工程材料及机械制造基础复习工程材料

工程材料及机械制造基础复习(I)

——工程材料

工程材料

1． 1 材料的力学性能 1．2． 1 金属的晶体结构 (1) 基本概念

① 晶体与非晶体： 两者的主要区别是：

a. 晶体中原子(或分子)按一定的几何规律作周期的重复排列； b ?晶体具有固定的熔点； c.晶体具有各向异性。

② 晶格；为了便于表明晶体内部的原子排列规律，把每个原子看成一个点，点与点之间 用直线连接起来而形成的空间格子。

③ 晶胞：能完全反映晶格原子排列特征的最小几何单元。

④ 晶格常数；晶胞的棱边长度，晶格常数和棱面夹角表示晶胞的形状和大小。

(2) 常见金属晶格类型 单晶体的各项异性：由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而导致在同一晶体的不 同晶面和晶向上的各种性能也不同——各项异性。

多晶体 晶粒大小对材料性能影响很大，在常温下，晶粒愈细，材料的强度高，塑性、韧性愈 好。

晶体的缺陷形式：点缺陷、线缺陷、面缺陷。 晶体的缺陷对金属的许多性能有很大的影响，特别对金属的塑性变形、强化、固态相变 等都有重要的影响。 1. 2. 2 金属的结晶

(1) 结晶的概念 物质从液态转变为固态的过程称为凝固。而结晶是指由液态转变为晶体的过程，即金属

与合金从液态的无序状态转变为原子有规则排列的晶体结构的过程。理解结晶的概念应着重 掌握以下几点：

?纯金属的结晶在恒温下进行，其结晶过程可用冷却曲线表示。 ?纯金属的结晶需要一定的过冷度，即过冷是金属结晶的必要条件。过冷度厶 T是指理 论结晶温度To与实际结晶温度Tn之差(△ T=To — Tn)。冷却速度越大，过冷度越大。

?金属的结晶包括两个过程：晶核的形成和晶核的长大。 (2) 晶粒大小及其控制

晶粒越细，则金属的强度、硬度、塑性和韧性越好。控制晶粒大小的方法有：增加过冷 度(或增加冷却速度，如用金属型代替砂型、降低浇注温度、慢速浇注等 )、变质处理、附加 振动(机械振动、超声波振动、电磁搅拌等 )。

(3) 金属的同素异晶转变 金属在固态下发生晶格类型改变的过程称为同索异晶转变。它与液态金属结晶相比具有 以下特点：

① 遵循金属结晶的一般规律(生核与长大)； ② 具有较大的过冷倾向；

③ 常伴随着体积的变化，因而在金属中引起较大的内应力，故易引起金属材料的变形。 (4) 实际金属的晶体结构

1． 3 金属的塑性变形 单晶体的塑性变形的基本形式：滑移和孪晶两种 。 多晶体的塑性变形包括晶粒内部的变形与晶粒之间的变形两部分 。晶内变形 仍以滑移与孪晶 两种基本方式进行， 晶间变形 包括晶粒之间的微量相互位移与转动。

多晶体塑性变形的特点 是：变形的不均匀性，变形抗力比单晶体大，形成纤维组织与各向异 性。 滑移系数愈多， 金属的塑性愈好，特别是其中的滑移方向的作用更大。 塑性变形对金属组织和性

能的影响 变形金属在加热时的组织和性能的变化：回复、再结晶和晶粒长大。

变形金属 经过再结晶后其变形组织、性能完全消失，所以硬度、强度显着下降，塑性、韧性 明显提高，内应力基本消除，金属恢复到变形前的性能。

金属的冷热加工(按低于或高于金属的再结晶温度来分) 热加工对金属组织和性能的影响三方面：

粗大的柱状晶和枝晶经热塑性变形被击碎并形成等轴细晶粒组织，改善了力学性能； 铸态金属中的疏松、气孔、微裂纹等缺陷，经热塑性变形被压实或焊合，从而使组织致 密，性能提高；

使金属具有明显的各向异性，如某些纵向的性能明显大于横向(流线)。 1． 4 合金的结构和二元合金相图 (1)基本概念

① 组元：组成合金的最基本的物质。

② 相：合金中具有相同化学成分、相同晶体结构的均匀部分。 ③ 固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高的现象。

④ 合金相图：用来表示合金在不同成分、温度下的组织状态，以及它们之间相互关系的 一种图形，亦称状态图或平衡图。 (2)合金的结构

注：①固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 ②根据溶质原子在溶剂晶格中分布情况不同可将固溶体分为置换

固溶体和间隙固溶体两种。

1．5 铁碳合金相图 (1)铁碳合金的基本组织

(3) 铁碳合金分类 (4)各相区组织

［注］①若要填各区域存在的相则与上图不同，请注意区别。

②所谓Fe3Ci、 Fe3C H、 Fe3C皿,它们的碳的质量分数、晶体结构和本身的性质都相同，其区别在于 渗碳体的来源、形态及分布状况有所不同。

1 1 1 1 1 1 Fe1 1 Fe1 3C I 1 I 3C n | | I I I I FegC 皿 1 ― I 1 1 液态丨 | 奥氏体 网状 | 铁素体 I I | 断续的片状 I I I 条片状丨 1形态丨 1I 1 1 ― ③结晶过程及室温组织示意图

沿奥氏体晶界| I 沿铁素体晶界| I 在亚共析钢中，随着碳的质量分数的增加，钢中的珠光体增多，铁索体减少，故强度、硬 度提

高，塑性、韧性下降。但在过共析钢中，渗碳体沿原奥氏体晶界呈网状分布，削弱了各 晶粒间的结合力，从而降低了钢的强度并增加了脆性。因此，碳的质量分数超过了 0．9％的 钢，其硬度虽然继续增加，但强度却明显下降。特别是在白口铸铁中渗碳体作为基体存在 时，其塑性和韧性大大下降，因此白口铸铁具有很高的脆性。 1．6 钢的热处理

不论哪一种热处理工艺，都要经历加热、保温和冷却三个阶段，其中保温的作用在于使零 件内外温度一致，并获得细而成分均匀的奥氏体晶粒。

热处理与其他加工方法 （铸造、锻压、焊接、切削加工等 ）的区别是：它只改变金属材料的 组织和性能，而不改变其形状和大小。

为了区别实际加热和冷却时的临界点，一般将加热时的临界点加标符号“ c”，如Ac1、 Ac2、Acm ;冷却时的临界点加标符号“ r”，女口 Air、Ar3、Arcm。 （1） 钢的热处理基本原理

1） 钢的奥氏体化

奥氏体的形成过程也是由形核和长大两个过来完成的。该过程可以归纳为以下三个阶段： 奥氏体晶核的形成和长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体成分均匀化。

奥氏体的晶粒大小除了与加热温度和保温时间有关外，还与奥氏体中碳的质量分数及合金 元素的质量分数有关。

2） 过冷奥氏体冷却时的组织转变 共析钢 C 曲线如上图。

共析钢过冷奥氏体等温转变产物小结

在实际生产中常用相应的 C 曲线来粗略地定性分析连续冷却转变所得到的产物与性能， 应重点掌握根据 C 曲线判断常用碳钢在炉冷、空冷、油冷、水冷等不同冷却条件下的组织与 性能。 3） 马氏体转变的主要特点

① 转变速度极快，内应力较大；

② 晶格发生严重畸变，塑性变形阻力增大；

③ 奥氏体中的碳的质量分数愈高，则 Ms与Mf愈低；

④ 马氏体转变不能完全进行到底，会有少量的残余奥氏体被保留下来，奥氏体的碳的质量分 数愈高，淬火后残余奥氏体的量愈多。 （2） 钢的热处理工艺 1） 退火的目的

① 调整钢件的硬度，改善切削加工性能；

② 消除残余应力，稳定工件尺寸，并防止其变形和开裂； ③ 细化晶粒，改善组织，提高钢的力学性能和工艺性能； ④ 为最终热处理 （淬火、回火 ）做好组织上的准备。 2） 正火目的与退火相似，其主要应用场合是： ① 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；

② 消除过共析钢中二次渗碳体，为球化退火做好组织准备； ③ 作为普通结构零件的最终热处理——中碳钢。 3） 常用淬火方法 4）渗氮

① 气体渗氮：加热温度一般为 500?560C，其特点为：

a.工件不需再进行淬火处理便具有高的硬度和耐磨性，且在知 500?600 时仍保持高 的硬度（即红硬性）。

b. 显着提高了工件的疲劳极限，且使工件具有良好的耐蚀性能。 c ?处理温度低，工件变形小。

d.氮化所需时间长。 渗氮处理主要用于耐磨性和精度要求很高的零件或要求耐热、耐蚀的耐磨件，如高精度 机床丝杠、镗床镗杆、精密传动齿轮和轴、汽轮机阀门和阀杆、发动机气缸和捧气阀等。

② 离子氮化：大大缩短了渗氮时间，并且还能降低工件表面渗氮层的脆性，明显地提高 韧性和疲劳极限。

5）钢的各种常用热处理工艺及应用

注：①在 250-350 C及450-650 C范围回火时，钢的冲击韧性反而显着降低的现象称为回火脆性。前者称 为低温回火脆性或不可逆回火脆性；后者称为高温回火脆性或可逆回火脆性。

② 渗碳后的组织和热处理：渗碳后的热处理为淬火

（一次淬火法或直接淬火法 ）+低温回火。最终组织

F+P，硬度约为

为：表层为 M 回+少量A残，硬度可达58?64HRC ;，心部组织取决于钢的淬透性，通常碳钢为 10?I5HRC ;合金钢为低碳 M或低碳M+F，强韧性较好，硬度约为 30-45 HRC。

③ 回火时的组织转变包括：马氏体的分解

（＜200 C）;残余奥氏体的转变 （200-300 °C ）;渗碳体的形成

（250?400 C ）;渗碳体的聚集长大，铁素体再结晶 （＞400 C ）。

④ 淬透性与淬硬性：淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。它主要取决于

钢的化学成分和奥氏体化条件。大多数合金元素溶人奥氏体后使 C 曲线右移，降低了钢的临界冷却速度，从而

提高了钢的淬透性;奥氏体化温度愈高，保温时间愈长，则奥氏体晶粒愈粗大，成分愈均匀，钢的淬透性提 高。钢的淬硬性是指钢经淬火后能达到的最高硬度，它主要取决于钢中碳的质量分数，更确切地说是取决于马 氏体中碳的质量分数。

6）热处理工序安排

① 预备热处理：其目的是改善毛坯的加工性能，消除内应力和为最终热处理做准备。 它包

'退火、正火、时效和调质等。

a.退火和正火：一般安排在毛坯制造之后粗加工之前进行，但也有将正火安排在粗 加工之

后进行的。

b?调质：一般安排在粗加工之后和半精加工阶段之前进行。

② 最终热处理：目的主要是提高零件材料的硬度和耐磨性，包括各种淬火、渗碳和氮 化处

理等。

a. 淬火：分整体淬火和表面淬火两种。淬火经常安排在半精加工之后和精加工之前 进行。 —般的工艺路线为：毛坯制造f正火 （退火）f粗加工f调质f半精加工f表面淬火f精 加工。

b. 渗碳淬火：一般安排在半精加工和精加工之间进行。一般的加工路线为：下料一 锻造f

正火f粗加工及半精加工f渗碳淬火f精加工。

c. 氮化处理：氮化工序位置应尽量靠后安排。氮化零件的加工工艺路线一般为：下 料f锻

造f退火f粗加工f调质f半精加工f除应力f粗磨f氮化f精磨、超精磨或研磨。 对于热处理变形更小的真空离子氮化，则可以安排在精磨之后作为最后一道工序进行。 1. 7 钢的分类、编号及应用 （1） 钢中杂质元素

1） 锰：是有益元素，其作用是脱硫、脱氧，还能形成合金铁素体和合金渗碳体。 2） 硅：是有益元素，其脱氧能力比锰强，此外也能溶解于铁素体中使铁素体强化。 3） 硫、磷：都是有害元素，前者会使钢材出现热脆，后者会使钢材出现冷脆。 （2） 合金元素在钢中的作用 1）合金元素对钢中基本相的影响

① 形成合金铁素体：会引起铁素体的晶格发生畸变，产生固溶强化，因而铁素体的强度、硬 度增高，塑性、韧性有所下降，尤以锰、硅、镍的强化效果最为明显。 ② 形成合金碳化物

弱碳化物形成元素 （锰 ），易溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，其稳定性、硬度比渗碳体略 高。

中等碳化物形成元素 （ 铬、钼、钨 ），既能形成合金渗碳体，又能形成特殊碳化物。特殊碳化 物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度、耐磨性及稳定性。

强碳化物形成元素 （钒、铌、铬、钛 ），一般形成特殊碳化物。 2）合金元素对钢热处理的影响 ① 细化晶粒：除锰、磷以外，大多数合金元素均在不同程度上有细化晶粒作用，其中尤以强 化碳化物形成元素的影响最为显着。

② 提高淬透性：除钻以外，大多数合金元素熔人奥氏体后均能增加过冷奥氏体的稳定性，使 C 曲线右移，从而提高钢的淬透性。主要元素有：锰、硅、镍、硼。

③ 增加残余奥氏体的含量：除铝、钻外，大多数合金元素都能使 Ms、Mf下降，从而使淬火 组织中的残余奥氏体量增加。

④ 提高红硬性：合金元素提高了钢回火过程中抵抗软化的能力，即回火稳定性，故采用相同 温度回火时，合金钢的硬度比碳钢高。 （3）钢的编号 1）碳素结构钢 应用：

08F:用作薄板、冲压件等。

10?25：用作表面要求耐磨并承受一定冲击载荷的机械零件，最终热处理为渗碳后淬火 +低

温回火。

35?50：用作承受较大交变载荷与冲击载荷的机械零件，如齿轮、连杆、主轴等，最终热处 理为调质处理。

55?70：用作各种尺寸较小的弹性零件 （如弹簧 ）、车轮及受力不大的耐磨件，最终热处理为 淬火+中温回火。 3） 碳素工具钢

应用：主要用作各种刀具、量具和模具，最终热处理为淬火 +低温回火。 4） 合金钢

［注］①滚动轴承钢的编号为： ② 耐磨钢的编号为：

③ 低合金高强度结构钢的编号同碳素结构钢，但其质量等级分为 A，B，C，D，E五 级。

（4）各种合金钢的成分、热处理特点、性能特点及用途

注：①提高耐蚀性的主要方法有：加入合金元素 单相组织；使钢的表面形成一层氧化膜。

②耐热性是包含高温抗氧化性和高温强度的一个综合概念。加入铬、硅、铝等兀素可提高钢的高温抗 氧化能力；加入

钨、钼、钒婷元素可提高钢的高温强度。

（铬、镍、硅等）使钢的电极电位提高；使钢在室温下获得

1 ． 8 有色金属及其合金 （1）铝及铝合金

1） 纯铝

铸造纯铝： 变形纯铝： 2） 铝合金

（2）铜及铜合金 1） 纯铜

未加工产品：代号有Cu-1、Cu-2;加工产品：T1、T2、T3。后面数字均为顺序号 2）铜合金 ①黄铜

a.普通黄铜：铜和锌组成的二元合金，其耐蚀性优于钢铁材料，主要用于制作弹壳 等零

件。

其代号表示法是：

b.特殊黄铜：其代号表示法是：

②青铜：以除锌、镍以外的其他元素为主要合金元素的钢合金。按其成分不同，可分 为锡

青铜和特殊青铜两类。铝青铜是指锚与钢组成的二元合金，它在大气、海水、淡水和蒸 汽中的耐蚀性优于黄铜，故主要用作形状较复杂、耐蚀性好、致密度要求不高的铸件。

代号：Q+主加元素化学符号及质量分数+其他合金元素质量分数 ③ 铸造钢合金的牌号表示法是：

ZCu+主加元素化学符号及质量分数+其他合金元素化学符号及质量分数

1. 9非金属材料

高分子化合物是相对分子质量大于

5 000的有机化合物的总称，有时也叫聚合物或高聚物。高聚物一般具

有链状结构，它是由一种或几种简单的低分子有机化合物重复链接而成的，故称为大分子链。凡是可以聚合生 成大分子链的低有机化合物叫单体。大分子链中的重复结构单元叫链节。大分子链中链节的重复次数称为聚合 度。

高聚物的结构有线型结构和网状结构两种。高聚物在不同温度下呈现三种不同的物理状态，即玻璃态 料的工作状态）、高弹态（橡胶的工作状态）和粘流态（有机胶粘剂的工作状态 ）。

（塑