工程材料(机械类)试题答案以及复习要点归纳汇总(完整版)

1、机械工程材料复习 Page 1 of 51 工程材料学工程材料学试题答案以及复习重点汇总试题答案以及复习重点汇总机械工程材料复习机械工程材料复习材料结构与性能：材料结构与性能：材料的性能材料的性能：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eF-eF-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、

2、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机械工程材料复习 Page

3、2 of 51 使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。 机械工程材料复习 Page 3 of 51 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。bb钢的塑性钢的塑性( () )、韧性、韧性( () )：随着C,C,呈非直线形下降。ka3 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

4、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机械工程材料复习 Page 4 of 51 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

5、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

6、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，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；机械工程材料复习 Page 5 of 51 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

7、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。合金元素合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。机械工程材料复习 Page 6 of 51 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

8、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

9、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、合金化与性能机械工程材料复习 Page 7 of 51 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

10、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

11、、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）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A

12、ccm（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；生产周期较短，成本较低。机械工程材料复习 Page 8 of 51 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

13、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。KV淬透性评定：淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火

14、，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：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；。水淬比油淬的淬KV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。机械工程材料复习 Page 9 of 51 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C3A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。C3A共析和过共析碳钢：共析和过共析碳钢：加热加热：（3050）。组

15、织组织：MF Fe3e3C CIIIIA Ar r，C1A若在Acm以上淬火，A粗大高碳M M粗大力学性能，变形开裂C1A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

16、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

17、体）。表面硬度23HRC，脆性。机械工程材料复习 Page 10 of 51 显著提高钢件的疲劳强度。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

18、钢。2 2）渗碳工艺）渗碳工艺温度温度： 900950；（渗碳加热到以上）3CA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

19、固溶体、产生固溶强化形成含部分金属键的金属（间）化合物，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机械工程材料复习 Page 11 of 51 对奥氏体和铁素体存在范围的影响机械工程材料复习 Page 12 of 51 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

20、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

21、击的耐磨件,重要齿轮,连轴器。高淬透性高淬透性: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)，淬火(830

22、) 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) 机械工程材料复习 Page 13 of 51 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 一般:油淬

23、+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

24、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 机械工程材料复习 Page 14 of 51 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:0.95%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

25、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残余残余 机械工程材料复习 Page 15 of 51 低合低合金刃具金刃具钢钢 Si-Cr系:9SiCr,低速切削刃具 Cr系:Cr,Cr06如,铰刀,刮刀,锉刀等. Cr-W-Mn系:CrWMn 如拉刀

26、,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残余残余与碳素工具钢相比较，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

27、速（高速工具速工具速钢）钢） W系:W18Cr4VW18Cr4VW-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。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

28、理：最终热处理： 1270淬火560580回火(三次)：若冷处理只需一次回火M+少量A A残余残余+ CemCem。机械工程材料复习 Page 16 of 51 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，硬度较高回火回火( (三次三次) )：消除内应力消除A A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。机械工程材料复习 第 17 页 共 51 页第二部分第二部分 考试知识考试知识第一章第一章 金属的

29、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。金属化合物对固溶体基体的强化作用金属化合物对固溶体基体的强化作用：弥散硬化弥散

30、硬化：当金属间化合物以极小的粒子均匀分布在固溶体基体上通常能提高合金的强度、硬度以及耐磨性，但会降低合金的塑性和韧性。掌握铁碳相图基本知识：掌握铁碳相图基本知识：正确填写铁碳相图的相组成物相图正确填写铁碳相图的相组成物相图两条水平线是什么线，能写出反应式，解释共晶、共析反应。两条水平线是什么线，能写出反应式，解释共晶、共析反应。机械工程材料复习 第 18 页 共 51 页 正确填写铁碳相图的组织组成物相图正确填写铁碳相图的组织组成物相图第第3 3章章 工程材料成型过程中的行为与性能变化工程材料成型过程中的行为与性能变化掌握概念：掌握概念：冷加工、热加工、回复、再结晶，加工硬化 掌握金属的凝固掌

31、握金属的凝固纯金属的结晶：纯金属的结晶：由晶核的形成和长大这两个基本过程组成；晶核的形成：存在有两种方式，即自发形核和非自发形核；晶体长大的形态：有平面推进、树枝状生长两种；金属结晶过程缺陷的产生：缩孔和疏松，液体供应不充分，最后凝固的树枝晶之间的间隙不能被填满，将形成缩孔和疏松等缺陷。机械工程材料复习 第 19 页 共 51 页合金结晶的特点：合金结晶的特点：合金结晶时有相的变化、成分变化，有成分偏析，它将引起铸件力学性能恶化和抗腐蚀性能降低。晶粒大小和控制：晶粒大小和控制：控制过冷度、加入形核剂、机械方法（振动与搅拌）掌握铸造过程中的材料行为及性能变化掌握铸造过程中的材料行为及性能变化铸锭

32、组织：铸锭组织：表面细晶粒层、柱状晶粒层、中心等轴晶粒区铸锭结构中主要的缺陷。铸锭结构中主要的缺陷。缩孔与缩松缩孔与缩松集中的缩孔：集中的缩孔：金属凝固时体积要收缩，如果得不到液体的补充，就会形成缩孔。缩松（分散性缩孔）：缩松（分散性缩孔）：树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成细小而分散的缩孔。气孔气孔非金属夹杂物非金属夹杂物外来非金属夹杂物由外来非金属夹杂物由冶炼、浇铸过程中炉衬、型壁材料等脱落进人铸锭带来；金属内部各种化学反应生成，金属内部各种化学反应生成，非金属夹杂物很大的脆性，破坏金属晶体的连续性，促进裂纹的萌生和扩展削弱金属的机械性能。成分偏析成分偏析枝晶偏析（微观偏

33、析）枝晶偏析（微观偏析）：局限于一个或几个晶粒尺寸范围内的偏析。可用扩散退火的方法来消除宏观偏折（或域偏析）宏观偏折（或域偏析）：同一铸件中，表面和中心、上层和下层的化学成分也可能存在不均匀，这种较大尺寸范围内出现的偏析。消除枝晶偏析：消除枝晶偏析：扩散退火或均匀化退火把有枝晶偏析的合金加热到高温，长时间保温，使固溶体中原子充分扩散以达到成分的均匀化。掌握冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化掌握冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化掌握热塑性变形过程中的材料行为及性能变化掌握热塑性变形过程中的材料行为及性能变化金属的热加工和冷加

34、工热塑性变形对金属组织和性能的影响机械工程材料复习 第 20 页 共 51 页第4章 改善材料性能的热处理、合金化及改性掌握概念：掌握概念： P、S、T、B、M、S回、T回、M回、完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、正火、淬火、淬透性、淬硬性、表面淬火、渗碳、调质。掌握金属材料在加热与冷却过程中的主要变化掌握金属材料在加热与冷却过程中的主要变化钢在加热时的转变（奥氏体的形成）钢在加热时的转变（奥氏体的形成）转变温度）转变温度共析钢共析钢：加热超过PSK线（A1）时，完全转变为奥氏体，平衡状态下平衡状态下 亚共析钢亚共析钢：必须加热到GS线（A3）以上过共析钢过共析钢：必须加热到ES线（A

35、CM）以上，才能全部获得奥氏体。）奥氏体的形成：）奥氏体的形成：晶核形成、晶核长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化四个基本过程。）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素加热温度：加热温度：提高加热温度，加速了奥氏体的形成。加热速度：加热速度：加热速度越快，缩短奥氏体的形成时间缩短奥氏体的形成时间。钢中碳含量：碳含量增加时，转变速度加快钢中碳含量：碳含量增加时，转变速度加快。 合金元素：合金元素：大部分合余元素加入钢中，减慢了奥氏体的形成速度。减慢了奥氏体的形成速度。 原始组织：原始组织：片状珠光体奥氏体形核长大快 粒状珠光体。、钢的冷却转变（等温冷却）：、钢的冷却转变（等温冷却）：共析钢

36、过冷奥氏体等温转变产物的组织和特性1 1）珠光体类转变）珠光体类转变组织： ( (高温转变区高温转变区) )，在，在A A1 1550550之间之间2 2）贝氏体转变）贝氏体转变( (中温转变中温转变) )：转变温度转变温度 ：在：在550550MsMs：之间，：之间，550350550350上贝氏体上贝氏体半扩散型，半扩散型，FeFe不扩散，不扩散，C原子有一定的扩散能力 羽毛状羽毛状碳化物在碳化物在F F间，韧性差间，韧性差350MS350MS下贝氏体下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好3 3）. .低温转变：（马氏体转变马氏体转变）：温度MsMf，马氏体

37、转变区、钢的冷却转变（连续冷却）、钢的冷却转变（连续冷却）机械工程材料复习 第 21 页 共 51 页1 1） 转变产物转变产物：冷却速度时，钢将转变为M+A残kV冷却速度时，钢将全部转变为P类kV冷却速度之间(例如油冷)时：M+A A残残+T+T kVkV掌握钢在回火时的转变掌握钢在回火时的转变1 1）回火目的）回火目的： 获得所需要的机械性能， 稳定组织和尺寸： 消除内应力： 2 2） 回火后组织回火后组织低温回火低温回火： 150250，得M回回。目的：目的：降低内应力和脆性，保持淬火后的高硬度中温回火：中温回火：350500。回火组织回火组织为T回，目的：目的：较高的弹性极限和屈服强度

38、，并有一定的韧性。硬度高温回火：高温回火：500650。回火组织回火组织：S回，性能特点性能特点：保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。用于：用于：各种重要的结构零件调质处理调质处理：淬火高温回火。用于：用于：重要结构件。高速钢高速钢：需要进行23次回火，使组织充分转变。第5章 常用金属材料及性能基本要求基本要求 熟悉工业用钢、铸铁的分类和编号方法，从其牌号即可判断其种类、大致化学成分、主要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织， 熟悉碳钢：熟悉碳钢： 普通碳素结构钢 Q215、Q235等； 优质碳素结构钢 20、45、60等； 碳素工具钢 T8、T10、T12等。

39、1）熟悉合金钢主要钢种）熟悉合金钢主要钢种 机械工程材料复习 第 22 页 共 51 页 低合金结构钢低合金结构钢 Q345(16Mn)、Q420(15MnVN)； 渗碳钢渗碳钢 20Cr、20MnVB、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA； 调质钢调质钢 40Cr、40CrB、40CrNiMo、38CrSi；弹簧钢弹簧钢 65Mn、50CrV、60Si2Mn； 轴承钢轴承钢 GCr9、GCr15、GCr15SiMn ； 冷模具钢冷模具钢 Cr12MoV；热模具钢热模具钢 5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V低合金刃具钢低合金刃具钢 9SiCr、CrWMn ； 工具钢工具钢T8、T

40、10、T12；高速钢；高速钢 W18Cr4V ；不锈钢不锈钢 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr17、 1Cr18Ni9Ti； 常用铸铁常用铸铁：HT150、HT250、KT350-10、KT450-5、QT420-10、QT800-2等 工业用钢、铸铁的分类、要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织见工业用钢、铸铁的分类、要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织见（表四（表四-1-1）重点复习题型重点复习题型.要制造轻载齿轮、热锻模具、冷冲压模具、滚动轴承、高速车刀、重载机床床身、传动轴、后桥壳、量具、弹簧、汽轮机叶片、等零件，

41、试从下列牌号中分别选出合适的材料，及选择对应的热处理方法（淬火、低温回火、中温回火、高温回火、退火）。T12 HT300 W18Cr4V GCr15 40Cr 20CrMnTi Cr12MoV5CrMnMo 9SiCr 1Cr13 60Si2Mn QT400-15 45 Q235答.有一个45号钢制的变速箱齿轮，其加工工序为：下料锻造 正火粗机加工 调质 精机加工 高频表面淬火低温回火磨加工成品，试说明其中各热处理工序的工艺、目的及使用状态下的组织。 轻载齿轮量具冷冲压模具滚动轴承高速车刀重载机床床身材料45T12Cr12MoVGCr15W18Cr4VHT300钢种调质钢炭素工具钢冷冲模具钢滚

42、动轴承钢高速工具钢灰铸铁热处理淬火高温回火淬火低温回火淬火中温回火淬火低温回火淬火高温回火三次退火机械工程材料复习 第 23 页 共 51 页.某型号柴油机的凸轮轴要求凸轮表面有高的硬度（HRC50），心部具有良好的韧性（Ak40）原采用45钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火现因工厂库存的45钢已用完，只剩下15钢，拟用15钢代替 试说明：原45钢各热处理工序的作用 改用15钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？ 改用15钢后为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下应采用何种热处理工艺？答：调质处理：获得回火索氏体，以保证工件心部的强度和韧性凸轮表面进行高频淬火：

43、承受弯曲交变载荷或扭转交变载荷，提高耐磨性和承受冲击。低温回火：是为了降低钢的淬火内应力和脆性，同时保持钢在淬火后的高硬度(一般为HRC5864)和耐磨性。：不能满足性能要求；因为高频淬火适用与中碳钢；中合金钢碳钢；工具钢；不能对低碳钢高频目的工艺组织正火作为预先热处理改善切削加工性能加热到Ac3 （3050）保温空冷S或P（FFe3C） 调质在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。淬火高温回火S回高频表面淬火 提高表面硬度与高耐磨性，心部具有足够塑、韧性。感应加热水、乳化液喷射淬火低温回火。 淬火后表面为细隐晶马氏体（极细马氏体），心部为原始组织。低温回火降低钢的淬火内应力和脆性，同时保

44、持钢在淬火后的高硬度(一般为HRC5864)和耐磨性。加热150250保温冷却M回机械工程材料复习 第 24 页 共 51 页淬火、因碳量低，表面硬度难以提高。调质（淬火高温回火）渗碳淬火低温回火第七章第七章 工程设计、制造与材料选择工程设计、制造与材料选择掌握零件失效与失效类型掌握零件失效与失效类型过量变形失效过量变形失效：材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度，而致影响构件的规定功能 弹性变形失效与选材：弹性变形失效与选材：材料力学指标：弹性模量。选材：选材：易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。塑性变形失效与选材塑性变形失效与选材：材料力学指标材料力学指标：屈服强度。过量过

45、量蠕变变形失效：蠕变变形失效： 属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形。断裂失效：断裂失效：断裂是金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个部分或两个以上部分 材料力学指标材料力学指标：冲击韧性、断裂韧性。韧性断裂失效：韧性断裂失效：零件所受应力大于断裂强度，断裂前产生显著宏观塑性变形的断裂。低应力脆断：低应力脆断：构件所受名义应力低于屈服极限，在于明显塑性变形的情况下，产生的突然断裂 脆断的原因：脆断的原因：低温环境、焊接质量、工作介质、预防低应力脆断的措施。疲劳断裂失疲劳断裂失：在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂。蠕变失效与选材蠕变失效与选材表面

46、损伤表面损伤 ：主要指腐蚀失效及磨损失效、接触疲劳失效 磨损失效：磨损失效：相互接触的两个零件做相对运动时，由于摩擦力的作用，零件表面材料逐渐脱落，使表面状态和尺寸改变而引起的失效。接触疲劳失效：接触疲劳失效：两个零件做相对滚动或周期性接触，由于压应力或接触应力的反复作用所引起的表面疲劳破坏现象。腐蚀失效腐蚀失效：金属零件或构件的表面在介质中发生的化学或化学作用而逐渐损坏的现象。掌握失效的原因掌握失效的原因（1 1）设计与失效）设计与失效结构或形状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中源。零件的工作条件估计错误（应力计算错误）。热处理结构工艺性不合理机械工程材料复习 第 25 页 共 5

47、1 页（2 2）选材与热处理）选材与热处理选材不当选材不当：设计者选定指标不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。所选材料的性能数据不合要求，因而导致了失效。材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，材料的的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。热处理工艺不当热处理工艺不当热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足等； 冶金缺陷：冶金缺陷：夹杂、成分偏析、不良组织等加工缺陷：加工缺陷：冷加工有刀痕深、粗糙度大、圆角小、精度低；热加工缺陷：回火软化、应力等装配与使用装配与使用零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。对机器的维护保养不

48、好，没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效。 掌握零件设计中的材料选择掌握零件设计中的材料选择选材三原则选材三原则1 1）使用性能原则）使用性能原则，使用性能：力学性能、物理性能、化学性能2 2）工艺性原则）工艺性原则工艺性工艺性-材料经济地适应各种加工工艺而获得规定使用性能或形状的能力。是一个辅助性原则。3 3）经济性原则）经济性原则掌握热处理加工工艺路线中的位置掌握热处理加工工艺路线中的位置1 1热处理在工艺路线中的位置的安排原则热处理在工艺路线中的位置的安排原则1)最终热处理一般安排在半精加工之后，磨削精加工之前；2)最终热处理可进行不止一次；3)整体淬火和表面淬

49、火在工艺路线中位置相同；4)渗碳与淬火、回火在工艺路线上是近邻的；5)局部渗碳方法不同，工艺不同；6)零件表面软氮化和表面渗硫的减摩处理，渗C后不能进行任何切削处理；7)高精度零件可增加去应力退火，精密零件甚至进行冷处理；8)调质一般放在粗加工之后，半精加工之前。2 2 热处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置教材表教材表7.27.2机械工程材料复习 第 26 页 共 51 页第八章第八章 常用零件选材常用零件选材掌握轴类零件选材掌握轴类零件选材轴常用材料轴常用材料调质钢（45、）、合金调质钢（40Cr、40MnB、）、合金渗碳（20CrMnTi、）、专用氮化钢（38CrMoAlA）、

50、等机床轴按工作条件分为三类。机床轴按工作条件分为三类。1 1）轻载主轴：）轻载主轴： 低工作载荷小冲击载荷轴颈部位磨损不严重低工作载荷小冲击载荷轴颈部位磨损不严重，普通车床的主轴。4545钢钢、调质或正火处理，耐磨的部位高频表面淬火强高频表面淬火强化。2 2）中载主轴：）中载主轴： 中等载荷磨损较严重有一定冲击载荷中等载荷磨损较严重有一定冲击载荷，例如铣床主轴。合金调质钢，如40Cr钢，经调质处理，耐磨部位进行表面淬火强化。3 3）重载主轴）重载主轴 工作载荷大磨损严重冲击载荷都严重工作载荷大磨损严重冲击载荷都严重，组合机床主轴。20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。4）高精度主轴高精度主

51、轴 精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。 重点重点掌握掌握轴类零件加工工艺路线轴类零件加工工艺路线CM6140CM6140车床主轴：车床主轴：轻载主轴 工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，普通车床的主轴。45钢、调质或正火处理，耐磨的部位高频表面淬火强化。选材：选材：45钢热处理技术条件：热处理技术条件：整体调质、硬度220250HBS；轴颈和锥孔进行表面淬火，硬度5258HRC 加工工艺路线：加工工艺路线： 下料锻造正火粗加工调质半精加工表面淬火及低温回火磨削加工 主轴主轴(45(45钢钢) )采取各种热处理工艺采取各种热

52、处理工艺锻造锻造-热加工热加工，可以改善铸态组织，提高材料致密度和力学性能正火目的正火目的- -在于得到合适的硬度，便于切削加工；改善锻造组织，为调质做准备调质调质-机械工程材料复习 第 27 页 共 51 页淬火淬火+ +高温回火高温回火，得到的组织为回火索氏体，使主轴得到较高的综合机械性能和疲劳强度，还为最终的高频表面淬火做准备。安排在粗加工之后，半精加工之前。轴颈和锥孔轴颈和锥孔：进行表面淬火+低温回火，目的在于提高硬度，增加耐磨性。重点掌握齿轮类零件材料选择重点掌握齿轮类零件材料选择材料的要求：材料的要求：高的接触疲劳强度、高的抗弯强度、良好的切削性能、淬火性能齿轮常用材料齿轮常用材料

53、：锻钢、优质碳素钢： 45、 合金调制合金钢： 40Cr、合金渗碳钢20CrMnTi、1 1）轻载）轻载齿轮齿轮： 低工作载荷小冲击载荷轴颈部位磨损不严重低工作载荷小冲击载荷轴颈部位磨损不严重，普通车床的主轴。4545、4545钢钢、调质或正火处理，耐磨的部位高频表面淬火强高频表面淬火强化。2 2）中载）中载齿轮齿轮： 中等载荷磨损较严重有一定冲击载荷中等载荷磨损较严重有一定冲击载荷，例如铣床主轴。合金调质钢，如40Cr钢，经调质处理，耐磨部位进行表面淬火强化。3 3）重载）重载齿轮齿轮 工作载荷大磨损严重冲击载荷都严重工作载荷大磨损严重冲击载荷都严重，组合机床主轴。20CrMnTi钢制造，经

54、渗碳、淬火处理。4）高精度高精度齿轮齿轮 精密镗床的主轴。一般用38CrMoAl专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。热处热处理：理：软齿面 (大轮或大小轮硬度 350HB)：正火调质硬齿面 (硬度 350HB )：渗碳淬火氮化采用材料：采用材料：A 20CrMnTi钢渗碳 B 40Cr碳氮共渗20CrMnTi20CrMnTi钢、渗碳钢、渗碳热处理技术条件：热处理技术条件：表层WC：0.8 1.05%，渗碳层深度0.8 1.3mm，齿面硬度：58 62HRC，心部硬度：33 45HRC加工工艺路线加工工艺路线下料锻造正火粗加工、半精加工渗碳、淬火及低温回火喷丸磨削加工 各种热

55、处理工艺各种热处理工艺正火正火950 970，空冷，179 217HBS，目的是为了得到合适的硬度，便于切削加工，改善锻造组织。渗碳及淬火渗碳及淬火 920 940，保温46h，预冷至830850，油淬。渗碳通过渗入碳原子可以同时改变零件化学成分和组机械工程材料复习 第 28 页 共 51 页织，达到从这两方面来提高零件硬度、耐磨性和高疲劳强度。淬火是为了获得高硬度的马氏体。回火回火低温回火18010，保温2h，得到回火马氏体，保持高硬度、高耐磨性，消除应力，降低脆性。40Cr40Cr进行碳氮共渗进行碳氮共渗热处理技术条件：热处理技术条件：表层WC：0.65 0.9%，碳氮总质量分数1.0 1

56、.25%，渗层深度0.20.4mm，齿面硬度：58 63HRC，心部硬度：37 42HRC加工工艺路线加工工艺路线下料锻造正火粗加工、半精加工碳氮共渗、淬火及低温回火喷丸磨削加工 热处理方法热处理方法正火840 870，空冷，187241HBS碳氮共渗及淬火 830 850，保温12h，直接油淬。回火低温回火18010，保温2h选材举例选材举例 一、解释下列名词1淬透性与淬硬性; 2相与组织; 3组织应力与热应力；4过热与过烧； 5. 回火脆性与回火稳定性 6. 马氏体与回火马氏体7. 实际晶粒度与本质晶粒度 8.化学热处理与表面热处理 9热硬性 10共晶转变 淬透性：钢在淬火时获得的淬硬层深

57、度称为钢的淬透性，其高低用规定条件下的淬硬层深度来表示淬硬性：指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力相：金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其它部分有晶只界分开的均匀组成部汽车齿轮镗床镗杆车辆缓冲弹簧机床床身高速车刀冷冲压模具材料20CrMnTi40Cr50CrVHT200W18Cr4VCr12MoV普通车床主轴滚动轴承自行车车架铣刀热作模具自来水管弯头材料45GCr1516Mn9SiCr5CrMnMoKTH300-06机械工程材料复习 第 29 页 共 51 页分称为相组织：显微组织实质是指在显微镜下观察到的各相晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。组织应力：由于工件内外温差而引起的奥氏

58、体（或A）向马氏体（M）转变时间不一致而产生的应力热应力：由于工件内外温差而引起的胀缩不均匀而产生的应力过热：由于加热温度过高而使奥氏体晶粒长大的现象过烧：由于加热温度过高而使奥氏体晶粒局部熔化或氧化的现象回火脆性：在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称为回火脆性回火稳定性：又叫耐回火性，即淬火钢在回炎过程中抵抗硬度下降的能力。马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体。回火马氏体：在回火时，从马氏体中析出的-碳化物以细片状分布在马氏体基础上的组织称为回火马氏体。本质晶粒度：钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度实际晶粒度：在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度，它直接

59、影响钢的性能。化学热处理：将工件置于待定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层，从而改变工件表层化学成分与组织，进而改变其性能的热处理工艺。表面淬火：指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面奥氏休化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。二、判断题1. （ ）合金的基本相包括固溶体、金属化合物和这两者的机械混合物。 错。根据结构特点不同，可将合金中相公为固溶体和金属化合物两类。2. （ ）实际金属是由许多位向不同的小晶粒组成的。 对。3. （ ）为调整硬度，便于机械加工，低碳钢，中碳钢和低碳合金钢在锻造后都应采用正火处理。 对。对于低、中碳的亚共析钢而言，正火与退火的目

60、的相同；即调整硬度，便于切削加工，细化晶粒，提高力学性能，为淬火作组织准备，消除残作内应力，防止在后续加热或热处理中发生开裂或形变。对于过共析钢而言，正火是为了消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。对于普通话结构钢而言，正火可增加珠光体量并细化晶粒，提高强度、硬机械工程材料复习 第 30 页 共 51 页度和韧性，作为最终热处理。4.（ ） 在钢中加入多种合金元素比加入少量单一元素效果要好些，因而合金钢将向合金元素少量多元化方向发展。 对。不同的元素对于钢有不同的效果。5. （ ）不论含碳量高低，马氏体的硬度都很高，脆性都很大。 错。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，含碳增加，其硬度也随之提