搜索
09级工程材料及成形技术基础课复习资料第1章零部件对材料性能的要求⒈零件在工作条件下所受力学负荷、热负荷和环境介质的作用。⒉力学负荷分静载荷（拉、压、弯、扭等）和动载荷（交变载荷与冲击载荷）。力学负荷使零件产生变形或断裂；热负荷使零件产生热应力，交变热应力引起材料的热疲劳，温度升高材料的强度硬度下降、塑性韧性升高，高温使材料产生氧化，温度超过0.3Tm时产生高温蠕变；环境介质使金属产生腐蚀和摩擦磨损、使高分子材料产生老化。⒊在弹性变形范围内，△L﹦PL0/EA0，E↑或A0↑→△L↓，即提高材料的弹性模量E或增加零件的横截面积A0均能减少弹性变形。E主要取决于材料的本性，与显微组织关系较小，加工处理对它的影响很小。⒋强度—材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。强度是应力值（MPa），应力极限。强度与组织的关系密切，用于零件的设计计算。常用的强度指标有屈服强度σs（适用于塑性好材料）、条件屈服强度σ0.2（适用于塑性差的材料）、抗拉强度σb等。⒌比刚度（比模量）—E/ρ；比强度—σb/ρ。比刚度、比强度大的材料能减轻零件的重量。屈强比—σs/σb,表征材料强度的利用程度和工作的安全程度，屈强比高材料强度利用程度高但工作安全程度低。⒍塑性—材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。指标有延伸率δ（δ5）、断面收缩率ψ。同一材料的δ5值大于δ值（δ5＞δ），因颈缩而ψ能较真实地反映材料的塑性好坏。塑性指标不能直接用于设计计算，塑性能降低应力集中，有利于压力加工，提高零件使用的可靠性。⒎冲击韧性—在一定温度下材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力（αK），强度和塑性的综合指标。冲击韧性对材料的夹杂物等缺陷及晶粒大小十分敏感。一般把冲击韧性值低的材料称为脆性材料，冲击韧性值高的材料称为韧性材料。冲击韧性值随温度的降低而降低。冷脆或韧脆转变温度Tk—冲击韧性值急剧下降时的温度。冲击韧性值不能直接用于零件的设计计算。⒏硬度—材料表面局部抵抗塑性变形或破裂的能力，是反映材料软硬程度的指标，是一种综合性指标。生产中常用的有洛氏硬度（HR）和布氏硬度（HB）。硬度试验简单方便且非破坏性，用于零件的设计和检验。硬度与材料的强度、塑性、韧性有关，对耐磨性和切削加工性有直接关系。从定义出发，强度高硬度高，塑性韧性就低。提高塑性韧性就要降低强度硬度。硬度对组织不敏感。⒐疲劳强度—当应力低于一定值时，试样在交变应力作用下经无限周期循环而不破坏的应力值（σ﹣1）。⒑工程材料的分类分金属材料、有机高分子材料、陶瓷材料和复合材料。⒒各类材料特征⑴金属材料（金属键）的特征：良好的导电性、导热性、塑性、金属光泽、正的电阻温度系数。⑵有机高分子材料（主链间强共价键及大分子链间弱分子键）的特征：密度小，强度低（比强度高），E低，弹性较高，电绝缘性好，优良的减摩、耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀性能，优良的透光性和隔热、隔音性，可加工性好。但不耐热（＜300℃），可燃，易老化。⑶陶瓷材料（强离子键或共价键化合物）的特征：熔点高、硬度高、化学稳定性高，极高的弹性模量，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小等优点。部分陶瓷具有特殊功能，作压电材料、磁性材料、生物陶瓷等功能材料。但抗压不抗拉、脆性大、不易加工成形。⑷复合材料的特征：性能优于组成材料，成分、性能可人为调整设计，材料合成与产品成形大多一次完成。第2章材料的内部结构、组织与性能⒈固态物质的晶体与非晶体：晶体具有固定熔点和各向异性（单晶体）；非晶体无固定熔点和各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化。⒉金属的三种晶体结构：体心立方晶格，大多具有较高的熔点、硬度及强度，塑性、韧性较低并具有冷脆性。面心立方晶格，大多具有较高的韧性并且无冷脆性。密排六方晶格，大多无冷脆性，但机械性能不突出。⒊晶体缺陷：⑴点缺陷—空位、间隙原子和置换原子，破坏晶格的规则性，引起晶格发生畸变，导致金属的强度、硬度、电阻等增加，塑性下降，是内部原子扩散和固溶强化的主要原因。⑵线缺陷—位错，金属在退火态时强度硬度最低，塑性高，在此基础上增加或减少位错密度，均使强度升高，位错密度升高是导致加工硬化的主要原因。⑶面缺陷—晶界和亚晶界，晶粒越细，晶界数量越多，晶界对塑性变形的抗力越大，晶粒的变形越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。在常温下晶粒越细力学性能越好，在高温下晶界稳定性差而晶粒越细高温性能越差。晶界增加是细晶强化的主要原因，位错密度增加亚晶细化是加工硬化的主要原因。⒋合金的相结构—固溶体和金属化合物。合金、组元、相、组织的概念。固溶体分间隙固溶体和置换固溶体，保持溶剂的晶体结构，间隙固溶体由过渡族金属元素与原子半径很小的非金属元素（H、B、C、N、O等）组成，为有限固溶体；置换固溶体可形成有限固溶体和无限固溶体。固溶强化—溶质原子溶入引起晶格畸变，使强度、硬度提高、塑性、韧性降低的现象。固溶体是合金的基本组成相（基体相），可单独使用。金属化合物（有金属键结合，具有金属特性）分正常价化合物、电子化合物（前两种仅出现在有色金属中）、间隙化合物。金属化合物一般具有很高的熔点、高的硬度和较大的脆性，不能单独使用（强化相）。在固溶体基体上弥散分布适当的金属化合物，可提高材料的强度、硬度和耐磨性，即弥散强化（或沉淀强化）。机械混合物—由固溶体或金属化合物混合在一起形成的多相固体组织，性能介于组成相之间（与组元种类、数量、形态、大小和分布有关）。⒌有机高分子材料的结构单体、链节、聚合度、聚合反应。单个大分子链的形状分线型分子结构、支链型分子结构和体型分子结构。线型高分子的聚集状态分晶态、部分晶态和非晶态，体型聚合物只能为非晶态（玻璃态）。⒍陶瓷材料的结构组成相有晶体相、玻璃相和气相，晶体相常为硅酸盐、氧化物和非氧化物，主要决定陶瓷的性能；玻璃相的主要作用是起粘结作用、填充孔隙作用和降低烧结温度；气相（气孔）越少越好，一般为5%～10%，特种陶瓷＜5%。大多数氧化物结构氧离子排列成简单立方、面心立方和密排六方的晶体结构，正离子位于其间隙中。硅酸盐结构以硅氧四面体（共价键）为基本结构单元组成。⒎纯金属结晶是在恒温下进行的，结晶必须过冷（低于理论结晶温度T0），过冷度△T﹦T0﹣T1，冷却速度越快，过冷度越大。结晶的基本规律为形核和核长大，一个晶核长大成一个晶粒。结晶的速度取决于形核率和晶体长大速度，过冷度增加形核率和晶体长大速度增加。形核分自发形核和非自发形核（异质形核），非自发形核所需过冷度比自发形核小得多，晶体的长大方式主要是枝晶长大。⒏金属的同素异构（或异晶）转变—金属在固态下由一种晶格转变成另一种晶格。纯铁的同素异构转变为δ﹣Fe（体心立方）←→γ﹣Fe（面心立方）←→α﹣Fe（体心立方）。具有同素异构转变和溶解度显著变化是进行热处理强化的先决条件。⒐二元合金相图有匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图等。二元合金相图的一般分析方法：⑴特性点（成分、温度、意义），①熔点②共晶点③共析点④包晶点⑤同素异构转变点⑥溶解度点⑵特性线（起点、终点），①液相线②固相线③共晶线④共析线⑤包晶线⑥溶解度曲线⑦金属化合物垂线⑶相区①单相区a液相区b固溶体区c纯组元或化合物垂线②两相区两个单相区之间必夹一个由这两个单相组成的两相区⑶三相（区）等温线a共晶线b共析线c包晶线⑷典型成分结晶过程分析⒑铁碳合金相图与铁碳合金组成相：固溶体①铁素体—碳溶在体心立方晶格α-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”或“α”表示。室温下溶碳量为0.0008%，727℃溶碳量为0.0218℃。碳溶在体心立方晶格δ-Fe中的间隙固溶体称为高温铁素体。铁素体的强度硬度较低，塑性韧性较好。②奥氏体—碳溶在面心立方晶格γ-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”或“γ”表示。1148℃时溶碳量最高为2.11%。韧性极好。化合物③渗碳体—铁和碳的复杂晶格间隙化合物，用“Fe3C”表示。硬度高，脆性大，强度塑性韧性均很低，是强化相。分共晶渗碳体、共析渗碳体、Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ五种渗碳体。铁碳合金分类组织：⑴工业纯铁ωc≤0.0218％,室温组织为F﹢Fe3CⅢ；⑵钢①亚共析钢0.0218%＜ωc＜0.77%，F﹢P；②共析钢ωc﹦0.77%，P；③过共析钢0.77%＜ωc＜2.11%，P﹢Fe3CⅡ。⑶白口铸铁①亚共晶铸铁ωc﹦4.3%,Le′；③过共晶白口铸铁4.3%＜ωc＜6.69%，Le′﹢Fe3CⅠ。含碳量与钢的相、组织、性能之间的关系：ωc↑，铁素体相↓，渗碳体相↑；组织F﹢P→P→P﹢Fe3CⅡ；硬度↑（与渗碳体相数量多少有关，数量增加硬度增加），塑性、韧性↓（与铁素体相数量多少有关，数量增加而增加），强度对组织敏感，当组织均匀分布时随ωc↑而强度↑，当过共析钢中形成网状二次渗碳体时强度↓。（见图2.39）第三章改变材料性能的主要途径⒈金属的热处理强化⑴钢的热处理工艺—将钢在固态下通过加热、保温和冷却，改变其组织性能的一种工艺。⑵热处理的特点：不改变工件的尺寸和形状，仅改变组织性能。⑶热处理分类分普通（整体）热处理（退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（表面淬火，仅改变表层组织性能，不改变化学成分）和表面化学热处理（改变表层的成分而改变组织性能），按热处理的作用分预先热处理（改善工艺性能）和最终热处理（保证使用性能）。⒉钢加热的目的：获得细小均匀的奥氏体晶粒（只有奥氏体才能向低温的其它组织F、P、B、M等转变，细小均匀保证转变后的组织细小，性能好且变形小）。⒊保温的目的是：①整体热处理，使其达到工件整体加热到所需温度；②表面化学热处理，使原子扩散达到所要求的浓度和深度。⒋钢的冷却分等温组织转变冷却和连续组织转变冷却。等温冷却可得到组织类型单一、尺寸均匀的组织；连续转变则可能得到组织尺寸大小不均、组织类型多样的（高温和低温转变组织）混合组织。⒌高温转变（A1～550℃鼻部）—珠光体型转变（P、S、T，无本质区别，仅是片间距不同），扩散型转变（铁、碳原子均能扩散）。珠光体P在A1～650℃，索氏体S在650～600℃，屈氏体T在600～550℃形成。P、S、T均为片层状结构，随转变温度降低，转变产物的片间距减小，硬度、强度、塑性、韧性均增加。⒍中温转变（鼻部～Ms）—贝氏体型转变（B上、B下），半扩散型转变（铁原子不能扩散，只有碳原子扩散）。贝氏体—过饱和铁素体和渗碳体的非片层状混合物。B上在550～350℃形成，由稍过饱和铁素体板条和条间小片状Fe3C组成，羽毛状特征，性能脆性大无实用价值；B下在350℃～Ms（240℃）形成，由呈一定角度的更过饱和的针片状铁素体与其内部超细小碳化物片粒组成，针状特征，强韧性好。⒎低温转变（Ms～Mf）—马氏体型转变（Ms、A′），非扩散型转变（铁、碳原子均不能扩散），保持奥氏体成分。马氏体M—碳在α-Fe中的过饱和固溶体，体心正方晶格，正方度c/a＞1,马氏体含碳量越高正方度越大，硬度越高。马氏体形态有板条马氏体（ωc≤0.20％,低碳马氏体或位错马氏体，强韧性高）和针状马氏体（ωc≥1.0%,高碳马氏体或孪晶马氏体，硬而脆）。残余奥氏体A′—马氏体转变后还没有转变的奥氏体。马氏体转变具有不完全性，不能100%转变，奥氏体的含碳量越高，则A′数量越多。合金元素对钢的硬度影响不大，但使强度升高。奥氏体转变成马氏体，体积要膨胀，产生巨大的相变应力。⒏影响C曲线的因素：⑴含碳量（碳钢）：共析钢的C曲线形状最简单，最靠右、亚共析钢在高温转变区多一条A→F线，随ωc↑C曲线向右下移动；过共析钢在高温转变区多一条A→Fe3CⅡ线，随ωc↑C曲线向左上移动。⑵合金元素（合金钢）：溶入奥氏体的合金元素使C曲线①改变位置，阻碍铁碳扩散，C曲线右移；②改变形状，使P区与B区分开。⑶加热温度与保温时间：提高加热温度或延长保温时间，提高奥氏体稳定性，C曲线右移。⑷未溶碳化物：促进过冷奥氏体分解降低稳定性，C曲线左移。⒐过冷奥氏体连续冷却转变曲线（图3.9）：⑴过冷度与等温转变相同，组织性能相同；⑵共析钢连续转变曲线没有中温转变，即转变组织得不到贝