工程材料的成分、组织、性能、选材、工艺与应用

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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 天

2、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：（1）碳化物（c）形成元素：

3、弱碳化物形成元素，MnMn3C（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、A3，使S点左移）。（2）扩大A区元素：Ni、Cu、Mn、C、N（降低A自由能（GA），增加A稳定性）。2、碳化物（c）形成元素的性质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

4、。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）（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

5、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（0.25%

6、C）、超低C（0.1%C）韧化基体（极为有效）。总结：强韧化最佳的组织状态：强化的细晶基体（细马氏体）+细粒状、弥散均匀第二相。五、合金元素在钢中的作用（热处理过程中）1、强化a、强碳化物形成元素（Me强）：Cr，Mo，W，V，Nb，Ti形成第二相C（Cr7C3、Mo2C、W2C、VC、NbC、TiC）产生第二相强化。b、Mn、部份Cr、Mo、W非碳化物形成元素Ni、Si、Co、N、B、P产生固溶强化。（采用多元少量合金化可在强化的同时，不使韧性明显下降）。2、细化A晶粒（加热中），冷后细化F、M。（Cr、Mo、W、V、Nb、Ti）Me强，形成C钉扎A晶界阻止A长大，（固溶的Me强也能固定Fe

7、阻止A长大，但固溶的C、N、P作用相反）Al形成AlN阻止A长大。3、提高淬透性（淬火中）A中固溶态元素C、B、Mn、Cr、Mo、Ni（Al、Co除外）均能提高淬透性。a、扩大A区元素：降低GA（A自由能）推迟AP转变（C、Mn、Ni）使C曲线右移提高淬透性。b、C形成元素：阻止C扩散推迟AP转变（Mn、Cr、Mo）。c、B：在A晶界空位处，降低A晶界能，推迟AF、P转变。采用多元少量合金化提高淬透性效果更好。4、提高回火稳定性（回火中）回火稳定性：钢在回火过程中抵抗回火软化的能力。M中的固溶态元素：Cr、Mo、W、V、Si、Co。a、Me强（Cr、Mo、W、V）：（1）阻止C扩散，阻止Fe3

8、C析出，使M在更高的回火温度下保存。（2）在高温回火中（500-600以合金C(Cr7c3、Me2C、W2C、VC)的形式（细粒状、硬、稳定）在M中沉淀出，产生强烈的沉淀硬化（二次硬化）。b、Si：阻止Fe3C长大（高Si墙）。c、Co：促进高温回火中Mo2C、W2C的沉淀。5、合金元素对钢的其他影响（1）对Ms的影响a、固溶态扩大A区元素：C、Ni、Mn降低GA降低GAM（GA-GM）推迟AM转变降低MS。b、固溶态小尺寸元素（C、N），大尺寸的元素Mo、W，增加M的晶格畸变，提高GM减少GAM推迟AM转变，降低MS。c、Al、Co提高GA，提高MS。降低MS将使A%（残余A）提高，对钢的性

9、能有如下影响：利：A有韧化作用（M晶间薄膜）；A在后续的变形中可以产生再强化（双相钢、耐磨钢）；可以产生A钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢）。弊：A过多使强度，硬度下降，尺寸不稳定（工具、滚动轴承），A可用冷处理消除。（2）含Cr、Ni、Mn的钢回火中（高温）产生回火脆性。固溶的Cr、Ni、Mn促进杂质元素在高温回火冷却中向晶界偏聚，导致晶界脆化。防止途径：纯化精炼，减少杂质。高温回火冷却时快冷（油冷）。加Mo、W可降低回火脆性倾向（如40CrNiMo、40CrMnMo）。六、钢的分类和编号（一）分类1、按C%不同分为：低碳钢 中碳钢 高碳钢C% 0.6%2、按质量不同分为：普通钢 优质钢 高级优质

10、钢杂质元素含量： 较多 较少 最少3、按用途不同分为：（二）编号（或牌号）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

11、:C%为1.2%的碳（T）素工具钢T10A：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

12、.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）对于

13、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%。第一章作业题、思考题1、对下列元素进行分

14、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、A3上升的元素（4）使A1、A3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

15、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5、合金元素的强化和细化作用对提高钢的使用性能有何贡献？6、合金元素提高淬透性对钢的使用性能有何贡献？7、合金元素提高回火稳定性对钢的使用性能有何贡献？8、比较38CrMoAl和40Mn2的A化加热温度和回火温度的高低，请说明理由。9、Mn、Cr、Ni、C使MS下降，使钢淬火至室温后的M%下降，这是否意味着淬透性下降？10、分别叙述固溶强化、晶界强化、第二相强化、位错强化的强化机制的共同点和不

16、同点。11、钢中的合金元素是通过什么途径来实现固溶强化，细晶强化，第二相强化，位错强化等强化机制的。12、总结钢的韧化途径。13、指出合金元素降低MS点的利、弊。14、提高淬火加热温度对钢的淬透性，回火稳定性有何影响？15、Ti对钢的过热倾向、淬透性和回火稳定性有何影响？16、C%对钢的淬透性的影响如何？是否C%高，钢的淬透性就高？17、为什么产生“二次硬化”的钢有高的红硬性？18、分别指出下列几中元素提高钢淬透性的机理：C、Mn、Cr、Mo、B、Ni19、指出淬火介质的选择原则。20、为何高碳钢淬火后A%较高？21、Ni、Mn、C降低MS，使淬火后M%减少，是否意味着降低淬透性？22、从热力

17、学的观点分析降低GAM，为何使MS降低？23、TTT曲线的形状为何为“C”形？24、解释下列钢号（指出按用途分类的钢种名称，含碳量和合金元素含量）09MnV, 9Mn2V, W, V, GCr9, 20Gr2Ni4A, 20CrB, 1Cr18Ni9Ti, Cr25Si, T12, T12， 20, 20Cr, 08F, Q235-AF, T9A, Q235-DZ。25、指出按用途分类的下列各钢种的类型名称和各符号的含意。Q195-AF, Q235-CZ, Cr12, 1Cr13, Cr13SiAl, 12MnPXt, T8, GCr9SiMn, 40， 40Cr, 16Mn, 40Mn2,

18、1Cr18Ni9Ti, W18Cr4V, 18Cr2Ni4WA。26、合金元素使Fe-Fe3C 相图中的S点左移，这对C曲线的形状有何影响？27、分析钢中由C的偏析所致的带状组织的机理及消除的方法。第二章 构件用钢（工程用钢）构件用钢：用于制造各种大型工程金属构件（桥梁、船舶、屋架、压力容器、锅炉）的钢材。一、性能要求1、较高的强度、韧性、塑性。2、高的抗蚀性。3、优良的工艺性（焊接、冷变形）。二、成分及热处理1、碳素构件用钢普碳钢（1）成分：低碳：（WC=0.2%）+S、P、O、N、H杂质（2）热处理：不进行，热轧（或冷轧后）使用（F+P），（用于不重要的民用工程构件）。2、普通低合金构件用

19、钢普低钢(1)成分:低碳（WC0.2%）+少量Mn、Mo、V、Nb、Ti、RE、B12Mn 16Mn 09MnNb 16MnNb 10MnPNbRE 14MnMoVBREMn：固溶强化F基体，使S点左移，C曲线右移，增P%，并细化P片层。V、Nb：细化 Mo、B：产生贝氏体（B）P：产生P2O5表面抗蚀膜 RE：韧化（2）热处理：一般不进行，热轧后使用（F+P）（桥梁、船体、车体）重要件（压力容器）（选14MnMoVBRE）：淬火+高温回火（650）低碳回火索代体（S）。第二章作业及思考题1、16Mn中的Mn是通过哪些途径提高其强度的？2、与12Mn相比，12MnPRE有何优越性？与12MnP

20、RE相比，10MnPNbRE又有何优越性？3、指出14MnMoVBRE中各元素的主要作用。其中Mo、B、V三元素的搭配有何意义？4、为什么构件用钢均为低碳钢？5、为什么Mo和B的搭配能获得B钢？6、对下列3种材料各例举出应用实例各一例。Q235-DZ 16Mn 14MnMoVBRE第三章 机器零件用钢零件的加工工艺流程：锻，预备热处理（正火或退火），切削，最终热处理（淬火、回火、表面处理）磨削，成品。预备热处理：正火：WC58，现在有20Cr、50Mn、08F三种钢，请选二种制造凸轮轴，其热处理工艺如何，才能达到性能的基本要求。23、20CrMnTi是什么钢？其中各合金元素起什么作用？指出其各

21、热处理工艺名称最终组织名称，例举出其适用的零件。24、某厂欲制作压力容器紧固螺栓，但库房内刚好无调质钢，试在下列几种材料中选一合适材料代替，并指出其最终热处理名称和最终组织名称，说明这样做能代替调质钢的理由。09MnV GCr15 20Cr25、下列三图分别是40Cr钢调质处理后的组织（前二图），和GCr15钢球化退火后的组织，分析各组织形貌的产生原因。第四章 工具钢一、碳素工具钢、低合金工具钢（Me10%）用于造制高速机动切削刀具（轫、钻头、锐刀、滚齿刀、机锯条）1、性能要求高的红硬性、硬度、耐磨性，一定韧性（抗弯强度高）。2、成分高碳（0.71.65%）：高碳马氏体和大量沉淀型合金碳化物来

22、源高合金：红硬性元素W、Mo、Cr、V、Co(Co：提高高速钢熔点回火中促进C沉淀和阻止其长大)。淬透性元素：Cr、Mo 杂质少，纯净度高：改善韧性。W18Cr4V W6Mo5Cr4V2 W2Mo10Cr4Co83、热锻和热处理特点（1）热锻：反复纵横锻打（改锻），打碎粗大网状、鱼骨状碳化物（共晶C）使之均匀分布。（2）热处理：特点：淬火中用分级加热和冷却（高合金钢传热慢）：减少内应力、变形、开裂。、淬火加热温度高（为使碳化物更多溶入A中，提高淬火后马氏体中的C%和Me%，从而提高马氏体的回火稳定性和红硬性）。回火温度高（在产生“二次硬化”的回火温度下回火，为产生回火“二次硬化”）二次硬化：高

23、合金工具钢在较高温度（560）下回火，其硬度反而上升的现象。二次硬化产生原因：a、固溶于M中的Me（Cr、Mo、W、V）阻止M分解，使M基体能保存到高温。b、在高的回火温度下（560），有大量硬而稳定的细粒状合金碳化物沉淀（与基体共格）产生强烈的沉淀硬化。c、回火冷却中有部分残余奥氏体转变成马氏体，产生“二次淬火”。回火次数多（3次）：消除上一次回火冷却中的淬火应力，进一步提高硬度。三、中高合金模具钢（中合金：Me：510%）（一）冷作模具钢用于冷冲模、冷剪机剪刀、拉丝模Cr12、Cr12MoV、Cr4W2MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2最终热处理：方案1：9501050 淬火+1

24、50250低温回火M+C粒+A 韧性好，硬，用于变冲击的冷冲模，冷剪机剪刀。方案2：10801120 淬火+510520 23次回火（产生“二次硬化”）M+C粒 红硬性高 用于拉丝模新型模具钢：基体钢：65Nb(65Cr4W3Mo2VNb)（剩型C%）（二）热作模具钢（硬度要求不如冷模具）热锻模、热挤压模用钢1、热锻模用钢：5CrNiMo 5CrMnMo 5CrMnSiMoV最终热处理：淬火（850900）+500-550回火（调质处理）S（或T）2、热挤压模用钢（红硬性要求高于热锻模）3Cr2W8V 4CrW2Si 4Cr5MoSiV 4Cr5W2SiV最终热处理：11201160 淬火+5

25、50回火23次（产生“二次硬化”）最终组织：M+C第四章作业及思考题1、为什么回火中产生“二次硬化”的钢有高的红硬性？并指出“二次硬化”对红硬性大小的影响规律。2、请描出高速钢淬火后的组织以及淬火后三次回火后的组织，并予以解释。3、指出钢产生“二次硬化”的原因和条件。4、Cr12、CrW5钢的主要缺点是什么？应如何弥补？5、与W18Cr4V相比，W6Mo5Cr4V2有何优点和缺点。6、有人说，对高速钢淬火后可用一次3小时保温的回火来代替三次1小时保温的回火，问这种说法对吗？为什么？7、指出淬火加热温度对高合金工具钢的淬火后的硬度和韧性的影响规律。8、T8(0.8%C)钢心部未淬透，试指出心部组

26、织名称，并描绘出其金相显微形貌。9、淬透性和淬硬性有何区别，是否淬透性高的钢淬硬性也一定高。10、仓库有GCr15、W6Mo5Cr4V2、T10、45、35CrMnSi、Cr12MoV等材料，现车间需要制造下列零件或工具：(a)小手工锻模；(b)车刀；(c)硅钢片冲模；(d)拉丝模；（e）千分尺；（f）轻载小齿轮，请选用材料并写出应进行的最终热处理工艺名称。11、现有材料：16Mn、15MnVB、40Cr、38CrMoAl、T9A、08F、CrWMn、GCr15、W18Cr4V、42CrMo、Q235-AF、20CrMnTi，欲作下列各件，试合理选材并指出其最终热处理和最终组织名称。机车柴油机

27、曲轴（大尺寸）、机床变速箱齿轮、连杆螺栓（选二种）、桥梁、机车外壳、磨床主轴、拖拉机齿轮、床身固定螺栓。12、分析引起车刀在工作中不耐磨的可能原因。13、分析引起车刀在工作中易崩刃的可能原因。14、画出W18Cr4V钢淬火后在回火过程中温度与冲击韧性的关系曲线，并用其相对应的组织变化规律予以解释。15、试分别下出W18Cr4V钢制车刀和钻头的最终热处理工艺（要求定出淬火温度、冷却方式、回火温度），并说明每一工序的目的。16、现有材料Cr4W2MoV、Cr12、5CrNiMo、3Cr2W8V、4Cr3Mo2V、W18Cr4V、GCr15欲作下列条件：冷冲模A（要求：硬度高，红硬性好），冷冲模B（

28、小尺寸，耐冲击）、铣刀、量具、热锻模，试合理选材，并定出最终热处理工艺（要求定出淬出温度，回火温度）并指出最终组织名称。17、现有材料：W18Cr4V、Cr12、T7A、CrW2MoV、GCr15、T12A，欲作：切纸用的刀片、小榔头、拉丝模、小尺寸冷冲模、千分尺、试合理选材。18、指出W6Mo5Cr4V2中各元素的主要作用。19、指出Cr4W2MoV的二种最终热处理工艺和各工艺适用的模具种类。20、指出5CrNiMo和3Cr2W8V各自的最终热处理工艺和各自所适用的模具类型。21、某T12钢工具经Acl+3050的较长时间保温后再水冷，发现表面有一些铁素体组织，问原因何在？22、为什么在正常

29、淬火情况下，过共析钢的淬透性随C%的增加而下降？第五、六章 特殊性能钢（特种钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢）一、不锈钢1、电化学腐蚀（生锈）的原理（以P组织为例）Fe3C(阴极)和(阳极)组成一个微电池，其数量愈多，腐蚀愈严重。2、抗锈蚀途径及常用不锈钢介绍（1）降低C%，减少碳化物数，减少微电池数。（0Cr18Ni9Ti）（2）加Ni产生单相奥氏体钢（1Cr18Ni9Ti）（采用固溶处理），加Cr产生单相铁素体（1Cr17）。（3）加Cr，产生表面保护膜（Cr2O3）（1Cr13、1Cr18Ni9Ti、1Cr17）。（4）Ni、Cu惰性元素，产生表面惰性层。（5）Ti：优先形成TiC（夺取C），

30、防止Cr23C6在晶间析出，防止晶间腐蚀。二、耐热钢耐热性：1、抗高温氧化性（热稳定性：钢在高温下抗氧化和高温介质腐蚀的能力）。2、热强性：钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，高温下，原子固定，组织稳定，则热强性好。1、提高耐热性途径（1）加Cr、Si、Al在钢表面形成保护膜（Cr2O3、SiO2、Al2O3）抗高温氧化。（2）加Mo、W、Co可以强化Fe原子金属键的结合力，提高热强性。（3）加V、Ni、Ti在钢中形成高温稳定的化合物（VC、Ni3Ti）。（4）加Ni产生高温稳定的A基体，并使工作升温中无相变。（5）B：稳定晶界，与Mo搭配产生空冷贝氏体。2、常用耐热钢a、热稳定

31、性钢：Cr19Al3Si Cr18Si2 Cr24Al2Sib、热强钢：12Cr2MoWSiVTiB（蒸气管道锅炉）15Cr11MoV 4Cr14Ni14W2Mo4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)（高温紧固件，喷气发动机涡轮盘）三、新型的高Mn耐磨钢（用于重载摩擦件，如：推土机前挡板，坦克履带、圆盘锯锯身）ZGMn13、C%1%、Mn%=13% ZG：铸钢高C：（1）下降Ms；（2）沉淀物Mn3C来源（提高耐磨性）、（对韧性要求不高、C可以多一些）。高Mn：（1）下降Ms；（2）促进加工硬化；（3）沉淀物Mn3C来源。热处理：水韧处理1100加热保温（消除第二相）+水冷（抑制第二相析

32、出）A（过饱和Mn,C）工作中，受重压，表面产生再强化，提高耐磨性。产生再强化原因：（1）A产生强烈加工硬化（含Mn多）（2）A形变M（3）变形Mn、C在A中溶解度下降，在位错处沉淀出细而弥散的Mn3C颗粒产生应变时效硬化。第五、六章作业及思考题1、Cr12钢能当不锈钢用吗？为什么？2、总结奥代体型钢的用途，要求每一种用途举世闻名一种钢的牌号，并说明其满足该使用性能要求的原因。3、指出晶间腐蚀的原因及防止的途径。4、总结不锈钢抗腐蚀的途径。5、指出耐热钢提高耐热性的途径。6、某厂欲用1Cr18Ni9Ti作下列两种硫酸容器，试制定两种热处理工艺，以保证它们能正常使用。容器A：在室温下工作。 容器

33、B：在600工作7、从元素符号特点来识别下列钢种名称（请不要看书）：1Cr25Ti、Cr13SiAl、1Cr18Ni9Ti、Cr18Ni25Si2、12Cr3MoVSiTiB、OCr15Ni26MoTi2AlVB、Cr14Ni14W2Mo8、总结多元少量合金化的优越性，并从正反两方面的钢种中举例分析讨论。9、举例总结碳化物形成元素的各性质在钢的性能上所起的作用。10、有人将ZGMn13用来制作喷沙机的喷咀，其耐磨性还不如45钢喷咀，试指出主要原因。11、指出下列各钢中Mn、Cr、Mo、Ti的作用：（注各钢中同一元素作用不同，应分别回答）（1）16Mn、40Mn2、ZGMn13中的Mn的作用。（

34、2）40Cr、1Cr18Ni9、Cr12、12Cr3MoVSiTiB中的Cr作用。（3）42CrMo、W6Mo5Cr4V2、12Cr3MoVSiTiB中的Mo的作用。（4）20CrMnTi、1Cr18Ni9Ti中Ti的作用。12、描出经硝酸酒精溶液腐蚀的T12钢试样的平衡态金相组织图，用电化学腐蚀原理和光学原理解释各组织形态。第七章 铸铁铸铁：C%2.11%的铁碳合金。一、铸铁的成分与组织1、成分特点：（1）Si量高（2.2-4.0%C, 1.03.0%Si）（2）S、P杂质含量较高2、组织：钢基体（F、F+P、P）+石墨（G）：C的纯晶体C在钢中存在的方式：（1）固溶于F中，（2）以Fe3C

35、的形式存在。C在铸铁中存在的方式：（1）、（2）与钢相同，（3）以G的形式存在。3、石墨的晶体结构与性能（1）晶体结构：简单六方，晶胞中原子排列较稀，原子间结合力小。（2）性能特点：强度、硬度、塑性、韧性均很低。（G相当于钢基体上的微裂缝或孔洞。）二、石墨化条件（1）足够高的C、Si量（C：石墨的来源，Si：强烈促进石墨化的元素）即碳当量 CE=C%+1/3(Si%)要足够高。（Si使共晶点的C%减小1/3Si%）（2）足够慢的冷却或在高温下保温的时间足够长。三、石墨化条件与铸铁室温基体组织的关系及铸铁的分类石墨化条件愈充分，G%愈多，Fe3C%愈少，则P%愈少，F%愈高，基体组织由P向P+F

36、、F演变。当石墨化条件不能较好的保证时，铸铁中将出现含有大量Fe3C的白口组织（莱氏体（Fe3C+P），当石墨化条件完全不能保证时，将形成含纯白口的白口铸铁。铸铁的分类：1、按石墨化程度不同铸铁分为：灰口铸铁 麻口铸铁 白口铸铁钢基体+G 钢基体+白口组织+G 全为白口组织2、灰口铸铁按G的开头不同又细分为：灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁石墨形状 片状 团絮状 球状铸铁编号 HT100 KT300-6(F基),KTZ450-5(P基) QT400-17 b=100Mpa =6%四、灰铸铁1、组织：钢基体（F、F+P、P）+片状石墨2、力学性能（1）拉伸、冲击载荷下的性能b、ak值很低（片状G相当于

37、钢基体中的微裂缝）片状G的尺寸、数量对性能的影响起主导作用。（2）压载荷下的性能抗压强度（bc）、硬度接近钢基体的性能（抗压不抗拉）3、其它性能及相应的应用（1）铸造性好，用作外形复杂件（如箱体、机壳）（2）减震性好，用作承压件（如床身、底盘）（3）减摩性好，用作摩擦件（活塞环、汽缸夺、导轨）（4）切削性好4、灰铸铁的热处理特点：热处理作用不大（因石墨对性能起主导作用），热处理的种类少。（1）去应力退火：500-550加热，保温，炉冷。目的：去铸造应力。（2）高温石墨化退火：850-900加热，保温，炉冷。目的：消除白口组织，降低硬度，便于切削。（3）表面淬火（高频淬火、火焰淬火、电接触淬火）

38、+低温回火。目的：提高表面硬度，耐磨性。五、改善铸铁性能的途径（使G细化、球化）（一）孕育处理（变质处理）孕育铸铁浇铸前在铁水中加入Si-Fe、Si-Ca（钙）粉、浇铸后冷至室温P+细片状（二）可锻化处理可锻铸铁（玛钢）白口铸件高温石墨化退火（900-950加热、保温、冷却）P（空冷）+团絮状G，F（炉冷）+团絮状G。常用于薄臂小尺寸件，如：弯管。（三）球化处理球墨铸铁浇铸前在铁水中加入剂（Xt（稀土）-Mg（镁）、变质剂（Si-Fe、Si-Ca粉），浇铸后冷至室温钢基体（P、P+F、F）+球状G球墨铸铁的力学性能接近钢基体的性能，经相应的热处理后可以代中碳钢用作轴和齿轮等传动件。第七章作业及

39、思考1、已知有五种铸铁在室温组织如下所列，试分别指出每一种铸铁由液态至室温组织如下所列，试公别指出每一种铸铁由液态至室温的冷却中，经历的各石墨化阶段的石墨化程度（注：石墨化程度可分：完全石墨化、部分石墨化、完全未石墨化）。1.P+G 2.P+白口组织+G 3.F+G4.纯白口组织 5.F+P+G2、请回答下列几种情况，碳当量是多一些好，还是少一些好？（1）可锻铸铁件（浇铸+G化退火）（2）厚壁灰口铸铁件，要求钢基体全为珠光体。（铸态）（3）小尺寸球墨铸铁件，要求获得完全的铁素体基体。（铸态）（4）球墨铸件，要求较高的强度（铸态）3、总结石墨的形状由片状的改善，对铸铁带来了哪些主面的变化？4、某

40、铸铁浇铸后表面太硬，问可能的原因？如何消除？今后如何避免？5、铸铁石墨化程度太低有何不良后果？是不是愈高愈好？为什么？6、球墨铸铁铸态为牛眼状铁素体+珠光体+G的组织结构，问这种组织产生的机理，对性能有何危害？应怎样才能变为碎块状铁素体+珠光体+G的结构。7、有人用可锻铸铁作机床床身，而用灰铸铁作薄壁小尺寸件，这种作法是否合理？为什么？8、有人说，铸铁的碳当量小于4.26%时为亚共晶铸铁，大于4.26时为过共晶铸铁，等于4.26%时为共晶铸铁，这种说法对吗？为什么？9、有人说，如果将几种仅C%不同的铸铁在共析转变温度以上几十度保温，由于这时它们中的A的C%一样，只要用同一种冷速冷至室温，则应该

41、得到同样的钢基体组织，这种说法对吗？为什么？10、灰口铸铁为什么具有优良的铸造性，耐磨性，减振性，切削加工性。11、分别粗略地画出铸态的灰铸铁和球墨铸铁的b、HB、ak随C%变化的关系曲线。并说明理由。12、Si使共晶点左移对G化有何影响？为什么？第八章 有色金属及合金一、铝及其合金（一）纯铝（面心立方）优点：轻，导电，导热，抗蚀等性能好，耐高、低温、塑性好。缺点：强度低（二）铝合金（Al-Cu,Al-Si,Al-Mg）1、铝合金的热处理（以4%Cu的Al-Cu合金为例）：固溶处理+时效处理Al-Cu相图中：L-液相， a-Al基固溶体 -CuA12金属化合物固溶处理：在单相区加热、保温，水冷

42、过饱和。时效处理：过饱和在室温或某一低温下停留，让相的过渡相沉淀出来，产生时效强化，进一步提高强度。时效强化：过饱和固溶体在室温或某一低温下停留，其强度、硬度提高的现象。2、铝合金的变质处理浇铸前在液态铝合金中加入变质剂（2/3NaF+1/3NaC1）、搅拌、浇铸后冷至室温。细化组织，提高强韧性。3、常用铝合金防锈铝合金：LF5、LF11，抗蚀性好、塑性好、强度较低管道、容器、框架。硬铝：LY1、LY11、LY12超硬铝：LC4、LC6， 强度较高（时效强化）受力支架、铆钉锻铝：LD7、LD10铸铝：ZL101、ZL102、ZL201、ZL401铸造性能好，经变质处理后性能明显改善外形复杂、能

43、抗蚀的铸件，如：活塞、箱体、机壳。二、轴承合金（一）软基体+硬质点类软基体：嵌藏硬颗粒，储油。硬质点：承压。特点：磨合性、润滑性好，但承载能力偏低。锡基轴承合金-ZchSN11-6，铅基轴承合金ZchPbSb16-16-2（二）硬基体+软质点类硬基体：承压。软质点：嵌藏硬颗粒，储油。特点：磨合性、润滑性不太好，但承载能力较高。铜基轴承合金-ZQPb30，铝基轴承合金-Al-20Sn-1Cu。铁基轴承合金-铸铁。第八章作业及思考题1、指出铝合金时效硬化的原理、条件。2、粗略画出Al-Cu合金的时效硬化程序了随Cu%变化的关系曲线。3、画出变质处理前后ZL102的金相组织，用指示线标出组织名称，指

44、出变质处理改善其强韧性的原理。（结合图解释）4、某厂欲将硬铝LY11铆钉铆接到大型受力构件上去，要求铆钉的使用态应是时效硬化状态。试制定出合理的热处理和铆接过程的工艺流程。5、随Cu%增加，Al-Cu%合金的抗蚀性，压力加工性，铸造性将如何变化？为什么？6、指出黄铜的、b随Zn%的变化规律。7、现有材料：20Cr、T12、Q235-AF、08F、18Cr2Ni4WA、ZQpb30、QT800-2、Cr12、25Cr2MoV、ZChPbSb16-16-2、HT200、9SiCr、W18Cr4V、GCr15、40Cr、T7A、60Si2Mn、16Mn、09MnV、Cr4W2MoV焊接容器，冷冲模（

45、要求硬而耐冲击）、冷冲模B（要求：硬、并且热硬性好）、连杆螺栓（选二种）、机车驱动齿轮、机床紧固螺栓、沙发弹簧、机车弹簧、汽轮机螺栓（工作温度500）、滚动轴承、机床齿轮、重载滑动轴承、车刀、丝锥、小马力柴油机凸轮轴（选三种），变速箱箱体，桥梁。要求：（1）合理选材（2）指出其最终热处理名称及最终组织名称（模具、车刀要求写出淬火、回火温度）第十章 高聚物材料一、高聚物的性能与组织结构的关系性能特点：性能大小因离聚物种类不同而差异很大（即性能的分数性、多样性）。（一）重量轻（优点）密度在0.832.2g/cm3，为钢的1/81/4，铝的1/2。（1）均由轻元素C、H、O等有机元素组成。（2）材质

46、的致密度有限，具有一些孔隙。（二）弹性、粘弹性与塑性大多数高聚物的弹性为平衡弹性，个别高聚物具有粘弹性。1、粘弹性变形方式：为含有塑性变形的粘弹性变形（即弹塑性变形滞后于所加的应力）。2、产生原因为：链段运动受阻需时间来调整构象以适应外力的要求。3、粘弹性过程的三种行为（1）蠕变：极缓慢的塑性变形（2）应力松驰：弹性拉长后，内部的弹性回复应力逐渐衰减。（3）内耗：在交变外应力作用下，外力产生的变形功被部分损耗。4、弹性和塑性的影响因素（弹性变形的难易，弹性变形量大小）高分子链中单键内旋转链段运动链的柔顺性（能由构象变化获得不同卷曲程度的特性）弹性和塑性链的柔顺性弹性（弹性变形易，变形量大），塑

47、性链的柔顺性的影响因素：（1）主链以Si-O链（单键）柔顺性最好，C-O键次之，C-C键最差。（2）主链含有芳杂环时不能内旋柔顺性（3）主链上侧基取代基的数量愈少，分布密度愈小，体积愈小，极性愈弱柔顺性（4）取代基对称分布主链间距柔顺性（5）线型分子的柔顺性高于体型高分子的柔顺性（6）无定型分子结构的柔顺性高于晶态分子结构的柔顺性（三）强度高聚物强度远低于金属。（20-100MPa）强度的影响因素：1、主链中共价键的结合力（键能）愈大，分子间的结合力愈大强度2、大分子的聚合度值愈大（即链愈长）强度3、结构单元的键接方式中，头一尾连接的强度较高4、分子链柔顺性小强度5、大分子的聚集态中：取向态强

48、度晶态强度非晶态6、分子的形状：体型分子强度（硬度）线型分子强度支链型分子强度7、纯净度高、杂质少、缺陷少强度（四）韧性（远低于低碳钢）韧性为拉伸曲线（应力应变）下的面积，故强度、塑性同时均高则韧性高。高分子混合物（高分子合金）具有优良的强韧综合性能。交联度大的体型大分子结构硬度虽高但太脆。（五）高的绝缘性，低的介电常数，可作优良的绝缘材料外层电子成为共价键中的电子对，无自由电子和可移动的离子，饱和的非极性高聚物绝缘性极性高聚物绝缘性温度绝缘性（六）高的抗蚀性（1）高聚物因是绝缘体，电流不能通过，不存在电化学腐蚀。（2）共介键结合，化学稳定性好。（七）耐热性高温下保持其物理，力学性能的能力。晶

49、态分子耐热性非晶态分子耐热性体型分子耐热性线型分子耐热性主链中含有氟、磷和氯原子的杂链，可提高耐热性链的柔顺性耐热性（八）高聚物的老化老化：由于受光、热、氧、化学介质和微生物的影响，高聚物的性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用仿值的过程。机理：大分子链产生降解或交联。防止措施：（1）添加各种助剂（热稳定剂、抗氧剂、紫外光吸引剂、屏蔽剂、防霉剂）；（2）减少高聚物中缺陷（纯化）。二、几种常用聚合物材料介绍（一）塑料1、聚乙烯（PE）特点：优良的耐蚀性和绝缘性，强度、刚度、耐热性也较好。应用：耐蚀件（化工管道、阀门），电缆绝缘层，小载荷齿轮，容器，软管，薄膜。2、聚四氟乙烯结晶性高分子化合物（结晶度5

50、575%左右）特点：低的摩擦系数，高耐蚀，耐高温，耐低温，绝缘性好。应用：轴承、活塞环、耐蚀化学管道、接头、容器、飞机、火箭、导弹上的耐热元件（高压导管），绝缘薄膜，绝缘层。（二）合成纤维（能被高度拉伸成纤的高聚物）特点：纤维方向上有高的强度。结构条件：线型对称性好的分子，分子量大（分子链足够长，分子量分散性小），主价和次价键力强。主要合成纤维品种：（1）绵纶纤维（尼龙-6）（尼龙-66）强度，耐磨性高骼作线、绳、渔网、降落伞、运输带、衣料、袜子。（2）碳纤维利用腈纶纤维热裂解制得腈纶纤维热裂解环烃梯形结构1500-3000加热析出C以外的所有元素碳纤维碳纤维的特性：高强度，高弹性模量，极高的耐热性（1500），耐低温（-180）用途：用作树脂基复合材料的增强纤维。（三）橡胶（弹性体）1、橡胶的高弹性特征（1）弹性形变大；（2）弹性模量小；（3）粘弹性明显；（4）形变有热效应。2、橡胶的加工工艺3、主要橡胶品种（1）天然橡胶原料：橡胶树胶乳综合性能好，抗拉强度高于一般合成橡胶，价格低，耐老化性差。用途：轮胎，各类橡胶制品（胶管、三角皮带）。2、合成橡胶原料：石油、煤品种：（1）通用橡胶丁苯橡胶，顺丁橡胶，异戊橡胶，乙丙橡胶，氯丁橡胶，丁基橡胶。性能与应用