机械工程材料学总复习

《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一、性能㈠使用性能1、力学性能⑴刚度：材料抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量：E=/⑵强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：抗拉强度b—材料断裂前承受的最大应力。屈服强度s—材料产生微量塑性变形时的应力。条件屈服强度0.2—残余塑变为0.2%时的应力。疲劳强度-1—无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。⑶塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC。⑸冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为αk.材料的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的能力。指标为K1C。2、化学性能⑴耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。⑵抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。3、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。㈡工艺性能1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。2、锻造性能：成型性与变形抗力。3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性.4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。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纯金属的晶体结构1、理想金属⑴晶体：原子呈规则排列的固体。晶格：表示原子排列规律的空间格架。晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元。⑵三种常见纯金属的晶体结构Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常见金属31212滑移系底面对角×3110×3111×2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a43a42a21⑶立方晶系的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[]立方晶系常见的晶面和晶向⑷晶面族与晶向族指数不同但原子排列完全相同的晶面或晶向。⑸密排面和密排方向——同滑移面与滑移方向在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。3a2、实际金属⑴多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体.晶界：晶粒之间的交界面。⑵晶体缺陷—晶格不完整的部位①点缺陷空位：晶格中的空结点。间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。置换原子：取代原来原子位置的外来原子。②线缺陷——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的交接线。③面缺陷——晶界和亚晶界亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶。亚晶界：亚晶粒之间的交界面。④晶界的特点：原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,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，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好.细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。㈡合金的晶体结构合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相.⑴置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶体。⑵间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。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中的固溶体。奥氏体：碳在-Fe中的固溶体。马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。⑵金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相.①正常价化合物如Mg2Si②电子化合物如Cu3Sn③间隙化合物：由过度族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成。分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。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Fe3C⑶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的影响①基体、晶界网状：强韧性低②晶内片状：强硬度提高，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,合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。⑸固溶体与化合物的区别：①结构；②性能；③表达方式合金元素在钢中的作用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,淬透性提高。7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。8、提高耐回火性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力）9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象)10、防止第二类回火脆性：W、Mo(回火脆性：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。)三、组织㈠纯金属的组织1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程⑴结晶的条件——过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。⑵结晶的基本过程——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、纯金属中的固态转变同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。固态转变的特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大;③伴随着体积变化。1394℃912℃铁的同素异构转变：-Fe⇄-Fe⇄-Fe3、再结晶⑴再结晶条件：冷塑性变形⑵加热时的变化：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的过程.再结晶不是相变过程。⑶再结晶温度：发生再结晶的最低温度。纯金属的最低再结晶温度T再0.4T熔⑷影响再结晶晶粒度的因素：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滑移的特点：①只能在切应力的作用下发生；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伴随着转动滑移的机理：通过位错运动实现。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，接近于声速；③孪生时相邻原子面的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，大部分晶粒的某一位向与外力趋于一致的现象。加工硬化：随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。冷加工使内应力增加，耐蚀性下降，提高。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合金的组织1、相图匀晶L共晶L+共析+包晶L+杠杆定律：只适用于两相区。枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。2、合金中的固态相变⑴固溶体转变：AF⑵共析转变：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ⑷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，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。3、铁碳合金相图点：符号、成分、温度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+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%温度典型合金的结晶过程（以共析钢为例）时间温度杠杆定律的应用合金相的相对重量百分比组织组成物的相对重量百分比45钢T10钢含碳3.0%亚共晶白口铁%7.6%1000008.069.60008.045.03CFeQ%3.93%7.6%100FQ%4.58%1000008.077.00008.045.0PQ%6.41%4.58%100FQ%9.14%1000008.069.60008.00.13CFeQ%1.85%9.14%100FQ%9.3%10077.069.677.00.13CFeQ%1.96%9.3%100PQ%6.40%10011.23.411.20.3'LeQ%4.1377.069.677.011.2%)6.401(3CFeQ%46%4.13%6.40%100PQ%2.55%1000008.069.60.369.6FQ%8.44%2.55%1003CFeQ四、钢的热处理㈠热处理原理1、加热时的转变奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶解；A成分均匀化。奥氏体化后的晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。2、冷却时的转变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根据与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、回火时的转变碳钢：马氏体的分解；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的碳化物，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的淬火马氏体回火。强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火,它包含了四种基本强化方法。㈡热处理工艺工艺目的加热温度组织退火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淬火获得马氏体组织。亚共析钢Ac3+30~50℃共析钢Ac1+30~50℃过共析钢Ac1+30~50℃≦0.5%C,M0.5%C,M+A’M+A’M+A’+粒状Fe3C热处理工艺（续）工艺目的加热温度组织回火1.消除内应力，减少变形。2.获得所需要的性能。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Fe