《工程材料及機械制造基礎》總復習

《工程材料及機械制造基礎》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(jié)晶塑性變形熱處理第一章工程材料的力學性能1、力學性能⑴剛度：材料抵抗彈性變形的能力。指標為彈性模量：E=/⑵強度：材料抵抗變形和破壞的能力。指標：抗拉強度b—靜拉伸過程中試樣被拉斷前的最大應力。屈服強度s—靜拉伸過程中開始產(chǎn)生塑性變形時的應力。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。⑶塑性：材料斷裂前承受最大塑性變形的能力。指標為、。⑷硬度：材料抵抗局部塑性變形的能力。指標為HB、HRC、HV。⑸沖擊韌性：材料抵抗沖擊破壞的能力。指標為αk.材料的使用溫度應在冷脆轉(zhuǎn)變溫度以上。⑹斷裂韌性：材料抵抗內(nèi)部裂紋擴展的能力。指標為K1C。㈠純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、理想金屬⑴

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.第二章工程材料結(jié)構(gòu)三種常見純金屬的晶體結(jié)構(gòu)Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見金屬31212滑移系底面對角×3<110>×3<111>×2滑移方向六方底面×1{111}×4{110}×6滑移面0.740.740.68致密度12128配位數(shù)642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⑶立方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)①晶面指數(shù)：晶面三坐標截距值倒數(shù)取整加（）②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

⑷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。⑸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

⑴多晶體結(jié)構(gòu)：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。

晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則的小晶體.

晶界：晶粒之間的交界面。⑵晶體缺陷—晶格不完整的部位①點缺陷

空位：晶格中的空結(jié)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。②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.③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塊。亞晶界：亞晶粒之間的交界面。④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。三、組織㈠純金屬的組織1、結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程⑴結(jié)晶的條件——過冷：在理論結(jié)晶溫度以下發(fā)生結(jié)晶的現(xiàn)象。過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差。⑵結(jié)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⑶結(jié)晶晶粒度控制方法：①增加過冷度；②變質(zhì)處理；③機械振動、攪拌2、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。1394℃

912℃

鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：-Fe?-Fe?-Fe㈡合金的晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)相同的固相.⑴置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。

⑵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-Fe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。

⑵金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相.①正常價化合物如Mg2Si②電子化合物如Cu3Sn③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(jié)構(gòu)簡單的間隙相和復雜結(jié)構(gòu)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Fe3C⑶性能比較：強度：固溶體純金屬

硬度：化合物固溶體純金屬塑性：化合物固溶體純金屬㈡合金的組織1、相圖勻晶L共晶L+共析+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、合金中的固態(tài)相變⑴固溶體轉(zhuǎn)變：AF⑵共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ3、鐵碳合金相圖

點：符號、成分、溫度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LeLeLe+Fe3CⅠLe’+Fe3CⅠLe’P+Fe3CⅡ+Le’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢ萊氏體Le(A+Fe3C)

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A1538℃D1227℃N1394℃G912℃PSK727℃ECF1148℃HJB1495℃C%溫度典型合金的結(jié)晶過程（以共析鋼為例）時間溫度杠桿定律的應用合金相的相對重量百分比組織組成物的相對重量百分比45鋼T10鋼含碳3.0%亞共晶白口鐵第三章改變材料性能的主要途徑塑性變形合金化熱處理金屬塑性變形方式：滑移和孿生⑴滑移的特點：①只能在切應力的作用下發(fā)生；②沿密排面和密排方向發(fā)生；③位移量是原子間距整數(shù)倍；④伴隨著轉(zhuǎn)動滑移的機理：通過位錯運動實現(xiàn)。第一節(jié)金屬塑性變形對材料性能的影響孿生特點：①孿生使晶格位向發(fā)生改變；②所需切應力比滑移大得多，變形速度極快，接近于聲速；③孿生時相鄰原子面的相對位移量小于一個原子間距。

3、塑性變形對金屬組織及性能的影響組織纖維化，性能各向異性晶粒胞狀化、產(chǎn)生加工硬化。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。產(chǎn)生變形織構(gòu)、性能各向異性。二、塑性變形金屬的加熱回復與再結(jié)晶1.回復回復階段組織性能特點：

金屬的組織變化不大，強度和硬度略有降低，塑性略有升高，但內(nèi)應力及電阻率等性能顯著降低。回復的應用：去應力退火3、再結(jié)晶⑴再結(jié)晶條件：冷塑性變形⑵加熱時的變化：回復→再結(jié)晶→晶粒長大再結(jié)晶：冷變形組織在加熱時重新徹底改組的過程.再結(jié)晶不是相變過程。

⑶再結(jié)晶溫度：發(fā)生再結(jié)晶的最低溫度。純金屬的最低再結(jié)晶溫度T再0.4T熔⑷影響再結(jié)晶晶粒度的因素：①加熱溫度和時間；②預先變形程度三、金屬的熱變形

低于再結(jié)晶溫度的加工稱為冷加工。高于再結(jié)晶溫度的加工稱為熱加工。1、冷加工與熱加工的區(qū)別熱加工：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。第三節(jié)金屬的合金化一、合金化強化原理1、固溶強化2、第二相強化（彌散強化）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。

四、鋼的熱處理㈠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(jié)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⑴等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物

650℃600℃550℃350℃A1MSMf時間PSTB上B下MM+A’A→PA→SA→TA→B上A→B下A→M過冷A過冷A過冷A過冷A過冷A⑵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150-250℃T回350-500℃S回500-650℃????PT+S回ST+B下+M+A’㈡熱處理工藝工藝目的加熱溫度組織退火1.調(diào)整硬度,便于切削加工。2.細化晶粒,為最終熱處理作組織準備。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Ac1+30~50℃F+PPP球正火1.低中碳鋼同退火。2.過共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體。3.普通件最終熱處理亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Accm+30~50℃<0.6%C,F+S;≧0.6%C，SSS淬火獲得馬氏體組織。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過共析鋼Ac1+30~50℃≦0.5%C,M>0.5%C,M+A’M+A’M+A’+粒狀Fe3C熱處理工藝（續(xù)）工藝目的加熱溫度組織回火1.消除內(nèi)應力，減少變形。2.獲得所需要的性能。低溫回火150~250℃中溫回火350~500℃高溫回火500~650℃(調(diào)質(zhì))亞共析,共析鋼：M回過共析鋼:M回+A’(少)+粒狀Fe3CT回S回表面淬火表面獲得馬氏體組織，并獲得表硬里韌的性能。預備熱處理：調(diào)質(zhì)或正火適用于中碳鋼0.4~0.5%C表面：M回心部：S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)滲碳提高表面含碳量，獲得表硬里韌的性能。滲碳溫度:900~950℃淬火溫度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃適用于低碳鋼0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F

M回五、工業(yè)用金屬材料鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途碳素結(jié)構(gòu)鋼<0.4Q195Q235熱軋空冷F+P塑性,焊接性好建筑結(jié)構(gòu)低合金高強度鋼<0.2Q345(16Mn)Mn:強化F,增加P,降低脆轉(zhuǎn)溫度熱軋空冷F+P塑性,焊接性好橋梁,船舶,容器滲碳鋼0.1~0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強化F,Ti:細化晶粒滲碳+淬火+低溫回火表面：M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F表硬里韌軸、齒輪調(diào)質(zhì)鋼0.3~0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強化F,Mo:防止第二類回火脆性調(diào)質(zhì)S回良好綜合力學性能軸、齒輪彈簧鋼0.6~0.90.45~0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強化F；Si:提高屈強比淬火+中溫回火T回高s/b高-1彈簧㈠工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼（續(xù)）鋼種C%典型牌號合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途滾動軸承鋼0.95~1.10GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高-1足夠ak滾動軸承耐磨鋼1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A組織水韌處理表：M+碳化物心：A高耐磨耐沖擊鏟齒，履帶板碳素工具鋼0.65~1.35T7~T13球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高硬度高耐磨沖子、絲錐、銼刀低合金工具鋼0.75~1.59SiCrSi、Cr：提高淬透性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀F