孙学强版本机械制造基础工程材料部分期末复习

孙学强版本机械制造基础工程材料部分期末复习力学性能的主要指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度等。强度—金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力强度指标:单位截面积上的内力，称为应力，用符号σ表示。弹性极限——金属材料能保持弹性变形的最大应力，用σe表示。抗拉强度——试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用σb表示。塑性金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率和断面收缩率。伸长率是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，用符号δ表示。断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。常用的硬度试验方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。洛氏硬度优点：操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。缺点：精确性较差，硬度值重复性差，需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。维氏硬度维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确。维氏硬度值需要测量压痕对角线，经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不宜用于成批零件的常规检验。金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。用符号αK表示强度、塑性两者均好的材料，αKV值也高。加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，则αKV值越低。有许多零件(如齿轮、弹簧等)是在交变应力(指大小和方向随时间作用期性变化)下工作的，零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳断裂。人们把材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳强度。固态物质按原子（或分子）的聚集不同分为两类：晶体——原子具有规则排列的物质；非晶体——原子不具有规则排列的物质。晶格：把原子看成一个点，用假想的线条把原子连接起来构成的空间格子。晶胞：能反映晶格特征的最小几何单元体。二、金属中常见的晶格类型1、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子。具有体心立方晶格的金属有铬、钨、钼、钒及α铁等。2、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个顶角各有一个原子，同时在立方体的六个面的中心又各有一个原子。具有这种晶格的金属有铜、铝、银、金、镍、γ铁等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的12个顶角上各有一个原子，上下底面的中心也各有一个原子；晶胞内部还有三个呈品字形排列的原子。具有这种晶格的金属有铍、镁、锌和钛等。合金结构相合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。液态物质称为液相，固态物质称为固相。在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。所谓组织，是指用肉眼或借助显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定着合金的性能。合金的相结构根据组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两基本类型。根据溶质原子在溶剂晶格结点所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种基本类型由于溶质原子溶人溶剂晶格后，不论是形成间隙固溶体，还是形成置换固溶体，都将引起晶格畸变，使其塑性变形的抗力增大，因而使得合金的强度、硬度升高，这种现象称为固溶强化。（二）金属化合物金属化合物是各组元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且有一定金属性质的新相。金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。实际金属的多晶体结构单晶体是指具有一致结晶位向的晶体(图2-9a)，表现出各向异性。实际的金属都是由许多结晶位向不同的单晶体组成的聚合体，称为多晶体，如图2—9b所示。每一个小的单晶体叫做晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫做晶界。晶体缺陷——晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列的不完整性。按照缺陷的几何特征，可分为以下三类：1、空位和间隙原子（点缺陷）2．位错（线缺陷）3．晶界和亚晶界（面缺陷）纯金属的结晶在实际生产中，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差值，称为过冷度，用ΔT表示，即ΔT=T0-T1。实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件纯金属的结晶过程1、形核当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就稳定下来，成为结晶核心。这种最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核。2、长大随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地形成新的晶核并不断长大，直到液态金属全部消失，晶体彼此产接触为止。晶粒是构成金属晶体的最小单位，晶粒与晶粒之间的接触面叫晶界。细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。工业生产中细化晶粒的方法：1、增加过冷度增加过冷度，就是要提高金属凝固时的冷却速度。但在实际生产中，对于大铸锭、大铸件，过高的冷却速度往往导致铸件产生裂纹而报废。因此，对于大型铸件则需要用其它方法来细化晶粒。2、变质处理在液态金属结晶前加入一些细小的难熔质点（变质剂），以增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法，称为变质处理。3、附加振动金属结晶时，对金属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率N，达到细化晶粒的目的。4、降低浇铸速度金属的同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异构转变。常存杂质元素对碳钢性能的影响锰是一种有益元素硅也是有益元素硫是有害元素磷也是有害元素二、碳钢的分类(一)按钢中碳的质量分数分类(1)低碳钢。ωc≤0.25％。(2)中碳钢。0.25％ωc≤0.60％。(3)高碳钢。ωc≥0.6％。(二)按钢的冶金质量分类根据钢中有害杂质硫、磷含量多少可分为：(1)普通质量钢。ωs≤0.050％，ωp≤0.045％。(2)优质钢。ωs≤0.030％，ωp≤0.035％。(3)高级优质钢。ωs≤0.020％，ωp≤0.030％。(4)特级质量钢。ωs0.015％，ωp0.025％。(三)按用途分类(1)碳素结构钢。主要用于制造各种工程构件(桥梁、船舶、建筑构件等)和机器零件(齿轮、轴、螺钉、螺栓、连杆等)。这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。(2)碳素工具钢。主要用于制造各种刃具、量具、模具等。这类钢一般属于高碳钢。三、碳钢的牌号与应用(一)碳素结构钢碳的质量分数一般在0.06％～0.38％范围内，钢中有害杂质相对较多，但价格便宜，大多用于要求不高的机械零件和一般工程构件。通常轧制成钢板或各种型材(圆钢、方钢、工字钢、角钢、钢筋等)供应。碳素结构钢的牌号表示方法是由屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。例如：Q235一AF表示碳素结构钢中屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。Q195、Q215、Q235、Q225为低碳钢；Q275为中碳钢；Q235因碳的质量分数及力学性能居中，故最为常用。(二)优质碳素结构钢这类钢因有害杂质较少，其强度、塑性、韧性均比碳素结构钢好。主要用于制造较重要的机械零件。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，如08、10、45等。数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。上述牌号分别表示其平均碳的质量分数为0.08％、0.1％、0.45％。优质碳素钢按含锰量不同，可分为两类：1、普通含锰量钢——含锰量(ωMn=0.25％～0.8％)；2、高含锰量钢——含锰量(ωMn=0.7％～1.2％)。若是沸腾钢，则在牌号数字后面加“F”字，如15Mn、30Mn、45Mn、65Mn、08F、10F等。(三)碳素工具钢碳素工具钢因含碳量比较高(ωc=0.65％～1.35％)，硫、磷杂质含量较少，经淬火、低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于制造各种低速切削刀具、量具和模具。碳素工具钢按质量可分为两类：1、优质碳素工具钢2、高级优质碳素工具钢注意：为了不与优质碳素结构钢的牌号发生混淆，碳素工具钢的牌号由代号“T”(“碳”字汉语拼音首字母)后加数字组成数字表示钢中平均碳质量分数的千倍。如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8％的优质碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢，则在牌号末尾加字母“A”，如T12A，表示平均碳的质量分数为1.2％的高级优质碳素工具钢。(四)铸造碳钢（铸钢）机器中有许多形状复杂、力学性能要求高的机械零件常采用铸造碳钢制造。铸钢中碳的质量分数一般在0.15％～0.6％范围内。碳含量过高，则钢的塑性差，且铸造时易产生裂纹。铸造碳钢的最大缺点是熔化温度高、流动性差、收缩率大，而且在铸态时晶粒粗大。因此铸钢件均需进行热处理。铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音的首字母“ZG‘’后面加两组数字组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。例如ZG270—500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。第五章钢的热处理钢的热处理——钢在固态下，采用适当方式进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。热处理目的：1、提高钢的力学性能，延长零件的使用寿命；2、消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，为后续工序作好组织准备。一、普通热处理1、退火2、正火3、淬火4、回火二、表面淬火1、感应加热表面淬火2、火焰加热表面淬火3、电接触加热表面淬火4、激光加热表面淬火三、化学热处理1、渗碳2、渗氮3、碳氮共渗4、渗金属等一、钢的奥氏体化在实际生产中，加热速度和冷却速度都比较快，因此组织转变大多有不同程度的滞后现象产生。为了区别实际加热和冷却时的临界点，将加热时的临界点用Acl、Ac3、Accm来表示；冷却时的临界点用Arl、Ar3、Arcm来表示，如图5-2所示。(一)奥氏体晶核的形成和长大奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上优先形成。因为相界面上的原子排列紊乱，处于不稳定状态，容易获得形成奥氏体所需的能量和碳浓度。奥氏体晶核形成后便逐渐长大。(二)残余渗碳体的溶解渗碳体的晶体结构和碳含量都与奥氏体相差很大，故渗碳体向奥氏体中的溶解，必然落后于铁素体的晶格改组。即在铁素体全部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解。随着保温时间的延长，这部分未溶的残余渗碳体将通过碳原子的扩散，不断地向奥氏体中溶解，直到全部消失为止。(三)奥氏体的均匀化当残余渗碳体全部溶解时，奥氏体的成分是不均匀的。原来的渗碳体处碳浓度高，原来的铁素体处碳浓度低。只有继续延长保温时间，使碳原子充分扩散，才能使奥氏体的成分渐趋均匀化。在相同的加热温度下，加热速度愈快，保温时间愈短，晶粒越细冷却方式：等温冷却——把加热到奥氏体状态的钢快速冷却到Ar1以下某一温度，并在此温度停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。连续冷却——把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度（如随炉冷、空冷、油冷、水冷等）连续冷却到室温。亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变亚共析碳钢、过共析碳钢的C曲线如图5-10所示。在亚共析钢的C曲线上，多了一条先析铁素体析出线；；在过共析碳钢的C曲线上，多了一条条二次渗碳体析出线。由此说明，亚共析钢或过共析钢的过冷奥氏体在珠光体型转变区等温，必先析出铁素体或渗碳体，而后转变为珠光体型组织。等温转变曲线在连续冷却转变中的应用一、退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。退火工艺的主要特点是缓慢冷却。退火的方法和目的(一)完全退火工艺