工程材料§
Abstract
也许这是一门有意义的课. 坚持学到了最后一切都能理清楚.
但有时很难不怀疑, 此种授课模式和考试形式似乎没能让绝大部分人实现其意义.
Warning
以下是复习/补天资料, 因此没有考虑过初学者阅读的友好度.
1. 金属材料结构与其力学性能§
1.1 应力(\(\sigma\))-应变(\(\varepsilon\))曲线§
工程材料 ppt 上的图:
材料力学 ppt 上的图:
- \(\sigma_b\): 抗拉强度, 即即将断裂前所能支撑的强度, 也是材料能承受的最大强度(BREAKING)
- \(\sigma_s\): 屈服强度, 即材料开始发生明显塑性形变的点(从 \(\sigma_e\) 到 \(\sigma_s\) 这一段发生明显变形但是应力没有明显变化), 可以诙谐为奴隶(SLAVE)
- \(\sigma_e\): 弹性极限, 即材料弹性形变的终点
- \(\sigma_{-1}\): 疲劳强度, 指材料在无限次循环应力下而不发生断裂的最大应力.
- \(\sigma_p\): 比例极限, 即满足公式: \(\sigma_p = E\varepsilon\)
- 屈强比: \(\sigma_s/\sigma_b\), 在弹簧钢热处理中提及, 提高屈强比显然意味着增强金属的弹性
- 刚度: 抵御弹性形变(可恢复破坏)的极限, 只和弹性相关, 和塑性是无关的!!!
- 强度: 抵御塑性形变(不可恢复破坏)的极限
- 拉伸伸长率: \(\sigma = \frac{|\Delta l|}{l_0}\), 断面收缩率: \(\Psi=\frac{|\Delta S|}{S_0}\). 端面收缩率对塑性的描述比伸长率更准确.
1.2 识别: 布氏硬度, 洛氏硬度§
- \(HBS\): 例如 400 HBS, 知道这是布氏硬度即可.
- \(HR\): 马氏体 HRC 60~65; 珠光体 5~40 HRC; 需要大概知道常见的淬火得到的钢的组织对应硬度(前面两个完全够了, 珠光体到屈氏体这一段非常接近).
1.3 冲击韧性§
理解即可.
- 方式非常硬核, 就是用摆锤从一定高度锤下来冲断试样, 看看之后锤子最高能到哪里. 锤子到的位置越低说明材料吸收的功越多, 自然抗冲击能力就越强.
1.4 常见晶体的参数§
| 体心立方晶格 | 面心立方晶格 | 密排六方晶格 | |
|---|---|---|---|
| 原子半径 | 现场手推, 注意点是不要忘记我们不是要计算两个原子核之间的距离, 因此最后还要除以 2! | - | - |
| 原子数 | \(2\) | \(4\) | \(6\) |
| 配位数 | \(8\) | \(12\) | \(12\) |
| 致密度(需记忆) | \(0.68\) | \(0.74\) | \(0.74\) |
| 常见金属(主要关注铁元素, Cu 和 Al 是后面有用的) | \(\alpha-Fe\), \(\delta-Fe\) | \(\gamma-Fe\), 各种 \(Cu\) 和 \(Al\)(滑移系大, 所以这些类型的金属可以直觉感觉到塑性很优秀) | - |
Question
\(\alpha-Fe\) 的致密度为多少? 原子个数有多少个? 对应的滑移系是多少? 那么 \(\gamma-Fe\) 呢?
1.5 晶面与晶向指数§
| 名字 | 符号示例 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 晶面指数 | \((111)\), \((1\overline{1}1)\) | (1)注意是 \(()\); (2)事实上晶面代指的是一系列相互平行的平面, 所以需要化简到最简整数比(题外话: 那么无理数呢); (3) 注意值是截距的倒数(可以换一个思路想一想, 像是体心立方晶格的滑移面如果不是这种相反数就根本没法正常表达了(直接 \(\infty\))) |
| 晶向指数 | \([101]\), \([\overline{1}10]\) | (1)注意是 \([]\); (2)理解为向量即可 |
| 晶面族 | \(\{110\}\) | 注意是 \(\{\}\). \(1\) 应当视作 \(\pm 1\), 然后任何排列方式皆可 |
| 晶向族 | \(<0\overline{1}1>\) | 注意是 \(<>\). 同晶面族 |
- 数字相同的晶面和晶向相互垂直
Question
\(\alpha-Fe\) 的滑移系对应的滑移面是什么?
1.6 晶体的缺陷与晶界§
- 晶粒的细化的结果 (强得可怕!!!! 两个都能做到!!! 根因都是晶界!!!!) 晶粒越细小, 那么晶界面积就越大(晶粒与晶粒之间的接触面积越多), 而晶界会阻碍滑移, 因此强度和硬度会上升; 而变形也能因为晶界面积增大分散得更快, 事实上也提升了塑性和韧性.
- 位错是一种线缺陷, 包括刃型位错和螺型位错(根据有无弯曲区别). 因为位错的存在使得实际晶体的屈服强度大大低于完美晶体的屈服强度(理论屈服强度), 也就是"明明理论上不可能掰开但怎么这么轻松就掰开了"这种感觉.
- 面缺陷: 亚晶界是亚晶粒之间的位错壁.
1.7 纯金属的结晶§
- 实际结晶温度总是低于理论结晶温度, 这是可以通过热力学定理推导的.
- 过冷度等于理论结晶温度减去实际结晶温度.
- 冷却速率越大, 过冷度越大. 反之亦然. 这一点同样可以通过热力学定理推导.
Example
薄壁件因为很薄所以冷却得快, 过冷度自然大, 冷却速率大, 最终得到的晶粒也更细.
1.8 晶核§
- 非自发晶核(异质晶核)对晶核的形成影响更大(另外一种是自发晶核). 异质晶核可以加速晶核的形成, 从而细化晶粒.
1.9 晶粒大小的影响因素§
- 形核速率(形核率)(\(N\))
- 长大速度(\(G\))
- 晶粒细化程度: \(N/G\), 即 (1)晶粒形核率越大 (2)长大速率越慢 就越细
!!! note 细晶强化 (晶粒细化) 的方法(三点都能提高形核率) (1) 增大过冷度, 降低 \(G\); (2) 变质处理, 加入变质剂, 提高 \(N\); (3) 振动, 同样是增大 \(N\) 促进形核
1.10 固溶体与固溶强化§
- 点缺陷是形成固溶体的必要物理基础
- 固溶强化 塑性韧性降低, 强度硬度提升. 产生此种强化的原理是溶质原子使得晶格发生畸变及对位错的钉扎作用阻碍了位错运动.
Note
补充: 第二相强化
(1) 时效强化 先固溶, 再让第二相微粒随着时间沉淀析出产生强化
(2) 弥散强化 直接加入金属粉末作为第二相微粒产生强化
1.11 机械混合物§
组织(由一个或多个相组成)级别的概念, 珠光体, 莱氏体等后面铁碳相图部分常见的组织都是机械混合物.
2. 金属的塑性变形与再结晶§
- 塑性变形的本质是位错的滑移, 并且只能由切应力产生(正应力不能产生位错滑移).
2.1 滑移系§
| 晶格 | 体心立方晶格 | 面心立方晶格 | 密排六方晶格 |
|---|---|---|---|
| 滑移面(原子的(最大密度)密排面) | \(\{110\}\times 6\) | \(\{111\}\times 4\) | \(\{1000\}\times 1\) |
| 滑移方向(原子的(最大密度)密排方向) | \(<111>\times2\) | \(<110>\times 3\) | \(<11\overline{2}0>\times 3\) |
| 滑移系 | \(12\) | \(12\) | \(3\) |
- 滑移系越多越容易发生滑移, 即金属的塑性越好
- 滑移方向的影响更大. 例如奥氏体铁比铁素体铁的塑性好(不论是这里直接将二者的滑移系都看成 12 还是说把铁素体的滑移系算到 48(百科) 都是如此)
可以总结得到以下结论, 就塑性而言: 面心立方 > 体心立方 > 密排六方
2.2 晶粒的变形协调关系§
晶粒发生塑性形变, 如果周围晶粒不同时发生塑性形变, 那么就需要发生弹性形变来协调. 晶粒间的这种相互阻力提高了多晶体的抗塑性形变能力.
2.3 塑性变形对金属组织结构的影响§
- 形成了纤维组织, 性能趋于各向异性(纵向性能高于横向性能)
- 这种各向异性在加工时体现为形变织构
- 形变织构会导致制耳的现象产生
2.4 形变强化/加工硬化§
二者是一个东西.
- 不是热处理, 是通过冷塑性变形量的增加(金属冷加工)来提高金属的强度和硬度. 同时塑性和韧性随之下降. 适合不能用于热处理来强化的金属.
Note
冷加工和热加工的界限是再结晶温度!
2.5 加工硬化后的热处理效果§
不看时间, 仅仅看随着温度升高: 金属依次发生回复-再结晶-晶粒长大.
- 回复 去应力退火利用的正是回复现象(所以去应力退火的温度是最低最先发生的一档), 目标是保留强度和硬度去除金属内应力
- 再结晶 再结晶退火对应的就是这个退火, 温度上而言位于比去应力退火稍微高一些的地方. 这会消除加工硬化的效果. 但是如同铁碳相图上表示的那样, 再结晶退火位于 \(A_1\) 线以下, 没有发生相变.
- 晶粒长大 其他几种退火模式, 一般都是为了提高韧性和塑性改善切削加工性能牺牲一些加工硬化得到的强度
最重要的一个公式: \(T_再=0.4T_熔\). 该公式的单位是开尔文!!!
2.6 影响再结晶退火后晶粒度的因素§
- 主要考虑加热温度, 保温时间. 从退火的分类标准来看, 不难看出温度对晶粒度的影响远超时间.
3. 铁碳相图与铁碳合金§
Note
铁碳相图铁碳相图, 那么什么是相图? 字面上看当然是研究相而不是组织的图了. 但是实际使用的时候更常研究的却是组织, 实在令人费解呀~
- 相图都是在缓冷条件下得到的(就是温度在降低, 但是温度降低的速率可以视为 \(0\)). 这也就是所谓的平衡相图.
3.1 (两相)杠杆定律§
我们只会考察(也只会使用)两相情况下的杠杆定律.
一般而言是已知碳在整个系统和两相(或是两组织)中的占比, 随后求各相/组织占整个系统的比重. 列出下面的方程即可解决:
其中 \(x\) 表示的是碳在各相/组织中的占比, \(Q\) 表示的是相/组织在系统中的占比.
3.2 匀晶转变§
从液相中结晶析出单一固相的转变称为匀晶转变(注意, 单一, 与共晶区别).
3.3 铁碳相图相区与组织区的推导§
核心是确认单一组织所在的竖线, 并且应当根据 \(2.11\%\) 分出钢和铸铁的界. 夹在两个竖线中间的区域的成分必定就是两个竖线的成分, 反之亦然.
3.4 铁碳合金的组织成分分析§
以下数据除了 \(0.0008\%\) 都不需要记忆, 只需要能区分即可.
- 铁素体 \(727\,^\circ \text{C}\) (也就是共析反应时的温度)时最大含碳量为 \(0.0218\%\), 室温下仅为 \(0.0008\%\). 性能几乎与纯铁一致
- 奥氏体 和其他铁的晶体结构不同, 是面心立方, 溶碳能力强, 最大(共晶反应温度 \(1148\))可达 \(2.11\%\). 碳钢(注意不是合金钢)的室温组织中不存在奥氏体
- 渗碳体 废铁一个, 强度差塑性低, 一无是处
- 珠光体 由特定比例的铁素体和渗碳体组成的机械混合物, 是共析反应的产物
- 莱氏体 以共析反应温度为界分出高温莱氏体和低温莱氏体两类, 主要成分是渗碳体, 硬而脆, 直接用仍然算是废铁
| 名称 | 铁素体 | 奥氏体 | 渗碳体 | 珠光体 | 高温莱氏体 | 低温莱氏体 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 符号 | \(F\) | \(A\) | \(Fe_3C\) | \(P\) | \(Ld/Le\) | \(Ld'/Le'\) |
| 组成相 | \(\alpha-Fe\), 极少量 \(C\) (溶碳能力差) | \(\gamma-Fe\), 溶碳能力强 | \(Fe_3C\), 废铁 | 共析反应产生的一定比例的 \(\alpha-Fe\)(铁素体) 和 \(Fe_3C\)(渗碳体)的机械混合物 | 主要是共晶反应产生的一定比例的 \(\gamma-Fe\)(奥氏体) 和 \(Fe_3C\)(渗碳体) 的机械混合物 | 延续高温莱氏体的比例的 \(\alpha-Fe\)(珠光体) 和 \(Fe_3C\)(渗碳体)的机械混合物 |
3.5 共析与共析钢§
- 共析反应: 只能发生在共析点, 事实上是铁碳合金从奥氏体组织向珠光体组织的转变.
- 共析点: 可以想到只有共析钢而没有共晶钢的说法, 因此共析点显然在共晶点的左边下方.
- 共析点对应的共析钢(与亚共析钢和过共析钢相异)可视作只由珠光体(\(P\))构成(所以可以将共析钢视作珠光体在金属上的别称. 当然, 如前面所提到的那样, 珠光体就是铁素体和渗碳体的机械混合物). 亚共析钢是珠光体和铁素体的机械混合物. 过共析钢则是珠光体和渗碳体的机械混合物.
Note
铁素体也不是工业纯铁, 不要忘了珠光体与铁素体混合物相区的左边还有铁素体和工业纯铁的相区.
3.6 元素对碳钢性能的影响§
- 碳: 增强硬度
- \(Si\), \(Mn\) 听起来就很硬的元素一般对碳钢都是有益处的(Si 是强化作用, 而 Mn 是可以和 S 形成化合物减少 S 的危害性)
- \(P\)(冷脆性), \(S\)(热脆性, 高温加工时开裂) 听起来就很软的元素一般对碳钢都是有害的
3.7 碳素钢的牌号分析(注意与后面的合金钢结合起来记忆)§
| 名字 | 普通碳素结构钢 | 优质碳素结构钢 | 碳素工具钢 | 铸造碳钢(铸钢) |
|---|---|---|---|---|
| 牌号 | \(\text{Q235-A.F}\), \(\text Q235\) | \(\text{45}\), \(08\), \(40\text{Mn}\) | \(\text{T8}\) | \(\text{ZG}340-640\) |
| 说明 | 牌号表示的是屈服强度(Q 也是此意), 例如 Q235 表示的就是屈服强度为 235Mpa 的普通碳素结构钢 | 牌号表示的是碳含量, 单位为万分之一, 如 45 表示的就是含碳量 0.45% 的优质碳素结构钢 | 牌号表示的是含碳量. 工具显然要求高硬度, 因此含碳量高, 单位为千分之一. 如 T8 表示含碳量 0.8% 的碳素工具钢. 另外默认含锰以增强硬度, 如果含锰量不是很高则不额外标记 | 牌号中的 ZG 就是铸钢的拼音缩写. ZG340-640 表示屈服强度为 340Mpa, 抗拉强度为 640 Mpa 的铸造碳钢 |
| 应用举例与补充 | 各种力学性能要求不高的场景, 特点是强度一般, 塑性与韧性不错. 比如铁钉(这里指代的是普通家用铁钉) | 关键! 必须记忆 不同含碳量的优质碳素结构钢: (1) 15~25: 碳素渗碳钢; (2) 30~50: 碳素调质钢; (3) 55~65: 碳素弹簧钢 比如主轴(综合力学性能要求, 调质钢), 弹簧 | 热处理时常常用淬火 + 低温回火来提高硬度. 比如板牙 | 此类钢常常用在需要做比较复杂的定制的场景之中. 比如机座, 箱体之类 |
| 热处理方式 | 热轧, 不需要进行热处理 | 见下文 note | 淬火 + 低温回火 | 没说, 不必了解 |
Note
关于几种优质碳素结构钢的补充:
(1) 15~25: 碳素渗碳钢 此种钢是需要被渗碳处理而不是本身经过了渗碳处理(不然含碳量怎么这么低). 因为常规热处理手段不能改变碳与铁元素的占比(化学热处理的渗碳只会增加碳的比重), 而我们渗碳的目的是要保持内部的韧性并提升外部的硬度, 因此需要使用此类低碳钢. 当然, 渗碳不是最终热处理. 还需要进行淬火 + 低温回火, 达到表面坚硬如同高碳钢, 内部柔韧如同低碳钢的效果.
(2) 30~50: 碳素调质钢 此种钢平平无奇(所以处于中间, 此即中庸之道~), 但也正是如此其综合力学性能潜力最强, 常常使用调质, 也就是淬火+高温回火的热处理方式来强化其综合力学性能.
(3) 55~65: 碳素弹簧钢 此种钢十分特殊, 是唯一一个采用淬火+中温回火热处理的钢. 因为只有这种热处理模式能将此类金属的弹性极限和屈强比拉高, 增强其作为弹簧的性能.
总之, 每种钢都有其特定的应用场景, 即使是"优质碳素结构钢"也必须按照含碳量分场景使用.
3.8 石墨化程度对铸铁组织的影响(亚共晶铸铁)§
| 第一阶段石墨化(共析转变温度以上. 通常是共晶温度) | 第二阶段石墨化(恭喜转变温度附近) | 组织 | 铸铁种类 |
|---|---|---|---|
| 不进行 | 不进行 | \(P\), \(Ld'\), \(Fe_3C_{II}\) | 白口铸铁(是废铁) |
| 部分进行 | 不进行 | \(G\), \(P\), \(Fe_{3}C_{II}\), (可能残留有 \(Ld'\)) | 麻口铸铁(是废铁) |
| 充分进行 | 不进行 | \(G\), \(P\) | 珠光体基体灰口铸铁 |
| 充分进行 | 部分进行 | \(G\), \(P\), \(F\) | 珠光体-铁素体基体灰口铸铁 |
| 充分进行 | 充分进行 | \(G\), \(F\) | 铁素体基体灰口铸铁 |
Note
如果对照着铁碳相图来看, 我们把阶段性石墨化的程度用类似于 \((0.5, 0)\) 的模式来表示, 不难发现, 实质上组织的转变过程和室温附近情况下含碳量逐渐减少的方向得到的成分一模一样, 无非就是多了个 \(G\) 石墨. 这是因为这就是其本质, 石墨析出之后整个系统含碳量下降, 组织也会随之发生变化.
- 影响石墨化的因素: (1) 化学成分(就是前面提的 C, Si, Mn(阻碍石墨化, 但是可以吸收 S 反而促进石墨化), P 之类的); (2) 冷却速度(需要缓冷, 用类似于保温的模式给碳析出为石墨足够的时间).
3.9 铸铁的种类§
这部分的内容只需要能够根据牌号区分每种铸铁即可
| 名字 | 灰铸铁 | 球墨铸铁 | 可锻铸铁 | 蠕墨铸铁 |
|---|---|---|---|---|
| 牌号 | \(\text{HT100}\) | \(\text{QT450}\) | \(\text{KTH300-06}\), \(\text{KTZ550-04}\) | \(\text{RuT260}\) |
| 性能 | - | - | 名为可锻, 实则不可锻造(因为具有较高的塑性) | - |
4. 钢的热处理§
4.1 加热时的组织转变(和冷却时对比理解)§
- 晶粒度(晶粒大小的表示方法): 分为 8 级, 数字越大越细, 可诙谐作"巴西"(八细)
- 奥氏体晶粒大小控制方法: 加热时间, 加热温度(影响最大), 化学成分. 显然, 加热时间越长加热温度越高晶粒越粗(联想加工硬化后的热处理, 分了回复-再结晶-晶粒长大, 所谓的晶粒长大正是指的这里的加热时的组织转变).
- 流程: 晶核形成 -> 奥氏体晶核长大 -> 渗碳体溶解 -> 成分均匀化
4.2 共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线(C 曲线)§
- 标题就是一个必须记忆的重点.
- 孕育期 指的是转变开始线与纵坐标轴之间的距离. 孕育期的最小值位于 C 曲线的鼻尖处.
- 上贝氏体 是一种废品, 呈现羽毛状(下贝氏体则相对地呈现为黑针状).
- 下贝氏体 和上贝氏体相反, 是一种综合力学性能优秀并且塑性韧性优秀的金属, 生产中常用的强化组织之一.
- 马氏体 高硬度(此部分最硬的一种, 可以达到 60~65HRC), 高强度. 根据含碳量分为两类, 含碳量低于 0.2% 时为板条状马氏体, 含碳量高于 1.0% 时为针状马氏体(可以这么思考, 碳含量越高那么位错越严重越难形成大块晶粒(也就是固溶强化)). 马氏体转变同样是强化钢的重要途径之一
- 加入合金之后会让马氏体转变的 \(M_s\), \(M_f\) 点下降, 因为合金可以提高奥氏体的稳定性(也就是所谓的加入合金元素才可能出现常温情况下的奥氏体钢), 同时还会使得参与奥氏体组织增多.
Note
但是 Co, Al 不会降低 \(M_s\), \(M_f\) 点.
- 马氏体转变的特点: (1)马氏体的转变是不完全的. 即使转变到 \(M_f\) 点, 也还是会有残余奥氏体组织; (2) 无扩散性. 无扩散性的含义就是碳原子, 铁原子不到处乱跑. 如果没有这个特点的话就不是马氏体转变了, 或者说根本形成不了马氏体, 会直接形成珠光体.
Tip
这不是考试内容, 仅做一些解释. 马氏体本质上也是 \(\alpha-Fe\), 和铁素体, 珠光体, 莱氏体的相组成是一样的. 区别是, 这一组织的产生源自于快速冷却让碳来不及溶出, 所以在通过缓慢冷却得到的铁碳相图上找不到这种组织.
4.3 亚/过共析钢的等温转变曲线与连续转变曲线§
- 只需要记住亚/过共析钢的等温转变曲线的最短孕育期(也就是鼻尖处到纵坐标轴的距离)比共析钢的短就行. 当然, 这也意味着二者的过冷奥氏体不如共析钢的稳定.
- 下面是连续转变曲线. 最大的区别是在珠光体转变区下面多了一条终止线. 下图中最重要的是临界冷却速度 \(V_k\), 这个速度表述的事获得全部马氏体组织的最小冷却速度.
4.4 普通热处理§
- 机械加工中一般热处理顺序可以归纳为: 毛坯 -> 预备热处理(正火退火二选一, 因为二者本质上都是改善切削加工性能. 但是球化退火是个例外, 需要先做正火再做球化退火) -> 机加工 -> 最终热处理(必须同时选择淬火和回火, 因为只选淬火只能得到废品(太脆), 回火就是针对淬火的脆和残余奥氏体组织, 单独做没意义)
- 对于预备热处理: 要改善切削加工性能, 低碳钢用正火, 中碳钢用退火或者正火, 高碳钢用球化退火
4.4.1 退火§
- 再记住下面这张图即可.
- 扩散退火/均匀化退火 把一切都给均匀化了, 让原子能够扩散到想去的地方, 就是格式化的效果
- 去应力退火 回复, 目的是消除内应力而不影响金属本身的硬度和强度
- 再结晶退火 从这里开始都会消除加工硬化的影响, 甚至直接降低硬度和强度. 注意记的再结晶温度等于熔点开尔文温度的 0.4 倍
- 球化退火 针对高碳钢(过共析钢)的. 会将渗碳体球化. 对于此退火必须知道的知识点: 对于有网状二次渗碳体的过共析钢, 球化退火前必须要做正火处理以消除网状渗碳体(因为正火的处理速度很快, 来不及结成网)
- 完全退火 针对含碳量相对较低的钢(亚共析钢). 名为"完全"是因为会恰好完全转化为奥氏体
4.4.2 正火§
和退火本质上是一致的(温度同样在图中, 记住仅次于均匀化退火即可). 但是, 正火的操作更简单, 效率更高, 也是大量普通件的最终热处理.
Note
如何选择预备热处理来改善随后的切削加工性能呢?
(1) 低碳钢: 直接选择正火. 完全退火应用场景比较窄, 因为正火温度比完全退火还要高, 自然是可以完全转化为奥氏体的, 而且操作还更简单. 只有在一些非常极端的场景才会使用完全退火.
(2) 中碳钢: 正火/退火都可以选.
(3) 高碳钢: 碳含量高, 自然也要注意消除网状二次渗碳体. 选择先做正火, 再做球化退火.
4.4.3 淬火§
淬火的目的始终都是获得马氏体(从奥氏体转化为马氏体)组织, 吗?
不是哦, 等温淬火的目的就是获得(下)贝氏体组织! 但是其他都是为了获得马氏体.
| 淬火类型 | 单液淬火 | 双液淬火 | 分级淬火 | 等温淬火 |
|---|---|---|---|---|
| 特点 | -(不要求) | - | - | 获得下贝氏体组织 |
- 影响淬透性的因素(理解即可): (1) 总的来说, 过冷奥氏体越稳定, 淬透性越好; (2) 含碳量 而我们知道, 共析钢的过冷奥氏体稳定性是最好的(C 曲线), 因此共析钢的淬透性最好; (3) 合金元素 合金元素也能提高淬透性, 但是原因同样是增强了过冷奥氏体的稳定性; (4) 奥氏体化条件 另外, 奥氏体化温度越高, 保温时间越长, 奥氏体越稳定, 淬透性越好.
- 影响淬硬性的因素: 主要是马氏体的含碳量(没别的了).
Note
注意, Co 不能提高淬透性, 同样也不能提高过冷奥氏体的稳定性.
4.4.4 回火§
- 回火的基本目的都是消除内应力.
| 回火类型 | 低温回火 | 中温回火 | 高温回火 |
|---|---|---|---|
| 最终产物(组织) | 回火马氏体(\(M_{回}\)) + 颗粒状碳化物 + 少量残留奥氏体 | 回火屈氏体(\(T_回\)) | 回火索氏体(\(S_回\)) |
| 目的 | 保留高硬度和高耐磨性的同时消除内应力 | 提高弹性, 屈服强度, 提高屈强比 | 获得良好的综合力学性能 |
| 应用 | 高硬度和需要耐磨的各种工具钢等 | 用于各种弹性元件(如弹簧钢) | 用于各种力学场景复杂的结构件 |
| 温度 | \(150\sim 250^\circ\text C\) | \(350\sim500 ^\circ\text C\) | \(500\sim650^\circ\text C\) |
- 另外, 调质 = 淬火 + 高温回火, 一般会分成两个空, 可以得到良好的综合力学性能.
4.5 表面热处理§
- 表面淬火: 常用感应加热, 频率越高淬硬层深度越浅.
- 渗碳: 提高表面硬度和耐磨性的同时保持心部的韧性. 仅针对含碳量极低的钢.
- 渗碳后的热处理: 淬火 + 低温回火. 因为目标获得坚硬耐磨的表面.
- 渗碳后的热处理的结果: 表层: 回火马氏体 + 颗粒状碳化物 + 少量残留奥氏体, 心部: 回火马氏体 + 铁素体(铁素体来源: 是渗碳钢本来的组织).
5. 合金钢§
5.1 合金元素对铁碳相图的影响§
- 对奥氏体区的影响: 相似相溶有促进作用. 因此: 面心立方(可塑性强)(Mn, Ni, Cu, C, N)扩大奥氏体区, 体心立方(太硬了)(Cr, Al)缩小.
- 极端情况: (1) Mn > 13% 或者 Ni > 9% 的时候, 铁碳相图的共析点降到 0 摄氏度以下, 为单相奥氏体, 称为奥氏体钢; (2) 含有大量 Cr 时, 奥氏体相区消失, 仅剩铁素体, 称为铁素体钢.
- 所有的合金元素都能使 E 点和 S 点左移(只是 y 方向上不同). 简单来说都能在低碳情况下获得过共析组织等等本应高碳的组织.
Question
背一背: Mn? Al? Cr? C? N? Ni? Cu? 可以只记住 Al 和 Cr, 除了这两个之外就是面心立方.
应该没有正常人背的下这张图. 把上面和前面提到的重要的几点理解就行了.
5.2 金属牌号总结§
大可不必全部记完了, 但是得对全部钢种有个把握, 不然考试的时候给钢号甚至判别不出含碳量, 后面的题目自然是做不出来的了.
5.2.1 辅助 I 表: 钢号推钢种§
| 钢种 | 钢号 | 钢种 | 钢号 |
|---|---|---|---|
| v | 16Mn | v | GCr15 |
| v | 20 | v | 15MnV |
| v | 20CrMnTi | v | CrWMn |
| v | 3Cr2W8V | v | Cr12MoV |
| v | 9SiCr | v | 5CrMnMo |
| v | 9SiCr | v | W6Mo5CCr4V2 |
| v | 45Cr | v | CrWMn |
| v | T10 | v | CrWMn |
| v | CrWMn | v | 38CrMoAl |
| v | W18Cr4V | v | 65Si2Mn |
| v | Cr12 | v | ZGMn13 |
| v | 1Cr13 | v | 1Cr18Ni9Ti |
| v | 9Mn2V | - | - |
Success
记忆技巧:
先处理数字开头的.
(1) 超过 10 开头的都是万分位, 并且要么归属于"优质结构钢", 要么归属于"普通低合金钢/低合金高强度结构钢". 低于 20 的那种是普通低合金钢, 因为含碳量低又在功能设计上不允许渗碳, 事实上已经没什么热处理的操作空间了(热处理本质上都是改变碳在铁中的存在形式, 没什么碳又不渗碳热处理就失去了其意义), 因此一般只做热轧处理; 高于 20 的分为渗碳钢, 调质钢, 弹簧钢, 分别对应渗碳+表面淬火+低温回火, 调质, 淬火+中温回火三种热处理模式. 这种按照含碳量分的热处理模式, 事实上在后面也是通用的. 下文除非额外提及, 可以直接按照这里提到的这些标准对钢进行热处理.
(2) 不是 10 以上的都是千分位了. 同样观察, 从最小的开始. 首先是 1, 1Cr13 和 1Cr18Ni9Ti 都属于不锈钢. 碳含量极低是十分合理的, 因为钢的腐蚀很大程度上来源于碳和铁形成的原电池腐蚀, 为了抑制这种腐蚀需要加入大量的 Cr, 比如这里 0.1% 的 C 就需要 13% 甚至于 18% 的 Cr 来压制, 如果碳含量稍微更高一点都会消耗大量更多的这种合金元素. 而不锈钢本身分成了两类, 奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢. 我们知道加入一些合金元素可以促进奥氏体区域扩大, 但不巧的是 Cr 恰好是让奥氏体区域缩小的那一批. 所以要想得到奥氏体不锈钢, 必须要加入大量的第二种元素: Ni. 这样就完美区分了 1Cr13 马氏体不锈钢和 1Cr18Ni9Ti (9% 的镍)奥氏体不锈钢. 1Cr13 尽管碳含量极低但是仍需要进行调质热处理, 限于时间原因就不多赘述了. 注意 1Cr18Ni9Ti 使用的是固溶处理, 这种钢因为含有 Ni 这个奥氏体强烈稳定元素的存在, 本来就是奥氏体了也就失去了热处理的意义.
(3) 接下来是 3, 5 开头的系列. 3Cr2W8V, 5CrMnMo, 这些牌号到底意味着什么呢? 先看含碳量, 这两种钢的碳含量和调质钢接近, 说明它们在含碳量层面上讲有着优良的综合力学性能. 而加入的这些合金元素的目的似乎也是提高综合力学性能, 而且比常规的调质钢来的更极端. 那么什么场景需要这种极致的力量呢? 答案就是热作模具钢. 热作模具钢需要在高温情况下保持强度和硬度, 并且还要面对冲击载荷不断裂, 需要一定的韧性, 甚至作为模具需要保证自身精度足够高, 所以需要在正常调质钢所拥有的含碳量基础添加大量其他的元素来进一步增强自身的综合力学性能. 否则在极端环境下显得脆弱无比. 这类型的钢同样需要进行调质处理.
(4) 接下来是 9 了. 到了 9 这里开始其实区别就没那么大了, 比如出现了两个 9SiCr 是因为 9SiCr 同时属于两个钢种. 其一是低合金工具钢, 含碳量足够高还有外加的 Si Cr 提高硬度; 其二当然也能作为量具钢. 事实上, 低合金工具钢, 冷作模具钢, 量具钢的相似之处非常之多, 事实上同时属于三者,其中两者的钢种也非常之多. 这里按牌号说: T10, 量具钢; CrWMn, 量具钢, 低合金工具钢, 冷作模具钢; Cr12, 冷作模具钢; Cr12MoV, 冷作模具钢; 9Mn2V, 冷作模具钢.
(5) 最后是比较特殊的不是数字开头的. 这里记住即可: W18Cr4V, W6Mo5CCr4V2, 高速钢, 需要淬火 + 三次 560 度高温回火; GCr15, 滚动轴承钢, 淬火 + 低温回火; ZGMn13, 耐磨钢, 需要进行水韧处理.
5.2.2 辅助 II 表: 合金钢牌号, 钢种, 特殊合金元素, 热处理工艺与使用状态下的组织§
| 钢号 | 钢种 | 热处理工艺 | 使用状态下的组织 |
|---|---|---|---|
| 16Mn | 低合金高强度结构钢/普通低合金钢 | 热轧空冷 | 铁素体 + 珠光体 (就是没有热处理过直接按照铁碳相图确定的) |
| 65Mn | 弹簧钢 | 淬火 + 中温回火 | 回火屈氏体 |
| ZGMn12 | 耐磨钢 | 水韧处理 | 表面: 马氏体 + 碳化物; 心部: 奥氏体 |
| 20Cr | 渗碳钢 | 渗碳 + 淬火 + 低温回火 | 表层: 回火马氏体 + 颗粒状碳化物 + 残留奥氏体; 心部: 铁素体 + 回火马氏体 |
| 40Cr | 调质钢 | 淬火 + 高温回火 | 回火索氏体 |
| 9SiCr | 低合金工具钢 | 淬火 + 低温回火 | 回火马氏体 + 颗粒状碳化物 + 残余奥氏体 |
| GCr15 | 滚动轴承钢 | 淬火 + 低温回火 | 回火马氏体 |
| 1Cr13 | 马氏体不锈钢 | 淬火 + 高温回火 | 回火索氏体 |
| 5CrNiMo | 热作模具钢 | 淬火 + 高温回火 | 回火索氏体 |
| Cr12MoV | 冷作模具钢 | 淬火 + 低温回火 | 回火马氏体 + 颗粒状碳化物 + 残余奥氏体 |
| W18Cr4V | 高速钢 | 淬火 + 三次 560 度的高温回火 | 回火马氏体 + 颗粒状碳化物 + 残余奥氏体 |
| 1Cr18Ni9Ti | 奥氏体不锈钢 | 固溶处理 | 奥氏体 |
5.3 水韧处理§
捆绑 \(\text{ZGMn13}\). 就是钢加热, 让碳溶入奥氏体, 最后进行水淬.
5.4 不锈钢(本节关键之一)§
不锈钢牌号大概长这样(含铬量 13%):
- 常见的腐蚀: (1) 化学腐蚀(在非电解质中腐蚀); (2) 电化学腐蚀(在电解质中腐蚀). 其中电化学腐蚀比化学腐蚀危害大得多.
- 防止腐蚀的措施: (1) 获得均匀的单相组织(也就是尽可能避免形成原电池); (2) 提高合金的电极电位(也就是加正电使之成为获得电子而非失去电子的一方); (3) 使得表面形成氧化膜(比如 \(Al\))
- 不锈钢的主加元素是铬(\(Cr\))
- 为什么加铬(\(Cr\))? 和 防止腐蚀的措施 一一对应: (1) 当 \(Cr\) 含量高于 \(13\%\) 时, 形成单相铁素体组织; (2) \(Cr\) 可以提高基体的电极电位; (3) 可以在表面形成稳定致密的 \(Cr2O3\) 氧化膜.
6. 其他合金与工程材料的选用§
| 类型 | 黄铜(Cu-Zn) | 白铜(Cu-Ni) | 青铜(其他) | 铸造铝合金 | 钛合金 |
|---|---|---|---|---|---|
| 牌号与含义 | H68, 68% 铜 | B5, 5% 镍 | QSn4-5 总之表示 9% 包含 Sn 的其他元素 | ZLxxx(铸铝) 似乎要求记录 ZL1xx, ZL2xx. 后面有时间再记忆 | Txxx |
- 巴氏合金是常用的轴承合金, 其成分: 锡, 铅(铅锡合金)
7. 工程材料的选用§
Note
选材的一般性原则
(1) 使用性原则(造出来可以使用);
(2) 工艺性原则(可以造出来);
(3) 经济性原则(可以便宜地造出来).
喷丸处理的目的是去除表面氧化层, 提高表面压应力, 从而提升材料的疲劳强度.
7.1 选材§
- 抗拉/压缩 较好的抗拉强度, 屈强比. 一般选用钢材(一般而言普通碳素结构钢就够啦)
- 周期性交变载荷 主要针对轴类. 需要有较好的抗疲劳强度. 喷丸是一种冷加工, 可以提高金属的抗疲劳强度
- 摩擦磨损载荷 尽量让便宜的工作件失效(也就是让贵的成为高硬度, 伤害其他工作件的一方)
- 高速旋转/惯性需求 屈服强度足够大的材料
7.2 零件的失效形式§
- 过量变形
- 断裂
- 表面损伤失效
8. 下一阶§
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