大学-机械工程材料总结

Page1of23机械工程材料总结第一部分基本知识一、概述⒈“机械工程材料”复习目的掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（性能和改性方法是重点）。掌握金属结晶组织、塑性变形组织、热处理组织（退火、正火、淬火、回火、表面热处理）对性能的影响。掌握常用工业用钢种类及应用｛普通结构钢、优质结构钢（渗碳钢、调质钢）、弹簧钢、工具钢（模具钢、滚珠轴承钢、高速钢）不锈钢、耐热钢、灰铁、球铁、可锻铸铁｝；具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料（轻、中、重载齿轮与轴；弹簧、工具、量具、金具、机床床身、模具、工程结构件、机械结构件）；具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力（轻、中、重载齿轮与轴的预先热处理、最终热处理）。⒉复习方法结晶塑性变形热处理加工工艺化学成分（工业用钢、铸铁）组织结构（纯金属、合金）性能（使用性能、工艺性能）以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用”之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习。二、材料结构与性能：Page2of23㈠使用性能1、力学性能⑴使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）；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。s0.2光学金相显示的纯铁晶界Page3of23晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元.2、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）缺陷种类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。点缺陷对机械性能的影响：晶格发生畸变，引起金属的强度和硬度增加。点缺陷将加速金属中的扩散过程：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.位错与金属强度：增加或降低位错密度，都能有效的提高金属强度。但目前主要依靠增加位错密度，都能有效的提高金属强度。③面缺陷——晶界和亚晶界（是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。）亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块。亚晶界：亚晶粒之间的交界面。多晶体示意图空位间隙原子大置换原子小置换原子亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁Page4of23④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；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；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，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。2）晶体缺陷对金属性能的影响引起强度的变化：采用增加晶体缺陷的办法来提高金属的强度。降低金属的抗腐蚀性能。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。铁素体(F/α)：体心立方、碳在-Fe中的固溶体。强度、硬度低，塑性好奥氏体(A/γ)：面心立方、碳在-Fe中的固溶体。强度、硬度不高，塑性好马氏体（M）：体心正方、碳在-Fe中的过饱和固溶体。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。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。2.金属化合物：金属与金属元素之间或金属与类金属元素之间的具有金属特性的化合物。晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相.①正常价化合物如Mg2Si②电子化合物如Cu3Sn③间隙化合物：如（Fe3C）⑶性能比较：强度：固溶体纯金属Page5of23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（如：网状Fe3CⅡ）②晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低（如：珠光体、片状Fe3C）③颗粒状：（如：S回、T回、颗粒Fe3C）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：固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，而金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂。②性能：固溶体相对来说塑韧性较好，硬度较低，金属化合物硬而脆。3.合金元素在钢中的作用⑴．强化铁素体；⑵．形成化合物——第二相强化⑶．扩大（C、Mn、Ni、Co）或缩小（Cr、Si、W、Mo）A相区1Cr17，单相F，高温也不发生相变1Cr18Ni9Ti，单相奥氏体⑷．使S、E点左移⑸．影响A化⑹．溶于A(除Co外),使C曲线右移,Vk减小,淬透性提高.⑺．除Co、Al外，使Ms、Mf点下降残余A↑。⑻．提高耐回火性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力）Page6of23⑼．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)⑽．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：伴随着体积变化。铁的同素异构转变：-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Page7of234．塑性变形：⑴．冷热加工（以再结晶温度划）：组织与性能的变化①冷加工组织：晶粒被拉长压扁、晶粒破碎、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。②热加工：形成纤维组织、带状组织、织构现象的产生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。金属塑性变形后产生晶格畸变，晶粒破碎现象，处于组织不稳定状态的非平衡组织，⑵．变形金属在加热过程中组织和性能的变化回复（去应力退火）：强度和硬度略有下降，塑性略有提高。电阻和内应力等理化性能显著下降再结晶：形成细小的等轴晶粒。加工硬化消失，金属的性能全部恢复。金属的强度和硬度明显↓，而塑性和韧性显著↑，性能完全恢复到变形前的水平。Page8of23㈡合金的组织1、相图匀晶L共晶L+共析+包晶L+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F⑵共析转变：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ⑷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。固溶热处理：将奥氏体不锈钢加热到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态。这种热处理方法为固溶热处理时效处理（自然时效和人工时效）：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。人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底.3、铁碳合金相图点：符号、成分、温度线：液固相线、水平线、固溶线、固溶体转变线相区标注组织组成物标注复相组织组成物：珠光体P(F+Fe3C)莱氏体Le(A+Fe3C)Le’(P+Fe3C)FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢC%温度Page9of234.材料的组织结构与性能⑴.结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld；1）平衡结晶组织平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。Page10of232）成分、组织对性能的影响①硬度(HBS)：随C﹪↑,硬度呈直线增加，HBS值主要取决于组成相CFe3的相对量。②抗拉强度(b)：C﹪＜0.9%范围内，先增加，C﹪＞0.9～1.0％后，b值显著下降。③钢的塑性()、韧性(ka)：随着C﹪↑,呈非直线形下降。3）硬而脆的化合物对性能的影响：化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降；化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及切削加工性提高；呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化；呈层片状分布于基体上：则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。四、钢的热处理Page11of23㈠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。2、冷却时的转变⑴等温转变曲线及产物⑵用C曲线定性说明连续冷却转变产物固态转变类型：扩散型（A→P）、半扩散型（A→B）、非半扩散型（A→M）1)贝氏体的机械性能：上贝氏体：羽毛状，铁素体片较宽．塑性变形抗力较低；同时，渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断．因此，强度和韧性都较差。Page12of23下贝氏体：铁素体针细小，碳化物分布均匀，所以硬度高，韧性好，综合机械性能好。⑶过冷奥氏体连续冷却转变及产物用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变炉冷空冷油冷水冷PST+M+A’M+A’完全退火正火Page13of232)马氏体的形态及机械性能①．板条马氏体（又称位错马氏体。）：碳含量＜0.23％；机械性能：不存在显微裂纹，淬火应力小，强度高，塑性、韧性好。②．针状马氏体：碳含量＞1.0％；（显微镜下呈针状）机械性能：存在大量显微裂纹，较大的淬火应力，塑性和韧性均很差；③．混合组织马氏体：碳含量在0.23％一1.0％之间时．为板条和片状马