工程材料-考前复习.ppt

1、工程材料,授课教师：李 英,0.0.1 教学基本目标,“工程材料”课程是高等院校机械类专业的一门必修的技术基础课。,本课程的任务是从机械工程的应用角度出发，阐明工程材料的基本理论，了解材料的成分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系，介绍常用工程材料及其应用等基本知识。为后续课程、毕业设计和实际应用等打好选择材料和使用材料的基础。,绪 论0.0 课程概况,课程主线：成分组织、结构性能应用,工艺,绪论 第1章 材料的结构与性能 第2章 金属材料组织和性能的控制 第3章 金属材料 第4章 高分子材料 第5章 陶瓷材料 第6章 复合材料 第7章 功能材料 第8章 机械零件的失效与选材原则 第9章 典

2、型工件的选材及工艺路线设计(有些内容 放在第3章讲) 第10章 工程材料的应用(不单独讲，放在前面几章 讲),0.0.2 教学内容,0.0.3 学习方法 抓主线 基本概念理解 基本规律 习题 灵活应用,工程材料,金属材料,高分子材料,陶瓷材料,复合材料,工程材料的分类,第1章 材料的结构与性能,重点： (1)基本概念 (2)三种常见金属的晶体结构 (3)晶面与晶向 (4)实际金属中三大类晶体缺陷 (5)合金中的两类基本相(固溶体和金属化合物) (6)金属材料性能的特点 (7)细晶强化、固溶强化,晶体、非晶体、晶面、晶向、密排面、密排方向,晶体缺陷：点缺陷(空位、间隙原子、异类原子)、 线缺陷(

3、刃型位错、螺型位错) 面缺陷(晶界、亚晶界),合金、组元、相、固溶体、金属化合物、组织、固溶强化,工艺性能、使用性能、机械性能(强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、断裂韧性),1.1金属材料的结构与组织,晶体：原子(离子或分子)在三维空间有规则 的周期性重复排列的物体。 非晶体：原子(离子或分子)在空间无规则排 列的物体。,图 晶体,晶格：通过金属原子的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种假想的格架称为晶格。,晶胞：能反映晶格特征的最小组成单元。,晶胞的几何特征： 三条边a、b、c(晶格常数) 三条边的夹角、,1.1.1 纯金属的晶体结构,晶体结构： 晶体中原子(离子或分子)规则排

4、列的方式。,体心立方：如Cr、Fe,面心立方：如Cu、Ni、Fe,密排六方：如Zn、Cr,1.三种常见金属晶体的结构,体心立方晶格(胞)B.C.C 晶格常数：a=b=c, =,原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。,晶胞原子数=8*1/8+1=2个,相距最近的方向是体对角线,空隙半径：若在晶胞空隙中放入刚性球，则能放入球的最大半径。,=68%,配位数：晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。,体心立方晶格的配位数=8,2. 金属晶体中的晶面和晶向,晶面：通过晶体中原子中心的平面叫做晶面。,晶向：通过原子中心的直线为原子列，其所代表的 方向叫做晶向。,(1) 晶面和晶向的表示

5、方法, 立方晶系的晶面表达方法,a.设定一空间坐标，原点在欲定晶面外，并使晶面在三个坐标轴上有截距或无穷大。,以ABBA为例,b.求截距，以晶格常数a为单位。 截距为：1,c.截距取倒数：100,d.截距的倒数化为最小整数：100,e.将三整数写在圆括号内：(100),ABBA晶面指数为(100),晶面的截距可以为负数，在指数上加“-”号。,两个问题(1)已知晶面求晶面指数? (2)已知晶面指数画晶面?,例：求ABC晶面的晶面指数。,a.设定一空间坐标。,b.求截距：1/2、1/4、1/3,c.截距取倒数：2、4、3,d.截距的倒数化为最小整数： 2 4 3,e.将三整数写在圆括号内：(243

6、),o,例：作图表示立方晶系中的(110)、(120)晶面,(110),(120),Y轴截距为：1/2,o, 立方晶系的晶向表示方法,以OA为例,b.写出该晶向上另一结点的空间坐标值：100,c.将坐标值按比例化为最小整数：100,d.将化好的整数记在方括号内：100,a.设定一空间坐标，原点定在在欲定晶向的节点上。,晶向指数的一般标记为uvw,实际表示一组原子排列相同的平行晶向。,o,211,1,120,X=-1/2,Y=1,例：作图表示立方晶系中的211、120晶向,o,(2) 密排面和密排方向,密排面：原子密度最大的晶面。,密排方向：原子密度最大的晶向。,1.2金属材料的性能,工艺性能：

7、指制造工艺过程中材料适应加工的性能。,1.2.1金属材料的工艺性能,使用性能：指金属材料在使用情况下所表现出来的性能。,1.2.2 金属材料的机械性能,机械性能(力学性能)：指金属材料在外力作用 时表现出来的性能。包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等,4. 实际金属中的晶体缺陷,晶体缺陷分类,点缺陷,线缺陷,面缺陷,1.1.2合金的晶体结构,组元：组成合金独立的最基本的单元。,合金：一种元素同另一种或几种其他元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。,由两个组元组成的合金称为二元合金。,如：铁碳合金、铜镍合金,相,相：凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其他部分分开的均

8、匀成分叫相。,液相,固相,固溶体,金属化合物,合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同。,合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。,1. 固溶体,与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多，另一组元为溶质，含量较少。 固溶体用、等符号表示，A、B组元组成的固溶体用A(B),其中A为溶剂，B为溶质；,按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为：置换固溶体和间隙固溶体,固溶体的分类,2.金属化合物,Fe3C,金属化合物特点： 熔点较高、硬度高、脆性大。,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙化合物,复杂结构的间隙化合物,间隙相,1.1.3金属材

9、料的组织,1.组织的概念,金相试样的制备： 取样(小块金属材料) 磨光(用金相砂纸) 抛光(用绒布+抛光剂) 腐蚀吹干,在显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织，简称组织。,化学成分不同显微组织不同。,(a) w(c)=0.01%铁素体 (b) w(c)=0.45%铁素体+珠光体,(c) w(c)=0.77%珠光体 (d) w(c)=1.2%珠光体 +二次渗碳体,2.组织的决定因素,组织的决定因素：化学成分和工艺过程,化学成分相同，热处理工艺不同，显微组织形态不同。,w(c)=0.77% 片状珠光体,w(c)=0.77% 球状珠光体,1图1中ABCD晶面的晶面指

10、数为： 。 2图2中ABCD晶面的晶面指数为： 。,图1,图2,(110),(100),二、填空题,考前复习题1,一、名词解释,晶体：原子(离子或分子)在三维空间有规则的周期性重复排列的物体。,3. 金属晶体的特性,(1) 金属晶体具有确定的熔点,T0为熔点,(2) 金属晶体具有各向异性,非晶体具有各向同性。,图 晶体和非晶体的熔化曲线,3在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是 。 4在面心立方晶格中，原子密度最大的晶面是 。 5同非金属相比,金属的主要特性是 。 6实际金属的晶体缺陷包括 、 和 。,110,111,具有各向同性,点缺陷,线缺陷,面缺陷,二、填空题,9面缺陷有两种，分别是 和

11、 。 10通过形成固溶体而使强度和硬度提高的现象 称为 。,7空位、间隙原子和异类原子都属于 缺陷。 8线缺陷有两种，分别是 和 。,点,刃型位错,螺型位错,晶界,亚晶界,固溶强化,二、填空题,第2章 金属材料的组织 与性能控制,重点： (1)基本概念 (2)各种组织的名称、形态、性能特点 (3)杠杆定律 (4)铁碳相图、典型铁碳合金的结晶过程 (5)金属的属性加工 (6)钢的热处理 (7)钢的合金化,一次结晶 二次结晶（重结晶） 结晶过程 过冷度,生核与长大 自发生核和非自发生核 平面长大和树枝长大 同素异构转变 变质处理 铸锭的结构,2.1 纯金属的结晶,2.1.1纯金属的结晶条件,图 纯

12、铜的冷却曲线,冷却曲线：液体金属在结晶时时间-温度的曲线。,条件2： (自由能差)FA (建立同液体相隔的晶体 界面而消耗的能量),条件1：存在一定的过冷度,2.1.2同素异构转变(二次结晶或重结晶),同素异构转变：金属在固态下随温度改变从一种 晶格转变为另一种晶格的过程。,-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀。,图 纯铁的冷却曲线,2.2 合金的结晶(铁碳相图),相图 枝晶偏析 组织组成物,表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图。,什么是相图？(phase diagram),杠杆定律,图 铁碳相图,铁碳相图中重要的点、线、相区,组元：Fe、Fe3C(渗碳体),相图中重

13、要的线： ABCD:液相线 AHJECF:固相线 HJB:包晶反应线 ECF:共晶反应线 PSK:共析反应线 GS:A中析出F的临界线，A3线 ES:碳在A中的固溶线，Acm线 PQ:碳在F中的固溶线,J为包晶点、S为共析点、C为共晶点,根据Fe-C相图，铁碳合金可分为三类：,工业纯铁w(C)0.0218%,钢0.0218% w(C) 2.11%,白口铸铁2.11% w(C) 6.69%,亚共析钢0.0218% w(C) 0.77% 共析钢w(C) =0.77% 过共析钢0.77% w(C) 2.11%,亚共晶白口铸铁2.11% w(C) 4.3% 共晶白口铸铁w(C) =4.3% 过共晶白口

14、铸铁4.3% w(C) 6.69%,纯铁： F,室温显微组织,亚共析钢： F+P,共析钢： P,过共析钢： P+Fe3C,共晶白口铁组织： Le即（P+ Fe3C） +Fe3C ）,亚共晶白口铁组织：P+Fe3C +Le,过共晶白口铁组织：Fe3C +Le,铁素体(F)：也叫相，是碳在-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。,高温莱氏体(Le)：奥氏体与渗碳体的共晶混合物。,渗碳体(Fe3C) ：一种金属化合物。,奥氏体(A)：也叫相，是碳在-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。,珠光体(P)：铁素体与渗碳体的共析(两相)混合物。,低温莱氏体(Le)：珠光体与渗碳体的混合物。,图 标注组织的铁碳

15、相图,共析钢的平衡结晶过程,L,共析钢：（珠光体）P,在显微镜下，珠光体的形态呈层片状。,P,QF,QFe3C,0.0008,0.77,6.69,例：共析钢室温组织是珠光体P,而组成相为 铁素体和渗碳体，求它们的质量分数：,S,亚共析钢的平衡结晶过程,L,亚共析钢：( 铁素体)F+（珠光体）P,在显微镜下，白色为F和黑色为P,F,P,例：45钢室温组织是F+P，组成相是F和Fe3C 1.求45钢从液态冷却到727共析反应结束后的F和P的质量分数。,2.求室温下F和Fe3C的质量分数：,过共析钢的平衡结晶过程,L,过共析钢：（珠光体）P+Fe3C,在显微镜下，白色网状为,Fe3C,Fe3C,P,

16、例：T12钢室温组织是P+Fe3C，组成相是F和Fe3C 。 1.求T12钢从液态冷却到727共析反应结束后的P和Fe3C的质量分数。,2.求室温下F和Fe3C的质量分数：,F、Fe3C、P机械性能比较,铁碳合金的成分-组织-性能的关系,硬度：主要决定于Fe3C的含量w(C)Fe3C、F硬度,塑性：全部由F提供 w(C)F塑性,强度：主要看P与组织形态,过共析钢之后， Fe3C沿晶界出现，强度提高缓慢 ， w(C) 约为0.9%时， Fe3C 沿晶界形成网状，强度迅速降低。,w(C) 0.9%之后， w(C) 强度,亚共析钢： w(C) P 强度,铁碳相图的应用,(1)在选材方面的应用,(2)

17、在铸造方面的应用,(3)在热锻、热轧方面的应用,(4)在热处理工艺方面的应用,滑移 滑移方向 滑移系 孪生 加工硬化 再结晶 热加工 冷加工,2.3 金属的塑性变形,2.4 钢的热处理,热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。,1 等温处理 2连续冷却,图 热处理工艺曲线示意图,热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。,图 铁碳相图,铁碳相图中的三条线： PSK线(A1) GS线(A3) ES线(Acm),加热时临界温度标为： Ac1 、 Ac 3、 Accm,冷却时临界温度标为： Ar1 、 Ar 3、 Arcm,图 加热和冷却速度

18、0.125/min) 对临界点 A1 A3 Acm的影响,关于晶粒度的几个概念： 本质晶粒度、本质细晶粒钢、实际晶粒度,过冷：过冷奥氏体的转变产物 P（珠光体） S（索氏体） T（屈氏体） B上（上贝氏体） B下（下贝氏体） M（马氏体）低碳M和高碳M 残余奥氏体(残余A或A或Ar),加热：奥氏体化的四个过程： 奥氏体晶核形成、剩余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化、奥氏体晶核长大,共析钢过冷奥氏体的等温转变,转变产物用等温转变曲线(TTT曲线,Time Temperature Transformation)图来分析。 根据曲线的形状，等温转变曲线也可简称C曲线。,珠光体(P)：A1650 ,高温转

19、变,图 共析钢过冷A的等温转变曲线,珠光体类型的组织：,A1550之间,(1)本质：铁素体与渗碳体 的两相混合物,(2)形态：层片状,层间距： PST,(3)性能：硬度TSP,关于珠光体类型的组织：,索氏体(S)：650600 ,屈氏体(T)：600550 ,图 共析钢过冷A的等温转变组织,贝氏体类型的组织：,上贝氏体(B上)：550350 ,中温转变,550 Ms之间,图 共析钢过冷A的等温转变曲线,下贝氏体(B下)：350 Ms,(1)本质 上B:小片状的成排的渗碳体分布在铁素体片中间。 下B:铁素体针内沿一定方向分布着细小的碳化物(Fe 2.4 C)颗粒。,(2)形态 上B:羽毛状; 下

20、B:黑色针状,(3)性能 上B:强度和韧性都较差。 下B:硬度高、韧性好，具有较好的综合机械性能。,关于贝氏体,羽毛状，小片状的渗碳体分布在成排的铁素体片之间。 铁素体呈暗黑色，渗碳体呈亮白色,上贝氏体,铁素体针细小，无方向性，碳的过饱和度大， 位错密度高，且碳化物(Fe2.4C)分布均匀，弥散度大。,下贝氏体,W(C) ,C曲线左移，Ms、Mf线往上移。,高温转变：A1550 A1 650 Fe3C+ P 650 600 Fe3C+S 600 550 Fe3C+T,W(C) ,C曲线左移，Ms、Mf线往下移。,(3)过共析钢过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体连续转变产物,(1) 共析钢过冷奥氏

21、体的连续冷却转变,炉冷：P 空冷：S 油冷：T+M+残余A 水冷：M+残余A,图 共析钢的TTT曲线与CCT曲线比较,图 共析钢的连续转变曲线,(2) 亚共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,图 亚共析钢过冷A的连续冷却转变,炉冷：F+P 空冷：F+S 油冷：T+M+(残余A) 水冷：M+(残余A),(3) 过共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变,图 过共析钢过冷A的连续冷却转变,炉冷：P+Fe3C 空冷：S+Fe3C 油冷：T+M+残余A 水冷：M+残余A,例：直径为10mm的共析钢加热到相变点以上（A1以上30），用图所示的冷却曲线冷却，各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？,a. 马氏体+残余奥氏

22、体；淬火,g.珠光体；等温退火,b.马氏体+残余奥氏体；分级淬火,c.屈氏体+马氏体+残余奥氏体；淬火（油冷),d.下贝氏体；等温淬火,e.索氏体；正火,f.珠光体；退火,钢的淬透性 钢的淬硬性 调质处理,回火马氏体 回火屈氏体 回火索氏体,回火脆性 回火稳定性,表面热处理、化学热处理、渗碳,钢的普通热处理：退火：(扩散退火、完全退火、球化退火、去应力 退火、等温退火)正火淬火：(单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等 温淬火)回火：(低温回火、中温回火、高温回火),2.5 钢的合金化,第一类回火脆性 第二类回火脆性 四种强化机制(固溶强化、弥散和沉淀强化、位错强化 细晶强化),例：为什么说得到

23、马氏体随后回火处理是钢的最经济又最有效的强韧化方法？,答：淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，而屈服强度是和位错密度成正比的，马氏体形成，马氏体被分隔成许多较小的、取向不同的区域（马氏体束），产生相当于晶粒细化的作用。马氏体中的合金元素也有固溶强化作用。 马氏体是过饱和固溶体，回火时析出碳化物使间隙固溶强化效应大大减小，但使韧性大大改善，同时析出的碳化物粒子能造成强烈的第二相强化。所以，获得马氏体并对其回火是钢的最经济最有效的综合强化方法。,1.同素异构转变：金属在固态下随温度改变从一种晶格转变为另一种晶格的过程。 2.加工硬化：金属发生塑性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高

24、，塑性和韧性明显下降。 3.奥氏体:碳在-Fe中间隙固溶体。 4.过冷奥氏体：在A1温度以下存在的奥氏体。 5.铁素体：碳在-Fe中的间隙固溶体 。 6.珠光体：F和Fe3C的两相机械混合物。 7.马氏体：碳在-Fe中的过饱和的固溶体。,一、名词解释,考前复习题2,一、名词解释,8.退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般为随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。 9.正火：将钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm（对于过共析钢）以上3050，保温一定时间，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺。 10.淬火：将钢加热到相变温度以上，保温一定时间

25、，然后快速冷却以获得马氏体的能力。,一、名词解释,11.淬硬性:钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的 最高硬度。 12. 淬透性: 钢淬火时获得马氏体的能力。13.调质处理:淬火+高温回火的热处理工艺。 14.回火脆性:钢回火时，在某一温度段，脆性增加， 冲击韧性明显下降的现象。,1金属从液态转变为固态(晶态)的过程称为 。 2金属液体结晶时理论结晶温度与实际结晶温度之差 称为 。 3.典型铸锭结构的三个晶区分别为 、 和 。 4.单晶体的塑性变形有两种基本方式 和 。5晶粒越细、晶界越多，金属的强度越 。 6面心立方晶体的塑性比体心立方晶体的塑性好，其 原因是 。,结晶,过冷度,细等轴晶区,

26、柱状晶区,粗等轴晶区,滑移,孪生,高,滑移方向多,二、填空题,7金属在再结晶温度以下的塑性变形加工称 为 。 8金属在再结晶温度以上的塑性变形加工称 为 。 9退火状态下45钢的强度比T8钢的强度 。10共析成分的合金在共析反应（+）刚结束 时，其组成相为 。 11用显微镜观察某亚共析钢，若估计其中的珠光体 含量体积分数为60%，则此钢的碳的质量分数为 %。,冷加工,热加工,低,+,60%0.77%=0.46,二、填空题,12共析钢的过冷奥氏体在A1650的温度区间等温 转变时，所形成的组织是 。 13共析钢的过冷奥氏体在600650的温度区间等温 转变时，所形成的组织是 。 14用光学显微镜

27、观察，上贝氏体的组织特征呈 状 ，而下贝氏体则呈 状。 15马氏体的显微组织形态有针状和 两种。 其中 马氏体不仅强度高，而且塑性和韧 性也好。 16下贝氏体的性能特点是硬度 ，韧性 。,P,二、填空题,S,羽毛,黑色针,板条状,板条状,高,好,17完全退火的温度范围是 ，去应力 退火的温度范围是 。 18亚共析钢的正常淬火温度范围是 ， 过共析钢的正常淬火温度范围是 。 19淬火时常用的冷却介质，对于碳钢是 ， 对于合金钢是 。 20钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬 度叫做钢的 。 21钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越 ， 说明临界冷却速度越 。,Ac3+2030,500650,

28、Ac3+3050,Ac1+3050,水,油,淬硬性,右,低,二、填空题,22T8钢比T12钢的淬透性 ，淬硬性 。 23防止第二类回火脆性可采用 和 两种方法。,好,差,回火后快冷,加入W、Mo,二、填空题,1体心立方晶格的晶体在受力变形时的滑移方向是 a. b. c. 2铅的熔点为327，铅在室温下的塑性加工各为何 种加工？ a. 热加工 b. 冷加工 c.其它 3珠光体是一种： a.单相固溶体 b. Fe与C的化合物 c.两相混合物 4在发生L（+）共晶反应时，三相的成分 a.相同 b.确定 c.不定,三、选择题,b.,a.,c.,b.,5退火状态的共析钢室温时的组织为P，其组成相为 a.

29、 P b. F+Fe3C c.A+F 6F的塑性比Fe3C的塑性 a. 好 b. 差 c.相同 7铁素体的机械性能特点是： a.强度高、塑性好、硬度低 b. 强度低、塑性差、硬度低 c. 强度低、塑性好、 硬度低 8奥氏体向珠光体的转变是 a.扩散型转变 b.非扩散型转变 c.半扩散型转变,三、选择题,b.,a.,c.,a.,10过冷奥氏体向马氏体的转变是 a.扩散型转变 b.非扩散型转变 c.半扩散型转变 11某钢的淬透性为J ，其含义是： a.15钢的硬度为40HRC b.该钢离试样末端15mm处的硬度为40HRC c.该钢离试样末端40mm处的硬度为15HRC 12钢的淬透性主要取决于

30、a. 碳含量 b.冷却介质 c.合金元素 13钢的淬硬性主要取决于 a. 碳含量 b.冷却介质 c.合金元素,三、选择题,b.,b.,c.,a.,14完全退火主要适用于 a. 亚共析钢 b. 共析钢 c. 过共析钢 1520钢的渗碳温度范围 a.600650 b.800820 c.900950,三、选择题,a.,c.,1.凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 2.从一中晶格类型转变成另一种晶格类型称为再结晶。 3.液态金属结晶包括生核和长大两个基本过程。 4再结晶过程是有晶格类型变化的结晶过程。 5固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度高。 6.当形成树枝状晶体时，枝晶的各次晶轴将具有不 同

31、的位向，故结晶后形成的枝晶是一个多晶体。 7为细化晶粒，可采用增大金属的过冷度的方法。 8在铁碳合金平衡结晶过程中，只有碳质量分数 为0.77%的铁碳合金才能发生共析反应。,四、判断题,9滑移变形不会引起金属晶体结构的变化。 10孪生变形所需要的切应力要比滑移变形时所需的小 得多。 11纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各 向异性。 12在再结晶温度以上的塑性变形加工称为冷加工。 13因为B.B.C晶格与F.C.C晶格具有相同数量的滑移 系，所以两种晶体的塑性变形能力完全相同。 14除Co以外，所有的合金元素都使C曲线右移， 提高钢的淬透性。,四、判断题,15钢在回火时冲击韧性明显下降

32、的现象称为回火脆性。 16表面淬火既能改变钢的表面组织，也能改善心部得 组织和性能。 17钢的化学热处理的包括介质的分解、表面吸收 和原子扩散三个基本过程。 18.仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理 工艺称为表面热处理。,四、判断题,1细晶粒金属材料为什么具有较好的强度、 塑性和韧性？,五、问答题,答： (1)金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。 (2)晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展。 (3)由于细晶粒金属的强度较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。,2简述塑性变形对金属性能的影响。,五、问答题,答: (1)金属发生塑

33、性变形，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高。塑性和韧性明显下降。 (2)由于纤维组织和织构的形成使金属的性能产生各向异性。 (3)塑性变形可以影响金属的物理化学性能。 (4)由于金属在发生属性变形时，金属内部变形不均匀，有位错空位等晶体缺陷。,3什么是调质处理？比较45钢正火和调质处理后的机械性能，并简要说明原因。,五、问答题,答： 调质处理：淬火+高温回火的热处理工艺。 45钢调质后的机械性能和正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。这和它们的组织形态有关，调质得到的是回火索氏体，其渗碳体为粒状；正火得到的是索氏体+铁素体，索氏体中的渗碳体为片状，粒状渗碳体对阻止断裂过程的发展比片

34、状渗碳体有利。,4试就65钢和T8钢讨论如下问题： (1)比较其退火状态下的强度、硬度和塑性，并从成分和组织说明理由。 (2)在加热温度相同的情况下，比较其淬透性和淬硬性，并说明理由。,五、问答题,答： (1)强度和硬度：T865 塑性：65T8 原因： 碳质量分数：T8为0.8%，65钢为0.65% 组织：T8为P，65为F+P。 塑性全部由F提供w(C)F塑性； 因此，塑性：65T8,硬度主要决定于Fe3C的含量，w(C)Fe3C、F硬度 ； 因此，硬度：6565，原因：对于亚共析钢随w(C)C曲线右移，淬透性提高。 硬性：T865，原因：T8比65钢碳质量分数高,5碳质量分数为0.6%的

35、碳钢，问答以下问题： (1) 从液态缓慢冷却到727时将发生什么发应？写出反应式。 (2) 利用杠杆定律求出该钢室温时F和P的质量分数。 (3) 请补全杠杆定律图(图2)中二个空白框()的数字。,五、问答题,P,P,(1)共析反应,(2),答：,6碳质量分数为1.2%的碳钢，问答以下问题： (1) 从液态缓慢冷却到727时将发生什么发应？写出反应式。 (2) 利用杠杆定律求出该钢室温时P和Fe3C的质量分数。 (3) 请补全杠杆定律图中二个空白框()的数字。,五、问答题,P,P,(1)共析反应,(2),答：,1.2,6.69,P,Fe3C,0.77,7用显微镜观测某退火状态下的亚共析钢，若估计

36、其中的珠光体的质量分数为80%，计算： (1)该钢的碳质量分数。 (2)用杠杆定律计算该钢的铁素体F和渗碳体Fe3C 的质量分数。 (3)请补全杠杆定律图中二个空白框的数字。,五、问答题,(1)质量分数为碳质量分数为: 0.77%80%=0.62%,答：,(2),8 图为T12的钢退火状态的室温金相图，问答以下问题： (1)说明其组织和组织特征 (2)确定该钢合适的淬火温度范围，并说明原因。,五、问答题,图 T12的钢退火状态的室温金相图,五、问答题,(2)合适的淬火温度为 Ac1+3050，T12为过共析钢，将其加热到Ac1以上两相区，组织中会保留少量的渗碳体，而有利于钢的硬度和耐磨性，并且

37、，由于降低了奥氏体中的碳质量分数，可以改变马氏体的形态，从而降低马氏体的脆性。此外，还可减少淬火后残余奥氏体的量。,五、问答题,9指出下列工件的淬火及回火温度，并说明回火后获得的组织和性能。 (1)45钢小轴。 (2)60钢弹簧。,答： (1)淬火温度：Ac3+3050 回火温度：500650 组织：回火索氏体 性能：良好的综合机械性能 (2)淬火温度Ac3+3050 回火温度350500 组织：回火屈氏体 性能：高的弹性极限和屈服极限,10.图为铁-碳相图，过碳质量分数为0.77%处作一条垂线，该垂线与铁碳相图的交点为1、2、3、4，试根据该图回答以下问题。,五、问答题,图 铁-碳相图,(1

38、)说明碳质量分数为0.77%的钢在1-2、2-3、3-4冷却结晶过程的产物。 (2)该钢冷却到3点将发生什么反应？写出反应式。 (3)画出该钢室温组织示意图，并标注组织。 (4)该钢合适的淬火温度为多少？,(1) 1-2之间为L+A ，2-3之间为A，3-4之间为P (2) 3点发生共析反应。,图 铁-碳相图,(3),(4) Ac1+3050,11.图为铁-碳相图，过碳质量分数为1.2%处作一条垂线，该垂线与铁碳相图的交点为1、2、3、4、5，试根据该图回答以下问题。,五、问答题,图 铁-碳相图,(1) 说明T12钢在1-2、2-3、3-4、4-5之间冷却结晶过程的产物。 (2)说明ES线的作

39、用。 (3)说明3、4两点奥氏体A的碳质量分数各等于多少？ (4)该钢冷却到4点将发生什么反应？写出反应式。,答： (1) 1-2之间为L+A ，2-3之间为A，3-4之间为A+Fe3C，4-5之间为P+Fe3C (2) ES线是碳在奥氏体(A)中固溶线。 (3) 3点奥氏体(A)的碳质量分数为1.2% 4点奥氏体(A)的碳质量分数为0.77% (4) 4点发生共析反应。,第3章 金属材料,重点： (1)各类合金钢的钢号、成分特点、热处 理工艺、组织、性能以及它们的应用。 (2)合金钢中各主要合金元素的作用。,金属材料,黑色金属,有色金属,铁和铁为基的合金。,黑色金属以外的所有金属和合金。,要

40、熟练掌握的金属材料的牌号,碳钢：Q235 优质碳素结构钢如45 碳素工具钢如T12,合金钢：Q345(16Mn) 20Cr、20CrMnTi 40Cr、35CrMo、40CrNiMo 60Si2Mn GCr15 CrWMn 9SiCr W18Cr4V 1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti,要熟练掌握的金属材料的牌号:,铸钢：ZG35,铸铁：HT200 QT600-2 KT300-6 RuT420,轴承合金：ZChSnSb11-6 ZChPbSb16-16-2,主要掌握以下几方面的内容： 牌号、成分特点、热处理工艺、组织、性能、用途,3.1 碳钢,碳钢的分类： 低碳钢、中碳钢、高碳钢 普通

41、碳素钢、优质碳素钢、高级优质碳素钢 碳素结构钢、碳素工具钢,碳素结构钢：Q+数字表示+（字母） 例：Q235CF,碳钢的牌号,优质碳素结构钢：平均碳质量分数的万分数表示。 例： 45钢 w(C)=0.45%,碳素工具钢:平均碳质量分数的千分数表示。 例：T10,w(C)=1.0%,3.2 合金钢,合金钢的分类: 合金结构钢(低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质 钢、 合金弹簧钢、滚珠轴承钢) 合金工具钢(合金刃具钢、合金模具钢、量具钢) 特殊性能钢(不锈钢、耐热钢、耐磨钢),专用钢用汉语拼音字首来表示。 少数特殊性能钢的编号例外。,特例1：滚珠轴承纲：GCr15：w(C)约为1.0% w(Cr)

42、约为1.5%,特例2：易切削钢：Y40Mn: w(C)约为0.4% w(Mn)1.5%,特例3：高级优质钢在钢的末尾加“A”：20Cr2Ni4A,电化学腐蚀 固溶处理 稳定化处理 消除应力退火 水韧处理,3.3 铸钢和铸铁,铸钢牌号：ZG+平均碳质量分数 例：ZG35,石墨化 石墨化三个阶段 铸铁的组织：钢的基体+石墨,铸铁的分类与牌号： 灰口铸铁(例HT150) 球墨铸铁(例QT700-2) 可锻铸铁(例KT300-6、TZ500-4) 蠕墨铸铁(例RuT420),3.4 有色金属及其合金,固溶处理 时效(自然、人工) 回归,铝合金分类： 形变铝合金(能热处理强化、不能热处理强化） 铸造铝合

43、金,铝合金,铜及铜合金,纯铜,铜合金分类,黄铜,青铜：锡青铜、铝青铜、铍青铜等,白铜：锌白铜、锰白铜、铁白铜,普通黄铜,复杂黄铜：铅黄铜、锡黄铜、 铝黄铜、硅黄铜,单相黄铜,双相黄铜,钛及钛合金,纯钛,钛合金分类： 钛合金 钛合金 +钛合金,轴承合金（滑动轴承）,轴承合金分类：,锡基、铅基、铝基、铜基,牌号：,ZCh+基本元素符号+主加元素符号+主加元素含量+辅加元素含量,锡基轴承合金：典型牌号：ZChSnSb11-6,铅基轴承合金：典型牌号：ZChPbSb16-16-2,1. 变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质 剂，以细化晶粒和改善组织。 2.石墨化：铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程。

44、3.时效：在室温下放置或低温加热时，强度和硬 度会明显升高。,一、名词解释,考前复习题3,1Q235是 钢，可制造 等。 2T12是 钢，可制造 等。 340Cr是 钢，可制造 等。 4W18Cr4V是 钢，可制造 等。 5球墨铸铁石墨的形状为 ，可锻铸铁石墨的形状为 。 6蠕墨铸铁石墨的形状为 ，灰口铸铁石墨的形状为 。,普通碳素结构,钢筋,碳素工具,二、填空题,板锉,合金调质,轴,高速,车刀,球状,团絮状,蠕虫状,片状,7HT200牌号中“HT”表示 ，数字“200”表示 。 8QT600-2是 铸铁的牌号。,灰口铸铁,最低抗拉强度,球墨,三、选择题,135CrMo为合金调质钢，其中Mo不

45、仅可以提高淬透 性，而且还可以 a.提高红硬性 b.防止第一类回火脆性 c. 防止第二类回火脆性 2 1Cr18Ni9Ti中铬的质量分数为： a. 1 b. 1.8 c. 18 31Cr18Ni9Ti不锈钢是： a铁素体不锈钢 b.马氏体不锈钢 c. 奥氏体不锈钢 4 GCr15中铬的质量分数为： a. 0.15 b. 1.5 c. 15 5 W18Cr4V中铬的质量分数为： a. 18 b. 4 c. 0.4,c.,c.,c.,b.,b.,三、选择题,5铸铁的石墨化过程分为三个阶段，其中从奥氏体中析出二次石墨的过程是： a.第一阶段的石墨化 b. 第二阶段的石墨化 c. 第三阶段的石墨化 6

46、机床导轨通常选用 a.可锻铸铁 b.灰口铸铁 c.球墨铸铁 7把经过淬火时效的铝合金，迅速加热到(200300)或略高一些的温度，保温(23)min，在清水中冷却，使其恢复到淬火状态，这种工艺称作 a. 回归处理 b.时效处理 c.稳定化处理 8以铜、锌为主的合金称 a.黄铜 b.青铜 c.白铜,b.,b.,a.,a.,三、选择题,9以铜、锡为主的合金称为： a.黄铜 b.青铜 c.白铜 10牌号H80表示： a.黄铜 b. 青铜 c. 白铜 11下面哪个牌号的合金是滑动轴承合金。 a. ZChSnSb11-6 b.GCr15 c.20CrMnTi 12ZChPbSb16-16-2是一种： a

47、. 锡基轴承合金 b.铅基轴承合金 c.铜基轴承合金 13下面哪一个牌号属于锡基轴承合金： a. ZChPbSb16-16-2 b. ZChSnSb11-6 c.ZQSn10-1,b.,a.,a.,b.,b.,1可锻铸铁在高温时可以进行锻造加工。 2根据成分及工艺特点，铝合金分变形铝合金和铸造铝合金。 3把经过淬火时效的铝合金，迅速加热到(200300)或略高一些的温度，保温(23)min，在清水中冷却，使其恢复到淬火状态，这种工艺称作时效处理。,四、判断题,1说明40CrNiMo和9SiCr的钢种和用途，并分别分析这两种钢中各元素的作用。,五、问答题,答： 40CrNiMo属于合金调质钢，用

48、于制造汽轮机主轴；Cr、Ni、Mo提高淬透性，Mo还可防止第二类回火脆性。 9SiCr属于低合金刃具钢，用于制造扳牙；Cr提高淬透性，Si提高回火稳定性。,2就20CrMnTi钢和40Cr钢回答如下问题： (1)两种合金钢的钢种。 (2)在加热温度相同的情况下，比较其淬透性和淬硬性，并说明理由。 (3)采用的最终热处理工艺和最终的组织。,五、问答题,答： (1)20CrMnTi属于合金渗碳钢，40Cr属于合金调质钢。 (2)淬透性： 20CrMnTi40Cr，原因：20CrMnTi比40Cr合金元素含量多 淬硬性：20CrMnTi40Cr，原因：20CrMnTi比40Cr碳质量分数低，20Cr

49、MnTi的碳质量分数为0.2%，40Cr的碳质量分数为0.4%。,(3) 20CrMnTi 淬火+低温回火 组织：表面：回火马氏体+残余奥氏体 心部：屈氏体+回火马氏体+少量铁素体 40Cr淬火+高温回火 组织：回火索氏体,3.为了防止电化学腐蚀，某零件选用了0Cr18Ni9Ti不锈钢。试回答以下问题： (1)分别说明Cr、Ni、Ti的质量分数。 (2)分别说明Cr、Ni、Ti在该合金钢中的作用。 (3)该合金钢常用的热处理方法。,五、问答题,答： (1) w(Cr)=18% w(Ni)=9% w(Ti)1.5% (2) Cr：提高钢基体的电极电位，铬在氧化性介质中极易钝化。 Ni：可获得单相

50、奥氏体组织，显著提高耐蚀性。 Ti：减轻钢的晶界腐蚀倾向。 (3)热处理方法：固溶处理、稳定化处理。,4不锈钢的固溶处理与稳定化处理的目的各是什么？并举出奥氏体不锈钢的一个牌号。,五、问答题,答： 不锈钢的固溶处理是将钢加热到10501150 使碳充分溶解，然后水冷，其目的是获得单相奥式体组织，提高耐蚀性。 不锈钢的稳定化处理是将钢加热到850880 ，使钢中的铬的碳化物完全溶解，而钛以碳化钛形式充分析出。其目的是使碳将不再同鉻形成碳化物，因而有效地消除了晶界贫鉻的可能，避免了晶界腐蚀的产生。 1Cr18Ni9Ti属于奥氏体不锈钢。,5.选用40Cr制造车床主轴零件，其加工路线如下： 下料锻造

51、正火粗加工调质处理精加工轴颈表面表面淬火+低温回火磨削加工 (1)说明各热处理后得到的组织和具有的性能。 (2)画出热处理工艺曲线示意图。,五、问答题,(1)组织与性能 原始组织：F+P 正火后的组织：F+S 性能：硬度适中便于切削加工,调质（淬火+高温回火）后的组织：回火S 性能：良好的综合机械性能。,表面淬火+低温回火： 表面组织为：回火M。性能：硬度较高，耐磨。 心部组织为：回火S。性能：良好的综合机械性能。,时间,温 度,空冷正火,Ac3+30-50=840 左右,油冷淬火,高温回火,乳化液淬火,低温回火,500650 ,150250 ,图40Cr制造车床主轴热处理工艺图,(2),6.

52、某弹簧硬度要求35HRC-45HRC，其加工路线如下:下料卷成型淬火+中温回火喷丸强化两端磨平 请回答： (1)下列材料中选择一种制造弹簧的材料？ 20，45，65，T12 (2)说明工艺路线中中温回火后获得的组织、形态和性能。 (3)画出热处理工艺曲线图，并给出热处理工艺参数。,答： (1) 选65钢,五、问答题,(2)组织：回火T，铁素体基体与大量分布的细粒状渗碳体的混合物，铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 性能：回火T具有极高的弹性极限和屈服极限，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC-45HRC。,时间,温 度,(Ac3+3050 ),图 65制造弹簧的热

53、处理工艺路线图,(3),第4章 高分子材料,重点：高分子材料的结构 常用工程塑料的性能特点、应用,塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂,高分子化合物分类,高分子材料 加聚反应 缩聚反应 热塑性聚合物 热固性聚合物,高分子化合物有关概念,常用工程塑料,1.热塑性塑料 聚乙烯(PE) 聚丙烯(PP) 聚氯乙烯(PVC) 聚苯乙烯(PS) ABS塑料 聚酰胺(PA) 聚甲醛(POM) 聚碳酸酯(PC) 氟塑料：聚四氟乙烯(F-4) 聚砜(PSF) 有机玻璃,2.热固性塑料 酚醛塑料(PE) 环氧塑料(EP),常用合成纤维,涤纶(的确良)、锦纶(尼纶)、维纶、丙纶、氯纶,常用合成橡胶,1.通用合成橡胶 丁苯橡

54、胶 顺丁橡胶 氯丁橡胶,2.特种橡胶 丁腈橡胶 硅橡胶 氟橡胶,第5章 陶瓷材料,重点： 了解陶瓷材料的结构、性能和应用,分类：,陶瓷材料：各种无机非金属材料的统称。,原料：粘土、石英和长石,坯料的成型：可塑成型、注浆成型、压制成型,瓷化、烧成、烧结,陶瓷的性能：具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高的硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。,普通日用陶瓷,日用陶瓷主要用作日用器皿和瓷器。 性能要求：良好的光泽度、透明度， 热稳定性和机械强度高。,普通工业陶瓷,普通工业陶瓷：炻器、精陶 按用途分：建筑卫生陶瓷、电工瓷、 化学化工瓷,特种陶瓷,第6章

55、复合材料,重点： 复合材料的复合机制和原则 复合材料比组成材料性能优越的原因 复合材料的性能及应用,复合材料：是指两种或两种以上的物理、化学性质不同的物质经一定方法得到的一种新的多相固体材料。,复合材料由基体材料和增强相构成的。,(1)玻璃钢(玻璃纤维增强工程塑料) 热固性玻璃钢、热塑性玻璃钢 (2)碳纤维树脂复合材料 (3)硼纤维树脂复合材料 (4)金属陶瓷、硬质合金,几种复合材料,第7章 功能材料,重点：了解功能材料类型及应用,功能材料：具有某种或某些特殊物理性能或 功能的材料。,第8章 机械零件的失效 与选材原则,重点： (1)各种失效形式(畸变、断裂、磨损及腐蚀) (2)失效分析方法

56、(3)正确选材的三个原则。,运用前面的知识，解决实际问题。,课程主线：成分组织性能应用,工艺,畸变失效：弹性畸变、塑性畸变、翘曲畸变,失效、 失效模式、失效机理,表面损伤失效,磨损失效： 粘着磨损 磨料磨损 表面疲劳磨损 冲刷磨损 腐蚀磨损,腐蚀失效： 均匀腐蚀 点腐蚀 晶间腐蚀 应力腐蚀,韧性断裂 脆性断裂 韧性-脆性断裂,断裂失效,沿晶断裂 穿晶断裂 混晶断裂,失效的基本原因：设计因素制造(工艺)因素装配调试因素材质因素运转维修因素,失效分析的基本方法： 成分分析法 断口分析法 显微分析法 应力分析法 机械性能测试法 断裂力学分析法等,机械零件选材的三个原则： 使用性能原则 工艺性能原则 经济性能原则,第9章 典型工件的选材 及工艺路线设计,重点： (1)典型工件的工作条件、失效形式、性能