机械工程材料复习课

1、晶体：厂长程有序排列'具有确定熔点各向异性机械工程材料复习课第一章 金属的晶体结构与结晶晶体与非晶体非晶体：短序有序< 无固定熔点各向同性金属的晶体结构m i-t s带心壷方茁胞图i-i-5皓悴為方肘廈体心立方晶胞内原子数 2个致密度K = 0.68面心立方4个K=0.74密排六方6个K=0.74三实际晶体的结构晶粒内的晶格位向基本一致，各晶粒间位向都不同；亚晶间两侧晶体有很小 的位向差9< 2°,亚晶界由一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列而成。1点缺陷：空位与间隙原子在一定温度下总有一定平衡浓度的点缺陷存在，引起点陈畸变，可以消失。 当淬火或冷加工时会产生室温

2、下的过饱和点缺陷。空位与扩散机制有关。2 .线缺陷：位错晶体中有几层原子错排了位置而形成的晶体缺陷。 正、负刃型位错可相互抵 消。塑性变形机制：通过位错在切应力作用下在晶体中逐渐移动完成， 而不是刚 性的移动。EL位错密度：p m = 丁提高强度：(1)完全消除金属内的位错缺陷，(7 s理论值：(2) / pm加工硬化、热处理强化。3.面缺陷：晶界、亚晶界晶界、亚晶界细化，可以/强度、硬度和塑、韧性(1) 界面对塑性变形时的位错移动有阻碍作用， 引起位错塞积，使变形抗 力/,强度、硬度/。(2) 需要周围晶粒作协调的弹性变形以保持物体的连续性，使变形抗力/(3) 晶界越多，阻碍裂纹扩展，使韧性

3、/。(4) 晶粒细化，可使塑性变形均匀分散到各晶粒内，使应力集中程度/, 试样断前塑性变形更多，使塑性/。时阿12 3範驶X的挣却曲爼四纯金属的结晶 平衡凝固条件下：理论凝固温度To = T熔实际非平衡凝固，存在过冷现象。/T = To - Ti °C冷却速度越大，/T也越大，过冷是金属结晶的 必要条件。结晶是一个不断形核与长大的过程，最后长成一个多晶体。自发形核：液相中一些原子的短程有序结构自发成为晶核;非自发形核：依附于难熔质点和型壁表面形核由于棱角处散热条件优越，晶粒常长成树枝晶五细化晶粒的方法依据：Z< ZxyJG，随着/T/，形核率N的/比G的/快，得细晶粒。冶铸时(

4、1)增大/ T; (2)变质处理：改变N、Go (3)附加振动：使树枝 晶破碎，/ No其它方法：(4)通过重结晶，重新形成晶核，长成细晶粒，eg: Fe-C合金(5) 高应力下热加工时动态再结晶，锻、轧钢材比铸钢晶粒细。六金属同素异晶转变当外界条件改变时，有些金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的转 变。特点：(1) 属恒温转变，原子重排的固态相变，需更大的过冷度/ T o(2) 包括形核、长大的过程，释放结晶潜热，称为重结晶或二次结晶。第二章机械性能图2 1-1拉忡试禅及低礁钢的应力应璧图(3) 伴随有比容的跃变，产生较大内应力。(K、a不同)一强度与塑性(静拉伸试验)Fe1 弹性极限：

5、Re =忑开始产生微量塑性变形的抗力op段 成直线关系：(T =E£Fs2. 屈服极限R s = ao代表材料发生明显塑性变形的抗力。3.抗拉强度:Rr=FbAo材料在断裂前所发生的均匀塑性变形所能承受的最大应力。材料的强度：材料在静载荷作用下抵抗破坏（塑变、断裂）的能力 塑性：材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。延伸率：A= Ll. L0 X100%LoN/ o / i断面收缩率：Z= AOA X100%二. 硬度1. 布氏硬变HB :适用于HBSV450的灰铸铁，轴承合金，有色金属、调质 钢、退火的毛坯件，HBWV650。压痕大，测值重复性高，精确。2. 洛氏硬度HR:

6、HRA、HRC测高硬度材料，HRB测软材质，相互间不能 比较。广泛用于成品检验，压痕小，测值分散度大。3 .维氏硬度HV :使从软到硬材料有一个连续标度。可查附表对照其它硬 度值。一般不用于热处理现场检验，尤适于表面处理的模具硬度，作研究用。三. 冲击韧性 Ak=G （H-h）常用V梅氏试样，对易出现脆断的机件（焊接结构船）用V夏氏试样。Ak值对材质反映敏感，生产上用来检验冶金、热锻、热处理的工艺质量。四. 多次冲击试验多冲抗力=f （强度、塑性）1. 冲击能高塑性，冲击能低强度（高强钢需要适当的韧性ak配合）。2. 普通结构钢常桌用“淬火+中温回火（+低温回火）”工艺。五. 疲劳无论脆性还是

7、韧性材料，承受交变重复应力时往往在工作应力RvRs下突然断裂，无塑变。材料受相当循环次数（钢铁 N=107，非铁金属108）不发生断裂的最大应力 疲劳强度（T -1 o第三章加工硬化与再结晶多晶体的塑性变形抗力较单晶体为高：R=R+Kd1）既要克服晶界的阻碍；2）又要保证各晶粒间的连续性和协调的相应变形。一. 加工硬化随着材料冷塑度程度的增加，其强度、硬度/、塑韧性/的现象。内部组织 亚结构发生变化：胞状亚结构、呈细长条，纤维组织。作用：（1）强化金属；（2）均匀成形；（3）过载安全保护。不利：（1）抗蚀性下降，需去应力退火；（2）消除加工硬化要再结晶退火。二回复再结晶1 回复一一冷变形金属加

8、热时，只发生某些亚结构和性能的变化，而光学 显微组织不发生变化。（1）去应力退火：可以保留加工硬化的强化效果，消除内应力/。避免 应力腐蚀开裂。（2）消除空位等缺陷，（p m /不多），使电阻率/。2 再结晶一一冷变形金属加热时，通过形核长大，形成无畸变的新晶核。（1 ）再结晶退火：可以消除加工硬化恢复到冷变形以前的水平。T再=0.4T熔（2）再结晶温度：T再一一开始再结晶的最低温度。1）预变形量：/ T再/。2）熔点：Tm/T再/。3）微量溶质原子：/ T再。（3）晶粒长大：温度/，时间增长，d/。（4）临界变形度210%，异常粗大的晶粒度。三.热加工高温塑变时，金属材料的加工硬化作用能被动

9、态再结晶等软化过程所抵消， 获得近般稳定的流变应力。T再以上：热加工，无加工硬化；T再以下：冷加工，有加工硬化；在高的流变应力下进行热加工发生动态再结晶也可以细化晶粒。第四章二元合金状态图合金：由两种以上金属或非金属组成的确良具有金属特性的物质。相：系统中具有同一聚集状态，同一结构、成分、性能相同的均匀组成部分, 常有相界存在。组织：显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的各种相的综合。一.合金相结构 厂无限固溶体 厂置换固溶体1 .固溶体Y（溶剂晶格）有限固溶体匸间隙固溶体（有限） 溶质Rx大小、温度、晶格类型有关。2. 固溶强化溶质溶入溶剂中形成固溶体，使晶格畸变，位错移动的阻力/、强度/

10、。（1）固溶强化比加工硬化的塑韧性要好。（2）合金化可以在固溶体基体上形成强化相构成条相合金二化合物1. 金属化合物：晶体结构不同于任一组元的结构，熔点高，硬而脆的相。 正常价化合物间隙相电子化合物间隙化合物2. 机械混合物： 由两相或多相按一定比例构成的金属组织。如珠光体FesC/F、莱氏体，性能与各组成相的性能、数量和分布情况有关。三.二元合金状态图1. 匀晶状态图匀晶转变：由液相结晶出单相固溶体的过程称之。（以Cu-Ni无限固溶体为例）只有在平衡状态下，所测得的结晶温度才是理论凝固温度To =熔点温度Tm。平衡状态图：假定冷却速度非常缓慢，以固相中原子都能充分进行扩散，成 分均匀。60%

11、合金但随T/（合金成分/） , a相/，L/相，液、固相平均成份 不断沿着液、固相线变化，直到 b3点，凝固终了， a相成分=原合金成分。枝晶偏析：非平衡凝固下，先析出的枝杆部分含高熔点成分多， 后析出的分 枝、枝间含低熔点的成分较多，原子来不及扩散均匀，造成微观偏折。图3 2-2 打関相悯令金的芽晶过程2. 共晶状态图在共晶点以左CE段为过共晶合金：先Lf sb，然后Lc PbSb组织由Sb+ （Pd+Sb 组成。共晶转变：在恒温条件下，从液态中同时结晶出两种晶体（或两种固溶体） 的过称称之。其中发生共晶反应的成分为共晶成分，全体为共晶体的合金称为共 晶合金。密度偏析：先共晶相与余液相的密度

12、相差较大，会引起结晶相上浮或下沉， 造成铸件在高度方向上成分组织的不均匀的宏观偏析。3. 杠杆规则应用WlW X _ X"KWs X Xl KX'只适用于二元合金平衡相图的两相区或三相平衡共存线，不适于单相区4 共析状态图共析转变：在高温通过匀晶转变所形成的单相固溶体， 在冷却到某温度时又 发生恒温固态相变，同时分解析出两个新的固相的过程称之。第五章铁碳合金状态图状态图分析V谕尤陣十一施瓦障_| +鼻氏陣r±T I_ 旺肄*.武障! At氏障E +|V| j-J-1 Fz陆& .麻狀虧曲acd液相线，aecf固相线:L+A， L+Fe3C。(2)固相线以下：

13、AESG区域：单相 A区。(1) 液、固相线之间两相区:727C 以上：A + L，A+ Fe3C;(3)恒温相变:Lcf 丫 e+FqCi ,Y sA p+ Fe3C727°C 以下：F + Fe3C二金相组织与钢的凝固过程(1) 亚共析钢：L L+A A A+Ff F+P(2) 共析钢：A P(3) 过共析钢：A FgC+A FbCi+P(4) 共晶白口铸铁：L4.3 Ld(A+ Fe3CLd /(5) 亚共晶白口铸铁：LA +L/ A + Ld A+FesG LdxP+ Fe3G + Ldx(6) 过共晶向口铸铁：L L + F&C Ld + Fe 3C L d x +

14、 Fe3C 组织形貌：参考书上P49图3-3-5至图3-3-10。凡：C%=02.11%为钢，C%=2.116.09%为铁，画出冷却曲线，组织转变 示意图。第六章钢的热处理一.钢在加热时的A化过程临界点温度：A1、A3、Acm，AC1、AC3、Accm , A、Ag、Arcm1. A化有三个阶段：(1) A晶核在P的F/Fe3相界处优先形核并长大；(2) F先消失，然后剩后FesC需有一溶解过程；(3) A的成分均匀化。此外，过共析钢常在AC1Acm间进行“不完全A化” A+部分FeG2 奥氏体晶粒长大及控制：（1）起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度；（2）提高加热速度，缩短加热时间，可获得超

15、细隐晶晶粒度（高频）（3）合金元素、含碳量对A晶粒长大趋势有影响：C、Mn、P促进A长大，其余Me阻碍A长大。二. 冷却时的组织转变1 过冷A等温转变：TTT图（又称C曲线）特点：从AiMS间转变有孕育期 不同温度范围内产物不同。P区：AiC曲线鼻尖以上高温转变区：P: 0.3口 , 1025 HRC （100250HB）< S： 0.1 卩 m,2535 HRC、T: <0.1 卩 m,3548 HRCB区：C曲线鼻尖以下MS中温转变区Fe切变，C原子短程扩散:r B上：羽毛球：C化物在F界面上，位错缠结，HRC4045,脆性，不好-B下：针叶状：C化物在F片内，位错蜜度高，HR

16、C4555,韧性好（等温淬火）2 .过冷A连续冷却转变CCT图介绍图7-15，临界冷速 V淬透性有关（决定过冷 A稳定性）三. 钢的预处理：正火与退火1 .完全退火 亚共析钢2. 球化退火（等温退火）一一过共析钢四. 钢的淬火与回火1、淬火：V>Vk，得到M组织（1） 淬火温度：亚共析钢Ac3 + 3050C过共析钢 AC1 + 3050C（2）淬火方法：1）单液淬火：水、油、高分子聚合物水溶液。2）双液淬火：水淬油冷（T10A钢）。3）分级淬火法：Ms点以上短时停留，M 卜 硝盐浴或碱浴，4） 等温淬火法：Ms以上长时间降成，B下用于形状复杂的小件5）冷处理：消除A残。（3）淬透性与淬

17、硬性：淬透性Vk，过冷A越稳定越好，除Co外，大多数合金元素/淬透性。淬硬性M中C%有关，淬透性高未必淬硬性高。2.回火淬火M组织不稳定，组织极脆，工件中存在很大的内应力，若不及时回火， 会使工件变形开裂。(1) M分解：100C以上，M中C以& -F2.4C析出，过饱和度变/，工模具 和渗碳、表面淬火件形成“回火M'组织，含碳0.25%C降低内应力和脆性60HRC(2) 残余A分解：200300E，A B下。(3) 碳化物类型转变：250400E，“FeC+针条状F”回火T。eg弹簧， 有较高(T s, (T e。(4) 渗碳体聚集长大：450C以上，F&C聚集长成粒

18、状，F发生再结晶。成 为：“球粒状FesC+等轴状F”回火索氏体S。淬火+高温回火=调质，综合机械性能好，同时有良好的塑韧性和强度， 用于处理重要零件，或作为表面处理的预备组织。五. 表面热处理(1) 表面淬火：高、中频淬火，适于中碳钢，耐疲劳强度提高。(2) 化学热处理：掌握渗碳处理，其它方法一般了解，不考试。低碳钢材料渗碳处理：用于承受较大冲击载荷和严重磨损条件下提高材料疲 劳强度、耐磨性，及心部韧性。组织：表层：0.851.05%C： “细小的回火 M +粒状Fe3C” 5864 HRC， 心部：回火低碳M及部分T，S组织，不允许大块状F。四.成分、组织、性能间的关系、铁碳状态图的应用1

19、. 解释书上图5-16。2. 选材应用：结构型钢、机械零件、弹簧、工模具用钢。3. 为什么铸铁常选共晶成分？(流动性、疏松、偏析、热裂倾向)4. 锻造温度范围：(1) 亚共析钢：GS ( Ac3线)以上(2) 过共析钢：A1以上：破碎网状FbCii第七章金属材料及应用一.碳钢号及应用1 .钢号意义及表示方法普通碳素钢：A类钢、B类钢镇静钢：Mn、Si、Al充分脱氧，属本质细晶粒钢'有集中缩孔(须冒口成材率低)，组织致密。V沸腾钢：Mn脱氧，属本质粗晶粒钢、有疏松、许多汽泡、|无集中缩孔成材率高，成本低。表面有细品区，表面质量好，含、Si少，塑性佳，宜作轧材。2.优质碳素钢：45钢、T8

20、钢3 .高级优质碳素钢：T12A钢4 铸造碳钢 ZGx xx xxRs-Rm(Mpa ,用途。二合金钢分类与编号1. 低(Me<5%),中(5%<Me<10%),高(>10%Me)合金钢含碳量 C<2.11 由于C、E点左移，出现莱氏体钢。2. 分类：合金结构钢：调质钢、渗碳钢、易切钢、低淬钢、普低钢、弹簧钢、轴承钢。 合金工具钢：量具钢、冷作模具钢、热作模具钢。特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨铸钢。?25mm试样空气静止泠却：分 P钢、B钢、M钢、A钢、F钢etc。3. 编号: 、结构钢：OO/ooC, 1%Me不标数字，1.52.5%标“ Me2” 加 A 高

21、级优质钢 eg： 40Cr、Y15、GCr15(1%C, 1.5%Cr) 工具钢：T O/ooC,碳素工具钢，T10, T12A。 无须加-A , 1%C + MeX (对C>1% 不标碳量)eg： W18Cr4V(0.7%0.8%), 00Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti 。三.钢中常存杂质元素影响1. Si 和 Mn:Si<0.4%、Mn<0.8% 般固溶强化F,否则有害。MnS可/S的害处。2. S:易形成A-FeS (985E)的离异共晶，产生热脆，用 MnS (1600E)消除。3. P:极大地固溶入F中，使钢强化但脆性也/冷脆。 可以提高大气抗蚀性，用于S、

22、P的易削钢或炮钢中。四.合金结构钢1 .普低钢16Mn、15MnV作结构件，Qxxx表示。 低碳：C<0.2%保证良好塑韧性能泠成型，良好的焊接性能。 少量的Mn<1.8%, Si<0.6%,固溶强化，增加P 量,在不降低韧性的前提下， 使6 s提高2050% 辅加V、Ti、Nb:细化晶粒，弥散强化，Cu P/大气抗蚀性，Re/低温 韧性。2 .合金渗碳钢用于受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的零件或交变载荷。 要求表面具有高硬度：高耐磨性，心部要有高韧性和足够的强度。 C0.10.25%,保证心部有足够塑韧性。 Cr、Ni、Mn B等；/淬透性，提高参层强韧性。 Ti、V、

23、Me等强碳化物形成元素：细化晶粒，抑制渗碳过热。渗碳后”直接淬火 + 低温回火”组织：表层：(Me,Fe) 3C + 回火 M + 少量 A残，5862;心部：1）全部淬透：低碳 M， HRC4048；2钢号：）部分淬透：T+低碳回M少量F20Cr、20MnV薄层渗碳；20CrMnTi做齿轮；18 Cr2Ni4WA （M钢）做飞机、坦克上重载齿轮3 合金调质钢 制作一些受循环交变载荷或有冲击及各种复合应力工作的重要零件。 保证有 较好的综合机械性能。 含碳量：中碳0.30.55%C既保证强度，又有较好韧性。 主加元素：Cr、Ni、Mn Si、B/渗透性，强化F。 辅加元素：V、Ti、Al细化晶

24、粒，/回火稳定性。W、Mo可防止或减轻Cr、Ni钢的可逆回火脆倾向。钢号： 1）低淬透性： 45， 40， 40Mn, 40MnB2）中淬透性： 40MnVB、 42SiMn, 40Cr, 42CrMo3 ）高淬透性：40CrNiMoA, 40CrMnM o, 38CrMoAIA热处理：淬火 +高温回火（回火 S）4弹簧钢失效：疲劳为主，要有高的6 e和屈强比Rs/Rm1）含 C: 0.45 0.75%（0.6 0.9%）保证 Re和 Rs/Re高。2）主加元素： Mn, Si, 提高渗透性，强化 F。3）辅加元素：Cr, W, Mo, Nb降低过热敏感，脱碳，细化品粒，提高稳定性。 钢号：

25、65Mn, 60Si2Mn, 50CrVA, 65,75,85 号钢。热处理：淬火 + 中温回火（回火 T） 5滚动轴承钢 GCr151）含 C： 0.951.10%，保证高的溶硬性和耐磨性。2）Cr： 1.31.65%,提高渗透性，回火稳定性，及一定韧性，抗蚀性。 热处理：球化退火（HB18C207）淬火+泠处理+低温回火6165HRC组织：极细的回 M+匀布细粒（Cr, Fe ） 3C +少量A残。6其他结构钢：易切钢： Y15超高强度钢： 40CrNiMoA, 4Cr5MoVSi, Ni25Ti2AlN6 。五合金工具钢1 高速钢 W18Cr4V1 ）含C:0.70.8%形成W,Cr,V的大量碳化物，过饱和的 M2）W： 17 19%，形成 W2C, VC 保证红硬性（二次硬化）3）Cr: 4%提高渗透