机械工程材料总复习资料[1]

1、机械工程材料复习第一部分基本知识一、概述1目的掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（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。2复习方法以“材料的化学成分t加工工艺t组织、结构t性能t应用”之间的关系为主线， 掌握材料性能和改性的方法，指导复习。二、材料结构与性能：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。2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：体

2、心立方（-Fe ）、面心立方（-Fe ），各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）t各向同性；强度、 硬度增高；塑性、韧性降低。我1-2宝际金属的晶体结构转抽主竇影式对材料性罪的醪衲间Btiif（子廿换駅子主聂力式册工址化園酣懺tt*灯#t呂化面旗陷绘猶识、启忙锻*熔盘低，蛊度髙£3制蛊住合金：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 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

3、的合金3材料的组织结构与性能。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld ;1）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 使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。令冬种类白口铸快亜共斷構共折fML.厂1垃共斬艳亜共晶 enHtt共丹白过其莽 白LJ特铁<0.02150.77n0.7?3.112, J1 4 34.69FF-f rFPH-FeiCi +AFeiC i +3| FejCn .-* fe» S*性*10性奶2-2牲碳金金中的从木紺织1定 i性ntFBCCc渚于以屮£0l書52蚩戟+片状靈.別性艮蚌AF

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5、）成分、组织对性能的影响 硬度（HBS）:随C%f ,硬度呈直线增加，HBS值主要取决于组成相 Fe3C的相对量。 抗拉强度（b） : C%v 0.9%范围内，先增加，C%> 0.91.0 %后，b值显著下降。 钢的塑性（）、韧性（aj :随着C%f ,呈非直线形下降。3）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，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、韧性仅略有下降或不降即弥散强化；呈

6、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农3*1塑件变聃村临居纽织和性能的影响変賂类皇工艺方墓性憾愛花变烟晶粒沿变率方向件覧，眉于各向舁性品粒碎化，形成隻结梅*强度增离雹性尸降 或旅加匚仗化L槽度障低冷拉牆轧档于各向畀性焊音铸進组垠中存在的力学性能按鬲，帶度擬高由碎铸逍总钛晶粒、粗大枝甜良 橋比掰、關析NE小*恳怕温北夹杂物沿变解方向拉枳、腦成汛城 幷蟻坦织甲聲*净却可孫城带状组報的于各向舁性 址方尙力学性能規為1）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，非平衡组织向平衡组织转变：可通过再结晶、时效及回火

7、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）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f,性能完全恢复到变形前的水平。热处理组织与性能1）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

8、好。2）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V 0.23 %;机械性能：不存在显微裂纹，淬火应力小，强度高，塑性、韧性好。 .针状马氏体：碳含量 1.0 %;（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； 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，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 对钢中马氏体的硬度影响不大。*4,1过冲虞氏休尊迴冲却转变的英型s产鶴、性龍耳特征1 相组咸t戦变英迥|特征HRC悴 型珠丸悴FIt -630K+ i

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11、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 要零件米用。多边形F+粒状F&C4材料组织结构变化实现的性能强化：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： 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： 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：硬

12、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： 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。三、材料热处理、合金化与性能1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 ：加热保温缓冷获得接近平衡状态组织。退火目的： 改善铸、锻

13、、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）完全退火（加热Ac3+（ 2030C ）温度，保温、缓冷组织： P+F目的：细化，均匀化粗大、的原始组织；降低硬度 t切削性T;消除内应力；消除组织缺陷;应用： （ C%=0.3 0.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧2）球化退火加热Aci+（ 1030C ），保温、缓冷（或 Ari （ 2030C ）等温）应用： 过，共析钢、高碳合金钢组织：球状P （F+球状Cem）目的：Fe3ClI及Fe3C共析球化T HRQ，韧性切削性f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）扩

14、散退火加热10501150C，保温1020h,冷却：炉冷组织： P+F 或 P+Fe3CII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。4）去应力退火（再结晶退火）加热：Ac1（ 100200 ）C；保温+炉冷；目的： 消除加工硬化，消除残余应力。正火正火：亚共析加热 AC3 + （ 3050C）、过共析钢加热 Accm+（ 3050C）保温+空冷，得到 P类工艺。组织：S或 P （ F+ FesC）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。

15、2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C%： 0.40 %中低碳钢：正火，提高硬度C%f 0.4O %0.60 % :完全退火；C沧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 850950C+保温+（炉冷+空冷）。消除材料的加工应力去应力退火 ：没有组织变化。工艺：缓慢加热500650 C+保温+缓冷，3钢铁的淬火淬火原则与淬透性目的 ：提高硬度、强度、耐磨性。原则：淬硬，获尽量完全的M;淬透，M组织表里如一

16、；保证淬硬条件下，用缓冷介质，以防开裂。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 VK的大小。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 M区的距离。与钢的淬透性及外在因素有关。影响因素：I Vk越小，淬透层越深；II .工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；川。水淬比油淬的淬透层深；.淬硬性：由M中。钢的淬硬性越好。4淬火工艺淬火加热温度 亚共析碳钢：Ac3 +（ 3050C）,组织：均匀细小M组织温度太高， M粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温

17、度vAC3时，硬度降低。 共析和过共析碳钢：加热：Ac1 +（ 3050C）。组织：砒 Fe3O + Ar,若在AciAcm以上淬火，t A粗大t高碳 M粗大t力学性能J,变形开裂f 合金钢：加热温度碳钢淬火方法 单介质淬： 简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油 双介质淬火先水,后油冷却。复杂高碳钢及大型合金钢工件。 分级淬火稍高于MS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：稍高MS温度的盐浴或碱浴中冷却+保温，获得B下。用于：形状复杂和性能较高的较小零件。 深冷处理：在0C以下的介质中冷却的热处理工艺。目的：减少A-获最大数量 M提高硬度、耐磨性，稳

18、定尺寸。 用于：精密工件，量具。5.表面淬火原理：（交变磁场t感应电流t工件电阻t加热，集肤效应t表面加热）工艺：水（乳化液）喷射淬火+（180200C）低温回火，感应加热表面淬火的分类1）高频淬火淬硬层深度0.52.5 mm；中小零件。2）中频淬火 淬硬层深度210 mm；大中模数齿轮，较大轴类零件等3）工频淬火：淬硬层深度1020 mm；大直径零件。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。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f23HRC脆性J。 显著提高钢件的疲劳强度。6钢的化学热处理化学热处理：在加热和保温中使活性原

19、子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织，改善表面性能。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；提高钢件的疲劳强度；抗蚀性和耐热性等。渗碳1）碳浓度：表面 C（0.15 %0.30 %） tC 1.0 %,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。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 ）渗碳工艺温度：900950C；（渗碳加热到 A C3以上）渗碳时间：900950 C温度下，0.20.3mm/h。3）低碳钢渗碳缓冷组织：厂表层：P+ Fe3O（过共析相）Y心部：亚共析组织（P + F）

20、,-中间：过渡组织；4）渗碳后的热处理 渗碳后淬火+低温回火 淬火后组织：M+ A残，7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 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1低合按d s分6级：高强度：dS

21、>低 C: v 0.2%一般供应状态使用，不热处理焊接结铁素体+索氏体金咼强低强度级别：16 Mn 般300MpaMe以Mn为主、Mn和Si固溶强构钢工程结构高韧性：3 =15%-化可进行一次正火，改善焊区性能中等强度级别：15MnVN大20%,室温 ak > 600加入V、，Nb,Ti等元素细化F型桥梁,锅炉,船舶,焊接结2 2kJ/m 800 kJ/m。晶粒构良好焊接性能和冷加入P细化珠光体高强度级别:18MnMoNb咼成形性能加入Cu抗腐蚀压锅炉，高压容器2.合金低淬透性：20Cr,15Cr 小渗层硬度咼，耐磨，低 C: 0.1% 0.25%预先热处理（改善切削加工性能）锻表层：高碳 M'渗碳钢冲击载荷耐磨件，如活塞抗接触疲劳，且有适加入提咼淬透性兀素压后t正火+ 粒状 Cem A'销,小齿轮当塑性，韧性Cr, 、 Ni, 、 Mn ,B最终热处理：渗碳后淬火（直接或一心部：中淬透性:20CrMnTi :高心部高韧性和足够加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶次、二次淬火）+低温回火淬透：速较高载有冲击的耐磨件，强度粒长大和形成稳疋的合金碳化20CrMnli齿轮工艺