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1、机械工程材料总 复 习使用性能工艺性能纯金属合金工业用钢有色金属及其合金铸铁结晶塑性变形热处理一、性能l 使用性能l1、力学性能l 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。l指标为弹性模量：E=/l 强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：l抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。l屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力。l疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。l 塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为伸长率、断面收缩率。l 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC。l 韧性：材料从变形到断裂整个过程所吸收的能量。l 冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为k.材料的
2、使用温度应在冷脆转变温度以上。l 断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。l2、化学性能l 耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。l 抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。l3、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。l 工艺性能l1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。l2、锻造性能：成型性与变形抗力。l3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。l4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。l5、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、回火脆性。二、晶体结构l 纯金属的晶体结构l1、理想金属l 晶体：原子呈规则排列的固体。l 晶格：表示原子排列规律的空间格架。l 晶胞：晶格中代表原子排列规律
3、的最小几何单元. 三种常见纯金属的晶体结构Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常见金属31212滑移系底面对角3 3 2滑移方向六方底面1111 41106滑移面0.740.740.68致密度12 128配位数6 42原子个数原子半径a、caa晶格常数密排六方面心立方体心立方l 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（ ）l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（010）（110）（111）和晶向100110111 l 晶面族与晶向族l指数不同但原子排列完全相同的晶面或晶向。l密排面和密排方向l在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。2
4、、实际金属 l 多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。l 晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体. l 晶界：晶粒之间的交界面。l 晶体缺陷晶格不完整的部位l 点缺陷l 空位：晶格中的空结点。l 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。l 置换原子：取代原来原子位置的外来原子。 l 线缺陷位错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部滑移, 滑移面上滑移区与未滑移区的交接线.l 面缺陷晶界和亚晶界 l亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块。亚晶界：亚晶粒之间的交界面。l 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；产生内吸附；是相变的优先形核部位。l金属的晶粒
5、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,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. l细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。l 合金的晶体结构l合金：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。 l相：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。l1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相.l 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。多为
6、金属元素之间形成的固溶体。 l 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。l铁素体：碳在-Fe中的固溶体。l奥氏体：碳在-Fe中的固溶体。l马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。l固溶强化：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。l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。 l 金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相.l 正常价化合物 如Mg2Si l 电子化合物 如Cu3Snl 间隙化合物：由过度族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成。l分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。l强碳
7、化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VCl中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6l弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3Cl 性能比较：强度：固溶体纯金属l 硬度：化合物固溶体纯金属l 塑性：化合物固溶体纯金属l 金属化合物形态对性能的影响l 基体、晶界网状：韧性低l 晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低l 颗粒状：l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。 l 固溶体与化合物的区别 合金元素在钢中的作用l1、强化铁素体；l2、形成化合物第二相强化l3、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区l4、使S、E点
8、左移l5、影响A化l6、溶于A(除Co外), 使C曲线右移, Vk减小, 淬透性提高.l7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。l8、提高耐回火性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力） l9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V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A转变为M回，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：W、Mol(回火脆性 ：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。)三、组织l 纯金属的组织l1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程l 结晶的条件过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。l过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的
9、差。l 结晶的基本过程晶核形成与晶核长大l形核自发形核与非自发形核l长大均匀长大与树枝状长大l 结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；变质处理；机械振动、搅拌l2、纯金属中的固态转变l同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。l固态转变的特点：形核部位特殊；过冷倾向大;伴随着体积变化。1394 912 铁的同素异构转变：-Fe -Fe -Fel3、再结晶l再结晶条件：冷塑性变形l加热时的变化：回复再结晶晶粒长大l再结晶：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。 l 再结晶温度：发生再结晶的最低温度。l纯金属的最低再结晶温度T再0.4T熔l 影响再结晶晶粒度的因素：加
10、热温度和时间；l预先变形程度l4、塑性变形：l金属塑性变形方式：滑移和孪生l 滑移的特点：l只能在切应力的作用下发生；l沿密排面和密排方向发生；l位移量是原子间距整数倍；l伴随着转动l滑移的机理：通过位错运动实现。l孪生特点：l孪生使晶格位向发生改变；所需切应力比滑移大得多，变形速度极快，接近于声速；孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距。 l 冷热加工：以再结晶温度划分l 冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚结构细化、l织构：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。l加工硬化： 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。l 热加工：形成纤维组织、带状组织l
11、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。 合金的组织l1、相图匀晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+l杠杆定律：l枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象。 l2、合金中的固态相变l 固溶体转变：AFl 共析转变：AP(F+Fe3C)l 二次析出：AFe3Cl 奥氏体化l 过冷奥氏体转变l 固溶处理+时效：l固溶处理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。l时效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。 3、铁碳合金相图 l点：符号、成分、温度FeFe3CSQPNKJHGFE
12、DCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ FALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLe Le+ Fe3CLe+ Fe3CLe P+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3C莱氏体Le(A+ Fe3C) Le(P+Fe3C)珠光体P(F+ Fe3C)复相组织组成物：组织组成物标注相区标注线：液固相线、水平线、固溶线A 1538 D 1227 N 1394 G 912PSK 727ECF 1148HJB 1495C%温度典型合金的结晶过程（以共析钢为例）时间温度杠杆定律的应用合金相的相对重量百分比组织组成物的相对重 量百分比 45钢T10钢四、钢的热处理l
13、 热处理原理l1、加热时的转变l奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶解；A成分均匀化。l奥氏体化后的晶粒度：l初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。l实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。l本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。 2、冷却时的转变l 等温转变曲线及产物 650 600 550350A1MSMf时间P S TB上B下MM+AAP ASATAB上AB下AM过冷A 过冷A过冷A过冷A过冷A 用C曲线定性说明连续冷却转变产物 l根据与C曲线交点位置判断转变产物 P均匀A细A A1MSMf时间等温退火PP退火 (炉冷)正火 (空冷)S淬火 (油冷)T+M+A等温淬火B下M+A
14、分级淬火M+A淬火 (水冷)M回150-250T回350-500S回500-650l3、回火时的转变l碳钢：马氏体的分解 ；残余奥氏体分解 ；-碳化物转变为Fe3C ；Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 。lW18Cr4V钢： 560三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。回火冷却时，A转变为M。每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+回火,它包含了四种基本强化方法。 热处理工艺工艺目的加热温度组织退火1.调整硬度,便于切削加 工。 2.细化晶粒,为最终热处 理作组织准备。亚共析钢Ac3+3050共析钢 Ac1+3050过共析钢Ac1+305
15、0F+PPP球正火1.低中碳钢同退火。 2.过工析钢：消除网状 二次渗碳体。 3.普通件最终热处理亚共析钢Ac3+3050共析钢 Ac1+3050过共析钢Accm+30500.5%C, M+A M+A M+A+粒状Fe3C热处理工艺（续）工 艺目的加热温度组织回火1.消除内应力， 减少变形。 2.获得所需要的 性能。低温回火150250中温回火350500 高温回火500650(调质)亚共析,共析钢：M回 过共析钢:M回+A(少)+粒状Fe3C T回 S回表 面 淬 火表面获得马氏体 组织，并获得表 硬里韧的性能。预备热处理： 调质或正火适用于中碳钢 0.40.5%C 表面：M回 心部： S回(调质) 或F+S(正火)渗碳提高表面含碳量 ，获得表硬里韧 的性能。渗碳温度:900950 淬火温度： 表面Ac1+3050 心部Ac3+3050适用于低碳钢 0.10.25%C 表面：M回+A(少)+颗粒状Fe3C 心部：M回+FM回五、工业用金属材料钢钢种C%典型牌号合金元素作用热处热处
