机械工程材料(于永泗-齐民)总复习课件.ppt

1、总 复 习使用性能使用性能工艺性能工艺性能纯金属纯金属合金合金工业用钢工业用钢有色金属及其合金有色金属及其合金铸铁铸铁结晶结晶塑性变形塑性变形热处理热处理l 使用性能使用性能l1、力学性能、力学性能l 刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。l指标为弹性模量：指标为弹性模量：E= / l 强度：强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：l抗拉强度抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。材料断裂前承受的最大应力。l屈服强度屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力。材料产生微量塑性变形时的应力。l条件屈服强度条件屈服强度 0.2残余塑变为残余塑变为0.

2、2%时的应力。时的应力。l疲劳强度疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。的最大应力。l 塑性：塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为指标为 、 。l 硬度：硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC。l 冲击韧性：冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为材料抵抗冲击破坏的能力。指标为k.材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。l 断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标为为K1C。l2、

3、化学性能、化学性能l 耐蚀性：耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。材料在介质中抵抗腐蚀的能力。l 抗氧化性：抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。材料在高温下抵抗氧化作用的能力。l3、耐磨性：、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。材料抵抗磨损的能力。l 工艺性能工艺性能l1、铸造性能：、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。率、偏析倾向。l2、锻造性能：、锻造性能：成型性与变形抗力。成型性与变形抗力。l3、切削性能：、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性对刀具的磨损、断屑能力及导热性.l4、焊接性能：、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。产生焊接缺陷的倾

4、向。l5、热处理性能：、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。回火脆性。l 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l1、理想金属、理想金属l 晶体：晶体：原子呈规则排列的固体。原子呈规则排列的固体。l 晶格：晶格：表示原子排列规律的空间格架。表示原子排列规律的空间格架。l 晶胞：晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元。晶格中代表原子排列规律的最小几何单元。Mg、Zn -Fe、Ni、Al -Fe、Cr、W常见金属常见金属31212滑移系滑移系底面对角底面对角3 3 2滑移方向滑移方向六方底面六方底面1111 41106滑移面滑移面0.740.740.68致密

5、度致密度12 128配位数配位数6 42原子个数原子个数原子半径原子半径a、caa晶格常数晶格常数密排六方密排六方面心立方面心立方体心立方体心立方a43a42a21l 立方晶系的晶面指数和晶向指数立方晶系的晶面指数和晶向指数l晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（ ）l晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加 l立方晶系常见的晶面和晶向立方晶系常见的晶面和晶向 l 晶面族与晶向族晶面族与晶向族l指数不同但原子排列完全相同的指数不同但原子排列完全相同的 晶面或晶向。晶面或晶向。l密排面和密排方向密排面和密排方向 同滑移面与滑移方向

6、同滑移面与滑移方向l在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。3al 多晶体结构：多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。l 晶粒：晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体. l 晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l 晶体缺陷晶体缺陷晶格不完整的部位晶格不完整的部位l 点缺陷点缺陷l 空位：空位：晶格中的空结点。晶格中的空结点。l 间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。挤进晶格间隙中的原子。l 置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原子。取代原来原子位置的外来原子。

7、 l 线缺陷线缺陷位错位错l晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交接线。部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交接线。l 面缺陷面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界 l亚晶粒：亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶。组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶。亚晶界：亚晶界：亚晶粒之间的交界面。亚晶粒之间的交界面。l 晶界的特点：晶界的特点：l原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。产生内吸附；是相变的优先形核部位。l

8、金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。变形的抗力越高。l晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好. l细晶强化：细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的

9、方法。韧性的方法。l 合金的晶体结构合金的晶体结构l合金：合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。 l相：相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。他部分有界面分开的均匀组成部分。l1、固溶体：、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相与组成元素之一的晶体结构相同的固相.l 置换固溶体：置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。成的固溶体。多为金属元素之间形

10、成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶体。 l 间隙固溶体：间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。的固溶体。l为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。l铁素体：铁素体：碳在碳在 -Fe中的固溶体。中的固溶体。l奥氏体：奥氏体：碳在碳在 -Fe中的固溶体。中的固溶体。l马氏体：马氏体：碳在碳在 -Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。l固溶强化：固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。提高，塑性、韧性下降的现象。l马氏体的硬度主要取决于其

11、含碳量，并随含碳量增加马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。而提高。 l 金属化合物：金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相与组成元素晶体结构均不相同的固相.l 正常价化合物正常价化合物 如如Mg2Si l 电子化合物电子化合物 如如Cu3Snl 间隙化合物：间隙化合物：由过度族元素与由过度族元素与C、N、H、B等小原等小原子半径的非金属元素组成。子半径的非金属元素组成。l分为结构简单的分为结构简单的间隙相间隙相和和复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物。l强碳化物形成元素：强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如如TiC、VCl中碳化物形成元素：中碳化物形成元素：W、Mo

12、、Cr 如如Cr23C6l弱碳化物形成元素：弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如如Fe3Cl 性能比较：性能比较：强度：固溶体强度：固溶体 纯金属纯金属l 硬度：化合物硬度：化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属l 塑性：塑性：化合物化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属l 金属化合物形态对性能的影响金属化合物形态对性能的影响l 基体、晶界网状：基体、晶界网状：强韧性低强韧性低l 晶内片状：晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低强硬度提高，塑韧性降低l 颗粒状：颗粒状：l弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。合金

13、的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。 l 固溶体与化合物的区别：固溶体与化合物的区别：结构；结构；性能；性能；表达表达方式方式l1、强化铁素体；、强化铁素体；l2、形成化合物、形成化合物第二相强化第二相强化l3、扩大（、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区相区l4、使、使S、E点左移点左移l5、影响、影响A化化l6、溶于、溶于A(除除Co外外), 使使C曲线右移曲线右移, Vk减小减小, 淬透性提高。淬透性提高。l7、除、除Co、Al外，使外，使Ms、Mf点下降。点下降。l8、提高耐回火性（、提高耐回火性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降淬火钢在回火过程

14、中抵抗硬度下降的能力的能力） l9、产生二次硬化、产生二次硬化(含高含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为转变为M回回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象，使硬度不仅不下降，反而升高的现象) l10、防止第二类回火脆性：、防止第二类回火脆性：W、Mol(回火脆性回火脆性 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。的冲击韧性下降的现象。)l 纯金属的组织纯金属的组织l1、结晶：、结晶：金属由液态转变为晶体的过程金属由液态转变为晶体的过程l 结晶

15、的条件结晶的条件过冷：过冷：在理论结晶温度以下发生在理论结晶温度以下发生结晶的现象。结晶的现象。l过冷度：过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。理论结晶温度与实际结晶温度的差。l 结晶的基本过程结晶的基本过程晶核形成与晶核长大晶核形成与晶核长大l形核形核自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核l长大长大均匀长大与树枝状长大均匀长大与树枝状长大l 结晶晶粒度控制方法：结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；增加过冷度；变质处变质处理；理；机械振动、搅拌机械振动、搅拌l2、纯金属中的固态转变、纯金属中的固态转变l同素异构转变：同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发物质在固态下晶体结构随温度而发生变

16、化的现象。生变化的现象。l固态转变的特点：固态转变的特点：形核部位特殊；形核部位特殊；过冷倾向过冷倾向大大;伴随着体积变化。伴随着体积变化。1394 912 铁的铁的同素异构转变：同素异构转变： -Fe -Fe -Fel3、再结晶、再结晶l再结晶条件：再结晶条件：冷塑性变形冷塑性变形l加热时的变化：加热时的变化：回复回复再结晶再结晶晶粒长大晶粒长大l再结晶：再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程.再结晶不是相变过程。再结晶不是相变过程。 l 再结晶温度：再结晶温度：发生再结晶的最低温度。发生再结晶的最低温度。l纯金属的最低再结晶温度纯金属的最低再结晶温

17、度T再再 0.4T熔熔l 影响再结晶晶粒度的因素：影响再结晶晶粒度的因素：加热温度和时间；加热温度和时间；l预先变形程度预先变形程度l4、塑性变形：、塑性变形：l金属塑性变形方式：金属塑性变形方式：滑移和孪生滑移和孪生l 滑移的特点：滑移的特点：l只能在切应力的作用下发生；只能在切应力的作用下发生；l沿密排面和密排方向发生；沿密排面和密排方向发生；l位移量是原子间距整数倍；位移量是原子间距整数倍；l伴随着转动伴随着转动l滑移的机理：滑移的机理：通过位错运动实现。通过位错运动实现。l孪生特点：孪生特点：l孪生使晶格位向发生改变；孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大所需切应力比滑移大得多，变

18、形速度极快，接近于声速；得多，变形速度极快，接近于声速；孪生时相邻原孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。子面的相对位移量小于一个原子间距。 l 冷热加工：冷热加工：以再结晶温度划分以再结晶温度划分l 冷加工组织：冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚结构细化、晶粒被拉长压扁、亚结构细化、l织构：织构：变形量大时，大部分晶粒的某一位向与外力趋变形量大时，大部分晶粒的某一位向与外力趋于一致的现象。于一致的现象。l加工硬化：加工硬化： 随冷塑性变形量增加，金属的强度、随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象。硬度提高，塑性、韧性下降的现象。l冷加工使内应力增加，耐蚀性下降，冷

19、加工使内应力增加，耐蚀性下降， 提高提高。l 热加工：热加工：形成纤维组织、带状组织形成纤维组织、带状组织l纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时应考虑使流线方向与拉应力方向一致。应考虑使流线方向与拉应力方向一致。l1、相图、相图 匀晶匀晶L 共晶共晶L+ 共析共析 + 包晶包晶L+l杠杆定律：杠杆定律：只适用于两相区。只适用于两相区。l枝晶偏析：枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。不均匀的现象。 l2、合金中的固态相变、合金中的固态相变l 固溶体转变：固溶体转变：AFl 共析转变：共

20、析转变：AP(F+Fe3C)l 二次析出：二次析出：AFe3Cl 奥氏体化奥氏体化l 过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变l 固溶处理固溶处理+时效：时效：l固溶处理固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。l时效时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温度保温，以析出弥散强化相的热处理。度保温，以析出弥散强化相的热处理。 l点：点：符号、成分、温度符号、成分、温度FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F A

21、LL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3C莱氏体莱氏体Le(A+ Fe3C) Le(P+Fe3C)珠光体珠光体P(F+ Fe3C)复相组织组成物：复相组织组成物：组织组成物标注组织组成物标注相区标注相区标注线：线：液固相线、水液固相线、水平线、固溶线、固平线、固溶线、固溶体转变线溶体转变线A 1538D 1227N 1394G 912PSK 727ECF 1148HJB 1495C%温度温度时间时间温度温度%7 . 6%1000008. 069. 60008. 045. 03

22、CFeQ%3 .93%7 . 6%100 FQ%4 .58%1000008. 077. 00008. 045. 0 PQ%6 .41%4 .58%100 FQ%9 .14%1000008. 069. 60008. 00 . 13 CFeQ%1 .85%9 .14%100 FQ%9 . 3%10077. 069. 677. 00 . 13 CFeQ%1 .96%9 . 3%100 PQ%6 .40%10011. 23 . 411. 20 . 3 LeQ%4 .1377. 069. 677. 011. 2%)6 .401(3 CFeQ%46%4 .13%6 .40%100 PQ%2 .55%100

23、0008. 069. 60 . 369. 6 FQ%8 .44%2 .55%1003 CFeQl 热处理原理热处理原理l1、加热时的转变、加热时的转变l奥氏体化步骤：奥氏体化步骤：A形核；形核；A晶核长大；残余渗碳体溶晶核长大；残余渗碳体溶解；解；A成分均匀化。成分均匀化。l奥氏体化后的晶粒度：奥氏体化后的晶粒度：l初始晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度。l实际晶粒度：实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。给定温度下奥氏体的晶粒度。l本质晶粒度：本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。加热时奥氏体晶粒的长大倾向。 l 等温转变曲线及产物等温转变曲线及产物 6

24、50600550350A1MSMf时间时间PSTB上上B下下MM+AAPASATAB上上AB下下AM过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷Al根据与根据与C曲线交点位置判断转变产物曲线交点位置判断转变产物 P均匀均匀A细细AA1MSMf时间时间等温退火等温退火PP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)M回回150-250T回回350-500S回回500-650?PT+S回回ST+B下下+M+Al3、回火时的转变、回火时的转变l碳钢：碳钢：马氏体的分解马氏体的分解 ；残余奥氏体分解；

25、残余奥氏体分解 ； -碳化物转碳化物转变为变为Fe3C ；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化聚集长大和铁素体多边形化 。lW18Cr4V钢：钢： 560三次回火。析出三次回火。析出W、Mo、V的碳的碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，化物，产生二次硬化。回火冷却时，A转变为转变为M。每。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。l强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火强化钢铁材料最经济有效的热处理工艺是淬火+回火回火,它包含了四种基本强化方法。它包含了四种基本强化方法。 l 工业用钢工业用钢l石墨化：石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。