机械工程材料总复习资料

机械工程材料复机械工程材料复习习 第一部分第一部分 基本知识基本知识 一、概述一、概述 以以“材料的化学成分材料的化学成分加工工艺加工工艺组织、结构组织、结构性能性能应用应用” 之间的关系为主线，掌握材料性之间的关系为主线，掌握材料性 能和改性的方法，指导复习。能和改性的方法，指导复习。 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）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。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）纯金属、实际金属、合金的结构（第二章） ； 纯金属：体心立方（纯金属：体心立方（） 、面心立方（、面心立方（） ，各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高，各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高 e F- e F- 实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）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；强各向同性；强 度、硬度增高；塑性、韧性降低。度、硬度增高；塑性、韧性降低。 合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。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：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。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：由两个以上固相组成的合金。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：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。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 F、P P、A A、Fe3CFe3C、LdLd； 1 1）平衡结晶组织）平衡结晶组织 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。使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。 2 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：随 C,C,硬度呈直线增加，硬度呈直线增加， HBSHBS 值主要取决于组成相值主要取决于组成相的相对量。的相对量。CFe3 抗拉强度抗拉强度( () )：CC0.9%0.9%范围内，先增加，范围内，先增加，CC0.90.91.01.0后，后，值显著下降。值显著下降。 b b 钢的塑性钢的塑性( () )、韧性、韧性( () )：随着：随着 C,C,呈非直线形下降。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：硬而脆的化合物，第二相强化：硬而脆的化合物， 若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降；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）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及若化合物呈球状、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；切削加工性提高； 呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及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；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。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，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， 非平衡组织向平衡组织转变：非平衡组织向平衡组织转变：可通过可通过再结晶、时效及回火实现。再结晶、时效及回火实现。 加工硬化，加工硬化， 物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性：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。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（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 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，而塑性和韧性显著，性能完全恢复到变形前的水平。，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：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。断因此，强度和韧性都较差。 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。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。 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（又称位错马氏体。）：碳含量板条马氏体（又称位错马氏体。）：碳含量0.230.23； 机械性能：不存在显微裂纹，淬火应力小，强度高，塑性、韧性好。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）；（显微镜下呈针状） 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；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：碳含量在混合组织马氏体：碳含量在 0.230.23一一 1.01.0之间时为板条和片状马氏体的混合组织。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含碳最增加，硬度升高含碳量达到 0.60.6以后，其硬度的变化趋于平缓。以后，其硬度的变化趋于平缓。 合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。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 回火回火类类型型 回火温度回火温度组织组织性能及性能及应应用用组织组织形形态态 低温回火低温回火 150250 回火回火 M（ （M） ） 保持高硬度，降低脆性及保持高硬度，降低脆性及 残余残余应应力，用于工模具力，用于工模具钢钢， ， 表面淬火及渗碳淬火件表面淬火及渗碳淬火件 过饱过饱和和碳化物碳化物()CFex 中温回火中温回火 350-500 回火屈氏体回火屈氏体 （ （T） ） 硬度下降，硬度下降，韧韧性、性、弹弹性极性极 限和屈服限和屈服强强度度，用于，用于弹弹性性 元件元件 保留保留马马氏体氏体针针形形 F+细细粒状粒状 Fe3C 高温回火高温回火 500-650 回火索氏体回火索氏体 （ （S） ） 强强度、硬度、塑性、度、硬度、塑性、韧韧性、性、 良好良好综综合机械性能，合机械性能，优优于于 正火得到的正火得到的组织组织。中碳。中碳钢钢、 、 重要零件采用。重要零件采用。 多多边边形形 F+粒状粒状 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：通过合金化固溶强化：通过合金化( (加入合金元素加入合金元素) )组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化；组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化； 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。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。由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。 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。性等下降，并产生各向异性。冷塑性变形实现。 第二相强化：硬而脆的化合物（第二相强化：硬而脆的化合物（Fe3CFe3C），若呈网状分布：则使强度、塑性下降；），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；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；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。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：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度；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：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。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：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火退火：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火 退火：加热保温缓冷获得接近平衡状态组织。退火：加热保温缓冷获得接近平衡状态组织。 退火目的：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。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。消除成分不均匀，内应力。 1 1）完全退火）完全退火（加热（加热 A Ac3c3（20203030）温度，保温、缓冷）温度，保温、缓冷 组织：组织：P+FP+F 目的：目的：细化，均匀化粗大、的原始组织；细化，均匀化粗大、的原始组织；降低硬度降低硬度切削性切削性；消除内应力；消除组织缺消除内应力；消除组织缺 陷；陷； 应用：（应用：（C%=0.3C%=0.30.6%0.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧）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 A Ac1c1（10103030），保温、缓冷（或），保温、缓冷（或 A Ar1r1（20203030）等温）等温） 应用：过，共析钢、高碳合金钢应用：过，共析钢、高碳合金钢 组织：球状组织：球状 P P（F+F+球状球状 CemCem） 目的：目的：FFe3e3C CIIII及及 F Fe3e3C C共析共析球化球化HRCHRC，韧性，韧性切削性切削性 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。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 1050105011501150，保温，保温 101020h,20h,冷却：炉冷冷却：炉冷 组织：组织：P+FP+F 或或 P+FeP+Fe3 3C CII II 目的：消除偏析目的：消除偏析 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。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：Ac1Ac1（100100200200）；保温炉冷；保温炉冷； 目的：消除加工硬化，消除残余应力。目的：消除加工硬化，消除残余应力。 正火正火 正火：亚共析加热正火：亚共析加热 AcAc3 3 （30305050）、）、 过共析钢加热过共析钢加热 AccmAccm（30305050）保温空冷，得到）保温空冷，得到 P P 类工艺。类工艺。 组织：组织：S S 或或 P P（F FFeFe3 3C C） 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。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：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。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。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：恢复变形前的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。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%C%0.400.40中低碳钢：正火，提高硬度中低碳钢：正火，提高硬度 C%C% 0.4O0.4O0.600.60：完全退火；：完全退火； C%C% 0.60.6的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。 合金钢：退火：合金钢：退火： 铸铁件白口层：加热铸铁件白口层：加热 850850950950保温（炉冷空冷）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：没有组织变化。去应力退火：没有组织变化。 工艺：缓慢加热工艺：缓慢加热 500500650650保温缓冷，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：提高硬度、强度、耐磨性。目的：提高硬度、强度、耐磨性。 原则：原则：淬硬，获尽量完全的淬硬，获尽量完全的 M M；淬透，淬透，M M 组织表里如一；组织表里如一；保证淬硬条件下，用缓冷介质，以保证淬硬条件下，用缓冷介质，以 防开裂。防开裂。 . . 淬透性：在规定淬火条件下得到淬透性：在规定淬火条件下得到 M M 多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢 的属性。由的属性。由 A A过 过稳定性决定，表现为 稳定性决定，表现为的大小。的大小。 K V 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：从表面至半淬透层深度：从表面至半 M M 区的距离。与钢的淬透性及外在因素有关。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；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；工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深； K V 。水淬比油淬的淬透层深；。水淬比油淬的淬透层深； .淬硬性：由淬硬性：由 M M 中中 C%C%，钢的淬硬性越好。，钢的淬硬性越好。 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： （30305050），组织：均匀细小），组织：均匀细小 M M 组织组织 C3 A 温度太高，温度太高， M M 粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温度粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温度时，硬度降低。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：（30305050）。组织：）。组织：M MF Fe3e3C CIIIIA Ar r， C1 A 若在若在A Acmcm以上淬火，以上淬火，AA 粗大粗大高碳高碳 M M 粗大粗大力学性能力学性能，变形开裂，变形开裂 C1 A 合金钢：加热温度碳钢合金钢：加热温度碳钢 淬火方法淬火方法 单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油单介质淬：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。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 稍高于稍高于 M Ms s的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。用于：小尺寸工件及刀具。的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。用于：小尺寸工件及刀具。 贝氏体等温淬火：贝氏体等温淬火： 稍高稍高 M Ms s温度的盐浴或碱浴中冷却保温，获得温度的盐浴或碱浴中冷却保温，获得 B B下 下。用于：形状复杂和性能较高的较小零件。 。用于：形状复杂和性能较高的较小零件。 深冷处理：在深冷处理：在 00以下的介质中冷却的热处理工艺。以下的介质中冷却的热处理工艺。 目的：减少目的：减少 A Ar r获最大数量获最大数量 M M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。 用于：精密工件，量具。用于：精密工件，量具。 表面淬火表面淬火 原理：（交变磁场原理：（交变磁场感应电流感应电流工件电阻工件电阻加热，集肤效应加热，集肤效应表面加热）表面加热） 工艺：水（乳化液）喷射淬火（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 淬硬层深度淬硬层深度 0.50.52.52.5；中小零件。；中小零件。 2)2)中频淬火中频淬火 淬硬层深度淬硬层深度 2 21010；大中模数齿轮；大中模数齿轮, ,较大轴类零件等较大轴类零件等 3)3)工频淬火：工频淬火： 淬硬层深度淬硬层深度 10102020；大直径零件。；大直径零件。 适用钢种适用钢种 中碳钢和中碳低合金钢：中碳钢和中碳低合金钢： 碳素工具钢和低合金工具钢：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）。表面硬度淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。表面硬度223HRC3HRC，脆性，脆性。 显著提高钢件的疲劳强度。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：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，改善表面性化学热处理：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，改善表面性 能。能。 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。度；抗蚀性和耐热性等。 渗碳渗碳 1 1）碳浓度：表面）碳浓度：表面 C(0.15C(0.150.300.30)C)C 1.01.0， 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。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：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。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： 900900950950；（渗碳加热到；（渗碳加热到以上）以上） 3C A 渗碳时间：渗碳时间： 900900950950温度下，温度下，0.20.20.3mm/h0.3mm/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：P PFe3CFe3CII II( (过共析相 过共析相) ) 心部：亚共析组织心部：亚共析组织(P(PF)F)， 中间：过渡组织；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： M MA A残 残， ， 钢的合金化钢的合金化 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）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。，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）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细化晶粒产生细晶强韧化 形成钝化保护膜形成钝化保护膜 对奥氏体和铁素体存在范围的影响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（表四-1-1） 钢钢 种种 典型钢号及其应用典型钢号及其应用 性能特点性能特点 成分特点与合金化原则成分特点与合金化原则 热处理特点热处理特点 使用态组织使用态组织 低合低合 金高强金高强 钢钢 按按 ss 分分 6 6 级级: : 低强度级别低强度级别:16Mn:16Mn 一般一般 工程结构工程结构 中等强度级别中等强度级别:15MnVN:15MnVN 大型桥梁大型桥梁, ,锅炉锅炉, ,船舶船舶, ,焊接焊接 结构结构. . 高强度级别高强度级别:18MnMoNb:18MnMoNb 高压锅炉高压锅炉, ,高压容器高压容器 高强度高强度: : ss300Mpa300Mpa 高韧性：高韧性： =15%=15%20%20%，室温，室温 akak600600 kJ/mkJ/m2 2800800 kJ/mkJ/m2 2。 良好焊接性能和冷良好焊接性能和冷 成形性能成形性能 低低 C:C:0.2%0.2% MeMe 以以 MnMn 为主、为主、MnMn 和和 SiSi 固溶固溶 强化强化 加入加入 V V、,Nb,Ti,Nb,Ti 等元素细化等元素细化 F F 晶粒晶粒 加入加入 P P 细化珠光体细化珠光体 加入加入 CuCu 抗腐蚀抗腐蚀 一般供应状态使用一般供应状态使用, ,不热处理焊接结不热处理焊接结 构构 可进行一次正火可进行一次正火, ,改善焊区性能改善焊区性能 铁素体铁素体+ +索氏体索氏体 合金合金 渗碳钢渗碳钢 低淬透性低淬透性:20Cr,15Cr:20Cr,15Cr 小小 冲击载荷耐磨件冲击载荷耐磨件, ,如活塞销如活塞销, , 小齿轮小齿轮. . 中淬透性中淬透性:20CrMnTi:20CrMnTi：高：高 速较高载有冲击的耐磨件速较高载有冲击的耐磨件, , 重要齿轮重要齿轮, ,连轴器。连轴器。 高淬透性高淬透性:18Cr2Ni4WA:18Cr2Ni4WA 重载大截面重要耐磨件重载大截面重要耐磨件, ,如如 柴油机曲轴柴油机曲轴, ,连杆连杆 渗层硬度高渗层硬度高, ,耐磨耐磨, , 抗接触疲劳抗接触疲劳, ,且有适且有适 当塑性当塑性, ,韧性韧性 心部高韧性和足够心部高韧性和足够 强度强度 良好的热处理工艺良好的热处理工艺 性能性能 低低 C:C: 0.1%0.1%0.25%0.25% 加入提高淬透性元素加入提高淬透性元素 Cr,Cr,、Ni,Ni,、MnMn、,B,B 加入加入 Mo,W,V,Nb,TiMo,W,V,Nb,Ti 等阻碍等阻碍 A A 晶粒长大和形成稳定的合金碳化晶粒长大和形成稳定的合金碳化 物物, ,提高耐磨性提高耐磨性 预先热处理（改善切削加工性能）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：渗碳后淬火（直接或一最终热处理：渗碳后淬火（直接或一 次、二次淬火）低温回火次、二次淬火）低温回火 20CrMnTi20CrMnTi 齿轮工艺路线：下料齿轮工艺路线：下料锻锻 造造正火正火加工齿形加工齿形渗碳渗碳(930)(930)， 淬火淬火(830)(830) 低温回火低温回火(200)(200) 磨齿磨齿 表层：高碳表层：高碳 MM粒状粒状 CemCemAA 心部：心部： 淬透：淬透： 低碳低碳 MM 未淬透：未淬透： T TMMF(F(少量少量) ) 钢钢 种种 典型钢号及其应用典型钢号及其应用 性能特点性能特点 成分特点与合金化原则成分特点与合金化原则 热处理特点热处理特点 使用态组织使用态组织 合金合金 调质钢调质钢 低淬性低淬性:40Cr,40MnB:40Cr,40MnB 一一 般尺寸重要零件般尺寸重要零件, , DoDo30304040 中淬透性中淬透性: : 40CrNi,40CrNi, DoDo40406060 高淬透性高淬透性: : 40CrNiMoA40CrNiMoA 大截面重载重要零件大截面重载重要零件, , DoDo6060160160 高水平综合机械性能高水平综合机械性能, , 能满足多种和较复能满足多种和较复 杂的工作条件杂的工作条件 中中 C C：0.25%0.25%0.50%0.50%以以 0.40.4 左左 右为主右为主 加入提高淬透性元素加入提高淬透性元素 Cr,Ni,Mn,Si,BCr,Ni,Mn,Si,B 加入加入 Mo,WMo,W 消除回火脆消除回火脆 一般一般: :油淬油淬+ +高温回火调质高温回火调质 若要求表面耐磨：调质后可进行表面若要求表面耐磨：调质后可进行表面 淬火或氮化处理。淬火或氮化处理。 表面淬火表面淬火; ; 专门化学热处理专门化学热处理( (如氮化如氮化) ) (38CrMoAl(38CrMoAl 氮化钢氮化钢) ) SS 合金合金 弹簧钢弹簧钢 以以 Si,MnSi,Mn 合化合化:65Mn,:65Mn, 60Si2Mn60Si2Mn 用于汽车用于汽车, ,拖拉机拖拉机, , 机车的板簧和螺旋弹簧机车的板簧和螺旋弹簧 以以 Cr,V,WCr,V,W 合金化合金化: : 50CVA35050CVA350400400以下重以下重 载载, , 较大型弹簧较大型弹簧, ,如高速柴如高速柴 油机气门弹簧油机气门弹簧. . 高高 ee 和和 ss , ,高高 屈强比屈强比 高疲劳抗力高疲劳抗力 足够塑韧性足够塑韧性, ,能承能承 受震动受震动, ,冲击冲击 有较好淬透性有较好淬透性, ,不不 易脱易脱 C C , ,易绕卷成形易绕卷成形 中高中高 C:0.45%C:0.45%0.70%0.70% 加入加入 Si,MnSi,Mn 提高淬透性也提高提高淬透性也提高 屈强比屈强比 加入加入 Cr,W,VCr,W,V 也提高淬透性也提高淬透性 加入加入 Si-CrSi-Cr 不易脱不易脱 C C 加入加入 Cr-VCr-V 细化晶粒细化晶粒, , 耐冲击耐冲击, ,高温强度好高温强度好 热成形法制弹簧热轧钢丝钢板热成形法制弹簧热轧钢丝钢板卷卷 弯曲成型弯曲成型淬火淬火+ +中温回火中温回火喷丸喷丸 冷成形法制弹簧钢丝钢板冷成形法制弹簧钢丝钢板淬火淬火+ + 中温回火中温回火冷卷弯曲成型冷卷弯曲成型去应力去应力 喷丸喷丸 TT 钢钢 种种 典型钢号及其应用典型钢号及其应用 性能特点性能特点 成分特点与合金化原则成分特点与合金化原则 热处理特点热处理特点 使用态组织使用态组织 滚珠滚珠 轴承钢轴承钢 CrCr 轴承钢轴承钢: : GCr15GCr15 中小中小 型轴承型轴承, ,冷冲模冷冲模, ,量具量具, ,丝锥丝锥. . 添加添加 Mn,Si,Mo,VMn,Si,Mo,V 的钢的钢: : GCr15SiMo,GSiMnMoVGCr15SiMo,GSiMnMoV 制造制造 大型轴承大型轴承. . 高接触疲劳强度高接触疲劳强度 高硬度和耐磨性高硬度和耐磨性 足够的韧性和淬透足够的韧性和淬透 性性 一定耐蚀能力和良一定耐蚀能力和良 好尺寸稳定性好尺寸稳定性 高高 C:0.95%C:0.95%1.10%1.10% CrCr 基本元素基本元素: :提高淬透性提高淬透性; ;细化细化 Cem;Cem;提高耐磨性和接触疲劳抗力提高耐磨性和接触疲劳抗力; ; Cr0.4Cr0.41.651.65 加入加入 Si,MnSi,Mn 提高淬透性提高淬透性; ;加入加入 V V 耐磨性耐磨性, ,防止过热防止过热 纯度要求极高纯度要求极高 S S0.020.02，P P0.0270.027 预先热处理（球化退火）预先热处理（球化退火） 正火正火: :消除消除 CemCem 网网 球化退火球化退火: :便于切削便于切削, , 使细小均使细小均 匀匀, ,为淬火作准备为淬火作准备 最终热处理：（淬火（最终热处理：（淬火（800800840840） 低温回火（低温回火（150150170170） ） 冷处理冷处理:(:(精密零件精密零件) )尺寸稳定尺寸稳定 MM粒状粒状 CemCem少量少量 A A残 残 余余 低合低合 金刃具金刃具 钢钢 Si-CrSi-Cr 系系:9SiCr,:9SiCr,低速低速 切削刃具切削刃具 CrCr 系系:Cr,Cr06:Cr,Cr06 如如, ,铰铰 刀刀, ,刮刀刮刀, ,锉刀等锉刀等. . Cr-W-MnCr-W-Mn 系系:CrWMn:CrWMn 如如 拉刀拉刀, ,冲模冲模, ,样板样板, ,量规量规 W W 和和 Cr-WCr-W 系系: :小麻花钻小麻花钻, , 低速切削刃具低速切削刃具 高硬度高硬度:HRC:HRC6060 高耐磨性高耐磨性 高热硬性高热硬性 足够塑性和韧性足够塑性和韧性 高高 C:0.9C:0.9 % %1.11.1 % % 加入加入 Cr,Mn,SiCr,Mn,Si 提高淬透性提高淬透性 加入加入 SiSi 提高回火稳定性提高回火稳定性 加入加入 W,VW,V 提高耐磨性提高耐磨性, ,并防止加并防止加 热时过热，保持晶粒细小热时过热，保持晶粒细小 预备热处理：锻造后进行球化退火。预备热处理：锻造后进行球化退火。 最终热处理：淬火最终热处理：淬火+ +低温回火工艺路低温回火工艺路 线：锻造球化退火机加工淬火线：锻造球化退火机加工淬火 低温回火低温回火 MM粒状粒状 CemCem少量少量 A A残 残 余余 与碳素工具与碳素工具 钢相比较，淬钢相比较，淬 透性提高，可透性提高，可 采用油淬火。采用油淬火。 变形和开裂倾变形和开裂倾 向小。向小。 钢钢 种种 典型钢号及其应用典型钢号及其应用 性能特点性能特点 成分特点与合金化原则成分特点与合金化原则 热处理特点热处理特点 使用态组织使用态组织 高速高速 钢钢 （高速（高速 工具速工具速 钢）钢） W W 系系:W18Cr4V:W18Cr4V W-MoW-Mo 系系:W6Mo5Cr4V2:W6Mo5Cr4V2 作作 高速切削刃具铸造组织有高速切削刃具铸造组织有 鱼骨状共晶鱼骨状共晶 高硬度高硬度:HRC:HRC 6060 高耐磨性高耐磨性 高热硬性高热硬性 足够塑性和韧性足够塑性和韧性 高高 C:0.7C:0.7 % %1.51.5 % % 要保证能与要保证能与 W W、CrCr、V V 等形等形 成足够数量的成足够数量的 CemCem；有一定数量；有一定数量 的的 C C 溶于溶于 A A 中，以保证中，以保证 M M 的高硬的高硬 度。）度。） 加入加入 CrCr 提高淬透性提高淬透性 铬的碳化物铬的碳化物(Cr(Cr2 2C C6 6) )在淬火加在淬火加 热时几乎全部溶于奥氏体中，增热时几乎全部溶于奥氏体中，增 属于莱氏体钢，属于莱氏体钢， 锻造：共晶莱氏体呈鱼骨胳状，热处锻造：共晶莱氏体呈鱼骨胳状，热处 理不能消除，只能热变形破碎，理不能消除，只能热变形破碎， 预热处理：等温退火，消除内应力，预热处理：等温退火，消除内应力， 改善切削，组织准备。改善切削，组织准备。 最终热处理：最终热处理： 12701270淬火淬火 560560580580回火回火( (三次三次) )：若冷处：若冷处 理只需一次回火理只需一次回火 M+M+少量少量 A A残余 残余 + + CemCem。 加加 A A过冷 过冷的稳定性，钢的淬透性。 的稳定性，钢的淬透性。 还提高抗氧化、脱碳能力还提高抗氧化、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（提高回火稳定性和热硬性的主 要元素）要元素） 加入加入 V V 提高耐磨性提高耐磨性 V V 形成的碳化物形成的碳化物 vC(vC(或或 V V4 4C C3 3) )非非 常稳定，极难溶解，硬度较高常稳定，极难溶解，硬度较高 回火回火( (三次三次) )：消除内应力：消除内应力 消除消除 A A残余 残余 齿轮铣刀生产过程的工艺路线如齿轮铣刀生产过程的工艺路线如 下：下： 下料下料锻造锻造退火退火机械加工机械加工 淬火淬火+ +回火回火喷砂喷砂磨加工磨加工成品。成品。 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 1低碳钢的拉伸图低碳钢的拉伸图 2 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。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。 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、固溶体、固溶强化、枝晶偏析、A A、F F、P P、F Fe3 e3C; C; 合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物 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。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：熔点、硬度高、脆性大。碳钢中的金属化合物：熔点、硬度高、脆性大。碳钢中的 FeFe3 3C C。对钢的强度和耐磨性有重要的作用。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：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。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：冷加工、热加工、回复、再结晶，加工硬化掌握概念：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；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。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。抗腐蚀性能降低。 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）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：表面细晶粒层、柱状晶粒层、中心等轴晶粒区铸锭组织：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：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。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）：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。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冶炼、浇铸过程中炉衬、型壁材料等脱落进人铸锭带来；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，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。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）：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）：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。种较大尺寸范围内出现的偏析。 消除枝晶偏析：扩散退火或均匀化退火消除枝晶偏析：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。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热塑性变形对金属组织和性能的影响 第第 4 4 章章 改善材料性能的热处理、合金化及改性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 P、S S、T T、B B、M M、S S回 回、 、T T回 回、 、M M回、 回、完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、 、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。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：加热超过共析钢：加热超过 PSKPSK 线（线（A A1 1）时，完全转变为奥氏体，）时，完全转变为奥氏体， 平衡状态下平衡状态下 亚共析钢：必须加热到亚共析钢：必须加热到 GSGS 线（线（A A3 3）以上）以上 过共析钢：必须加热到过共析钢：必须加热到 ESES 线（线（A ACM CM）以上，才能全部获得奥氏体。 ）以上，才能全部获得奥氏体。 ）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。）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：提高加热温度，加速了奥氏体的形成。加热温度：提高加热温度，加速了奥氏体的形成。 加热速度：加热速度越快，缩短奥氏体的形成时间。加热速度：加热速度越快，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：大部分合余元