《机械工程材料》复习课

机械工程材料机械工程材料 复习课复习课 第一章第一章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 一 晶体与非晶体 晶体 非晶体 长程有序排列 短序有序 具有确定熔点 无固定熔点 各向异性 各向同性 二 金属的晶体结构 体心立方 面心立方 密排六方 晶胞内原子数 2 个 4 个 6 个 致密度 K 0 68 K 0 74 K 0 74 三 实际晶体的结构 1 点缺陷 空位与间隙原子 在一定温度下总有一定平衡浓度的点缺陷存在 引起点陈畸变 可以消失 当淬火或冷加工时会产生室温下的过饱和点缺陷 空位与扩散机制有关 2 线缺陷 位错 晶体中有几层原子错排了位置而形成的晶体缺陷 正 负刃型位错可相互 抵消 塑性变形机制 通过位错在切应力作用下在晶体中逐渐移动完成 而不 是刚性的移动 位错密度 m L 提高强度 1 完全消除金属内的位错缺陷 s 理论值 2 m加工硬化 热处理强化 3 面缺陷 晶界 亚晶界 晶粒内的晶格位向基本一致 各晶粒间位向都不同 亚晶间两侧晶体有很 小的位向差 2 亚晶界由一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列而成 晶界 亚晶界细化 可以 强度 硬度和塑 韧性 1 界面对塑性变形时的位错移动有阻碍作用 引起位错塞积 使变形 抗力 强度 硬度 2 需要周围晶粒作协调的弹性变形以保持物体的连续性 使变形抗力 3 晶界越多 阻碍裂纹扩展 使韧性 4 晶粒细化 可使塑性变形均匀分散到各晶粒内 使应力集中程度 试样断前塑性变形更多 使塑性 四 纯金属的结晶 平衡凝固条件下 理论凝固温度 T0 T 熔 实际非平衡凝固 存在过冷现象 T T0 T1 冷却速度越大 T 也越大 过冷是金属结晶 的必要条件 结晶是一个不断形核与长大的过程 最后长成一个多晶体 自发形核 液相中一些原子的短程有序结构自发成为晶核 非自发形核 依附于难熔质点和型壁表面形核 由于棱角处散热条件优越 晶粒常长成树枝晶 五 细化晶粒的方法 依据 Z 随着 T 形核率 N 的 比 G 的 快 得细晶粒 冶铸时 1 增大 T 2 变质处理 改变 N G 3 附加振动 使树 枝晶破碎 N 其它方法 4 通过重结晶 重新形成晶核 长成细晶粒 eg Fe C 合 金 5 高应力下热加工时动态再结晶 锻 轧钢材比铸钢晶粒细 六 金属同素异晶转变 当外界条件改变时 有些金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的转 变 特点 1 属恒温转变 原子重排的固态相变 需更大的过冷度 T 2 包括形核 长大的过程 释放结晶潜热 称为重结晶或二次结晶 3 伴随有比容的跃变 产生较大 内应力 K a 不同 第二章第二章 机械性能机械性能 一 强度与塑性 静拉伸试验 1 弹性极限 e Fe Ao 开始产生微量塑性变形的抗力 op 段 成直线关系 E 2 屈服极限 s Fs Ao 代表材料发生明显塑性变形的抗力 3 抗拉强度 b Fb Ao 材料在断裂前所发生的均匀塑性变形所能承受的最大应力 材料的强度 材料在静载荷作用下抵抗破坏 塑变 断裂 的能力 塑性 材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力 延伸率 100 L1 L0 L0 断面收缩率 100 A0 A1 A0 二 硬度 1 布氏硬变 HB 适用于 HBS 450 的灰铸铁 轴承合金 有色金属 调 质钢 退火的毛坯件 HBW 650 压痕大 测值重复性高 精确 2 洛氏硬度 HR HRA HRC 测高硬度材料 HRB 测软材质 相互间不 能比较 广泛用于成品检验 压痕小 测值分散度大 3 维氏硬度 HV 使从软到硬材料有一个连续标度 可查附表对照其它硬 度值 一般不用于热处理现场检验 尤适于表面处理的模具硬度 作研究用 三 冲击韧性 Ak G H h 常用 V 梅氏试样 对易出现脆断的机件 焊接结构船 用 V 夏氏试样 ak值对材质反映敏感 生产上用来检验冶金 热锻 热处理的工艺质量 四 多次冲击试验 多冲抗力 f 强度 塑性 1 冲击能高 塑性 冲击能低 强度 高强钢需要适当的韧性 ak 配合 2 普通结构钢常用 淬火 中温回火 低温回火 工艺 五 疲劳 无论脆性还是韧性材料 承受交变重复应力时往往在工作应力 s 下突 然断裂 无塑变 材料受相当循环次数 钢铁 N 107 非铁金属 108 不发生断裂的最大应力 疲劳强度 1 第三章第三章 加工硬化与再结晶加工硬化与再结晶 多晶体的塑性变形抗力较单晶体为高 s i Kd 1 既要克服晶界的阻碍 2 又要保证各晶粒间的连续性和协调的相应变形 一 加工硬化 随着材料冷塑度程度的增加 其强度 硬度 塑韧性 的现象 内部组 织亚结构发生变化 胞状亚结构 呈细长条 纤维组织 作用 1 强化金属 2 均匀成形 3 过载安全保护 不利 1 抗蚀性下降 需去应力退火 2 消除加工硬化要再结晶退火 二 回复再结晶 1 回复 冷变形金属加热时 只发生某些亚结构和性能的变化 而光学 显微组织不发生变化 1 去应力退火 可以保留加工硬化的强化效果 消除内应力 避免 应力腐蚀开裂 2 消除空位等缺陷 m 不多 使电阻率 2 再结晶 冷变形金属加热时 通过形核长大 形成无畸变的新晶核 1 再结晶退火 可以消除加工硬化恢复到冷变形以前的水平 T再 0 4T熔 2 再结晶温度 T再 开始再结晶的最低温度 1 预变形量 T再 2 熔点 Tm T再 3 微量溶质原子 T再 3 晶粒长大 温度 时间增长 d 4 临界变形度 2 10 异常粗大的晶粒度 三 热加工 高温塑变时 金属材料的加工硬化作用能被动态再结晶等软化过程所抵消 获得近般稳定的流变应力 T再以上 热加工 无加工硬化 T再以下 冷加工 有加工硬化 在高的流变应力下进行热加工发生动态再结晶也可以细化晶粒 第四章第四章 二元合金状态图二元合金状态图 合金 由两种以上金属或非金属组成的确良具有金属特性的物质 相 系统中具有同一聚集状态 同一结构 成分 性能相同的均匀组成部 分 常有相界存在 组织 显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的各种相的综合 一 合金相结构 无限固溶体 置换固溶体 1 固溶体 溶剂晶格 有限固溶体 间隙固溶体 有限 溶质 Rx 大小 温度 晶格类型有关 固溶强化 溶质溶入溶剂中形成固溶体 使晶格畸变 位错移动的阻力 强度 1 固溶强化比加工硬化的塑韧性要好 2 合金化可以在固溶体基体上形成强化相构成条相合金 2 化合物 金属化合物 晶体结构不同于任一组元的结构 熔点高 硬而脆的相 正常价化合物 间隙相 电子化合物 间隙化合物 机械混合物 由两相或多相按一定比例构成的金属组织 如珠光体 Fe3C F 莱氏体 性能与各组成相的性能 数量和分布情况有关 三 二元合金状态图三 二元合金状态图 1 匀晶状态图 匀晶转变 由液相结晶出单相固溶体的过程称之 以 Cu Ni 无限固溶体为 例 只有在平衡状态下 所测得的结晶温度才是理论凝固温度 To 熔点温度 Tm 平衡状态图 假定冷却速度非常缓慢 以固相中原子都能充分进行扩散 成分均匀 60 合金但随 T 合金成分 相 L 相 液 固相平均成 份不断沿着液 固相线变化 直到 b3 点 凝固终了 相成分 原合金成分 枝晶偏析 非平衡凝固下 先析出的枝杆部分含高熔点成分多 后析出的 分枝 枝间含低熔点的成分较多 原子来不及扩散均匀 造成微观偏折 2 共晶状态图 在共晶点以左 CE 段为过共晶合金 先 L sb 然后 Lc Pb Sb 组织由 Sb Pd Sb 组成 共晶转变 在恒温条件下 从液态中同时结晶出两种晶体 或两种固溶体 的过称称之 其中发生共晶反应的成分为共晶成分 全体为共晶体的合金称为 共晶合金 密度偏析 先共晶相与余液相的密度相差较大 会引起结晶相上浮或下沉 造成铸件在高度方向上成分组织的不均匀的宏观偏析 3 杠杆规则应用 WL WS W WS S X XO O X XO O X XL L X X K K K KX X 只适用于二元合金平衡相图的两相区或三相平衡共存线 不适于单相区 4 共析状态图 共析转变 在高温通过匀晶转变所形成的单相固溶体 在冷却到某温度时 又发生恒温固态相变 同时分解析出两个新的固相的过程称之 第五章第五章 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 一 状态图分析 ACD 液相线 AECF 固相线 1 液 固相线之间两相区 L A L Fe3C 2 固相线以下 AESG 区域 单相 A 区 727 以上 A L A Fe3C 727 以下 F Fe3C 3 恒温相变 Lc E Fe3C s p Fe3C 二 金相组织与钢的凝固过程 1 亚共析钢 L L A A A F F P 2 共析钢 A P 3 过共析钢 A Fe3CII A Fe3CII P 4 共晶白口铸铁 L4 3 Ld A Fe3CI Ld 5 亚共晶白口铸铁 L A L A Ld A Fe3CII Ld P Fe3CII Ld 6 过共晶向口铸铁 L L Fe3CI Ld Fe3CI Ld Fe3CI 组织形貌 参考书上 P49 图 3 3 5 至图 3 3 10 凡 C 0 2 11 为钢 C 2 11 6 09 为铁 画出冷却曲线 组织转变 示意图 第六章第六章 钢的热处理钢的热处理 一 钢在加热时的 A 化过程 临界点温度 A1 A3 Acm Ac1 Ac3 Accm Ar1 Ar3 Arcm 1 A 化有三个阶段 1 A 晶核在 P 的 F Fe3相界处优先形核并长大 2 F 先消失 然后剩后 Fe3C 需有一溶解过程 3 A 的成分均匀化 此外 过共析钢常在 Ac1 Acm 间进行 不完全 A 化 A 部分 Fe3 3 3 C 2 奥氏体晶粒长大及控制 1 起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度 2 提高加热速度 缩短加热时间 可获得超细隐晶晶粒度 高频 3 合金元素 含碳量对 A 晶粒长大趋势有影响 C Mn P 促进 A 长大 其余 Me 阻碍 A 长大 二 冷却时的组织转变 1 过冷 A 等温转变 TTT 图 又称 C 曲线 特点 从 A1 MS间转变有孕育期 不同温度范围内产物不同 P 区 A1 C 曲线鼻尖以上高温转变区 P 0 3 m 10 25 HRC 100 250HB S 0 1 m 25 35 HRC T VK 得到 M 组织 1 淬火温度 亚共析钢 AC3 30 50 过共析钢 AC1 30 50 2 淬火方法 1 单液淬火 水 油 高分子聚合物水溶液 2 双液淬火 水淬油冷 T10A 钢 3 分级淬火法 Ms 点以上短时停留 M 硝盐浴或碱浴 4 等温淬火法 Ms 以上长时间降成 B下 用于形状复杂的小件 5 冷处理 消除 A 残 3 淬透性与淬硬性 淬透性 VK 过冷 A 越稳定越好 除 CO外 大多数合金元素 淬透性 淬硬性 M 中 C 有关 淬透性高未必淬硬性高 2 回火 淬火 M 组织不稳定 组织极脆 工件中存在很大的内应力 若不及时回火 会使工件变形开裂 1 M 分解 100 以上 M 中 C 以 F2 4C 析出 过饱和度变 工模 具和渗碳 表面淬火件形成 回火 M 组织 含碳 0 25 C 降低内应力和脆性 60HRC 2 残余 A 分解 200 300 A B下 3 碳化物类型转变 250 400 Fe3C 针条状 F 回火 T eg 弹簧 有较高 s e 4 渗碳体聚集长大 450 以上 Fe3C 聚集长成粒状 F 发生再结晶 成为 球粒状 Fe3C 等轴状 F 回火索氏体 S 淬火 高温回火 调质 综合机械性能好 同时有良好的塑韧性和强度 用于处理重要零件 或作为表面处理的预备组织 五 表面热处理 1 表面淬火 高 中频淬火 适于中碳钢 耐疲劳强度提高 2 化学热处理 掌握渗碳处理 低碳钢材料渗碳处理 用于承受较大冲击载荷和严重磨损条件下提高材料 疲劳强度 耐磨性 及心部韧性 组织 表层 0 85 1 05 C 细小的回火 M 粒状 Fe3C 58 64 HRC 心部 回火低碳 M 及部分 T S 组织 不允许大块状 F 四 成分 组织 性能间的关系 铁碳状态图的应用 1 解释书上图 5 16 2 选材应用 结构型钢 机械零件 弹簧 工模具用钢 3 为什么铸铁常选共晶成分 流动性 疏松 偏析 热裂倾向 4 锻造温度范围 1 亚共析钢 GS AC3线 以上 2 过共析钢 A1以上 破碎网状 Fe3CII 第七章第七章 金属材料及应用金属材料及应用 一 碳钢号及应用 1 钢号意义及表示方法 普通碳素钢 A 类钢 B 类钢 镇静钢 Mn Si Al 充分脱氧 属本质细晶粒钢 有集中缩孔 须冒口成材率低 组织致密 沸腾钢 Mn 脱氧 属本质粗晶粒钢 有疏松 许多汽泡 无集中缩孔成材率高 成本低 表面有细品区 表面质量好 含 Si 少 塑性佳 宜作轧材 2 优质碳素钢 45 钢 T8 钢 3 高级优质碳素钢 T12A 钢 4 铸造碳钢 ZG s b Mpa 用途 二 合金钢分类与编号 1 低 Me 5 中 5 Me10 Me 合金钢含碳量 C1 不标碳量 eg W18Cr4V 0 7 0 8 00Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 三 钢中常存杂质元素影响 1 Si 和 Mn Si 0 4 Mn 0 8 一般固溶强化 F 否则有害 MnS 可 S 的害处 2 S 易形成 A FeS 985 的离异共晶 产生热脆 用 MnS 1600 消除 3 P 极大地固溶入 F 中 使钢强化但脆性也 冷脆 可以提高大气抗蚀性 用于 S P 的易削钢或炮钢中 四 合金结构钢 1 普低钢 16Mn 15MnV 作结构件 Q 表示 低碳 C 0 2 保证良好塑韧性能泠成型 良好的焊接性能 少量的 Mn 1 8 Si 0 6 固溶强化 增加 P 量 在不降低韧性的前提下 使 s 提高 20 50 辅加 V Ti Nb 细化晶粒 弥散强化 Cu P 大气抗蚀性 Re 低温 韧性 2 合金渗碳钢 用于受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的零件或交变载荷 要求表面具有高硬度 高耐磨性 心部要有高韧性和足够的强度 C 0 1 0 25 保证心部有足够塑韧性 Cr Ni Mn B 等 淬透性 提高参层强韧性 Ti V Mo 等强碳化物形成元素 细化晶粒 抑制渗碳过热 渗碳后 直接淬火 低温回火 组织 表层 Me Fe 3C 回火 M 少量 A残 58 62 心部 1 全部淬透 低碳 M HRC40 48 2 部分淬透 T 低碳回 M 少量 F 钢号 20Cr 20MnV 薄层渗碳 20CrMnTi 做齿轮 18Cr2Ni4WA M 钢 做飞机 坦克上重载齿轮 3 合金调质钢 制作一些受循环交变载荷或有冲击及各种复合应力工作的重要零件 保证 有较好的综合机械性能 含碳量 中碳 0 3 0 55 C 既保证强度 又有较好韧性 主加元素 Cr Ni Mn Si B 渗透性 强化 F 辅加元素 V Ti Al 细化晶粒 回火稳定性 W Mo 可防止或减轻 Cr Ni 钢的可逆回火脆倾向 钢号 1 低淬透性 45 40 40Cr 40Mn 40MnB 2 中淬透性 40MnVB 42SiMn 42CrMo 3 高淬透性 40CrNiMoA 38CrMoAlA 热处理 淬火 高温回火 回火 S 4 弹簧钢 失效 疲劳为主 要有高的 e 和屈强比 s e 1 含 C 0 45 0 75 0 6 0 9 保证 e 和 s e 高 2 主加元素 Mn Si 提高渗透性 强化 F 3 辅加元素 Cr W o Nb 降低过热敏感 脱碳 细化品粒 提高稳定性 钢号 65Mn 60Si2Mn 50CrVA 65 75 85 号钢 热处理 淬火 中温回火 回火 T 5 滚动轴承钢 GCr15 1 含 C 0 95 1 10 保证高的溶硬性和耐磨性 2 Cr 1 3 1 65 提高渗透性 回火稳定性 及一定韧性 抗蚀性 热处理 球化退火 HB180 207 淬火 泠处理 低温回火 61 65HRC 组织 极细的回 M 均布细粒 Cr Fe 3C 少量 A残 6 其他结构钢 易切钢 Y15 超高强度钢 40CrNiMoA 4Cr5 oVSi Ni25Ti2AlN6 五 合金工具钢 1 高速钢 W18Cr4V 1 含 C 0 7 0 8 形成 W Cr V 的大量碳化物 过饱和的 M 2 W 17 19 形成 W2C VC 保证红硬性 二次硬化 3 Cr 4 提高渗透性 形成 Cr23C6提高抗回火稳定性 1 锻造 破碎铸态下的晶莱氏体碳化物及二次碳化物 2