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

2、业出版社复合材料（二十一世纪新材料丛书）吴人洁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

3、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：弱碳化物形成元素，Mn——Mn3C（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

4、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’。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

5、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）

6、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%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

7、，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→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……（A

8、l、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A→P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A→P转变（Mn、Cr、Mo……）。c、B：在A晶界空位处，降低A晶界能，推迟A→F、P转变。采用