机械工程材料复习资料

1、机械工程材料机械工程材料机械工程材料 总 复 习 条件屈服强度 0.2残余塑变为0.2%时的应力。 疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。 塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC。 冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为k.材料的使用温度应在 冷脆转变温度以上。 断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为K1C。 2、化学性能 耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。 抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。 3、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。 工艺性能 1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向

2、。 2、锻造性能：成型性与变形抗力。 3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。 4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。 5、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。 二、晶体结构二、晶体结构二、晶体结构 纯金属的晶体结构 1、理想金属 晶体：原子呈规则排列的固体。 晶格：表示原子排列规律的空间格架。 晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元. 三种常见纯金属的晶体结构三种常见纯金属的晶体结构三种常见纯金属的晶体结构 立方晶系的晶面指数和晶向指数 晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（ ） 晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加 立方晶系常见的晶面和晶向 晶面族与晶向族 指数不同但原子

3、排列完全相同的 晶面或晶向。 密排面和密排方向 同滑移面与滑移方向 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 2 2 2、实际金属、实际金属、实际金属 多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。 晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体. 晶界：晶粒之间的交界面。 晶体缺陷晶格不完整的部位 点缺陷 空位：晶格中的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子。 线缺陷位错 晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局部滑移, 滑移面上 滑移区与未滑移区的交接线. 面缺陷晶界和亚晶界 亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块。亚晶界：亚晶粒 之间的

4、交界面。 晶界的特点： 原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相 变的优先形核部位。 金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同 位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。 晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变形越均匀，在断 裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大， 因而韧性也好. 细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。 合金的晶体结构 合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢、合金 钢、铸铁、有色合金。 相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均

5、匀组成部分。 1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相. 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。多为金 属元素之间形成的固溶体。 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。 铁素体：碳在-Fe中的固溶体。 奥氏体：碳在-Fe中的固溶体。 马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。 固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降 的现象。 马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。 金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相. 正常价化合物 如Mg2Si 电子化合物 如Cu3Sn 间隙化合物：

6、由过度族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素 组成。 分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。 强碳化物形成元素：Ti、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Fe3C 性能比较：强度：固溶体纯金属 硬度：化合物固溶体纯金属 塑性：化合物固溶体纯金属 金属化合物形态对性能的影响 基体、晶界网状：强韧性低 晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低 颗粒状： 弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度、硬度 越高，塑韧性略有下降的现象。 固溶体与化合物的区别：结构；性能；表达方式 合金元素在钢中的作用 1、强化

7、铁素体； 2、形成化合物第二相强化 3、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区 4、使S、E点左移 5、影响A化 6、溶于A(除Co外), 使C曲线右移, Vk减小, 淬透性提高. 7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。 8、提高耐回火性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力） 9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散 的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高 的现象) 10、防止第二类回火脆性：W、Mo (回火脆性 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现 象。) 三、组织 纯金属的组织 1、结

8、晶：金属由液态转变为晶体的过程 结晶的条件过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 结晶的基本过程晶核形成与晶核长大 形核自发形核与非自发形核 长大均匀长大与树枝状长大 结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；变质处理；机械振动、搅 拌 2、纯金属中的固态转变 同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。 固态转变的特点：形核部位特殊；过冷倾向大;伴随着体积变化。 3、再结晶 再结晶条件：冷塑性变形 加热时的变化：回复再结晶晶粒长大 再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程.再结晶不是相变过程。 再结晶温度：发生再结晶的最低温度。 纯金属的最

9、低再结晶温度T再0.4T熔 影响再结晶晶粒度的因素：加热温度和时间； 预先变形程度 4、塑性变形： 金属塑性变形方式：滑移和孪生 滑移的特点： 只能在切应力的作用下发生； 沿密排面和密排方向发生； 位移量是原子间距整数倍； 伴随着转动 滑移的机理：通过位错运动实现。 孪生特点： 孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快， 接近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。 冷热加工：以再结晶温度划分 冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚结构细化、 织构：变形量大时，大部分晶粒的某一位向与外力趋于一致的现象。 加工硬化： 随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性

10、 下降的现象。 冷加工使内应力增加，耐蚀性下降，提高。 热加工：形成纤维组织、带状组织 纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时应考虑使流线方向与拉 应力方向一致。 合金的组织 1、相图 匀晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+ 杠杆定律：只适用于两相区。 枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。 2、合金中的固态相变 固溶体转变：AF 共析转变：AP(F+Fe3C) 二次析出：AFe3C 奥氏体化 过冷奥氏体转变 固溶处理+时效： 固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相 固溶体组织的处理。 时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析

11、出弥散强 化相的热处理。 3、铁碳合金相图 点：符号、成分、温度 典型合金的结晶过程（以共析钢为例） 杠杆定律的应用 四、钢的热处理 热处理原理 1、加热时的转变 奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶解；A成分均匀化。 奥氏体化后的晶粒度： 初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。 实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。 本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。 2、冷却时的转变 等温转变曲线及产物 用C曲线定性说明连续冷却转变产物 根据与C曲线交点位置判断转变产物 3、回火时的转变 碳钢：马氏体的分解 ；残余奥氏体分解 ；-碳化物转变为Fe3C ；Fe3C聚 集长大和铁素体多边形化

12、。 W18Cr4V钢： 560三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。 回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。 强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火,它包含了四种基本强 化方法。 热处理工艺 热处理工艺（续） 五、工业用金属材料 工业用钢 工业用钢（续） 工业用钢（续） 铸铁 石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。 有色金属及其合金 一填空题（共 30 分，每空 1 分） 1液态金属结晶的基本过程是 形核与晶核长大 。 2铁素体（F）是碳溶于 -Fe 所形成的间隙固溶体，其晶格类型 是： 体心立方 。 3. 检测淬火钢件的硬度一般用 洛氏（HR

13、C） 硬度；而检测退火和正火钢件的硬度 常用 布氏（HRB） 硬度。 4GCr15 钢是 滚动轴承钢 ，其 Cr 的质量分数是 1.5% 。 516Mn 钢是 合金结构钢 ，其碳的质量分数是 0.16% 。 6QT600-03 中的“03”的含义是： 最低伸长率为 3% 。 7. 钢与铸铁含碳量的分界点是： 2.11% 。 8贝氏体的显微组织形态主要有 B 上 和 B 下 两种，其中 B 下 的综合性能好。 9钢的淬火加热温度越高，淬火后马氏体中含碳量越 高 ，马氏体晶 粒越 粗大 ，残余奥氏体的量越 越多 。 10钢加热时 A 的形成是由 A 晶核的形成 、 A 晶核向 F 和 Fe3C 两

14、侧长大 、 残余 Fe3C 的溶解 、 A 的均匀化 等四个基本过程所组成的。 11一般表面淬火应选 中碳成分 钢，调质件应选用 中碳成分 钢。 13碳钢常用的淬火介质是 水 ，而合金钢是 油 。 14T10 钢（Ac1727，Accm800）退火试样经 700 、780 、860 加热 保温，并在水中冷却得到的组织分别是： P+Fe3C ， Fe3C+M+Ar ， M+Ar 。 15渗碳钢在渗碳后缓慢冷却，由表面向心部的组织分布依次为： P+Fe3C （网状） ， P ， P+F 。 二判断题（共 10 分，每小题 1 分） （正确 错误 ， 答案填 入表格） 12345678910 1 在

15、其他条件相同时，砂型铸造比金属型铸造的铸件晶粒更细。 2 固溶强化是指因形成固溶体而引起的合金强度、硬度升高的现象。 3 珠光体、索氏体、屈氏体都是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 4 碳的质量分数对碳钢力学性能的影响是：随着钢中碳的质量分数的增加， 硬度、强度增加，塑性、韧性也随着增加。 5淬火临界冷却速度是钢获得马氏体的最小冷却速度。 6淬透性好的钢，其淬硬性也一定好。 7大部分合金钢的淬透性比碳钢好。 8正火的冷却速度比退火快，故同一钢种经正火处理后的组织较细，其强度、硬 度比退火高。 9由于淬火钢回火时的加热温度在 A1 以下，所以淬火钢在回火时没有组织变化。 10可锻铸铁具有一定的塑

16、性，可以进行锻造加工。 三单项选择题（共 15 分，每小题 1 分） （请将答案填入表格） 123456789 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 bbabbbabaacaaab 1表示金属材料屈服点的符号是： a. e b. S c. b 2引起钢的冷脆性的有害杂质元素是： a. 硫 b.磷 c. 硫和磷 3固溶体的晶体结构特点是： a. 与溶剂相同 b. 与溶质相同 c. 形成新的晶体类型 4钢在淬火后获得 M 组织的粗细主要取决于： 得 分 a. A 的本质晶粒度 b. A 的实际晶粒度 c. A 的起始晶粒度 5高速钢的红硬性取决于： a.马氏体的多少 b. 淬火加热时溶于

17、奥氏体中的合金元素的量 c.钢的含碳量 6室温下金属的晶粒越细，则： a. 强度越高，塑性越差 b. 强度越高，塑性越好 c. 强度越低，塑性越好 7反复弯折铁丝，铁丝会越来越硬，最后会断裂，这是由于产生了： a.加工硬化现象 b.再结晶现象 c.去应力退火 8为了改善碳素工具钢的切削加工性，常采用的热处理是： a. 完全退火 b. 球化退火 c.再结晶退火 9形状简单的工件淬火应选用 a. 单液淬火 b. 双液淬火 c. 分级淬火 10回火索氏体与索氏体相比 a.塑性韧性好 b.强度硬度高 c.塑性韧性差 11灰铸铁具有良好的抗压、减震性能，常用于制造 a .曲轴 b.管接头 c.机床床身、

18、底座、箱体 12绑扎物件宜选用 a.低碳钢 b.中碳钢 c.高碳钢 13灰铸铁的石墨形态是 a. 片状 b. 团絮状 c. 球状 14钢的淬硬性主要取决于： a. 含碳量 b. 冷却介质 c.合金元素 15下列说法错误的是 a.金属材料的强度、塑性等可通过拉伸试验来测定 b.调质处理是淬火+低温回火 c.布氏硬度实验测定的数据准确、稳定、数据重复性好 四综合分析题（共 25 分） 1（4 分） 根据 Fe-Fe3C 相图，分析下列现象： （1） wC1.2的钢比 wC0.8 的钢强度低； （2）加热到 1100，wC0.4的钢能进行锻造，wC4的铸铁不能锻造； 得 分 答：（1）wC0.8 的

19、钢的室温平衡组织为 100%P,而 wC1.2的钢的室温平衡 组织为 P+Fe3C，Fe3C硬而脆、呈网状使合金强度降低。 （2）1100时，wC0.4的钢为单相 A，塑性好，变形抗力低，能进行锻造； wC4的铸铁为 P+Fe3C+Ld，脆性大，不能锻造。 机械工程材料期末迎考复习题(2010-10-08 17:20:04) 标签： 马氏体铁素体奥氏体不锈钢灰口铸铁淬透性 分类： 学习、娱乐、电影、电视 一、填空 1.纯金属常见的晶体结构有面心 结构，体心结构和密排_结构。金属中常见的 点缺陷为 ，线缺陷为，面缺陷为；工程实践中，通常采用 晶体缺陷数量 的方法强化金属 2.铁素体的强度高于纯铁

20、，是由于发生了强化；孕育铸铁的强度高于普通灰口铸铁，是由于发 生了 强化；冷变形钢丝的强度高于退火态钢丝，是由于发生了强化；珠光体的强度高于铁 素体，是由于发生了强化。 3.石墨为片状的灰口铸铁称为 铸铁，石墨为团絮状的灰口铸铁称为 _ 铸铁，石墨为球状 的灰口铸铁称为 铸铁。其中，铸铁的韧性最，因而可以锻造。 4. 高分子材料中分子链的形状有三种，其中的 型具有热固性，而具有热性。按照物理 状态，室温下处于态的高分子材料称为塑料，处于_态的称为橡胶。高分子材料的加工成型 是在其 态下进行的。 5.滑动轴承材料的显微组织特征是：粒子分布在软中，或粒子分布在硬中， 前者的承载能力于后者。 6.陶

21、瓷材料中的气相是指，它是在过程中形成的，它了陶瓷的强度。 7根据采用的渗碳剂的不同，将渗碳分为_、_和_三种。 8、普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及蠕墨铸铁中石墨的形态分别为 _、_、_和_。 9、陶瓷材料中的气相是指_，它是在_过程中形成的， 它了陶瓷的强度。 10、工程中常用的特殊性能钢有_、_、_等。 11、金属的断裂形式有_和_两种。 12、按冶炼浇注时脱氧剂与脱氧程度分，碳钢分为_、_、_和_。 13、金属元素在钢中形成的碳化物可分为_、_两类。 14、常见的金属晶体结构有_、_和_三种。 15、合金常见的相图有_、_、_和具有稳定化合物的二元相图。 16、感应表面淬火的技术条件主要

22、包括_、_及_。 二、判断 1. 回火托氏体和托氏体皆由铁素体和渗碳体两个相构成的组织，因而其性能相同。 2. 冷却速度越快，钢的淬透性越高。 3. 钢的淬透性越高，产生焊接裂纹的倾向越大。 4. 铝合金也可以象钢那样通过淬火明显提高其硬度。 5. 所有强化金属的手段，都在提高强度的同时降低了韧性。 6. 可锻铸铁中的团絮状石墨是浇注球墨铸铁时石墨球化不良的结果。 7. 一定加热温度下，奥氏体晶粒长大倾向小的钢称为本质细晶粒钢。 8. 所谓过量弹性变形，是指零件发生了塑性变形。 9. 铝极易氧化，故铝制品的抗氧化失效能力极差。 10. 弹簧钢淬火后采用中温回火是想提高钢的弹性模量。 1. 40

23、 钢钢锭在 1000左右轧制，有时会发生开裂，最可能的原因是 (a)温度过低；(b)温度过高；(c)钢锭含磷量过高；(d)钢锭含硫量过高 2. 下列碳钢中，淬透性最高的是 (a) 20 钢； (b) 40 钢； (c) T8 钢； (d) T12 钢 3. Ni 在 1Cr18Ni9Ti 钢中的主要作用是 (a) 提高淬透性； (b) 固溶强化； (c)扩大 Fe-Fe3C 相图中的 相区； (d)细化晶粒； 三、选择 4. W18Cr4V 钢锻造后，在机械加工之前应进行 (a) 完全退火； (b) 球化退火； (c) 去应力退火； (d) 再结晶退火 5. 下列材料中，最适合制造机床床身的是

24、 (a) 40 钢； (b) T12 钢； (c) HT300； (d) KTH300-06 6. 下列材料中，最适合制造气轮机叶片的是 (a) 1Cr13 钢； (b) 1Cr17 钢； (c) 3Cr13 钢； (d) 4Cr13 钢 7. 7. 下列材料中，最适合制造飞机蒙皮的是 (a)ZAlSi12；(b)2A50(旧牌号 LD5)；(c) ZAlMg10；(d) 2A12(旧牌号 LY12) 8. 下列材料中，最适合制造盛放氢氟酸容器的是 (a) 1Cr17； (b) 1Cr18Ni9Ti； (c) 聚四氟乙烯； (d) SiO2 9. 下列材料中，最适合制造汽车板弹簧的是 (a)

25、60Si2Mn； (b) 5CrNiMo； (c) Cr12MoV； (d) GCr15 10. 下列材料中，最适合制造汽车火花塞绝缘体的是 (a) Al2O3； (b) 聚苯乙烯； (c) 聚丙烯； (d) 饱和聚酯 11、铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化，而铁则不需冷加工，只 需加热到一定温度即使晶粒细化，其原因是（ ） A 铁总是存在加工硬化，而铜没有 B 铜有加工硬化现象，而铁没有 C 铁在固态下有同素异构转变，而铜没有 D 铁和铜的再结晶温度不同 12、常用不锈钢有铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和（ ） A 铁素体-奥氏体不锈钢 B 马氏体-奥氏体不锈钢 C 莱氏

26、体不锈钢 D 贝氏体不锈钢 13、以下哪种铸铁的断口呈灰黑色？（ ） A 马口铁 B 白口铸铁 C 麻口铸铁 D 灰铸铁 14、用于制造渗碳零件的钢称为（ ） 。 A 结构钢 B 合金钢 C 渗碳钢 D 工具钢 15、马氏体组织有两种形态（ ） 。 A 板条、树状 B 板条、针状 C 树状、针状 D 索状、树状 16、实际生产中，金属冷却时（ ） 。 A 理论结晶温度总是低于实际结晶温度 B 理论结晶温度总是等于实际结晶温度 C 理论结晶温度总是大于实际结晶温度 D 实际结晶温度和理论结晶温度没有关系 17、零件渗碳后，一般需经过（ ）才能达到表面硬度高而且耐磨的目的。 A 淬火+低温回火 B

27、 正火 C 调质 D 淬火+高温回火 18、C 曲线右移使淬火临界冷却速度（ ） ，淬透性（ ） 。 A 减小、增大 B 减小、减小 C 增大、减小 D、增大、增大 19、机械制造中，T10 钢常用来制造（ ） A 容器 B 刀具 C 轴承 D 齿轮 20、钢经表面淬火后将获得（ ） 。 A 一定深度的马氏体 B 全部马氏体 C 下贝氏体 D 上贝氏体 21、GCrl5SiMn 钢的含铬量是：（ ） A 15 B 15 C 0. 15 D 0.015 22、铅在常温下的变形属：( ) A 冷变形 B 弹性变形 C 热变形 D 既有冷变形也有热变形 23、黄铜是以（ ）为主加元素的铜合金。 A

28、铅 B 铁 C 锡 D 锌 24、在 Fe-Fe3C 和图中，奥氏体冷却到 ES 线时开始析出（ ） 。 A 铁素体 B 珠光体 C 二次渗碳体 D 莱氏体 25、从金属学的观点来看，冷加工和热加工是以（ ）温度为界限区分的。 A 结晶 B 再结晶 C 相变 D 25 四、名词解释 1、加工硬化 2、回复 3、固溶体 4、自然时效 5、结晶 6、稀有金属 五、简答 1、简述奥氏体晶粒对钢在室温下组织和性能的影响。 2、写出下列牌号数字及文字的含意: (1) Q235-F ； (2) KTZ450-06； (3) H68； (4) LF5； 3、轴承钢应满足哪些性能要求？ 4、试述耐磨钢的耐磨原

29、理。 5、简述回火的目的。 6.何谓碳钢中的铁素体、渗碳体、珠光体？他们的力学性能各有何特点？ 7.写出碳质量分数为 1.2%的碳钢室温时的相组成物和组织组成物，并计算各相组成物和组织组成物的 质量分数。 8.示意画出平衡态碳钢的强度随钢的碳质量分数变化曲线，并定性解释该曲线。 六、综合 1、欲用 20CrMnTi 钢制造汽车变速齿轮。 （1） 定性分析该齿轮的受力情况及常见失效方式。 （2） 该齿轮应当具有怎样的力学性能特点？ （3）写出该齿轮的制造工艺路线，并说明工艺路线中各热处理工序的作用及热处理加热温度和冷却方 式。 2、用 20CrMnTi 制造汽车变速箱齿轮，要求齿面硬度 HRC5

30、8-60，中心硬度 HRC30-45. （1）试写出加工工艺路线. （2）说明各热处理的作用和目的。 机械工程材料复习机械工程材料复习 第一部分第一部分 基本知识基本知识 一、概述一、概述 目的目的 掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能性能和改性改性方法的基本知识（性能性能和改性方法是重点） 。 具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料； 具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。 复习方法复习方法 以“材料的化学成分加工工艺组织、结构性能应用” 之间的关系为主线，掌握材料性性 能能和改性改性的方法，指导复习复习。 二、材料结构与性能：二、材料结构与性能： 材料的性能材料的性能：

31、 使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性） ； 工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。 材料的晶体结构的性能：材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）结构（第二章） ； 纯金属：纯金属：体心立方（） 、面心立方（） ，各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高 e F- e F- 实际金属：实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）各向同性；强 度、硬度增高；塑性、韧性降低。 合金：合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。 单相合金组织：单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁

32、由单相铁素体组成。 多相合金组织：多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。 多相合金组织性能：多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。 材料的组织结构与性能材料的组织结构与性能 。结晶组织与性能：。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld； 1 1）平衡结晶组织）平衡结晶组织 平衡组织：平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使 使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。 2）成分、组织对性能的影响）成分、组织对性能的影响 硬度硬度(HBS)(HBS)：随 C,C,硬度硬度呈直线增加， HBS 值主要取决

33、于组成相的相对量。CFe3 抗拉强度抗拉强度( () )：CC0.9%范围内，先增加，CC0.91.0后，值显著下降。 b b 钢的塑性钢的塑性( () )、韧性、韧性( () )：随着 C,C,呈非直线形下降。 k a 3 3）硬而脆的化合物对性能的影响：）硬而脆的化合物对性能的影响： 第二相强化：第二相强化：硬而脆的化合物， 若化合物呈网状分布：若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及 切削加工性提高； 呈弥散分布于基体上：呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动阻碍位错的移

34、动及阻碍晶粒加热时的长大阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、 韧性仅略有下降或不降即弥散强化； 呈层片状分布于基体上呈层片状分布于基体上：则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。 。塑性变形组织与性能。塑性变形组织与性能 1 1）组织与性能的变化）组织与性能的变化 金属塑性变形后产生晶格畸变，晶粒破碎现象，处于组织不稳定状态的非平衡组织非平衡组织， 非平衡组织向平衡组织转变：非平衡组织向平衡组织转变：可通过再结晶、时效及回火实现。 加工硬化， 物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性： 产生纤维状组织；晶粒破碎、位错密度增加；织构现象的产生；残余内应力。 2)2)变形金属在加热过程中组

35、织和性能的变化变形金属在加热过程中组织和性能的变化 回复回复（去应力退火）：强度和硬度略有下降，塑性略有提高。电阻和内应力等理化性能显著下降电阻和内应力等理化性能显著下降 再结晶：再结晶：形成细小的等轴晶粒。加工硬化消失，金属的性能全部恢复。金属的强度和硬度明显 ，而塑性和韧性显著，性能完全恢复到变形前的水平。 。热处理组织与性能。热处理组织与性能 1)1)贝氏体的机械性能贝氏体的机械性能： 上贝氏体上贝氏体：铁素体片较宽塑性变形抗力较低；同时，渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆 断因此，强度和韧性都较差强度和韧性都较差。 下贝氏体下贝氏体：铁素体针细小，碳化物分布均匀，所以硬度高，韧性好，

36、综合机械性能好。硬度高，韧性好，综合机械性能好。 2)2)马氏体的形态及机械性能马氏体的形态及机械性能 板条马氏体（板条马氏体（又称位错马氏体。）：碳含量碳含量0.230.23； 机械性能机械性能：不存在显微裂纹，淬火应力小，强度高，塑性、韧性好。 针状马氏体：碳含量针状马氏体：碳含量1.01.0；（显微镜下呈针状） 机械性能机械性能：存在大量显微裂纹，较大的淬火应力，塑性和韧性均很差； 混合组织马氏体：混合组织马氏体：碳含量在 0.23一 1.0之间时为板条和片状马氏体的混合组织。 马氏体的硬度马氏体的硬度, ,含碳最增加，硬度升高含碳量达到 0.6以后，其硬度的变化趋于平缓。 合金元素合金

37、元素对钢中马氏体的硬度影响不大。 3 3）回火组织与性能）回火组织与性能 回火类型回火温度组织性能及应用组织形态 低温回火 150250 回火 M（M ）保持高硬度，降低脆性及残 余应力，用于工模具钢，表 面淬火及渗碳淬火件 过饱和碳化物()CFex 中温回火 350-500 回火屈氏体 （T ） 硬度下降，韧性、弹性极限 和屈服强度，用于弹性元 件 保留马氏体针形 F+细粒状 Fe3C 高温回火 500-650 回火索氏体 （S ） 强度、硬度、塑性、韧性、 良好综合机械性能，优于正 火得到的组织。中碳钢、重 要零件采用。 多边形 F+粒状 Fe3C 材料组织结构变化实现的性能强化材料组织结

38、构变化实现的性能强化： 固溶强化固溶强化：通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化； 细晶强化：细晶强化：强度、硬度越高；其塑性、韧性越好。晶界处原子排列混乱，使其熔点低，易受腐蚀。 由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。 加工硬化：加工硬化：使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加，从而使强度、硬度增加，塑性、韧性、耐蚀 性等下降，并产生各向异性。冷塑性变形实现。 第二相强化：第二相强化：硬而脆的化合物（Fe3C），若呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若呈球状、粒状（球墨铸铁）：使韧性及切削加工性提高； 呈弥散分布于基体上：使强度、硬度增加，塑性、韧性仅略有下降

39、或不降即弥散强 化； 呈层片状分布于基体上：强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。 形变强化：形变强化：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度； 相变强化：相变强化：通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。 三、材料热处理、合金化与性能三、材料热处理、合金化与性能 改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理）改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理） 退火退火：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火 退火退火：加热保温缓冷获得接近平衡状态组织。 退火目的： 改善铸、锻、焊粗大不均匀的组织，降硬度，提高塑性，改善冷加工工艺性。 消除成分

40、不均匀，内应力。 1 1）完全退火）完全退火（加热 Ac3（2030）温度，保温、缓冷 组织：组织：P+F 目的：目的：细化，均匀化粗大、的原始组织；降低硬度切削性；消除内应力；消除组织缺 陷； 应用：应用：（C%=0.30.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧 2 2）球化退火）球化退火 加热加热 Ac1（1030），保温、缓冷（或 Ar1（2030）等温） 应用：应用：过，共析钢、高碳合金钢 组织：组织：球状 P（F+球状 Cem） 目的目的：Fe3CII及 Fe3C共析共析球化HRC，韧性切削性 为淬火作准备；球化退火前，正火处理，消除网状碳化物，以利于球化进行。 3 3）扩散退火）

41、扩散退火 加热加热 10501150，保温 1020h,冷却：炉冷 组织：组织：P+F 或 P+Fe3CII 目的：目的：消除偏析 后果：后果：粗晶、魏氏组织、带状组织，韧性、塑性较差，需完全退火或正火来细化晶粒。 4 4）去应力退火（再结晶退火）去应力退火（再结晶退火） 加热：加热：Ac1（100200）；保温炉冷； 目的：目的：消除加工硬化，消除残余应力。 正火正火 正火正火：亚共析加热 Ac3 （3050）、 过共析钢加热 Accm（3050）保温空冷，得到 P 类工艺。 组织组织：S 或 P（FFe3C） 正火与完全退火的区别正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，得更高的强度和硬度

42、；生产周期较短，成本较低。 目的及应用：目的及应用：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。 预先热处理工艺应用预先热处理工艺应用 工具钢：球化退火；结构钢：正火，完全退火。表面强化处理的零件：调质处理正火。 改善冷塑性加工性能改善冷塑性加工性能 再结晶退火再结晶退火：恢复变形前的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。 改善机加工性能改善机加工性能 C%0.40中低碳钢：正火，提高硬度 C% 0.4O0.60：完全退火； C% 0.6的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。 合金钢：退火： 铸铁件白口层：加热 850950保温（炉冷空冷） 。 消除材料的加工应力消除材料的加工应力 去应力退火去应力

43、退火：没有组织变化。 工艺工艺：缓慢加热 500650保温缓冷， 钢铁的淬火钢铁的淬火 淬火原则与淬透性淬火原则与淬透性 目的目的：提高硬度、强度、耐磨性。 原则原则：淬硬，获尽量完全的 M；淬透，M 组织表里如一；保证淬硬条件下，用缓冷介质，以 防开裂。 . . 淬透性：淬透性：在规定淬火条件下得到 M 多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢 的属性。由 A过稳定性决定，表现为的大小。 K V 淬透性评定：淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。 .淬透层深度淬透层深度：从表面至半 M 区的距离。与钢的淬透性及外在因素有关。 影响因素影响因素

44、：I I 越小，淬透层越深；IIII工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；淬透层越深； K V 。水淬比油淬的淬透层深； .淬硬性淬硬性：由 M 中 C%，钢的淬硬性越好。淬硬性越好。 淬火工艺淬火工艺 淬火加热温度淬火加热温度 亚共析碳钢：亚共析碳钢： （3050），组织组织：均匀细小 M 组织 C3 A 温度太高， M 粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温度时，硬度降低。 C3 A 共析和过共析碳钢：共析和过共析碳钢： 加热加热：（3050）。组织组织：MF Fe3e3C CIIIIA Ar r， C1 A 若在Acm以上淬火，A 粗大高碳 M M 粗大力学性能，变形开裂 C1

45、 A 合金钢合金钢：加热温度碳钢 淬火方法淬火方法 单介质淬：单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油 双介质淬火双介质淬火 先水，后油冷却。复杂高碳钢及大型合金钢工件。 分级淬火分级淬火 稍高于 Ms的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。用于用于：小尺寸工件及刀具。 贝氏体等温淬火：贝氏体等温淬火： 稍高 Ms温度的盐浴或碱浴中冷却保温，获得 B下。用于用于：形状复杂和性能较高的较小零件。 深冷处理：深冷处理：在 0以下的介质中冷却的热处理工艺。 目的目的：减少 Ar获最大数量 M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。 用于用于：精密工件，量具。 表面淬火表面淬火 原理：（原理：（交变磁场感

46、应电流工件电阻加热，集肤效应表面加热） 工艺：工艺：水（乳化液）喷射淬火（180180200200）低温回火）低温回火， 感应加热表面淬火的分类感应加热表面淬火的分类 1)1)高频淬火高频淬火 淬硬层深度 0.52.5；中小零件。 2)中频淬火中频淬火 淬硬层深度 210；大中模数齿轮,较大轴类零件等 3)工频淬火工频淬火： 淬硬层深度 1020；大直径零件。 适用钢种适用钢种 中碳钢和中碳低合金钢： 碳素工具钢和低合金工具钢： 球铁、灰铸铁。球铁、灰铸铁。 表面淬火的特点表面淬火的特点 加热速度快 )淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。表面硬度23HRC，脆性。 显著提高钢件的疲劳强度。

47、钢的化学热处理钢的化学热处理 化学热处理化学热处理：在加热和保温中使活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织改变表面的化学成分和组织，改善表面性 能。 目的：目的：提高表面硬度，耐磨性，心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性；提高钢件的疲劳强 度；抗蚀性和耐热性等。 渗碳渗碳 1 1）碳浓度：）碳浓度：表面 C(0.150.30)C 1.0， 机械性能机械性能：经淬火回火，提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性和塑性。 用途用途：各种齿轮、活塞销、套筒等。渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢。 2 2）渗碳工艺）渗碳工艺 温度温度： 900950；（渗碳加热到以上） 3C

48、 A 渗碳时间渗碳时间： 900950温度下，0.20.3mm/h。 3 3）低碳钢渗碳缓冷组织）低碳钢渗碳缓冷组织： 表层：表层：PFe3CII(过共析相) 心部心部：亚共析组织(PF)， 中间中间：过渡组织； 4 4）渗碳后的热处理）渗碳后的热处理 渗碳后淬火渗碳后淬火+ +低温回火低温回火 淬火后组织淬火后组织： MA残， 钢的合金化钢的合金化 合金元素在钢中的作用：合金元素在钢中的作用：提高钢的淬透性，细化晶粒，提高钢的回火稳定性，防止回火脆性，二次 硬化，固溶强化，第二相强化（弥散强化） ，增加韧性，提高钢的耐蚀性或耐热性。 形成固溶体、产生固溶强化 形成含部分金属键的金属（间）化合

49、物，产生弥散强化（或第二相强化） 溶入奥氏体，提高钢的淬透性 提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性 细化晶粒产生细晶强韧化 形成钝化保护膜 对奥氏体和铁素体存在范围的影响 四、常用机械工程材料（工业用钢、铸铁）与合理选材（表四四、常用机械工程材料（工业用钢、铸铁）与合理选材（表四-1） 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 低合低合 金高强金高强 钢钢 按 s 分 6 级: 低强度级别:16Mn 一般 工程结构 中等强度级别:15MnVN 大型桥梁,锅炉,船舶,焊接 结构. 高强度级别:18MnMoNb 高压锅炉,高压容器 高强度高强

50、度: s300Mpa 高韧性高韧性： =15%20%，室温 ak600 kJ/m2800 kJ/m2。 良好焊接性良好焊接性能和冷 成形性能 低低 C C:0.2% MeMe 以以 MnMn 为主为主、Mn 和 Si 固溶 强化 加入 V、,Nb,Ti 等元素细化 F 晶粒 加入 P 细化珠光体 加入 Cu 抗腐蚀 一般供应状态使用,不热处理焊接结 构 可进行一次正火,改善焊区性能 铁素体+索氏体 合金合金 渗碳钢渗碳钢 低淬透性低淬透性:20Cr,15Cr 小 冲击载荷耐磨件,如活塞销, 小齿轮. 中淬透性中淬透性:20CrMnTi：高 速较高载有冲击的耐磨件, 重要齿轮,连轴器。 高淬透性

51、高淬透性:18Cr2Ni4WA 重载大截面重要耐磨件,如 柴油机曲轴,连杆 渗层硬度高,耐磨, 抗接触疲劳,且有适 当塑性,韧性 心部高韧性和足够 强度 良好的热处理工艺 性能 低低 C C: 0.1%0.25% 加入提高淬透性元素加入提高淬透性元素 Cr,、Ni,、Mn、,B 加入 Mo,W,V,Nb,Ti 等阻碍 A 晶粒长大和形成稳定的合金碳化 物,提高耐磨性 预先热处理（预先热处理（改善切削加工性能） 锻压后锻压后正火正火 最终热处理最终热处理：渗碳后淬火（渗碳后淬火（直接或一 次、二次淬火）低温回火）低温回火 20CrMnTi 齿轮工艺路线：下料锻 造正火加工齿形渗碳(930)， 淬

52、火(830) 低温回火(200) 磨齿 表层：高碳 M粒状 CemCemA 心部： 淬透： 低碳 M 未淬透： TMF(少量) 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 合金合金 调质钢调质钢 低淬性:40Cr,40MnB 一 般尺寸重要零件, Do3040 中淬透性: 40CrNi, Do4060 高淬透性: 40CrNiMoA 大截面重载重要零件, Do60160 高水平综合机械性能, 能满足多种和较复 杂的工作条件 中中 C C：0.25%0.50%以 0.4 左 右为主 加入提高淬透性元素 Cr,Ni,Mn,Si,B 加入 Mo,W 消除回火脆

53、一般:油淬+高温回火调质 若要求表面耐磨若要求表面耐磨：调质后可进行表面 淬火或氮化处理。 表面淬火; 专门化学热处理(如氮化) (38CrMoAl 氮化钢) S 合金合金 弹簧钢弹簧钢 以 Si,Mn 合化:65Mn, 60Si2Mn 用于汽车,拖拉机, 机车的板簧和螺旋弹簧 以 Cr,V,W 合金化: 50CVA350400以下重 载, 较大型弹簧,如高速柴 油机气门弹簧. 高 e 和 s ,高 屈强比 高疲劳抗力 足够塑韧性,能承 受震动,冲击 有较好淬透性,不 易脱 C ,易绕卷成形 中高中高 C C:0.45%0.70% 加入 Si,Mn 提高淬透性也提高 屈强比 加入 Cr,W,V

54、 也提高淬透性 加入 Si-Cr 不易脱 C 加入 Cr-V 细化晶粒, 耐冲击,高温强度好 热成形法热成形法制弹簧热轧钢丝钢板卷 弯曲成型淬火+中温回火喷丸 冷成形法冷成形法制弹簧钢丝钢板淬火+ 中温回火冷卷弯曲成型去应力 喷丸 T 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 滚珠滚珠 轴承钢轴承钢 Cr 轴承钢: GCr15 中小 型轴承,冷冲模,量具,丝锥. 添加 Mn,Si,Mo,V 的钢: GCr15SiMo,GSiMnMoV 制造 大型轴承. 高接触疲劳强度 高硬度和耐磨性 足够的韧性和淬透 性 一定耐蚀能力和良 好尺寸稳定性 高高 C C:0

55、.95%1.10% CrCr 基本元素基本元素:提高淬透性;细化 Cem;提高耐磨性和接触疲劳抗力; Cr0.41.65 加入加入 Si,MnSi,Mn 提高淬透性提高淬透性;加入 V 耐磨性,防止过热 纯度要求极高 S0.02，P0.027 预先热处理（球化退火）预先热处理（球化退火） 正火:消除 Cem 网 球化退火:便于切削, 使细小均 匀,为淬火作准备 最终热处理：（淬火（最终热处理：（淬火（800840） 低温回火（低温回火（150170） ） 冷处理:(精密零件)尺寸稳定 M粒状 CemCem少量 A A残 残 余余 低合低合 金刃具金刃具 钢钢 Si-Cr 系:9SiCr,低速

56、切削刃具 Cr 系:Cr,Cr06 如,铰 刀,刮刀,锉刀等. Cr-W-Mn 系:CrWMn 如 拉刀,冲模,样板,量规 W 和 Cr-W 系:小麻花钻, 低速切削刃具 高硬度:HRC60 高耐磨性 高热硬性 足够塑性和韧性 高高 C C:0.9 %1.1 % 加入加入 Cr,Mn,SiCr,Mn,Si 提高淬透性提高淬透性 加入 Si 提高回火稳定性 加入 W,V 提高耐磨性,并防止加 热时过热，保持晶粒细小 预备热处理预备热处理：锻造后进行球化退火。 最终热处理最终热处理：淬火+低温回火工艺路 线：锻造球化退火机加工淬火 低温回火 M粒状 CemCem少量 A A残 残 余余 与碳素工具

57、 钢相比较，淬 透性提高，可 采用油淬火。 变形和开裂倾 向小。 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 高速高速 钢钢 （高速（高速 工具速工具速 钢）钢） W 系:W18Cr4VW18Cr4V W-Mo 系:W6Mo5Cr4V2 作 高速切削刃具铸造组织有 鱼骨状共晶 高硬度:HRC 60 高耐磨性 高热硬性 足够塑性和韧性 高高 C:C:0.7 %1.5 % 要保证能与 W、Cr、V 等形 成足够数量的 CemCem；有一定数量 的 C 溶于 A 中，以保证 M 的高硬 度。） 加入加入 CrCr 提高淬透性提高淬透性 铬的碳化物(Cr2C6)在

58、淬火加 热时几乎全部溶于奥氏体中，增 加 A A过冷 过冷的稳定性，钢的淬透性。 还提高抗氧化、脱碳能力 加入加入 W,MoW,Mo 提高热硬性提高热硬性 （提高回火稳定性和热硬性的主 要元素） 加入加入 V V 提高耐磨性提高耐磨性 V 形成的碳化物 vC(或 V4C3)非 常稳定，极难溶解，硬度较高 属于莱氏体钢， 锻造锻造：共晶莱氏体呈鱼骨胳状，热处 理不能消除，只能热变形破碎， 预热处理：预热处理：等温退火，消除内应力， 改善切削，组织准备。 最终热处理：最终热处理： 1270淬火 560580回火(三次)：若冷处 理只需一次回火 回火回火( (三次三次) )：消除内应力 消除 A A

59、残余 残余 齿轮铣刀生产过程的工艺路线如 下： 下料锻造退火机械加工 淬火+回火喷砂磨加工成品。 M+少量 A A残余 残余 + CemCem。 第二部分第二部分 考试知识考试知识 第一章第一章 金属的机械性能（了解）金属的机械性能（了解） 1低碳钢的拉伸图 2材料的性能：强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性。 第二章第二章材料的组成和内部结构特征材料的组成和内部结构特征 掌握概念（名词解释）：掌握概念（名词解释）： 固溶体、固溶强化、枝晶偏析、A、F、P、Fe3C; 合金中的基本相结构合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物 固溶体：固溶体：产生晶格畸变，增加晶体位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，使金属得到强 化。 金属化合物：金属化合物：熔点、硬度高、脆性大。碳钢中的 Fe3C。对钢的强度和耐磨性有重要的作用。 金