机械工程材料笔记

1、机械工程材料 BY- ZCX 1.材料的使用性能材料的使用性能：力学性能、物理性能和化学性能，其中力学性能最为主要。力学性能的 主要指标：强度、刚性、塑性、弹性、硬度、韧性、疲劳性能和耐磨性等。 2.晶体结构晶体结构：固体可以分为晶体和非晶体。晶体结构内部原子排列包括体心立方晶格、面心 立方晶格和密排六方晶格。晶格排列可能会出现晶体缺陷如点缺陷（空位、间隙原子和置换 原子等） ，线缺陷、面缺陷。 3.晶体和非晶体的异同晶体和非晶体的异同： 异：晶体：晶粒规则排列，具有各向异性，具有固定熔点。举例：食盐，单晶硅。 非晶体：无序排列(长程无序，短程有序)，各向同性，固定熔点。例玻璃，松香，石蜡 同

2、：晶体和非晶体可相互转化。 4.结晶结晶 理论结晶温度：结晶速度等于溶解速度时的温度。 过冷度： 理论结晶温度与实际结晶温度的差值。 冷却速度越快， 过冷度越大； 金属纯度越高， 过冷度越大。 结晶：形核长大。 单个晶核形成长大成为单晶体金属， 多个晶核形成长大形成多晶体金属。 多晶体金属中晶粒 的大小用晶粒度表示。晶粒度与形核速率和长大速度有关系。长大速度越快，形核率越慢， 越大，反之越小。晶粒度越小，晶体越细化，金属强度、硬度越高，塑性、韧性越好。故这 种通过细化晶粒提高材料强度的方法为细晶强化。改善晶粒度（细化晶粒）的方法有：控 制过冷度（过冷度越大，形核率和长大速度越大，但是形核率增长

3、率高于长大速度，故有利 于晶体细化） ，变质处理，振动处理。 5.合金合金 合金的优良性能是由合金各组成相的结构及其形态所决定的。 碳钢的室温平衡组织由铁素体 和渗碳体两相组成。 相结构分类： 固溶体： 溶质原子融入金属溶剂形成晶格畸变 （晶体结构与组成合金的基本金属组元的结构 相同） 。 根据畸变的类型分为置换固溶体和间隙固溶体 （铁素体， 奥氏体， 马氏体） 由外来原子融入基体形成固溶体而使强度，硬度升高的现象称为固溶强化。 间隙固溶强化效果强于置换固溶效果。 金属化合物：金属化合物是合金组元之间发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相。 金属化合物一般具有较高的熔点和硬度。例如：渗碳体

4、 Fe3C（硬而脆） 6.二元合金相图二元合金相图 匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的二元合金相图。 共晶相图：两组元在液态时无限互溶、固态时有限互溶，并发生共晶转变形成共晶组织的二 元系相图。由液相同时析出两个固相。 共析相图：一定温度下，确定成分的固相分解为另外两个固定成分的固相的转变过程。共析 转变是在恒温下由一个固相转变为另外两个固相。 7.塑性变形塑性变形 单晶体塑性变形的主要方式为滑移和孪生。先出现位错（弹性阶段） ，位错多了便是滑移。 多晶体塑性变形的方式也是滑移和孪生， 但是多晶体的晶界对滑移起到了阻碍作用。 这也是 晶粒细小使强度升高的原因。 金属的加工形式：冷加工和热

5、加工。温度界限为金属的再结晶温度。 8. 冷冷塑性变形塑性变形 残余应力：塑性变形时，外界对金属做的功有一小部分的功以残余应力的形式保存下来。 消除残余应力的方式：去应力退火。 加工硬化：随着加工变形程度的增加，金属的强度，硬度增加，而塑性和韧性下降的现象称 作加工硬化。消除加工硬化的方式去应力退火。例如，反复弯折铁条会使其产 生加工硬化。 注意分析残余应力与加工硬化的区别。 例如：冲压 冷塑性金属的加热 回复： 力学性能变化不大，消除部分残余应力，加工硬化基本保留。工业上 对冷变形金属采用的去应力退火即回复退火，就是利用了回复过程。 再结晶： 金属强度硬度显著下降， 塑性， 韧性大大提高，

6、即加工硬化效应消失， 内应力基本消除。金属恢复到加工之前的状态。 再结晶形成新的无畸变的等轴晶粒，但晶格结构不变。 晶粒长大：温度过高会使晶粒长大。力学性能下降。 9.热塑性变形热塑性变形：热加工会使组织发生变化，不产生加工硬化。 例如：锻造 10.金属强化：金属强化： 固溶强化：造成晶格畸变 细晶强化：增多晶界数量 沉淀强化：又称弥散强化第二相质点 位错强化：即加工硬化，位错密度增加。 11.铁碳合金相图铁碳合金相图 铁素体：碳在-Fe 中的间隙固溶体称为铁素体，简称铁素体。F 奥氏体：碳在-Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体。A 渗碳体：具有复杂晶格的间隙化合物，Cm 莱氏体，珠光体，二次

7、渗碳体，三次渗碳体 12.铁碳合金分类铁碳合金分类 工业纯铁：Wc0.0218% 钢： （0.0218%WC2.11%）分为： 亚共析钢（0.0218%Wc0.77%）低碳钢，塑性韧性好，一般可以做支架 共析钢（Wc=0.77%）中碳钢，综合机械性能好，一般用于做各种零件，应用最广，45#钢 过共析钢（0.77%Wc2.11%）高碳钢，脆而硬，制作刀具 白口铸铁（2.11%Wc6.69%）分为： 亚共晶白口铸铁（2.11%Wc4.3%） 共晶白口铸铁（WC=4.3%） 过共晶白口铸铁（4.3%Wc6.69%） 13.钢的热处理钢的热处理 加热： 加热的目的是使钢变为奥氏体， 为将来的冷却做准备

8、。 注意对奥氏体晶粒大小的控制。 生产中常常通过快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。 冷却：冷却的速度直接影响钢的产物。按照转变速度的快慢分为： 高温转变：A1550珠光体（珠光体 P、索氏体 S、托氏体 T） 中温转变：550Ms贝氏体（上、下贝氏体） 低温转变：MsMf马氏体，碳的过饱和固溶体，硬而脆 14.热处理工艺热处理工艺 退火： 将金属或合金加热到某一温度， 然后缓慢冷却， 以获得接近平衡态组织的热处理工艺。 正火：在静止空气冷却的热处理工艺。 正火与退火的区别：缓慢冷却（随炉冷却）退火，空气冷却正火。 正火与退火的目的：调整硬度，便于切削加工；调整组织为以后的热处理做准备（消 除

9、残余应力； 提高塑性， 消除加工硬化； 均匀化组织； 细化晶粒； 作为最终热处理） 低中碳钢一般用正火处理，高碳钢一般选择退火，而且是球化退火。 在生产中正火退火的选择原则：能正火不退火（工艺简单，生产效率高，性能比退货 好） 淬火：强化钢材，以得到马氏体或下贝氏体 回火：将淬硬的钢重新加热到 Ac1 以下，保温一段时间后冷却至室温。 目的： 降低脆性， 消除或降低残余应力； 赋予工件所要求的力学性能； 稳定工件尺寸。 15.钢钢 钢中的元素：C，SI，M，P，S，H，N，O 硅和锰（SI，M）可以提高钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性 硫：能大大降低钢的强度，产生热脆 磷：产生冷脆 氢：产生氢脆 氮：产生应变时效蓝脆 氧：产生氧化物，夹杂于钢中 16.合金合金：人为加入钢中元素使钢产生某种特性。例如：增加钢的强度硬度，提高回火稳定 性，改变相图。 17.不锈钢分类：不锈钢分类：原理：加入 Cr，Ni 元素提高了钢基体电极电位，在基体表面形成钝化膜及 影响基体组织的类型等。 不锈钢按其正火组织不同可分为马氏体型，铁素体型，奥氏体型，双相型及沉淀硬化型。 18.常见钢号：常见钢号： Q235： 普通质量碳素钢 Q 代表屈服极限，单位 MPa，Q235AF 中 A 代表质量等级，F 代表脱氧方法。 ZG200-400：碳素铸钢，ZG 代表铸钢，200 代表屈