武汉理工大学工程材料总复习课件

复习总结武汉理工大学|机电学院|课程主线1结晶铁碳合金相图碳钢工艺性能使用性能热处理合金钢组织结构化学成分性能武汉理工大学|机电学院|主要内容工程材料基本理论常用材料零件的选材武汉理工大学|机电学院|1.基本理论热处理基本理论金属学材料的性能材料的结构材料的结晶相图及铁碳相图普通热处理表面热处理武汉理工大学|机电学院|1.1材料性能焊接性能硬度HBHRC材料性能强度塑性锻造性能力学性能工艺性能切削加工性能铸造性能韧性αk热处理工艺性疲劳强度σ-1武汉理工大学|机电学院|1.1.1使用性能（1）强度：材料抵抗变形和破坏的能力。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。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。（2）塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为、。（3）硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力（HB、HRC，应用范围）。（4）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。武汉理工大学|机电学院|1.2材料的结构（金属）晶体结构空间点阵晶格（理想晶体）晶体的结构基元(分子、原子、离子、原子集团)依靠一定的结合键结合后，在三维空间中有规律的周期性的重复排列。抽象的空间几何模型（非物质性）7个晶系14种晶胞类型把空间点阵的结点作为物质质点的中心位置，忽略原子的热振动和晶体缺陷，将单纯的几何图形变成具有物质性的点阵，称其为晶体点阵（物质性的）。若阵点用直线通过中心连接起来－晶格。武汉理工大学|机电学院|金属的实际晶体结构与缺陷1多晶体（由多晶粒组成的晶体结构）1）晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体。2）晶界：晶粒之间的交界面。2晶体缺陷（晶格不完整的部位）1）点缺陷（空位、间隙原子、置换原子）2）线缺陷（刃型位错、螺型位错）3）面缺陷（晶界、亚晶界）理论值退火态位错密度ρ强度σb286/1010cm21211/1010cm金属材料强化方法:（1）固溶强化（2）细晶强化（3）第二相强化（弥散强化）（4）加工硬化武汉理工大学|机电学院|1.3材料的结晶-纯金属的结晶1、结晶过程1）两个条件（1）能量条件必须过冷过冷度ΔT=T0-Tn（2）结构条件2）基本规律形核（自发形核、非自发形核）→核长大（树枝状长大）2、细化晶粒的途径1）增大过冷度2）变质处理3）振动和搅拌武汉理工大学|机电学院|1.3材料的结晶-纯金属的结晶3、纯金属中的固态转变1）同素异晶转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。2）固态转变的特点①形核部位特殊（晶界、位错处等）②过冷倾向大③伴随着体积变化δ-Fe↔γ-Fe↔α-Fe1394℃912℃bccbccfcc武汉理工大学|机电学院|1.3材料的结晶-合金的结晶化合物电子价化合物合金的相固溶体间隙固溶体置换固溶体间隙化合物正常价化合物合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。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、合金在固态下的基本相结构TiCFe3C武汉理工大学|机电学院|1.3材料的结晶-合金的结晶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。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：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、硬度提高的现象。武汉理工大学|机电学院|1.3材料的结晶-合金的结晶2）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：分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。TiC、VC：高硬度、高熔点，强化相Fe3C：硬度、熔点略低武汉理工大学|机电学院|1.3材料的结晶-合金的结晶2、合金的组织转变1）相图匀晶L共晶L+共析+（1）杠杆定律：只适用于两相区。（2）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。LLγ2）合金中的固态相变（1）固溶体转变：AF（2）共析转变：AP(F+Fe3C)（3）二次相析出：AFe3CⅡ（4）奥氏体化（5）过冷奥氏体转变武汉理工大学|机电学院|1.3材料的结晶-铁碳合金相图1默画简化的铁碳合金相图（点、线、温度、含碳量、相、组织）2两个基本反应式3结晶过程分析（冷速曲线表达）4杠桿定律的应用ACDGS1148℃727℃LAL+AL+Fe3CFA+Fe3CKEPFQC%→Fe3CFeF+Fe3C4.30.772.116.69℃相（成分、结构相同且有界面分开的部分）组织（关注：形态、大小及分布）组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分（形态）。相组成物是指组成合金中成分、结构均匀一致的部分。金相试样的制备步骤武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理-热处理原理1）奥氏体化的四个阶段①奥氏体晶核的形成②奥氏体晶核的长大③剩余渗碳体的溶解④奥氏体成分的均匀化2）奥氏体晶粒度起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度（本质粗(细)晶粒钢）1钢在加热时的转变武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理-热处理原理2共析碳钢等温转变曲线及产物转变产物区MsMfA1温度时间(s)3001021031041010800-1001005007000A230550-50转变开始线转变终了线过冷奥氏体区珠光体P5-25HRC索氏体S25-35HRC屈氏体T35-40HRC上贝氏体B上35-45HRC下贝氏体B下50-60HRC马氏体M+A’武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理-热处理原理3亚/过共析碳钢等温转变曲线及产物A→FA→Fe3CⅡ先共析线温度亚共析钢的C曲线MsMfA1时间(s)3001021031041010800-1001005007000AA3MsMfA1温度时间(s)3001021031041010800-1001005007000AAcm过共析钢的C曲线P型+FP型+Fe3CⅡ武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理-热处理原理24过冷奥氏体连续冷却转变A1A温度时间(s)3001021031041010800-1001005007000共析钢PsPfK无贝氏体转变！！！MsMf武汉理工大学|机电学院|41.4钢的热处理-热处理工艺1、机械零件的加工工工艺路线预备热处理机械粗加工最终热处理机械精加工锻造铸造毛坯预备热处理（退火、正火）最终热处理（淬火+回火）武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理-热处理工艺扩散退火去应力退火完全退火球化退火正火1.4110010009008007006005000.20.40.60.81.01.2温度℃C%→AF+Fe3CAc1Ac3Accm淬火2退火、正火、淬火加热温度范围武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理-热处理工艺P均匀A细AA1MSMf时间等温退火PP完全退火(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+A’150-250℃T回350-500℃S回500-650℃3根据冷速曲线与C曲线交点位置判断转变产物武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理-三个判据1实际生产中退火与正火的选择钢的含碳量C%0.50.5～0.77≥0.77HT工艺正火完全退火球化退火组织F+SF+PP球2正火组织判断钢的含碳量C%0.6≥0.6组织F+SS3组织中是否有残余奥氏体A中含碳量C%0.5≥0.5残余奥氏体无有武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理工艺名称目的加热温度获得的组织退火1调整硬度，便于机加工2细化晶粒，消除应力，改善组织3为最终HT作好组织准备亚Ac3+(30～50)℃F+P共Ac1+(30～50)℃P过Ac1+(20～40)℃P球正火1调整硬度，便于机加工2细化晶粒，改善组织3为最终HT作好组织准备4消除网状二次渗碳体亚Ac3+(30～50)℃＜0.6F+S≥0.6S共Ac1+(30～50)℃S过Accm+(30～50)℃S武汉理工大学|机电学院|1.4钢的热处理淬火1实现马氏体强化2通过淬火后的回火，达到使用性能的要求亚Ac3+(30～50)℃＜0.5M≥0.5M+A’共Ac1+(30～50)℃M+A’过Ac1+(30～50)℃M+A’+Fe3C粒回火1消除应力，减少变形2降低脆性3稳定工作尺寸低回（150～250）℃＜0.5M回≥0.5M回+A’中回（350～500）℃T回高回（500～650）℃S回共、过共析钢仅适应淬火+低温回火M回+A’M回+A’+Fe3C粒武汉理工大学|机电学院|61.4钢的热处理表面淬火表面获得马氏体组织，并获得表硬里韧的性能。预备热处理：调质或正火适用于中碳钢0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(调质)或F+S(正火)渗碳提高表面含碳量，获得表硬里韧的性能。渗碳温度:900~950℃淬火温度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃适用于低碳钢0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+颗粒状Fe3C(K)心部：M回+F武汉理工大学|机电学院|2常用材料7复合材料有色金属及合金常用材料金属材料工业用钢铸铁有机高分子材料无机非金属材料武汉理工大学|机电学院|2.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途碳素结构钢0.4Q195Q235热轧状态F+P塑性,焊接性好建筑结构低合金高强度钢0.2Q345Mn:强化F,增加P,降低脆转温度热轧空冷F+P塑性,焊接性好桥梁,船舶,容器渗碳钢0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,强化F,Ti:细化晶粒渗碳+淬火+低温回火表面：M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C心部：M回+F表硬里韧轴、齿轮武汉理工大学|机电学院|2.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途调质钢0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,强化F,Mo:防止第二类回火脆性调质S回良好综合力学性能轴、齿轮弹簧钢0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,强化F；Si:提高屈强比淬火+中温回火T回高s/b高-1弹簧武汉理工大学|机电学院|2.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途滚动轴承钢0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蚀性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高耐磨高-1足够ak滚动轴承耐磨钢1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A组织水韧处理表：M+碳化物心：A高耐磨耐冲击铲齿，履带板碳素工具钢0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨冲子、丝锥、锉刀武汉理工大学|机电学院|2.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途低合金工具钢0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状Fe3C高硬度高耐磨低速刃具高速钢0.7~1.5W18Cr4VCr:提高淬透性；W、V：提高热硬、耐磨性锻、退火、淬火+三次回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物高热硬高硬度高耐磨高速刃具武汉理工大学|机电学院|2.1工业用钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处理使用状态下组织性能用途冷作模具钢1.4~2.3Cr12Cr12MoVCr:提高淬透性。MoV:提高耐磨性锻，退，淬火+低温回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物高硬度高耐磨冷冲模挤压模热锻模钢0.5~0.65CrNiMo5CrMnMo合金元素作用同调质钢调质S回抗热疲劳热锻模压铸模钢0.3~0.63Cr2W8V合金元素作用同高速钢淬火+回火M回+A’(少量)+颗粒状碳化物抗热疲劳,耐磨压铸模武汉理工大学|机电学院|2.1工业用钢不锈钢0.03-0.951Cr13,2Cr13Cr:提高耐蚀性；Ni:形成A