機械工程材料(于永泗_齊民)總復習課件

1、 機 械 工 程 材 料 總 復 習使用性能工藝性能純金屬合金工業(yè)用鋼有色金屬及其合金鑄鐵結晶塑性變形熱處理一、性能 使用性能1、力學性能 剛度：材料抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量：E=/ 強度：材料抵抗變形和破壞的能力。指標：抗拉強度 b材料斷裂前承受的最大應力。屈服強度 s材料產(chǎn)生微量塑性變形時的應力。條件屈服強度 0.2殘余塑變?yōu)?.2%時的應力。疲勞強度 -1無數(shù)次交變應力作用下不發(fā)生破壞的最大應力。 塑性：材料斷裂前承受最大塑性變形的能力。指標為、。 硬度：材料抵抗局部塑性變形的能力。指標為HB、HRC。 沖擊韌性：材料抵抗沖擊破壞的能力。指標為k.材料的使用溫度應在冷脆轉(zhuǎn)變溫度

2、以上。 斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋擴展的能力。指標為K1C。2、化學性能 耐蝕性：材料在介質(zhì)中抵抗腐蝕的能力。 抗氧化性：材料在高溫下抵抗氧化作用的能力。3、耐磨性：材料抵抗磨損的能力。 工藝性能1、鑄造性能：液態(tài)金屬的流動性、填充性、收縮率、偏析傾向。2、鍛造性能：成型性與變形抗力。3、切削性能：對刀具的磨損、斷屑能力及導熱性.4、焊接性能：產(chǎn)生焊接缺陷的傾向。5、熱處理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。二、晶體結構 純金屬的晶體結構1、理想金屬 晶體：原子呈規(guī)則排列的固體。 晶格：表示原子排列規(guī)律的空間格架。 晶胞：晶格中代表原子排列規(guī)律的最小幾何單元。 三種常見純金屬的晶體結構

3、Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見金屬31212滑移系底面對角3 3 2滑移方向六方底面1111 41106滑移面0.740.740.68致密度12 128配位數(shù)6 42原子個數(shù)原子半徑a、caa晶格常數(shù)密排六方面心立方體心立方 立方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶面指數(shù)：晶面三坐標截距值倒數(shù)取整加（ ）晶向指數(shù)：晶向上任一點坐標值取整加 立方晶系常見的晶面和晶向 晶面族與晶向族指數(shù)不同但原子排列完全相同的 晶面或晶向。密排面和密排方向 同滑移面與滑移方向在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。2、實際金屬 多晶體結構：由多晶粒組成的晶體結構。 晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則

4、的小晶體. 晶界：晶粒之間的交界面。 晶體缺陷晶格不完整的部位 點缺陷 空位：晶格中的空結點。 間隙原子：擠進晶格間隙中的原子。 置換原子：取代原來原子位置的外來原子。 線缺陷位錯晶格中一部分晶體相對另一部分晶體沿某一晶面發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交接線。 面缺陷晶界和亞晶界 亞晶粒：組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶。亞晶界：亞晶粒之間的交界面。 晶界的特點：原子排列不規(guī)則；阻礙位錯運動；熔點低；耐蝕性低；產(chǎn)生內(nèi)吸附；是相變的優(yōu)先形核部位。金屬的晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使得金屬塑性變形的抗力越高。晶粒越細，單位體積內(nèi)同時參與

5、變形的晶粒數(shù)目越多,變形越均勻，在斷裂前將發(fā)生較大塑性變形。強度和塑性同時增加，在斷裂前消耗的功大，因而韌性也好. 細晶強化：通過細化晶粒來提高強度、硬度和塑性、韌性的方法。 合金的晶體結構合金：由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。 相：金屬或合金中凡成分相同、結構相同，并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。1、固溶體：與組成元素之一的晶體結構相同的固相. 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結點位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。為過渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。鐵素體：碳在-F

6、e中的固溶體。奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。馬氏體：碳在-Fe中的過飽和固溶體。固溶強化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，并隨含碳量增加而提高。 金屬化合物：與組成元素晶體結構均不相同的固相. 正常價化合物 如Mg2Si 電子化合物 如Cu3Sn 間隙化合物：由過度族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。分為結構簡單的間隙相和復雜結構的間隙化合物。強碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VC中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3C 性能比較：強度：固溶體純金屬 硬度：化

7、合物固溶體純金屬 塑性：化合物固溶體純金屬 金屬化合物形態(tài)對性能的影響 基體、晶界網(wǎng)狀：強韌性低 晶內(nèi)片狀：強硬度提高，塑韌性降低 顆粒狀：彌散強化：第二相顆粒越細，數(shù)量越多，分布越均勻,合金的強度、硬度越高，塑韌性略有下降的現(xiàn)象。 固溶體與化合物的區(qū)別：結構；性能；表達方式 合金元素在鋼中的作用1、強化鐵素體；2、形成化合物第二相強化3、擴大（C,Mn,Ni,Co）或縮?。–r,Si,W,Mo）A相區(qū)4、使S、E點左移5、影響A化6、溶于A(除Co外), 使C曲線右移, Vk減小, 淬透性提高。7、除Co、Al外，使Ms、Mf點下降。8、提高耐回火性（淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力）

8、9、產(chǎn)生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時，由于析出細小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時A轉(zhuǎn)變?yōu)镸回，使硬度不僅不下降，反而升高的現(xiàn)象) 10、防止第二類回火脆性：W、Mo(回火脆性 ：淬火鋼在某些溫度范圍內(nèi)回火時，出現(xiàn)的沖擊韌性下降的現(xiàn)象。)三、組織 純金屬的組織1、結晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程 結晶的條件過冷：在理論結晶溫度以下發(fā)生結晶的現(xiàn)象。過冷度：理論結晶溫度與實際結晶溫度的差。 結晶的基本過程晶核形成與晶核長大形核自發(fā)形核與非自發(fā)形核長大均勻長大與樹枝狀長大 結晶晶粒度控制方法：增加過冷度；變質(zhì)處理；機械振動、攪拌2、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變同素異構轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結構隨

9、溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點：形核部位特殊；過冷傾向大;伴隨著體積變化。1394 912 鐵的同素異構轉(zhuǎn)變：-Fe -Fe -Fe3、再結晶再結晶條件：冷塑性變形加熱時的變化：回復再結晶晶粒長大再結晶：冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程.再結晶不是相變過程。 再結晶溫度：發(fā)生再結晶的最低溫度。純金屬的最低再結晶溫度T再0.4T熔 影響再結晶晶粒度的因素：加熱溫度和時間；預先變形程度4、塑性變形：金屬塑性變形方式：滑移和孿生 滑移的特點：只能在切應力的作用下發(fā)生；沿密排面和密排方向發(fā)生；位移量是原子間距整數(shù)倍；伴隨著轉(zhuǎn)動滑移的機理：通過位錯運動實現(xiàn)。孿生特點：孿生使晶格位向發(fā)生改變；所

10、需切應力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速；孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。 冷熱加工：以再結晶溫度劃分 冷加工組織：晶粒被拉長壓扁、亞結構細化、織構：變形量大時，大部分晶粒的某一位向與外力趨于一致的現(xiàn)象。加工硬化： 隨冷塑性變形量增加，金屬的強度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。冷加工使內(nèi)應力增加，耐蝕性下降，提高。 熱加工：形成纖維組織、帶狀組織纖維組織使熱加工金屬產(chǎn)生各向異性，加工零件時應考慮使流線方向與拉應力方向一致。 合金的組織1、相圖 勻晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+杠桿定律：只適用于兩相區(qū)。枝晶偏析：在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。 2、合

11、金中的固態(tài)相變 固溶體轉(zhuǎn)變：AF 共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C) 二次析出：AFe3C 奧氏體化 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變 固溶處理+時效：固溶處理是指將合金加熱到固溶線以上，保溫并淬火后獲得過飽和的單相固溶體組織的處理。時效是指將過飽和的固溶體加熱到固溶線以下某溫度保溫，以析出彌散強化相的熱處理。 3、鐵碳合金相圖 點：符號、成分、溫度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ FALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3C萊氏體Le(A+ Fe3C)

12、 Le(P+Fe3C)珠光體P(F+ Fe3C)復相組織組成物：組織組成物標注相區(qū)標注線：液固相線、水平線、固溶線、固溶體轉(zhuǎn)變線A1538D1227N1394G912PSK727ECF1148HJB1495C%溫度典型合金的結晶過程（以共析鋼為例）時間溫度杠桿定律的應用四、鋼的熱處理 熱處理原理1、加熱時的轉(zhuǎn)變奧氏體化步驟：A形核；A晶核長大；殘余滲碳體溶解；A成分均勻化。奧氏體化后的晶粒度：初始晶粒度：奧氏體化剛結束時的晶粒度。實際晶粒度：給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質(zhì)晶粒度：加熱時奧氏體晶粒的長大傾向。 2、冷卻時的轉(zhuǎn)變 等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物 650600550350A1MSMf時間PSTB上B下MM+AAPASATAB上AB下AM過冷A過冷A過冷A過冷A過冷A 用C曲線定性說明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 根據(jù)與C曲線交點位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 P均勻A細AA1MSMf時間等溫退火PP退火(爐冷)正火(空冷)S淬火(油冷)T+M+A等溫淬火B(yǎng)下M+A分級淬火M+A淬火(水冷)M回150-250T回350-500S回500-650?PT+S回ST+B下+M+A3、回火時的轉(zhuǎn)變碳鋼：馬氏體的分解 ；殘余奧氏體分解 ；-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C