工程材料学

工程材料性能包括：1.使用性能①力学性能（强度、硬度、塑韧性、疲劳强度、弹性模量）②物理性能（热电磁光等）③化学性能（耐高温、耐腐蚀、抗氧化等）2.工艺性能（铸造。锻造、焊接、热处理、切削加工）。化学成分、组织结构、加工工艺与材料性能的关系：材料化学成分和组织结构是其性能的内部依据，材料的制备工艺、加工变形和热处理决定了组织结构，材料性能是具有一定化学成分和组织结构的外在表现。Me对金属材料的作用：①Me固溶于基体：固溶强化，降低高温元素扩散速度，提高材料高温力学性能，形成沉淀。

②弥散于第二相：第二相强化，提高塑韧性，若第二项高温性能好还可以提高材料高温力学性能。③与杂质元素结合：防止晶界偏聚和沿晶界析出，提高塑韧性。④细化晶粒，提高材料强韧性。⑤抑制元素扩散：减慢钢A化过程，提高钢A化温度，提高钢的回火稳定性，提高A稳定性提高钢的淬透性，降低钢的焊接性。⑥Cr、Al、Si在钢表面形成钝化膜，提高基体电位，提高材料耐蚀性。碳化物的稳定性由什么决定：从热力学角度，取决于碳化物的生成热和形成自由能，碳化物的生成热越大，稳定性越高。碳化物高温稳定性对刚的影响：①稳定性大则可显著提高钢的回火温度，使基体恢复得比较充分，残余A转变较完全，碳化物保持高弥散度，使钢在强度和韧性方面得到较好配合。②碳化物作为强化相，稳定性大，在温度及应力长期作用下不易聚集长大，保持原组织形貌，可大大提高材料高温使用寿命。合金元素与铁的相互作用的工程实际意义：为了保证钢具有良好的耐蚀性(如不锈钢)，需要在室温下获得单一相组织，就是运用合金元素与铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温条件下获得单相奥氏体或铁素体等单一组织来实现。合金元素与碳相互作用的实际意义：一方面关系到所形成碳化物的种类、性质和在钢中的分布，而所有这些都会直接影响到钢的性能；同时对钢的热处理亦有较大影响。另一方面由于合金元素与碳有着不同的亲和力，对相变过程中碳的扩散速度有较大影响；碳化物形成元素阻碍碳的扩散，降低碳原子的扩散速度；弱碳化物形成元素及大多数非碳化物形成元素则无此作用，甚至某些元素(如钴)还有增大碳原子扩散的作用。钢的四种强化机制：固溶强化（溶质原子溶入基体金属形成固溶体（间隙式或置换式），造成基体晶格畸变，阻碍位错移动而强化）晶界强化（利用合金元素改变晶界特性阻碍位错移动或细化晶粒，提高晶界面积阻碍位错移动而强化）第二相强化（形成大量细小、弥散的第二相粒子（沉淀或弥散）阻碍位错移动而强化）位错强化（提高位错密度，改变位错组态使材料强化）为获得良好综合性能，对第二相要求：㈠本身要具有良好的强韧性和高稳定性，与基体结合良好㈡第二相应细小、大量、呈球状，均匀弥散分布于基体中。强碳化物形成元素为何提高回火稳定性：钢经过淬火后回火几个过程均由C和Me的扩散所控制，~本身扩散困难，与碳结合力又强，抑制了碳的扩散，而推迟了M分解，使晶格畸变的M保持到更高的温度，随温度升高，强碳化物元素形成合金Fe3C和特殊碳化物产生二次硬化，进一步提高回火温度。延缓α相的回复和再结晶过程，提高再结晶温度，提高回火稳定性。工程构件用钢：用于制作各种大型金属结构所用的钢料。对其要求以工艺性能为主，以力学性能为辅。要求有良好的冷变形性与可焊性所以采用低碳钢。提高构件钢耐大气腐蚀的途径：㈠减少微电池数量：一般固溶体基体作阳极，异相质点作阴极形成微电池要减少C、S含量以减少为电池数量。㈡提高基体电极电位：基体比第二相电极电位低，导致腐蚀加入Cr、Ni等元素固溶入基体，可~~，减缓腐蚀速度。㈢钝化效应：加入Cr等元素在金属表面形成一层致密氧化膜，与电介质隔开。低合金构件用钢：又称低合金结构钢，简称普低钢。化学成分特点：低碳、多组元微量合金化。具有良好的冷变形性能和焊接性能，要低碳、低合金含量，同时要求良好的力学性能及耐腐蚀性、经济要求。加入合金元素的作用：主加Mn：固溶强，细化P、F提高基体中P含量。Al：形成AlN 细小质点，强化并降低塑脆转变温度，V、Ti、Nb：产生沉淀强化并细化晶粒提高强韧性，Cu、P：提高耐大气腐蚀性。RE：脱硫去气，净化钢材，改变夹杂物形态与分布。普碳钢（碳素构建用钢）：牌号：分为Q195、Q215、Q235、Q255及Q275等五类（σs）。

Wc＜0.2%。机器零件用钢：性能要求：塑性变形抗力、韧性、抗疲劳、抗冲击、抗接触疲劳和耐磨等，最基本要求是在具有尽可能高的强度的同时具有足够的韧性。工艺：淬火成M再回火，综合应用相变强化，固溶强化、沉淀强化。齿轮用钢：根部受交变弯曲应力，齿面接触疲劳、磨损，齿牙受冲击。采用低碳或低碳合金钢，经渗碳→淬火＋低温回火，表面至心部由高碳(0.8％-1.1％)至低碳(0．10％- 0．25％)，表面组织为回火M和细粒状碳化物及少量残余A，高硬度+高耐磨性+高接触疲劳强度。心部仍为低碳，组织为低碳

M(淬透的条件下)或低碳M加F(未淬透)，具有较高的强韧性。调质钢：用于重要机器零件，机床主轴、连杆等。具有良好的强韧性，采用中碳钢（0.3％-0.5％）经淬火M+高温回火得回火索氏体组织。刃具钢化学成分、组织结构、性能之间的关系：成分：高碳（0.65～1.35％）碳素钢、合金钢，热处理：淬火+回火。组织：㈠高碳造成强烈固溶强化，基体中大量高硬度未溶碳化物颗粒>高硬度、高耐磨性㈡回火析出的弥散特殊碳化物>高耐磨性、高红硬性㈢极细的隐晶回火M基体>高塑韧性㈣回火过程降低M的方正度>提高基体塑韧性。工具钢：高碳，二者共同的性能要求：高硬度、高耐磨性、高的红硬性、使用寿命长。刃具钢红硬性指：钢在高温条件下仍能保持足够高的硬度和切削能力的性能，其实质是抵抗多次高温回火软化的能力（回火抗力）。如何在钢中得到红硬性：要求有一定数量的Me溶入α—Fe基体起固溶作用，使基体有一定的热强性。钢中高碳含量，高合金元素（W、Mo、V等）在很高的加热温度下得到高合金度A，淬火得高合金度M，然后高温回火，析出大量特殊碳化物，并发生二次淬火，钢的强硬度达到峰值。高速钢：高碳高合金元素，为适应高速切削的需要而发展起来的一种合金工具钢。性能与化学成分和组织结构的关系：高合金元素（Cr、V、Co）使钢淬透性提高，高碳高合金元素配合淬火+高温回火得到大量弥散的特殊碳化物，使钢具有很高的红硬性，同时基体高温回火后较为均匀，使钢具有适宜的塑韧性。高速钢二次硬化：高速钢淬火后在560℃左右回火时，M析出大量弥散特殊碳化物（W、Mo、V的）稳定性好，600℃以下聚集长大慢，使钢的强硬度达到峰值。二次淬火：高速钢高温回火时，残余A的MS点↑。回火冷却过程中残余A发生M相变，使钢的硬度又有所升高。高速钢中C及Me作用：C: 0.7~1.65% ①大量固溶于A→形成CM →强烈固溶强化②与Me形成稳定特殊C化物→提高红硬性，强硬度，耐磨性，但碳含量增加，碳化物不均匀性增大，影响塑韧性⑵W，Mo，V形成高速钢①红硬性主要元素之一②高耐磨。⑶Cr提高淬透性；Co提高淬火加热温度，增大A合金度，提高钢红硬性，使合金C化物分布更弥撒细小。高速钢中钴的作用：一般为5％、8％和13％三级。非碳化物形成元素，绝大部分溶于基体。使共晶莱氏体熔化温度↑，因而含钴高速钢淬火加热温度可↑20℃左右，有利于A合金度增大，加强二次硬化效应，提高钢的红硬性；增加回火时Mo2C 的形核速度，减缓其长大速度，使合金碳化物的分布更加弥散细小；使钨在α-Fe中的扩散系数↓，延缓或推迟钨碳化物析出、聚集和长大。不锈钢中：①Mo,Cu：提高钢在非氧化性介质（有机或无机酸）中的耐蚀能力②Mo：含氯离子介质易破坏钝化膜，易点蚀，Mo

可抗点蚀③Ti,Nb：提高抗晶间腐蚀能力，与C结合力强，防止晶界贫Cr并阻止杂质，C 向晶界富集，净化晶界④Al,Si在钢表面生成三氧化二铝，二氧化硅致密钝化膜，提高耐蚀性。⑤Cr：在钢表面形成Cr2O3致密钝化膜，并提高基体电极电位，提高耐蚀性⑥Ni：促使钢形成单相A，提高耐蚀性并具有良好得学性能。⑦Mn：提高刚在有机酸中的耐蚀性。为什么Cr含量≥13%：由n／8规律Cr固溶于Fe，二者摩尔比达1／8，2／8…基体电极电位跳跃式增高，耐蚀性跳跃式增高，第一突变Cr,Fe摩尔比1／8，质量含量11.7%，考虑Cr与C作用，使固溶体中Cr含量≥11.7%，实际不锈钢Cr含量最低13%。为什么C含量越高耐蚀性越低？C含量越高降低基体中Cr固溶量，Cr元素钝化作用，增高基体电位作用均被影响；C含量越高，与钢中其他元素形成第二相的量增多，增加微电池数量，耐蚀性降低。提高不锈钢耐蚀性措施：①钢表面钝化，加入Me在表面形成一层致密，不易溶

解，可自修复的氧化膜，隔绝腐蚀介质；②升高金属基体电极电位，加入Ｍe，使之与第二相间电位差降低，减弱电化学反应；③获得单相组织，组织结构均匀，纯净，减少微电池数量。三种主要不锈钢F，M，A从化学成分和组织结构分析性能不同F：低C（0.1%左右）高Cr（13~30%），由于Cr缩小γ相区，可得到F+少量C化物的组织。成本低，由于单相，高Cr低C，耐蚀，抗氧化性，抗应力腐蚀，切削性能很好；由于不能热处理相变强化，晶粒粗大，有σ相，脆性大，缺口敏感性大，焊接性能差；同时F基体，强度较低。M：Cr较低（12~18%）C较高。可得到Ｍ＋Ｃ化物＋Ｆ（可能有）组织。由于Ｃr上限偏低，C较高且可能形成M+C化物或M+C双相，耐蚀性，塑性和焊接性较A，F不锈钢差，但由热处理强化，淬火+回火，得回火M或回火索氏体，有较高强硬度和耐磨性，综合性能优良。A：低C高Cr，高Ni,Mn,N提高Ni当量，扩大A相区，得A+F+C化物组织。由于低C高Cr高Ni和单向组织，耐蚀性好；由于A基体，强度较低，不能淬火强化，只能形变强化，但塑性较好，冷加工成形性，可焊接性好。分为Cr-Ni,Cr-Mn-N,Cr—Mn-Ni-N 几类。对于Cr-Mn，常得不到单相A组织，耐蚀性不太好。提高钢热强性途径：金属强度由晶粒和晶界强度组成①基体强化：提高基体金属原子间结合力，降低固溶体扩散，可固溶熔点高，自扩散系数小，提高再结晶温度的合金元素或选择点阵排列更致密，扩散不易进行的基体，如面心立方A优于F基体②生成稳定，不易聚集长大的第二相，如难容合金C化物或金属间化合物③晶界强化。高温下晶界缺陷多，强度低，采用适当粗晶以减少晶界数量；加入Me，减少S，P偏聚净化晶界，加入B填充晶界空位，加入Me在晶界沉淀析出不连续骨架状强化相以强化晶界。常温，高温条件下材料不同组织：高温下材料原子扩散能力强，组织会发生一系列变化：基体向稳定形态转变，如P耐热钢，层片状P球化，片状Fe3C聚集长大，使钢抗蠕变能力和持久强度明显降低；若有Fe3C还会发生Fe3C分解，石墨化过程，显著降低钢抗蠕变能力，持久强度和塑韧性，C化物形成元素可抑制石墨化；高温下Me在固溶体和C化物发生扩散和再分配，过饱和固溶体分解，Me向C化物中扩散，降低基体高温力学性能，C化物长大；加入增大基体原子结合力的元素，降低元素扩散，加入强C化物形成元素形成稳定C化物相。与钢相比，铸铁在化学成分、性能上有哪些特点：铸铁含C(2.5~4.0%)Si(1.0~3.0%)较高，结晶过程中有共晶转变，组织为基体+石墨+渗碳体，CE较高，在共晶点附近，熔点低，流动性好，因此铸造性能优良，工艺操作简便，成本低。绝大部分C以G或渗碳体形式存在，含有较多P、S杂质，与钢相比，力学性能差，但具有优良的减震性、耐磨性可切削加工性。从热力学动力学分析共晶铸铁缓冷、快冷得到灰口白口组织：设温度T1T2，T1为Gγ+Fe3C与G铁液相等时温度，T2为G（γ+G）与G铁液相等时温度，由于T1

大，固溶强化能力强，少量锌即能↑铝合金强度及抗蚀性。多元铝合金中锌易形成沉淀强化相，显著↑合金的沉淀强化效果。Li：大大↓铝合金密度，显著↑弹性模量。固溶强化能力有限，但时效甚至淬火中迅速形成的A13Li有序沉淀相，强化能力很强。铝合金回归现象：自然时效后的铝合金，在200～250℃作短时间加热后快冷至室温，性能恢复到淬火状态，并能进行自然时效的现象称为回归。回归原因：当加热到稍高于GP区固溶线的温度时，通过时效而形成的小尺寸GP区不稳定而迅速溶解，但由于保温时间短，过渡相与稳定相来不及形成，此时将合金快冷到室温，则又恢复到新淬火状态。铝合金的晶界无沉淀带现象原因：①淬火加热使空位浓度↑，快冷后溶质原子和空位都过饱和。晶界是空位的理想陷阱，过饱和固溶体在放置及加热过程中空位进入晶界，使晶界两侧出现空位贫乏带，此处溶质原子扩散速度小，时效时不能形成GP区或沉淀相。②淬火速度较慢时，晶界两侧的溶质原子将扩散至晶界，使晶界附近出现溶质贫乏带，时效过程中带内不再发生沉淀过程，形成溶质贫乏无沉淀带。钛合金性能特点及应用领域：按基体分为α+β型、α型、β型。α型：

TA1,2,3,6,7,8 主加Al、Sn、Zr，单相组织，性能稳定；强度高（1200-1500MPa）、韧性好；高温下对氧有较强抵抗力；焊接性好；但成形性较差。多用于制造飞机蒙皮和各种模锻件等。β型：TB1,2 主加大量β稳定元素，空冷或水冷可在室温得到全β相组织。主要特点是通过时效处理可大幅度↑强度，主要用于压气机叶片、轮盘等重载荷旋转件和飞机构件. α+β型：TC1,2,3,4,6,8,9,10 主加Al、V，双相组织；塑性好、室温强度高，但热强性较差。可热处理强化。可用于制造火箭发动机外壳。铜合金：按成份分为黄白青铜，黄铜：Cu-Zn合金，Zn固溶强化，并可形成过剩相CuZn。黄铜按组织可分为：α单相黄铜：抗蚀性和室温塑性好,但强度低,适宜进行冷变形加工；α+β两相黄铜和β′单相黄铜：室温塑性较差，需加热到高温进行热加工。青铜：1.锡青铜：Cu-Sn、Zn、Pb等，固溶强化和第二相强化。铸造时体积收缩小，热裂倾向小，耐蚀性高，铸件致密性差。2.铝青铜：用Al代锡，强度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性能、流动性都很好。铍青铜：可时效硬化，具有很高的强度、硬度、疲劳极限和耐磨性，具有良好的导电导热性能。白铜：Cu-Ni合金，组织均呈单相，不能经热处理强化，耐蚀性和抗腐蚀疲劳性，冷、热加工性能好，主要借助固溶强化和加工硬化↑力学性能。复合材料：由两种或两种以上的物理或化学上不同的物质组合起来而得到的具有更高的综合性能或产生新性能的多相固体材料。具有可设计性。复合材料各相间哪些匹配：化学相容：复合材料各相间不应有强烈的化学反应和扩散作用，保证一定界面结合同时不损伤强化相造成强度下降。物理相容：复合材料各相间应有相匹配的膨胀系数、弹性模量、适宜的界面结合强度。润湿性：复合材料各相间应有良好的润湿性以保证充分分散，不产生团聚。陶瓷材料力学性能特点：金属材料的化学键大多是金属键，没有方向性，有很好的塑性变形能力。陶瓷材料化学键：离子或共价键，具有明显方向性，很高的结合能。性能特点（与金属比）：强度、硬度、弹性模量高，耐磨耐蚀、耐热；脆，不易产生塑性变形；抗热振性、使用可靠性差。