材料及成型技术上海大学

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1、1,工程材料复习课,1,材料及成形技术,2,考试时间： 5月27日（周二） 8:1510:15 考试地点： EJ103EJ104 学号数07122028 EJ103 其 余 同 学 EJ104 答疑时间：5月26日 13:0021:00 地点：HD208,2008年春季学期 “材料与成形技术”考试通知,2,3,1、强度 强度概念:材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如,弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等 比强度、比模量概念： 单位密度上的强度、弹性模量,一、固体材料的性能,3,4,屈强比越小,构件万一超载时，产生塑性变形的时间越长，则离断裂的时间长，易发现和马上采

2、取措施（如停机、换构件等），即时间裕度大，可靠性高。屈强比大，则屈服强度高，材料强度利用率高。 屈强比增大，则材料塑性段距 离减小，固将增加材料的脆性趋势 。 0.2概念：条件屈服强度 弹性模量E 概念 E /,屈强比概念： s /b,4,5,金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。 相互关系：HBS10HRC HV HB： HBS淬火钢球测定硬度值450以下的材料 HBW硬质合金球测定硬度值650以下的材料 HR： HRA 适用硬质合金、表面淬火层、渗碳钢 HRB 适用有色金属、退火钢、正火钢 HRC 适用淬火钢、调质钢,2、硬度概念：,5,6,AkG（Hh）,3、冲击韧度,材料抵抗大能量冲击载

3、荷能力的指标，试样缺口处单位面积所消耗的功。,冷脆概念,6,7,1、晶格、晶胞和晶格常数 2、三种晶格类型,二、金属的结构,7,8,取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，uvw即为晶向指数。,取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入圆括号（hkl）内，即为该晶面的晶面指数。,2、晶面晶向表示方法 要求：会画图、改错。,8,9,4、晶格缺陷 掌握：点缺陷、线缺陷、面缺陷 4种缺陷,3、单晶体和多晶体概念 结晶方位一致与否,9,10,1、理论结晶温度与实际结晶温度（过冷度概念）,2、纯金属的结晶过程,三、金属的结晶,10,11,1) 晶粒度概念 晶粒度表示晶粒大小，由平面

4、截面单位面积内所包含晶粒个数来表示； 晶粒度级别越高，晶粒越细； 2）晶粒度对力学性能的影响 晶粒越细，常温强度越高，塑性韧性有所改善，高温强度下降。 3）细化晶粒的方法 增加过冷度， 变质处理，附加振动。,3、金属结晶后晶粒的大小,11,12,4）金属的同素异构转变（重结晶）,12,13,1、二元合金的晶体结构 组元、相、固熔体、化合物概念 在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其它部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种相所组成。 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合

5、金具有不同的力学性能。 例：铁碳相图中 Fe3C ；F P A； Fe3C Fe3C Fe3C,三、二元合金,13,14,溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起晶格参数的改变。 当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体称为连续固溶体或无限固溶体；当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体称为有限固溶体或端际固溶体。按照溶质原子在固溶体中所处的位置，固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体。 1） 间隙固溶体 当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值 小于0.59时，才能形成间隙固溶体。溶剂晶 格的间隙是有限的，因此，间隙固溶体只能 是有限固溶体。,2、

6、 固溶体,14,15,间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。溶质原子半径愈小，溶解度愈大，溶剂晶格类型不同，具有的间隙大小不同，溶解度也不同。 对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素，只能形成置换固溶体。置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度 有一定限度，则叫有限互溶，形成有限置换 固溶体；置换固溶体中溶质原子与溶剂半径 相差越小，则溶解度越大，若溶剂元素与溶 质元素在周期表中位置靠近，且晶格类型相 同，则可形成无限固溶体，合金组元可以以 任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金。,2）置换固溶体,15,16,相图是反映材料在平衡

7、状态下相状态和成分及温度关系的图形。相图也称平衡图或状态图。二元合金相图可用温度成分坐标系的平面图形来表示。二元相图是反映二元系统相的平衡状态与温度、成分关系的平面图形。 1）匀晶相图 两组元在液态无限互溶，在 固态也无限互溶，形成固溶体的 二元相图称为二元匀晶相图。特 点：晶格类型相同，结晶不在恒 温下进行，在冷却较快的非平衡 结晶条件下，会形成枝晶偏析。,3、二元合金相图,16,17,固溶体的非平衡结晶：,匀晶相图中冷却时的成分变化,17,18,两组元在液态无限互溶，固态有限溶解，通过共晶反应形成两相机械混合物的二元合金称为二元共晶相图。共晶反应是液相在冷却过程中同时结晶出两个结构不同的固

8、相的过程。,2） 共晶相图,18,19,两组元在液态无限互溶，固态下有限溶解，发生包晶反应的相图称为二元包晶相图。包晶反应是一个液相与一个固相相互作用，生成一个新的固相的过程。,3） 二元包晶相图,19,20,从一个固相同时结晶出两个固相的恒温转变，称为共析转变，发生共析反应形成两相机械混合物的二元合金相图称为共析相图。, 共析反应的产物为共析物。 由于共析反应在固态进行，所以共析组织比共晶组织要细得多。 共析相图是铁碳相图中的一个重要组成部分，需好好掌握。 反应过程： d+e,4) 共析相图,20,21,1) 二元相图的分析步骤 若有稳定化合物，则将其看作一独立组元，把相图分成几个部分分析。

9、 相区接触法则： 二元相图中，相邻相区中的相数只相差一个（点接触除外）。分析时首先熟悉单相区中的相，再根据相区接触法则辨别其它相区。 找出与三相共存水平线点接触的三个单相区，确定三相平衡转变的性质和反应式。 在两相平衡区，可应用杠杆定律求出各相的相对量。,4、二元相图的分析与应用,21,22,6、杠杆定律 不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。 (1）确定两平衡相的成分 如图（a）所示，水平线与液相线L的交点即为液相的成分。 (2）确定两平衡相的相对量 设试验合金重量为1，液、固相重量分别为QL、QS ，则 QL+QS =1；, 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2，x为试验合金中的平

10、均含Ni量(%)，则,FC（组元）-P(相数）1,5、相律,22,23,例题：将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后缓慢冷却到如图1-80所示温度T1，求此时： （1）两相的成分； （2）两相的质量比； （3）各相的相对重量 （4）各相的重量。,例题：,23,24,10某合金如图1-81所示：,（1）标出 -区域中存在的相； （2）标出 、 区域中的组织； (3) 相图中包括哪几种转变？写出它们的反应式。,动画：习题10,9,L L+ L+ 匀晶转变 +共析共析转变 + 脱溶转变 (5) + 脱溶转变,24,25,11. 今有两个形状相同的铜镍合金铸件，一个含Ni90，一个含Ni50，铸后自然冷却

11、，问凝固后哪个铸件的偏析较为严重？,动画 ：习题11,25,26,12. 按下面所设条件，示意地绘出合金的相图，并填出各区域的相组分和组织组分，以及画出合金的力学性能与该相图的关系曲线。 设C、D两组元在液态时能互相溶解，D组元熔点是C组元的4/5 ，在固态时能形成共晶，共晶温度是C组元熔点的2/5，共晶成分为wD30；C组元在D组元中有限固溶，形成固溶体。溶解度在共晶温度时为wC25，室温时wC10，D组元在C组元中不能溶解；C组元的硬度比D组元高。 计算wD40合金刚完成共晶转变时，组织组成物及其百分含量。,题12,26,27,动画 ：习题12,27,28,L(wB=75%)(wB=15%

12、)+(wB=95%) (1) 求wB=50%的合金结晶刚结束时的各组织组分和各相组分的相对量。 (2) 若显微组织中初晶与共晶(+)各占50，求该合金的成分,补充习题1. 一个二元共晶转变如下：,(1)组织组成： w=(75-50)/(75-15)=41.7% w(+)=(50-15)/(75-15)=58.3% 相组成： w=(9550)/(95-15)=56.3% w=(50-15)/(95-15)=43.7%,(2) w=(x-75)/(95-75)=50% 解得x=85 w(+)=(95-x)/(95-75)=50% 解得x=85,28,29,1） 铁碳合金相图 三条水平线（平衡）；六

13、种成分；各转折点的相变化、成分变化；组织变化及力学性能变化规律。,P 中F 和 Fe3 C 的相对量：,四、 铁碳合金,29,30,亚共析钢结晶过程的基本反应为匀晶反应+包晶反应+固溶体转变反应+共析反应，室温组织为铁素体+珠光体，显微组织如图所示。过共析钢结晶过程的基本反应为匀晶反应+二次析出反应+共析反应，室温组织为珠光体+二次渗碳体，显微组织如图所示。,共亚析和过共析钢,30,31,共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的结晶过程分析 碳含量大于2.11的三种白口铸铁均发生共晶转变。共晶产物莱氏体冷却至共析线后转变为低温莱氏体，反应式为： Ld（AE+Fe3C共晶 ） Ld（P+F

14、e3C+Fe3C共晶） 其实质是共晶奥氏体析出二次渗碳体，并在727时转变为珠光体。组织中的铁素体、渗碳体、珠光体和低温莱氏体一旦形成，在随后的冷却过程中不再发生相变。,铸铁,31,32,说明,举 例,形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件（参见 GB11352-89,ZG230-450、ZG270500、ZG310-570、ZG340-640,表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢,ZG200-400,一般工程 铸造碳钢,制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等（参见 GB1298-86）,T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13,表示平

15、均Wc为千分之8的碳素工具钢，A表示高级优质,T8 T8A,碳素 工具钢,用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件（参见 GB699-88）,08F、10、20、35、40、50、60、65,表示平均Wc为万分之45的优质碳素结构钢,45,优质碳素 结构钢,一般以型材供应的工程结构件，制造不太重要的机械零件及焊接件（参见 GB700-88）,Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等,屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢,Q235-A F,碳素结构钢,用 途,常 用 牌 号,编 号 方 法,分 类,1、碳钢的分类 表16 2、碳钢的牌号 表17,五、碳钢,32,33,2、按用途分类 1)结构钢:主要用于制造各种工程构件及机器零件。 用于制造机器零件的结构钢可分为： 调质钢:如45、40Cr、35SiMn等。 渗碳钢:如20、20Cr、20CrMnTi等。 弹簧钢:如65、65Mn、50CrV等。 2)工具钢:主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。 3) 特殊性能钢:指具有不锈、耐热、抗磨等特殊性能的钢。 3、合金钢的分类 Wme3% 渗碳、调质钢 1) 合金结构钢（低合金高强度结构钢、合金结构钢） 2) 弹簧钢 碳素Wc0.60.9，合金Wc0.450.7 主加Si、Mn、Cr 3）滚动轴承钢 要求硬度高、耐磨性好、淬透性高、接