机械工程材料及热加工基础

FILENAME机械工程材料及热加工基础第11页共11页《机械工程材料及热加工基础》第一章金属的性能强度：金属材料在静载荷（大小和方向不变或逐渐变化的载荷）作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。塑性：断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。硬度：金属材料表面抵抗其他更硬物体压入的能力。韧性：冲击载荷（以较高速度作用于零件上的载荷）作用下，金属在断裂前吸收变形能量的能力。疲劳：材料在循环应力（大小、方向随时间发生周期性变化的载荷）和应变作用下，在一处或几次产生局部永久性累计损伤，经一定循环次数产生裂纹或发生断裂的过程。疲劳极限用σ-1表示。屈服点（屈服强度）σs：材料在实验过程中，载荷不增加（保持恒定）试样仍能继续伸长时代应力。σs﹦试样发生屈服时代载荷/试样原始横截面积。[不是所有的金属在拉伸试验中都会出现显著的屈服现象]抗拉强度σb=试样拉断前所承受的最大载荷/试样原始横截面积。伸长率δ，数值上准确地反映材料的塑性变形。断面收缩率ψ：缩颈处横截面积德最大缩减量与原始横截面积的百分数。硬度的测定：①布氏硬度（压入法）：HBS（压头分淬火钢球）和HBW（压头硬质合金）②洛氏硬度HR(测定淬火钢件的硬度用此方法)③维氏硬度HV。第二章金属的结构与结晶1.晶体:指其组成微粒（原子、分子或离子）按一定次序作有规律重复排列的物质。2.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间格架。3.晶胞：晶格中一个能完整反映晶格特征的最小几何单元。4.金属晶体结构：体心立方结构；面心立方结构；密排立方结构。5.晶体缺陷：点缺陷（原子的热震动引起晶格畸变），使材料的强度、硬度提高；线缺陷（主要指位错），起到强化金属的目的；面缺陷（晶界、亚晶界引起），阻碍金属的塑性变形发生。6.细化晶粒度方法：增加过冷度；变质处理（加入难溶物）；附加震动。7.金属的铸态组织：表面细晶粒区，柱状晶粒区，中心等轴晶粒区（穿晶）。8.铸锭的缺陷：缩孔及缩松，气孔及裂纹，偏析，非金属夹杂物。9.金属的同素异构转变（金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象）。[1.形态变化从液态到固态再到固态；2.在恒温下进行重结晶；3.固态变相，遵循结晶定律；4.体积发生膨胀变化]δ-Fe（1538-1394℃），γ-Fe（1394-912℃），α-Fe（912-727℃）10.合金：两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素熔合在一起而具有金属特征的物质。11.组元：组成合金最基本的、独立的物质/相：合金中化学成分、结构及性能相同的均匀组成部分/固溶体：间隙固溶体，置换固溶体（无限固溶体和有限固溶体）/固溶强化：通过溶入溶质原子形成固溶体，使金属材料强度、硬度增高。15.共晶转变：在共晶成分的液态合金中，在共晶温度（恒定温度）同时结晶出两种固相的转变过程。/共析转变：共析成分的固溶体在共析温度（恒定温度）转变为另外两种固相的转变过程。第三章铁碳合金相图铁素体（F）：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。体心立方晶格奥氏体（A）:碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。面心立方晶格渗碳体（Fe3C）：当碳的含量超过碳在铁中的溶解度时，多余的碳就会和铁以一定的比例化合成金属化合物。复杂斜方晶格珠光体（P）：是含碳量为0.77%的铁碳合金共析转变的产物，由铁素体和渗碳体相间排列的层片状组织。莱氏体（Ld）：含碳量为4.33%的液态铁碳合金，在1148℃时，同时从液态中结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物。（在727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体，727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体）。马氏体（M）：过冷奥氏体直接转变为碳在α-Fe中的过饱和固溶体。贝氏体（B）：过冷奥氏体在550℃～Ms（马氏体转变开始线）区间转变出的物质。Fe-Fe3C合金相图：（共晶线ECF线；共析线PSK线）含碳量对铁碳合金性能的影响：随着含碳量的增加，渗碳体数量增加，合金的强度、硬度将提高，而塑性和韧性则下降。第四章钢的热处理热处理：采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期组织结构与性能的工艺方法。奥氏体的形成：奥氏体晶核的形成与长大；残余渗碳体的溶解；奥氏体成分的均匀化/影响向奥氏体转变的因素：加热温度；加热速度；钢的原始组织/影响奥氏体晶粒长大的因素：加热温度和保温时间；加热速度；钢中加入一定量合金元素。【过冷奥氏体的等温冷却转变/连续冷却转变】。钢的退火（将钢件加热到适当温度，保持一定温度，然后缓慢冷却的热处理工艺）；分为完全退火，等温退火，球化退火，均匀化（扩散）退火，去应力退火；退火目的：降低钢的硬度，细化晶粒，改善组织，提高力学性能，消除残余应力。钢的正火：将钢件加热到适当温度，保持一定温度，出炉后在空气中冷却的热处理工艺。钢的淬火（将钢件加热到适当温度，保持一定温度，然后快速冷却的热处理工艺）；目的是为获得马氏体或贝氏体。常用的冷却介质有油，水及水溶液；方法有单介质淬火，双介质（双液）淬火，分级淬火，等温淬火。钢的回火（将钢件淬硬后，保温后冷却到室温的热处理工艺）；目的是为了减少淬火时产生的应力和脆性，稳定工件形状和尺寸，获得工件所必需的组织性能。过程分：马氏体的分解；残留奥氏体的分解；碳化物的转变；渗碳体聚集长大和α固溶体再结晶（钢的强度、硬度不断下降，但塑性和韧性明显提高）。回火种类分：低温、中文、高温回火。钢的淬透性（在规定条件下，钢试样淬硬深度和硬度分布表征的特征，它表证钢淬火时获得马氏体的能力）和淬硬性（钢在理想条件下，进行淬火硬化所能达到的最高硬度来表征的特征）。淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。钢的表面热处理(只改变工件表面组织，不改变化学成分的热处理工艺)分感应加热表面淬火（高、中、工频率）；火焰加热表面淬火：淬火层深度一般为2～6mm，主要用于单件及大型零件的表面处理。钢的化学热处理（将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变化学成分，组织和性能的热处理工艺。有分解、吸收、扩散三阶段。常用的方法有渗碳（用CH4做气体渗碳，渗碳后进行淬火及低温回火）、渗氮（又叫氮化，一般生产周期长，成本高）、碳氮共渗（共渗温度为820～860℃，具有温度低、时间短、变形小、硬度高等特点）。其他热处理方法：化学气相沉淀（CVD）、物理气相沉淀（PVD）。热处理工件质量分析：①常有的缺陷：过热、过烧、氧化、脱碳/变形与开裂②热处理对零件结构设计的要求：尽量避免尖角、棱角、减少台阶/零件外形应尽量简单/尽量采用对称形状/尽量采用封闭形状/尽量采用组合结构。第五章非合金钢非合金钢（碳钢）：以铁为主要元素，碳的质量分数小于2.11%并含有少量其他元素的铁碳合金。杂质元素对非合金钢性能的影响：硅（提高钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性,是有益元素）；锰（提高强度，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能，是有益元素）；硫[产生热脆性（金属在高温时出现脆裂的现象）]；磷[产生冷脆性(钢在低温时由磷导致严重变脆的现象)]非合金钢的分类：①按钢的含碳量分：低碳钢（ωc＜0.25%）、中碳钢（0.25%＜ωc＜0.6%）高碳钢（ωc＞0.6%）②按浇筑前脱氧程度的不同分：沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）、特殊镇静钢（TZ）③按钢的用途分：碳素结构钢、碳素工具钢。非合金钢的牌号、性能及用途：一、碳素合金钢：Q+屈服点数值+质量等级符号（ABCD分别表示硫磷量依次升高）+脱氧方法（Z可省略）。eg：Q235AF表示屈服点大于235Mpa，质量为A级的沸腾碳素结构钢。二、优质碳素结构钢：用两位数字表示，表示钢中平均碳的质量分数为万分之几。eg：45钢表示平均碳的质量分数为0.45%的优质碳素钢。【08、10钢属于冷冲压钢；15、20、25钢称为渗碳钢；30、35、40、50、55钢称为调质钢；60、65、70、75、80、85钢称为弹簧钢】三、易切削结构钢：在同类结构钢的牌号前冠以“Y”。四、碳素工具钢：用“T”+数字（表示钢中平均碳的质量分数为千分之几）来表示，若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面加“A”，eg：T12A钢表示平均碳的质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。五、工程用铸造碳钢：“ZG（铸钢）”+屈服点最低值—抗拉强度最低值。eg：ZG200—400钢表示屈服点不小于200Mpa，抗拉强度不小于400Mpa的。第六章低合金钢和合金钢合金钢：为改善和提高钢的性能，在非合金钢中加入各种合金元素的钢。合金元素：能够改善钢的性能或使之具有某些性能，在炼钢时加入的元素。合金元素与铁、碳元素的作用及对基本相的影响：①使钢的硬度、强度及耐磨性提高②阻碍奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，从而提高钢的淬透性③提高回火稳定性（淬火钢在回火时强度和硬度下降缓慢的现象）合金钢按合金元素含量可分为：低合金钢（ωMe＜5%）、中合金钢（5%＜ωMe＜10%）高合金钢（ωMe＞10%）低合金钢的牌号、性能及用途：一、常用低合金钢的牌号：Q+屈服点数值+质量等级符号（A、B、C、D、E）+脱氧方法（Z、TZ可省略）。eg：Q345A表示屈服点大于或等于345Mpa，质量为A级的低合金高强度结构钢。二、常用低合金钢（一类可焊接的低碳低合金工程结构用钢）①低合金耐候钢（在低碳非合金钢的基础上加入少量Cu、Cr等合金元素，使其在合金表面形成一层保护膜）②低合金专业用钢：分汽车用低合金钢、低合金钢筋钢、铁道用及矿用低合金钢。合金钢（部分低合金钢）的牌号、性能及用途：一、合金钢的牌号：“数字＋合金元素符号＋数字”。1）合金元素符号最前的数字表示含碳量：低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢用二位数字表示平均含碳量(以万分之几计)。不锈耐酸钢、耐热钢等，一般用一位数字表示平均含碳量(以千分之几计)；平均含碳量≦0.08%的用“0”表示，含碳量≦0.03%的用“00”表示。合金工具钢一般ωC≥1.0%时不标出含碳量数字；若平均ωC＜1.0%时，可用一位数字表示含碳量(以千分之几计)。2）紧跟合金元素符号后的数字表示合金元素含量：平均合金含量＜1.5%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量。当平均合金含量≥1.5%、2.5%、3.5%……时，则相应地以2、3、4……表示。eg，GCr9表示平均含铬量为0.9%的轴承钢。Cr06表示平均含铬量为0.6%的合金工具钢。3）高级优质合金钢(含S、P较低)，在牌号尾部加符号“A”。4）为了表示钢的专门用途，在牌号头部(或尾部)附以相应用途符号。例如，滚动轴承钢前加“G”(“滚”字的汉语拼音字首)如GCr15，又如20MnK，牌号后附以符号K，则表示此合金多为矿用。常用合金钢：一、合金渗碳钢：经渗碳、淬火和低温回火后，表面高硬度、高耐磨性且心部具有足够的塑性和韧性。二、合金调质钢（在中碳钢的基础上加入合金元素经调质处理后获得良好的综合机械性能的钢。）①成分：含碳量一般在0.25%～0.5%之间，常加入的合金元素有Mn、Si、B等，主要作用是提高钢的淬透性和保证良好的强度和韧性。②用途：制造各种负荷较大的、受冲击的重要的机器零件，如齿轮等。三、合金弹簧钢（按热处理方式不同分）：①热成型弹簧：大型弹簧要经热成型后进行淬火和中温回火以提高弹性极限和屈服强度。②冷成型弹簧：对于钢丝直径小于8mm的小型弹簧，经冷拔弹簧钢丝冷卷成型，成型后不再淬火，只进行低温退火、消除内应力，稳定尺寸。四、超高强度钢。五、合金铸钢。六、滚动轴承钢。七、合金工具钢：1）冷模具钢（接近室温状态下对金属进行变形加工的一种模具）。要求有高的硬度和良好的耐磨性，足够的强度和韧性，热处理变形要小。2）热模具钢（在高温下工作的模具钢如热锻模、热冲模等）。要求在高温下有高的强度及足够的耐磨性和韧性，良好的抗热疲劳性，良好的淬透性（为使截面的性能均匀）。八、高速（工具）钢的热处理特点：淬火加热温度高、回火时温度高、次数多。九、特殊性能钢，分：不锈钢和耐热钢（抗氧化钢、热强钢、耐磨钢）第七章铸铁铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，具有优良的铸造性、良好的切削性、耐磨，减震性、消震性是钢的10倍左右。石墨化：铸铁中碳以石墨的形式析出的过程。石墨化是一种原子扩散的过程，石墨的含碳量为100%，具有特殊的简单六方晶格，强度、硬度及韧性很低。影响铸铁石墨化的因素：化学成分（碳硅促进；锰硫磷抑制）和冷却速度。铸铁（铁的实质：钢基体上分布不同形状的石墨）灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁石墨形态片状团絮状球状蠕虫状性能抗拉强度及塑性较低强度塑性韧性均有提高贝氏体球墨铸铁强度最高力学性能优于灰铸铁而低于球墨铸铁牌号及用途“HT”(灰铁)+数字（最低抗拉强度）“KTH(Z)”+数字（最低抗拉强度）+数字（最低伸长率），KT为“可铸”，H为黑心，Z为珠光体“QT”（球铁）+数字（最低抗拉强度）

+数字（最低伸长率）“RuT”+数字（最低抗拉强度）热处理消除内应力及降低硬度的退火；表面淬火白口铸铁+可锻化退火通用于钢的热处理铁水+蠕化剂和孕育剂其他“孕育处理”为变质铸铁，常用于支架、气缸、齿轮、车床卡盘俗称“马铁”，常用于低压阀门、活塞环、曲轴常用于汽车零件、气缸体、车床的主轴有铁素体、珠光体加铁素体、珠光体三种合金铸铁：抗磨铸铁（常用于制作在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的零件）；减磨铸铁（常用于制作在润滑条件下工作的零件，如气缸套、活塞环）；耐热铸铁、耐蚀铸铁。第八章有色金属及其合金工业纯铝：面心立方结构，无同素异构转变，分为：高纯铝，牌号有L01、L02、L03、L04，数字越大，纯度越大；工业高纯铝，牌号有L0、L00；工业纯铝,牌号有L1～L7，数字越大，纯度越低。变形铝合金可分为防锈铝合金（LF），硬铝合金（LY）,超硬铝合金（LC）,锻铝合金（LD）；铸造铝合金的代号有“ZL（铸铝）+三位数字”组成，牌号由“Z+基体金属的化学元素符号+合金元素符号+数字”，eg：ZAlSi12表示ωsi≈12%的铸造铝合金。铝合金强化方法：固溶强化、实效（沉淀