《材料科學基礎A》總復習課程的性質：本課程旨在介紹金屬材料的成份、組織、加工工藝與金屬材料的性能間的關系和變化規律。

主要內容：包括金屬學基礎知識、鋼的熱處理和金屬材料三方面。

（1）金屬學基礎知識講述金屬的晶體結構、結晶過程及金屬的塑性變形，鐵碳合金的組織及鐵碳合金相圖；

（2）鋼的熱處理講述熱處理的原理和工藝，以及熱處理在零件加工過程中的地位和作用，根據零件的技術條件正確選定熱處理工藝方法，合理安排工藝路線；

（3）金屬材料講述工業用鋼、鑄鐵、有色金屬及合金等金屬材料的牌號、成分、組織、熱處理、性能及用途，以便能合理選用金屬材料。使用性能工藝性能純金屬合金工業用鋼有色金屬及其合金鑄鐵結晶塑性變形熱處理一、性能㈠使用性能1、力學性能⑴剛度：材料抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量：E=/⑵強度：材料抵抗變形和破壞的能力。指標：抗拉強度b—材料斷裂前承受的最大應力。屈服強度s—材料產生微量塑性變形時的應力。條件屈服強度0.2—殘余塑變為0.2%時的應力。疲勞強度-1—無數次交變應力作用下不發生破壞的最大應力。⑶塑性：材料斷裂前承受最大塑性變形的能力。指標為、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性變形的能力。指標為HB、HRC。⑸沖擊韌性：材料抵抗沖擊破壞的能力。指標為αk.材料的使用溫度應在冷脆轉變溫度以上。⑹斷裂韌性：材料抵抗內部裂紋擴展的能力。指標為K1C。2、化學性能⑴耐蝕性：材料在介質中抵抗腐蝕的能力。⑵抗氧化性：材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。3、耐磨性：材料抵抗磨損的能力。㈡工藝性能1、鑄造性能：液態金屬的流動性、填充性、收縮率、偏析傾向。2、鍛造性能：成型性與變形抗力。3、切削性能：對刀具的磨損、斷屑能力及導熱性。4、焊接性能：產生焊接缺陷的傾向。5、熱處理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。二、晶體結構㈠純金屬的晶體結構1、理想金屬⑴

晶體：原子呈規則排列的固體。

晶格：表示原子排列規律的空間格架。

晶胞：晶格中代表原子排列規律的最小幾何單元.⑵三種常見純金屬的晶體結構Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見金屬31212滑移系底面對角×3<110>×3<111>×2滑移方向六方底面×1{111}×4{110}×6滑移面0.740.740.68致密度12

128配位數6

42原子個數原子半徑a、caa晶格常數密排六方面心立方體心立方⑶立方晶系的晶面指數和晶向指數①晶面指數：晶面三坐標截距值倒數取整加（）②晶向指數：晶向上任一點坐標值取整加[]立方晶系常見的晶面和晶向

⑷晶面族與晶向族指數不同但原子排列完全相同的晶面或晶向。⑸密排面和密排方向

——同滑移面與滑移方向在立方晶系中，指數相同的晶面與晶向相互垂直。2、實際金屬

⑴多晶體結構：由多晶粒組成的晶體結構。

晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規則的小晶體.

晶界：晶粒之間的交界面。⑵晶體缺陷—晶格不完整的部位①點缺陷

空位：晶格中的空結點。

間隙原子：擠進晶格間隙中的原子。

置換原子：取代原來原子位置的外來原子。②線缺陷——位錯晶格中一部分晶體相對另一部分晶體沿某一晶面發生局部滑移,滑移面上滑移區與未滑移區的交接線.③面缺陷——晶界和亞晶界

亞晶粒：組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶塊。亞晶界：亞晶粒之間的交界面。④晶界的特點：原子排列不規則；阻礙位錯運動；熔點低；耐蝕性低；產生內吸附；是相變的優先形核部位。金屬的晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協調的具有不同位向的晶粒越多，使得金屬塑性變形的抗力越高。晶粒越細，單位體積內同時參與變形的晶粒數目越多,變形越均勻，在斷裂前將發生較大塑性變形。強度和塑性同時增加，在斷裂前消耗的功大，因而韌性也好.細晶強化：通過細化晶粒來提高強度、硬度和塑性、韌性的方法。㈡合金的晶體結構合金：由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。相：金屬或合金中凡成分相同、結構相同，并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。1、固溶體：與組成元素之一的晶體結構相同的固相.⑴置換固溶體：溶質原子占據溶劑晶格結點位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。

⑵間隙固溶體：溶質原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。為過渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。馬氏體：碳在-Fe中的過飽和固溶體。固溶強化：隨溶質含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現象。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，并隨含碳量增加而提高。

⑵金屬化合物：與組成元素晶體結構均不相同的固相.①正常價化合物如Mg2Si②電子化合物如Cu3Sn③間隙化合物：由過度族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。分為結構簡單的間隙相和復雜結構的間隙化合物。強碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe如Fe3C⑶性能比較：強度：固溶體純金屬

硬度：化合物固溶體純金屬塑性：化合物固溶體純金屬⑷金屬化合物形態對性能的影響①基體、晶界網狀：強韌性低②晶內片狀：強硬度提高，塑韌性降低③顆粒狀：彌散強化：第二相顆粒越細，數量越多，分布越均勻,合金的強度、硬度越高，塑韌性略有下降的現象。⑸固溶體與化合物的區別：①結構；②性能；③表達方式合金元素在鋼中的作用1、強化鐵素體；2、形成化合物——第二相強化3、擴大（C,Mn,Ni,Co）或縮小（Cr,Si,W,Mo）A相區4、使S、E點左移5、影響A化6、溶于A(除Co外),使C曲線右移,Vk減小,淬透性提高.7、除Co、Al外，使Ms、Mf點下降。8、提高耐回火性（淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力）9、產生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時，由于析出細小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時A’轉變為M回，使硬度不僅不下降，反而升高的現象)10、防止第二類回火脆性：W、Mo(回火脆性：淬火鋼在某些溫度范圍內回火時，出現的沖擊韌性下降的現象。)三、組織㈠純金屬的組織1、結晶：金屬由液態轉變為晶體的過程⑴結晶的條件——過冷：在理論結晶溫度以下發生結晶的現象。過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度的差。⑵結晶的基本過程——晶核形成與晶核長大形核——自發形核與非自發形核長大——均勻長大與樹枝狀長大⑶結晶晶粒度控制方法：①增加過冷度；②變質處理；③機械振動、攪拌2、純金屬中的固態轉變同素異構轉變：物質在固態下晶體結構隨溫度而發生變化的現象。固態轉變的特點：①形核部位特殊；②過冷傾向大;③伴隨著體積變化。1394℃

912℃

鐵的同素異構轉變：-Fe?-Fe?-Fe3、再結晶⑴再結晶條件：冷塑性變形⑵加熱時的變化：回復→再結晶→晶粒長大再結晶：冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程.再結晶不是相變過程。

⑶再結晶溫度：發生再結晶的最低溫度。純金屬的最低再結晶溫度T再0.4T熔⑷影響再結晶晶粒度的因素：①加熱溫度和時間；②預先變形程度4、塑性變形：金屬塑性變形方式：滑移和孿生⑴滑移的特點：①只能在切應力的作用下發生；②沿密排面和密排方向發生；③位移量是原子間距整數倍；④伴隨著轉動滑移的機理：通過位錯運動實現。孿生特點：①孿生使晶格位向發生改變；②所需切應力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速；③孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。⑵冷熱加工：以再結晶溫度劃分①冷加工組織：晶粒被拉長壓扁、亞結構細化、織構：變形量大時，大部分晶粒的某一位向與外力趨于一致的現象。加工硬化：

隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現象。冷加工使內應力增加，耐蝕性下降，提高。②熱加工：形成纖維組織、帶狀組織纖維組織使熱加工金屬產生各向異性，加工零件時應考慮使流線方向與拉應力方向一致。㈡合金的組織1、相圖勻晶L共晶L+共析+包晶L+杠桿定律：只適用于兩相區。枝晶偏析：在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現象。2、合金中的固態相變⑴固溶體轉變：AF⑵共析轉變：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ⑷奧氏體化⑸過冷奧氏體轉變⑹固溶處理+時效：固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強化相的熱處理。

3、鐵碳合金相圖

點：符號、成分、溫度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢ萊氏體Le(A+Fe3C)

Le’(P+Fe3C)珠光體P(F+Fe3C)復相組織組成物：組織組成物標注相區標注線：液固相線、水平線、固溶線、固溶體轉變線A1538℃D1227℃N1394℃G912℃PSK727℃ECF1148℃HJB1495℃C%溫度典型合金的結晶過程（以共析鋼為例）時間溫度杠桿定律的應用合金相的相對重量百分比組織組成物的相對重量百分比45鋼T10鋼含碳3.0%亞共晶白口鐵四、鋼的熱處理㈠熱處理原理1、加熱時的轉變奧氏體化步驟：A形核；A晶核長大；殘余滲碳體溶解；A成分均勻化。奧氏體化后的晶粒度：初始晶粒度：奧氏體化剛結束時的晶粒度。實際晶粒度：給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質晶粒度：加熱時奧氏體晶粒的長大傾向。

2、冷卻時的轉變⑴等溫轉變曲線及產物

650℃600℃550℃350℃A1MSMf時間PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M過冷A過冷A過冷A過冷A過冷A⑵用C曲線定性說明連續冷卻轉變產物

根據與C曲線交點位置判斷轉變產物

P均勻A細AA1MSMf時間等溫退火PP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等溫淬火B下M+A’分級淬火M+A’淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’3、回火時的轉變碳鋼：馬氏體的分解；殘余奧氏體分解；-碳化物轉變為Fe3C；Fe3C聚集長大和鐵素體多邊形化。W18Cr4V鋼：560℃三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，產生二次硬化。回火冷卻時，A’轉變為M。每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火。強化鋼鐵材料最經濟有效的熱處理工藝是淬火+回火,它包含了四種基本強化方法。

㈡熱處理工藝工藝目的加熱溫度組織退火1.調整硬度,便于切削加工。2.細化晶粒,為最終熱處理作組織準備。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Ac1+30~50℃F+PPP球正火1.低中碳鋼同退火。2.過工析鋼：消除網狀二次滲碳體。3.普通件最終熱處理亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Accm+30~50℃<0.6%C,F+S;≧0.6%C，SSS淬火獲得馬氏體組織。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Ac1+30~50℃≦0.5%C,M>0.5%C,M+A’M+A’M+A’+粒狀Fe3C熱處理工藝（續）工藝目的加熱溫度組織回火1.消除內應力，減少變形。2.獲得所需要的性能。低溫回火150~250℃中溫回火350~500℃高溫回火500~650℃(調質)亞共析,共析鋼：M回過共析鋼:M回+A’(少)+粒狀Fe3CT回S回表面淬火表面獲得馬氏體組織，并獲得表硬里韌的性能。預備熱處理：調質或正火適用于中碳鋼0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(調質)或F+S(正火)滲碳提高表面含碳量，獲得表硬里韌的性能。滲碳溫度:900~950℃淬火溫度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃適用于低碳鋼0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F

M回五、工業用金屬材料鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態下組織性能用途碳素結構鋼<0.4Q195Q235熱軋空冷F+P塑性,焊接性好建筑結構低合金高強度鋼<0.2Q345(16Mn)Mn:強化F,增加P,降低脆轉溫度熱軋空冷F+P塑性,焊接性好橋梁,船舶,容器滲碳鋼0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強化F,Ti:細化晶粒滲碳+淬火+低溫回火表面：M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F表硬里韌軸、齒輪調質鋼0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強化F,Mo:防止第二類回火脆性調質S回良好綜合力學性能軸、齒輪彈簧鋼0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強化F；Si:提高屈強比淬火+中溫回火T回高s/b高-1彈簧㈠工業用鋼工業用鋼（續）鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態下組織性能用途滾動軸承鋼0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高-1足夠ak滾動軸承耐磨鋼1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A組織水韌處理表：M+碳化物心：A高耐磨耐沖擊鏟齒，履帶板碳素工具鋼0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨沖子、絲錐、銼刀低合金工具鋼0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速鋼0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高熱硬、耐磨性鍛、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高熱硬高硬度高耐磨高速刃具工業用鋼（續）鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態下組織性能用途冷作模具鋼1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性鍛，退，淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物高硬度高耐磨冷沖模擠壓模熱鍛模鋼0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同調質鋼調質S回抗熱疲勞熱鍛模壓鑄模鋼0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速鋼淬火+回火M回+A’(少量)+顆粒狀碳化物抗熱疲勞,耐磨壓鑄模不銹鋼0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蝕性；Ni:形成A；Ti:防止晶間腐蝕調質S回高耐蝕性(隨C%增加,耐蝕性下降)汽輪機葉片3Cr13,4Cr13淬火+低溫回火M回醫療器械0Cr13不能熱處理F硝酸氮肥工業1Cr18Ni9Ti固溶處理A化工管道耐熱鋼15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:彌散強化;Ni:形成A組織正火F+P高熱強性,高抗氧化性鍋爐零件4Cr9Si2,1Cr11MoV調質S回氣閥,葉片1C