《机械工程材料》复习课

《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=0.68K=0.74K=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θ2°，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：ρm=∑LⅤ提高强度：（1）完全消除金属内的位错缺陷，σs～理论值：（2）↗ρm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↙，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：ZZ∝NG，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，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=FeAo开始产生微量塑性变形的抗力op段成直线关系：σ=Eε2．屈服极限Rs=FsAo代表材料发生明显塑性变形的抗力。3．抗拉强度：Rm=FbAo材料在断裂前所发生的均匀塑性变形所能承受的最大应力。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=L1—L0L0×100%断面收缩率：Z=A0-A1A0×100%二．硬度1．布氏硬变HB：适用于HBS450的灰铸铁，轴承合金，有色金属、调质钢、退火的毛坯件，HBW650。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，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RRs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σ-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+Kd1）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，（ρm↙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：Tm↗T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2～10%，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↙），α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，α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．共晶状态图在共晶点以左CE段为过共晶合金：先L→sb，然后Lc→Pb→Sb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WLWS═WS—XOXO—XL═XKKX'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：Lc→γE+Fe3CⅠ，γs→Αp+Fe3C二．金相组织与钢的凝固过程（1）亚共析钢：L→L+A→A→A+F→F+P（2）共析钢：A→P（3）过共析钢：A→Fe3CII+A→Fe3CII+P（4）共晶白口铸铁：L4.3→Ld(A+Fe3CI→Ldˊ（5）亚共晶白口铸铁：L→A↗+L↙→A+Ld→A+Fe3CII→Ldˊ→P+Fe3CII+Ldˊ（6）过共晶向口铸铁：L→L+Fe3CI→Ld+Fe3CI→Ldˊ+Fe3CI组织形貌：参考书上P49图3-3-5至图3-3-10。凡：C%=0～2.11%为钢，C%=2.11～6.09%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、Arcm1．A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Ac1～Acm间进行“不完全A化”：A+部分Fe333C。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A1～MS间转变有孕育期不同温度范围内产物不同。P区：A1～C曲线鼻尖以上高温转变区：P：0.3μm，10～25HRC（100～250HB）S：0.1μm，25～35HRCT：0.1μm，35～48HRCB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，HRC40～45，脆性，不好B下：针叶状：C化物在F片内，位错蜜度高，HRC45～55，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：VVK，得到M组织（1）淬火温度：亚共析钢AC3+30~50℃过共析钢AC1+30~50℃（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）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ε-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：200～300℃，A→B下。（3）碳化物类型转变：250～400℃，“Fe3C+针条状F”，回火T。eg弹簧，有较高σs,σe。（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”，58～64HRC，心部：回火低碳M及部分T，S组织，不