浙江师范大学机械工程材料期末复习专刊.doc

浙江师范大学机械工程材料第一章 材料的结构和金属的结晶【解答：金属键如何形成？】金属键：金属原子的结构特点是外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子，为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。【名词解释】晶胞：能完全代表晶格结构特征的最基本的几何单元，这种基本单元叫晶胞。三种晶体结构：体心立方晶格，面心立方晶格，密排六方晶格体心立方晶格：其晶胞是由八个原子构成的立方体，且在其体心位置还有一个原子。晶胞中每个顶点上的原子同时属于周围8个晶胞所有，每个体心立方晶胞的原子数为：晶格常数：a=b=c 致密度K=0.68原子半径：，属于这种结构的金属有：Na、K、Cr、W、Mo、V、Fe等。面心立方晶格：由8个原子构成的立方体，在立方体的每个面心位置还各有一个原子。每个晶胞原子数： 致密度K=0.74原子半径：，属于这种结构的金属有：Au、Ag、Al、Cu、Ni、Fe等。密排六方晶格：致密度K=0.74 ，属于这种结构的金属有Mg,Zn,Be,Cd,-Fe 【名词解释】固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。过冷现像：金属实际结晶温度Tn总是低于平衡结晶温度To，这一结晶现象称为过冷现象。【名词解释】过冷度：To（平衡结晶温度）与Tn（实际结晶温度）的差值T称为过冷度。晶核的两种形成方式：自发形核（200）和非自发形核（20）。晶粒大小的控制方法（看懂P27）：（考工业现象对应的控制方式【区分是哪类晶粒细化】）增大过冷度：降低金属液的浇铸温度、采用金属模、水冷模、连续浇铸变质处理 ：向铝合金液体中加入钛，锆。硼；在铸铁液中加入硅钙合金等振动和搅拌：各种振动和搅拌，（机械振动、超声波振动、电磁搅拌） 增大过冷度变质处理振动和搅拌 第二章 金属的塑性变形与再结晶晶界强化（细晶强化）：细化晶粒增加晶界以提高金属强度的方法称为晶界强化或细晶强化。【名词解释】加工硬化（形变硬化）：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，塑性和韧性明显下降。再结晶和重结晶：再结晶转变前后的晶格没有发生变化，故称为再结晶。重结晶时晶格类型发生了变化。另外，再结晶是对冷塑性变形的金属而言，只有经过冷塑性变形的金属才会发生再结晶，没有经过冷塑性变形的金属不存在再结晶的问题。（在结晶温度随金属熔点的升高而升高）热加工：所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程。热加工对金属组织的影响：改变铸态组织（使其塑、韧性明显提高）出现纤维组织（使得金属的力学性能具有明显的各向异性，沿流线方向的强度、塑性和韧性要显著大于垂直流线方向上的相应性能，特别是塑性和韧性）形成带状组织（使材料产生各向异性，其影响和流线类似）第三章 材料的力学性能2个屈服强度：屈服极限 脆性材料屈服极限 抗拉强度硬度：硬度是指材料抵抗局部塑性变形的能力，即抵抗硬物压入或划伤的能力,它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。洛氏硬度的三个标尺：常用HRA、HRB、HRC（做实验用）HRC：测量范围：2070 初载荷98.07N 主载荷1373N 压头类型：金刚石圆锥体硬度值： ； HRC即洛氏硬度的一种，HRC：加载载荷150KG，使用顶角为120度的金刚石压头。HRC用来测量高硬度的材料，如淬火工件。 第五章 铁碳合金同素异构转变：固态下铁的同素异构转变：特点：形核长大的过程 具有一定过冷度渗碳体：渗碳体是铁与碳形成的间隙化合物。 纯铁的同素异构转变亚共析钢和过共析钢的冷却结晶过程：亚共析钢的结晶过程（Wc=0.4%）：1点以前为液体，1点以后从钢液中结晶出奥氏体，直到2点全部结晶为奥氏体，到了3点以前不发生组织转变。到3点以后，从奥氏体中析出铁素体，由于铁素体的含碳量很低，致使剩余奥氏体中含碳量随温度下降，将沿着GS线增加，当温度降到727时，含碳量已达到0.77，这时将进行共析反应，剩余奥氏体将全部转变成珠光体，而早先析出的铁素体不再发生变化，室温组织为铁素体和珠光体构成。（LL+A A A+F P+F，相组成物：F，Fe3C）过共析钢（Wc=1.2%）液态冷却到3点之前结晶过程与亚共析钢相同，到3点以后从奥氏体中析出二次渗碳体，由渗碳体的含碳量较高，剩余奥氏体中的含碳量随温度下降将沿ES线降低，当温度降到727时，含碳量达到0.77，这时，将进行共析反应，剩余奥氏体转变成珠光体，温度继续下降，组织不再发生变化，室温组织由渗碳体和珠光体构成。（LL+AAA+Fe3CIIP+Fe3CII相组成物：F，Fe3C）相图分析：【大题：20分，画图5条线10分，5个点6分，分析4分】HJB线是包晶线，所对应的温度为1495，凡碳含量在此线范围即0.09%0.53%之间的铁碳合金，缓冷到1495时均会发生包晶转变，,包晶转变的产物是相。ECF线是共晶线，所对应的温度为1148，凡碳含量在此线范围即2.11%6.69%之间的铁碳合金，缓冷到1148时均会发生共晶转变，。共晶转变的产物是相与渗碳体组成的共晶体，成为莱氏体，常用表示；冷却至室温时成为变态莱氏体，用表示。PSK线是共析线，所对应的温度是727。所有碳含量超过0.0218%的铁碳合金，缓冷到727时均会发生共析转变。共析转变的产物是由相与渗碳体组成的共析体，成为珠光体，常以P表示。ES线是碳在相中的溶解度曲线。碳在相中的最大溶解度是E（1148，2.11%）；在727的S点为0.77%。所以凡是碳含量大于0.77%的合金，自1148缓冷至727的过程中，均会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，通常称之为二次渗碳体，以区别于从液相中直接结晶的一次渗碳体。PQ线是碳在相之间的转变曲线，它是在冷却过程中相转变转变为相的开始线，或者是在加热过程中相向相转变的终了线。相图最主要点：点的符号温度/碳含量（%）说明ACEPS15381148114872772704.32.110.02180.77纯铁的熔点共晶点碳在Fe中的最大溶解度碳在Fe中的最大溶解度共析点（A1）铁碳合金的碳含量与平衡组织、力学性能之间的关系碳含量与平衡组织的关系：随着碳含量的增加，不仅组织的渗碳体相对数量增加，而且渗碳体的形态和分布情况也有变化。碳含量与力学性能的关系：Wc1.0时，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度增加，而塑性和韧性不断下降；Wc1.0时，因出现网状渗碳体而导致钢的强度下降，但硬度仍会增加。工业用铁的碳含量一般不超过1.3%1.4%硫对钢的影响：引起钢在热加工时（8001000 Fes塑性不好）或高温工作下（10001200 Fes-Fe共晶熔化）会沿着奥氏体开裂而变脆 ( 热脆 )。分类：低碳钢（0.100.25%C）：建筑结构和容器等 塑性，韧性好中碳钢（0.250.60%C）：如轴等 性能介于二者之间高碳钢（0.61.3%C）：如工具等 硬度高，韧性、塑性差钢的牌号（看书P115-P118）【看到编号，知道是什么钢，碳含量是多少。】1 碳素结构钢 由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa例如Q235表示屈服点（s）为235 MPa的碳素结构钢。 必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为 A、B、C、D。脱氧方法 符号 F表示沸腾钢，B表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即ZT和TZ 都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。 专门用途的碳素钢， 例如：桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。 2优质碳素结构钢 （能被5整除的，外加08F）钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。 锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn。 沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为 0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。 2 优质碳素结构钢用于制造机器零件。3碳素工具钢 钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混。 钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为0.8%。 锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。 高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别 例如“T8MnA”。 碳素工具钢用于制造各类刃具、模具、量具。4.合金钢牌号：1、合金结构钢：1.1原则：两位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字（合金含量） 优质“A”，特级“E”两位数字表示平含碳量的万分数。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标3；依此类推。1.2举例：40Cr-合金调质钢，平均含碳量为0.4%，主要合金元素为Cr，含量1.5%。16Mn-低合金结构钢，平均含碳量为0.16%，主要合金元素为Mn，含量1.5%。（区别15Mn：较高含锰量碳素结构钢，含碳量为0.15%Mn0.71%，Mn前数字为5的倍数，无其他合金元素符号）。60Si2Mn-合金弹簧钢，平均含碳量为0.6%，主要合金元素Si含量1.52.5%，Mn含量1.5%。20Cr2Ni4A-合金渗碳钢，平均含碳量为0.2%，主要合金元素Cr 含量1.52.5%，Ni含量3.54.5%，优质钢。2、合金工具钢：2.1原则：一位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字（合金含量） 优质“A”，特级“E”一位数字表示平含碳量的千分之几，C1%则不标数字。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标3；依此类推。2.2举例：9Mn2V-合金刀具钢，平均含碳量为0.9%，Mn1.52.5%，V1.5%。Cr12MoV-冷模具钢，平均含碳量1%，Cr12%，Mo、V1.5%。3、高速钢 C1.0%，但不标注。W18Cr4V：高速钢，C0.70.8%,W18%，Cr4%，V1.5%。W6Mo5Cr4V2：高速钢，C0.80.9%，W6%，Mo5%，Cr4%，V2%。4、特殊性能钢：4.1原则：与工具钢相同。一位数字（含碳量）+主要合金元素符号+数字（合金含量） 优质“A”，特级“E”一位数字表示平含碳量的千分之几，C1%则不标数字。0.03%C0.1%，用“0”，C0.03%，用“00”表示。合金元素1.5%，不标；合金元素1.52.5%时，标2；合金元素2.53.5%时，标3；依此类推。4.2举例：2Cr13：不锈钢，平均含碳量0.2%，Cr13%0Cr19Ni9：不锈钢，0.03%C0.1%，Cr19%，Ni9%。1Cr18Ni9：不锈钢，C=0.1%，Cr18%，Ni9%。5、特殊专用钢一些特殊专用钢为表示其用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。(1)滚动轴承钢前面标 “G”，如GCr15。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量的千分数，其他元素仍用百分数表示，如GCrl5SiMn表示含铬量为1.5，硅、锰含量均小于1.5的滚动轴承钢。(2)易切钢也是在牌号前冠以拼音字母 “Y”，如Y15表示含碳量为0.15的易切钢。 原则：G+主要合金元素符号+数字（合金含量） 含碳量一般1%，不标注。G在首位，表示滚动轴承钢，铬后数字为含铬量的千分之几。举例：GCr15：轴承钢，C1%，Cr1.5%。GCr15SiMn:轴承钢，C1%，Cr1.5%，Si、Mn1.5%6、高级优质合金钢在牌号的最后标上“A”。如38CrMoAlA表示含碳量为0.38高级优质合金结构钢。 第六章1. 钢的热处理是指把钢在固态下加热、保温、冷却，通过以改变钢的内部组织结构从而获得所需要性能的热加工工艺。2. 热处理在温度上的区别：钢的临界温度： 铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。 由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。3. 金属元素对热处理的影响【解答】 1. Ni、Mn等合金元素降低临界点，使奥氏体的形成温度下降，而Cr、W、Mo、V、Ti等提高临界点，使奥氏体形成的温度升高。 2.提高钢的淬透性【理解】 钢的淬透性是表征钢材淬火时获得马氏体能力的特性。通常是指淬透层深度。 钢经加热形成奥氏体后以大于某一临界冷却速度可以获得马氏体组织，通过回火在调整其力学性能满足使用要求。而工件的冷却速度由工件尺寸和冷却介质决定。由于工件尺寸大，冷却慢，达不到临界冷却速度。所以在钢加入合金元素，减小钢的临界冷却速度。这样即使工件冷却速度慢，也超过了临界冷却速度，就能得到马氏体了。除Co外的其他合金元素都能提高钢的淬透性，含量越高，淬透性越好。 3.提高回火稳定性【理解】 回火稳定性指淬火钢在回火时抵抗回火软化的能力。合金元素能推迟淬火钢在回火过程中的马氏体的分解和残留奥氏体的转变，提高了相的再结晶温度，使碳化物不易聚集长大，从而使钢的硬度随回火温度的升高而下降的速度减慢，因此，合金元素提高了钢对回火的软化能力，即提高了回火稳定性。 4.几乎所有的合金元素都能使S点和E点向左移，即移向低碳方向。过冷奥氏体：奥氏体过冷临界温度A1以下，未发生转变的奥氏体就是过冷奥氏体。贝氏体：贝氏体是有一定过饱和度的铁素体和碳化物的两相组成的混合物。马氏体：马氏体是碳在中的过饱和固溶体，用符号“M”表示。 板条马氏体，片状马氏体的区别在于C的含量 马氏体的硬度取决于C的含量。马氏体转变成奥氏体的C含量不变。残留马奥氏体：工件淬火时由于马氏体转变时发生体积膨胀，马氏体转变结束时总有少量奥氏体被保留下来，冷却至室温后残存的奥氏体。 退火：退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。退火目的：降低钢的硬度，以利于切削加工； 提高塑形和韧性，以利于冷变形加工； 改善钢的性能或为以后的热处理做好组织准备； 细化晶粒，消除钢中的残余内应力，防止变形和开裂。完全退火：将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。目的：降低钢件的硬度、细化晶粒、消除应力、为最终的热处理做组织准备。等温退火：工件加热到高于AC3（或AC1）的温度，保持适当的时间，较快地冷却到珠光体转变区间的适 当温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火。 目的：与完全退火相同，但时间相对于完全退火要短，用等温退火代替完全退火有利于缩短生产时间球化退火：为使工件中的碳化物球状化而进行的退火。目的：使钢中碳化物呈球状化，以降低硬度，改善 切削加工性能，为以后的淬火做好准备。主要用于共析钢和过共析钢！去应力退火：为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残留应力而进行的 退火。均匀化退火：以减少工件化学成分和组织的不均匀程度为主要目的，将其加热到高温并长时间保温，然后 缓慢冷却的退火。正火：钢加热到Ac3或Acm以上的3050，保持一定时间后在空气中冷却的工艺。退火、正火的选用原则1. 从切削加工性上考虑：低中碳结构钢采用正火作为预备热处理，高碳结构钢和工具钢以退火（球化退火）卫宜，中碳以上的合金钢采用退火。2. 从使用性能上考虑： 正火后，强度、硬度稍高，对于要求不高的零件，可以正火作为最终热处理；若零件尺寸较大或形状较复杂，正火可能是零件产生较大的内应力和变形，甚至开裂，这种情况下应选用退伙。3. 从经济型考虑：正火比退火周期短，设备利用率高，工艺操作简单，比较经济。因此可能条件下应尽量选择正火。如何选择钢的淬火加热温度?过高或过低有什么缺陷？淬火加热温度的选择：对于亚共析钢采用Ac3+3050，对于共析钢和过共析钢采用Ac1+3050。亚共析钢加热温度过高：A晶粒粗化，使淬火后M组织粗大；且氧化脱碳严重。加热温度过低：淬火组织中将有F，使淬火硬度下降。过共析钢加热温度过高，超过Acm，有下列危害：（1）、Fe3C完全溶入奥氏体，使奥氏体含碳量增加，Ms降低。淬火后残余奥氏体量增加，降低钢的硬度和耐磨性。 （2）、奥氏体晶粒粗化，淬火后M粗大，