工程材料基礎知識要點.docx

第一章機械零件的失效分析一、基本要求本章主要介紹了機械零件在常溫靜載下的過量變形、在靜載和沖擊載荷下的斷裂、在交變載荷下的疲勞斷裂、零件的磨損失效和腐蝕失效以及在高溫下的蠕變變形和斷裂失效。要求學生掌握全部內(nèi)容。二、重點內(nèi)容1 零件的過量變形以及性能指標,如屈服強度、抗拉強度、伸長率、硬度等。2 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂及性能指標，如沖擊韌性、斷裂韌性等。3 零件在交變載荷下的疲勞斷裂、疲勞抗力指標及影響因素。4 零件的磨損和腐蝕失效以及防止措施。5 零件在高溫下的蠕變變形和斷裂失效。三、難點斷裂韌性及衡量指標，影響斷裂的因素。四、基本知識點第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形1、工程材料在靜拉伸時的應力-應變行為變形: 材料在外力作用下產(chǎn)生的形狀或尺寸的變化。彈性變形: 外力去除后可恢復變形。塑性變形: 外力去除后不可恢復。低碳鋼，正火、退火、調(diào)質(zhì)態(tài)的中碳鋼或低、中碳合金鋼和有些鋁合金及某些高分子材料都具有圖1-1所示的應力-應變行為。即在拉伸應力的作用下的變形過程分為四個階段：彈性變形、屈服塑性變形、均勻塑性變形、不均勻集中塑性變形。圖1-1 低碳鋼拉伸時的應力-應變曲線示意圖圖1-2 三種類型材料的應力-應變曲線示意圖1-純金屬 2-脆性材料 3-高彈性材料2 、靜載試驗材料性能指標剛度：零構(gòu)件在受力時抵抗彈性變形的能力。等于材料彈性模量與零構(gòu)件截面積的乘積。強度：材料抵抗變形或者斷裂的能力，屈服強度、抗拉強度、斷裂強度。彈性指標：彈性比功。塑性指標：伸長率、斷面收縮率。硬度: 布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC)、維氏硬度(HV)3 過量變形失效過量彈性變形抗力指標：彈性模量E或者切變模量G。過量塑性變形抗力指標：比列極限、彈性極限或者屈服強度。第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂1、基本概念斷裂：材料在應力作用下分為兩個或兩個以上部分的現(xiàn)象。韌性斷裂：斷裂前發(fā)生明顯宏觀塑性變形。脆性斷裂：斷裂前不發(fā)生塑性變形，斷裂后其斷口齊平，由無數(shù)發(fā)亮的小平面組成。2、沖擊韌性及衡量指標沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。沖擊試驗與衡量指標：沖擊吸收功Ak或沖擊韌度ak。工程材料的沖擊吸收功通常是在室溫測得，若降低試驗溫度，在低溫下不同溫度進行沖擊試驗（稱之為低溫沖擊試驗或系列沖擊試驗），可以得到?jīng)_擊吸收功Ak隨溫度的變化曲線，如圖1-3所示。圖1-3 三種鋼的沖擊韌性隨溫度變化曲線示意圖TK為韌脆轉(zhuǎn)變溫度：Ak-T曲線上沖擊吸收功急劇變化的溫度。當試驗溫度低于TK時，沖擊吸收功明顯降低，材料由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，這種現(xiàn)象稱為低溫脆性。3、斷裂韌性及衡量指標斷裂韌度KIC：是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指的是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展的能力,單位：MPam 1/2或者 MNm-3/2斷裂判據(jù):KIKIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂KIKIC 構(gòu)件發(fā)生低應力脆性斷裂的臨界條件4、影響脆性斷裂的因素決定材料斷裂類型的主要因素有：加載方式、材料本質(zhì)、溫度、加載速度、應力集中及零件尺寸。加載方式不同，斷裂方式不同；一般降低溫度和增加加載速度都會引起材料催化；應力集中改變了應力狀態(tài)，max，max, ；單向拉伸0.5，而缺口拉伸試樣 1.0% 的鋼淬火后, 幾乎全部為片M；wC 0.2% 的鋼淬火后, 基本上全部為板條M；0.2% wC 1.0%的鋼淬火后，為兩種M的混合物。3、影響奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的主要因素1）含量的影響亞共析鋼及過共析鋼的過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變與共析鋼一樣，亦分為高溫P型轉(zhuǎn)變、中溫B型轉(zhuǎn)變和低溫M型轉(zhuǎn)變。但在P型轉(zhuǎn)變之前，亞共析鋼有鐵素體的析出，過共析鋼有Fe3C析出。亞共析鋼：wC，C曲線右移；過共析鋼：wC，C曲線左移；共析鋼過冷奧氏體最穩(wěn)定（C曲線最靠右）。2）合金元素的影響合金元素對C曲線的影響是復雜的，幾乎除Co外，所有溶入奧氏體中的合金元素均使曲線右移。除Co、Al外，溶入奧氏體的合金元素都使C曲線上的Ms、Mf點降低。過冷奧氏體的連續(xù)轉(zhuǎn)變圖（CCT圖）圖3-2 過冷奧氏體的連續(xù)轉(zhuǎn)變示意圖CCT曲線位于C曲線右下方，P轉(zhuǎn)變溫度更低，時間更長；共析鋼及過共析鋼的CCT曲線中無B型轉(zhuǎn)變，而多了一條P轉(zhuǎn)變終止線；亞共析鋼在連續(xù)冷卻時在一定溫度范圍內(nèi)過冷A會部分轉(zhuǎn)變?yōu)锽。由于CCT曲線測定比較困難，實際熱處理中常參照C曲線來定性估計連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程。第三節(jié)鋼的普通熱處理鋼制零件在制造過程中至少都要進行一次熱處理。鋼的普通熱處理是將工件加整體進行加熱、保溫和冷卻，以期獲得均勻的組織和性能和一種操作。包括：退火、正火、淬火和回火四種工藝。1、鋼的退火將鋼件加熱到臨界溫度（A1、A3、Acm）以上（有時以下）保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱退火。常用的有完全退火、球化退火和去應力退火等。1）完全退火加熱至Ac3以上，保溫一定時間，然后緩慢冷卻到500后出爐冷卻。應用：亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛、及熱軋型材，也可以用于焊件。目的：改善組織、細化晶粒，降低硬度，改善切削加工性。常作為對強度要求不高的零件的最終熱處理，或重要零件的預先熱處理。 2）球化退火加熱至Ac1以上，保溫一定時間，使鋼的Fe3C（碳化物）趨于球化，然后緩慢冷卻到600后出爐冷卻。應用：共析鋼和過共析鋼及合金鋼。目的：降低硬度，改善切削加工性能，并為淬火作組織準備。3）去應力退火把鋼件加熱到500650，保溫一定時間，隨爐冷卻至200后出爐。應用：鑄件、鍛件、焊件、冷沖壓件及機加工件。目的：消除殘余應力，以防止零件變形或產(chǎn)生裂紋。2、鋼的正火將工件加熱至奧氏體區(qū)，保溫一定時間后，出爐空冷的熱處理工藝稱為正火。應用：普通結(jié)構(gòu)件作為最終熱處理；低、中碳鋼作為預先熱處理，改善切削加工性能；過共析鋼消除網(wǎng)狀滲碳體。目的：細化組織，適當提高硬度和強度。選擇退火或正火工藝時應考慮以下因素：（1）改善切削加工性能低碳鋼：硬度低，粘刀，選擇正火；高碳鋼：硬度高，難切削，選擇退火；中碳鋼：退火、正火皆可。（2）使用性能普通結(jié)構(gòu)件，以正火作為最終熱處理，以細化晶粒，提高力學性能；形狀復雜的結(jié)構(gòu)件，采用退火作為最終熱處理，以削除應力防止裂紋。（3）經(jīng)濟性正火周期短，耗能少，操作簡便，盡量以正火代替退火。3、鋼的淬火將鋼加熱到臨界溫度以上，保溫后快速冷卻獲得M的熱處理工藝稱為淬火。1）目的獲得M組織，提高工件的強度和硬度。2）淬火介質(zhì)（1）理想的淬火冷卻速度高溫慢冷，中溫快冷，低溫慢冷。（2）常用淬火介質(zhì)水、鹽水、油3）常用淬火方法單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火4）鋼的淬透性（1）淬透性及其測定鋼件淬火時，表層直接與淬火介質(zhì)接觸，冷卻速度快；而心部則要靠熱傳導通過表層來散熱，冷卻速度慢。因此鋼件表層得到M，而心部只能獲得部分M，甚至完全得不到M。由鋼件表面到半層的區(qū)域稱為淬硬層，其深度稱淬硬層深度。常用的測定淬透性的方法有：臨界直徑法和頂端淬火法。（2）影響淬透性的主要因素合金元素、含碳量。4、鋼的回火將淬火后的鋼重新加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。回火的目的：消除淬火應力，降低鋼的脆性；穩(wěn)定工件尺寸；獲得工件所要求的組織和性能。1）淬火鋼回火時組織和性能的變化（1）組織變化回火溫度80200，以e碳化物形式析出，彌散分布、極細、粒狀，與保持共格關系的薄片，其晶體結(jié)構(gòu)為正交晶格，分子式為Fe2.4C，此時組織為回火?；鼗饻囟?00300，分解使得體積，殘留奧氏體分解了過飽和鐵素體碳化物?；鼗饻囟?50400，馬氏體分解完成。鐵素體中含碳量降低到正常飽和狀態(tài)，e碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闃O細的顆粒狀滲碳體?；鼗饻囟仍?00以上，滲碳體顆粒聚集長大并形成球狀，鐵素體發(fā)生回復、再結(jié)晶。（2）性能變化隨回火溫度升高，硬度、強度降低，塑性、韌性升高。2）回火各類及應用（1）低溫回火(150250) 組織：回火。性能：高硬度、強度。應用：高碳鋼和高碳合金鋼工具鋼制造的工模具和滾動軸承。（2）中溫回火(350500) 組織：回火T。性能：較高的韌性和高的彈性及屈服強度。應用：彈簧。（3）高溫回火(500650) 組織：回火S。性能：良好的綜合力學性能。應用：廣泛應用于各種機械零件。第四節(jié)鋼的表面熱處理1、表面淬火將工件表面快速加熱到奧氏體區(qū)，在熱量尚未傳到材料心部時立即迅速冷卻，使其表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持原始組織的一種局部淬火方法。常用的表面淬火方法有：焰加熱表面淬火、感應加熱表面淬火、激光加熱表面淬火。2、鋼的化學熱處理將工件置于一定的化學介質(zhì)中，通過加熱、保溫和冷卻，使介質(zhì)中的某些元素滲入到工件表層，以改變表層的化學成份和組織，從而使工件表面具有與心部不同的性能的一種熱處理工藝。與表面淬火熱處理相比，化學熱處理不僅使工件表面與心部的組織不同，且成份亦不同。最常用的表面化學熱處理有：滲碳、滲氮、碳氮共滲第五節(jié)鋼的特種熱處理1、真空熱處理2、可控氣氛熱處理3、形變熱處理第四章 合金鋼一、基本要求本章概要敘述了合金元素在鋼中的作用，合金鋼的分類。主要介紹了工程上常用的合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼。要求學生掌握主要合金元素在鋼中的作用，熟悉合金鋼的分類，重點掌握低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼和鎳基合金的成分、組織、性能特點。一般了解合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、超高強度鋼、合金工具鋼、耐熱鋼和高溫合金、低溫鋼的性能、熱處理和應用。二、重點內(nèi)容1、合金元素在鋼中的作用，存在形式。2、低合金高強度鋼的成分、組織、性能特點及其熱處理。3、不銹鋼和鎳基合金的成分、組織、性能特點及用途。三、難點第一次回火脆性和第二次回火脆性的防止。四、基本知識點第一節(jié)概述 1、合金元素在鋼中的作用（八大作用） 作用 主要元素細化A晶粒 Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性 除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力 Cr、W、Mo、V固溶強化 Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強化 Mn、Cr、Mo、W擴大A相 Ni、Mn、Cu、N擴大F相 Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti形成致密氧化膜 Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al重點是Cr、W、Mo占了六大作用，另外兩個作用一個是細晶，一個是擴大A。 2、合金元素在鋼中存在的形式（三種）固溶體、化合物和游離態(tài)。 3、第一類回火脆性一般認為低溫回火脆性是由于M分解時沿M板條或片的界面析出斷續(xù)的薄殼狀碳化物，降低了晶界的斷裂強度，使之成為裂紋擴展的途徑，因而導致脆性斷裂。防止第一類回火脆性的措施是避免在250400回火。4、第二類回火脆性第二類回火脆性是在回火過程中Sb、P、Sn 在晶界偏聚而引起的脆化現(xiàn)象。防止第二類回火脆性措施有兩個： 1）加入W、Mo等能強烈阻止或延緩雜質(zhì)元素在晶界的偏聚。2）450650回火快冷5 、合金鋼的分類及其牌號分類：合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼的分類 第二節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼1、合金結(jié)構(gòu)鋼的分類、應用應用：最為廣泛分類：低合金高強度鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、超高強度鋼等.2、低合金高強度鋼1)簡介又稱低合金高強度鋼 廣泛用于制造在大氣和海洋工作的大型焊接結(jié)構(gòu)件，如橋梁、車輛、船舶、輸油氣管、壓力容器等。2)成分及性能特點主要合金元素：Mn、Ti、V、Nb、Cu、P、Re等作用：強化F，細化晶粒，從而提高鋼的強度，Cu、Pb還可以提高鋼的耐大氣腐蝕抗力。3) 典型牌號16Mn、09MnNb、15MnVN等3、合金滲碳鋼1)簡介是指經(jīng)過滲碳熱處理后使用的低碳合金鋼。主要用于制造在摩擦力、交變接觸應力和沖擊波條件下工作的零件。如齒輪：表面要求高的硬度和耐磨性及高的接觸疲勞強度，心部則要求良好的韌性。2)成分及性能特點Wc=0.10%0.25%，保證零件心部足夠的韌性。加Cr、Ni、Mn、B，提高鋼的淬透性。加V、Ti、W、Mo形成特殊碳化物，阻止A增長。3)典型牌號低淬透性：20Mn2、20MnV中淬透性：20CrMn、20CrMnTi高淬透性：18Cr2Ni4WA 4 、合金調(diào)質(zhì)鋼1）簡介經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后使用的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。主要用于制造受力復雜、要求綜合力學性能的重要零件如精密機床的主軸、發(fā)動機的曲軸等等。2) 成分及性能特點Wc=0.25%0.50%，多為0.40%保證調(diào)質(zhì)后足夠的強度和韌性。主要加Mn、Cr、Si、Ni、B，等提高鋼的淬透性。強化F。有時加微量V以細化晶粒，加Mo、W 防止或減輕第二類回火脆性。3)典型牌號Typical Trademark低淬透性：40Cr、40MnB中淬透性：35CrMo、38CrSi高淬透性：38CrMoAl、40CrNiMoA5、合金彈簧鋼1)簡介是用來制造彈簧和其它彈性零件的鋼種。如拖拉機上的板彈簧。2)成分及性能特點Wc=0.45%0.70%，含C量比合金調(diào)質(zhì)鋼高，為保證高強度和高的彈性極限。加Si、 Mn、Cr、V、Nb、Mo、W提高鋼的淬透性和回火抗力。強化F加Mo、W、V、Nb可以降低因Si的加入造成的脫C敏感性。3)典型牌號60Si2Mn（含Si、Mn元素的合金彈簧鋼，用于制造截面尺寸25mm的彈簧，如汽車脫拉機的板彈簧）。50CrVA（含Cr、V元素的合金彈簧鋼，用于截面30mm并在350400工作的重載彈簧，如閥門彈簧）。6、滾動軸承鋼1)簡介用于制造滾動軸承的滾珠、滾柱和套圈等鋼種。也可以用于制作精密量具、冷沖模、機床絲杠及柴油機油泵的精密件要求具有高的接觸疲勞強度，高而均勻的耐磨性及一定的韌性和耐腐蝕性能。2)成分及性能特點Wc=0.95%1.1%，是高C低Cr鋼，可以保證鋼有高的硬度和強度。WCr=0.40%1.65%提高鋼的淬透性，并形成合金滲碳體，使鋼具有高的接觸疲勞強度和耐磨性。對于大型軸承用鋼加Si、Mn、Mo可進一步提高淬透性和強度3)典型牌號Typical Trademark含Cr軸承鋼：GCr9、GCr15、GCr9SiMn、GCr15SiMn無Cr軸承鋼，性能和GCr 15相當，但可以節(jié)約CrGMnMoVRe、GSiMoMnV7、超高強度鋼1)簡介b1500MPa。主要用于制造飛機起落架、機翼大粱，火箭發(fā)動機殼體、液體燃料氧化劑儲藏箱、炮筒、槍筒、防彈板等等。2)成分及性能特點Wc=0.03%0.45%，含C范圍寬。加入Cr、Mn、Ni、Si 大大增加鋼的淬透性；加入Mo、V、Nb、Ti、Al形成特殊碳化物使鋼產(chǎn)生二次硬化，加入V、Nb、Ti細化晶粒。基本準則：少量多元。3）典型牌號低合金超高強度鋼：合金總量5%；中合金超高強度鋼：合金總量5%10%；高合金超高強度鋼：合金總量10%。第三節(jié)合金工具鋼1、簡介工具鋼是用于制造刃具、模具、量具的鋼種。2、合金工具鋼的主要失效形式1)刃具主要失效形式：(1) 摩擦導致嚴重磨損，伴隨高溫;(2)大的切削力導致刃部崩缺;(3) 振動，沖擊使刃具發(fā)生斷裂。 2)模具主要失效形式：(1)磨損(2)刃口鈍化(3)塌陷(4)溝槽(5)熱疲勞(6)斷裂3)量具主要失效形式：(1)磨損(2)碰撞(3)變形3、對合金工具鋼的要求1）高的硬度2）耐磨損3）足夠的韌性4）抗熱脆性5）耐熱疲勞性4、常用合金工具鋼及其熱處理1）分類（1）高碳低合金工具鋼（2）高碳高合金工具鋼（3）中碳合金工具鋼 2）高碳低合金工具鋼(1) 成分及性能特點Wc=0.85%1.1%, WMe5%主要合金元素Si、 Mn、 Cr、W、V等，加入Si、 Mn、Cr是提高鋼的淬透性和回火抗力、固溶強化M，從而提高強度。加入W、V是形成特殊化合物，細晶提高韌性。(2) 典型牌號9Mn2V、9SiCr、Cr2、CrWMn等主要用于制造低速和中速切削刀具，中等負荷的冷變形模具及量具(3)熱處理工藝預先熱處理： 球化退火,獲得顆粒狀碳化物,改善切削加工性能.最終熱處理： 淬火+低溫回火，冷處理和時效處理回火后的組織：細針狀回火M+細顆顆粒狀碳化+少量殘余A3）高碳高合金工具鋼（1）成分及性能特點Wc=0.70%2.3%, WMe10%具有優(yōu)良的淬硬性、回火抗力、紅硬性和耐磨性。T回300，低碳低合金工具鋼硬度變急劇下降不能適合高溫的要求。所以高碳應運而生。（2）典型牌號高速鋼：用于制造高速切削刀具的鋼種有鎢系、鉬系、釩系等。高鉻鋼：用于制造承受重載荷、形狀復雜、要求變形小、耐磨性高、紅硬性好的模具材料。典型有Cr12和Cr12MoV。（3） 高速鋼a) 成分及性能特點高碳和大量的碳化物形成元素C = 0.70%1.5%、Cr = 3.8%4.0%、W = 6.0%19.0%、Mo = 06.0%、V = 1.0%5.0%。b) 典型牌號Typical TrademarkW18Cr4V、W6Mo5Cr4V2c) 鍛造工藝在制造工具前必須進行鍛造使粗大的碳化物成小顆粒均勻分布以提高鋼的強度，塑性和韌性。d）熱處理工藝預先熱處理：球化退火進一步細化碳化物，降低硬度，改