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1、1 工程材料与成形技术基础概念定义原理规律小结一、材料部分材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度 。材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性 。拉伸过程中，载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服 。拉伸曲线上与此相对应的点应力S ，称为材料的 屈服点 。拉伸曲线上D点的应力b称为材料的 抗拉强度 ，它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。硬度 是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力，它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下，材料的硬度越高，其耐磨性就越好。韧性 是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力，它是材料塑性和强度的综合表现。材料在交变应力作用下发生的断
2、裂现象称为疲劳断裂 。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生，断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。在晶体中，原子(或分子)按一定的几何规律作周期性地排列；晶体表现出各向异性；具有的凝固点或熔点。 而在非晶体中， 原子(或分子)是无规则地堆积在一起。常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格的致密度比面心立方晶格结构的小。金属的结晶 都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。由两种或两种以上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质称为合金；合金中具有同一化学成分且结构相同的均
3、匀部分称为 相。2 通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大，强度、硬度升高的现象称为 固溶强化 ，它是金属材料强化的重要途径之一。 （马氏体型转变、合金化）金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程，称为金属的结晶过程 。金属从一种固态过渡为另一种固态的转变即相变，称为 二次结晶 或重结晶 。实验证明，在一般的情况下， 晶粒长大对材料力学性能不利，使强度、塑性、韧性下降。晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性就越好。因此，晶粒细化是提高金属力学性能的最重要途径之一。相图 ：是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形，又称为
4、平衡相图 或状态图 。二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶，并由液相结晶出单相固溶体的相图称为 二元匀晶相图 。在一定温度下， 由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变 。合金系的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶相图 。在一定温度下， 已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程称为包晶转变 。两组元在液态下无限互溶，固态下有限互溶，并发生包晶转变的构成的相图，叫二元包晶相图 。在恒定的温度下， 一个有特定成分的固相分解成另外两个与母相成分不相同的固相的转变称为 共析转变 ，发生共析转
5、变的相图称为 共析相图 。铁碳相图： （要掌握）铁素体-碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以符号F表示。体心立方晶格3 奥氏体-碳溶于-Fe中的间隙固溶体，以符号A表示。面心立方晶格渗碳体-是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物，分子式为Fe3C。珠光体 是铁素体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号P表示。莱氏体-是奥氏体和渗碳体组成的两相机械混合物，常用符号Ld表示。一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于025的低碳钢；若需要强度、塑性及韧性都好的材料， 应选用碳质量分数为0.30.55的中碳钢；而一般弹簧应选用碳质量分数为0.60.85
6、的钢。对于各种工具， 主要选用高碳钢来制造， 其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为0.70.9的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为1.01.3的钢制造。钢在高温时为奥氏体组织，而奥氏体的强度低、塑性好，有利于塑性变形。因此，钢材的轧制或锻压，一般都是选择在奥氏体区的适当温度范围内进行。钢在热处理时，首先要将工件加热，使之转变成奥氏体组织，这一过程也称为奥氏体化 。奥氏体晶粒越细，其冷却产物的强度、塑性和韧性越好。随着合金中碳质量分数的增加，合金的熔点越来越低，所以铸钢的熔化温度与浇注温度都要比铸铁高得多。共晶成分的铁碳合金，
7、 不仅其结晶温度最低， 其结晶温度范围亦最小(为零)。因此，共晶合金有良好的铸造性能。热处理 是将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却等三个步骤，以改变其整体或表面的组织，从而获得所需性能的一种工艺。4 C曲线（等温转变曲线，也称为“TTT”曲）表明了过冷奥氏体转变温度、转变时间和转变产物之间的关系。左边一条为转变开始线，右边一条为转变终了线。1.珠光体型转变高温转变(A1550)： 珠光体(P)、 索氏体(S)和托氏体(T)。2.贝氏体型转变中温转变(550Ms) 下 贝氏体强度和硬度高(5060HRC)，并且具有良好的塑性和韧度。3.马氏体型转变低温转变(MsMf) 马氏体是碳在-Fe中
8、的过饱和固溶体。产生很强的固溶强化效应，使马氏体具有很高的硬度。在c曲线的下面还有两条水平线，上面一条为马氏体转变开始的温度线(以Ms表示)，下面一条为马氏体转变终了的温度线(以Mf表示)。过冷奥氏体的连续冷却转变曲线(CCT曲线) Ps和Pf分别为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线和终了线， 两线之间为转变的过度区，KK线为转变的终止线，当冷却到达此线时， 过冷奥氏体便终止向珠光体的转变，一直冷到Ms点又开始发生马氏体转变。v1相当于炉冷(退火)， 转变产物为珠光体。v2和v3相当于以不同速度的空冷(正火)，转变产物为索氏体和托氏体。v4相当于油冷，转变产物为托氏体、马氏体和残余奥氏体。V5相当
9、于水冷，转变产物为马氏体和残留奥氏体。退火 ：将钢加热到一定温度并保温一定时间然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。降低硬度、改善切削加工性能，消除残余应力。正火 ： 将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或ACcm(对于过共析钢)点以上30-50，保温一定时间后，在空气中冷却，从而得到珠光体类组织的热处理工艺。提高钢的强度和硬度。淬火 ：是以获得马氏体组织为目的的热处理工艺，最常用的淬火冷却介质是5 水和油。提高钢的硬度和耐磨性；获得优异综合力学性能。回火 ：将淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度，经适当保温后冷却到室温的热处理工艺。调质处理 ： 淬火后再进行高温回火处理。 调质处理得到的是回火索氏体组织，
10、具有良好的综合力学性能。力学性能与正火相比，不仅强度高，而且塑性和韧性也较好。冷处理 ：把淬冷至室温的钢继续冷却到-7080(或更低温度)保持一段时间，使残余奥氏体转变为马氏体。时效 ：将淬火后金属工件，置于室温或低温加热下保持适当时间以提高金属强度（和硬度）的热处理工艺。表面淬火 ：将工件表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。表面硬度高、耐磨性好，而心部韧性好。化学热处理 ：将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表层，改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲
11、劳强度，有时也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性。可控气氛热处理 ：向炉内通人一种或几种一定成分的气体，通过对这些气体成分的控制，使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳。形变热处理 ：将形变与相变结合在一起的一种热处理新工艺。能获得形变强化与相变强化的综合作，是一种既可以提高强度，又可以改善塑性和韧性的最有效的方法。激光热处理 ：(1)激光加热表面淬火；(2)激光表面合金化。气相沉积技术 ：利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在工件表6 面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。钢的牌号 ：普通碳素结构钢如Q235A。优质碳素结构钢：两位数字表示平均碳质量分数， 单位为万分之一如钢号45
12、。碳素工具钢：“T”后跟碳质量分数的千分之几如“T8” 。铸钢ZG270-500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸钢。合金结构钢该类钢的钢号由“数字+合金元素+数字”三部分组成。前两位数字表示钢中平均碳质量分数的万分之几；合金元素用化学元素符号表示，元素符号后面的数字表示该元素平均质量分数。当其平均质量分数0.60%；CE 0.60%；焊接性差。问题：焊缝区易产生热裂纹；热影响区易产生冷裂纹。措施：焊前预热（250350 ） ，焊后缓冷。选用低氢型焊条。 焊件开坡口，且采用细焊条、小电流、多层焊。避免选用高碳钢作为焊接结构件。金属材料的焊接性1. 金属材料的 焊接性指被焊金
13、属采用一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构形式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。焊接性2. 影响焊接性的因素1）焊接方法；2）焊接材料；3）焊件化学成分；4） 工艺参数。3. 焊接性的评定方法-碳当量估算法C 影响最显著基本元素其它元素折合成碳的相当含量对焊接性的影响CE= C+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15 CE0.6%焊接性差。三、材料与成形工艺选择部分 工艺焊接性： 使用焊接性：焊接接头产生工艺缺陷的倾向。尤其指出现各种裂纹的可能性。焊接接头在使用中的可靠性。包括力学性能及其它特殊性能19 机械零件的失效形式每种机械零件都具有一定的功能，比如承受载荷、传递力或能量等
14、，如果丧失其所规定的功能即发生了失效。主要有三类：(1)过量变形失效-是指零件在工作过程中受力产生的变形量超过了允许值，从而使机器设备无法正常工作或虽能正常工作但达不到预期的效果的现象。(2)断裂失效-零件在工作的过程中发生断裂的现象称断裂失效。(3)表面损伤失效-主要是指零件表面的磨损、接触疲劳和腐蚀。材料表面处理主要分两类：表面强化和表面防护。常用的工艺方法有：表面热处理、气相沉积、热喷涂、堆焊、氧化磷化处理、电镀化学镀、涂装等。预处理-一般包括除油、除锈、粗化、活化和抛光。除油-目的是去除材料表面的油脂和污物，常用碱性除油工艺。除锈-目的是去除金属材料表面的氧化物，从而显露出清净金属表面
15、。常用方法有化学法（如酸洗）和机械法（如打磨、切削和喷砂）。常用表面强化性处理方法1、热喷涂将喷涂材料加热熔化，以高速气流雾化成极细颗粒，并以一定速度喷射到事先准备好的工件表面上，形成涂层。2、堆焊和喷焊堆焊：将合金丝或焊条熔化堆结在工件表面形成冶金结合层的方法。喷焊：是对经预热的自溶性合金粉末涂层再加热至10001300，颗粒熔化生成涂层，使颗粒间和基体表面达到良好结合的方法。20 3、电火花表面强化技术是通过火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表层，形成合金化的表面强化层，使工件的物理化学和机械性能得到改善的工艺4、气相沉积 是利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在
16、工件表面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。常用表面防护性处理方法钢铁的氧化处理:将钢铁零件浸在浓碱溶液中煮沸，在金属表面生成稳定的四氧化三铁(Fe3O4)的过程。因四氧化三铁氧化膜呈蓝黑色，所以又称其为“发蓝” 。发蓝是提高黑色金属防护能力的一种简便而又经济的方法。钢铁的磷化处理:是将零件浸入磷酸盐溶液中化学处理，在金属表面生成难溶于水的磷酸盐膜的过程。简称“磷化” 。磷化也是金属氧化方法之一，因此磷酸盐膜也是一种化学转化膜。磷化是钢铁表面防护的常用方法之一，应用愈来愈广泛。有色金属如锌、铝、铜、锡等都可以进行磷化处理。铝及铝合金零件在电解液中进行电化学氧化，其工艺象电镀的逆过程，因零件作为阳极，故也称铝阳极氧化。铝及铝合金的化学氧化是不用外来电流而仅把工件置入适当溶液中，使其表面生成人工氧化膜。一般是将铝件浸在含有碱溶液和碱金属的铬酸盐溶液中，铝和溶液互相作用。很快便生成Al2O3和Al(OH)3的薄膜. 铝及铝合金氧化膜的着色铝及铝合金经氧化处理后，得到新鲜的氧化
