机械工程材料总复习公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

1、含碳量为1.0%钢比含碳量为0.5%钢硬度高；硬度（HB)取决于组成相硬度及其相对含量。

C%↑，高硬度Fe3C%↑，低硬度F%↓，故HB↑。2、室温下，含碳量为0.8%钢比含碳量为1.2%钢强度高；σ与C%相关，还与C分布、形状相关。晶粒呈片状共析Fe3C与F组成P组织含有较高强度，且P组织越细，则强度越高。C%＜0.77%：C%↑，P↑，σ↑。0.77%＜C%＜0.9%：C%↑,P组织越细，σ↑。含C量超出共析成份后，合金中Fe3CⅡ量极少，且呈粒片断续包围P分布，因为相界面增多，所以合金强度还会略有升高，直到C%=0.9%时。0.9%＜C%＜2.11%：

Fe3C呈网状分布，包围P，割裂了P晶粒之间结合，使合金σ↓,（随C%↑）。

低温莱氏体由珠光体和渗碳体组成，其含碳量大于珠光体含碳量；C%↑，硬脆相Fe3C%↑，软韧相F%↓，故塑性↑。3、低温莱氏体塑性比珠光体塑性差；

在1100℃时，含碳量0.4%钢可取得奥氏体组织，而奥氏体塑性好、易于成形；而含碳量4%铸铁则取得奥氏体、莱氏体和渗碳体，其中莱氏体和渗碳体脆性大，所以不能铸造。4、在1100℃，含碳量0.4%钢能进行铸造，含碳量4%铸铁不能进行铸造；

铆钉经过变形连接两个工件，这要求所用材料含有良好塑性。而低碳钢含碳量较低，软韧性铁素体含量较多，硬脆相渗碳体含量较少，所以塑性很好，能满足铆钉选材要求。5、钢铆钉普通用低碳钢制成；

含碳量0.0218%~2.11铁碳合金称为钢，钢加热可取得奥氏体组织，而奥氏体塑性好、易于成形；而铸铁液相线和固相线之间间距较小、流动性好、枝晶偏析倾向小，铸造性能很好。6、钢适宜于经过压力加工成形，而铸铁适宜于经过铸造成形；

绑扎物件所用材料要求含有良好塑韧性、易于变形，而铁丝主要成份为软韧相铁素体，适宜用作绑扎材料；起重机钢丝绳要求其含有较高强度，而60、65钢主要成份为珠光体，珠光体含有较高强度，故起重机钢丝绳用60、65钢制造。7、绑扎物件普通用铁丝，而起重机钢丝绳用60、65钢制造；8、钳工锯含碳量0.8%、1.0%、1.2%等钢比锯含碳量0.1%、0.2%钢费劲，锯条易磨钝。

C%↑，高硬度Fe3C%↑，低硬度F%↓，故HB↑。含碳量过高，硬度太大，对刀具磨损严重，不利于切削。《机械工程材料》总复习使用性能工艺性能纯金属合金工业用钢有色金属及其合金铸铁结晶塑性变形热处理细晶强化（变质处理又称孕育处理）金属凝固阶段固溶强化（固溶处理）热处理阶段弥散强化（时效处理）热处理阶段加工硬化（塑性变形又称压力加工）制造阶段金属强化机制一、性能㈠使用性能1、力学性能⑴刚度：材料抵抗弹性变形能力。指标为弹性模量：E=/⑵强度：材料抵抗变形和破坏能力。指标：抗拉强度b—材料断裂前承受最大应力。屈服强度s—材料产生微量塑性变形时应力。条件屈服强度0.2—残余塑变为0.2%时应力。疲劳强度-1—无数次交变应力作用下不发生破坏最大应力。⑶塑性：材料断裂前承受最大塑性变形能力。指标为、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性变形能力。指标为HB、HRC。⑸冲击韧性：材料抵抗冲击破坏能力。指标为αk.材料使用温度应在冷脆转变温度以上。⑹断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展能力。指标为K1C。2、化学性能⑴耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀能力。⑵抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用能力。3、耐磨性：材料抵抗磨损能力。㈡工艺性能1、铸造性能：液态金属流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。2、铸造性能：成型性与变形抗力。3、切削性能：对刀具磨损、断屑能力及导热性。4、焊接性能：产生焊接缺点倾向。5、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。二、晶体结构㈠纯金属晶体结构1、理想金属⑴

晶体：原子呈规则排列固体。

晶格：表示原子排列规律空间格架。

晶胞：晶格中代表原子排列规律最小几何单元.⑵三种常见纯金属晶体结构Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常见金属31212滑移系底面对角×3<110>×3<111>×2滑移方向六方底面×1{111}×4{110}×6滑移面0.740.740.68致密度12128配位数642原子个数原子半径a、caa晶格常数密排六方面心立方体心立方⑶立方晶系晶面指数和晶向指数①晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（）②晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加[]立方晶系常见晶面和晶向

⑷晶面族与晶向族指数不一样但原子排列完全相同晶面或晶向。⑸密排面和密排方向

——同滑移面与滑移方向在立方晶系中，指数相同晶面与晶向相互垂直。2、实际金属

⑴多晶体结构：由多晶粒组成晶体结构。

晶粒：组成金属方位不一样、外形不规则小晶体.

晶界：晶粒之间交界面。⑵晶体缺点—晶格不完整部位①点缺点

空位：晶格中空结点。

间隙原子：挤进晶格间隙中原子。

置换原子：取代原来原子位置外来原子。②线缺点——位错晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局部滑移,滑移面上滑移区与未滑移区交接线.③面缺点——晶界和亚晶界

亚晶粒：组成晶粒尺寸很小、位向差也很小小晶块。亚晶界：亚晶粒之间交界面。④晶界特点：原子排列不规则；妨碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变优先形核部位。金属晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调含有不一样位向晶粒越多，使得金属塑性变形抗力越高。晶粒越细，单位体积内同时参加变形晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗功大，因而韧性也好.细晶强化：经过细化晶粒来提升强度、硬度和塑性、韧性方法。㈡合金晶体结构合金：由两种或两种以上元素组成含有金属特征物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。相：金属或合金中凡成份相同、结构相同，并与其它部分有界面分开均匀组成部分。1、固溶体：与组成元素之一晶体结构相同固相.⑴置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成固溶体。多为金属元素之间形成固溶体。

⑵间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成固溶体。为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。铁素体：碳在-Fe中固溶体。奥氏体：碳在-Fe中固溶体。马氏体：碳在-Fe中过饱和固溶体。固溶强化：随溶质含量增加，固溶体强度、硬度提升，塑性、韧性下降现象。马氏体硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提升。

⑵金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同固相.①正常价化合物如Mg2Si②电子化合物如Cu3Sn③间隙化合物：由过分族元素与C、N、H、B等小原子半径非金属元素组成。分为结构简单间隙相和复杂结构间隙化合物。强碳化物形成元素：Ti、Nb、V如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe如Fe3C⑶性能比较：强度：固溶体纯金属

硬度：化合物固溶体纯金属塑性：化合物固溶体纯金属⑷金属化合物形态对性能影响①基体、晶界网状：强韧性低②晶内片状：强硬度提升，塑韧性降低③颗粒状：弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金强度、硬度越高，塑韧性略有下降现象。⑸固溶体与化合物区分：①结构；②性能；③表示方式合金元素在钢中作用1、强化铁素体；2、形成化合物——第二相强化3、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区4、使S、E点左移5、影响A化6、溶于A(除Co外),使C曲线右移,Vk减小,淬透性提升.7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。8、提升耐回火性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降能力）9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，因为析出细小弥散特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回，使硬度不但不下降，反而升高现象)10、预防第二类回火脆性：W、Mo(回火脆性：淬火钢在一些温度范围内回火时，出现冲击韧性下降现象。)三、组织㈠纯金属组织1、结晶：金属由液态转变为晶体过程⑴结晶条件——过冷：在理论结晶温度以下发生结晶现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度差。⑵结晶基本过程——晶核形成与晶核长大形核——自发形核与非自发形核长大——均匀长大与树枝状长大⑶结晶晶粒度控制方法：①增加过冷度；②变质处理；③机械振动、搅拌2、纯金属中固态转变同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生改变现象。固态转变特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大;③伴伴随体积改变。1394℃

912℃

铁同素异构转变：-Fe⇄-Fe⇄-Fe3、再结晶⑴再结晶条件：冷塑性变形⑵加热时改变：回复→再结晶→晶粒长大再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组过程.再结晶不是相变过程。

⑶再结晶温度：发生再结晶最低温度。纯金属最低再结晶温度T再0.4T熔⑷影响再结晶晶粒度原因：①加热温度和时间；②预先变形程度4、塑性变形：金属塑性变形方式：滑移和孪生⑴滑移特点：①只能在切应力作用下发生；②沿密排面和密排方向发生；③位移量是原子间距整数倍；④伴伴随转动滑移机理：经过位错运动实现。孪生特点：①孪生使晶格位向发生改变；②所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，靠近于声速；③孪生时相邻原子面相对位移量小于一个原子间距。⑵冷热加工：以再结晶温度划分①冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚结构细化、织构：变形量大时，大部分晶粒某一位向与外力趋于一致现象。加工硬化：

随冷塑性变形量增加，金属强度、硬度提升，塑性、韧性下降现象。冷加工使内应力增加，耐蚀性下降，提升。②热加工：形成纤维组织、带状组织纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时应考虑使流线方向与拉应力方向一致。㈡合金组织1、相图匀晶L共晶L+共析+包晶L+杠杆定律：只适合用于两相区。枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成份不均匀现象。2、合金中固态相变⑴固溶体转变：AF⑵共析转变：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ⑷奥氏体化⑸过冷奥氏体转变⑹固溶处理+时效：固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后取得过饱和单相固溶体组织处理。时效是指将过饱和固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相热处理。

3、铁碳合金相图

点：符号、成份、温度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢ莱氏体Le(A+Fe3C)

Le’(P+Fe3C)珠光体P(F+Fe3C)复相组织组成物：组织组成物标注相区标注线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线A1538℃D1227℃N1394℃G912℃PSK727℃ECF1148℃HJB1495℃C%温度经典合金结晶过程（以共析钢为例）时间温度杠杆定律应用合金相相对重量百分比组织组成物相对重量百分比45钢T10钢含碳3.0%亚共晶白口铁四、钢热处理㈠热处理原理1、加热时转变奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶解；A成份均匀化。奥氏体化后晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时晶粒度。实际晶粒度：给定温度下奥氏体晶粒度。本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒长大倾向。

2、冷却时转变⑴等温转变曲线及产物

650℃600℃550℃350℃A1MSMf时间PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M过冷A过冷A过冷A过冷A过冷A⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物

依据与C曲线交点位置判断转变产物

P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP退火(炉冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)M回150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’3、回火时转变碳钢：马氏体分解；残余奥氏体分解；-碳化物转变为Fe3C；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化。W18Cr4V钢：560℃三次回火。析出W、Mo、V碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，A’转变为M。每次回火加热都使前一次淬火马氏体回火。强化钢铁材料最经济有效热处理工艺是淬火+回火,它包含了四种基本强化方法。

㈡热处理工艺工艺目标加热温度组织退火1.调整硬度,便于切削加工。2.细化晶粒,为最终热处理作组织准备。亚共析钢Ac3+30~50℃共析钢Ac1+30~50℃过共析钢Ac1+30~50℃F+PPP球正火1.低中碳钢同退火。2.过工析钢：消除网状二次渗碳体。3.普通件最终热处理亚共析钢Ac3+30~50℃共析钢Ac1+30~50℃过共析钢Accm+30~50℃<0.6%C,F+S;≧0.6%C，SSS淬火取得马氏体组织。亚共析钢Ac3+30~50℃共析钢Ac1+30~50℃过共析钢Ac1+30~50℃≦0.5%C,M>0.5%C,M+A’M+A’M+A’+粒状Fe3C热处理工艺（续）工艺目标加热温度组织回火1.消除内应力，降低变形。2.取得所需要性能。低温回火150~250℃中温回火350~500℃高温回火500~650℃(调质)亚共析,共析钢：M回过共析钢:M回+A’(少)+粒状Fe3CT回S回表面淬火表面取得马氏体组织，并取得表硬里韧性能。预备热处理：调质或正火适适用于中碳钢0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(调质)或F+S(正火)渗碳提升表面含碳量，取得表硬里韧性能。渗碳温度:900~950℃淬火温度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃适适用于低碳钢0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+颗粒状Fe3C心部：M回+FM回五、工业用金属材料钢种C%经典牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途碳素结构钢<0.4Q195Q235热轧空冷F+P塑性,焊接性好建筑结构低合金高强度钢<0.2Q345(16Mn)Mn:强化F,增加P,降低脆转温度热轧空冷F+P塑性,焊接性好桥梁,船舶,容器渗碳钢0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提升淬透性,强化F,Ti:细化晶粒渗碳+淬火+低温回火表面：M回+A’(少许)+颗粒状Fe3C心部：M回+F表硬里韧轴、齿轮调质钢0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提升淬透性,强化F,Mo:预防第二类回火脆性调质S回良好综协力学性能轴、齿轮弹簧钢0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提升淬透性,强化F；Si:提升屈强比淬火+中温回火T回高s/b高-1弹簧㈠工业用钢工业用钢（续）钢种C%经典牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动轴承钢0.95~1.10GCr15Cr:提升淬透性,耐磨耐蚀性球退+淬火+低温回火M回+A’(少许)+颗粒状Fe3C高耐磨高-1足够ak滚动轴承耐磨钢1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A组织水韧处理表：M+碳化物心：A高耐磨耐冲击铲齿，履带板碳素工具钢0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低温回火M回+A’(少许)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨冲子、丝锥、锉刀低合金工具钢0.75~1.59SiCrSi、Cr：提升淬透性球退+淬火+低温回火M回+A’(少许)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速钢0.7~1.5W18Cr4VCr:提升淬透性；W、V：提升热硬、耐磨性锻、退火、淬火+三次回火M回+A’(少许)+颗粒状碳化物高热硬高硬度高耐磨高速刃具工业用钢（续）钢种C%经典牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途冷作模具钢1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提升淬透性。MoV:提升耐磨性锻，退，淬火+低温回火M回+A’(少许)+颗粒状碳化物高硬度高耐磨冷冲模挤压模热锻模钢0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同调质钢调质S回抗热疲劳热锻模压铸模钢0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速钢淬火+回火M回+A’(少许)+颗粒状碳化物抗热疲劳,耐磨压铸模不锈钢0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提升耐蚀性；Ni:形成A；Ti:预防晶间腐蚀调质S回高耐蚀性(随C%增加,耐蚀性下降)汽轮机叶片3Cr13,4Cr13淬火+低温回火M回医疗器械0Cr13不能热处理F硝酸氮肥工业1Cr18Ni9Ti固溶处理A化工管道耐热钢15CrMo,12Cr1MoVCr,Si:提升抗氧化性