1、机械工程材料复习机械工程材料复习第一部分 基本知识一、概述目的掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（性能和改性方法是重点）。具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料；具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。复习方法以“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：材料的性能：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）；工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。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
2、方（）、面心立方（），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。材料的组织结构与性能。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld；1）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，
3、并一直保留到室温。2）成分、组织对性能的影响硬度(HBS)：随C,硬度呈直线增加， HBS值主要取决于组成相的相对量。抗拉强度()：C0.9%范围内，先增加，C0.91.0后，值显着下降。钢的塑性()、韧性()：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
4、性、韧性有所下降。塑性变形组织与性能1）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着下降再结晶：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，而塑性和韧性显着，性能完全恢复到变形前的水平。热处理组织与性能1)贝氏体的机械性能： 上贝
5、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。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；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。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。合金元素对钢中马氏体的硬
6、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150250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()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，优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。多边形F+粒状Fe3C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
7、。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
8、得到强化。三、材料热处理、合金化与性能改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理）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（2030）温度，保温、缓冷组织：P+F目的：细化，均匀化粗大、的原始组织；降低硬度切削性；消除内应力；消除组织缺陷；应用：（C%=0.30.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧2）球化退火加热Ac1（1030），保温、缓冷（或Ar1（2030）等温）应用：过，共析钢、高碳合金
9、钢组织：球状P（F+球状Cem）目的：Fe3C及Fe3C共析球化HRC，韧性切削性为淬火作准备；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10501150，保温1020h,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（100200）；保温炉冷；目的：消除加工硬化，消除残余应力。正火正火：亚共析加热Ac3 （3050）、过共析钢加热Accm（3050）保温空冷，得到P类工艺。组织：S或P（FFe3C） 正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，
10、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。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。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。改善机加工性能C%0.40中低碳钢：正火，提高硬度C% 0.4O0.60：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850950保温（炉冷空冷）。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500650保温缓冷，钢铁的淬火淬火原则与淬透性目的：提高硬度、强度、耐
11、磨性。原则：淬硬，获尽量完全的M；淬透，M组织表里如一；保证淬硬条件下，用缓冷介质，以防开裂。. 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。.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。影响因素： 越小，淬透层越深；工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；。水淬比油淬的淬透层深；.淬硬性：由M中C%，钢的淬硬性越好。淬火工艺淬火加热温度亚共析碳钢： （3050），组织：均匀细小M组织温度太高， M粗大，淬火应力，变形和
12、开裂倾向增大。加热温度时，硬度降低。共析和过共析碳钢：加热：（3050）。组织：MFe3CAr，若在Acm以上淬火，A粗大高碳M粗大力学性能，变形开裂合金钢：加热温度碳钢淬火方法单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油双介质淬火 先水，后油冷却。复杂高碳钢及大型合金钢工件。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。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。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。表面淬火原理：（
13、交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应表面加热）工艺：水（乳化液）喷射淬火（180200）低温回火，感应加热表面淬火的分类1)高频淬火 淬硬层深度0.52.5；中小零件。2)中频淬火 淬硬层深度210；大中模数齿轮,较大轴类零件等3)工频淬火： 淬硬层深度1020；大直径零件。适用钢种 中碳钢和中碳低合金钢：碳素工具钢和低合金工具钢：球铁、灰铸铁。表面淬火的特点 加热速度快)淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。表面硬度23HRC，脆性。显着提高钢件的疲劳强度。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
14、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。渗碳1）碳浓度：表面C(0.150.30)C 1.0，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： 900950；（渗碳加热到以上）渗碳时间： 900950温度下，0.20.3mm/h。3）低碳钢渗碳缓冷组织：表层：PFe3C (过共析相)心部：亚共析组织(PF)，中间：过渡组织； 4）渗碳后的热处理渗碳后淬火+低温回火淬火后组织： MA残，钢的合金化合金元素在钢中的作用：提高钢的淬透性，细化
15、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。 形成固溶体、产生固溶强化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）溶入奥氏体，提高钢的淬透性提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性细化晶粒产生细晶强韧化形成钝化保护膜对奥氏体和铁素体存在范围的影响四、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 低合金高强钢 按s 分6级: 低强度级别:16Mn一般工程结构中等强度级别:15MnVN大型桥梁,锅炉,船
16、舶,焊接结构. 高强度级别:18MnMoNb高压锅炉,高压容器 高强度:s300Mpa高韧性：=15%20%，室温ak600 kJ/m2800 kJ/m2。良好焊接性能和冷成形性能 低C:0.2%Me以Mn为主、Mn和Si固溶强化加入V、,Nb,Ti 等元素细化F晶粒加入P细化珠光体加入Cu抗腐蚀 一般供应状态使用,不热处理焊接结构可进行一次正火,改善焊区性能 铁素体+索氏体合金渗碳钢 低淬透性:20Cr,15Cr小冲击载荷耐磨件,如活塞销,小齿轮. 中淬透性:20CrMnTi：高速较高载有冲击的耐磨件,重要齿轮,连轴器。高淬透性:18Cr2Ni4WA重载大截面重要耐磨件,如柴油机曲轴,连杆渗
17、层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性心部高韧性和足够强度良好的热处理工艺性能 低C: 0.1%0.25%加入提高淬透性元素Cr,、Ni,、Mn、,B加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大和形成稳定的合金碳化物,提高耐磨性预先热处理（改善切削加工性能） 锻压后正火最终热处理：渗碳后淬火（直接或一次、二次淬火）低温回火20CrMnTi齿轮工艺路线：下料锻造正火加工齿形渗碳(930)，淬火(830) 低温回火(200) 磨齿表层：高碳M粒状CemA 心部：1 淬透：低碳M未淬透：TMF(少量) 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 合金调质
18、钢 1 低淬性:40Cr,40MnB一般尺寸重要零件, Do30402 中淬透性: 40CrNi, Do4060高淬透性: 40CrNiMoA大截面重载重要零件, Do60160高水平综合机械性能, 能满足多种和较复杂的工作条件 中C：0.25%0.50%以0.4左右为主加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B加入Mo,W消除回火脆一般:油淬+高温回火调质若要求表面耐磨：调质后可进行表面淬火或氮化处理。 表面淬火; 专门化学热处理(如氮化) (38CrMoAl氮化钢) S 合金弹簧钢 以Si,Mn合化:65Mn, 60Si2Mn用于汽车,拖拉机,机车的板簧和螺旋弹簧以Cr,V,W合金化:5
19、0CVA350400以下重载, 较大型弹簧,如高速柴油机气门弹簧. 高e 和s ,高屈强比高疲劳抗力足够塑韧性,能承受震动,冲击有较好淬透性,不易脱C ,易绕卷成形中高C:0.45%0.70%加入Si,Mn提高淬透性也提高屈强比加入Cr,W,V也提高淬透性加入Si-Cr不易脱C加入Cr-V细化晶粒, 耐冲击,高温强度好 热成形法制弹簧热轧钢丝钢板卷弯曲成型淬火+中温回火喷丸冷成形法制弹簧钢丝钢板淬火+中温回火冷卷弯曲成型去应力喷丸 T 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 滚珠轴承钢 Cr轴承钢: GCr15中小型轴承,冷冲模,量具,丝锥. 添加Mn
20、,Si,Mo,V的钢:GCr15SiMo,GSiMnMoV制造大型轴承. 高接触疲劳强度高硬度和耐磨性足够的韧性和淬透性一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性 高C:0.95%1.10%Cr基本元素:提高淬透性;细化Cem;提高耐磨性和接触疲劳抗力; Cr0.41.65加入Si,Mn提高淬透性;加入V耐磨性,防止过热纯度要求极高S0.02，P0.027预先热处理（球化退火）正火:消除Cem网球化退火:便于切削, 使细小均匀,为淬火作准备最终热处理：（淬火（800840）低温回火（150170）冷处理:(精密零件)尺寸稳定M粒状Cem少量A残余低合金刃具钢 1 Si-Cr系:9SiCr,低速切削刃具2 C
21、r系:Cr,Cr06如,铰刀,刮刀,锉刀等. 3 Cr-W-Mn系:CrWMn 如拉刀,冲模,样板,量规4 W和Cr-W系:小麻花钻,低速切削刃具 高硬度:HRC60高耐磨性高热硬性足够塑性和韧性 1 高C:0.9 %1.1 %2 加入Cr,Mn,Si提高淬透性3 加入Si提高回火稳定性加入W,V提高耐磨性,并防止加热时过热，保持晶粒细小预备热处理：锻造后进行球化退火。最终热处理：淬火+低温回火工艺路线：锻造球化退火机加工淬火低温回火 M粒状Cem少量A残余与碳素工具钢相比较，淬透性提高，可采用油淬火。变形和开裂倾向小。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
22、态组织 高速钢 （高速工具速钢）1 W系:W18Cr4VW-Mo系:W6Mo5Cr4V2作高速切削刃具铸造组织有鱼骨状共晶 1 高硬度:HRC 60 2 高耐磨性3 高热硬性足够塑性和韧性 1 高C:0.7 %1.5 %要保证能与W、Cr、V等形成足够数量的Cem；有一定数量的C溶于A中，以保证M的高硬度。）2 加入Cr提高淬透性铬的碳化物(Cr2C6)在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体中，增加A过冷的稳定性，钢的淬透性。还提高抗氧化、脱碳能力3 加入W,Mo提高热硬性（提高回火稳定性和热硬性的主要元素）4 加入V提高耐磨性 V形成的碳化物vC(或V4C3)非常稳定，极难溶解，硬度较高属于莱氏体钢
23、，锻造：共晶莱氏体呈鱼骨胳状，热处理不能消除，只能热变形破碎，预热处理：等温退火，消除内应力，改善切削，组织准备。最终热处理： 1270淬火560580回火(三次)：若冷处理只需一次回火回火(三次)：消除内应力消除A残余齿轮铣刀生产过程的工艺路线如下： 下料锻造退火机械加工淬火+回火喷砂磨加工成品。M+少量A残余+ Cem。第二部分 考试知识第一章 金属的机械性能（了解）1低碳钢的拉伸图 2材料的性能：强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性。第二章 材料的组成和内部结构特征掌握概念（名词解释）：固溶体、固溶强化、枝晶偏析、A、F、P、Fe3C;合金中的基本相结构：固溶体和金属间化
24、合物固溶体：产生晶格畸变，增加晶体位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，使金属得到强化。金属化合物：熔点、硬度高、脆性大。碳钢中的Fe3C。对钢的强度和耐磨性有重要的作用。金属化合物对固溶体基体的强化作用：弥散硬化：当金属间化合物以极小的粒子均匀分布在固溶体基体上通常能提高合金的强度、硬度以及耐磨性，但会降低合金的塑性和韧性。掌握铁碳相图基本知识：正确填写铁碳相图的相组成物相图两条水平线是什么线，能写出反应式，解释共晶、共析反应。 正确填写铁碳相图的组织组成物相图第3章 工程材料成型过程中的行为与性能变化掌握概念：冷加工、热加工、回复、再结晶，加工硬化 掌握金属的凝固纯金属的结晶：由晶核的形成和
25、长大这两个基本过程组成；晶核的形成：存在有两种方式，即自发形核和非自发形核；晶体长大的形态：有平面推进、树枝状生长两种；金属结晶过程缺陷的产生：缩孔和疏松，液体供应不充分，最后凝固的树枝晶之间的间隙不能被填满，将形成缩孔和疏松等缺陷。合金结晶的特点：合金结晶时有相的变化、成分变化，有成分偏析，它将引起铸件力学性能恶化和抗腐蚀性能降低。晶粒大小和控制：控制过冷度、加入形核剂、机械方法（振动与搅拌）掌握铸造过程中的材料行为及性能变化铸锭组织：表面细晶粒层、柱状晶粒层、中心等轴晶粒区铸锭结构中主要的缺陷。缩孔与缩松集中的缩孔：金属凝固时体积要收缩，如果得不到液体的补充，就会形成缩孔。缩松（分散性缩孔
26、）：树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成细小而分散的缩孔。气孔非金属夹杂物外来非金属夹杂物由冶炼、浇铸过程中炉衬、型壁材料等脱落进人铸锭带来；金属内部各种化学反应生成，非金属夹杂物很大的脆性，破坏金属晶体的连续性，促进裂纹的萌生和扩展削弱金属的机械性能。成分偏析枝晶偏析（微观偏析）：局限于一个或几个晶粒尺寸范围内的偏析。可用扩散退火的方法来消除宏观偏折（或域偏析）：同一铸件中，表面和中心、上层和下层的化学成分也可能存在不均匀，这种较大尺寸范围内出现的偏析。消除枝晶偏析：扩散退火或均匀化退火把有枝晶偏析的合金加热到高温，长时间保温，使固溶体中原子充分扩散以达到成分的均匀化。掌握冷
27、塑性变形过程中的材料行为及性能变化冷塑性变形对金属组织与性能的影响冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化掌握热塑性变形过程中的材料行为及性能变化金属的热加工和冷加工热塑性变形对金属组织和性能的影响第4章 改善材料性能的热处理、合金化及改性掌握概念： P、S、T、B、M、S回、T回、M回、完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、正火、淬火、淬透性、淬硬性、表面淬火、渗碳、调质。掌握金属材料在加热与冷却过程中的主要变化钢在加热时的转变（奥氏体的形成）转变温度共析钢：加热超过PSK线（A1）时，完全转变为奥氏体，平衡状态下 亚共析钢：必须加热到GS线（A3）以上过共析钢：必须加热到ES线（ACM）以
28、上，才能全部获得奥氏体。）奥氏体的形成：晶核形成、晶核长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化四个基本过程。）影响奥氏体转变的因素加热温度：提高加热温度，加速了奥氏体的形成。加热速度：加热速度越快，缩短奥氏体的形成时间。钢中碳含量：碳含量增加时，转变速度加快。 合金元素：大部分合余元素加入钢中，减慢了奥氏体的形成速度。 原始组织：片状珠光体奥氏体形核长大快 粒状珠光体。、钢的冷却转变（等温冷却）：共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特性1）珠光体类转变组织： (高温转变区)，在A1550之间2）贝氏体转变(中温转变)：转变温度 ：在550Ms：之间，550350上贝氏体半扩散型，Fe不扩散，C原子有一定的扩散能力羽毛状碳化物在F间，韧性差350MS下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好3）.低温转变：（马氏体转变）：温度MsMf，马氏体转变区、钢的冷却转变（连续冷却）1） 转变产物：冷却速度时，钢将转变为M+A残冷却速度时，钢将全部转变为P类冷却速度之间(例如油冷)时：M+A残+T 掌握钢在回火时的转变1）回火目的： 获得所需要的机械性能， 稳定组织和尺寸：
