工程材料及成形技术基础总复习

课程总复习工程材料及成形技术基础工程材料及成形技术课程考试安排考试时间：6月11日（第十四周周四）上午1-2节，8:00～9:35班级人数教室工业13022110J408工业130122机工1306（车辆）2110J409机工1305（车辆）21班级人数教室机工13202010J207机工131920机工13182010J210机工131720机工13162010J212机工131521机工13142010J214主要内容第一章工程材料的结构与性能第二章金属材料的凝固与固态相变重点：铁碳合金相图、杠杆定律C曲线第三章金属材料的塑性变形第四章金属材料热处理第六章金属材料第七章铸造第八章塑性加工第九章焊接第十二章机械零件材料及成形工艺的选用1.1材料原子（或分子）的相互作用1.2晶体材料的原子排列晶体结构：晶格、3种典型晶体结构（fccbcc，hcp，致密度0.68/0.74/0.74）、3种缺陷（点、线、面），细晶强化单晶体的各向异性实际晶体中的各种缺陷及其对性能的影响（位错密度与强度的关系）1.4合金的晶体结构合金，组元，相和组织的区别；相结构：固溶体、化合物及其性能；固溶体种类。1.7材料的性能（力学性能，化学性能，物理性能）力学性能：强度（Re，Rm，σ-1）、韧性（Ak，K1c）、塑性（A，Z）、硬度（3种）物理性能、化学性能、工艺性能第1章工程材料的结构与性能晶界对性能的影响：熔点低；耐蚀性差；易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚；阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒；是相变的优先形核部位；使变形分散在各晶粒内，提高塑性与韧性。金属的塑性变形主要由位错运动引起，故减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。对于一般工程使用的块体金属：位错之间的交互作用使其移动受到阻碍，故随着位错密度ρ的增加金属的强度也一般提高—加工硬化。位错线附近异类原子浓度高于平均水平。金属晶须退火态(105-108/cm2)加工硬化态(1011-1012/cm2)位错对材料性能的影响相(Phase):是指金属或合金中成分、结构和性能相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织(Microstructure):是指在显微镜下观察到的材料内部所具有的形态特征，即金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。单相合金两相合金组成合金的元素相互作用可形成不同的相。几个概念组成合金的最简单、最基本，能够独立存在的物质由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金化学成分相同，晶体结构相同，有明显界面分开，均匀合金的微观形态合金系组元相组织一致的晶体结构和原子排列方式；相同的物理、化学性能；与周围的非同相物质之间有确定的界面；不同的相可予以机械性分离。3.固溶体的性能•随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。•产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与金属化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C金属化合物（IntermetallicCompound）•具有一定程度的金属性质；•具有较高的熔点；•硬度较高；•脆性高。金属化合物的主要性能当合金中出现金属间化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属间化合物也是合金的重要组成相。第2章金属材料的凝固与固态相变☆2.1纯金属的结晶结晶的必要和充分条件→过冷度、结晶过程（形核与长大，交替进行，枝晶）、细化晶粒的途径（结晶条件：控制过冷度）、同素异构（α/γ/δ）2.2合金的凝固匀晶相图、合金的冷却过程分析、枝晶偏析、均匀化退火共晶相图、共析相图、杠杆定律☆、合金性能与相图的关系2.3铁碳合金平衡态的相变基础☆铁碳合金相图：基本相（F、A、Fe3C性能）与组织、相图特点（共晶转变、共析转变、包晶转变）、钢的结晶过程及室温组织组织及其计算☆、含碳量影响2.4钢在加热时的转变奥氏体的形成（形核、长大）、实际转变点2.5钢在冷却时的转变☆过冷A的冷却方式（等温、连续）、C曲线★、影响C曲线的因素、过冷A连续冷却转变曲线与C曲线的比较、过冷A的转变产物及性能晶粒大小及控制（1）晶粒度：单位体积内晶粒数目Zv或单位面积上晶粒数目Zs。（2）晶粒大小的控制①增大过冷度△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒细化②变质处理在液态中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。③振动(机械振动、超声波振动、电磁搅拌）2/14/3)/(1.1)/(9.0GNZGNZsV影响因素：①形核率②长大速度形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。相图中重要的点和线☆液相线:ABCD固相线:AHJECF包晶线HJB，包晶点J(δ0.09+L0.53)→A0.17共晶线ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)反应物:高温莱氏体,Ld共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)反应物:珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线铁碳合金状态图包晶反应1495℃LB(0.53)+δH(0.09)⇄AJ(0.17)（一）三条水平线及三个重要点共晶反应1148℃LC(4.3)⇄(AE(2.11)+Fe3C)LdQAB,0.53%CDFKEHGSNJP共析反应727℃AS(0.77)⇄(FP(0.0218)+Fe3C)--P珠光体包晶点共晶点共析点2.相图分析（二）其他特性线液相线固相线PQ线：碳在F中的溶解度线ES线(Acm)：碳在A中的溶解度线A⇄F固溶体转变线GS线(A3)：A析出F的开始线GP线：A析出F的终了线δ⇄A固溶体转变线5个单相区7个双相区3个三相区液相液相δ液相δ液相δ液相δL+δ液相δL+δ液相δL+δδ+γ液相δδ+γL+δ液相δ+γL+δδ液相δδ+γL+δ液相δδ+γL+δ(三)相区区域标注了组织组成物的相图☆(A+Fe3CⅡ+Ld)(P+Fe3CⅡ)(F+P)(P)(P+Fe3CⅡ+Ld＇)(Fe3CⅠ+Ld＇)(Ld)A+Fe3CⅡ(Fe3CⅠ+Ld)(Ld＇)相与组织计算-杠杆定律共析钢组织P，组织与相标记是（α+Fe3C），α和Fe3C亚共析钢组织P+F，相还是α和Fe3C，但组织（α+Fe3C）+α过共析钢组织P+Fe3C，相还是α和Fe3C，但组织（α+Fe3C）+Fe3C1.相的相对量和组织组成物含量不同2.计算时要弄清是对相计算还是对组织计算例：试计算45钢的室温组织与相解：45钢含碳量0.45%，属亚共析钢，室温组织组成物为F+P。根据杠杆定律：珠光体含量[（0.45-0）/（0.77-0）]*100%=58%铁素体含量1-58%=42%或者[（0.77-0.45）/0.77]*100%=42%备注：准确计算取0.02碳量开始。0.450.770计算相的相对量45钢的室温组成相是F和Fe3C铁素体含量[（6.69-0.45）/6.69]*100%=93%则渗碳体含量为7%。0.45思考题如何求过共析钢的相与组织？珠光体提示：珠光体由F和Fe3C构成其中F含量88%Fe3C含量12%请自己按杠杆定律计算后对照。组织提示P转变B转变M转变550°①珠光体型(P)转变(A1～550℃):A1～650℃:P;5～25HRC;片间距为0.6～0.7μm(500×)。650～600℃:细片状P---索氏体(S);片间距为0.2～0.4μm(1000×);25～36HRC。•索氏体具有良好的综合机械性能。600～550℃:极细片状P---托氏体(T);片间距为＜0.2μm(电镜);35～40HRC。②贝氏体型(B)转变(550～230℃)上贝氏体转变(550～350℃):B上;40～45HRC;B上=过饱和碳α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状下贝氏体转变(350～230℃):B下;50～60HRC;下贝氏体不仅具有较高的强度、硬度与耐磨性，同时具有良好的塑性和韧性。B下=过饱和碳α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状③马氏体型(M)转变(230～-50℃)1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和间隙固溶体。2)转变特点:在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性。在平衡条件下，钢的成分一旦确定，则组织与性能也随之确定。可以根据Fe-C平衡相图判断组织与性能实际生产条件下，钢的加热与冷却速度不可能非常缓慢，往往偏离了平衡条件，不能简单地用平衡相图预测。需要重点掌握的工具：C曲线与冷却曲线几个重要概念同素异晶转变奥氏体共析、共晶、包晶转变杠杆定律重点铁碳相图要求能对铁碳相图进行分析和解释钢的A化和A的晶粒度TTT和CCT曲线过冷A转变产物（P，B，M）热处理基础：临界转变温度、奥氏体化、影响晶粒度因素;冷却转变类型普通热处理：四把火★（退火、正火、淬火+回火）;注意淬透性与回火脆性表面热处理：表面淬火、渗碳、氮化的工艺特点与适用性基本概念淬透性普通热处理工艺、目的及其作用回火转变产物重点：第4章金属材料热处理退火工艺退火工艺小结名称加热温度℃适用范围转变组织目的完全退火Ac3+30-50亚共析钢、铸锻件、焊接件F+P↓硬度，↑塑性消除除内应力均匀细化组织球化退火Ac1+10-30共析钢过共析钢Fe3C球球化片状及网状Fe3C，↓硬度↑切削加工性消除内应力均匀细化组织扩散退火Ac3+150-200合金钢大型铸锻件消除成分偏析均匀组织去应力退火500-650铸锻件、焊件，切削加工件不变除残余应力热处理共析转变γ→F+Fe3C注意1.奥氏体转变为铁素体和渗碳体的混合物-珠光体P（组织）2.共析转变含同素异晶转变A（fcc）→F（bcc）3.转变范围PSK亚共析的转变后产物：P+F过共析的转变后产物：P+Fe3C1、正火后的组织：亚共析钢：F+S共析钢：S过共析钢：S+Fe3C粒状性能：强度、硬度、韧性比退火后的高，且塑性也不降低2、正火的目的①减少C和其他合金元素的成分偏析。②细化奥氏体晶粒，消除过共析钢中网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。正火温度Ac3+30~50℃Accm+30~50℃钢的常规热处理工艺正火的应用：a.预先热处理*钢材及铸件、锻件用正火细晶，消除组织缺陷，为后续热处理作组织准备。*过共析钢和渗碳零件用正火消除组织中网状渗碳体，为球化退火和后一步热处理作组织准备。b.最终热处理细化组织，均匀组织，消除组织缺陷，提高强度、硬度和韧性，对于普通结构件，机械性能要求不高时，可正火后使用。C.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能。钢的常规热处理工艺钢的淬火(Quenchingofsteel)1.定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)。2.目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。钢的常规热处理工艺淬火碳钢的淬火加热温度范围加热温度：合金钢的淬火加热温度稍微高一些，是临界点以上50~100℃。加热时间：箱式炉：1~1.3min/mm合金钢1.5~2min/mm盐浴炉：0·4~0.5min/mm合金钢0.5~1min/mmAc3+(30-50℃)Ac1+(30-50℃)组织：M组织：M+Fe3C（粒状）Ac1+中温转变区高温转变区低温转变区等温退火共析钢回火组织转变及性能变化1.钢在回火时的组织转变※①M分解（T＜200℃）100-200℃②A残分解(200~300℃)③渗碳体形成(250~400℃)④渗碳体聚集长大(T＞400℃)2.回火后的组织和性能①回火马氏体(250℃以下)②回火托氏体(350~450℃)③回火索氏体(500~650℃)α+ε(Fe2.4C片状)M回A残→M