工程材料课程复习

1、 课程复习 第一章第一章工程材料工程材料: :用于工程目的的材料用于工程目的的材料按属性分类：按属性分类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料按用途分类：按用途分类：结构材料和功能材料结构材料和功能材料结构材料以力学性能为主要使用性能结构材料以力学性能为主要使用性能功能材料以物理、化学和生物等功能为主要使功能材料以物理、化学和生物等功能为主要使用性能用性能工程材料的性能：工程材料的性能：使用性能：材料在使用条件下所具备的性能使用性能：材料在使用条件下所具备的性能主要是指材料的力学性能、物理性能、化学主要是指材料的力学性能、物理性能、化学性能和生物功能

2、性能和生物功能工艺性能：材料在加工过程中所具备的性能工艺性能：材料在加工过程中所具备的性能主要是指材料的切削加工性能、铸造性能、主要是指材料的切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能和热处理性能压力加工性能、焊接性能和热处理性能常见失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀常见失效形式：过量变形、断裂、磨损、腐蚀静载性能指标：比例极限、弹性极限、静载性能指标：比例极限、弹性极限、 屈服屈服极限、抗拉强度、极限、抗拉强度、刚度、刚度、硬度、伸长率、断面硬度、伸长率、断面收缩率收缩率何为刚度、强度、塑性、韧性、硬度？何为刚度、强度、塑性、韧性、硬度？加工硬化的技术意义：加工硬化的技术意义： 能提高

3、零件的安全性能提高零件的安全性 能获得截面均匀一致的产品，能保证材料的冷能获得截面均匀一致的产品，能保证材料的冷成型工艺顺利进行成型工艺顺利进行 是金属材料的有效强化方法是金属材料的有效强化方法 韧性断裂？韧性断裂？ 脆性断裂？脆性断裂？影响脆断的因素影响脆断的因素1. 1. 加载方式和材料本质加载方式和材料本质2. 2. 温度和加载速度温度和加载速度3 3 应力集中和零件尺寸应力集中和零件尺寸A AK K是表示是表示“材料在冲击载荷作用下吸怍塑性材料在冲击载荷作用下吸怍塑性变形功和断裂功的能力变形功和断裂功的能力”冲击试验的应用：冲击试验的应用： 1. 1. 能显示材料的各种脆性能显示材料的

4、各种脆性2. 2. 能控制冶炼和热加工的工艺质量能控制冶炼和热加工的工艺质量材料的材料的T Tk k 温度越低，低温脆性越小温度越低，低温脆性越小K K1C1C：材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标：材料抵抗裂纹失稳扩展能力的性能指标K K1 1= Y= Y 1/2 1/2 =K=K1C1C 是机件发生低应力脆断的临是机件发生低应力脆断的临界条件，界条件，K K1C1C的应用对象：飞机、火箭的重要的应用对象：飞机、火箭的重要零件和发电机转子、汽轮机转子等大型构件零件和发电机转子、汽轮机转子等大型构件疲劳极限：是材料经受无限次应力循环而不疲劳极限：是材料经受无限次应力循环而不断裂的最大应力断裂的最

5、大应力无裂纹构件的抗力指标：疲劳极限、过载持无裂纹构件的抗力指标：疲劳极限、过载持久值、疲劳缺口敏感度久值、疲劳缺口敏感度影响疲劳抗力的因素：影响疲劳抗力的因素：1. 1. 载荷类型与材料本质载荷类型与材料本质2. 2. 材料的抗拉强度越高，材料的抗拉强度越高，疲劳极限越高疲劳极限越高3. 3. 材料纯度越高，材料纯度越高，疲劳极限越高疲劳极限越高4. 4. 零件表面越粗糙，疲劳极限越低零件表面越粗糙，疲劳极限越低 5. 5. 工作温度越高，疲劳极限越低工作温度越高，疲劳极限越低提高材料疲劳抗力的途径：提高材料疲劳抗力的途径：1. 表面冷作变形表面冷作变形2. 化学热处理化学热处理3. 表面镀

6、层表面镀层磨损：指零件在磨擦过程中所产生的尺寸变磨损：指零件在磨擦过程中所产生的尺寸变化和物质损耗现象化和物质损耗现象 磨损类型磨损类型 ：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和麻点磨损和麻点磨损 粘着磨损：指在滑动摩擦条件下，由于粘结粘着磨损：指在滑动摩擦条件下，由于粘结点的不断形成和破坏所造成的磨损点的不断形成和破坏所造成的磨损提高粘着磨损抗力的途径提高粘着磨损抗力的途径 :1. 1. 合理选择配对材料；合理选择配对材料；2. 2. 进行表面强化进行表面强化磨粒磨损：指在滑动摩擦条件下，由于硬质磨粒的磨粒磨损：指在滑动摩擦条件下，由于硬质磨粒的嵌入和切割而导致软材料逐

7、渐损耗的磨损方式嵌入和切割而导致软材料逐渐损耗的磨损方式 提高抗力途径：提高抗力途径：1.1.选择高硬度材料；选择高硬度材料；2. 2. 进行表面强化进行表面强化 金金属的腐蚀：指在腐蚀介质作用下或在腐蚀介属的腐蚀：指在腐蚀介质作用下或在腐蚀介质与机械因素联合作用下所引起的金属表面损质与机械因素联合作用下所引起的金属表面损伤和破坏伤和破坏氧化膜越致密，抗氧化能力越强氧化膜越致密，抗氧化能力越强电极电位越正，越不易发生电化学腐蚀电极电位越正，越不易发生电化学腐蚀抵抗电化学腐蚀的措施：抵抗电化学腐蚀的措施：1. 1. 选用耐腐蚀材料选用耐腐蚀材料2. 2. 进行表面处理进行表面处理3. 3. 在电

8、解质中加入缓蚀剂在电解质中加入缓蚀剂4. 4. 对零件进行电化学保护对零件进行电化学保护 钢的蠕变：钢的蠕变：指在恒温恒应力长期作用下所发生的塑性变指在恒温恒应力长期作用下所发生的塑性变形现象形现象蠕变极限蠕变极限T / t ：指试样在一定温度下、在：指试样在一定温度下、在规定时间内产生一定蠕变变形量时所对应的规定时间内产生一定蠕变变形量时所对应的应力应力持久强度持久强度T Tt t：指试样在一定温度下、在规定：指试样在一定温度下、在规定时间内发生断裂时所对应的应力值时间内发生断裂时所对应的应力值 第二章第二章过冷度过冷度: T T0 TnFFLFs 是物质结晶的驱动力是物质结晶的驱动力 物质

9、的结晶过程是不断形核与长大的过程物质的结晶过程是不断形核与长大的过程晶体：原子在空间呈规则排列的物体晶体：原子在空间呈规则排列的物体晶体结构：晶体中的原子在空间的具体排列晶体结构：晶体中的原子在空间的具体排列方式方式金属中常见的晶体结构：金属中常见的晶体结构：体心立方、面心立方和密排六方结构体心立方、面心立方和密排六方结构晶体缺陷：指晶体中的原子排列不完整性晶体缺陷：指晶体中的原子排列不完整性常见晶体缺陷：常见晶体缺陷：点缺陷、线缺陷、点缺陷、线缺陷、面缺陷面缺陷细晶强化：是提高金属材料强韧性的有效方法细晶强化：是提高金属材料强韧性的有效方法同素异构转变：同一元素在固态下发生的晶体同素异构转变

10、：同一元素在固态下发生的晶体结构转变结构转变 固溶体：基础金属与合金元素互溶后所形成的固溶体：基础金属与合金元素互溶后所形成的均匀晶体均匀晶体平衡态碳钢中的固溶体：铁素体、奥氏体、平衡态碳钢中的固溶体：铁素体、奥氏体、铁素体铁素体固溶强化：指通过形成固溶体导致材料强度升固溶强化：指通过形成固溶体导致材料强度升高的现象高的现象转变类型：匀晶转变、转变类型：匀晶转变、 包晶转变、包晶转变、 共晶转变、共晶转变、共析转变共析转变 利用杠杆定律计算利用杠杆定律计算40钢中钢中 Fe3C 和和 F 的两相相的两相相对量：对量： 100% 0008. 069. 60008. 04 . 0 CFe 3100

11、% 0.0008 -6.690.4 - 6.69 F P 100% F 100% L L + L + A A A + F P + F0218. 077. 00218. 04 . 00218. 077. 04 . 0-77. 0T12钢中钢中 Fe3C 和和 F 的两相相对量：的两相相对量： 100% 0008.069.60008.02.1 CFe 3%1000008.069.62.1-69.6FT12钢中组织组成物的相对量：钢中组织组成物的相对量： LL + AAA + Fe3CP + Fe3C 100% 77.069.677.02.1 CFe 3%10077.069.620.169.6P杂质

12、元素对性能影响：杂质元素对性能影响：硅锰是有益元素，能起固溶强化作用硅锰是有益元素，能起固溶强化作用硫磷是有害元素，硫能引起热脆，磷能引起硫磷是有害元素，硫能引起热脆，磷能引起冷脆冷脆镇静钢锭的组织：镇静钢锭的组织：表层细晶粒区、柱状晶区、中心等轴晶区表层细晶粒区、柱状晶区、中心等轴晶区镇静钢锭的缺陷：镇静钢锭的缺陷：缩孔、疏松、气泡、成分偏析缩孔、疏松、气泡、成分偏析 冷加工：在再结晶温度以下进行的能够产生冷加工：在再结晶温度以下进行的能够产生加工硬化的压力加工加工硬化的压力加工热加工：在再结晶温度以上进行的不会造成热加工：在再结晶温度以上进行的不会造成加工硬化的压力加工加工硬化的压力加工

13、冷变形金属冷变形金属加热加热时会时会经历回复、再结晶经历回复、再结晶和和晶晶粒长大粒长大利用回复现象，能对利用回复现象，能对冷变形金属进行去应力冷变形金属进行去应力退火退火利用再结晶现象，能恢复利用再结晶现象，能恢复冷变形金属的塑性，冷变形金属的塑性，使冷变形金属能够继续进行冷加工使冷变形金属能够继续进行冷加工影响影响再结晶晶粒大小的因素是变形度和退火再结晶晶粒大小的因素是变形度和退火温度，变形度越大，再结晶晶粒越小温度，变形度越大，再结晶晶粒越小 第三章第三章马氏体是碳在马氏体是碳在Fe中的过饱和固溶体，具有中的过饱和固溶体，具有体心正方结构体心正方结构残余残余A：相变结束后残留下来的：相变

14、结束后残留下来的A 影响影响C曲线的主要因素：曲线的主要因素：随着随着c%的增加，亚共折钢的的增加，亚共折钢的C曲线逐渐右移，曲线逐渐右移，过共折钢的过共折钢的C曲线逐渐左移曲线逐渐左移,共折钢的共折钢的C曲线最曲线最靠右靠右 随着随着C%的增加，钢的的增加，钢的Ms点和点和 Mf点逐渐降低点逐渐降低 除除Co以外，其余合金元素溶入到以外，其余合金元素溶入到A后，都会使后，都会使C曲线右移曲线右移 除除Al，Co之外，其余合金元素溶入到之外，其余合金元素溶入到A后，都后，都会降低钢的会降低钢的Ms点和点和 Mf点点 临界冷却速度临界冷却速度Vc: A能直接转变成能直接转变成 M 的最小冷的最小

15、冷却速度却速度普通热处理：普通热处理： 退火、正火、淬火及回火退火、正火、淬火及回火过共析钢在过共析钢在ACcm温度以上加热淬火的害处：温度以上加热淬火的害处：1. 零件的淬火变形开裂倾向增大零件的淬火变形开裂倾向增大 2. 淬火钢中的残余淬火钢中的残余A数量增多，钢的硬度降低，数量增多，钢的硬度降低， 工件的尺寸不稳定性增大工件的尺寸不稳定性增大3. 钢的耐磨性下降钢的耐磨性下降 拔丝示意图拔丝示意图 淬火方法：淬火方法：单液淬火、单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火双液淬火、分级淬火、等温淬火淬透性：钢在淬火时能够获得淬透性：钢在淬火时能够获得M的能力的能力回火的目的：回火的目的：消除淬

16、火应力、降低消除淬火应力、降低M的脆性、使钢的组织趋的脆性、使钢的组织趋于稳定、调整钢的组织使零件获得所需性能于稳定、调整钢的组织使零件获得所需性能回火方法：回火方法：低温回火，获得回火低温回火，获得回火M加残余加残余A组织组织中温回火，获得回火托氏体组织中温回火，获得回火托氏体组织高温回火，获得回火索氏体组织高温回火，获得回火索氏体组织 T回回和和S回回的力学性能分别优于正火的力学性能分别优于正火T和正火和正火S表面淬火：火焰加热淬火、感应加热淬火表面淬火：火焰加热淬火、感应加热淬火化学热处理：渗碳、化学热处理：渗碳、渗氮渗氮渗碳件的制造工艺路线：渗碳件的制造工艺路线：锻造锻造 正火正火机加

17、工机加工渗渗C淬火淬火低温回低温回火火精加工精加工成品成品 渗氮件的制造工艺路线：渗氮件的制造工艺路线：锻造锻造 退火（或正火）退火（或正火） 粗加工粗加工 调质调质 半精加工半精加工 去应力退火去应力退火粗磨粗磨渗氮渗氮 精磨精磨成品成品 齿轮的服役条件：齿轮的服役条件：齿根承受高的交变弯曲应力齿根承受高的交变弯曲应力齿面承受高的接触压应力和强烈的摩擦齿面承受高的接触压应力和强烈的摩擦机器开关机时，齿部会受到冲击载荷作用机器开关机时，齿部会受到冲击载荷作用失效方式：折齿和表面损伤失效方式：折齿和表面损伤性能要求：性能要求：齿部要有高的弯曲疲劳强度，齿面要有齿部要有高的弯曲疲劳强度，齿面要有高

18、硬度、高耐磨性和高的接触疲劳强度高硬度、高耐磨性和高的接触疲劳强度心部要有较高的强韧性心部要有较高的强韧性齿轮的加工工艺路线齿轮的加工工艺路线:下料下料 锻造锻造 正火正火 机加工机加工 渗碳、渗碳、淬火淬火 + 低温回火低温回火 喷丸喷丸 磨加工磨加工 成品成品正火：正火：细化组织、改善切削加工性能细化组织、改善切削加工性能喷丸：喷丸：提高齿面硬度，增加表面残余压应提高齿面硬度，增加表面残余压应力，提高接触疲劳强度力，提高接触疲劳强度机床主轴的服役条件：承受交变扭转载荷、交变弯曲载荷和冲击载荷承受交变扭转载荷、交变弯曲载荷和冲击载荷轴颈承受摩擦载荷轴颈承受摩擦载荷失效方式：疲劳断裂、轴颈磨损

19、和过载冲击断失效方式：疲劳断裂、轴颈磨损和过载冲击断裂裂性能性能要求：要求：高的疲劳强度、优良的综合力学性能、轴颈处高的疲劳强度、优良的综合力学性能、轴颈处要有高硬度、高耐磨性要有高硬度、高耐磨性机床主轴的加工工艺路线机床主轴的加工工艺路线:下料下料 锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 调质调质 半半精加工精加工轴颈表面淬火轴颈表面淬火 低温回火低温回火 精磨磨 成品成品正火正火：细化组织、改善切削加工性能细化组织、改善切削加工性能调质调质：获得优良的综合力学性能和高的疲劳：获得优良的综合力学性能和高的疲劳强度强度轴颈表面淬火和低温回火轴颈表面淬火和低温回火：使轴颈获得高硬：使轴颈获得高硬度和高

20、耐磨性度和高耐磨性 第四章第四章 回火抗力（回火稳定性）：指淬火钢在回火过回火抗力（回火稳定性）：指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力程中抵抗硬度下降的能力二次硬化：指淬火钢在高温回火后出现的硬度二次硬化：指淬火钢在高温回火后出现的硬度再次升高现象再次升高现象 回火脆性：淬火钢回火后出现的韧性下降现象回火脆性：淬火钢回火后出现的韧性下降现象第二相强化：由固溶体以外的相造成的强化第二相强化：由固溶体以外的相造成的强化红硬性：指钢在高温下保持高硬度的能力红硬性：指钢在高温下保持高硬度的能力强化方法：强化方法：加工硬化、固溶强化、细晶强化、第二相强化加工硬化、固溶强化、细晶强化、第二相强化相变强化

21、相变强化 16Mn 桥梁桥梁 20CrMnTi 汽车变速齿轮汽车变速齿轮40Cr 机床主轴机床主轴60Si2Mn 汽车板簧汽车板簧GCr15 滚动轴承滚动轴承W18Cr4V 高速切削刀具高速切削刀具 Cr12MoV 拉丝模、切边莫等拉丝模、切边莫等5GrNiMo 大型热锻模大型热锻模5GrMnMo 中小型热锻模中小型热锻模 CrWMn 量具量具1Cr13、2Cr13 汽轮机叶片汽轮机叶片3Cr13、4Cr13 手术刀等手术刀等1Cr18Ni9Ti 硝酸、磷酸等工业硝酸、磷酸等工业ZGMn13 挖掘机铲斗及坦克、挖掘机的履带板挖掘机铲斗及坦克、挖掘机的履带板 12CrMo 锅炉钢管锅炉钢管 1C

22、r11MoV 汽轮机叶片汽轮机叶片力学性力学性能指标能指标的应用的应用为防止构件发生过量弹性变形，为防止构件发生过量弹性变形，设计中需使用刚度。如镗床的设计中需使用刚度。如镗床的镗杆、机床主轴等镗杆、机床主轴等弹性极限是设计弹性零件需弹性极限是设计弹性零件需考虑的性能指标。如汽车板考虑的性能指标。如汽车板簧等簧等屈服强度和塑性指标主要用屈服强度和塑性指标主要用于结构零件的抗断裂设计于结构零件的抗断裂设计硬度指标硬度指标是耐磨零件须考虑的耐磨零件须考虑的性能指标。如滚珠轴承、活塞性能指标。如滚珠轴承、活塞环等环等 第五章第五章灰口铸铁与白口铸铁的区别：灰口铸铁与白口铸铁的区别：成分不同、组织不同

23、、性能不同成分不同、组织不同、性能不同 灰口铸铁的组织是由钢的组织与灰口铸铁的组织是由钢的组织与G共同所组成共同所组成 G尺寸越小，形状越接近于球形，对基体的破尺寸越小，形状越接近于球形，对基体的破坏作用越小，灰口的铸铁的强韧性越好坏作用越小，灰口的铸铁的强韧性越好灰口铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能灰口铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能、减摩性能、减摩性能 、减振性能减振性能 和低的缺口敏感性和低的缺口敏感性 石墨化：指铸铁中碳原子形成石墨的过程石墨化：指铸铁中碳原子形成石墨的过程第一阶石墨化：指在共晶温度以上和在共晶第一阶石墨化：指在共晶温度以上和在共晶温度上发生的石墨化过程温度上发

24、生的石墨化过程 第二阶段石墨化：指在共晶温度与共析温度第二阶段石墨化：指在共晶温度与共析温度之间发生的石墨化过程之间发生的石墨化过程 第三阶段石墨化：指在共析温度上发生的石第三阶段石墨化：指在共析温度上发生的石墨化过程墨化过程 如果三个阶段的如果三个阶段的G化都能充分进行：化都能充分进行：最终组织：最终组织：F + G 如果第三阶段石墨化不能充分进行：如果第三阶段石墨化不能充分进行：最终组织：最终组织： F + P + G 如果第三阶段石墨化完全不能进行：如果第三阶段石墨化完全不能进行：最终组织：最终组织：P + G 如果三个阶段的石墨化均被阻止如果三个阶段的石墨化均被阻止：白口铸铁：白口铸铁

25、影响石墨化的因素：化学成分、冷却速度影响石墨化的因素：化学成分、冷却速度碳和硅能强烈促进石墨化碳和硅能强烈促进石墨化冷却速度越慢，越有利于石墨化冷却速度越慢，越有利于石墨化灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁灰铸铁：制造机床的床身、发动机的气缸、灰铸铁：制造机床的床身、发动机的气缸、气缸套气缸套球墨铸铁球墨铸铁：柴油发动机曲轴、机床主轴等：柴油发动机曲轴、机床主轴等第六章第六章黑色金属：指铁、铬、锰金属黑色金属：指铁、铬、锰金属 有色金属：指除铁、铬、锰之外的其它金属，如：有色金属：指除铁、铬、锰之外的其它金属，如：轻金属、重金属、贵金属、稀有金属、放射性金属轻金属、重金属、贵金属、稀有金属、放射性金属工业纯铝的特点：工业纯铝的特点：1.具有面心立方结构，没有同素异构转变；具有面心立方结构，没有同素异构转变；2.具有优良的导电性和导热性具有优良的导电性和导热性 ；3.在大气中具有优良的耐蚀性在大气中具有优良的耐蚀性 铝合金经适当方法强化后铝合金经适当方法强化后 ，s sb ：500MPa 以上，具以上，具有很高的比强度有很高的比强度铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类铝合金分为变形铝合