金屬材料及熱處理整理

考試題型：

填空20'選擇10'名詞解釋5X3'簡答題5X5'問答、論述、計算30'

緒論

?材料科學與工程四要素：成分、組織結構、性能、用途

?為了闡明材料四要素之間的邏輯關系，分為以下四類：金屬材料、非金屬材料、有機

高分子材料、復合材料

第一章工程材料的力學性能

?力學性能：材料在加外加載荷與壞境共同作用下所表現(xiàn)出來的行為

?實驗：拉伸試驗（低碳鋼標準光滑圓柱試樣的單向靜拉伸試驗）

一次擺錘沖擊彎曲實驗

?硬度：指材料表面抵抗更硬物體壓入或刻化的能力，即抵抗局部塑性變形的能力。

布氏硬度（HB）：優(yōu)點：具有很高的測量精度，它采用的試驗力大，球體直徑也大，因

而壓痕直徑也大，能較真實地反映出材料的平均性能。缺點：操作時間較長，對不同

材料需要更換壓頭和試驗力，壓痕測量也較費時間。在進行高硬度材料試驗時，由于

球體本身的變形會使測量結果不準確。又因壓痕較大，不宜用手測量成品件及薄件。

洛氏硬度（IIR）：優(yōu)點：操作簡單、迅速；能直接從刻度盤上讀出硬度值；壓痕較小,

可以測定成品及薄的工件；測試的硬度值范圍大，可以測定從很軟到很硬的材料。缺

點：壓痕較小，當材料的內(nèi)部組織不均勻時，硬度數(shù)據(jù)波動較大，使測量值的代表性

不足，通常需要在不同部位測試數(shù)次，取其平均值來代表材料的硬度。

?力學性能的5個基本指標：強度。口。￡和塑性6、小由拉伸試驗得出，韌性Ak由一

次擺錘沖擊彎曲實驗得出。（力學性能的五個基本指標和通過什么實驗得出？）

第二章金屬的晶體結果與結晶

?常見的金屬晶體晶胞：體心立方bcc、面心立方fee、密排六方hep

?顯微組織：在顯微鏡下所觀察到的金屬中的各種晶府的大小、形態(tài)和分布。

?晶格缺陷：點缺陷、線缺陷、面缺陷

點缺陷：①晶格空位②間隙原子③外來原子（置換原子）的溶入

線缺陷：主要形式是位錯。①刃型位錯②螺型位錯、

沒有位錯或者很多位錯都可以加強金屬強度。

面缺陷：金屬晶體中的晶粒間界、亞晶界（鑲嵌快晶界）和共格性的李晶界

晶界結構模型：①小角度晶界的位錯模型②大角度晶界的過渡模型

?金屬結晶的冷卻曲線：金屬的結晶溫度可以用熱分圻法測定，建立溫度-時間的關系曲

線冷卻曲線。

To：平衡結晶溫度a：開始結晶

b：結晶結束Tn：實際結晶溫度

ab、cd水平線：放出的結晶潛熱剛好抵消了

系統(tǒng)向外散發(fā)的熱量所以在冷卻曲線上形成

水平線。

?過冷度（AT）：實際結晶溫度總低于平衡結晶

溫度，兩者之差為過冷度。AT二Tn

過冷度是結晶的必要條件，是相變的推動力。

?細晶強化：通過細化晶粒提高金屬材料力學性能的方法。在一般情況下晶粒越細小，則

金屬的強度、硬度、塑性、韌性越好，即力學性能越好。

?晶粒度的控制：

①增大過冷度，使金屬形核與長大

②加入難溶雜質(zhì)進行變質(zhì)處理，提高形核率同時抑制長大

③機械振動或攪拌，提高形核率，增加晶核數(shù)量

?變質(zhì)處理：就是在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以細化晶粒和改善組織。

變質(zhì)劑的作用：增加晶格數(shù)量或阻礙晶核的長大

如何進行變質(zhì)處理？加入難溶雜質(zhì)，從而提高形核率和抑制長大，從而細化晶粒C

?鑄錠結構的形成原因：①過冷度②散熱方向

?鑄錠結構分層：①表面細晶粒層（過冷度較大）②柱狀晶粒層（垂直于表面生長）③中

心粗大等釉晶粒區(qū)（過冷度較小

第三章二元合金與相圖

?合金：通過熔煉、燒結或其他方法，將一種金屬元素同一種或幾種其他元素結合在一起

所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)稱為合金。

①兩種及以上元素，至少有?種為金屬②具有金屬痔性

?組元：組成合金獨立的、最基本的單元，稱為組元。

?相：在金屬或合金中，凡成分相同、結構相同具有一定物理化學性質(zhì)的并與其他部分有

界面分開的均勻組成部分稱為相。

?組織：由單相或多相組成的具有一定形狀、大小、數(shù)量、分布的聚合物。

?固溶強化：通過形成固溶體使金屬強度、硬度提高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。

①由于形成固溶體而引起晶格畸變②從而使強度、硬度增大

③溶質(zhì)含量適當時，塑性、韌性無明顯下降

?相圖：用圖解的方法表示不同溫度、壓力及成分下的合金系中各相的平衡關系，也稱平

衡圖或狀態(tài)圖。以合金成分為橫坐標，溫度為縱坐標。

獲得方法：試驗方法測得.熱分析法。

二元合金的基本相圖：勻晶相圖、共晶相圖

?勻晶相圖：兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時也無限互溶且形成單相固溶體，所構成

的相圖稱之為一元勻品相圖。

1500

1400杠桿定律：QiXaib^QaXb^i

I300

式中，QL為L相的質(zhì)量；Q“為Q相的

1200質(zhì)量；b?和ac為線段長度。

1100注意：只適用于相圖中的兩相區(qū)，并

1000且只能在平衡狀態(tài)下使用。

900

圖3-13勻晶相理合金的結晶過程

?共晶相圖：當兩組元在液態(tài)時無

限互溶，在固態(tài)時有限互溶，而且發(fā)生共晶反應（一個溫度下，析出兩個固相），所構

成的相圖成為二元共晶相圖。

合金I：L-*L+a-*a-*a+Pn

最后得到合金組織a+BH,其組成相是f點成分的a相和g點成分的B相。室

溫下，

他們的相對質(zhì)量為：

a=xig/fgX100%,pn=fxi/fgX100%

合金II：共晶合金。L-(L-a+B)-a+B

其組成全部為共晶體，其組成相為兩相a和B。依據(jù)杠桿定理，a,和隊的相

對

量分別為：

<*)ac=de/ceX100%,w>t=cd/ceX100%

合金111：亞共晶合金。L-L+Qf(L-a+13)-a+B"(a+B)

合金的組成和為a和0,合金的組織組成物為初生□,Pn和共晶體(a+B),

它們的

相對質(zhì)量分別為：

3Q=C'g/fgX2d/cdX100%,<oP=fx3/fgX100%

3BI產(chǎn)fc'/fgX2d/cdX100%,<0<o.e)=c2/cdX100%

合金IV：過共晶合金。L-L+B-(L-a+B)->aii+P+(a+8)

合金的組成相為a和B，合金的組織組成物為初生。B和共品體(a413),

它們的

相對質(zhì)量分別為：

3a=2d/deXe'g/fgXIOO%,wp=x4g/fgX100%

"i=c'g/fgX2d/deX100%,w<?^)=2e/deX100%

第四章鐵碳合金相圖

?三個基本相：鐵素體(軟韌相)、奧氏體、滲碳體(硬脆相)

?鐵素體(軟韌相)：碳溶于Fe中形成的間隙固溶體成為鐵素體，用符號F或a表

示。

①溫度為727℃時，溶碳量最大，3,為0.0218%

②強度硬度較低，塑性韌性好

?奧氏體：碳溶于丫-耳中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，以符號A或丫表示。

①溫度在727c時，溶碳量為3c=0.77樂在1184c時最大，3c=2.11%

②奧氏體有很好的塑性和韌性，易于鍛壓成型

?滲碳體(硬脆相)：滲碳體是鐵和碳形成的一種具有復雜晶格的間隙化合物，用化學式

Fe3c表示。

①滲碳體中碳的含量為6.69%

②法碳體的硬度很高，而塑性韌性幾乎為0,脆性極大

?兩個基本組織：珠光體、萊氏體

?珠光體：珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的層片狀機械混合物，用符號P來表示。

①碳含量為0.77%.

②是一個雙相組織，性能介于鐵素體和滲碳體之間，即具有一定的強度、塑性和硬度

?萊氏體：由液態(tài)中同時結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，用符號L表示。

①硬度很高，塑性很差

②727c以下由珠光體和滲碳體組成的機械混合物成稱為變態(tài)萊氏體，L/。

?鐵碳合金相圖：

ACD線：液相線，在此線以上的區(qū)域為液相，當合金液冷卻到此線時開始結晶。

051015203040506070809010()'.

AECF線：固相線，合金熔液冷卻到此線時結晶完畢，此線以下為固相區(qū)。

ECF線：共晶線，1148C。液態(tài)合金冷卻到此線時，在恒溫條件下，將從液體中同時

結晶出奧氏體和滲碳體的機械混合物，即發(fā)生共晶反應，所形成的共晶體為

萊氏體。

PSK線：共析線，代號A”727℃。當合金冷卻到此線時，從奧氏體中同時析出鐵索

體和滲碳體的機械混合物，即共析反應，所形成的共析體為珠光體。

三條重要的特性曲線：

①GS線：A3線,由奧氏體析出鐵素體的開始線

②ES線：A,n線，從奧氏體中開始析出一次滲碳體的析出線

③PQ線：是碳在鐵素體中的溶解度曲線，當鐵素體從727。，冷卻下來時要從鐵

素體中析出三次滲碳體

?碳素鋼：含碳量少于2.11%的鐵碳合金。

?雜質(zhì)對碳素鋼性能的影響：鎰、硅、硫、磷。

缽：優(yōu)點①固溶強化②消除硫的有害作用(鋅含量小于1%不會發(fā)生該作用)

缺點①使鋼的敏感性增加，易使晶粒粗大(含量過量會使相圖中共析點左下移)

硅：優(yōu)點①固溶強化，提高鋼的強度、硬度，降低鋼的塑性和韌性

缺點①是Fe3c的穩(wěn)定性下降，會促進其分解

硫：優(yōu)點①形成熔點低的共品體，低于鋼材熱加工初始溫度

缺點①引起熱脆現(xiàn)象

磷：優(yōu)點①提高材料的韌脆轉變溫度

缺點①引起冷脆反應

?碳素鋼的命名方法和主要用途：

普通碳素結構鋼：a=0.06Q0.38%o

用于建筑及其他工程結構的鐵碳合金稱為普通碳素結構鋼。

牌號：代表鋼材屈服點的字母+屈服值+質(zhì)量等級代號+脫氧方法代號

質(zhì)量等級代號:A(wXO.050%,3pW0.045%)、B((o.WO.045%,即或0.045%)、

C(ws<0.040%,wP<0.040%)>D(<os<0.035%,3Ko.035%)。

脫氧方法代號：“F”沸騰鋼、“b”半鎮(zhèn)靜鋼、“Z”鎮(zhèn)靜鋼、“TZ”特殊鎮(zhèn)靜鋼。通常鋼

號中

“Z”和“TZ”符號可省略。

Q195,Q215：制造釘子、鉀釘、墊塊、地腳螺釘、煙筒及輕負荷焊接結構件。

Q235,Q255：制造鋼筋、鋼板、小軸、拉桿、螺栓、螺母、法蘭等不重要的農(nóng)

業(yè)機械零件。Q235C,Q235D用于質(zhì)量要求高的重要焊接件。

Q275：用于重要的建筑、橋梁等工程焊件；制造拉阡、連桿、轉軸、心軸、齒輪和鍵

優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼：用于制作各種較重要的機械零件。

牌號：用2位數(shù)字表示，2位數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)的萬倍值。

10~25鋼：標準件、軸承、容器等；適當熱處理后可制造齒輪、凸輪、銷軸、摩

擦片、水泥釘?shù)取?/p>

45鋼：傳動軸、發(fā)動機連桿、機床齒輪等。

60鋼(高碳素結構鋼)：彈簧、重鋼軌、軋輻、鐵鍬、鋼絲繩等。

碳素工具鋼：用于制造工具的碳素鋼

牌號：T+碳質(zhì)量分數(shù)的千倍值(+A)

T7：鑿子、沖頭、木工工具、鉗工工具等。

T8：木工用銃刀、鉆頭、圓鋸片、鉗工工具、鉀釘沖模等。

T9：切削軟金屬的刀具、一定硬度韌性的沖模、沖頭等。

T10：刨刀、拉絲模、冷鍛模等。

T11：絲錐、刮刀、尺寸不大二截面急劇變化的沖模木工工具等。

T12：絲錐、刮刀、板牙、鉆頭、絞刀、鋸條、冷沖模、量規(guī)等。

T13：鍥刀、刻刀、剃刀、拉絲模、加工堅硬巖石用的刀具。

P834-6

第五章金屬的塑性變形和再結晶

?塑性變形：金屬因受外力而發(fā)生變形，卸載后仍不能消失的那部分變形稱為塑性變

形。塑性變形不僅可以把金屬材料加工成各種形狀和尺寸的制品，而且還可以改變金

屬的組織和性能。目的：改變金屬的外形尺寸組織和性能。

?單晶體的塑性變形：主要以滑移的方式進行的?；葡翟蕉?，塑性越好。

?加工硬化（形變強化）：塑性變形對金屬性能的主要影響是造成形變強化。即隨著塑性

變形程度的增加，金屬的強度、硬度提高，而塑性、韌性下降。

（塑性變形對金屬的影響）

?塑性變形金屬在加熱時組織和性能的變化：隨著加熱溫度的升高，變化過程可分為回

復、再結晶及晶粒長大。

回復：品格畸變程度大為減輕，從而使內(nèi)應力有所降低，這個階段稱為回復。

再結晶：由畸變晶粒通過形核及晶核長大而形成新的無畸變的等釉晶粒過程。

晶粒長大：再結晶后的金屬，一般都得到細小而均勻的等軸晶粒。如果繼續(xù)升高溫度

或延長保溫時間，再結晶后的晶粒又以互相吞并的方式長大。

?為什么常溫下Cu、Ag、Au的塑性好？

面心立方結構。

第六章鋼的熱處理及表面處理

?鋼的熱處理：是指在固態(tài)下通過對鋼進行不同的加熱、保溫、冷卻來改變鋼的組織結

構，從而獲得所需要性能的一種工藝。

?鋼在加熱時的四個階段；（簡答題不加括號里內(nèi)容，問答題加）

①相界面上形核（同時滿足能量起伏、成分起伏、結構起伏）

②擴散長大（碳濃度差作為推動力）

③剩余碳化物溶解（成分、結構原因）

④A均勻化（碳含量）

?過熱：由于加熱溫度過高或保溫時間過長，使奧氏體晶粒粗大。

?本質(zhì)晶粒度：用來表示奧氏體晶粒長大的傾向性。

?鋼在冷卻時的組織轉變的三個區(qū)域組織：

①珠光體類型組織②貝氏體類型組織③馬氏體類型組織

分類依據(jù)?：碳的擴散程度。

在川以上溫度奧氏體是穩(wěn)定的。過冷至A1以下就成為不穩(wěn)定的過冷奧氏體，以

符號A冷表示。隨著過冷度不同，過冷奧氏體將發(fā)生3種類型轉變，即珠光體型轉

變、貝氏體型轉變和馬氏體型轉變。

?珠光體型轉變：A（奧氏體）-F（鐵素體）的關鍵是多余的C能否以滲碳體的形式析

Hk過冷奧氏體在A「550℃溫度范圍內(nèi)將變成珠光體類型組織。

珠光體：Al~650C,用符號P表示，性能最差。

P轉變區(qū)域①等溫轉變的溫度高，過冷度小②擴散得以充分進行，析出過程

完整，擴散型轉變。

索氏體:650~600℃,用符號S表示。

托氏體：600"550℃,用符號T表示，性能最好。

層片間距：P>S>T

?貝氏體型轉變：過冷貝氏體在550C~Ms范圍內(nèi)將轉變成貝氏體類型組織，貝氏體用符

號B表示。貝氏體轉變的起始溫度，是奧氏體和馬氏體兩相自由能之差達到相變所需

最小驅(qū)動力時的溫度。

根據(jù)形態(tài)組織分為①上貝氏體（Bh）：性能很差②下貝氏體（B下）：性能很好

B轉變區(qū)域①等溫轉變的溫度中等，過冷度中等②擴散只能部分進行，析出過程其分

進行，半擴散型轉變。

?馬氏體型轉變：當奧氏體獲得極大過冷至Ms以下時，將轉變成馬氏體類型組織。

獲得馬氏體時鋼件強韌化的重要基礎。

M轉變區(qū)域①等溫轉變溫度低，過冷度大②擴散不能進行，無析出過程，無擴散的共

格切變，

馬氏體的晶體結構：馬氏體是碳在a-Fe中的過飽和固溶體，用符號M表示。

馬氏體的組織形態(tài)：①板條狀馬氏體②針片狀馬氏體

馬氏體的性能：①高硬度、高強度是馬氏體性能的主要特點（碳含量越高，硬度越

高）②板條狀馬氏休塑性和韌性相當好，高碳片狀馬氏休的塑性和韌

性很差

?C曲線：由熱分析法建立的。P103圖6-19

合金元素對C曲線的影響：除鉆（Co）以外，所有的合金元素融入奧氏體后都增大過

冷A的穩(wěn)定性，使C曲線右移。

?退火：退火是將金屬或合金加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的以獲得

接近平衡態(tài)的組織的熱處理工藝。

球化退火：使鋼中碳化的球狀化而進行的退火工藝。

為了便于球化過程進行，對于有嚴重網(wǎng)狀的二次滲碳體的過共析鋼，應在球化退火前

進行正火處理，消除網(wǎng)狀。（主要適用于過析、過共析鋼）

去應力退火：是將工件加熱至Aa以下某一溫度（由零件確定），保溫后隨爐冷卻到

160c以下出爐空冷。（無相變退火）

應用：清除內(nèi)應力，防止變形和開裂。

?正火：正火是將鋼材或鋼件加熱到A心（或AcQ以二30~50℃,保溫適當?shù)臅r間后，

在靜止的空氣中冷卻得到含有珠光體組織的熱處理工藝。

?淬火：將鋼件加熱到此或加相變點以上某一溫度，保持一定時間，然后以大于vk的

速度冷卻，獲得馬氏體和（或）下貝氏體組織的熱處理工藝。

主要目的：通過先獲得馬氏體或下貝氏體，以提高強度、硬度、耐磨性。

淬火溫度的選擇：①為防止奧氏體粗大，淬火溫度不宜太高，一般規(guī)定淬火溫度在臨

界點以上30~50℃②對于亞共析鋼，淬火溫度為Ac3-30~50℃③對于共析鋼和過共析

鋼，淬火溫度為總+30~50℃④對于合金鋼，淬火溫度允許比碳素鋼高，一般為臨界

點以上50~100℃

淬火介質(zhì)的選擇：目前常用的冷卻介質(zhì)仍為水和油，水的冷卻速度＞油（礦物油〕

水是最經(jīng)濟且冷卻能力較強的介質(zhì)。

?淬透性：是指規(guī)定條件下鋼材獲得淬硬層深度的能力（是指剛在淬火石獲得馬氏體的

能力），它是鋼材固有的一種屬性。

淬透深度：表面到半馬氏體區(qū)域的距離。

淬透性測定方法：末端淬火法（最常用）和臨界淬透直徑法。

P112圖6-30：判斷截面硬度是否達標及選擇介質(zhì)

?淬硬性：是指鋼在正常淬火條件下所能達到的最高硬度。取決于C的含量。

?回火：是指將淬火后的鋼再加熱到不超過心的溫度，保持一定時間，然后冷卻到定溫

的熱處理工藝。

三個回火得到的組織：回火M、回火T、回火S。

低溫回火：150~250℃,由過飽和的a固溶體和與熔相共格的￡-碳化物組成的組織稱

為回火馬氏體（回火M）。

中溫回火：350"500℃,組織是保持原M形態(tài)的鐵素體和粒狀滲碳體被稱為回火托氏體

（回火T）。

高溫回火：500'650℃,組織由等軸F+粒狀碳化物組成的組織稱為回火索氏體（回火

S）。

調(diào)制處理：一般習慣將淬火加高溫回火得到的回火S的熱處理叫做調(diào)制處理。

?45鋼表面淬火及溫度分布：

M

40.

旦

禽

?滲入法的化學熱處理過程分為3個互相銜接而又同時進行的階段：分解、吸收和擴

散。（填空）

熱處理的三個階段：加熱、保溫和冷卻。

?預冷的作用：①減小熱應力，材料變形開裂傾向減小

②表面奧氏體中的碳含量下降，殘余奧氏體中的碳含量也下降，可以析M?定量的

FesCn,使硬度上升

③心部溫度大于得到M,從而提高其強韌性

?預冷直接淬火：直接淬火是將工件從滲碳溫度降到820、850℃之間（相當于芯部組織

的ACs）,出爐立即淬火，然后在160180C進行低溫回火。

熱處理后得到表層組織為回火M+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體，心部淬透時為低碳回

火馬氏體，未淬透時為鐵素體+索氏體。

?P1296-12、6-13

第七章合金鋼

?機械結構用合金鋼：按其用途和主要工藝特點可分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動

軸承鋼等。（碳含量依次增加）

?合金滲碳鋼：常指經(jīng)滲碳、淬火、低溫回火后使用的合金鋼。

典型鋼種：20Cr或2DCrMnTi

合金元素：可提高淬透性；阻止過熱；細化晶粒；提高滲碳層的硬度及耐磨性等。

熱處理：正火、滲碳、預冷淬火、低溫回火（滲碳溫度：930℃±10℃）o

組織：表面為高碳回火M+碳化物+A',心部為低碳回火\I+F（S+F）。

性能；表面（高硬度、高耐磨性）和心部（強韌性或良好塑性）。

應用：活塞銷、滑塊、小齒輪等。

生產(chǎn)工藝路線：下料一毛坯鍛造一正火一加工齒形一局部鍍銅~滲碳一預冷一淬火+低

溫回火f噴丸一精磨（磨齒）

?合金調(diào)質(zhì)鋼：調(diào)質(zhì)鋼多數(shù)是指經(jīng)調(diào)制后使用的結構鋼。