机械工程材料复习资料

1、 机 械 工 程 材 料 总 复 习第一页，共四十二页。使用性能工艺性能纯金属合金工业用钢有色金属及其合金铸铁结晶塑性变形热处理第二页，共四十二页。一、性能 使用性能1、力学性能 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量：E=/ 强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力。第三页，共四十二页。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。第四页，共四十二

2、页。 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。第五页，共四十二页。 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、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。第六页，共四十二页。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

3、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。第七页，共四十二页。 三种常见纯金属的晶体结构Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常见金属31212滑移系底面对角3 3 2滑移方向六方底面1111 41106滑移面0.740.740.68致密度12 128配位数6 42原子个数原子半径a、caa晶格常数密排六方面心立方体心立方第八页，共四十二页。 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排列完全相同的 晶面或晶向。密排面和

4、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。第九页，共四十二页。2、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。 第十页，共四十二页。 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。亚晶界：亚晶粒之间的交界面。 晶界的特点：原子排列不规则；

5、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。第十一页，共四十二页。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。第十二页，共四十二页。 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匀组成部分。1

6、、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。 第十三页，共四十二页。 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。第十四页，共四十二页。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

7、 间隙化合物：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。第十五页，共四十二页。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第十六页，共四十二页。 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

8、能；表达方式第十七页，共四十二页。 合金元素在钢中的作用1、强化铁素体；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。第十八页，共四十二页。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

9、时，出现的冲击韧性下降的现象。)第十九页，共四十二页。三、组织 纯金属的组织1、结晶：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第二十页，共四十二页。 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。1394 912 铁的同素异构转变：-Fe -Fe -Fe第二十一页，共四十二页。3、再结晶再结

10、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；预先变形程度第二十二页，共四十二页。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。第二十三页，共四十二页。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

11、：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。第二十四页，共四十二页。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。第二十五页，共四十二页。 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+F

12、e3C) 二次析出：AFe3C第二十六页，共四十二页。 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，以析出弥散强化相的热处理。 第二十七页，共四十二页。3、铁碳合金相图 点：符号、成分、温度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ FALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3C莱氏体Le(A+ Fe3C) Le(

13、P+Fe3C)珠光体P(F+ Fe3C)复相组织组成物：组织组成物标注相区标注线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线A1538D1227N1394G912PSK727ECF1148HJB1495C%温度第二十八页，共四十二页。典型合金的结晶过程（以共析钢为例）时间温度第二十九页，共四十二页。杠杆定律的应用合金相的相对重量百分比组织组成物的相对重量百分比45钢T10钢含碳3.0%亚共晶白口铁第三十页，共四十二页。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

14、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。 第三十一页，共四十二页。2、冷却时的转变 等温转变曲线及产物 650600550350A1MSMf时间PSTB上B下MM+AAPASATAB上AB下AM过冷A过冷A过冷A过冷A过冷A第三十二页，共四十二页。 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 P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A等温淬火B下M+A分级淬火M+A淬火(水冷)M回150-250T回350-500S回500-650?PT+S回ST+B下+M+A第三十三页，共四十二页。3、回火时的转变碳钢：

15、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 。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。 第三十四页，共四十二页。 热处理工艺工艺目的加热温度组织退火1.调整硬度,便于切削加工。2.细化晶粒,为最终热处理作组织准备。亚共析钢Ac3+3050共析钢 Ac1+3050过共析钢Ac1+3050F+PPP球正火1.低中碳钢同退火。2.过工析钢：消除网状二次渗碳体。3.普通件最终热处理

16、亚共析钢Ac3+3050共析钢 Ac1+3050过共析钢Accm+30500.5%C, M+AM+AM+A+粒状Fe3C第三十五页，共四十二页。热处理工艺（续）工艺目的加热温度组织回火1.消除内应力，减少变形。2.获得所需要的性能。低温回火150250中温回火350500高温回火500650 (调质)亚共析,共析钢：M回过共析钢:M回+A(少)+粒状Fe3CT回S回表面淬火表面获得马氏体组织，并获得表硬里韧的性能。预备热处理：调质或正火适用于中碳钢 0.40.5%C表面：M回心部： S回(调质) 或F+S(正火)渗碳提高表面含碳量，获得表硬里韧的性能。渗碳温度:900950淬火温度：表面Ac1

17、+3050心部Ac3+3050适用于低碳钢 0.10.25%C表面：M回+A(少)+颗粒状Fe3C心部：M回+F M回第三十六页，共四十二页。五、工业用金属材料钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途碳素结构钢0.4Q195Q235热轧空冷F+P塑性,焊接性好建筑结构低合金高强度钢0.2Q345(16Mn)Mn:强化F,增加P,降低脆转温度热轧空冷F+P塑性,焊接性好桥梁,船舶, 容器渗碳钢0.10.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,强化F,Ti:细化晶粒渗碳+淬火+低温回火表面：M回+ A (少量)+颗粒状Fe3C心部：M回+F表硬里韧轴、齿轮调质钢0.

18、30.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,强化F,Mo:防止第二类回火脆性调质S回良好综合力学性能轴、齿轮弹簧钢0.60.90.450.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,强化F；Si:提高屈强比淬火+中温回火T回高s/b高-1弹簧 工业用钢第三十七页，共四十二页。工业用钢（续）钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动轴承钢0.951.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蚀性球退+淬火+低温回火M回+ A(少量)+颗粒状Fe3C高耐磨高-1足够ak滚动轴承耐磨钢1.01.3ZGMn13Mn:形成A组织水韧处理表：M+碳化物心：A高耐磨耐冲击铲

19、齿，履带板碳素工具钢0.651.35T7T13球退+淬火+低温回火M回+ A(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨冲子、丝锥、锉刀低合金工具钢0.751.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低温回火M回+ A(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速钢0.71.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高热硬、耐磨性锻、退火、淬火+三次回火M回+ A(少量)+颗粒状碳化物高热硬高硬度高耐磨高速刃具第三十八页，共四十二页。工业用钢（续）钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途冷作模具钢1.42.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性锻，退，淬

20、火+低温回火M回+ A(少量) +颗粒状碳化物高硬度高耐磨冷冲模挤压模热锻模钢0.50.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同调质钢调质S回抗热疲劳热锻模压铸模钢0.30.63Cr2W8V合金元素作用同高速钢淬火+回火M回+ A(少量) +颗粒状碳化物抗热疲劳,耐磨压铸模不锈钢0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蚀性；Ni:形成A；Ti:防止晶间腐蚀调质S回高耐蚀性(随C%增加,耐蚀性下降)汽轮机叶片3Cr13,4Cr13淬火+低温回火M回医疗器械0Cr13不能热处理F硝酸氮肥工业1Cr18Ni9Ti固溶处理A化工管道耐热钢15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提高抗

21、氧化性;Mo:提高T再；V,Ti:弥散强化; Ni:形成A组织正火F+P高热强性,高抗氧化性锅炉零件4Cr9Si2,1Cr11MoV调质S回气阀,叶片1Cr18Ni9Ti固溶A过热器管第三十九页，共四十二页。 铸铁石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁名称牌号举例获得方法组织热处理用途灰铸铁HT250(最低抗拉强度为250MPa)液态金属石墨化+孕育处理基体(F、P、F+P) +片状石墨去应力，消除白口，表面淬火机床床身可锻铸铁KTZ450-06 (最低抗拉强度为450MPa,最低延伸率为6%)白口+石墨化退火基体(F、P) +团絮状石墨石墨化退火车轮壳，管接头球墨铸铁QT500-7(最低抗拉强度为500MPa,最低延伸率为7%)液态金属石墨化+球化处理+孕育处理基体(F、P、F+P) +球状石墨可进行各种热处理柴油机曲轴第四十页，共四十二页。 有色金属及其合金合金