机械工程材料总复习资料

机械工程材料复习Page1of33机械工程材料复习第一部分基本知识一、概述以“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：⒈材料的性能：①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）；②工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。⒉材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）；纯金属：体心立方（eF-）、面心立方（eF-），各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）→各向同性；强度、硬度增高；塑性、韧性降低。合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。⒊材料的组织结构与性能⑴。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld；机械工程材料复习Page2of331）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。机械工程材料复习Page3of332）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：第二相强化：硬而脆的化合物，若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降；若化合物呈球状、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。⑵。塑性变形组织与性能机械工程材料复习Page4of331）组织与性能的变化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，非平衡组织向平衡组织转变：可通过再结晶、时效及回火实现。加工硬化，物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性：产生纤维状组织；晶粒破碎、位错密度增加；织构现象的产生；残余内应力。2)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。⑶。热处理组织与性能1)贝氏体的机械性能：上贝氏体：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。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。2)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．为板条和片状马氏体的混合组织。机械工程材料复习Page5of33④．马氏体的硬度,含碳最增加，硬度升高．含碳量达到0.6％以后，其硬度的变化趋于平缓。⑤合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。3）回火组织与性能回火类型回火温度组织性能及应用组织形态低温回火150~250回火M（M’）保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件过饱和＋碳化物(CFex)中温回火350-500回火屈氏体（T’）硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度↑，用于弹性元件保留马氏体针形F+细粒状Fe3C高温回火500-650回火索氏体（S’）强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正多边形F+粒状Fe3C机械工程材料复习Page6of33火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。⒋材料组织结构变化实现的性能强化：固溶强化：通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化；细晶强化：强度、硬度越高；其塑性、韧性越好。晶界处原子排列混乱，使其熔点低，易受腐蚀。由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。加工硬化：使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加，从而使强度、硬度增加，塑性、韧性、耐蚀性等下降，并产生各向异性。冷塑性变形实现。第二相强化：硬而脆的化合物（Fe3C），若呈网状分布：则使强度、塑性下降；若呈球状、粒状（球墨铸铁）：使韧性及切削加工性提高；呈弥散分布于基体上：使强度、硬度增加，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：强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。形变强化：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度；相变强化：通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。三、材料热处理、合金化与性能⒈改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理）⑴退火：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火退火：加热＋保温＋缓冷获得接近平衡状态组织。退火目的：改善铸、锻、焊粗大不均匀的组织，降硬度，提高塑性，改善冷加工工艺性。消除成分不均匀，内应力。1）完全退火（加热Ac3＋（20～30℃）温度，保温、缓冷组织：P+F机械工程材料复习Page7of33目的：①细化，均匀化粗大、的原始组织；②降低硬度→切削性↑；③消除内应力；消除组织缺陷；应用：（C%=0.3～0.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧2）球化退火加热Ac1＋（10～30℃），保温、缓冷（或Ar1－（20～30℃）等温）应用：过，共析钢、高碳合金钢组织：球状P（F+球状Cem）目的：①Fe3CII及Fe3C共析球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作准备；球化退火前，正火处理，消除网状碳化物，以利于球化进行。3）扩散退火加热1050～1150℃，保温10～20h,冷却：炉冷组织：P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗晶、魏氏组织、带状组织，韧性、塑性较差，需完全退火或正火来细化晶粒。4）去应力退火（再结晶退火）加热：Ac1－（100～200）℃；保温＋炉冷；目的：消除加工硬化，消除残余应力。⑵正火正火：亚共析加热Ac3＋（30～50℃）、过共析钢加热Accm＋（30～50℃）保温＋空冷，得到P类工艺。组织：S或P（F＋Fe3C）正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，得更高的强度和硬度；生产周期较短，成本较低。目的及应用：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。机械工程材料复习Page8of33⒉预先热处理工艺应用工具钢：球化退火；结构钢：正火，完全退火。表面强化处理的零件：调质处理正火。⑴改善冷塑性加工性能再结晶退火：恢复变形前的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。⑵改善机加工性能C%＜0.40％中低碳钢：正火，提高硬度C%＝0.4O％～0.60％：完全退火；C%＞0.6％的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。合金钢：退火：铸铁件白口层：加热850～950℃＋保温＋（炉冷＋空冷）。⑶消除材料的加工应力去应力退火：没有组织变化。工艺：缓慢加热500～650℃＋保温＋缓冷，⒊钢铁的淬火⑴淬火原则与淬透性目的：提高硬度、强度、耐磨性。原则：①淬硬，获尽量完全的M；②淬透，M组织表里如一；③保证淬硬条件下，用缓冷介质，以防开裂。⑴.淬透性：在规定淬火条件下得到M多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢的属性。由A过稳定性决定，表现为KV的大小。淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。⑵.淬透层深度：从表面至半M区的距离。与钢的淬透性及外在因素有关。机械工程材料复习Page9of33影响因素：I．KV越小，淬透层越深；II．工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；Ⅲ。水淬比油淬的淬透层深；⑶.淬硬性：由M中C%↑，钢的淬硬性越好。⒋淬火工艺⑴淬火加热温度①亚共析碳钢：C3A＋（30～50℃），组织：均匀细小M组织温度太高，M粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温度＜C3A时，硬度降低。②共析和过共析碳钢：加热：C1A＋（30～50℃）。组织：M＋Fe3CII＋Ar，若在C1A～Acm以上淬火，→A粗大→高碳M粗大→力学性能↓，变形开裂↑③合金钢：加热温度＞碳钢⑵淬火方法①单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油②双介质淬火先水，后油冷却。复杂高碳钢及大型合金钢工件。③分级淬火稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。用于：小尺寸工件及刀具。④贝氏体等温淬火：稍高Ms温度的盐浴或碱浴中冷却＋保温，获得B下。用于：形状复杂和性能较高的较小零件。⑤深冷处理：在0℃以下的介质中冷却的热处理工艺。目的：减少Ar获最大数量M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。用于：精密工件，量具。⒌表面淬火⑴原理：（交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表面加热）机械工程材料复习Page10of33工艺：水（乳化液）喷射淬火＋（180～200℃）低温回火，⑵感应加热表面淬火的分类1)高频淬火淬硬层深度0.5～2.5㎜；中小零件。2)中频淬火淬硬层深度2～10㎜；大中模数齿轮,较大轴类零件等3)工频淬火：淬硬层深度10～20㎜；大直径零件。⑶适用钢种①中碳钢和中碳低合金钢：②碳素工具钢和低合金工具钢：③球铁、灰铸铁。⑷表面淬火的特点①加热速度快②)淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。表面硬度↑2～3HRC，脆性↓。③显著提高钢件的疲劳强度。⒍钢的化学热处理化学热处理：在加热和保温中使活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织，改善表面性能。目的：提高表面硬度，耐磨性，心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性；提高钢件的疲劳强度；抗蚀性和耐热性等。⑴渗碳1）碳浓度：表面C(0.15％～0.30％)→C1.0％，机械性能：经淬火＋回火，提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性和塑性。用途：各种齿轮、活塞销、套筒等。渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢。2）渗碳工艺温度：900～950℃；（渗碳加热到3CA以上）渗碳时间：900～950℃温度下，0.2～0.3mm/h。3）低碳钢渗碳缓冷组织：机械工程材料复习Page11of33表层：P＋Fe3CII(过共析相)心部：亚共析组织(P＋F)，中间：过渡组织；4）渗碳后的热处理①渗碳后淬火+低温回火淬火后组织：M＋A残，⒎钢的合金化合金元素在钢中的作用：提高钢的淬透性，细化晶粒，提高钢的回火稳定性，防止回火脆性，二次硬化，固溶强化，第二相强化（弥散强化），增加韧性，提高钢的耐蚀性或耐热性。⑴形成固溶体、产生固溶强化⑵形成含部分金属键的金属（间）化合物，产生弥散强化（或第二相强化）⑶溶入奥氏体，提高钢的淬透性⑷提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性⑸细化晶粒．产生细晶强韧化⑹形成钝化保护膜⑺对奥氏体和铁素体存在范围的影响机械工程材料复习Page12of33四、常用机械工程材料（工业用钢、铸铁）与合理选材（表四-1）钢种典型钢号及其应用性能特点成分特点与合金化原则热处理特点使用态组织⒈低合金高强钢按σs分6级:①低强度级别:16Mn一般工程结构②中等强度级别:15MnVN大型桥梁,锅炉,船舶,焊接结构.③高强度级别:18MnMoNb高压锅炉,高压容器①高强度:σs＞300Mpa②高韧性：δ=15%～20%，室温ak＞600kJ/m2～800kJ/m2。③良好焊接性能和冷成形性能①低C:＜0.2%②Me以Mn为主、Mn和Si固溶强化③加入V、,Nb,Ti等元素细化F晶粒④加入P细化珠光体⑤加入Cu抗腐蚀一般供应状态使用,不热处