材料工程学

机械工程材料课程复习一、机械工程材料概念定义原理规律小结1.材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。2.材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性。3.拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。拉伸曲线上与此相对应的点应力σS，称为材料的屈服点。拉伸曲线上D点的应力σb称为材料的抗拉强度，它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。4.硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。常用硬度有：布氏、洛氏、维氏三种。5.韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。6.材料在交变应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生，断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。13.相图：是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形，又称为平衡相图或状态图。14.二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图称为二元匀晶相图。15.在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。合金系的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶相图。共晶反应：16.在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程称为包晶转变。两组元在液态下无限互溶，固态下有限互溶，并发生包晶转变的构成的相图，叫二元包晶相图。17.在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外两个与母相成分不相同的固相的转变称为共析转变，发生共析转变的相图称为共析相图。共析反应：18.铁碳合金的基本相：铁素体-碳溶于α-Fe中的间隙固溶体，以符号F表示。体心立方晶格。奥氏体-碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体，以符号A表示。面心立方晶格。渗碳体-是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物，分子式为Fe3C。珠光体-是铁素体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号P表示。莱氏体-是奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号Ld表示。铁素体、奥氏体和渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相；珠光体、莱氏体则是由基本相混合组成的多相组织。20.一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于0．25％的低碳钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为0.3％~0.55％的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.6％~0.85％的钢。对于各种工具，主要选用高碳钢来制造，其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.7％~0.9％的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.0％~1.3％的钢制造。26.金属的热塑性加工：是在再结晶温度以上的加工，在变形过程中产生的变形晶粒及加工硬化，由于同时进行着再结晶过程而被消除，故金属将不显示加工硬化现象。热塑性加工使金属材料的组织和性能发生一系列的显著变化：消除铸态组织缺陷，提高力学性能；形成热加工纤维组织(流线)-应力求工件流线分布合理，尽量使流线与(正)应力方向一致。27.在再结晶温度以下的加工，叫冷加工。28.金属的强度指标(σs、σb)是代表着金属在一定变形过程中对塑性变形的抵抗能力。金属对塑性变形的抗力愈大，则强度愈高。因此，可以认为，一切提高金属变形抗力的因素均能提高金属的强度。29.金属强化机制：能阻碍位错运动的障碍可以有四种：第一种是溶质原子，引起固溶强化；第二种是晶界，引起细晶强化；第三种是第二相粒子，引起沉淀强化(或弥散强化)；第四种是位错本身，引起位错强化。30.奥氏体化刚结束时的晶粒度称为起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，会出现晶粒长大的现象。在给定温度下奥氏体的晶粒度称为实际晶粒度,它直接影响钢的性能。钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向称为本质晶粒度。通常将钢加热到940±10℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断钢的本质晶粒度。晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢，5-8级的是本质细晶粒钢。36.钢在加热时奥氏体形成过程4个步骤：第一步是奥氏体晶核形成，第二步是奥氏体晶核长大，第三步是残余渗碳体溶解，第四步是奥氏体成分均匀化。37.影响奥氏体晶粒大小的4因素：①加热温度和保温时间加热温度高、保温时间长，奥氏体晶粒粗大，即使是本质细晶粒钢，当加热温度过高时，奥氏体晶粒也会迅速粗化。②加热速度加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细。③合金元素随奥氏体中碳含量的增加，奥氏体晶粒长大倾向变大，但如果碳以残余渗碳体的形式存在，则由于其阻碍晶界移动，反而使长大倾向减小。同样，在钢中加入碳化物形成元素(如钛、钒、铝、钽、锆、钨、铬等)和氮化物、氧化物形成元素(如铝等)，都能阻碍奥氏体晶粒长大，而锰、磷溶于奥氏体后，使铁原子扩散加快，会促进奥氏体晶粒长大。④原始组织接近平衡状态的组织有利于获得细奥氏体晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的组织也粗大，从而降低了钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。38.C曲线（等温转变曲线，也称为“TTT”曲）表明了过冷奥氏体转变温度、转变时间和转变产物之间的关系。左边一条为转变开始线，右边一条为转变终了线。珠光体型转变——高温转变(A1~550℃)：珠光体(P)、索氏体(S)和托氏体(T)。贝氏体型转变——中温转变(550℃~Ms)下贝氏体强度和硬度高(50—60HRC)，并且具有良好的塑性和韧度。马氏体型转变——低温转变(Ms~Mf)马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。产生很强的固溶强化效应，使马氏体具有很高的硬度。40.退火：将钢加热到一定温度并保温一定时间．然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。降低硬度、改善切削加工性能，消除残余应力。41.正火：将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或ACcm(对于过共析钢)点以上30-50℃，保温一定时间后，在空气中冷却，从而得到珠光体类组织的热处理工艺。提高钢的强度和硬度。42.淬火是以获得马氏体组织为目的的热处理工艺，提高钢的硬度和耐磨性；获得优异综合力学性能。最常用的淬火冷却介质是水和油。43.回火：将淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度，经适当保温后冷却到室温的热处理工艺。44.调质处理：淬火后再进行高温回火处理。调质处理得到的是回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。力学性能与正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。45.冷处理：把淬冷至室温的钢继续冷却到-70—80℃(或更低的温度)保持一段时间，使残余奥氏体转变为马氏体。46.时效：将淬火后的金属工件，置于室温或低温加热下保持适当时间，以提高金属强度（和硬度）的热处理工艺。47.表面淬火：将工件表面层淬硬到一定深度，心部仍保持未淬火状态的局部淬火法。表面硬度高、耐磨性好,而心部韧性好。48.化学热处理：将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表层，改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度，有时也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性。49.淬透性，是指钢在淬火时获得淬透层深度的能力。它是钢材本身固有的属性，其大小通常以规定条件(指规定尺寸和形状的钢试样，在规定的淬火冷却条件下淬火)下淬透层的深度来表示。谈淬透性，必须排除工件尺寸、形状及介质的冷却能力等淬火条件影响。50.淬硬性(可硬性）是指钢在淬火后能达到的最高硬度，即钢在淬火时的硬化能力，它主要取决于马氏体的碳含量。二、常用材料工业用钢：1.按化学成分可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量分为低碳钢(含碳量≤0.25％)、中碳钢(含碳量为0.25％～0.6％)和高碳钢(含碳量＞0.6％)。合金钢根据合金元素总量分为低合金钢(合金元素总量≤5％)、中合金钢(合金元素总量为5％～10％)和高合金钢(合金元素总量＞10％)。2.按质量分类是以磷、硫的含量来划分的。根据磷、硫的含量可将钢分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。硫产生热脆，磷产生冷脆，必须严格控制。3.按用途可将钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。结构钢包括工程用钢和机器用钢，工程用钢用于建筑、桥梁、船舶、车辆等，而机器用钢包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢和耐磨钢；工具钢包括模具钢、刃具钢和量具钢；特殊性能钢包括不锈钢、耐热钢等。8.渗碳钢：是经渗碳后使用的钢种，主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷（表硬里韧）的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机凸轮轴、活塞销等。如20、20Cr、20CrMnTi等。9.调质钢是指调质处理后使用的钢种，主要用于制造受力复杂的汽车、拖拉机、机床及其它机器的各种重要零件，如齿轮、连杆、螺栓、轴类件等。具有良好的综合力学性能，即具有高的强度、硬度和良好的塑性、韧性。最典型的钢种是45、40Cr，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如齿轮、轴、螺栓。10.弹簧钢主要用于制造各种弹簧或类似性能的结构件。淬火加中温回火(350-500℃)处理，得到回火托氏体组织，其硬度可达40HRC-45HRC，从而在保证得到高的屈服强度的条件下又具有足够的韧性。代表性钢种为65Mn、60Si2Mn、50CrV。11.滚动轴承钢是用于制造滚动轴承的滚动体和轴承套的专用钢种，由于高碳铬轴承钢属于高碳钢，因而也可用于制造精密量具、冷冲模和机床丝杠等耐磨零件。应用最广泛的是GCr15钢。12.刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀及钻头等。碳素工具钢：T7-T13，千分数表示。高速钢是制造高速切削刀具用钢。它的主要性能特点是热硬性高，当切削温度达到600℃时，硬度仍能保持在55HRC-60HRC以上。切削时能长时间保持刃口锋利，俗称“锋钢”。高速钢的淬透性高，空冷即可淬火，又俗称“风钢”。常用的钢种为钨系的W18Cr4V和钨-钼系的W6Mo5Cr4V2。13.特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢，一般称为不锈钢。主要有：1Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。主要有：15CrMo、1Cr12WMoV、1Cr13、1Cr18Ni9Ti等。耐磨钢指在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。其化学成分为：w(C)＝1.0％-1.3％，w(Mn)＝11％-14％。因为耐磨钢机加工很困难，一般采用铸造成型，所以牌号定为ZGMnl3。14.铸铁：是碳质量分数大于2.11％的铁碳合金。主要由铁、碳、硅、锰、硫、磷以及其他微量元素组成。铸铁具有优良的铸造性、切削加工性、减摩性、吸震性和低的缺口敏感性，加之其熔炼铸造工艺简单，价格低廉，所以铸铁是机械制造业中最重要的材料之一。例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。15.铸铁的组织是由基体和石墨组成的，基体组织有3种，即铁素体、珠光体和铁素体加珠光体，可见铸铁的基体组织是钢的组织，因此铸铁的组织实际上是在钢的基体上分布着不同形态石墨的组织。其强度、塑性及韧性低于碳钢。16.铸铁根据石墨的形态分类：有片状、团絮状、球状和蠕虫状4种，其所对应的铸铁分别为灰铸铁、可锻铸铁（不能锻造）、球墨铸铁（机械性能优良）和蠕墨铸铁（耐热）。17.铸铁力学性能标注部分为一组数据时表示其抗拉强度值；为两组数据时，第一组表示抗拉强度值，第二组表示伸长率值，两组数字之间用“—”隔开。如HT200，KTZ550-04，QT800-2，RuT-380等。18.有色金属及其合金又称非铁材料，是指除铁、铬、锰之外的其他所有金属材料。19.纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变。纯铝不能热处理强化，冷加工是提高纯铝