机械工程材料总复习资料

机械工程材料复习第一部分基本知识一、概述以“材料的化学成分T加工工艺T组织、结构T性能T应用”之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习。

二、材料结构与性能：1•材料的性能：①使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）；②工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。

2•材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）；纯金属：体心立方（-F e）、面心立方（-F e ），各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）-各向同性；强度、硬度增高；塑性、韧性降低。

合金：多组元、固溶体与化合物。

力学性能优于纯金属。

单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。

多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。

多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。

⑴。

结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld ；3•材料的组织结构与性能1 ）平衡结晶组织平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各 个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。

2）成分、组织对性能的影响① 硬度（HBS ）:随C ，硬度呈直线增加， HBS 值主要取决于组成相 对量。

② 抗拉强度（b ）: C %< 0.9%范围内，先增加，C %> 0.9〜1.0 %后, 着下降。

③ 钢的塑性（）、韧性（aQ :随着呈非直线形下降。

3 ）硬而脆的化合物对性能的影响： 第二相强化：硬而脆的化合物， 若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及切削 加工性提高；呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、韧 性仅略有下降或不降即弥散强化；呈层片状分布于基体上 ： 则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。

⑵。

塑性变形组织与性能1 ）组织与性能的变化 金属塑性变形后产生晶格畸变，晶粒破碎现象，处于组织不稳定状态的非平衡组织， 非平衡组织向平衡组织转变： 可通过 再结晶、时效及回火实现。

加工硬化， 物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性：产生纤维状组织；晶粒破碎、位错密度增加；织构现象的产生；残余内应力。

2） 变形金属在加热过程中组织和性能的变化 回复（去应力退火）：强度和硬度略有下降，塑性略有提高。

电阻和内应力等 理化性能显着下降再结晶： 形成细小的等轴晶粒。

加工硬化消失，金属的性能全部恢复。

金属的强度和硬度明显J,而塑性和韧性显着f,性能完全恢复到变形前的水平。

⑶。

热处理组织与性能F e3C 的相b值显1）贝氏体的机械性能：上贝氏体：铁素体片较宽．塑性变形抗力较低；同时,渗碳体分布在铁素体片之间,容易引起脆断．因此,强度和韧性都较差。

下贝氏体：铁素体针细小,碳化物分布均匀,所以硬度高,韧性好,综合机械性能好。

2）马氏体的形态及机械性能①•板条马氏体（又称位错马氏体。

）：碳含量v 0.23 %;机械性能：不存在显微裂纹,淬火应力小,强度高,塑性、韧性好。

②.针状马氏体：碳含量〉1.0 %;（显微镜下呈针状）机械性能：存在大量显微裂纹,较大的淬火应力,塑性和韧性均很差;③•混合组织马氏体：碳含量在0.23 %一1.0 %之间时•为板条和片状马氏体的混合组织。

④•马氏体的硬度，含碳最增加，硬度升高•含碳量达到0.6 %以后，其硬度的变化趋于平缓。

⑤合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。

3 ）回火组织与性能固溶强化：通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化；细晶强化：强度、硬度越高；其塑性、韧性越好。

晶界处原子排列混乱，使其熔点低，易受腐蚀。

由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。

加工硬化：使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加，从而使强度、硬度增加，塑性、韧性、耐蚀性等下降，并产生各向异性。

冷塑性变形实现。

第二相强化：硬而脆的化合物（Fe3C ），若呈网状分布：则使强度、塑性下降;若呈球状、粒状（球墨铸铁）：使韧性及切削加工性提高；呈弥散分布于基体上：使强度、硬度增加，塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化；呈层片状分布于基体上：强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。

形变强化：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度；相变强化：通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。

三、材料热处理、合金化与性能1•改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理）⑴退火：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火退火：加热＋保温＋缓冷获得接近平衡状态组织。

退火目的：改善铸、锻、焊粗大不均匀的组织，降硬度，提高塑性，改善冷加工工艺性。

消除成分不均匀，内应力。

1）完全退火（加热A c3 +（20〜30 C）温度，保温、缓冷组织：P+F目的：①细化，均匀化粗大、的原始组织；②降低硬度-切削性仁③消除内应力；消除组织缺陷；应用：（C%=0.3 〜0.6% ）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧2）球化退火加热A ci +（10〜30 C）,保温、缓冷（或A ri —（20〜30 C）等温）应用：过，共析钢、高碳合金钢组织：球状P（F+ 球状Cem ）目的：①F e33及F e3C共析球化HRC 韧性切削性f②为淬火作准备；球化退火前，正火处理，消除网状碳化物，以利于球化进行。

3）扩散退火加热1050〜1150 C,保温10〜20h,冷却：炉冷组织：P+F 或P+Fe 3 C II 目的：消除偏析后果：粗晶、魏氏组织、带状组织,韧性、塑性较差,需完全退火或正火来细化晶粒。

4）去应力退火（再结晶退火）加热：Ac1 —（100〜200 ）C；保温+炉冷；目的：消除加工硬化,消除残余应力。

⑵正火正火：亚共析加热Ac 3 + （30〜50 °C）、过共析钢加热Accm + （30〜50 C）保温+空冷，得到P类工艺。

组织：S 或P（F＋Fe3C）正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，得更高的强度和硬度；生产周期较短，成本较低。

目的及应用：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。

2•预先热处理工艺应用工具钢：球化退火；结构钢：正火，完全退火。

表面强化处理的零件：调质处理正火。

⑴改善冷塑性加工性能再结晶退火：恢复变形前的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。

⑵改善机加工性能C% v 0.40 %中低碳钢：正火，提高硬度C% = 0.4O %〜0.60 % :完全退火；C% > 0.6 %的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。

合金钢：退火：铸铁件白口层：加热850〜950 C+保温+（炉冷+空冷）。

⑶消除材料的加工应力去应力退火：没有组织变化。

工艺：缓慢加热500〜650 C+保温+缓冷，3•钢铁的淬火⑴淬火原则与淬透性目的：提高硬度、强度、耐磨性。

原则：①淬硬，获尽量完全的M :②淬透，M组织表里如一；③保证淬硬条件下，用缓冷介质，以防开裂。

⑴. 淬透性：在规定淬火条件下得到M 多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢的属性。

由A 过稳定性决定，表现为V K 的大小。

淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。

⑵•淬透层深度：从表面至半M区的距离。

与钢的淬透性及外在因素有关。

影响因素：I．V K 越小，淬透层越深；II ．工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；川。

水淬比油淬的淬透层深；⑶.淬硬性：由M中C% f,钢的淬硬性越好。

4•淬火工艺⑴淬火加热温度①亚共析碳钢：A C3 +（30〜50 C）,组织：均匀细小M组织温度太高，M粗大，淬火应力，变形和幵裂倾向增大。

加热温度V A C3时，硬度降低。

②共析和过共析碳钢：加热：A ci +（30 〜50 C）。

组织：M + F es C + A r,若在A ci〜A cm以上淬火，T A粗大T高碳M粗大T力学性能J,变形幵裂f③合金钢：加热温度〉碳钢⑵淬火方法①单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。

碳钢水、合金钢、小碳钢油②双介质淬火先水,后油冷却。

复杂高碳钢及大型合金钢工件。

③分级淬火稍高于M s 的盐浴或碱浴中保温,再取空冷。

用于：小尺寸工件及刀具。

④贝氏体等温淬火：稍高M s 温度的盐浴或碱浴中冷却＋保温,获得 B 下。

用于：形状复杂和性能较高的较小零件。

⑤深冷处理：在0C以下的介质中冷却的热处理工艺。

目的：减少A r获最大数量M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。

用于：精密工件,量具。

5.表面淬火⑴原理：（交变磁场T感应电流T工件电阻T加热，集肤效应T表面加热）工艺：水（乳化液）喷射淬火+（180〜200 C）低温回火，⑵感应加热表面淬火的分类1）高频淬火淬硬层深度0.5〜2.5伽；中小零件。

2）中频淬火淬硬层深度2〜10伽；大中模数齿轮，较大轴类零件等3）工频淬火：淬硬层深度10〜20伽；大直径零件⑶适用钢种①中碳钢和中碳低合金钢：②碳素工具钢和低合金工具钢：③ 球铁、灰铸铁。

⑷表面淬火的特点①加热速度快②）淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。

表面硬度f 2〜3HRC，脆性J。

③显着提高钢件的疲劳强度。

6•钢的化学热处理化学热处理：在加热和保温中使活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织，改善表面性能。

目的：提高表面硬度，耐磨性，心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性；提高钢件的疲劳强度；抗蚀性和耐热性等。

⑴渗碳1 ）碳浓度：表面C（0.15 %〜0.30 %）T C 1.0 %, 机械性能：经淬火＋回火，提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性和塑性。

用途：各种齿轮、活塞销、套筒等。

渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢。

2）渗碳工艺温度：900〜950 C;（渗碳加热到A C3以上）渗碳时间：900〜950 C温度下，0.2〜0.3mm/h 。

3 ）低碳钢渗碳缓冷组织：表层：P + Fe3C ii（过共析相）w心部：亚共析组织（P + F）,中间：过渡组织；4）渗碳后的热处理①渗碳后淬火+低温回火淬火后组织：M + A残，7•钢的合金化合金元素在钢中的作用：提高钢的淬透性，细化晶粒，提高钢的回火稳定性，防止回火脆性，二次硬化，固溶强化，第二相强化（弥散强化），增加韧性，提高钢的耐蚀性或耐热性。

⑴形成固溶体、产生固溶强化⑵形成含部分金属键的金属（间）化合物，产生弥散强化（或第二相强化）⑶溶入奥氏体，提高钢的淬透性⑷提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性⑸细化晶粒.产生细晶强韧化⑹形成钝化保护膜⑺对奥氏体和铁素体存在范围的影响四、常用机械工程材料（工业用钢、铸铁）与合理选材（表四-1 ）第二部分考试知识第一章金属的机械性能（了解）1 .低碳钢的拉伸图2 .材料的性能：强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性。