钢的合金化原理

1 合金化原理 (1)

主要内容： (1)

1.1 碳钢概论 (1)

一、碳钢中的常存杂质 (1)

二、碳钢的分类 (2)

三、碳钢的用途 (2)

1.2 钢的合金化原理 (3)

一、合金元素的存在形式※ (3)

二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响 (4)

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 (5)

四、合金元素对钢的热处理的影响 (6)

五、合金元素对钢性能的影响 (7)

1.3 合金钢的分类 (7)

1 合金化原理

主要内容：

概念：

⑴合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。

⑵杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。

⑶碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

⑷合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。

①低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

②中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。

③高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

④微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。

1.1 碳钢概论

一、碳钢中的常存杂质

1.锰（Mn ）和硅（Si ）

⑴Mn：W

％<0.8％①固溶强化②形成高熔点MnS夹杂物（塑性夹杂物），减Mn

少钢的热脆（高温晶界熔化，脆性↑）

％<0.5％①固溶强化②形成SiO2脆性夹杂物，

⑵Si：W

Si

⑶Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。2．硫（S）和磷（P）

⑴S：在固态铁中的溶解度极小， S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。

发生热脆 (裂)。

⑵P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

⑶S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮（N）、氢（H）、氧（O）

⑴N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢析出氮化物—机械时效或应变时效（经变形，沉淀强化，强度↑，塑性韧性↓，使其力学性能改变）。N可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

⑵H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

⑶O：在钢中形成硅酸盐（2MnO?SiO2、MnO?SiO2）或复合氧化物（MgO?Al2O3、MnO?Al2O3）。

⑷N、H、O是有害杂质。

二、碳钢的分类

1．按钢中的碳含量

⑴按Fe-Fe3C相图分类：亚共析钢，共析钢（Wc=0.77% ）；过共析钢

⑵※按钢中碳含量的多少分类：低碳钢：w c ≤0.25% ；中碳钢：0.25%＜w c≤

0.6% ；高碳钢：w c＞0.6%

2．按钢的质量（品质），碳钢可分为

①普通碳素钢②优质碳素钢③高级优质碳素钢④特级优质碳素钢

3．按钢的用途分类，碳钢可分为※

⑴碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。

⑵优质碳素结构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。

⑶碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。

⑷一般工程用铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。

4．按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为

⑴沸腾钢（脱氧不彻底）代号为F。⑵镇静钢（脱氧彻底）代号为Z。

⑶半镇静钢（脱氧程度介于F与Z之间），代号为b。

⑷特殊镇静钢：指进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。

三、碳钢的用途

1-普通碳素结构钢（※不经热处理）

⑴主要用于一般工程结构和普通零件

⑵热轧后空冷是这类钢通常的供货状态

⑶普通碳素结构钢的牌号表示方法：由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分组成例：※Q235A、Q235B、Q255

2-优质碳素结构钢（亚共析钢或共析钢，一般经热处理）

⑴用于较为重要的机械零件

⑵供货状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态，

⑶牌号一般用两位数字表示：※20钢、45钢、08F、10F、15F、20q、16MnR、①优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们是08F、10F、15F。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。②高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。③专用优质碳素结构钢：※20g

⑷按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两组。※如15Mn 、45Mn等。（Mn为加进去的合金元素，但含量处于杂质与低合金钢中的合金元素之间）

注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。

3-碳素工具钢（经热处理）

⑴主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。

⑵牌号一般用标志性符号“T”※例T12，T8含C量分别为1.2％与0.8％；读法：碳12，碳8；

⑶含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以Mn，如T8Mn，T8MnA。

⑷T7，T8，T9……T13（※随C↑，硬度↑耐磨性↑，韧性↓）：T7，T8承受一定冲击韧性，如木工用斧、钳工用凿子等；而T12，T13硬度及耐磨性最高，但韧性最差不承受冲击韧性，如锉刀、铲刮刀等，

4-一般工程用铸造碳素钢

⑴其碳含量一般小于0.65%。

⑵牌号用符号“ZG”如ZG340-640表示其屈服强度不小于340MPa，抗拉强度不低于640MPa的铸钢。

1.2 钢的合金化原理

一、合金元素的存在形式※

1．形成铁基固溶体

⑴形成铁基置换固溶体：①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以γ-Fe为基的无限固溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。

②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。

③Nb、Ti只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；

⑵形成铁基间隙固溶体

间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加：对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙；对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。

2．形成合金渗碳体或碳化物

⑴合金渗碳体（碳化物）：(Fe,Mn)3C 、 TiN、TiC、 Ti（C、N）等；

⑵过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：

①强（氮化物、碳化物）：具有简单的点阵结构NbC、NbN、Nb（C、N）

②中（合金渗碳体、碳化物）：具有复杂的点阵结构Cr7C3、（Fe、Cr）3C

③弱（合金渗碳体）在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C 等。

3．形成金属间化合物

金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。例：σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、4．形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相

⑴钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MnS、FeS等。非金属夹杂物一般都是有害的。

⑵※AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金。

⑶在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。

二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对γ层错能的影响

1．合金元素与铁的相互作用

⑴γ相稳定化元素（奥氏体形成元素）：使A3（912℃）降低，A4（1393℃）升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了γ相区。

①开启γ相区(无限扩大γ相区)：这类合金元素主要有Mn、Ni、Co等。

②扩展γ相区(有限扩大γ相区)：由于合金元素与α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶体，最终不能使γ相区完全开启。这类合金元素主要有C、N、Cu、等。

⑵α相稳定化元素（铁素体形成元素）

合金元素使A4降低，A3升高，在较宽

的成分范围内，促使铁素体形成，即缩

小了γ相区。

①封闭γ相区(无限扩大α相区)；

②缩小γ相区(不能使γ相区封闭)。

※例：加Cr得到铁素体不锈钢（不发

生相变，α区变大）加Mn、Ni、Co得

奥氏体不锈钢。

2．合金元素与碳的相互作用

⑴形成碳化物

①碳化物形成元素：Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元素均位于Fe的左侧。

②非碳化物形成元素：Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。

③碳化物的特性：

ⅰ硬度大、熔点高（可高达3000℃），分解温度高（可达1200℃）；

ⅱ具有明显的金属特性；

ⅲ可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C 等。

⑵Me对固溶体中碳活度及扩散系数的影响

①活度：ⅰ碳化物形成元素增加固溶体中碳与合金元素之间的结合力，降低其活度。ⅱ非碳化物形成元素，相反将“推开”碳原子，提高其活动性，即增加碳的活度ⅲ应用：在研究碳化物、氮化物和碳、氮化合物在奥氏体中的溶解和冷

却时它们从固溶体中的析出，以及热处理过程中元素在各相间的再分配这些问题时，具重要意义

②扩散激活能和扩散系数：

ⅰ碳化物形成元素：提高了

C在A中结合力，因而使扩

散激活能升高扩散系数下

降。（如Cr、Mo和W等）ⅱ

非碳化物形成元素：降低了

C在A中的结合力，因而使

扩散激活能下降，扩散系数升高。（如Ni、Co）

ⅲ需要指出的是Si是个例外（Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的活动性）

ⅳ总之，合金元素与碳的相互作用具有重大的实际意义: 它关系到所形成的碳化物的种类、性质和在钢中的分布。同时对钢的热处理亦有较大的影响，如奥氏体化温度和时间，奥氏体晶粒的长大等。

3．合金元素对奥氏体层错能的影响

⑴层错能：晶体中形成层错时增加的能量。

⑵层错能越低，越有利于位错扩展和形成层错，使滑移困难，导致钢的加工硬化趋势增大。

⑶举例：高Mn钢和高Ni钢都是奥氏体型钢，但加工硬化趋势相差很大。

①※高Ni钢易于变形加工，Ni、Cu和C等元素使奥氏体层错能提高。

②※高Mn钢则难于变形加工，Mn、Cr则降低奥氏体的层错能。

三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响

1．合金元素对奥氏体、铁素体区存

在范围的影响

⑴扩大γ相区的合金元素(如Ni、Co、

Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在

的区域。

⑵缩小γ相区的合金元素(如Cr、W、

Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图

中奥氏体存在的区域。

2．合金元素对Fe-Fe3C相图共析点S的影响

⑴Me对共析转变温度的影响

①扩大γ相区的元素使铁碳合金

相图的共析转变温度下降；②缩

小γ相区的元素使铁碳合金相图

的共析转变温度上升。

⑵Me对共析点（S）成分的影响

①几乎所有合金元素都使S点（图

1-9）碳含量降低，尤其以强碳化物

形成元素的作用最为强烈。

②共晶点E的碳含量也随合金元素增加而降低。

③合金元素使得S与E点左移

四、合金元素对钢的热处理的影响

1．Me对钢加热时奥氏体形成过程的影响

原因：

①合金元素的加入改变了临界点的温度、S点的位置和碳在奥氏体中的溶解度，使奥氏体形成的温度条件和碳浓度条件发生了变化；

②由于奥氏体的形成是一个扩散过程，合金元素原子不仅本身扩散困难，而且还将影响铁和碳原子的扩散，从而影响奥氏体化过程。

奥氏体形成过程：①奥氏体的形核②奥氏体的长大③渗碳体的溶解④奥氏体成分均匀化

⑴Me对奥氏体形成速度的影响

①奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。ⅰ非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。ⅱ强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。

②碳化物的溶解：稳定性高的碳化物，要求其分解并溶入奥氏体中，必须提高加热温度，甚至超过其平衡临界点几十或几百度。

③奥氏体的成分均匀化：由于碳化物的不断溶入，不均匀程度更加严重。要使奥氏体成分均匀化，碳和合金元素均需扩散。

④注意：由于合金元素的扩散很缓慢，因此对合金钢应采取较高的加热温度和较长的保温时间，以得到比较均匀的奥氏体，从而充分发挥合金元素的作用。但对需要具有较多未溶碳化物的合金工具钢，则不应采用过高的加热温度和过长的保温时间。

⑵Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响

原因：合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。

①Ti、Nb、V等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中

易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈阻止晶粒

长大；

②W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；

③Ni、Si、Co、Cu等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微；

④Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强

烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较

短。

2．Me对钢的过冷奥氏体分解转变的影响

主要表现在合金元素可以使钢的C曲线发生显著变化。※※

①对高温转变（珠光体转变）的影响；②对中温转变（贝氏体转变）的影响；

③对低温转变（马氏体转变）的影响。

⑴对珠光体转变的影响

①除Co外，几乎所有的合金元素使C曲线右移（↑A稳定性）

②Me的加入对钢还有固溶强化的作用；

③合金元素只有当淬火加热溶入奥氏体中时，才能起到提高淬透性的作用。（如果淬火加热温度不高，保温时间较短，由于未溶碳化物粒子能成为珠光体转变的核心，使淬透性下降。）

④两种或多种合金元素同时加入对淬透性的影响要比两单个元素影响的总和强得多∴合金钢采用多元少量合金化原则，可最有效地发挥各种合金元素提高钢的淬透性的作用。

⑵对贝氏体转变的影响

原因：合金元素对贝氏体转变的作用是通过对γ→α转变和碳原子的扩散的影响而起作用。

①合金元素还改变贝氏体转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度。

②B、Mo、Mn对贝氏体转变的影响。

⑶对马氏体转变的影响：

合金元素的作用表现在对马氏体点Ms~Mf温度的影响，并影响钢中残留奥氏体含量及马氏体的精细结构。

①除Co、Al以外，绝大多数合金元素都使Ms和Mf下降

②Ms和Mf点的下降，使得室温下残留奥氏体量增多（温度差↓转变少）

3．合金元素对淬火钢的回火转变过程的影响

主要表现在提高钢的回火稳定性，即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。

⑴Me对马氏体分解的影响⑵Me对残余奥氏体转变的影响

⑶Me对碳化物的形成、聚集和长大的影响⑷Me对铁素体回复再结晶的影响

⑸Me对回火脆性的影响（Mo、W、Ti、Al和稀土元素减弱回火脆性）

五、合金元素对钢性能的影响

⑴⑵

1.3 合金钢的分类

1．按化学成分分类

⑴按钢中所含合金元素的种类分，可分为：锰钢、铬钢、硅钢等

⑵按钢中合金元素总质量分数分，可分为：低合金钢、中合金钢和高合金钢，微合金钢。

2．按钢的用途分类

⑴合金结构钢：工程构件用钢（低合金高强度结构钢）和机械制造用钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和超高强度钢）。

⑵合金工具钢：刃具钢（低合金刃具钢和高速钢）、量具钢和模具钢（冷作模具

钢和热作模具钢）。

⑶特殊性能钢：抗氧化钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢和易削钢等。

3．按金相组织分类

⑴按退火后的组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。

⑵按正火后的组织分：铁素体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。4．按冶金质量分类

⑴普通低合金钢⑵优质低合金钢

⑶高级优质合金钢⑷特高级优质合金钢

第三章-钛合金及合金化原理

第三章-钛合金及合金化原理

第三章钛合金及合金化原理 3.1钛合金相图类型及合金元素分类 1.钛合金的二元相图 （1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。（2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。 V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。Ti-V系中无共析反应和金属化合物。 Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。 Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。 （3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。只要铝当量低于8%～9%，就不会出现α2相。Sn是相当弱的强化剂，但能显著提高热强性，以锡合金化时，其室温塑性不降低而热强性增加。微量的B可细化钛及其合金的大晶粒，Ga可以与钛良好溶合，并显著提高钛合金的热强性。氧是较“软”的强化剂，在含量允许的范围内时，不仅可保证所需的强度水平，而且可以保证足够高的塑性。 （4）第四种类型与α、β均有限溶解，并且有共析分解的相图，有Ti-Cr、Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co、Ti-Ni、Ti-Cu、Ti-Si、Ti-Bi、Ti-W、Ti-H。 Ti-Cr系中，形成的Ti2Cr化合物有两种同素异晶形式，其固溶体以δ和γ表示。Cr属于β稳定元素，在α钛中的溶解度不超过0.5%。Cr含量大于9%时，通过淬火可将β相固定到室温。Cr可以使钛合金有好的室温塑性并有高的强度，同时可保证有高的热处理强化效应。 Ti-W系中,会产生偏析转变：β′ ? α + β′′。偏析反应温度较高，Ti-W系的热稳定性比Ti-Cr合金高的多。W在α钛中的溶解度不高。W含量大于25%时，通过淬火可将β相固定到室温。 氢降低钛的同素异晶转变温度，形成共析反应，从而使β固溶体分解而形成α相和钛的氢化物，在共析温度下氢在α钛中的溶解度为0.18%。氢组成间隙型固溶体，属于有害杂质，会引起钛合金的氢脆。在非合金化钛和以α组织为基的单相钛合金中，氢脆的主要原因是脆性氢化物相的析出，急剧降低断裂强度。在两相合金中，不形成氢化物，但形成氢的过饱和固溶体区，在低速变形时引起脆性断裂。在β相含量小的合金中，这两种产生联合作用。纯钛和近α

金属材料的强化机理讲解

材料结构与性能读书报告--金属材料的强化机理

摘要 综合论述金属材料强化原理，基本途径，文章从宏观性能—微观组织结构—材料强化三者的相互依存关系，叙述了材料强化的本质、原理与基本途径作了论述。金属的强化可以改善零件的使用性能，提高产品的质量，充分发挥材料的性能潜力，延长工件的使用寿命，在实际应用中，有着非常重要的意义。对工程材料来说，一般是通过综合的强化效应以达到较好的综合性能。具体方法有固溶强化、形变强化、沉淀强化和弥散强化、晶界强化、位错强化、复相强化、纤维强化和相变强化等。 关键词：强化；细晶；形变；固溶；弥散；相变

Abstract In this paper a summary is made on the principle of material strengthening,basis way and new technology of heat treatment.The essence,principle and basis ways of strengthening various materials were expounded in terms of their microscope properties,microstructure and material strengthening technology.：Metal strengthening can improve the performance of parts, improve the quality of products, give full play to the properties of materials, extend the use of workpiece potential life, in practical applications, has a very important significance. A systematic discussion was made about the explantation of the potential of materials.For engineering materials, it is usually by the strengthening effect comprehensive to achieve good comprehensive performance. Specific methods have solid-solution strengthening,distortion and deposition strengthening ,he complex phase strengthening,fiber reinforced and phase change aggrandizement, etc. Keywords：strengthen; fine grain; deformation; solution; dispersion; phase transition

第一章 钢的合金化原理作业题 参考答案要点

第一章钢的合金化原理作业题参考答案要点 1、名词解释： 1）合金元素：特别添加到钢中用以改变钢的组织、提高钢的性能的化学元素。2）微合金元素：有些合金元素如V，Nb，Ti和B等，当其含量只在0.2%左右甚至更低时（如B 0.002%）时，也会显著地影响钢的组织与 性能，将这种化学（合金）元素称为微合金元素。 3）原位析出：在淬火回火过程中，合金元素溶解于原渗碳体中，当其溶解度超过其最大溶解量后，合金渗碳体转变为特殊碳化物的析出方式。4）离位析出：在淬火回火过程中，直接从α相中析出特殊碳化物的析出方式。5）二次硬化：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，在500- 600℃范围内回火时，在α相中沉淀析出这些元素的特殊碳化物，并使钢的 HRC和强度提高的现象。 6）二次淬火：在强K形成元素含量较高的合金钢淬火后，残余奥氏体十分稳定，甚至加热到500-600℃回火时升温与保温时中仍不分解，而是在 冷却时部分转变成马氏体，使钢的硬度和强度提高的现象。 2、说明钢中常用合金元素（V，Mo，Cr，Ni，Mn，Si，Al, B）对珠光体（贝 氏体）转变影响的作用机制。 答：（1）对珠光体转变影响的作用机制：P20 （2）对贝氏体转变影响的作用机制：P20 3、以低碳回火马氏体钢20SiMn2MoVB 为例，说明其合金化及热处理（淬火 加低温回火）中存在哪些强化与韧化途径？

答：低碳回火马氏体钢通过合金化与热处理工艺相结合，在实现强化的同时，保证有较好的韧性。主要体现在以下方面： （1）强化： ①C及合金元素的固溶强化； ②加入Si, Mn等合金元素能提高奥氏体的过冷能力，从而细化晶粒； ③加入V、Ti后的弥散强化; ④加入V、Ti后的细化晶粒作用； ⑤马氏体中大量位错的位错强化。 （2）韧化： ①低碳马氏体为位错型马氏体，韧性较好； ②Ni,Mn韧性元素的加入有利于提高韧性； ③工艺中的快冷、加入的合金元素对奥氏体过冷能力的提高、第二相粒子对晶粒长大的抑制作用，均能使马氏体晶粒细化，从而提高韧性； ④通过加入Si对低温回火脆性温度的延迟作用以及钢的回火稳定性的增加，可以适当提高回火温度，从而提高韧性水平。 4、为何Si-Mn-Mo-V复合添加可以大大提高钢的淬透性？ 答：Si、Mn、Mo、V这四种合金元素提高过冷奥氏体稳定性的机制不同。 （1）Si在钢中不形成碳化物，也不溶于体，因此碳化物晶核形成必须等待硅的扩散（推迟P转变）。另外，Si能提高铁原子间作用力，提高铁的自扩散激活能，推迟P和B转变； （2）Mn是扩大γ相区元素，大大增加了α形核功；且锰也是碳化物形成元素，推迟合金渗碳体的形核与长大，因此锰不仅使C曲线向右移，且使之向下移； （3）Mo是中强碳化物形成元素，除了推迟珠光体转变时碳化物的形核与长

铝合金热处理原理

铝合金热处理原理 铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度下保温一定时间并以一定得速度冷却，改变其合金的组织，其主要目的是提高合金的力学性能，增强耐腐蚀性能，改善加工型能，获得尺寸的稳定性。 铝合金热处理特点 众所周知，对于含碳量较高的钢，经淬火后立即获得很高的硬度，而塑性则很低。然而对铝合金并不然，铝合金刚淬火后，强度与硬度并不立即升高，至于塑性非但没有下降，反而有所上升。但这种淬火后的合金，放置一段时间（如4～6昼夜后），强度和硬度会显著提高，而塑性则明显降低。淬火后铝合金的强度、硬度随时间增长而显著提高的现象，称为时效。时效可以在常温下发生，称自然时效，也可以在高于室温的某一温度范围（如100～200℃）内发生，称人工时效。 铝合金时效强化原理 铝合金的时效硬化是一个相当复杂的过程，它不仅决定于合金的组成、时效工艺，还取决于合金在生产过程中缩造成的缺陷，特别是空位、位错的数量和分布等。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。 铝合金在淬火加热时，合金中形成了空位，在淬火时，由于冷却快，这些空位来不及移出，便被“固定”在晶体内。这些在过饱和固溶体内的空位大多与溶质原子结合在一起。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变，空位的存在，加速了溶质原子的扩散速度，因而加速了溶质原子的偏聚。 硬化区的大小和数量取决于淬火温度与淬火冷却速度。淬火温度越高，空位浓度越大，硬化区的数量也就越多，硬化区的尺寸减小。淬火冷却速度越大，固溶体内所固定的空位越多，有利于增加硬化区的数量，减小硬化区的尺寸。 沉淀硬化合金系的一个基本特征是随温度而变化的平衡固溶度，即随温度增加固溶度增加，大多数可热处理强化的的铝合金都符合这一条件。沉淀硬化所要求的溶解度－温度关系，可用铝铜系的Al－4Cu 合金说明合金时效的组成和结构的变化。图3－1铝铜系富铝部分的二元相图，在548℃进行共晶转变L→α＋θ（Al2Cu）。铜在α相中的极限溶解度5.65％（548℃），随着温度的下降，固溶度急剧减小，室温下约为0.05％。 在时效热处理过程中，该合金组织有以下几个变化过程： 形成溶质原子偏聚区－G·P（Ⅰ）区 在新淬火状态的过饱和固溶体中，铜原子在铝晶格中的分布是任意的、无序的。时效初期，即时效温度低或时效时间短时，铜原子在铝基体上的某些晶面上聚集，形成溶质原子偏聚区，称G·P（Ⅰ）区。G·P（Ⅰ）区与基体α保持共格关系，这些聚合体构成了提高抗变形的共格应变区，故使合金的强度、硬度升高。 G·P区有序化－形成G·P（Ⅱ）区 随着时效温度升高或时效时间延长，铜原子继续偏聚并发生有序化，即形成G·P（Ⅱ）区。它与基体α仍保持共格关系，但尺寸较G·P（Ⅰ）区大。它可视为中间过渡相，常用θ”表示。它比G·P（Ⅰ）区周围的畸变更大，对位错运动的阻碍进一步增大，因此时效强化作用更大，θ”相析出阶段为合金达到最大强化的阶段。 形成过渡相θ′ 随着时效过程的进一步发展，铜原子在G·P（Ⅱ）区继续偏聚，当铜原子与铝原子比为1：2时，形成过渡相θ′。由于θ′的点阵常数发生较大的变化，故当其形成时与基体共格关系开始破坏，即由完全共格变为局部共格，因此θ′相周围基体的共格畸变减弱，对位错运动的阻碍作用亦减小，表现在合金性能上硬度开始下降。由此可见，共格畸变的存在是造成合金时效强化的重要因素。 形成稳定的θ相 过渡相从铝基固溶体中完全脱溶，形成与基体有明显界面的独立的稳定相Al2Cu，称为θ相此时θ相与基体的共格关系完全破坏，并有自己独立的晶格，其畸变也随之消失，并随时效温度的提高或时间的

金属腐蚀与防护

摘要：本文论述了腐蚀的产生机理，从而探讨了防腐蚀的办法。文章介绍了金属腐蚀与腐蚀机理,详细综述了形成保护层、电化学保护法、缓蚀剂法等几种常见腐蚀防护方法的原理以及在金属腐蚀与防腐中的应用和研究进展。 关键词：金属腐蚀防护 金属腐蚀的分类：根据金属腐蚀的反应机理，腐蚀可以分为电化学腐蚀和化学腐蚀。电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生的破坏；化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。电化学腐蚀是最常见、最普遍的腐蚀,因为只要环境的介质中有水存在,金属的腐蚀就会以电化学腐蚀的形式进行。金属在各种电解质溶液,比如大气、海水和土壤等介质中所发生的腐蚀都属于电化学腐蚀.。环境中引起金属腐蚀的物质主要是氧分子和氢离子,它们分别导致金属的吸氧腐蚀和析氢腐蚀,其中又以吸氧腐蚀最为普遍。 腐蚀给人类社会带来的直接损失是巨大的。20世纪70年代前后，许多工业发达国家相继进行了比较系统的腐蚀调查工作，并发表了调查报告。结果显示，腐蚀的损蚀占全国GNP的1%到5%。这次调查是各国政府关注腐蚀的危害，也对腐蚀科学的发展起到了重要的推动作用。在此后的30年间，人们在不同程度上进行了金属的保护工作。在以后的不同时间各国又进行了不同程度的调查工作，不同时期的损失情况也是不同的。有资料记载，美国1975年的腐蚀损失为820亿美元，占国民经济总产值的4.9%；1995年为3000亿美元，占国民经济总产值的4.21%。这些数据只是与腐蚀有关的直接损失数据，间接损失数据有时是难以统计的，甚至是一个惊人的数字。我国的金属腐蚀情况也是很严重的，特别是我国对金属腐蚀的保护工作与发达的工业国家相比还有一段距离。据2003年出版的《中国腐蚀调查报告》中分析，中国石油工业的金属腐蚀损失每年约100亿人民币，汽车工业的金属腐蚀损失约为300亿人民币，化学工业的金属腐蚀损失也约为300亿人民币，这些数字都属于直接损失。如该报告中调查某火电厂锅炉酸腐蚀脆爆的实例，累计损失约15亿千瓦·时的电量，折合人民币3亿元，而由于缺少供电量所带来的间接损失还没有计算在内。所以说，金属腐蚀的损失是很严重的，必须予以高度的重视。金属腐蚀在造成经济损失的同时，也造成了资源和能源的浪费，由于所报废的设备或构件有少部分是不能再生的，可以重新也冶炼再生的部分在冶炼过程中也会耗费大量的能源。目前世界上的资源和能源日益紧张，因此由腐蚀所带来的问题不仅仅只是一个经济损失的问题了。腐蚀对金属的破坏，有时也会引发灾难性的后果，此方面的例子太多了，所以对金属腐蚀的研究是利国利民的选择。由于世界各国对于腐蚀的危害有了深刻的认识，因此利用各种技术开展了金属腐蚀学的研究，经过几十年代努力已经取得了显著的成绩。 金属防护的方法： 改善金属的本质根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐腐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。 在金属表面形成保护层在金属表面覆盖各种保护，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法[3]。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法、物理方法和电化学方法实现的。该法就是使金属表面形成转化层和加上一层坚固的保护层，达到隔离大气保护金属的目的.如对金属表面实施电镀、化学镀以及氧化、磷化处理等，可使金属表面覆盖一层耐腐蚀的保护层;也可以对金属表面氮化。

金属材料学教学大纲

金属材料学 (Science of Metal Materials) 课程编号：07171390 学分：3 学时： 48 （其中：讲课学时：38 课堂讨论学时：10 ） 先修课程：金属学、热处理原理、热处理工艺、工程材料力学性能 适用专业：金属材料工程、材料成型加工、冶金专业。 教材：戴起勋主编.金属材料学.北京：化学工业出版社，2005.9 开课学院：材料科学与工程学院 一、课程的性质与任务： 《金属材料学》是一门综合性应用性较强的专业必修课。在金属学、金属组织控制原理及工艺和力学性能等课程的基础上，系统介绍金属材料合金化的一般规律及金属材料的成分、工艺、组织、性能及应用的关系。通过课堂讲授、实验等教学环节，使学生系统掌握有关金属材料学方面的知识，培养学生研究开发和合理应用金属材料的初步能力。 二、课程的基本内容及要求 绪论（金属材料的过去、现在和将来）： 1．教学内容 （1）金属材料发展简史 （2）现代金属材料 （3）金属材料的可持续发展与趋势 2．基本要求 了解金属材料在国民经济中的地位与作用、金属材料的发展概况和本课程的性质、地位和任务。 第一章钢的合金化概论 1．教学内容 （1）钢中的合金元素：合金元素和铁基二元相图；合金元素对Fe-C相图的影响；合金钢中的相组成；合金元素在钢中的分布； （2）合金钢中的相变：合金钢加热奥氏体化，合金过冷奥氏体分解；合金钢回火转变； （3）金元素对强度、韧度的影响及其强韧化； （4）合金元素对钢工艺性能的影响； （5）微量元素在钢中的作用 （6）金属材料的环境协调性设计基本概念； （7）钢的分类、编号方法。 2．基本要求 （1）掌握钢中合金元素与铁和碳的作用；铁基固溶体、碳（氮）化合物的形成规律；合金元素在钢中的分布；合金元素对铁-碳状态图的影响（2）了解钢的分类、编号方法 （3）掌握合金元素对合金钢工艺过程的影响 （4）掌握合金元素对合金钢力学性能的影响规律 （5）理解微量元素在钢中的作用 （6）了解材料的环境协调性设计基本概念

铝及铝合金材料表面氧化膜原理研究

铝及铝合金材料表面氧化膜原理研究 1铝及铝合金化学氧化膜成膜原理 (1) 1.1铝及铝合金表面的化学氧化理论 (1) 1.2铝及铝合金化学氧化原理 (1) 2 铝及铝合金传统含铬导电氧化膜 (2) 2.1传统导电氧化膜工艺 (2) 2.2导电氧化液中各因素的作用 (3) 3导电氧化液中含铬酸盐的替代 (4) 1铝及铝合金化学氧化膜成膜原理 1.1铝及铝合金表面的化学氧化理论 化学氧化处理是在一定温度下，金属铝和氧化溶液发生化学反应，在表面生成不溶性氧化膜的工艺。一般形成氧化膜必须具备两个条件:一是在溶液中含有使铝表面生成氧化膜的氧化剂；二是在溶液中含有活化剂，使铝表面在氧化成膜过程中，不断地被溶解，在氧化膜中形成孔隙，保证氧化膜不断地成长、增厚。氧化膜的形成包括下列三个历程： 1）表面金属溶解到处理液中； 2）溶解产物在处理液中同化学氧化所用的介质发生反应，生成某种中间产物；3）氧化物从过饱和溶液中结晶析出，沉积于金属表面。 1.2铝及铝合金化学氧化原理 铝及铝合金的化学氧化是在一定温度条件下，通过化学作用使清洁的铝合金表面与氧化液中的氧相互作用，形成一层致密的氧化膜的一种涂覆方法。这种氧化膜具有一定的耐蚀性，通常作为油漆或有机涂层的底层。化学氧化膜层的颜色随氧化液的组成、操作条件及膜层厚度的变化而变化。 铝及铝合金的化学氧化方法较多，按其溶液性质可分为碱性和酸性两种，按膜层的性质可分为磷酸盐膜、铬酸盐膜以及铬酸-磷酸盐膜、无铬氧化膜等。从理论上讲，化学氧化存在着金属的溶解和成膜反应，溶解过快膜层不能生成，反之，则膜层疏松。当膜层达到一定厚度的时候，膜层阻碍金属和溶液的接触，氧化过程自行停止。除应选择合适的氧化剂和成膜剂之外，为确保氧化膜质量还应加入一些添加剂，有的还加入一些稳定剂。 按功能分氧化液组成主要有两类：其一是氧化剂如重铬酸钾或铬酐、锰酸盐、

耐蚀金属材料课程练习题答案(江苏科技大学)

练习题 一、选择题 1、为了提高合金的耐蚀性，向材料中加入强的阴极性元素金属，属于以下哪种 方法A。 A）降低阳极相活性B）降低阴极相活性C）增加系统阻力 2、同样加入强阴极性元素，有的合金耐腐蚀，有的却不耐蚀。其原因是A。 A）前者处于可钝化的，后者不是B）前者腐蚀体系处于常温，后者不是 C）前者腐蚀体系存有活化离子（如Cl－），后者不是D）以上都不是 3、为提高铁金属材料耐蚀性，铬是一种常添加的元素，主要起以下作用B。 A）使腐蚀电位正移，增加材料的热力学稳定性B）合金易进入钝态区 C）致钝电位向正向移动D）以上都对 4、加入Cu、P、Cr元素的耐候钢具有较好的耐大气腐蚀性，机理是D。 A）有序固溶理论B）电子机构理论 C）表面富集理论D）形成致密腐蚀产物膜理论 5、金属产生晶间腐蚀应满足的条件是C A）在高压的环境中，只要其电极电位低且强度不够； B）在高温的环境中，只要其产生的氧化膜不够致密； C）在腐蚀的环境中，只要其晶粒与晶界物－化状态和电化学性能不同； D）在高压、高温、腐蚀的环境中,只要其晶粒与晶界成分不符合塔曼定律； 6、奥氏体不锈钢中添加Nb元素的主要作用是C A）增加膜的致密性B）提高材料的抗点蚀能力 C）作为稳定化元素抑制碳化铬的生成D）增加热力学稳定性 7、黄铜脱锌属于以下哪种腐蚀类型E。 A）点蚀B）缝隙腐蚀C）晶间腐蚀D）电偶腐蚀E）选择性腐蚀 8、下列哪种热处理工艺对1Cr18Ni9Ti的抗晶间腐蚀是必须的B A）固溶处理B)稳定化处理 C）去应力退火处理D）敏化处理 9、加入了稳定化元素Ti、Nb的奥氏体不锈钢，却没有达到耐腐蚀的目的。这可能是该钢种在使用前没能进行过D处理。 A）固溶处理B）敏化处理C）退火处理D）稳定化处理 10、海水腐蚀环境中，以下哪个区域腐蚀最严重A。 A）飞溅带B）潮差带C）全浸带D）海泥带 11．以下关于可逆氢脆说法错误的是C A）氢脆在室温附近最敏感；B）材料强度越高，氢脆越敏感；

高温合金切削特点

切削特点 a、切削力大：比切削45号钢大2～3倍。 b、切削温度高：比切削45号钢高50％左右。 c、加工硬化严重：切削它时的加工表面和已加工表面的硬度比基体高50～100％。 d、刀具易磨损：切削时易粘结、扩散、氧化和沟纹磨损。 刀具材料 a、高速钢：应选用高钒、高碳、含铝高速钢。 b、硬质合金：应采用YG类硬质合金。最好采用含TaC或NbC的细颗粒和超细颗粒硬质合金。如YG8、YG6X、YG10H、YW4、YD15、YGRM、YS2、643、813、712、726等。 c、陶瓷：在切削铸造高温合金时，采用陶瓷刀具也有其独特的优越性。 刀具几何参数 变形高温合金(如锻造、热轧、冷拔)。刀具前角γ0为10°左右；铸造高温合金γ0为0°左右，一般不鐾负倒棱。刀具后角一般α=10°～15°。粗加工时刀倾角λs为-5°～-10°，精加工时λs =O～3°。主偏角κr为45°～75°。刀尖圆弧半径r为0.5～2mm，粗加工时，取大值。 切削用量 a、高速钢刀具：切削铸造高温合金切削速度Vc为3m/min左右，切削变形高温合金Vc=5～10m/min。 b、硬质合金刀具：切削变形高温合金Vc：40～60m/min；切削铸造高温合金Vc=7～10m/min。进给量f和切削深度αp均应大于0.1mm，以免刀具在硬化后的表面进行切削，而加剧刀具磨损。 切削液 粗加工时，采用乳化液、极压乳化液。精加工时，采用极压乳化液或极压切削油。铰孔时，采用硫化油85～90％+煤油10～15%，或硫化油(或猪油)+CCl4。高温合金攻丝十分困难，除适当加大底孔直径外，应采用白铅油+机械油，或氯化石蜡用煤油稀释，或用MoS2油膏。 高温合金钻孔

合金化的特点

转炉炼钢脱氧合金化的特点 贾卫国 （陕西略阳钢铁有限责任公司炼钢分厂） 摘要：论述了转炉炼钢脱氧、合金化的特点，并结合实际对脱氧剂使用、合金化工艺进行了探索。 关键词：硅钡钙硅钒氮 一、前言 略阳钢铁有限责任公司二炼钢自投产以来，通常采用硅钡钙、增碳剂、硅铁、锰硅铁、钒氮等作为脱氧、合金化材料。在冶炼HRB335钢时，合金易结块，造成[SI]、[Mn]成分波动大，冶炼HRB400钢时，钒氮合金回收率不稳定，易出现废品等问题，为此，对原有的脱氧、合金化特点进行了解，改进合金加入量，加入方法，有效解决上述问题。 二、各种合金特点 （一）硅钡钙 主要成份Ca30.16%，Ba10.69，Si20.38，采用硅钡钙脱氧，由于在炼钢温度下Ca的蒸汽压非常高，故反应激烈，加上有部分脱氧产物为气体CO，钢液搅动比较强，有利于合金的快速溶化和成分的均匀。 加入到钢中的硅钡钙是以氧化钙、硫化钙、铝酸钙的形式存在于钢中，由于钢中的AI2O3与钙钡的脱氧产物生成复合的钙酸盐夹杂，因此，钢中单纯的铝夹杂减少。 钡在炼钢温度范围内有效地降低钙的蒸气压，增加钙在钢液中的溶解度，同硅钙合金相比，用硅钡钙合金作为钙源加入钢液中，加入的钙量即

使是钙合金加入量的一半时，钢液中的钙含量却是硅钙合金的两倍左右，钙在钢液中也显著提高，充分显示钡在钢液中有效的保护了钙，降低了钙的氧化，从而达到对钢液钙处理的目的。 （二）锰的特点 锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低，氧含量很高时，可以显示出脱氧作用。 锰的作用是消除钢中硫的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布以提高钢质。 锰对铁素体的固溶强化能力极强，可以提高钢的强度，钢含锰量高时，具有明显的回火脆性，锰对钢有使钢过热的倾向，为了克服这一倾向，可在钢中配加少量细化晶粒的元素钒等。钒产生极稳定的碳化物，可以强烈细化晶粒，所以钢中加钒对钢的性能特别有利。 （三）硅的特点 硅是钢中最基本的脱氧剂。普通钢中硅在0.17—0.37%,1450℃钢凝固时，能保证钢中与其平衡的氧小于碳平衡的量，抑制凝固过程中CO气泡的产生。 硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度，硬度增加，塑性、韧性降低，硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。 硅能还原钒 ①2/5V2O5+Si=4/5V+SiO2 ②1/2 V2O4+Si=V+SiO2 ③2/3 V2O3+Si=4/3V+SiO2

铝及铝合金的钝化

铝及铝合金的钝化 深圳雷邦磷化液工程部编辑 摘要：铝及铝合金工件，无论是化学氧化或阳极氧化得到的氧化膜都是多孔的，易污染的，抗蚀性亦差，即令膜染色后亦应进行钝化戍封闭处理，以提高其耐蚀性。 一、铝及铝合金化学氧化后钝化 铝及铝合金工件化学氧化膜钝化处理见表1。 表1 铝及铝合金化学氧化后钝化液配方及工艺条件 铝及铝合金阳极氧化后钝化膜处理见表2 三、铝及铝合金氧化膜封闭处理 1. 热水封闭 (1)原理 氧化膜表面和孔壁的Al2O3在热水(温度大于80℃)中发生水合反应，生成水合氧化铝，令氧化膜体积膨胀(膨胀率33%～100%)，由于膜膨胀而使孔径变小最终封闭。反应式为: Al2O3 + H2O →2AlO(OH) →Al2O3 ·H2O 热水用蒸馏水或去离子水，不用自来水，因自来水易生水垢吸附于孔中令膜透明度下降。普通自来水中的Cl-、SO42+、PO43-、Cu2+均有封孔，因而有害。 (2)工艺 温度：95～100℃。 pH值：5. 5～6 (用乙酸调节)。 时间：10～30min。 2. 蒸汽封闭 (1)原理与热水封闭相同。 (2)特点封闭速度快，不受pH值影响，膜的耐蚀性高。在着色孔封闭时，染料损失比热水封闭时少。缺点是:压力容器费用高;大型工件封闭，不能连续操作，厚氧化膜处理时易破裂，成本较高。 (3)工艺

温度:100～110℃。 压力:0. 05～0. 1 MPa。 时间(按膜厚度计):4～5min/μm。 3金属盐封闭 将阳极氧化膜浸在金属盐溶液中进行封闭，称为金属盐封闭。所用金属盐有铁、钻、镍、辐、锌、铜、铝等醋酸盐，硝酸盐，硫酸盐。其封孔机理是:金属盐水溶液进人阳极氧化膜微细孔发生水解，产生氢氧化物沉淀，将孔封闭，目前常用有重铬酸盐封闭及水解盐封闭。 (1)重铬酸盐封闭 ①原理在重铬酸盐水溶液中，氧化吸附了重铬酸盐后发生化学反应，生成碱式铬酸铝[Al(OH)CrO4]和重铬酸铝[Al(OH)Cr2O7]，这些生成物填充进膜孔隙，从而起到封孔作用。 ②溶液配方及工艺条件见表3. a. 工件要求封闭处理前，工件一定要清洗干净，以免将酸带入封闭槽中。此外，应防止工件与槽接触，以免破坏氧化膜。 b. 二对封闭液中杂质进行限制当SO42+ > 0. 2g/L时，可加人适量铬酸钙(CaCrO4)沉淀过滤排除，否则会令封闭工件色变淡且发白;当SO42+ > 0.02g/L时，可添加硫酸铝钾[K2Al2(SO4)4.24H2O]0.1～0.15g/L，否则会令封闭工件发白，耐蚀性下降。当C l- > 1.5 g/L时，封闭液需稀释或更换，否则会对工件氧化膜产生腐蚀。 (2)水解盐类封闭 ①原理利用金属盐被氧化膜吸附后，发生水解作用，生成氢氧化物沉淀，填充在孔隙内，达到封闭目的。常用金属盐有Co、Ni盐类，反应式为： NiSO4 + 2H2O →Ni(OH)2↓+ H2SO4 封孔过程如下。 a. 水合过程产物(透明物)将孔封住。 b. 加水分解。在微孔中产生氢氧化物沉淀。 c. 这些沉淀物与染料分子发生化学反应，形成金属铬合物。 ②水解盐封闭溶液配方及工艺条件见表4。

合金化原理

1、影响加热速度的因素有哪些？为什么？ 答：（1）加热方法（加热介质）的不同。 由综合传热公式Q=а（T介-T工）得知，当加热介质与被加热工件表面温度差（T 介-T工）越小，单位表面积上在单位时间内传给工件表面的热量越小，因而加热速度越慢。 （2）工件在炉内排布方式的影响。 工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，例如辐射传递中的挡热现象及对流传热中影响气流运动情况等，从而影响加热速度。 （3）工件本身的影响。 工件本身的几何形状、工件表面积与其体积之比以及工件材料的物理性能（C、λ、γ等）直接影响工件内部的热量传递及温度，从而影响加热速度。同种材料制成的工件，当其特征尺寸s与形状系数k的乘积相等时，以同种方式加热时则加热速度相等 2、回火炉中装置风扇的目的是什么？气体渗碳炉中装置风扇的目的是什么？ 答：回火炉中装置风扇的目的是为了温度均匀，避免因为温度不均而造成材料回火后的硬度不均。气体渗碳炉中装置的风扇的目的是为了气氛的均匀，避免造成贫碳区从而影响组织性能。 3、今有T8钢工件在极强的氧化气氛中分别与950度和830度长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为什么？ 答：根据题意，由于气氛氧化性强，则炉火碳势低。在950℃长时间加热时，加热过程中工件表面发生氧化脱碳。工件最外层发生氧化反应，往里，由于950℃高于Fe-C状态图中的G点，所以无论气氛碳势如何低，脱碳过程中从表面至中心始终处于A状态，缓冷后，由表面至中心碳浓度由于脱碳和扩散作用，碳含量依次升高直至0.8%，所以组织依次为铁素体和珠光体逐渐过渡到珠光体，再至相当于碳含量为0.8%的钢的退火组织（P+C）。当工件在830℃加热时，温度低于G点，最外层依然会发生氧化反应。往里，工件将在该温度下发生脱碳。由于气氛氧化性极强，则碳势将位于铁素体和奥氏体的双相区，所以工件发生完全脱碳。由外及里的组织在缓冷后依次是铁素体，铁素体加珠光体，珠光体加渗碳体。 4、今有一批ZG45铸钢件，外形复杂，而机械性能要求高，铸后应采用何种热处理？为什么？ 答：实现应该采用均匀化退火，以消除铸件的偏析和应力（如果偏析不严重，也可以采用完全退火。就机械性能而言，45最好为调质，如果形状确实太复杂，淬火时容易变形、开裂、可用正火代替。 5、20GrMnTi钢拖拉机传动齿轮，锻后要进行车内孔，拉花键及滚齿等机械加工，然后进行渗碳淬火，回火。问锻后和机械加工前是否需要热处理？若需要，应进行何种热处理？主要工艺参数如何选择？ 答：锻后和机械加工前需要正火处理，这样可使同批毛坯具有相同的硬度（便于切削加工），可以细化精粒,均匀组织,为后续的渗碳与淬火提供良好的组织状态;二则应该是把硬度调整到利于切削加工的硬度 正火工艺：正火加热温度为Ac3以上120~150（即在960℃左右），其原则是在不引起晶粒粗话的前提下尽量采用高的加热温度，以加速合金碳化物的溶解和奥氏体的均匀化,然后风冷5分钟左右,接着在640℃等温适当时间后空冷，硬度在HB180左右，利于切削加工。 6、45钢普通车床传动齿轮，其工艺路线为锻造---热处理---机械加工----高频淬火—回火。试问锻后应进行何种热处理，为什么？ 答：常用淬火介质及冷却特性；进行正火处理，45钢市中碳钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。对45钢，虽然碳含量较高，硬度稍高，但由于正火生产率高，成本低，随意采用正火处理。

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1.钢中的杂质元素：O H S P 2.合金元素小于或等于5%为低合金钢，在5%-10%之间为中合金钢，大于10%为高合金 钢 3.奥氏体形成元素：Mn Ni Co（开启γ相区）C N Cu（扩展γ相区） 4.铁素体形成元素：Cr V Ti Mo W 5.间隙原子：C N B O H R溶质/R溶剂<0.59 6.碳化物类型：简单间隙碳化物MC M2C 复杂间隙碳化物M6C M23C M2C3 7.合金钢中常见的金属间化合物有σ相、AB2相和B2A相 8.二次硬化：淬火钢在回火时在一定温度下，由于特殊碳化物的析出的初期阶段，形成 [M-C]偏聚团，硬度不降低，反而升高的现象。 9.二次淬火：淬火钢在回火时，冷却过程残余奥氏体转变为马氏体的现象。 10.合金元素对铁碳相图的影响 1.改变奥氏体相区位置 2.改变共析转变温度 3.改变S和E等零界点的含碳量 11.合金元素对退火钢加热转变的影响 1.对奥氏体形成速度的影响中强碳化物形成元素与碳形成难溶于奥氏体的合金碳化 物，减慢奥氏体的形成速度 2.对奥氏体晶粒大小的影响大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用，影响 程度不同。V Ti强碳化物和适量的AL强烈阻碍晶粒长大，他们的碳化物或氮化物熔点高，高温下稳定，不易聚集长大，能强烈阻碍奥氏体晶粒长大。Wu Mo Cr中强碳化物也有阻碍作用，但是影响程度中等。Si Ni非碳化物形成元素影响不大。

Mn P等元素含量在一定限度下促进奥氏体晶粒长大 12.合金元素对淬火钢回火转变的影响 1.提高耐回火性合金元素在回火过程中推迟马氏体分解和残留奥氏体的转变；提高铁 素体在结晶温度，使碳化物难以聚集长大，从而提高钢的耐回火性。 2.淬火钢在回火时产生二次硬化和二次淬火，提高钢的性能。 3.对回火脆性的影响产生第一类回火脆性和第二类回火脆性，降低晶界强度，从而使 钢的脆性增加 13.钢的强化机制：固溶强化、细晶强化、形变强化和第二相强化 14.合金元素对钢在淬火回火状态下力学性能的影响 1.合金元素一般均能减缓钢的回火转变过程，特别是阻碍碳化物的聚集长大，相对的 提高钢中组成相的弥散度 2.合金元素溶解于铁素体，是铁素体强化，并提高了铁素体的再结晶温度。 3.强碳化物形成元素提高了钢的耐回火性，并产生沉淀强化的作用 4.钼、钨等有利于防止或消除第二类回火脆性 15.合金元素对钢高温力学性能的影响 1.可以净化晶界，使易熔杂质元素从晶界转移到晶界内，强化晶界 2.可以提高合金原子间的结合力，增大原子自扩散激活能 3.强碳化物形成元素的加入，可以对位错运动有阻碍作用，可提高合金的高温性能16.合金元素对钢热处理性能的影响 淬透性、淬硬性、变形开裂性、过热敏感性、氧化脱碳倾向和回火脆化倾向 17.合金元素对钢的焊接性能影响 1.钢的焊接性能主要由焊后开裂敏感性和焊接区的硬度来评价

(新)耐热钢及高温合金_

耐热钢及高温合金 耐热钢及高温合金 各种动力机械，加热电站中的锅炉和蒸汽轮机、航空和舰艇用的燃汽轮机以及原子反应堆工程等结构中的许多结构件是在高温状态下工作的。工作温度的升高，一方面影响钢的化学稳定性；另一方面降低钢的强度。为此，要求钢在高温下应具有 (1)抗蠕变、抗热松弛和热疲劳性能及抗氧化能力 (2)在一定介质中耐腐蚀的能力以及足够的韧性 (3)具有良好的加工性能及焊接检 (4)按照不同用途有合理的组织稳定性。 耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化耐腐蚀能力的钢种，耐热钢包括热稳定钢和热强钢。热稳定钢是指在高温下抗氧化或执高温介质腐蚀而不破坏的钢种，如炉底板、炉栅等。它们工作时的主要失效形式是高温氧化。而单位面积上承受的载荷并不大。热强钢是指在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变

形或 断裂的钢种，如高温螺栓、涡轮叶片等。它们工作时要求承受较大的载荷，失效的主要原因是高温下强度不够。 1 钢的热稳定性和热稳定钢 一、钢的抗氧化性能及其提高途径 工件与高温空气、蒸汽或燃气相接肽表面要发生高温氧化或腐蚀破坏。因此，要求工件必须具备较好的热稳定性。 除了加入合金元素方法外，目前还采用渗金属的方法，如渗Cr、渗Al或渗Si，以提高钢的抗氧化性能。 二、热稳定钢 热稳定钢(又称抗氧化钢广泛用于工业锅炉中的构件，如炉底板、马弗罐、辐射管等这种用途的热稳定钢有铁素体F型热稳定钢和奥氏体A型热稳定钢两类。 F型热稳定钢是在F不锈钢的基础上进行抗氧化合金化而形成的钢种、具有单相F基体，表面容易获得连续的保护性氧化膜。根据使用

温度，可分为Cr13型钢、Cr18型钢和Cr25型钢等。F型热稳定钢和F不锈钢一样，因为没有相变，所以晶粒较粗大，韧性较低，但抗氧化性很强。 A型热稳定钢是在A型不锈钢的基础上进一步经Si、Al抗氧化合金化而形成的钢种。A型热稳定钢比F型热稳定钢具有更好的工艺性能和热强性。但这类钢因消耗大量的Cr、Ni资源，故从50年代起研究了Fe-Al－Mn系和Cr－Mn-N系热稳定钢，并已取得了一定进展。 2 金属的热强性 一、高温下金属材料力学性能特点 在室温下，钢的力学性能与加载时间无关，但在高温下钢的强度及变形量不但与时间有关，而且与温度有关，这就是耐热钢所谓的热强性。热强性系指耐热钢在高温和载荷共同作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。由此可见在评定高温条件下材料的力学性能时，必须用热强性来评定。热强性包括材料高温条件下的瞬时性能和长时性能。 瞬时性能是指在高温条件下进行常现力学性能试验所测得的性能指标。如高温拉伸、高温冲击和高温硬度等。其特点是高温、短时加载，一般说来瞬时性能P是钢热强性的一个侧面，所测得的性能指标一般

第三章钛合金及合金化原理

第三章钛合金及合金化原理 钛合金相图类型及合金元素分类 1.钛合金的二元相图 （1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。（2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。 V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。Ti-V系中无共析反应和金属化合物。 Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。 Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。 （3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤8%～9% 。只要铝当量低于8%～9%，就不会出现α2相。Sn 是相当弱的强化剂，但能显著提高热强性，以锡合金化时，其室温塑性不降低而热强性增加。微量的B可细化钛及其合金的大晶粒，Ga可以与钛良好溶合，并显著提高钛合金的热强性。氧是较“软”的强化剂，在含量允许的范围内时，不仅可保证所需的强度水平，而且可以保证足够高的塑性。 （4）第四种类型与α、β均有限溶解，并且有共析分解的相图，有Ti-Cr、Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co、Ti-Ni、Ti-Cu、Ti-Si、Ti-Bi、Ti-W、Ti-H。 Ti-Cr系中，形成的Ti2Cr化合物有两种同素异晶形式，其固溶体以δ和γ表示。Cr属于β稳定元素，在α钛中的溶解度不超过%。Cr含量大于9%时，通过淬火可将β相固定到室温。Cr可以使钛合金有好的室温塑性并有高的强度，同时可保证有高的热处理强化效应。 Ti-W系中,会产生偏析转变：β′?α + β′′。偏析反应温度较高，Ti-W系的热稳定性比Ti-Cr合金高的多。W在α钛中的溶解度不高。W含量大于25%时，通过淬火可将β相固定到室温。 氢降低钛的同素异晶转变温度，形成共析反应，从而使β固溶体分解而形成α相和钛的氢化物，在共析温度下氢在α钛中的溶解度为%。氢组成间隙型固溶体，属于有害杂质，会引起钛合金的氢脆。在非合金化钛和以α组织为基的单相钛合金中，氢脆的主要原因是脆性氢化物相的析出，急剧降低断裂强度。在两相合金中，不形成氢化物，但形成氢的过饱和固溶体区，在低速变形时引起脆性断裂。在β相含量小的合金中，这两种产生联合作用。纯钛和近α组织的钛合金

金属材料学复习思考题2016.5

金属材料学复习思考题 （2016.05） 第一章钢的合金化原理 1-1名词解释 （1）合金元素；（2）微合金化元素；（3）奥氏体稳定化元素；（4）铁素体稳定化元素；（5）杂质元素；（6）原位析出；（7）异位析出；（8）晶界偏聚（内吸附）；（9）二次硬化；（10）二次淬火；（11）回火脆性；（12）回火稳定性 1-2 合金元素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？ C相图的S、E点有什么影响？这种影响意味着什么？ 1-3简述合金元素对Fe-Fe 3 1-4 为何需要提高钢的淬透性？哪些元素能显著提高钢的淬透性？（作业） 1-5 能明显提高钢回火稳定性的合金元素有哪些？提高钢的回火稳定性有什么作用？（作业） 1-6合金钢中V，Cr，Mo，Mn等所形成的碳化物基本类型及其相对稳定性。 1-7试解释含Mn和碳稍高的钢容易过热，而含Si的钢淬火温度应稍高，且冷作硬化率较高，不利于冷加工变形加工？（作业） 1-8 V/Nb/Ti、Mo/W、Cr、Ni、Mn、Si、B等对过冷奥氏体P转变影响的作用机制。 1-9合金元素对马氏体转变有何影响？ 1-10如何利用合金元素来消除或预防第一次、第二次回火脆性？ 1-11如何理解二次硬化与二次淬火两个概念的异同之处？ 1-12钢有哪些强化机制？如何提高钢的韧性？（作业） 1-13 为什么合金化基本原则是“复合加入”？试举两例说明复合加入的作用机理？（作业） 1-14 合金元素V在某些情况下能起到降低淬透性的作用，为什么？而对于40Mn2和42Mn2V，后者的淬透性稍大，为什么？（作业） 1-15 40Cr、40CrNi、40CrNiMo钢，其油淬临界淬透性直径分别为25~30 mm、40~60mm和60~100mm，试解释淬透性成倍增大的现象。（作业） 1-16在相同成分的粗晶粒和细晶粒钢中，偏聚元素的偏聚程度有什么不同？（作业）