧钢应有较好的冶金质量和组织均匀性，要严格控制材料的内部缺陷；由于弹簧工作时表面承受的应力为最大，所以弹簧应具有良好的表面质量。表面不允许有裂纹、夹杂、折叠、严重脱碳等，这些表面缺陷往往会成为高度应力集中的地方和疲劳裂纹源，显著的降低弹簧的疲劳强度。
碳素钢碳含量在0.60%-1.05%范围；低合金弹簧钢碳含量在0.40%-0.74范围。常加入硅、锰、铬、钒等合金元素，铬和锰主要是提高淬透性，硅提高弹性极限，钒提高淬透性和细化晶粒。为保证弹簧有较高的疲劳寿命，要求钢的纯净度高，非金属夹杂物少，表面质量高。
按弹簧钢制造特点，可分为热成型弹簧，得到回火索氏体。为了使弹簧具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限
、屈强比和最高的疲劳强度，采用中温回火是最适宜的。
根据轴承的工作条件和失效破坏情况，轴承钢的性能应满足（1）高而均匀的硬度和耐磨性（2）高的接触疲劳强度（3）高的弹性极限和一定的韧度（4）一定的耐蚀性（5）尺寸稳定性好（6）具有良好的冷、热加工性能。
轴承钢的球化退火主要目的是为最终淬火处理做好准备。球化退火加热温度一般为780-810℃，冷却方式有连续冷却和等温转变两种。轴承钢一般的工艺路线：锻（轧）→球化退火→机械加工→淬火→低温回火→磨加工。
渗碳钢中常用的合金化元素有锰、铬、镍、钨、钒、钛、钼等。合金元素锰、铬、镍的主要作用是提高渗碳钢的淬透性，以使较大尺寸的零件在淬火时心部能获得大量的板条马氏体组织。钛、钒、钨、钼等元素可以阻止奥氏体晶粒在高温渗碳时的长大，能细化晶粒。锰、铬、镍等元素还可改善渗碳层结构。锰是一个较好的合金元素，他对渗碳层性能有利，但容易使钢过热，宜和Ti、V等元素配合加入。
一般渗碳零件的渗碳热处理温度为930℃左右。渗碳后淬火温度处理常有直接淬火、一次淬火和二次淬火等方法。碳素钢和低合金钢常用直接淬火和一次淬火。如29CrMnTi钢齿轮在930℃渗碳后可以预冷到870℃直接淬火。。减少残余奥氏体量的方法有两种：意识淬火后进行冷处理；二十在淬火前进行高温回火，使残余奥氏体分解。
磨损机理一般有磨粒磨损、黏着磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损、解除疲劳磨损等。不同基体组织的耐磨性影响按铁素体、珠光体、马氏体、贝氏体顺序递增。
四、工模具钢
工具钢按其用途可分为人居钢、模具钢和量具
钢。工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两大类。高速工具钢因其成分和组织的特殊性以及产量大，一般另为一类。
碳素工具钢的碳含量一般在0.65%-1.35%，钢号从T7到T13。
为弥补碳素工具钢的不足而加入合金元素，如锰、硅、钨、钼、钒等元素。这些合金元素的加入提高了钢的淬透性，可用油淬等缓慢冷却的方式，减少变形开裂。适量的碳化物形成元素，如Cr元素，细化了碳化物，使合金渗碳体均匀分布且易于球化。Si元素能有效地提高低温抗回火稳定性，提高钢的强韧性。低合金工具钢在淬火前必须经过球化退火，得到粒状珠光体的原始组织，以利于切削加工。工具钢的等温淬火有贝氏体等温淬火和马氏体等温淬火两种。
钒在高速钢中能显著提高钢的红硬性，提高硬度和耐磨性，同时还能有效地细化晶粒，降低钢的过热敏感性。铬在高速钢中主要存
在于M6C中，Cr的溶入使M6C的稳定性下降，铬也增加高速钢耐蚀性和增大抗氧化能力，减少粘刀现象，改善刃具切削能力。
这种转变产物金相形态呈黑色，称为黑色组织。 相的共析反应也可能被抑制而过冷到低温，转变为马氏体M和残留奥氏体AR，形成所谓的白亮组织，高速钢的铸态组织常常由鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（ 共析体等）和白亮组织（M+AR）组成。
由于高速钢的导热率低，淬火加热温度又很高，所以都要进行预热。预热可减少工件在淬火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，还可以准确的控制炉温稳定性。
高速钢淬火加热保温时间确定的基本原则是：一定量碳化物融入奥氏体，而奥氏体晶粒不长大。对于一定的淬火温度，有一个合适的保温时间。
为改善和提高高速钢刃具的切削效率和耐用度，还广泛采用表面强化方法，主要是表面热处理或在刀具表面覆层。
Cr2MoV钢常用的热处理工艺有一次硬化法和二次硬化法两种。一次硬化法是采用较低的淬火温度和低温回火，二次硬化法是采用高的淬火温度，进行多次高温回火。淬火温度的波动可引起组织和性能的较大变化，这是这类钢的特点之一，另一个特点是可选择淬火温度和回火温度来控制工具的变形。
热作模具钢的碳含量一般在0.3%-0.6%，还加入Cr、Mo、W、Si、Mn、V等合金元素，以提高钢的各种性能。习惯上，根据工作条件热作模具钢可分为三大类：热锤锻模具钢，热挤压、热墩锻及精锻模具钢，压铸模用钢。
热锤锻模具钢的碳含量在0.45%-0.6%，以保证一定的硬度和冲击韧度。一般都加入1%左右的Cr，增加钢的淬透性，提高回火稳定性，改善钢的冲击韧度；Ni能显著的提高冲击韧度，和Cr共同作用大大提高了钢的淬透性；Mn主要是代替Ni，但Mn增加钢的过热敏感性并容易引起回火脆性；Si能提高刚的强度、回火稳定性和耐热疲劳性，但Si量过高时（>1%），会增加回火脆性，降低冲击韧度；Mo和V都能有效地细化晶粒，减少过热倾向，提高回火稳定性，Mo（W)最重要的作用是大大削弱钢的回火脆性，所以，不但热锤锻模具钢都含有Mo元素，而且所有的热作模具钢都用Mo（W)合金化。
五、不锈钢
钢的电化学腐蚀主要形式有均匀腐蚀、电腐蚀、晶界腐蚀、应力腐蚀、磨损腐蚀等。
根据不锈钢的基本组织，可将它分为五大类。（1）马氏体不锈钢主要有Cr13型不锈钢（1Cr13、2Cr13、3Cr13和4Cr13等），Cr17Ni2和9Cr18等。（2）铁素体不锈钢如0Cr17Ti，1Cr25Ti，00Cr27Mo等。（3）奥氏体不锈钢具有单向奥氏体组织，
其中铬镍奥氏体钢有0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、00Cr19Ni10、0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti等，铬锰镍奥氏体钢有1Cr18Mn8Ni5N，铬锰氮奥氏体钢有0Cr17Mn13Mo2N等。（4）奥氏体-铁素体复相不锈钢具有奥氏体加铁素体复相组织，如0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、0Cr17Mn13Mo2N、00Cr18Ni5Mo3Si2等。（5）沉淀硬化不锈钢如0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等。
Tammann定律是固溶体电极电位随铬含量变化的规律。当铬含量提高到25%原子比（即2/8）时，电位有一次突然升高，这种现象称为Tammann定律也称为二元合金固溶体电位的n/8定律。
奥氏体不锈钢焊接后，在腐蚀介质中工作时，在离焊缝不远处会产生严重的晶间腐蚀。其原因是在焊缝及热影响区（450-800℃），沿着晶界析出了（Cr，Fe）23C6碳化物，晶界附近的区域产生了贫Cr区（低于1/8定律的临界值）。
防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀（1）降低钢中的含碳量（2）在钢中加入强碳化物形成元素Ti、Nb，析出特殊碳化物，稳定组织，消除晶间贫Cr区的形成（3）对钢进行1
050-1100℃的固溶处理，保证固溶体中的Cr含量（4）对非稳定性奥氏体不锈钢可进行退火处理，使钢的奥氏体成分均匀化，消除贫Cr区，对稳定性钢，通过适当的热处理形成Ti、Nb的特殊碳化物，以稳定固溶体中的Cr含量，保证耐蚀所需要的含Cr量水平。
奥氏体不锈钢的热处理一般有固溶处理和稳定化处理。
六、耐热钢
铁的氧化物有Feb、Fe2O3、Fe3O4三种，当温度在570℃以下时，形成的氧化膜有Fe2O3和Fe3O4组成；当温度高于570℃时，氧化膜由FeO、Fe2O3、Fe3O4三层氧化物组成，接近一端是FeO，最外层是Fe2O3。所以在温度高于570℃时，铁的氧化过程大大加速，遵守抛物线规律。
钢的热强性能指标主要有蠕变极限、持久强度、高温疲劳强度和持久寿命等。
提高热强行的途径有强化基体、强化晶界、弥散强化等。
耐热钢种常用的合金元素有（1）铬提高钢抗氧化性能的主要元素。Cr能形成附着性很强的致密而稳定的氧化物Cr2O3，提高钢的抗氧化性，Cr也能固溶强化，提高钢的持久强度和蠕变极限。（2）钼、钨提高低合金耐热钢热强行能的重要元素。Mo溶入基体中起固溶强化作用，能提高钢的再结晶温度，也能析出稳定相，从而提高热强性。（3）铝提高钢抗氧化性的有效元素，Al不能单独加入，加入量也不宜太多，一般也是作为辅助合金化元素。（4）硅提高钢抗氧化性的有效元素。其效果比Al还要有效。（5）镍主要是为了获得工艺性良好的奥氏体组织而加入的。（6）钛、铌、钒这些强碳化物形成元素能形成稳定碳化物，提高钢的松弛稳定性。也提高热强性。
（7）碳碳能强化钢，在较低温度时，钢的蠕变主要是以滑移为主，碳有强化作用；在较高温度下，钢的蠕变是以扩散塑性变形为主，而碳促进了铁原子的自由扩散，所以起了不利作用。
七、铸铁
铸铁是指碳含量大于2.14%或组织中具有共晶组织的铁碳合金。
灰口铸铁：碳全部或大部分以球状石墨析出，凝固后断口呈暗灰色。球墨铸铁：碳全部或大部分以球状石墨形态存在。通过球化剂与铁水反应后凝固而得。儒墨铸铁：碳全部或大部分以蠕虫状石墨形态存在。通过蠕化剂与铁水反应后凝固而得。可锻铸铁：碳全部或大部分以游离团絮状石墨存在。白口铸铁：碳全部或大部分以化合态Fe3C形式存在，断口呈亮白色。冷硬铸铁：铸件表面一定深度是全白口组
织，心部是灰口组织。
渗碳体实际上只是一个介稳定相，而石墨才是稳定相。
从热力学条件来看，有利于石墨化的过程。动力学条件主要有成分起伏、能量起伏和结构起伏。
灰口铸铁有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350六个国家标准牌号。
根据片状石墨的形态，片状石墨有A、B、C、D、E、F六种不同类型，其中A型石墨最好。
灰口铸铁主要性能特点（1）抗拉强度较低、塑韧性很差（2）存在壁厚敏感效应（3）硬度和抗压强度（4）良好的减震性和减磨性（5）良好的铸造性、可切削性
球墨铸铁QT400-15，QT表示球铁代号，400表示最低抗拉强度（N/mm²）15表示最低断后伸长率（%）。典型牌号QT400-18、QT400-15、QT450-10.
球墨铸铁热处理特点（1）共析转变不是在恒定的温度下进行，而是在一个较宽的温度范围内进行。（2）Si显著提高共析转变温度，每增1%的Si，共析温度提高28℃。（3）铸铁组织的最大特点是存在石墨高碳相，它在处理过程中虽不发生相变，但会参与基体组织的变化过程。
球墨铸铁的热处理（1）消除内应力退火（2）高温石墨化退火（3）低温石墨化退火（4）正火处理和调质处理（5）等温淬火处理（6）表面淬火（7）化学热处理
石墨的形状、大小、数量、分布影响了铸铁基体性能的发挥程度，从而也基本上决定了铸铁的宏观力学性能。从片状石墨到球状石墨，使铸铁中石墨和基体的组织配合发生了质的变化。因为球状石墨割裂基体的作用较小，应力集中的现象也大为减轻，所以球墨铸铁基体的性能可得到较大的利用。