机械工程材料总复习全全资料

机械工程材料复习

第一部分 基本知识

一、概述

⒈目的

掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（性能和改性方法是重点）。 具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料；

具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。 ⒉复习方法

以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→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： ⒈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。

⒉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（e F -α）、面心立方（e F -γ），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。

⒊材料的组织结构与性能

⑴。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld；

1）平衡结晶组织

平衡组织：在平衡凝固下，通过液体部的扩散、固体部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒部的成分均匀，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C F e3的相对量。 ②抗拉强度(b σ)：C ﹪＜0.9%围，先增加，C ﹪＞0.9～1.0％后，b σ值显著下降。 ③钢的塑性(δ

ϕ)、韧性(k a )：随着C ﹪↑,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。电阻和应力等理化性能显著下降再结晶：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↓，而塑性和韧性显著↑，性能完全恢复到变形前的水平。

⑶。热处理组织与性能

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＜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 回火类型 回火温度 组织

性能及应用

组织形态

低温回火 150~250 回火M （M’） 保持高硬度，降低脆性及

残余应力，用于工模具钢，

表面淬火及渗碳淬火件 过饱和α＋ε碳化物(C F ex ) 中温回火 350-500 回火屈氏体

（T’）

硬度下降，韧性、弹性极

限和屈服强度↑，用于弹性元件 保留马氏体针形F+细粒状Fe 3C

高温回火 500-650 回火索氏体（S’） 强度、硬度、塑性、韧性、

良好综合机械性能，优于

正火得到的组织。中碳钢、

重要零件采用。

多边形F+粒状Fe 3C

⒋材料组织结构变化实现的性能强化：

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

⒈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，应力。

1）完全退火（加热A c3＋（20～30℃）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↑；③消除应力；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 c1＋（10～30℃），保温、缓冷（或A r1－（20～30℃）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 e3C II及F e3C共析球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑

②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。