北京機(jī)械工程師復(fù)習(xí)材料《工程材料》

機(jī)械專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)與實(shí)務(wù)3.2工程材料

基本要求：掌握常用金屬材料的性能及其選用。熟悉常用金屬材料的熱處理原理、方法及其選用。了解常用工程塑料、特種陶瓷、光纖和納米材料種類(lèi)及其應(yīng)用。了解常用金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、鐵碳合金相圖和試驗(yàn)方法。

3.4.5鑄造

3.4.6壓力加工

焊接

表面處理基本要求：熟悉鑄造、壓力加工、焊接和表面處理機(jī)械制造工藝的基本知識(shí)、常用方法、特點(diǎn)與應(yīng)用。工程材料機(jī)械工程材料概念及分類(lèi)機(jī)械工程材料：用來(lái)制造各種機(jī)械零件的材料統(tǒng)稱為機(jī)械工程材料。機(jī)械工程材料分為兩大類(lèi)：金屬材料：鋼、鑄鐵、有色金屬（如銅、鋁）等。非金屬材料：工程塑料、陶瓷、橡膠、光學(xué)纖維、納米材料等。金屬材料材料特性（力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能、工藝性能）晶體結(jié)構(gòu)（晶體特性、金屬的晶體結(jié)構(gòu)、金屬的結(jié)晶、金屬在固態(tài)下的轉(zhuǎn)變、合金的相結(jié)構(gòu)）鐵碳合金相圖（典型的鐵碳合金結(jié)晶過(guò)程分析、碳對(duì)鐵碳合金平衡組織和性能的影響、鐵碳合金相圖的應(yīng)用）試驗(yàn)方法材料選擇（使用性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性能）材料特性金屬材料的主要性能使用性能：指金屬材料在正常工作條件下所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。一般機(jī)械零件常以力學(xué)性能作為設(shè)計(jì)和選材的依據(jù)，這是我們重點(diǎn)要掌握的內(nèi)容。工藝性能：指材料在加工過(guò)程中反映出來(lái)的性能。（金屬材料使用某種工藝方法，如：機(jī)械加工性能、鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理工藝性能等進(jìn)行加工的難易程度。）材料特性力學(xué)性能的概念及主要指標(biāo)金屬材料的力學(xué)性能：是指金屬材料在常溫下，抵抗外加載荷（或稱外力）作用下表現(xiàn)出來(lái)的性能。表示金屬材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)有五個(gè)：強(qiáng)度塑性硬度沖擊韌性（或沖擊韌度）抗疲勞性（或疲勞強(qiáng)度）

力學(xué)性能強(qiáng)度的概念及分類(lèi)強(qiáng)度：是指材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。表示材料強(qiáng)度的指標(biāo)有兩個(gè)：屈服強(qiáng)度（бs）——表示材料產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。條件屈服強(qiáng)度（б0.2

）——對(duì)拉伸過(guò)程中屈服現(xiàn)象不明顯的材料（如鑄鐵）按GB228-87規(guī)定以伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力值作為它的條件屈服強(qiáng)度，用б0.2表示。抗拉強(qiáng)度（бb）——表示材料被拉斷前所承載的最大應(yīng)力。

бb是零部件設(shè)計(jì)和評(píng)定材料時(shí)的重要強(qiáng)度指標(biāo)。

力學(xué)性能塑性的概念及指標(biāo)塑性：是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。表示塑性的兩個(gè)指標(biāo)：伸長(zhǎng)率（δ）

——試樣拉斷后，標(biāo)距的伸長(zhǎng)量與原始標(biāo)距的百分比。斷面收縮率（?

）——試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。注：當(dāng)材料的δ↑和?↑值愈高時(shí)表示材料的塑性愈好。一般δ達(dá)5%，?達(dá)10%就可滿足絕大多數(shù)零構(gòu)件的要求。力學(xué)性能硬度的概念及主要測(cè)定指標(biāo)硬度：是指金屬材料抵抗更硬的物體壓入表面的能力。根據(jù)測(cè)定硬度方法的不同，可用布氏硬度（HB）

、洛氏硬度（HR）和維氏硬度（HV）等多種硬度指標(biāo)表示材料的硬度。布氏硬度（HBS）——用淬火鋼球做壓頭時(shí)，用HBS表示。適用測(cè)量布氏硬度小于450材料。布氏硬度（HBW)——用硬質(zhì)合金球作壓頭時(shí)，用HBW表示。適用測(cè)量布氏硬度值在450-650的材料。適用范圍——布氏硬度特別適用測(cè)定灰鑄鐵、鋼件退火、正火和調(diào)質(zhì)鋼的硬度。優(yōu)點(diǎn)——測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，重復(fù)性強(qiáng)。缺點(diǎn)——壓痕較大，不適用成品檢驗(yàn)。力學(xué)性能硬度的概念及主要測(cè)定指標(biāo)洛氏硬度（HRA、HRB、HRC)——以測(cè)量壓痕深度來(lái)表示材料的硬度值。常用的三種測(cè)試方法中HRC用得最多。適用范圍——常用于檢驗(yàn)鋼淬火后的硬度。優(yōu)點(diǎn)——操作簡(jiǎn)便迅速，壓痕較小，可在工件上直接打硬度。缺點(diǎn)——壓痕小，代表性差，所測(cè)硬度值重復(fù)性差，分散度大。如60HRC，數(shù)字為硬度值，表示洛氏硬度60。維氏硬度（HV)——測(cè)量原理基本以布氏硬度相同.適用范圍——測(cè)量較薄的材料、表面硬化層及金屬鍍層的硬度。優(yōu)點(diǎn)——所用載荷小，壓痕深度淺，測(cè)量精度高，范圍大。缺點(diǎn)——操作復(fù)雜，效率低，不宜用做大批量檢測(cè)。由于壓痕小致使所測(cè)硬度重復(fù)性差，分散度大。力學(xué)性能沖擊韌性的概念及特點(diǎn)沖擊韌性——是指在沖擊載荷作用下，金屬材料抵抗變形和斷裂的能力。其值以“ak

”來(lái)表示。沖擊韌性的特點(diǎn)：

金屬材料的ak值越大，它的韌性就越好，在受到?jīng)_擊時(shí)越不容易斷裂。材料的沖擊韌性值可以用沖擊實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定。力學(xué)性能疲勞強(qiáng)度的概念及提高材料疲勞強(qiáng)度的方法疲勞強(qiáng)度：是指材料經(jīng)無(wú)數(shù)次的應(yīng)力循環(huán)仍不斷裂的最大應(yīng)力，用來(lái)表示材料抵抗疲勞斷裂的能力。工程上規(guī)定，材料在循環(huán)應(yīng)力作用下達(dá)到某一基數(shù)而不斷裂，其最大應(yīng)力就作為該材料的疲勞極限。用“б

-1”表示。提高材料疲勞強(qiáng)度的方法：在生產(chǎn)中常采用各種材料表面強(qiáng)化處理技術(shù)如：噴丸、滾壓、滲碳、滲氮和表面淬火等。此外，減小零件表面粗糙度也可以顯著地提高材料的疲勞極限。材料的疲勞強(qiáng)度可以用疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)定。金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能物理性能金屬材料主要的六種物理性能：比重熔點(diǎn)熱膨脹性導(dǎo)熱性導(dǎo)電性磁性金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能物理性能機(jī)器零件用途不同，對(duì)其物理性能的要求也不同。例如：飛機(jī)、導(dǎo)彈零件為減輕自重則選用比重小的，強(qiáng)度高的鋁合金制造。電器零件要求導(dǎo)電性。制造變壓器選用硅鋼片，要求具有良好磁性。物理性能對(duì)加工工藝也有影響，如導(dǎo)熱性差的材料，在經(jīng)熱處理或鍛壓工藝加工的加熱速度應(yīng)緩慢些，防止產(chǎn)生裂紋。在鑄造中，對(duì)熔點(diǎn)不同的材料，所選擇的澆注溫度也有所不同。熔點(diǎn)低的金屬，鑄造性能好，對(duì)鑄造工藝有利。金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能化學(xué)性能化學(xué)性能——是指金屬及合金在常溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力?；瘜W(xué)性能種類(lèi)：耐酸性

耐堿性抗氧化性。金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能工藝性能工藝性能——是指材料加工成形的難易程度。工藝性能種類(lèi)：鑄造性能（可鑄性）壓力加工性能（可鍛性）焊接性能（可焊性）機(jī)械加工性能（切削加工性）熱處理工藝性能（熱處理性）晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)的構(gòu)成及分類(lèi)物質(zhì)的構(gòu)成：物質(zhì)是由原子構(gòu)成的。物質(zhì)的分類(lèi)：根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列方式不同，可將固態(tài)物質(zhì)分為晶體與非晶體兩大類(lèi)。晶體結(jié)構(gòu)晶體的特性晶體—內(nèi)部原子呈規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體。（如：固態(tài)金屬）特點(diǎn)：（1）晶體具有一定的熔點(diǎn)（2）規(guī)則的幾何外形（3）各向異性（晶體在不同方向上測(cè)量其性能時(shí)，表現(xiàn)出或大或小的差異）非晶體—凡是內(nèi)部原子無(wú)規(guī)則排列的物質(zhì)稱為非晶體。（如：松香、玻璃等）

金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)、晶格和晶胞的概念晶體結(jié)構(gòu)：是晶體內(nèi)部原子排列方式及特征。晶格：為了便于研究和描述晶體內(nèi)原子的排列規(guī)律，通常把原子當(dāng)作剛性小球，并將其看作平衡位置上靜止不動(dòng)，用假想的直線將原子振動(dòng)中心連接起來(lái)，形成一個(gè)空間格子。晶胞：晶體中原子排列具有周期性，可從晶格中選取一個(gè)表征晶格的最小幾何單元。晶格常數(shù)：表示晶胞的尺寸和形狀。通常用棱邊長(zhǎng)a、b、c和棱邊夾角α、β、γ。如：立方晶格的a=b=c，α=β=γ。金屬的晶體結(jié)構(gòu)常見(jiàn)金屬的晶格類(lèi)型常見(jiàn)的三種金屬的晶格：體心立方晶格：具有這種晶格的金屬有?–Fe、Cr、W、V等。面心立方晶格：具有這種晶格的金屬有γ–Fe、Cu、Ni、Pb等。密排六方晶格：具有這種晶格的金屬有Mg、Zn等。金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

實(shí)際金屬材料中都是由很多晶粒組成的我們稱它為——多晶體。（如純鐵的顯微組織）從顯微組織中可知是由：晶?！總€(gè)晶粒相一個(gè)單晶體。晶界——晶粒之間的界面。

金屬的懲晶體結(jié)優(yōu)構(gòu)晶體缺素陷的概拿念和種全類(lèi)晶體缺殊陷：在實(shí)際金屬想材料中，婚總不可避次免地存在店著一些，體原子偏離蛙規(guī)則排列淋的不完整輪性區(qū)域，晚這就是晶簡(jiǎn)體缺陷。亭根據(jù)晶體脾缺陷的幾根何形態(tài)特桃征，可分闖為三種：點(diǎn)缺陷空位間隙原子置換原子線缺陷刃型位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)位錯(cuò)是齡一種重蘿要的缺紀(jì)陷，它根對(duì)于金壟屬的強(qiáng)茅度、斷忍裂和塑孤性變形受起著決缺定性的粥作用。面缺陷——有晶剃界、亞晶怪界、孿匠晶界、騾堆垛層肉錯(cuò)和相幅界等。金屬的睛結(jié)晶結(jié)晶的概歸念及基本聰規(guī)律結(jié)晶的概暑念：由液姜態(tài)金屬轉(zhuǎn)軌變?yōu)楣虘B(tài)廟晶體的過(guò)立程。結(jié)晶的傍基本規(guī)叫律：過(guò)諒冷現(xiàn)象每一種判金屬都塞有一個(gè)跑平衡結(jié)居晶溫度蝦，稱抓為理論結(jié)廟晶溫度元用“TO”表示。只有冷卻高到低于TO溫度才壁能結(jié)晶勢(shì)，這種蕩現(xiàn)象稱是為“過(guò)冷度”。用“?T”表示。過(guò)冷度（?T）——理銅論結(jié)晶項(xiàng)溫度與舌實(shí)際結(jié)動(dòng)晶溫度省之差稱陣為過(guò)冷骨度。影響過(guò)冷無(wú)度的因素浮：冷卻速檢度冷卻速度利與過(guò)冷度氏之間的關(guān)恒系：冷卻速度馬越大，過(guò)虛冷度越大除。金屬的畫(huà)結(jié)晶結(jié)晶的烘過(guò)程和哄晶粒大肚小對(duì)金異屬力學(xué)島性能的框影響結(jié)晶的過(guò)各程：結(jié)晶頓是在一定此過(guò)冷度下焦，從無(wú)到第有，從小興到大的過(guò)英程。即是思形核和長(zhǎng)嚷大的過(guò)程鹽。晶粒大小盲對(duì)金屬力丈學(xué)性能的王影響：晶粒愈細(xì)凈，其金屬士的強(qiáng)度愈六高，塑性直和韌性愈繭好。細(xì)化晶粒碑的方法：過(guò)冷度捉的影響進(jìn)（提高品冷卻速甜度）變質(zhì)處理廳—在金屬佳液中加入霉某些雜質(zhì)哈，進(jìn)行非形自發(fā)形核境，以細(xì)化孔晶粒。如克在鑄鐵中灑加入硅鈣吸合金的處鵲理。采用機(jī)洲械振動(dòng)巧、超聲沫波振動(dòng)神和電磁屯攪拌金屬在固悄態(tài)下的轉(zhuǎn)嗎變金屬在黨固態(tài)下齊轉(zhuǎn)變的案性質(zhì)和蘆種類(lèi)金屬在固乘態(tài)下轉(zhuǎn)變敞的性質(zhì)：拋一些金屬字，如Fe、Co、Ti、Mn等，在結(jié)灣晶之后的捕繼續(xù)冷卻體時(shí)，還會(huì)寬出現(xiàn)晶體撞結(jié)構(gòu)變化起，從一種雙晶體轉(zhuǎn)變?nèi)獬闪硪环N茶晶體。金屬在固璃態(tài)下的兩云種轉(zhuǎn)變：同素異紐奉晶轉(zhuǎn)變刺——金棟屬在固狠態(tài)下隨小著溫度枯的改變職由一種刊晶格轉(zhuǎn)理變?yōu)榱黼[一種晶喪格的變割化。如貴純鐵的診同素異口晶轉(zhuǎn)變。磁性轉(zhuǎn)變狡——磁性帆轉(zhuǎn)變不發(fā)缺生晶格類(lèi)淚型轉(zhuǎn)變，情而是發(fā)生吹磁性和無(wú)則磁性轉(zhuǎn)變教。鐵的磁東性轉(zhuǎn)變溫鄙度是76算8℃，低于此先溫度鐵才融具有磁性汗。合金的胖相結(jié)構(gòu)合金的概續(xù)念及合金猴相結(jié)構(gòu)的舍分類(lèi)合金——將兩若種或兩種償以上的金私屬或金屬躁與非金屬忽融合在一花起，獲得殺的具有金賞屬性質(zhì)的資物質(zhì)，稱縣為合金。三種合金辨相結(jié)構(gòu)：固溶體——合金各組小元在固態(tài)利時(shí)具有相姿互溶解能挎力而形成破的均勻固豪體，這種常固體合金教稱為固溶封體。如銅渴鎳合金形番成置換固除溶體。鐵騎碳合金為逢間隙固溶胖體。固溶強(qiáng)化拔：各類(lèi)元篩素的原子史大小不同斜，因此，原不論組成夕那種類(lèi)型臨的固溶體曉，都會(huì)使神合金的晶扇格發(fā)生歪害扭，從而獄使合金變擊形阻力增幣大，硬度收和強(qiáng)度升淡高，這種?，F(xiàn)象稱為雜固溶強(qiáng)化聲。金屬化合治物——合金各簡(jiǎn)組元按主一定原調(diào)子數(shù)量新比化和南而成的砍一種新裕物質(zhì)(婆它具有奇特殊晶捷格)。鋒如碳鋼攝中的碳雷化三鐵睜（Fe3C），它是杜復(fù)雜晶體茶結(jié)構(gòu)。性能特慣點(diǎn)：熔侮點(diǎn)高，系硬度、壘脆性大俗。機(jī)械混合葵物——組成合金葛的各組元院在固態(tài)下?lián)跻曰旌闲魏笫浇M合在必一起組成證物。性能特犯點(diǎn)：具潑有比單宜一固溶秘體更高透的硬度膊、強(qiáng)度士、耐磨壟性和良跨好的切截削加工楚性，但很塑性和商抗蝕性休較差。蛇如錫、痰銻、銅團(tuán)組成的惑軸承合潑金。鐵碳合金逗相圖鐵碳合音金在固掏態(tài)下的秩基本組斷織鐵素體真（F）—夠—碳在?勺-Fe中形成的由間隙固溶灰體。用符組號(hào)“F”表示。性能特點(diǎn)塊：強(qiáng)度、胞硬度不高四，但塑性小、韌性好久。奧氏體斃（A）—趟—碳在γ-F磚e中形成漆的間隙托固溶體者，以符片號(hào)“A”表示。性能特林點(diǎn)：硬軌度低、供塑性高梯、易于基塑性成距型。滲碳體其（Fe3C）——是Fe和C的化合汗物，分滾子式為Fe3C,含C量為6.乏69%。性能特點(diǎn)漸：硬度高挨、脆性大突、塑性和青沖擊韌性宮幾乎等于悉零，在鋼鏈中起強(qiáng)化卸作用。珠光體慶（P）—脂—是F+Fe3C組成的漢機(jī)械混忍合物稱透為珠光死體，用堆“P”表示。性能特賽點(diǎn)：機(jī)頌械性能賓介于Fe3C和F兩者之間擊，即強(qiáng)度漏較好，硬訪度適中并欄具有一定見(jiàn)塑性。萊氏體肆（Ld）—凝—是A+F僵e3C組成的機(jī)寺械混合物業(yè)稱為萊氏愿體。用“Ld”表示。性能特點(diǎn)說(shuō)：硬度高儲(chǔ)，塑性差存。鐵碳合金標(biāo)相圖鐵碳合金逝狀態(tài)圖概念—司—是表權(quán)示在極剖緩慢冷微卻（或補(bǔ)加熱）淚情況下劍，不同看成分的匯鐵碳合困金在不板同溫度鞋所具有驅(qū)的組織買(mǎi)或狀態(tài)忌的圖形蒼。Fe-糖Fe3耐C狀態(tài)圖中渠點(diǎn)、線的費(fèi)含義特性點(diǎn)特性線Fe-庭C合金的分抖類(lèi)工業(yè)純寸鐵:含洗碳量小轉(zhuǎn)于0.享021脊8%的兼鐵碳合冷金。室鈴溫組織草為F。鋼：含蠢碳量在惠0.0放218杯%~2.1口1%的賭鐵碳合浴金。根池?fù)?jù)含碳津量和室錫溫組織警的不同查可分為需三種：共析鋼-格--含碳仰量為0.映77%巧，室溫組舟織為P。亞共析經(jīng)鋼--過(guò)含碳量晉為0.吹02緒%~0.77攜%，室兆溫組織為F+P榮。過(guò)共析猛鋼--片含碳量端為0.桃77機(jī)%~2.1吊1%悉，室溫號(hào)組織為P+Fe3CⅡ（二次滲滔碳體）。生鐵：鉗含碳量校在2.攀11%~6.69敘%的鐵碳淹合金。根年據(jù)含碳量曉和室溫組舞織的不同擊可分為三腦種：共晶生鐵盲--含碳信量為4.楊3%，街室溫組織辟為L(zhǎng)'d。亞共晶生通鐵--含攪碳量為2鑰.11%~4.3瓣%，室溫匪組織為P+Fe愧3CⅡ+L‘d。過(guò)共晶刃生鐵-惱-含碳須量為4哥.3肚%~6.69此%，室溫贈(zèng)組織為Fe3cⅠ（一次靈滲碳體屯）+L'd。鐵碳合金群相圖碳對(duì)鐵碳關(guān)合金平衡鉗組織和性瞧能的影響碳對(duì)平衡吧組織的影摟響隨著含碳付量的增加多，鐵碳合飼金的組織性發(fā)生如下泰變化：工略業(yè)純鐵（F）→亞共析鋼斥（F+P堪）→共析鋼（P）→過(guò)共析鋼激（P+F固e3CⅡ）→亞共晶生摟鐵（P+F坊e3CⅡ+L‘d）→共晶生鐵沿（L’d）→過(guò)共晶丹生鐵（Fe3cⅠ+L‘d），從以上組加織變化可旁看出，隨樓著含碳量夫的變化組游織中不僅Fe3馬C的數(shù)量霸增加，拉而且Fe3翻C的存在形誰(shuí)式也在變幟化。如共魄析Fe3C識(shí)(分布在港鐵素體征內(nèi)的層著片狀）→Fe天3CⅡ(沿奧氏體胃晶界分布讓的網(wǎng)狀）→共晶Fe3蚊C（為萊氏體趁的基體）→Fe溜3CⅠ（分布在萊城氏體上的悠粗大片狀腎）碳對(duì)力學(xué)笛性能的影醬響低碳鋼講的組織困多為鐵癢素體，畏強(qiáng)度、餓硬度較固低，而望塑性、警韌性很漂高。隨著含碳沸量的增加避，鋼的組休織中鐵素化體量不摩斷減少，勺而珠光體螞量不斷增腸加，導(dǎo)致月強(qiáng)度，硬勉度提高，怨而塑性、韌巾性下降脈，當(dāng)鋼的含畫(huà)碳增到0騰.9%時(shí)蔽，其組織境大多數(shù)為煉珠光體，質(zhì)且有尚未偵成為網(wǎng)狀骨的滲碳體談作為強(qiáng)化餡相，使其熱強(qiáng)度達(dá)最思高。當(dāng)含C〉1.語(yǔ)0%，由于網(wǎng)押狀二次穴滲碳體酷的出現(xiàn)涼，導(dǎo)致度鋼的強(qiáng)飲度下降裹。為了保證移工業(yè)用鋼碼具有足夠羅的強(qiáng)度、肥硬度和適戰(zhàn)宜的塑性隸、韌性，其含碳厘量一般碼不超過(guò)鍬1.3級(jí)%~1唐.4%淘。鐵碳合金躍相圖鐵碳相鎖圖的應(yīng)獨(dú)用為選材提淹供成分依綢據(jù)若零件停要求塑憲性、韌息性好，鎖如建筑驅(qū)結(jié)構(gòu)、湖容器等瓜，應(yīng)選峰用低碳澇鋼（含書(shū)碳量小換于0.25宋%）若零件后要求強(qiáng)刮度、塑壘性、韌穿性都好譜，如軸書(shū)類(lèi)等零刮件，應(yīng)掩選用中宇碳鋼（樹(shù)含碳為0.25揪%~0.物6