机械工程材料 复习.docx
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机械工程材料复习
工程材料的复习题是姜盛杰和王淼同学一起整理而成,其中在整理时难免会存在一些错误,希望大家谅解,也希望大家指出其中的错误。
最后祝大家期末考试能考出好成绩。
第一章工程材料的分类和性能
工程材料分为:
金属材料、高聚物材料、无机非金属材料、复合材料
金属的拉伸实验(大家看一下P4和P5、P6)、注意下:
每个阶段发生什么变形和主要的几个极限点、像屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率的符合以及公式。
硬度分为:
布氏、维氏、洛氏(其中的HRC型号的常用)(以及它们应用的场合可以大致看一下)
冲击韧度(Ak)、疲劳强度(σN)
第二章金属与合金的晶体结构和二元合金相图
第一节纯金属的晶体结构
1、三种典型的金属晶体结构:
体心立方晶格:
原子数2个、代表金属a-Fe、Cr等
面心立方晶格:
原子数4个、代表金属r-Fe、Cu、Al等
密排立方晶格:
原子数6个、代表金属Mg、Zn等
2、晶体缺陷:
点缺陷----空位和间隙原子
线缺陷----位错
面缺陷----晶界和亚晶界
第二节金属的结晶与同素异晶转变
1、冷却曲线与过冷度
理论结晶温度:
曲线上出现的温度水平线段对应的温度值
过冷度:
理论结晶温度与实际结晶温度之差
2、结晶过程--------在恒温下结晶
晶核的形成:
自发行核和非自发行核
晶核的长大:
均匀长大和树枝状长大,其中树枝状长大是主要方式
3、晶粒的大小
在一般情况下,晶粒愈小,其强度、塑性、韧性也愈高。
晶粒大小与晶体的长大速度、形核速度有关。
细化晶粒的方法:
1、提高结晶时的冷却速度,增加过冷度。
2、进行变质处理
3、在液态金属结晶时采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等方法。
金属的同素异晶转变:
1394°C912°C
δ-Fe========γ-Fe========α-Fe
体心立方体面心立方体心立方
第三节合金的结晶与二元相图
一、概述
合金:
具有金属特性的物质
组元:
组成合金的最基本、独立的物质。
相:
构成组织
组织:
直接决定合金的性能
二、合金的相结构
1、固溶体
间隙固溶体和置换固溶体
固溶强化:
使合金强度和硬度提高的方法
2、金属化合物---新相碳化亚铁
3、绝大多数合金的组织是由固溶体与金属化合物组成的复合组织。
第四节铁碳合金相图
1、铁素体:
符号“F”、碳溶于a-Fe形成间隙固溶体
强度硬度很低,塑性韧性好
2、奥氏体:
符号“A”、碳溶于γ-Fe形成的间隙固溶体
强度硬度比铁素体高,塑性韧性好
3、渗碳体:
Fe3C、铁和碳间隙化合物
硬度高、塑性和韧性很差、脆性大
4、P31相图分析:
珠光体:
符号“P”、成分“F+Fe3C”、强度较高,硬度适中,有一定的塑性、机械混合物
莱氏体:
符号“Ld、成分“A+Fe3C、含碳量高、机械混合物
GS(A3)线:
合金冷却时奥氏体转变为铁素体的行合线
ES(Acm)线:
碳在奥氏体中的溶解度曲线
PQ线:
碳在铁素体中的溶解度
ECF线:
共晶线
1148°C
LC=======AE+Fe3C2
4.32.116.69
PSK线(A3):
共析线
727°C
AS=======FP+Fe3CK
0.770.02186.69
Fe-Fe3C相图中的4个单相区:
F、A、L、Fe3C
5、典型合金的结晶过程:
1),工业纯铁:
wc<0.02%的铁碳合金
2),钢:
0.02%<wc<2.11%
亚共析钢:
0.02%<wc<0.77%
共析钢:
0.77%
过共析钢:
0.77%<wc<2.11%
3),白口铸铁:
2.11%<wc<6.69%
亚共晶白口铸铁:
2.11%<wc<4.3%
共晶白口铸铁:
4.3%
过共晶白口铸铁:
4.3%<wc<6.69%
6、铁碳合金的硬度在wc<0.9%硬度最强
第三章钢的热处理
第一节钢的热处理基础
一、概述(P40页参考图3-1)
碳钢在加热时的临界温度分别为AC1、Acm、AC3
冷却时的临界温度分别为Ar1、Arcm、Ar3
二、钢在加热时的转变
1、钢的奥氏体化的目的是获得晶粒细小,成分均匀的奥氏体组织。
2、奥氏体晶粒度的种类:
起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度
3、奥氏体的速度决定于:
奥氏体的行核速率和晶核的长大速率
3、为了控制奥氏体晶粒长大应采用以下措施:
1)合理选择加热速度、加热温度、保温时间。
加热温度愈高,保温时间愈长,晶粒愈粗大。
加热速度愈快,晶粒趋向细小
2)成分。
在钢中加入一些合金元素,可有效阻止晶粒的长大
3)合理选择原始组织。
一般原始组织愈细,加热后的起始晶粒也愈细
三、钢在冷却时的转变
P44页三种类型的钢的等温冷却转变图
1)注意:
共析钢C曲线最靠右
珠光体型转变:
珠光体层间距随过冷度的增大而减小。
珠光体、素氏体、托氏体三者硬度随层间距的减小而增高
2)共析钢等温转变产物及性能
上贝氏体的组织特征呈羽毛状,下贝氏体的呈针叶状。
其中下贝氏体力学性能高。
马氏体的组织形态主要有板条状马氏体和针叶状马氏体,其中板条状马氏体的韧性较好。
珠光体与索氏体的主要共同点是相同的层片结构,不同点是层片厚度不同。
3)P47图3-8共析钢连续冷却转变图
AB线是珠光体的停止转变线
VK称为上临界冷却速度,也称为马氏体的临界冷去速度
V’K称为下临界冷却速度,是获得珠光体的最大冷却速度。
第二节钢的普通热处理
一,钢的退火
退火目的:
1降低硬度2消除残余内应力3细化晶粒
退火种类:
1完全退火(亚共析钢)2等温退火3球化退火(过共析钢)4去应力退火
二、钢的正火
对低碳钢来调整硬度,改善切削加工性
对共析钢、过共析钢可消除过其网状二次渗碳体,为球化退火作好组织准备
三、钢的淬火
淬火的目的:
为了获得马氏体或下贝氏体组织
常用的淬火冷却介质有水和油,其中水是最廉价、冷却能力最强的冷却介质。
P53常见淬火方法示意图3-16:
单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火
四、钢的回火
回火的目的:
1减小或消除淬火内应力2稳定工件的组织和尺寸3调整零件的力学性能
淬火钢回火时的组织转变
1)马氏体的分解阶段得到回火马氏体
2)碳化物的转变得到回火托氏体
3)渗碳体集聚长大和铁素体的再结晶得到回火索氏体
按回火温度不同可分为三种类型的回火:
1)低温回火:
回火组织为回火马氏体
2)中温回火:
回火组织为回火托氏体
3)高温回火:
回火组织为回火索氏体,注意:
淬火加高温回火为调质处理。
4)回火脆性:
1)低温回火脆性或第一类回火脆性2)高温回火脆性或第二类回火脆性。
五、钢的淬透性
钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度,钢的淬硬性主要取决于钢中的含碳量
第四节钢的表面热处理(表硬里韧)
一、钢的表面淬火
组织变化
表面组织:
回火马氏体心部组织:
回火索氏体
二、化学热处理
组织与成分都发生变化
主要方法:
渗碳(固体渗碳、气体渗碳、液体渗碳)、渗氮(耐磨渗氮、耐蚀渗氮)
两种热处理都必须经历的过程
1)分解2)吸收3)扩散
第五节热处理工艺的应用
热处理工艺的应用
常见的热处理缺陷
1、过热与过冷
一般采用正火来消除过热缺陷。
过热是无法挽救
2、氧化与脱碳
3、变形与开裂
热处理的工序位置
1)预先热处理的工序位置
退火、正火或调质
2)最终热处理的工序位置
淬火、回火、表面淬火、表面化学热处理
注意:
P68例题,考试有可能考。
第四章工业用钢
工程结构用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢
结构钢的性能要求为:
使用性能以强韧性为主。
工艺性能以可焊性、淬透性为主。
碳素结构钢用于建筑结构,适合焊接、铆接、栓接等。
符号:
沸腾钢(F)、半镇静(b)、镇静钢(Z)
碳素结构钢牌号:
Q+屈服点数值+质量等级代号+脱氧方法
●Eg:
Q235-AF:
屈服点σs》=235MPa。
质量等级为A级的沸腾钢
碳素结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
●Eg:
Q460E:
表示屈服点σs》=460MPa。
质量等级为E级的低合金高强结构钢、低合金高强结构钢有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号(红色标记的为用途比较广的)
一些钢的用途:
1、Q345钢(16Mn)综合性能好,用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。
2、Q390钢含V、Ti、Nb,强度高,用于中等压力的压力容器。
3、Q460钢含Mo、B,正火组织为贝氏体,强度高,用于石化中温高压容器。
4、中淬透性钢:
20CrMnTi用于中等载荷的耐磨件,如变速箱齿轮。
5、高淬透性钢:
18Cr2Ni4WA用于大载荷的耐磨件,如柴油机曲轴。
6、合金调质钢:
40CrNi,用于制造大中型零件。
40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件,如曲轴
7、弹簧钢:
65Mn、60Si2Mn,用于制造较大截面弹簧。
50CrV,用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。
8、滚动轴承钢:
GCr15,大量用于大中型轴承;大型轴承用GCr15SiMn。
9、工具钢:
T7~T9:
制造承受冲击的工具,如木工工具:
冲子、凿子、锤子。
T12~T13:
制造耐磨工具,如锉刀、锯条
10、合金量具刃具钢:
9SiCr。
用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具,如丝锥、板牙
11、高速钢:
W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。
用于高速切削刃具,如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。
12、冷作模具钢:
Cr12和Cr12MoV。
用于制造冷冲模、挤压模等
13、热作模具钢:
5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模,后者用于中小型热锻模
14、不锈耐蚀钢:
1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。
用于要求塑韧性较高的耐蚀件,如汽轮机叶片
15、不锈钢:
1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti广泛用于化工设备及管道。
16、高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件
17、渗碳钢用于受力小的耐磨件,如柴油机的活塞销、凸轮轴等
提高高温强度的途径:
①固溶强化;②析出强化;③晶界强化
防止电化学腐蚀的措施:
①获得均匀的单相组织。
②提高合金的电极电位。
③使表面形成致密的钝化膜
一些工艺的目的:
1、锻造目的:
打碎粗大的鱼骨状碳化物,使其均匀分布于基体中。
2、退火目的:
降低硬度,便于切加工;为淬火作组织准备
3、淬火目的:
获得高合金元素含量的马氏体。
4、回火目的:
主要为减少A’。
消除内应力、稳定组织。
5、热处理:
大多数热轧空冷后使用。
少数可用正火+高温回火处理。
●Eg:
45Mn钢表示平均碳含量为0.45%的较高含锰组的优质碳素钢结构钢
●Eg:
Y20表示平均含碳量为0.2%的易切削结构钢
●Eg:
T13表示平均碳含量为1。
3%的高级优质碳素工具钢
合金结构钢牌号:
两位数字(平均万分数表示的钢中碳的质量分数)+元素符号+数字
若合金的质量分数《=1.5%时不标明数字
●Eg:
20Gr表示平均含碳量为0.2%、平均含Gr量少于1.5%的合金结构钢
合金工具钢牌号:
碳的质量百分数以千分位来表示。
●Eg:
9GrWMn表示钢中平均含碳量为0.9%,其他合金元素质量分数均小于或等于1.5%。
滚动轴承钢牌号(G)
●Eg:
GCr表示钢中平均含Gr量为1.5%的滚动轴承钢
耐蚀、耐热、不锈钢牌号,只有当C含量小于等于0.03%或小于等于0.08%时、其余的钢牌号前都写0或00。
●Eg:
00Gr18Ni9表示C含量小于等于0.03%、Gr含量为18%。
Ni含量9%的不锈钢。
铸钢(ZG)
ZG230_450表示屈服点为230MPa\抗拉强度为450MPa的工程用铸钢。
在钢中的杂质元素锰、硅有益元素、硫、磷有害杂质。
气体影响:
氮发生实效脆化、氧发生疲劳裂纹源、氢发生氢脆。
(书上P79图4-2看一下),大多数合金元素均能使钢中的S、E点左移。
合金元素对钢热处理工艺的影响
1、细化晶粒
2、提高钢的淬透性
3、提高耐回火性
4、产生2次硬化
5、防止第二类回火脆性
碳素工具钢在热轧空冷状态供货、一般不进行热处理。
渗碳钢:
表硬里韧。
渗碳件的加工工艺路线为:
下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火
冷成型弹簧:
冷拔→冷成型→定型处理。
用于<φ10mm弹簧
热成型弹簧:
热成型→淬火+中温回火。
用于大截面弹簧(>φ10mm)
滚动轴承钢是过共析钢。
其热处理:
球化退火+淬火+低温回火
碳素工具钢:
主要用于手工工具和低速刃具
合金元素作用:
提高淬透性:
Cr、Mn、Ni、B
强化铁素体:
Cr、Mn、Ni
细化晶粒:
W、Mo、Ti、V
1、Mn的作用是强化铁素体;增加珠光体的量。
2、V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。
3、Cu、P可提高耐蚀性
4、N单相奥氏体组织
5、Cr提高耐腐蚀性
6、C提高耐磨性、但韧性降低
钢号
钢种
合金元素的主要作用
热处理特点
使用状态下组织
Q345
低合金高强度结构钢
Mn:
强化F,增加P量,降低冷脆转变温度
热轧空冷
F+P
65Mn
弹簧钢
Mn:
提高淬透性,强化F
淬火+中温回火
T回
ZGMn13
耐磨钢
Mn:
获得单相A组织
水韧处理
表:
M+碳化物心:
A
20Cr
渗碳钢
Cr:
提高淬透性,强化F
渗碳+淬火+低温回火
表:
M回+颗粒状碳化物+A’心:
M回+F
40Cr
调质钢
Cr:
提高淬透性,强化F
调质处理
S回
9SiCr
低合金工具钢
Cr:
提高淬透性
淬火+低温回火
M回+颗粒状碳化物+A’(少量)
GCr15
滚动轴承钢
Cr:
提高淬透性,耐磨性、耐蚀性
淬火+低温回火
M回+颗粒状碳化物+A’(少量)
1Cr13
马氏体不锈钢
Cr:
提高耐蚀性
淬火+高温回火
S回
5CrNiMo
热作模具钢
Cr、Ni:
提高淬透性,强化F
淬火+高温回火
S回
Mo:
防止高温回火脆性
Cr12MoV
冷作模具钢
Mo:
细化晶粒,提高耐磨性
淬火+低温回火
M回+颗粒状碳化物+A’(少量)
W18Cr4V
高速钢
V:
提高耐磨性、热硬性
淬火+低温回火
M回+颗粒状碳化物+A’(少量)
1Cr18Ni9Ti
不锈钢
Ti:
防止晶间腐蚀
固溶处理
A
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