机械工程材料总结

PAGE5材料的力学性能静拉伸试验：材料表现为弹性变形、塑性变形、颈缩、断裂。弹性：指标为弹性极限se，即材料承受最大弹性变形时的应力。刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。表示引起单位变形所需要的应力。强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。断裂的类型：韧性断裂与脆性断裂、穿晶断裂与沿晶断裂、剪切断裂与解理断裂布氏硬度HB：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。洛氏硬度HR、维氏硬度HV冲击韧性：Ak=mgH–mgh(J)（冲击韧性值）ak=AK/S0(J/cm²)疲劳断口的三个特征区：疲劳裂纹产生区、疲劳裂纹扩展区、断裂区。断裂韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标，是应力强度因子的临界值。工程应用要求：磨损过程分：跑和磨损、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段阶段蠕变性能：钢材在高温下受外力作用时，随着时间的延长，缓慢而连续产生塑性变形的现象，称为蠕变。（选用高温材料的主要依据）材料的工艺性能：材料可生产性：得到材料可能性和制备方法。铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的方法。锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量。决定材料性能实质：构成材料原子的类型：材料的成分描述了组成材料的元素种类以及各自占有的比例。材料中原子的排列方式：原子的排列方式除了和元素自身的性质有关以外，还和材料经历的生产加工过程有密切的关系。第02章晶体结构晶体：是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体有固定的熔点，具有各向异性。非晶体：是指原子呈无序排列的固体。各向同性。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶格：晶体中，为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为节点，人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。晶胞：能够完全代表晶格结构特征的最小的几何单元。晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足①能充分反映整个空间点阵的对称性，②具有尽可能多的直角，③体积要最小。体心立方：常见金属有：α-Fe、铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、Na、K等面心立方：常见金属有：γ-Fe、金(Au)、银(Ag)铜(Cu)、铝(Al)、镍（Ni）等密排六方：常见金属有：铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)、α-Ti等单晶体：其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的伪各向同性：晶体应该是各向异性，但在多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。点缺陷：空位、间隙原子、置换原子（提高材料的电阻、加快原子的扩散迁移、形成其他晶体缺陷、改变材料的力学性能）线缺陷：位错：在晶体的某处，有一列或若干列发生原子有规律的错排现象。（位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；位错线附近异类原子浓度高于平均水平；位错在晶体中可以发生移动，即可动性是材料塑性变形基本方式之一；位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响）面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。固溶体：合金结晶时若组元相互溶解，所形成固相的晶格结构与组成合金的某一组元相同，此固相称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂；其它的组成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。置换固溶体：溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体。间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中，不占据晶格结点位置。固溶体的性能特点：保持溶剂的晶格类型、产生了固溶强化作用，并且晶格常数发生了变化、固溶体总是作为基体存在。固溶强化：溶质原子使固溶体的强度和硬度升高的现象叫固溶强化（以金属元素为溶剂的固溶体）。溶质的溶入可造成晶格畸变，材料的塑性变形的阻力加大，同时塑性略有下降，但不明显。化合物：当溶质的含量超过了其溶解度，在材料中将出现新相。若新相为另一组元的晶体结构，则也是另一固溶体。若其晶体结构与组元都不相同，表明生成了新的物质-化合物。所以，化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，其晶格类型及性能均不同于任一组元。金属化合物的类型：正常价化合物、电子化合物、间隙化合物。过冷现象：熔体材料冷却到理论结晶温度时，并不是立即就形成晶体，而是实际结晶温度要低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。过冷度：ΔT=T0–Tn形核：有两种方式，即自发形核和非自发形核。晶体的长大方式主要有：均匀长大和树枝状长大。晶粒度：晶粒总数Z与形核率N和长大速度G的关系：凡是增大N/G的方法，都会细化晶粒。金属铸锭的组织：三种不同的晶区:表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶粒区。铸锭的缺陷：缩孔：凝固过程中，液态金属不能有效补充，最后凝固的地方形成缩孔。疏松：凝固以树枝晶方式生长时，树枝枝干间的液体得不到补充，形成疏松。气泡：液态金属中往往溶解和卷入一些气体，气体来不及溢出，形成气泡。第03章金属材料的塑性变形金属塑性变形的分类：高于再结晶温度是热加工，低于再结晶温度是冷加工。单晶体金属的塑性变形：变形的方式：滑移和孪生。常以滑移方式发生。滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。实质：是由位错的移动来实现的。滑移系越多，塑性越好，且滑移方向比滑移面的作用更大；由于面心立方的滑移方向为3，而体心为2，面心的塑性比体心的好。密排的塑性最差。滑移的同时伴随着晶体的转动。滑移是通过滑移面上位错的运动来实现的，位错线从一端移动到另一端。位错在运动时，只是位错附近的一部分原子移动。多晶体金属的塑性变形：在外力作用下，变形首先发生在有利滑移的晶粒内，处于不利滑移的晶粒逐渐向有利方向转动，互相协调，由少量晶粒的变形扩大到大量晶粒的变形，从而实现宏观变形。多晶体的塑性变形仍以滑移为主，还要受晶粒取向和晶界的影响晶粒细的优点：单位体积中的晶粒数愈多，变形时同样的形变量便可分散在更多的晶粒中发生，晶粒转动的阻力小，晶粒间易于协调，产生较均匀的变形，不致造成局部的应力集中而引起裂纹的过早产生和发展。因而断裂前便可发生较大的塑性形变量，具有较高的冲击载荷抗力。多晶体塑性变形过程特点：不同时性、不均匀性、各晶粒变形有相互协调性、滑移过程中，晶粒发生转动塑性变形对组织结构的影响：形成纤维组织、亚结构细化、产生形变织构形变织构：由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使绝大部分晶粒的某一位向与变形方向趋于一致，这种现象称择优取向。这种组织状态称为形变织构。形变织构使金属呈现：各向异性，使各方向变形能力不同，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。塑性变形对力学性能的影响：1.加工硬化：金属材料随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。根本原因：位错密度增加。2.产生残余内应力第一类内应力(宏观内应力)：由于工件变形的不均匀性引起，作用于工件表面与心部之间。（拉拔过程工件受力）第二类内应力(微观内应力)：晶粒或亚晶粒之间变形不均匀引起。（由于微观内应力的存在，工件受到不大的力可能断裂）第三类内应力（点阵畸变）：是由晶格缺陷引起的畸变应力。一般采用退火加热消除内应力，发生回复和再结晶两个过程。回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些亚结构或性能的变化。由于再结晶后组织的复原，因而金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失（看书吧！）再结晶温度：经过严重变形（变形度70%以上）的金属，再约保温1小时内能够完成再结晶的温度。再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒相互吞并，长大，这是一个自发的过程。影响再结晶退火后晶粒度的因素：加热温度和保温时间、变形程度热加工不会带来加工硬化效果：热加工包括变形中的加工硬化和动态软化过程，加工硬化很快被再结晶产生的动态软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。热加工对金属组织和性能的影响：改善铸态组织。热加工可使铸态金属与合金中的微裂纹和气孔焊合，使粗大的树枝晶或柱状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。形成纤维组织。热加工时，铸态金属中的某些枝晶偏析、非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，这种组织称纤维组织。它使钢产生各向异性。在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致，充分利用其增加强度，延长使用寿命。形成带状组织。沿着变形方向呈带状或层状分布，这种组织称带状组织。一种钢中存在严重的夹杂物和偏析，经过压延时呈带状分布，另一种存在两相组织，如F与P，压延时呈带状分布。热加工与冷加工的应用范围：热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。提高材料塑性变形抗力的途径：细晶强化、固溶强化、第二相硬质点强化、加工硬化、热处理强化第04章结晶相图相图：研究合金在平衡的条件下（无限缓慢冷却，比如0.5~1.50C/min），合金的状态与温度、成分间的关系的图解称为相图或平衡图。枝晶偏析（晶内偏析）：由于实际结晶速度远远大于原子的扩散速度,由于原子来不及扩散，所以在固相内化学成分不均匀，先结晶的固相含Ni多，后结晶的少，从而产生偏析。固溶体常常呈树枝状方式长大，先结晶轴晶含高熔点组元多，后结晶的含低熔点组元多，所以又称为枝晶偏析。共晶反应：恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。包晶反应：恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。共析反应：恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。第05章铁碳合金+Fe3C+Fe3C常存杂质对碳钢性能的影响：钢中的有益元素（Si、Mn）有害：（S、P）。（有图就全有了，你懂得！）第06章钢的热处理热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。奥氏体的形成过程：奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余Fe3C溶解、奥氏体成分均匀化珠光体转变：普通珠光体P、索氏体S、屈氏体贝氏体转变：羽毛状和竹叶状（针状）上贝氏体的形成温度较高，铁素体晶粒和碳化物颗粒粗大，碳化物呈短杆状平行分布与铁素体条之间，铁素体条间易产生脆断，工程上一般避免上贝氏体组织的产生。下贝氏体中的铁素体针细小而且均匀分布，而且在铁素体内又沉淀析出细小、多量的弥散的碳化物，位错密度高，因此下贝氏体钢强度高、韧性好，具有良好的综合机械性能。高碳钢均希望得到下贝氏体。马氏体转变：用M表示，板条状（低碳）和片状（高碳）退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理，退火目的：调整硬度，便于切削加工。消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。均匀组织，细化晶粒，为最终热处理作组织准备。淬火是将钢加热到Ac3和Ac1以上30-50℃，保温一定时间，然后迅速冷却（冷却速度大于Vk）获得马氏体组织的热处理工艺。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性.淬火获得的组织：亚共析钢：当含碳量小于0.5%时，组织为M。当含碳量大于0.5%时，组织为M+A’。共析钢：组织为M+A’。过共析钢：组织为M+A’+Fe3C.淬硬层深度：当工件尺寸较大时，从表面向心部冷却速度逐渐减小，获得马氏体的数量越来越少，把由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的距离称为淬硬层深度。淬透层深度（δ）越大，钢的淬透性越好。回火：指将钢淬火后，重新加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。回火的目的：减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂。稳定组织和尺寸，调整性能。回火脆性：淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。第一类回火脆性又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性。只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。回火时应避开250-350℃温度范围。第二类回火脆性：又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现，是可逆的。原因在于杂质原子晶界偏聚。防止办法：⑴回火后快冷。⑵加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。表面淬火：是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。化学热处理：将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层，从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理第08章