工程材料及成形技术基础总复习

课程总复习工程材料及成形技术基础工程材料及成形技术课程考试安排考试时间：6月11日（第十四周周四）上午1-2节，8:00～9:35主要内容第一章工程材料的结构与性能第二章金属材料的凝固与固态相变重点：铁碳合金相图、杠杆定律C曲线第三章金属材料的塑性变形第四章金属材料热处理第六章金属材料第七章铸造第八章塑性加工第九章焊接第十二章机械零件材料及成形工艺的选用1.1材料原子（或分子）的相互作用1.2晶体材料的原子排列晶体结构：晶格、3种典型晶体结构（fccbcc，hcp，致密度0.68/0.74/0.74）、3种缺陷（点、线、面），细晶强化单晶体的各向异性实际晶体中的各种缺陷及其对性能的影响（位错密度与强度的关系）1.4合金的晶体结构

合金，组元，相和组织的区别；相结构：固溶体、化合物及其性能；固溶体种类。1.7材料的性能（力学性能，化学性能，物理性能）力学性能：强度（Re，Rm，σ-1）、韧性（Ak，K1c）、塑性（A，Z）、硬度（3种）物理性能、化学性能、工艺性能第1章工程材料的结构与性能晶界对性能的影响：熔点低；耐蚀性差；易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚；阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒；是相变的优先形核部位；使变形分散在各晶粒内，提高塑性与韧性。

金属的塑性变形主要由位错运动引起，故减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。对于一般工程使用的块体金属：

位错之间的交互作用使其移动受到阻碍，故随着位错密度ρ的增加金属的强度也一般提高—加工硬化。位错线附近异类原子浓度高于平均水平。金属晶须退火态(105-108/cm2)

加工硬化态(1011-1012/cm2)

位错对材料性能的影响

相(Phase):

是指金属或合金中成分、结构和性能相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织(Microstructure):

是指在显微镜下观察到的材料内部所具有的形态特征，即金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。单相合金两相合金组成合金的元素相互作用可形成不同的相。几个概念组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金化学成分相同，晶体结构相同，有明显界面分开，均匀合金的微观形态合金系组元相组织一致的晶体结构和原子排列方式；相同的物理、化学性能；与周围的非同相物质之间有确定的界面；不同的相可予以机械性分离。3.固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。

与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。

合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C金属化合物（IntermetallicCompound）具有一定程度的金属性质；具有较高的熔点；硬度较高；脆性高。金属化合物的主要性能

当合金中出现金属间化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属间化合物也是合金的重要组成相。第2章金属材料的凝固与固态相变☆2.1纯金属的结晶结晶的必要和充分条件→过冷度、结晶过程（形核与长大，交替进行，枝晶）、细化晶粒的途径（结晶条件：控制过冷度）、同素异构（α/γ/δ）2.2合金的凝固匀晶相图、合金的冷却过程分析、枝晶偏析、均匀化退火共晶相图、共析相图、杠杆定律☆、合金性能与相图的关系2.3铁碳合金平衡态的相变基础☆铁碳合金相图：基本相（F、A、Fe3C性能）与组织、相图特点（共晶转变、共析转变、包晶转变）、钢的结晶过程及室温组织组织及其计算☆、含碳量影响2.4钢在加热时的转变

奥氏体的形成（形核、长大）、实际转变点2.5钢在冷却时的转变☆过冷A的冷却方式（等温、连续）、C曲线★、影响C曲线的因素、过冷A连续冷却转变曲线与C曲线的比较、过冷A的转变产物及性能晶粒大小及控制

（1）晶粒度：单位体积内晶粒数目Zv或单位面积上晶粒数目Zs。

（2）晶粒大小的控制

①增大过冷度

△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒细化

②变质处理

在液态中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。

③振动(机械振动、超声波振动、电磁搅拌）影响因素：①形核率②长大速度形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。

相图中重要的点和线☆液相线:ABCD固相线:AHJECF包晶线HJB，包晶点J

(δ0.09+L0.53)→A0.17

共晶线ECF，共晶点C

L4.3(A2.11+Fe3C)反应物:高温莱氏体,Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)反应物:珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线铁碳合金状态图包晶反应1495℃LB(0.53)+δH(0.09)⇄AJ(0.17)

（一）三条水平线及三个重要点共晶反应1148℃LC(4.3)⇄(AE(2.11)+Fe3C)LdQAB,0.53%CDFKEHGSNJP共析反应727℃AS(0.77)⇄(FP(0.0218)+Fe3C)--P珠光体包晶点共晶点共析点

2.

相

图

分

析（二）其他特性线液相线固相线PQ线：碳在F中的溶解度线ES线(Acm)：碳在A中的溶解度线A⇄F固溶体转变线GS线(A3)：A析出F的开始线GP线：A析出F的终了线δ⇄A固溶体转变线5个单相区7个双相区3个三相区

液相液相δ液相δ液相δ液相δL+δ液相δL+δ液相δL+δδ+γ液相δδ+γL+δ液相δ+γL+δδ液相δδ+γL+δ液相δδ+γL+δ(三)相区区域标注了组织组成物的相图☆(A+Fe3CⅡ+Ld)(P+Fe3CⅡ)(F+P)(P)(P+Fe3CⅡ+Ld＇)(Fe3CⅠ+Ld＇)(Ld)A+Fe3CⅡ(Fe3CⅠ+Ld)(Ld＇)相与组织计算-杠杆定律共析钢组织P，组织与相标记是（α+Fe3C），α和Fe3C亚共析钢组织P+F，相还是α和Fe3C，但组织（α+Fe3C）+α过共析钢组织P+Fe3C，相还是α和Fe3C，但组织（α+Fe3C）+Fe3C1.相的相对量和组织组成物含量不同2.计算时要弄清是对相计算还是对组织计算例：试计算45钢的室温组织与相解：45钢含碳量0.45%，属亚共析钢，室温组织组成物为F+P。根据杠杆定律：珠光体含量[（0.45-0）/（0.77-0）]*100%=58%铁素体含量1-58%=42%或者[（0.77-0.45）/0.77]*100%=42%备注：准确计算取0.02碳量开始。0.450.770计算相的相对量45钢的室温组成相是F和Fe3C铁素体含量[（6.69-0.45）/6.69]*100%=93%则渗碳体含量为7%。0.45思考题如何求过共析钢的相与组织？珠光体提示：珠光体由F和Fe3C构成其中F含量88%Fe3C含量12%请自己按杠杆定律计算后对照。组织提示P转变B转变M转变550°①珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;

片间距为0.6～0.7μm

(500×)。650～600℃:

细片状P---索氏体(S);

片间距为0.2～0.4μm

(1000×);25～36HRC。索氏体具有良好的综合机械性能。600～550℃:极细片状P---托氏体(T);

片间距为＜0.2μm

(电镜);35～40HRC。

②贝氏体型(B)转变(550～230℃)上贝氏体转变(550～350℃):B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状下贝氏体转变(350～230℃):B下;50～60HRC;下贝氏体不仅具有较高的强度、硬度与耐磨性，同时具有良好的塑性和韧性。B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状③马氏体型(M)转变(230～-50℃)1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和间隙固溶体。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性。在平衡条件下，钢的成分一旦确定，则组织与性能也随之确定。可以根据Fe-C平衡相图判断组织与性能实际生产条件下，钢的加热与冷却速度不可能非常缓慢，往往偏离了平衡条件，不能简单地用平衡相图预测。需要重点掌握的工具：C曲线与冷却曲线几个重要概念同素异晶转变奥氏体共析、共晶、包晶转变杠杆定律重点

铁碳相图

要求能对铁碳相图进行分析和解释

钢的A化和A的晶粒度TTT和CCT曲线过冷A转变产物（P，B，M）热处理基础：临界转变温度、奥氏体化、影响晶粒度因素;冷却转变类型普通热处理：四把火★（退火、正火、淬火+回火）;注意淬透性与回火脆性表面热处理：表面淬火、渗碳、氮化的工艺特点与适用性基本概念淬透性普通热处理工艺、目的及其作用回火转变产物重点：第4章金属材料热处理退火工艺退火工艺小结热处理共析转变γ→F+Fe3C注意奥氏体转变为铁素体和渗碳体的混合物-珠光体P（组织）2.共析转变含同素异晶转变A（fcc）→F（bcc）3.转变范围PSK亚共析的转变后产物：P+F过共析的转变后产物：P+Fe3C1、正火后的组织：亚共析钢：F+S共析钢：

S过共析钢：S+Fe3C粒状

性能：强度、硬度、韧性

比退火后的高，且

塑性也不降低2、正火的目的减少C和其他合金元素的成分偏析。细化奥氏体晶粒，消除过共析钢中网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。正火温度Ac3+30~50℃Accm+30~50℃钢的常规热处理工艺

正火的应用：

a.预先热处理*钢材及铸件、锻件用正火细晶，消除组织缺陷，为后续热处理作组织准备。*过共析钢和渗碳零件用正火消除组织中网状渗碳体，为球化退火和后一步热处理作组织准备。

b.最终热处理

细化组织，均匀组织，消除组织缺陷，提高强度、硬度和韧性，对于普通结构件，机械性能要求不高时，可正火后使用。

C.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能。钢的常规热处理工艺钢的淬火(Quenchingofsteel)1.定义:

把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)。

2.目的:

为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。

钢的常规热处理工艺淬火碳钢的淬火加热温度范围加热温度：合金钢的淬火加热温度稍微高一些，是临界点以上50~100℃。加热时间：箱式炉：1~1.3min/mm

合金钢1.5~2min/mm盐浴炉：0·4~0.5min/mm

合金钢0.5~1min/mmAc3+(30-50℃)Ac1+(30-50℃)组织：M组织：M+Fe3C（粒状）Ac1+中温转变区高温转变区低温转变区单液淬火中温回火双液淬火分级淬火等温淬火正火等温退火共析钢回火组织转变及性能变化1.钢在回火时的组织转变※

M分解（T＜200℃）100-200℃

A残分解(200~300℃)渗碳体形成(250~400℃)渗碳体聚集长大(T＞400℃)2.回火后的组织和性能

回火马氏体(250℃以下)回火托氏体(350~450℃)回火索氏体(500~650℃)α+ε(Fe2.4C片状)M回A残→M回或B下ε→Fe3C→T回α再结晶→S回α+ε，形态未变，易腐蚀55-64HRCα+Fe3C少，35-45HRCα+Fe3C粗粒状,25-35HRC回火时的组织变化：M分解过饱和α相C析出F块状Fε碳化物细Fe3C粒状Fe3C回火M

回火T

回火S钢的常规热处理工艺回火回火温度耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350～500中温回火调质件S回=F多+Fe3C球500～650高温回火高合金钢P回=F多+Fe3C粒650～A1高温软化淬火+高温回火=调质处理用途组织温度(℃)名称钢的常规热处理工艺热处理工艺在制造中的作用下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及回火→精磨典型加工路线：思考题：如果不给定钢种而给出性能指标，如何解决？提示：要满足Rm、Re、Ak、HRC等来选材第6章

金属材料钢

铸铁有色金属重点：机械结构用钢掌握化学成分、合金化及常用钢特点分类1.按碳含量低碳钢（<0.25%C）中碳钢（0.25~0.6%C)高碳钢（>0.6%C）2.按用途碳素结构钢、碳素工具钢3.按质量等级普通碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢碳钢Q235A·Fσs≥200MPa屈服强度普通碳素结构钢1.编号碳钢质量等级，A、B、C、D四级F-沸腾钢（b-半镇静钢，Z-镇静钢，TZ-特殊镇静钢）2.应用:钢板、型材,工程结构件及要求不高的零件优质碳素结构钢1.编号数字：含碳量（0.01%)高级优质：在数字后加A

Mn含量0.7~1.2%：数字后加Mn铸钢：在钢号前加“ZG”08F、45、45A、20Mn、ZG45碳钢例题1零件名称选用材料最终热处理丝锥、板牙机床主轴滚动轴承弹簧高速切削刀具大型热锻模冲孔落料模9SiCr淬火+低温回火40Cr淬火+高温回火（或调质）GCr15淬火+低温回火60Si2Mn淬火+中温回火W18Cr4V淬火+三次高温回火5CrNiMo淬火+高温回火Cr12MoV淬火+低温回火例题2名称生产方法车床床身砂型铸造钛合金壳体焊接氩弧焊电子元器件与软钎焊印刷电路板的连接大口径铸铁管离心铸造发动机连杆模锻例题3（本题共12分）1写出铁碳相图中共晶和共析反应；2指出P、S、E、C点的含碳量；碳钢室温下组织组成物；3室温下，45号钢的相组成物相对含量；4室温下，45号钢的组织组成物相对含量。(1)（各2分，共4分）ECF：共晶，L→A+Fe3C即Ld体PSK：共析，A→α-Fe+Fe3C即P体(2)P=0.0218%、S=0.77%、E=2.11%和C=4.3%①~②：P+F；②点：P；②~③：P+Fe3CII(3)（3分）室温下，45号钢的相组成物为F和Fe3C；计算相组成物可直接用杠杠定律：Wc%(F)=0.008%Wc%(Fe3C)=6.69%MF=(6.69-0.45)/(6.69-0.008)=0.93MFe3C=(0.45-0.008)/(6.69-0.008)=0.07即45号钢的室温相组成物的质量百分比为铁素体93%，渗碳体7%第7章铸造重点金属液态成形工艺基础砂型铸造常用合金铸件生产及铸造方法的选择1.金属液态成形工艺基础（1）流动性及充型：流动性概念、判别方法及影响因素；充型影响因素（2）收缩性：收缩阶段及收缩率、缩孔缩松的防止方法-顺序凝固原则、（3）铸造应力：热应力和机械应力的形成、预防措施-同时凝固原则、铸件变形（趋势分析）、铸件裂纹（热裂与冷裂产生的原因、特征和影响因素）2.砂型铸造重点掌握砂型铸造工艺设计和铸件结构工艺性（1）浇注位置选择（2）铸型分型面选择（3）工艺参数确定（机加工余量、最小铸出孔、起模斜度、收缩率、型芯头和一般程序（4）结构工艺性：基本要求与最小壁厚合金的铸造性能和铸造工艺对零件结构各有何要求，具有改错能力。3.常用合金铸件生产及铸造方法选择重点：铸铁件生产：铸铁分类与组织性能特点、影响石墨化程度的主要因素、孕育处理、球化处理等。铸造的定义、优点、缺点充型能力的定义、影响它的三个因素影响流动性的因素；纯金属和共晶成分合金呈逐层凝固流动性最好；影响充型能力的铸型的三个条件；浇注温度和压力对充型能力是如何影响的。铸造时液态和凝固收缩易产生缩孔和缩松；固态收缩易产生应力、变形和裂纹。何种合金易缩孔，何种合金易缩松；多出现于铸件的哪些部位？缩孔和缩松的防止措施。顺序凝固的定义和应用场合。热应力产生的原因。能正确判断出铸件上何处产生拉应力、何处产生压应力。收缩应力的危害和减小措施。减小和消除热应力的方法。同时凝固的定义和应用场合。第3、8章塑性变形及塑性加工金属塑性变形基础自由锻模锻板料冲压常用塑性成形方法选择金属压力加工基础1.金属塑形变形实质（滑移、位错运动）2.金属塑性变形对组织和性能的影响（纤维组织、锻造比）3.金属塑性加工性能内在因素：化学成分、组织外在因素：变形温度、变形速度、应力状态4.常见的金属塑性变形的主要方法。塑性成形的定义、优点、缺点塑性成形性的衡量标准，影响因素。金属塑性变形的基本规律单晶体塑性变形：滑移；多晶体塑性变形：晶内滑移；晶粒间的相对滑动和转动。

回复、再结晶定义、再结晶温度冷成形、热成形、温成形的温度界限及应用自由锻自由锻造的特点、应用范围。了解基本工序：镦粗、拔长、冲孔掌握工艺规程制定：绘制锻件图（敷料、余量、公差）、计算坯料质量与尺寸、选择锻造工序<基本工序、辅助工序、精整工序>和设备、确定锻造温度范围正确绘制自由锻造的锻件图。正确选择变形工步。自由锻造零件结构设计：改正错误结构为什么自由锻是加工巨型锻件的唯一方法？模锻了解基本工序：模型锻造的特点和应用范围。掌握工艺规程制定：绘制锻件图（敷料、余量、公差）、计算坯料质量与尺寸、选择锻造工序和设备、确定锻造温度范围锤模锻的锻模模膛分为制坯模膛和模锻模膛。模锻模膛可分为预锻和终锻模膛，各自作用。飞边槽的作用。模锻件图是在零件图的基础上，考虑哪些因素绘制出来的。正确绘制模锻件图。正确选择变形工步。确定分模面位置的原则模锻飞边和冲孔连皮的作用锤模锻零件的结构设计工艺性：改正错误结构板料冲压板料冲压的特点和应用范围。冲裁分为冲孔和落料。冲孔和落料的落下部分分别为成品还是废料冲裁间隙落料和冲孔的定义及其凹、凸模刃口尺寸如何确定板料冲裁过程与拉深过程的异同点及其凹凸模结构、间隙的差异。弯曲的定义，影响最小弯曲半径的因素。回弹角的概念拉深的定义，拉深系数、极限拉深系数的概念

弹壳、深筒多次拉深，中间插再结晶退火。结构设计原则

第9章焊接焊接分为等三大类:熔焊、压焊、钎焊焊接理论基础：焊接电弧、焊条、焊条选取原则、焊接接头常用焊接方法：手工电弧焊、埋弧自动焊、气体保护焊（氩弧焊、CO2气体保护焊）和电渣焊常用金属材料的焊接（焊接性的预测估算）焊接应力与变形，措施焊接件结构工艺性（焊缝布置接头设计）熔焊液相冶金的特点:反应温度高、比表面积大、反应时间短焊接接头各组成部分的名称，哪部分质量最好，哪部分质量最差消除和减小焊接残余应力和变形的措施，改正图1电弧焊了解焊接电弧、焊接冶金过程与焊条，掌握焊条选择原则焊接接头组织与性能及其改善措施焊接应力与变形及其预防和减小措施掌握手工电弧焊、氩弧焊和CO2气体保护焊的工艺特点，会正确选用焊接方法2常用金属材料的焊接性焊接性概念与评定方法碳当量法冷裂纹敏感系数法碳素钢和低合金结构钢的焊接碳当量与焊接性能的关系低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金结构钢的焊接性能比较3焊接件结构工艺性焊缝布置接头形式坡口形式接头形式有4种：对接，角接，搭接，T形接头。接头边缘开坡口问题。开坡口主要目的是为了焊透，选择依据是板厚和焊接方法。

手工电焊板厚6mm以上对接要开坡口。常用坡口I型，Y型，双Y型，U型。焊接结构设计与工艺设计：

会正确选择结构材料焊缝布置，错误的图改正；

会正确选择焊接方法;

焊接接头的形式的特点及应用场合;

会正确选择坡口形式。二、填空1、工业上常用的金属塑性成形方法有

、

、

、

、

、

等。4、金属材料的塑性加工性常用

和

来综合衡量。5、金属塑性变形的基本规律是

定律和

定律。6、绘制自由锻零件的锻件图主要考虑的因素有

敷料

、

锻件余量

、锻件公差

。

7、绘制模锻零件的锻件图主要考虑的因素有

分模面选择

、

余量

、

模锻斜度

、

模锻圆角半径

。

9、模锻的修整工序主要有切边和冲孔、

校正

、

热处理

、

清理等。

10、锻模模膛按其功能可分为制坯模膛和模锻模膛，模锻模膛可分为终锻模膛和预锻模膛。13、模锻的制坯模膛有拔长、滚压、弯曲、切断等。14、板料成形按特征分为分离和成形过程，分离过程主要有落料、冲孔、切断、修整等，成形过程主要有拉深、弯曲、翻边、胀形等。15、冲模按基本构造可分为简单模、连续模、复合模。16、在板料的拉深成形中，通常控制拉深系数m（d/D）。为了防止起皱，当板料厚度S与坯料直径D之比<2%时，必须应用压边圈二、填空1、熔化焊的焊接接头通常由

，

，

三部分组成。熔化焊的三要素：热源、熔池的保护、填充金属。2、熔化焊接用焊条通常由焊芯和药皮组成，其中焊芯的主要作用为

导电引弧、

合金化

等。3、焊接应力产生的根本原因是对焊件进行局部的不均匀的加热，减少和消除焊接应力的措施有选用塑性好的材料、进行合理的结构设计、采取必要的工艺措施、

焊后热处理及矫正

。4、金属的焊接性是指

，其评定的方法有

、

。5、焊接过程中对焊件进行了

，是产生焊接应力和变形的根本原因。7、电焊条一般由

和

组成。8、根据钎料熔点不同，钎焊可分为

和

两大类，其温度分界为

。9、焊接变形的基本形式有（）、（）、（）、（）、（）收缩变形；角变形；弯曲变形；扭曲变形；波浪变形1、焊接用焊条药皮的作用是什么，由哪几部分组成？2、简述碱性焊条和酸性焊条的性能和用途。3、什么是焊接热影响区？它由哪几部分组成，分别对焊接接头有何影响？4、焊接应力产生的根本原因是什么？减少和消除焊接应力的措施有哪些？5、简述金属材料焊接性的概念。四、分析题图为贮槽，筒体材料为16MN，