《机械工程材料》复习课(1)

1、机械工程材料复习课第一章 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 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。 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

2、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 = 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，

3、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< 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，

4、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 机械性能 一强度与塑性（静拉伸试验） 1弹性极限：Re = 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 Rs = 代表材料发生明显塑性变形的抗力。 3抗拉强度：Rm= 材料在断裂前所发生的均匀塑性变形所能

5、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：A= ×100% 断面收缩率：Z= × 100% 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

6、，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普通结构钢常桌用“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R<Rs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 加工硬化与再结晶 多晶体的塑性变形抗力较单晶体为高：Rs=Ri+

7、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

8、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：TmT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210%，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 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

9、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。2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。 二化合物1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2机械混合物： 由两相或多相按一定比例构成的金属组

10、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 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

11、态图 在共晶点以左CE段为过共晶合金：先Lsb，然后LcPbSb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 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 铁碳合金状态图 一状态

12、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：LcE+Fe3C，sp+ Fe3C 二金相组织与钢的凝固过程 （1）亚共析钢：LL+AAA+FF+P （2）共析钢： AP （3）过共析钢：AFe3CII+AFe3CII+P （4）共晶白口铸铁：L4.3Ld(A+ Fe3CILd（5）亚共晶白口铸铁：LA+L A + Ld A+Fe3CII Ld P+ Fe3CII+ Ld （6）过共晶向口铸铁：L L + Fe3CI Ld + F

13、e3CI Ld+ Fe3CI 组织形貌：参考书上P49图3-3-5至图3-3-10。凡：C%=02.11%为钢，C%=2.116.09%为铁，画出冷却曲线，组织转变示意图。第六章 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 1A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Ac1Acm间进行“不完全A化”：A+部分Fe3C。 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

14、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A1MS间转变有孕育期 不同温度范围内产物不同。 P区：A1C曲线鼻尖以上高温转变区： P：0.3m ，1025 HRC（100250HB） S：0.1m， 2535 HRC T：<0.1m， 3548 HRC B区： C曲线鼻尖以下MS中温转变区Fe切变，C原子短程扩散： B上：羽毛球：C化物在F界面上，位错缠结， HRC4045，脆性，不好 B下：针叶状：C化物在F片

15、内，位错蜜度高， HRC4555，韧性好（等温淬火） 2过冷A连续冷却转变CCT图介绍图7-15，临界冷速VK淬透性有关（决定过冷A稳定性） 三钢的预处理：正火与退火 1完全退火亚共析钢2球化退火（等温退火）过共析钢 四钢的淬火与回火 1、淬火：V>VK，得到M组织 （1）淬火温度：亚共析钢 AC3 + 3050过共析钢 AC1 + 3050（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）

16、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：200300，AB下。 （3）碳化物类型转变：250400，“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

17、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，其它方法一般了解，不考试。 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”， 5864 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。

18、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 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

19、造碳钢 ZG×××××Rs-Rm（Mpa），用途。 二合金钢分类与编号 1低（Me<5%），中（5%<Me<10%），高（>10%Me）合金钢含碳量C<2.11由于C、E点左移，出现莱氏体钢。 2分类： 合金结构钢：调质钢、渗碳钢、易切钢、低淬钢、普低钢、弹簧钢、轴承钢。 合金工具钢：量具钢、冷作模具钢、热作模具钢。 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨铸钢。Ø25mm试样空气静止泠却：分P钢、B钢、M钢、A钢、F钢etc。 3编号：、结构钢：00/00C，1%Me不标数字，1.52.5%标“Me2”。加A高

20、级优质钢 eg：40Cr、Y15、GCr15(1%C, 1.5%Cr)工具钢：T 0/00C,碳素工具钢， T10, T12A。无须加-A，1%C + MeX （对C>1%， 不标碳量）eg：W18Cr4V(0.7% 0.8%), 00Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti。 三钢中常存杂质元素影响 1Si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。 2S： 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

21、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2050%。 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。 C0.10.25%，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

22、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，5862； 心部：1）全部淬透：低碳M，HRC4048； 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； 18 Cr2Ni4WA（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0.30.55%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

23、。 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， 40Mn, 40MnB 2) 中淬透性：40MnVB、42SiMn, 40Cr, 42CrMo 3）高淬透性：40CrNiMoA, 40CrMno, 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Rs/Rm。1) 含C：0.450.75%(0.60.9%)保证Re和Rs/Re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, 50CrV

24、A, 65,75,85号钢。热处理：淬火 + 中温回火（回火T）5滚动轴承钢 GCr151）含C：0.951.10%，保证高的溶硬性和耐磨性。2）Cr：1.31.65%,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（HB180207）淬火 + 泠处理 + 低温回火6165HRC，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, 4Cr5oVSi, Ni25Ti2AlN6。 五合金工具钢 1高速钢W18Cr4V 1）含C:0.70.8% 形成W,Cr,V的大量碳化物，过饱和的M。2）W：1719%，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