机械工程复习材料

机械工程材料复习机械工程材料复习 第一部分第一部分 基本知识基本知识 一、概述一、概述 目的目的 掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能性能和改性改性方法的基本知识（性能性能和改性方法是重点） 。 具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料； 具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。 复习方法复习方法 以“材料的化学成分加工工艺组织、结构性能应用” 之间的关系为主线，掌握材料性性 能能和改性改性的方法，指导复习复习。 二、材料结构与性能：二、材料结构与性能： 材料的性能材料的性能： 使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性） ； 工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。 材料的晶体结构的性能：材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）结构（第二章） ； 纯金属：纯金属：体心立方（） 、面心立方（） ，各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高 e F- e F- 实际金属：实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）各向同性；强 度、硬度增高；塑性、韧性降低。 合金：合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。 单相合金组织：单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。 多相合金组织：多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。 多相合金组织性能：多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。 材料的组织结构与性能材料的组织结构与性能 。结晶组织与性能：。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld； 1 1）平衡结晶组织）平衡结晶组织 平衡组织：平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使 使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。 2）成分、组织对性能的影响）成分、组织对性能的影响 硬度硬度(HBS)(HBS)：随 C,C,硬度硬度呈直线增加， HBS 值主要取决于组成相的相对量。CFe3 抗拉强度抗拉强度( () )：CC0.9%范围内，先增加，CC0.91.0后，值显著下降。 b b 钢的塑性钢的塑性( () )、韧性、韧性( () )：随着 C,C,呈非直线形下降。 k a 3 3）硬而脆的化合物对性能的影响：）硬而脆的化合物对性能的影响： 第二相强化：第二相强化：硬而脆的化合物， 若化合物呈网状分布：若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及 切削加工性提高； 呈弥散分布于基体上：呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、 韧性仅略有下降或不降即弥散强化； 呈层片状分布于基体上呈层片状分布于基体上：则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。 。塑性变形组织与性能。塑性变形组织与性能 1 1）组织与性能的变化）组织与性能的变化 金属塑性变形后产生晶格畸变，晶粒破碎现象，处于组织不稳定状态的非平衡组织非平衡组织， 非平衡组织向平衡组织转变：非平衡组织向平衡组织转变：可通过再结晶、时效及回火实现。 加工硬化， 物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性： 产生纤维状组织；晶粒破碎、位错密度增加；织构现象的产生；残余内应力。 2)2)变形金属在加热过程中组织和性能的变化变形金属在加热过程中组织和性能的变化 回复回复（去应力退火）：强度和硬度略有下降，塑性略有提高。电阻和内应力等理化性能显著下降电阻和内应力等理化性能显著下降 再结晶：再结晶：形成细小的等轴晶粒。加工硬化消失，金属的性能全部恢复。金属的强度和硬度明显 ，而塑性和韧性显著，性能完全恢复到变形前的水平。 。热处理组织与性能。热处理组织与性能 1)1)贝氏体的机械性能贝氏体的机械性能： 上贝氏体上贝氏体：铁素体片较宽塑性变形抗力较低；同时，渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆 断因此，强度和韧性都较差强度和韧性都较差。 下贝氏体下贝氏体：铁素体针细小，碳化物分布均匀，所以硬度高，韧性好，综合机械性能好。硬度高，韧性好，综合机械性能好。 2)2)马氏体的形态及机械性能马氏体的形态及机械性能 板条马氏体（板条马氏体（又称位错马氏体。）：碳含量碳含量0.230.23； 机械性能机械性能：不存在显微裂纹，淬火应力小，强度高，塑性、韧性好。 针状马氏体：碳含量针状马氏体：碳含量1.01.0；（显微镜下呈针状） 机械性能机械性能：存在大量显微裂纹，较大的淬火应力，塑性和韧性均很差； 混合组织马氏体：混合组织马氏体：碳含量在 0.23一 1.0之间时为板条和片状马氏体的混合组织。 马氏体的硬度马氏体的硬度, ,含碳最增加，硬度升高含碳量达到 0.6以后，其硬度的变化趋于平缓。 合金元素合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。 3 3）回火组织与性能）回火组织与性能 回火类型回火温度组织性能及应用组织形态 低温回火 150250 回火 M（M ）保持高硬度，降低脆性及残 余应力，用于工模具钢，表 面淬火及渗碳淬火件 过饱和碳化物()CFex 中温回火 350-500 回火屈氏体 （T ） 硬度下降，韧性、弹性极限 和屈服强度，用于弹性元 件 保留马氏体针形 F+细粒状 Fe3C 高温回火 500-650 回火索氏体 （S ） 强度、硬度、塑性、韧性、 良好综合机械性能，优于正 火得到的组织。中碳钢、重 要零件采用。 多边形 F+粒状 Fe3C 材料组织结构变化实现的性能强化材料组织结构变化实现的性能强化： 固溶强化固溶强化：通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化； 细晶强化：细晶强化：强度、硬度越高；其塑性、韧性越好。晶界处原子排列混乱，使其熔点低，易受腐蚀。 由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。 加工硬化：加工硬化：使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加，从而使强度、硬度增加，塑性、韧性、耐蚀 性等下降，并产生各向异性。冷塑性变形实现。 第二相强化：第二相强化：硬而脆的化合物（Fe3C），若呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若呈球状、粒状（球墨铸铁）：使韧性及切削加工性提高； 呈弥散分布于基体上：使强度、硬度增加，塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强 化； 呈层片状分布于基体上：强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。 形变强化：形变强化：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度； 相变强化：相变强化：通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。 三、材料热处理、合金化与性能三、材料热处理、合金化与性能 改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理）改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理） 退火退火：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火 退火退火：加热保温缓冷获得接近平衡状态组织。 退火目的： 改善铸、锻、焊粗大不均匀的组织，降硬度，提高塑性，改善冷加工工艺性。 消除成分不均匀，内应力。 1 1）完全退火）完全退火（加热 Ac3（2030）温度，保温、缓冷 组织：组织：P+F 目的：目的：细化，均匀化粗大、的原始组织；降低硬度切削性；消除内应力；消除组织缺 陷； 应用：应用：（C%=0.30.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧 2 2）球化退火）球化退火 加热加热 Ac1（1030），保温、缓冷（或 Ar1（2030）等温） 应用：应用：过，共析钢、高碳合金钢 组织：组织：球状 P（F+球状 Cem） 目的目的：Fe3CII及 Fe3C共析共析球化HRC，韧性切削性 为淬火作准备；球化退火前，正火处理，消除网状碳化物，以利于球化进行。 3 3）扩散退火）扩散退火 加热加热 10501150，保温 1020h,冷却：炉冷 组织：组织：P+F 或 P+Fe3CII 目的：目的：消除偏析 后果：后果：粗晶、魏氏组织、带状组织，韧性、塑性较差，需完全退火或正火来细化晶粒。 4 4）去应力退火（再结晶退火）去应力退火（再结晶退火） 加热：加热：Ac1（100200）；保温炉冷； 目的：目的：消除加工硬化，消除残余应力。 正火正火 正火正火：亚共析加热 Ac3 （3050）、 过共析钢加热 Accm（3050）保温空冷，得到 P 类工艺。 组织组织：S 或 P（FFe3C） 正火与完全退火的区别正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，得更高的强度和硬度；生产周期较短，成本较低。 目的及应用：目的及应用：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。 预先热处理工艺应用预先热处理工艺应用 工具钢：球化退火；结构钢：正火，完全退火。表面强化处理的零件：调质处理正火。 改善冷塑性加工性能改善冷塑性加工性能 再结晶退火再结晶退火：恢复变形前的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。 改善机加工性能改善机加工性能 C%0.40中低碳钢：正火，提高硬度 C% 0.4O0.60：完全退火； C% 0.6的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。 合金钢：退火： 铸铁件白口层：加热 850950保温（炉冷空冷） 。 消除材料的加工应力消除材料的加工应力 去应力退火去应力退火：没有组织变化。 工艺工艺：缓慢加热 500650保温缓冷， 钢铁的淬火钢铁的淬火 淬火原则与淬透性淬火原则与淬透性 目的目的：提高硬度、强度、耐磨性。 原则原则：淬硬，获尽量完全的 M；淬透，M 组织表里如一；保证淬硬条件下，用缓冷介质，以 防开裂。 . . 淬透性：淬透性：在规定淬火条件下得到 M 多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢 的属性。由 A过稳定性决定，表现为的大小。 K V 淬透性评定：淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。 .淬透层深度淬透层深度：从表面至半 M 区的距离。与钢的淬透性及外在因素有关。 影响因素影响因素：I I 越小，淬透层越深；IIII工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；淬透层越深； K V 。水淬比油淬的淬透层深； .淬硬性淬硬性：由 M 中 C%，钢的淬硬性越好。淬硬性越好。 淬火工艺淬火工艺 淬火加热温度淬火加热温度 亚共析碳钢：亚共析碳钢： （3050），组织组织：均匀细小 M 组织 C3 A 温度太高， M 粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温度时，硬度降低。 C3 A 共析和过共析碳钢：共析和过共析碳钢： 加热加热：（3050）。组织组织：MF Fe3e3C CIIIIA Ar r， C1 A 若在Acm以上淬火，A 粗大高碳 M M 粗大力学性能，变形开裂 C1 A 合金钢合金钢：加热温度碳钢 淬火方法淬火方法 单介质淬：单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油 双介质淬火双介质淬火 先水，后油冷却。复杂高碳钢及大型合金钢工件。 分级淬火分级淬火 稍高于 Ms的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。用于用于：小尺寸工件及刀具。 贝氏体等温淬火：贝氏体等温淬火： 稍高 Ms温度的盐浴或碱浴中冷却保温，获得 B下。用于用于：形状复杂和性能较高的较小零件。 深冷处理：深冷处理：在 0以下的介质中冷却的热处理工艺。 目的目的：减少 Ar获最大数量 M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。 用于用于：精密工件，量具。 表面淬火表面淬火 原理：（原理：（交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应表面加热） 工艺：工艺：水（乳化液）喷射淬火（180180200200）低温回火）低温回火， 感应加热表面淬火的分类感应加热表面淬火的分类 1)1)高频淬火高频淬火 淬硬层深度 0.52.5；中小零件。 2)中频淬火中频淬火 淬硬层深度 210；大中模数齿轮,较大轴类零件等 3)工频淬火工频淬火： 淬硬层深度 1020；大直径零件。 适用钢种适用钢种 中碳钢和中碳低合金钢： 碳素工具钢和低合金工具钢： 球铁、灰铸铁。球铁、灰铸铁。 表面淬火的特点表面淬火的特点 加热速度快 )淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。表面硬度23HRC，脆性。 显著提高钢件的疲劳强度。 钢的化学热处理钢的化学热处理 化学热处理化学热处理：在加热和保温中使活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织改变表面的化学成分和组织，改善表面性 能。 目的：目的：提高表面硬度，耐磨性，心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性；提高钢件的疲劳强 度；抗蚀性和耐热性等。 渗碳渗碳 1 1）碳浓度：）碳浓度：表面 C(0.150.30)C 1.0， 机械性能机械性能：经淬火回火，提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性和塑性。 用途用途：各种齿轮、活塞销、套筒等。渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢。 2 2）渗碳工艺）渗碳工艺 温度温度： 900950；（渗碳加热到以上） 3C A 渗碳时间渗碳时间： 900950温度下，0.20.3mm/h。 3 3）低碳钢渗碳缓冷组织）低碳钢渗碳缓冷组织： 表层：表层：PFe3CII(过共析相) 心部心部：亚共析组织(PF)， 中间中间：过渡组织； 4 4）渗碳后的热处理）渗碳后的热处理 渗碳后淬火渗碳后淬火+ +低温回火低温回火 淬火后组织淬火后组织： MA残， 钢的合金化钢的合金化 合金元素在钢中的作用：合金元素在钢中的作用：提高钢的淬透性，细化晶粒，提高钢的回火稳定性，防止回火脆性，二次 硬化，固溶强化，第二相强化（弥散强化） ，增加韧性，提高钢的耐蚀性或耐热性。 形成固溶体、产生固溶强化 形成含部分金属键的金属（间）化合物，产生弥散强化（或第二相强化） 溶入奥氏体，提高钢的淬透性 提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性 细化晶粒产生细晶强韧化 形成钝化保护膜 对奥氏体和铁素体存在范围的影响 四、常用机械工程材料（工业用钢、铸铁）与合理选材（表四四、常用机械工程材料（工业用钢、铸铁）与合理选材（表四-1） 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 低合低合 金高强金高强 钢钢 按 s 分 6 级: 低强度级别:16Mn 一般 工程结构 中等强度级别:15MnVN 大型桥梁,锅炉,船舶,焊接 结构. 高强度级别:18MnMoNb 高压锅炉,高压容器 高强度高强度: s300Mpa 高韧性高韧性： =15%20%，室温 ak600 kJ/m2800 kJ/m2。 良好焊接性良好焊接性能和冷 成形性能 低低 C C:0.2% MeMe 以以 MnMn 为主为主、Mn 和 Si 固溶 强化 加入 V、,Nb,Ti 等元素细化 F 晶粒 加入 P 细化珠光体 加入 Cu 抗腐蚀 一般供应状态使用,不热处理焊接结 构 可进行一次正火,改善焊区性能 铁素体+索氏体 合金合金 渗碳钢渗碳钢 低淬透性低淬透性:20Cr,15Cr 小 冲击载荷耐磨件,如活塞销, 小齿轮. 中淬透性中淬透性:20CrMnTi：高 速较高载有冲击的耐磨件, 重要齿轮,连轴器。 高淬透性高淬透性:18Cr2Ni4WA 重载大截面重要耐磨件,如 柴油机曲轴,连杆 渗层硬度高,耐磨, 抗接触疲劳,且有适 当塑性,韧性 心部高韧性和足够 强度 良好的热处理工艺 性能 低低 C C: 0.1%0.25% 加入提高淬透性元素加入提高淬透性元素 Cr,、Ni,、Mn、,B 加入 Mo,W,V,Nb,Ti 等阻碍 A 晶粒长大和形成稳定的合金碳化 物,提高耐磨性 预先热处理（预先热处理（改善切削加工性能） 锻压后锻压后正火正火 最终热处理最终热处理：渗碳后淬火（渗碳后淬火（直接或一 次、二次淬火）低温回火）低温回火 20CrMnTi 齿轮工艺路线：下料锻 造正火加工齿形渗碳(930)， 淬火(830) 低温回火(200) 磨齿 表层：高碳 M粒状 CemCemA 心部： 淬透： 低碳 M 未淬透： TMF(少量) 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 合金合金 调质钢调质钢 低淬性:40Cr,40MnB 一 般尺寸重要零件, Do3040 中淬透性: 40CrNi, Do4060 高淬透性: 40CrNiMoA 大截面重载重要零件, Do60160 高水平综合机械性能, 能满足多种和较复 杂的工作条件 中中 C C：0.25%0.50%以 0.4 左 右为主 加入提高淬透性元素 Cr,Ni,Mn,Si,B 加入 Mo,W 消除回火脆 一般:油淬+高温回火调质 若要求表面耐磨若要求表面耐磨：调质后可进行表面 淬火或氮化处理。 表面淬火; 专门化学热处理(如氮化) (38CrMoAl 氮化钢) S 合金合金 弹簧钢弹簧钢 以 Si,Mn 合化:65Mn, 60Si2Mn 用于汽车,拖拉机, 机车的板簧和螺旋弹簧 以 Cr,V,W 合金化: 50CVA350400以下重 载, 较大型弹簧,如高速柴 油机气门弹簧. 高 e 和 s ,高 屈强比 高疲劳抗力 足够塑韧性,能承 受震动,冲击 有较好淬透性,不 易脱 C ,易绕卷成形 中高中高 C C:0.45%0.70% 加入 Si,Mn 提高淬透性也提高 屈强比 加入 Cr,W,V 也提高淬透性 加入 Si-Cr 不易脱 C 加入 Cr-V 细化晶粒, 耐冲击,高温强度好 热成形法热成形法制弹簧热轧钢丝钢板卷 弯曲成型淬火+中温回火喷丸 冷成形法冷成形法制弹簧钢丝钢板淬火+ 中温回火冷卷弯曲成型去应力 喷丸 T 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 滚珠滚珠 轴承钢轴承钢 Cr 轴承钢: GCr15 中小 型轴承,冷冲模,量具,丝锥. 添加 Mn,Si,Mo,V 的钢: GCr15SiMo,GSiMnMoV 制造 大型轴承. 高接触疲劳强度 高硬度和耐磨性 足够的韧性和淬透 性 一定耐蚀能力和良 好尺寸稳定性 高高 C C:0.95%1.10% CrCr 基本元素基本元素:提高淬透性;细化 Cem;提高耐磨性和接触疲劳抗力; Cr0.41.65 加入加入 Si,MnSi,Mn 提高淬透性提高淬透性;加入 V 耐磨性,防止过热 纯度要求极高 S0.02，P0.027 预先热处理（球化退火）预先热处理（球化退火） 正火:消除 Cem 网 球化退火:便于切削, 使细小均 匀,为淬火作准备 最终热处理：（淬火（最终热处理：（淬火（800840） 低温回火（低温回火（150170） ） 冷处理:(精密零件)尺寸稳定 M粒状 CemCem少量 A A残 残 余余 低合低合 金刃具金刃具 钢钢 Si-Cr 系:9SiCr,低速 切削刃具 Cr 系:Cr,Cr06 如,铰 刀,刮刀,锉刀等. Cr-W-Mn 系:CrWMn 如 拉刀,冲模,样板,量规 W 和 Cr-W 系:小麻花钻, 低速切削刃具 高硬度:HRC60 高耐磨性 高热硬性 足够塑性和韧性 高高 C C:0.9 %1.1 % 加入加入 Cr,Mn,SiCr,Mn,Si 提高淬透性提高淬透性 加入 Si 提高回火稳定性 加入 W,V 提高耐磨性,并防止加 热时过热，保持晶粒细小 预备热处理预备热处理：锻造后进行球化退火。 最终热处理最终热处理：淬火+低温回火工艺路 线：锻造球化退火机加工淬火 低温回火 M粒状 CemCem少量 A A残 残 余余 与碳素工具 钢相比较，淬 透性提高，可 采用油淬火。 变形和开裂倾 向小。 钢 种 典型钢号及其应用 性能特点 成分特点与合金化原则 热处理特点 使用态组织 高速高速 钢钢 （高速（高速 工具速工具速 钢）钢） W 系:W18Cr4VW18Cr4V W-Mo 系:W6Mo5Cr4V2 作 高速切削刃具铸造组织有 鱼骨状共晶 高硬度:HRC 60 高耐磨性 高热硬性 足够塑性和韧性 高高 C:C:0.7 %1.5 % 要保证能与 W、Cr、V 等形 成足够数量的 CemCem；有一定数量 的 C 溶于 A 中，以保证 M 的高硬 度。） 加入加入 CrCr 提高淬透性提高淬透性 铬的碳化物(Cr2C6)在淬火加 热时几乎全部溶于奥氏体中，增 加 A A过冷 过冷的稳定性，钢的淬透性。 还提高抗氧化、脱碳能力 加入加入 W,MoW,Mo 提高热硬性提高热硬性 （提高回火稳定性和热硬性的主 要元素） 加入加入 V V 提高耐磨性提高耐磨性 V 形成的碳化物 vC(或 V4C3)非 常稳定，极难溶解，硬度较高 属于莱氏体钢， 锻造锻造：共晶莱氏体呈鱼骨胳状，热处 理不能消除，只能热变形破碎， 预热处理：预热处理：等温退火，消除内应力， 改善切削，组织准备。 最终热处理：最终热处理： 1270淬火 560580回火(三次)：若冷处 理只需一次回火 回火回火( (三次三次) )：消除内应力 消除 A A残余 残余 齿轮铣刀生产过程的工艺路线如 下： 下料锻造退火机械加工 淬火+回火喷砂磨加工成品。 M+少量 A A残余 残余 + CemCem。 第二部分第二部分 考试知识考试知识 第一章第一章 金属的机械性能（了解）金属的机械性能（了解） 1低碳钢的拉伸图 2材料的性能：强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性。 第二章第二章材料的组成和内部结构特征材料的组成和内部结构特征 掌握概念（名词解释）：掌握概念（名词解释）： 固溶体、固溶强化、枝晶偏析、A、F、P、Fe3C; 合金中的基本相结构合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物 固溶体：固溶体：产生晶格畸变，增加晶体位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，使金属得到强化。 金属化合物：金属化合物：熔点、硬度高、脆性大。碳钢中的 Fe3C。对钢的强度和耐磨性有重要的作用。 金属化合物对固溶体基体的强化作用金属化合物对固溶体基体的强化作用： 弥散硬化弥散硬化：当金属间化合物以极小的粒子均匀分布在固溶体基体上通常能提高合金的强度、硬度以 及耐磨性，但会降低合金的塑性和韧性。 掌握铁碳相图基本知识：掌握铁碳相图基本知识： 正确填写铁碳相图的相组成物相图正确填写铁碳相图的相组成物相图 两条水平线是什么线，能写出反应式，解释共晶、共析反应。两条水平线是什么线，能写出反应式，解释共晶、共析反应。 正确填写铁碳相图的组织组成物相图正确填写铁碳相图的组织组成物相图 第第 3 3 章章 工程材料成型过程中的行为与性能变化工程材料成型过程中的行为与性能变化 掌握概念：掌握概念：冷加工、热加工、回复、再结晶，加工硬化 掌握金属的凝固掌握金属的凝固 纯金属的结晶：纯金属的结晶：由晶核的形成和长大这两个基本过程组成；晶核的形成：存在有两种方式，即自发 形核和非自发形核；晶体长大的形态：有平面推进、树枝状生长两种；金属结晶过程缺陷的产生：缩孔 和疏松，液体供应不充分，最后凝固的树枝晶之间的间隙不能被填满，将形成缩孔和疏松等缺陷。 合金结晶的特点：合金结晶的特点：合金结晶时有相的变化、成分变化，有成分偏析，它将引起铸件力学性能恶化和 抗腐蚀性能降低。 晶粒大小和控制：晶粒大小和控制：控制过冷度、加入形核剂、机械方法（振动与搅拌） 掌握铸造过程中的材料行为及性能变化掌握铸造过程中的材料行为及性能变化 铸锭组织：铸锭组织：表面细晶粒层、柱状晶粒层、中心等轴晶粒区 铸锭结构中主要的缺陷。铸锭结构中主要的缺陷。 缩孔与缩松缩孔与缩松 集中的缩孔：集中的缩孔：金属凝固时体积要收缩，如果得不到液体的补充，就会形成缩孔。 缩松（分散性缩孔）：缩松（分散性缩孔）：树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成细小而分散的缩孔。 气孔气孔 非金属夹杂物非金属夹杂物 外来非金属夹杂物由外来非金属夹杂物由冶炼、浇铸过程中炉衬、型壁材料等脱落进人铸锭带来； 金属内部各种化学反应生成，金属内部各种化学反应生成，非金属夹杂物很大的脆性，破坏金属晶体的连续性，促进裂纹的萌生 和扩展削弱金属的机械性能。 成分偏析成分偏析 枝晶偏析（微观偏析）枝晶偏析（微观偏析）：局限于一个或几个晶粒尺寸范围内的偏析。可用扩散退火的方法来消除 宏观偏折（或域偏析）宏观偏折（或域偏析）：同一铸件中，表面和中心、上层和下层的化学成分也可能存在不均匀，这 种较大尺寸范围内出现的偏析。 消除枝晶偏析：消除枝晶偏析：扩散退火或均匀化退火把有枝晶偏析的合金加热到高温，长时间保温，使固溶体 中原子充分扩散以达到成分的均匀化。 掌握冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化掌握冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化 冷塑性变形对金属组织与性能的影响 冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化 掌握热塑性变形过程中的材料行为及性能变化掌握热塑性变形过程中的材料行为及性能变化 金属的热加工和冷加工 热塑性变形对金属组织和性能的影响 第 4 章 改善材料性能的热处理、合金化及改性 掌握概念：掌握概念： P、S、T、B、M、S回、T回、M回、完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、 正火、淬火、淬透性、淬硬性、表面淬火、渗碳、调质。 掌握金属材料在加热与冷却过程中的主要变化掌握金属材料在加热与冷却过程中的主要变化 钢在加热时的转变（奥氏体的形成）钢在加热时的转变（奥氏体的形成） ）转变温度）转变温度 共析钢共析钢：加热超过 PSK 线（A1）时，完全转变为奥氏体， 平衡状态下平衡状态下 亚共析钢亚共析钢：必须加热到 GS 线（A3）以上 过共析钢过共析钢：必须加热到 ES 线（ACM）以上，才能全部获得奥氏体。 ）奥氏体的形成：）奥氏体的形成：晶核形成、晶核长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化四个基本过程。 ）影响奥氏体转变的因素）影响奥氏体转变的因素 加热温度：加热温度：提高加热温度，加速了奥氏体的形成。 加热速度：加热速度：加热速度越快，缩短奥氏体的形成时间缩短奥氏体的形成时间。 钢中碳含量：碳含量增加时，转变速度加快钢中碳含量：碳含量增加时，转变速度加快。 合金元素：合金元素：大部分合余元素加入钢中，减慢了奥氏体的形成速度。减慢了奥氏体的形成速度。 原始组织：原始组织：片状珠光体奥氏体形核长大快 粒状珠光体。 、钢的冷却转变（等温冷却）：、钢的冷却转变（等温冷却）：共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特性 1 1）珠光体类转变）珠光体类转变组织： ( (高温转变区高温转变区) )，在，在 A A1 1550550之间之间 2 2）贝氏体转变）贝氏体转变( (中温转变中温转变) )： 转变温度转变温度 ：在：在 550550MsMs：之间，：之间， 550350550350上贝氏体 上贝氏体 半扩散型，半扩散型，FeFe 不扩散，不扩散，C 原子有一定的扩散能 力 羽毛状羽毛状碳化物在碳化物在 F F 间，韧性差间，韧性差 350MS350MS 下贝氏体下贝氏体C 原子有一定的扩散能力针状 碳化物在 F 内，韧性高，综合机械性能 好 3 3）. .低温转变：（马氏体转变马氏体转变）：温度 MsMf，马氏体转变区 、钢的冷却转变（连续冷却）、钢的冷却转变（连续冷却） 1 1） 转变产物转变产物： 冷却速度 k V 时，钢将转变为 M+A 残 冷却速度 k V 时，钢将全部转变为 P 类 冷却速度 k V k V 之间(例如油冷)时：M+A A残 残 +T+T 掌握钢在回火时的转变掌握钢在回火时的转变 1 1）回火目的）回火目的： 获得所需要的机械性能， 稳定组织和尺寸： 消除内应力： 2 2） 回火后组织回火后组织 低温回火低温回火： 150250，得 M回 回。 目的：目的：降低内应力和脆性，保持淬火后的高硬度 中温回火：中温回火：350500。回火组织回火组织为 T回， 目的：目的：较高的弹性极限和屈服强度，并有一定的韧性。硬度 高温回火：高温回火：500650。回火组织回火组织：S回， 性能特点性能特点：保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。 用于：用于：各种重要的结构零件 调质处理调质处理：淬火高温回火。 用于：用于：重要结构件。 高速钢高速钢：需要进行 23 次回火，使组织充分转变。 第 5 章 常用金属材料及性能 基本要求基本要求 熟悉工业用钢、铸铁的分类和编号方法，从其牌号即可判断其种类、大致化学成分、主要性能特点、 常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织， 熟悉碳钢：熟悉碳钢： 普通碳素结构钢 Q215、Q235 等； 优质碳素结构钢 20、45、60 等； 碳素工具钢 T8、T10、T12 等。 1）熟悉合金钢主要钢种）熟悉合金钢主要钢种 低合金结构钢低合金结构钢 Q345(16Mn)、Q420(15MnVN)； 渗碳钢渗碳钢 20Cr、20MnVB、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA； 调质钢调质钢 40Cr、40CrB、40CrNiMo、38CrSi； 弹簧钢弹簧钢 65Mn、50CrV、60Si2Mn； 轴承钢轴承钢 GCr9、GCr15、GCr15SiMn ； 冷模具钢冷模具钢 Cr12MoV；热模具钢热模具钢 5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8V 低合金刃具钢低合金刃具钢 9SiCr、CrWMn ； 工具钢工具钢 T8、T10、T12；高速钢；高速钢 W18Cr4V ； 不锈钢不锈钢 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr17、 1Cr18Ni9Ti； 常用铸铁常用铸铁：HT150、HT250、KT350-10、KT450-5、QT420-10、QT800-2 等 工业用钢、铸铁的分类、要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织见工业用钢、铸铁的分类、要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织见 （表四（表四-1-1） 重点复习题型重点复习题型 .要制造轻载齿轮、热锻模具、冷冲压模具、滚动轴承、高速车刀、重载机床床身、传动轴、后桥 壳、量具、弹簧、汽轮机叶片、等零件，试从下列牌号中分别选出合适的材料，及选择对应的热处理方 法（淬火、低温回火、中温回火、高温回火、退火）。 T12 HT300 W18Cr4V GCr15 40Cr 20CrMnTi Cr12MoV 5CrMnMo 9SiCr 1Cr13 60Si2Mn QT400-15 45 Q235 答 轻载齿轮量具冷冲压模 具 滚动轴承高速车刀重载机床床 身 材料 45T12Cr12Mo V GCr15W18Cr4VHT300 钢种调质钢炭素工冷冲模滚动轴高速工灰铸铁 .有一个 45 号钢制的变速箱齿轮，其加工工序为：下料锻造 正火粗机加工 调质 精机加 工 高频表面淬火低温回火磨加工成品，试说明其中各热处理工序的工艺、目的及使用状态下的 组织。 .某型号 具钢具钢承钢具钢 热处 理 淬火高 温回火 淬火低 温回火 淬火中 温回火 淬火低 温回火 淬火高 温回火三 次 退火 目的工艺组织 正火 作为预先热处理 改善切削加工性能 加热到 Ac3 （3050）保温 空冷 S 或 P（FFe3C） 调质 在保持较高 的强度同时，具 有良好的塑性和 韧性。 淬火高温回火S回 高频表 面淬火 提高表面硬度 与高耐磨性，心部 具有足够塑、韧性。 感应加热水、乳化 液喷射淬火低温回火。 淬火后表面为细 隐晶马氏体（极细马氏 体），心部为原始组织。 低温回火 降低钢的淬火 内应力和脆性，同 时保持钢在淬火后 的高硬度(一般为 HRC5864)和耐磨 性。 加热 150250保温 冷却 M回 柴油机的凸轮轴要求凸轮表面有高的硬度（HRC50），心部具有良好的韧性（Ak40）原采用 45 钢 调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火现因工厂库存的 45 钢已用完，只剩下 15 钢，拟用 15 钢代替 试说明： 原 45 钢各热处理工序的作用 改用 15 钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求？为什么？ 改用 15 钢后为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下应采用何种热处理工艺？ 答： 调质处理：获得回火索氏体，以保证工件心部的强度和韧性 凸轮表面进行高频淬火：承受弯曲交变载荷或扭转交变载荷，提高耐磨性和承受冲击。 低温回火：是为了降低钢的淬火内应力和脆性，同时保持钢在淬火后的高硬度(一般为 HRC5864) 和耐磨性。 ：不能满足性能要求；因为高频淬火适用与中碳钢；中合金钢碳钢；工具钢；不能对低碳钢高频 淬火、因碳量低，表面硬度难以提高。 调质（淬火高温回火）渗碳淬火低温回火 第七章第七章 工程设计、制造与材料选择工程设计、制造与材料选择 掌握零件失效与失效类型掌握零件失效与失效类型 过量变形失效过量变形失效：材料的变形量和变形特性超过原来规定的程度，而致影响构件的规定功能 弹性变形失效与选材：弹性变形失效与选材：材料力学指标：弹性模量。 选材：选材：易发生弹性变形失效时，应选用具有高弹性模量的材料。 塑性变形失效与选材塑性变形失效与选材：材料力学指标材料力学指标：屈服强度。 过量过量蠕变变形失效：蠕变变形失效： 属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服点也会缓慢产生塑性 变形。 断裂失效：断裂失效：断裂是金属材料在应力的作用下分为互不相连的两个部分或两个以上部分 材料力学指标材料力学指标：冲击韧性、断裂韧性。 韧性断裂失效：韧性断裂失效：零件所受应力大于断裂强度，断裂前产生显著宏观塑性变形的断裂。 低应力脆断：低应力脆断：构件所受名义应力低于屈服极限，在于明显塑性变形的情况下，产生的突然断裂 脆断的原因：脆断的原因：低温环境、焊接质量、工作介质、预防低应力脆断的措施。 疲劳断裂失疲劳断裂失：在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂。 蠕变失效与选材蠕变失效与选材 表面损伤表面损伤 ：主要指腐蚀失效及磨损失效、接触疲劳失效 磨损失效：磨损失效：相互接触的两个零件做相对运动时，由于摩擦力的作用，零件表面材料逐渐脱落，使 表面状态和尺寸改变而引起的失效。 接触疲劳失效：接触疲劳失效：两个零件做相对滚动或周期性接触，由于压应力或接触应力的反复作用所引起的表 面疲劳破坏现象。 腐蚀失效腐蚀失效：金属零件或构件的表面在介质中发生的化学或化学作用而逐渐损坏的现象。 掌握失效的原因掌握失效的原因 （1 1）设计与失效）设计与失效 结构或形状不合理，即在零件的高应力处存在明显的应力集中源。 零件的工作条件估计错误（应力计算错误）。 热处理结构工艺性不合理 （2 2）选材与热处理）选材与热处理 选材不当选材不当： 设计者选定指标不能反映材料对所发生的那种类型失效的抗力。 所选材料的性能数据不合要求，因而导致了失效。材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因， 材料的的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者有夹层、折叠等宏观缺陷。 热处理工艺不当热处理工艺不当 热处理不良能造成过热、脱碳、淬火裂纹、回火不足等； 冶金缺陷：冶金缺陷：夹杂、成分偏析、不良组织等 加工缺陷：加工缺陷：冷加工有刀痕深、粗糙度大、圆角小、精度低；热加工缺陷：回火软化、应力等 装配与使用装配与使用 零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。 对机器的维护保养不好，没有遵守操作规程及工作时有较大幅度的过载等也可以造成零件的失效。 掌握零件设计中的材料选择掌握零件设计中的材料选择 选材三原则选材三原则 1 1）使用性能原则）使用性能原则，使用性能：力学性能、物理性能、化学性能 2 2）工艺性原则）工艺性原则 工艺性工艺性-材料经济地适应各种加工工艺而获得规定使用性能或形状的能力。是一个辅助性原则。 3 3）经济性原则）经济性原则 掌握热处理加工工艺路线中的位置掌握热处理加工工艺路线中的位置 1 1 热处理在工艺路线中的位置的安排原则热处理在工艺路线中的位置的安排原则 1)最终热处理一般安排在半精加工之后，磨削精加工之前； 2)最终热处理可进行不止一次； 3)整体淬火和表面淬火在工艺路线中位置相同； 4)渗碳与淬火、回火在工艺路线上是近邻的； 5)局部渗碳方法不同，工艺不同； 6)零件表面软氮化和表面渗硫的减摩处理，渗 C 后不能进行任何切削处理； 7)高精度零件可增加去应力退火，精密零件甚至进行冷处理； 8)调质一般放在粗加工之后，半精加工之前。 2 2 热处理在工艺路线中的位置热处理在工艺路线中的位置 教材表教材表 7.27.2 第八章第八章 常用零件选材常用零件选材 掌握轴类零件选材掌握轴类零件选材 轴常用材料轴常用材料 调质钢（45、）、合金调质钢（40Cr、40MnB、）、合金渗碳（20CrMnTi、）、专用氮化钢 （38CrMoAlA）、等 机床轴按工作条件分为三类。机床轴按工作条件分为三类。 1 1）轻载主轴：）轻载主轴： 低工作载荷小冲击载荷轴颈部位磨损不严重低工作载荷小冲击载荷轴颈部位磨损不严重，普通车床的主轴。4545 钢钢、调质或正火 处理，耐磨的部位高频表面淬火强高频表面淬火强化。 2 2）中载主轴：）中载主轴： 中等载荷磨损较严重有一定冲击载荷中等载荷磨损较严重有一定冲击载荷，例如铣床主轴。合金调质钢，如 40Cr 钢，经 调质处理，耐磨部位进行表面淬火强化。 3 3）重载主轴）重载主轴 工作载荷大磨损严重冲击载荷都严重工作载荷大磨损严重冲击载荷都严重，组合机床主轴。20CrMnTi 钢制造，经渗碳、淬 火处理。 4）高精度主轴高精度主轴 精密镗床的主轴。一般用 38CrMoAlA 专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸 稳定化处理。 重点重点掌握掌握轴类零件加工工艺路线轴类零件加工工艺路线 CM6140CM6140 车床主轴：车床主轴：轻载