工程材料复习修订版10.docx
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工程材料复习修订版10
工程材料复习
第一章
1.1
离子化合物熔点、沸点、硬度高。
共价晶体高熔点、硬度和强度,脆。
分子键弱,低熔点、沸点、硬度。
四种材料:
金属、高分子、陶瓷、复合、功能材料。
1.2
晶体:
离子、原子、分子在三维空间呈有规则的长距离的周期性排列,长程有序,各向异性。
非晶体原子散乱分布各向同性。
晶面——通过结点的任一平面;晶向——通过结点的任一直线所指的方向。
七大晶系十四种晶格
晶体结构
原子排列
晶格常数
举例
体心立方晶格
a=b=c
α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb、β-Ti、Na、K
面心立方晶格
a=b=c
α=β=γ=90°
γ-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、β-Co
密排六方晶格
c/a=
Be、Mg、Zn、Cd、α-Co、α-Ti
致密度K——原子体积/晶胞体积
各向异性——晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,因而在同一晶体(单晶体)的不同晶面上的各种性能也会不同。
单晶体——结晶方位完全一致的晶体
晶体缺陷:
点缺陷(是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小,尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。
包括空位、间隙原子、置换原子;形成原因:
热运动)
线缺陷(是指三维空间中在两维方向上尺寸较小,在另一维方向尺寸相对较大的缺陷。
属于这类型缺陷的主要是各种类型的位错)
面缺陷(是指三维空间中在一维方向上尺寸很小,另外两维方向上尺寸很大的缺陷。
常见的面缺陷是金属中的晶界、亚晶界)
位错容易开动塑性好
位错不易开动强度高
晶粒小强度大
1.4
合金——由两种或两种以上的金属元素,或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质。
组元——合金的独立的、最基本的单元。
相是合金中具有相同的物理、化学性能,并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分。
组织是合金的微观形态,它是合金中各相的形态所构成的。
合金的相结构分固溶体和化合物
固溶体——合金组元间会相互溶解,形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相。
置换固溶体——指溶质原子取代部分溶剂原子而占据着晶格的结点位置所形成的
间隙固溶体——溶质原子分布在晶格间隙所形成的固溶体
当合金中溶质质量分数超过固溶体的溶解度时,将析出另一个新相。
若新相的结晶结构不同于任一组元,则新相是组元间形成的一种新物质——化合物。
在固溶体中,溶质原子的溶入将造成晶格畸变,溶质原子浓度增加,晶格畸变增大,从而导致固溶体强度和硬度升高,其他性能也变化,该现象称固溶强化。
化合物高熔点、硬度、脆性
1.7
使用性能工艺性能
在外力作用下所表现出的各种性能称为力学性能。
强度、硬度、塑性、韧性。
弹性极限:
σe屈服极限:
σs抗拉强度:
σb弹性模量:
E
强度——在静载荷作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。
屈服强度Re——材料产生屈服现象时的应力
抗拉强度Rm——拉断前最大标称拉应力
疲劳强度——变载荷作用下不致断裂的最大应力
塑性——在载荷作用下,产生塑性变形而不破坏的能力。
断后伸长率断面收缩率
硬度——材料抵抗外物压入其表面的能力
布氏硬度(HB)测量退火、正火、调质钢及铸铁、有色金属
洛氏硬度(HR)压痕深度衡量硬度,HRC应用最多
维氏硬度(HV)
冲击韧度用在冲击力作用下材料破坏时单位面积所吸收的能量来表示。
冲击韧度=冲击功(J)/式样缺口处初始截面积(cm2)
冲击性能受温度的影响很大
第二章
2.1
结晶——物质从一种原子状态过渡为另一种原子规则排列状态的过程。
过冷度——理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差。
晶坯=>晶核=>晶粒
当液态金属过冷到一定温度时,一些较大的原子集团开始变得稳定,成为结晶核心,即晶核。
自发形核非自发形核
枝晶长大晶核树状长大
影响形核率和长大速度的因素——过冷度和难熔杂质
晶粒愈小金属的强度、塑性和韧性愈好
晶粒大小控制——①增大过冷度②变质处理(孕育剂,变质剂)③机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
同素异构转变:
同种金属体材料中,不同类型晶体结构之间的转变称为同素异构转变。
2.2
相图——表明合金系中不同成分的合金在不同温度下所存在的相以及相与相之间关系的图形。
液相线固相线
匀晶相图共晶相图包晶相图
匀晶相图:
两组元在液态和固态中均为无限互溶最后形成单相固溶体的相图称为匀晶相图。
如Cu—Au、Au—Ag、Fe—Cr和W—Mo等合金系相图都是匀晶相图。
(L→α)
共晶相图:
两组元在液态无限互溶,在固态有限溶解(或不溶),并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元 共晶相图。
(L→α+β)
包晶相图:
两组元在液态下无限互溶,在固态有限溶解,并在结晶时发生包晶转变的相图,称为包晶相图。
(L+α→β)
枝晶偏析——在一个晶粒内化学成分不均匀的现象,改善=>扩散退火(均匀化退火)
溶质浓度愈大,晶格畸变愈大,则强度、硬度愈高,导电率愈小。
铸造合金的成分常选在共晶点附近。
液态金属或合金在铸锭模(得到铸锭)或铸型(得到铸件)中结晶。
2.3
铁碳合金碳钢和铸铁
铁素体(F)——碳在α-Fe(体心)中的间隙固溶体;强度差、硬度低、塑性好;WC=0.0218%
奥氏体(A)——碳在γ-Fe(面心)中的间隙固溶体;强度、硬度不高,塑性良好;WC=2.11%
渗碳体(Fe3C)(白)——碳与铁的化合物;硬度高,脆,塑性=0
珠光体(P)(黑)——片状F+片状Fe3C相间排列;性能介于F与Fe3C之间。
莱氏体(Ld)——A+Fe3C;硬度很高、塑性很差。
种类
工业纯铁
钢
白口铸铁
亚共析钢
共析钢
过共析钢
亚共晶白口铸铁
共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
WC/%
<0.0218
0.0218~0.77
0.77
0.77~2.11
2.11~4.3
4.3
4.3~6.69
平衡组织
F
F+P
P
P+Fe3CⅡ
Fe3CⅡ+P+Ld’
Ld’
Ld’+Fe3CⅠ
2.4
奥氏体的形成过程
(1)奥氏体形核阶段
(2)奥氏体晶核长大阶段
(3)残余渗碳体的溶解阶段
(4)奥氏体成分均匀化阶段
奥氏体晶粒度1级最粗8级最细
2.5
热处理中,冷却方式有两种,一是连续冷却,二是等温冷却
第三章
3.1
塑性变形——金属受到外力作用时,会在其内部产生应力,使金属发生相应的变形。
当外力增大,使金属的内应力超过其屈服极限后,外力消除而金属的变形并不消失。
单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行。
相同外力下,多晶体金属的塑性变形量一般比相同成分单晶体金属的塑性变形量小。
只有当外力进一步增大后,位错的局部运动才能通过晶界运动,产生更大的塑性变形。
多晶体的晶界可以起到强化作用
细化晶粒可以对多晶体金属起到明显强化作用
3.2
金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化,最明显的特点是强度随变形程度的增大而大为提高,其塑性却随之有较大的降低,这种现象称为形变强化,也称为加工硬化或冷作硬化。
位错密度高,晶体处于高能量状态,抗腐蚀性降低。
冷加工硬化会给金属进一步加工带来困难
外力去除后,仍残存于金属材料内的应力称为残余应力,有时也称内应力。
残余应力作用范围:
宏观残余应力、微观残余应力、晶格畸变残余应力。
残余应力危害:
(1)降低工件的承载能力
(2)使工件尺寸及形状发生变化
(3)降低工件的耐蚀性
利用再结晶退火消除加工硬化现象.
3.3
冷变形金属在加热时的组织和性能发生变化、将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。
在再结晶温度以下的变形叫冷变形
在再结晶温度以上的变形叫热变形
铸锭在塑性加工中产生塑性变形时,基体金属的晶粒形状和沿晶界分布的杂质形状都发生了变形,它们将沿着变形方向被拉长,呈纤维形状。
纤维组织稳定性高,不能用热处理方法加以消除,只有经过锻压使金属变形,才能改变其方向和形状。
3.4
金属的塑性加工性能是衡量金属材料通过塑性加工获得优质零件的难易程度。
用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。
塑性越好,变形抗力越小
变形抗力指在变形过程中金属抵抗外力的能力。
变形抗力越小,则变形中所消耗的能量也越少。
塑性加工性能影响因素:
金属本质
(1)化学成分
(2)金属组织
加工条件
(1)变形温度
随温度升高,金属的塑性上升,变形抗力下降
温度过高必将产生过热、过烧、脱碳和严重氧化
终锻温度过低,金属的变形强化严重,变形抗力急剧增加,加工难于进行,强行锻造,锻件破裂报废。
(2)变形速度
(3)应力状态
第四章
金属材料的热处理是金属材料在固态下,通关适当的方式进行加热、保温和冷却,改变材料内部组织结构,从而改善材料性能的一种工艺方法,也称之为金属材料的改性处理。
预备热处理(改善加工性能)最终热处理(提高使用性能)
热处理
普通热处理
退火、正火、淬火、回火
表面热处理
表面淬火
感应加热淬火、火焰加热淬火
化学热处理
渗碳、渗氮、渗金属
其他热处理
形变热处理、超细化热处理、真空热处理
退火是将钢加热到预定温度,保温一定时间后缓慢冷却,获得接近于平衡组织的热处理工艺。
目的:
1)降低硬度,改善切削加工性。
2)消除残余应力,稳定尺寸,减小变形与开裂。
3)细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。
正火:
正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(共析钢和过共析钢)以上30~50℃,保温适当时间后在静止空气中冷却的热处理工艺。
淬火:
是将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃,经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。
回火:
就是把经过淬火的零件重新加热到低于Ac1的某一温度,适当保温后,冷却的室温的热处理工艺。
热处理
目的
温度范围
冷却方法
应用
形成组织
退火
完全退火
组织均匀细化,降低硬度,提高塑性,改善加工性能,消除内应力
Ac3以上30~50℃冷却到500℃以下
空冷
亚共析钢、铸件、锻件、焊接件
珠光体
球化退火
珠光体中渗碳体球化,降低材料硬度,改善切削加工性
Ac1以上10~30℃冷却到600℃以下
空冷
共析和过共析钢及合金工具钢
扩散退火(均匀化退火)
使化学成分均匀化
Ac3以上150~200℃(1050~1150℃)长时间保温(10~15h)
随炉冷
合金钢大型铸、锻件
去应力退火
消除毛坯和零件中的残余应力
Ac1以下(500~650℃)保温慢冷至200℃空冷
空冷
铸、锻、焊件及经过切削加工的零件
热处理
目的
温度范围
冷却方法
应用
形成组织
正火
(1)对普通碳素钢、低合金钢和力学性能要求不高的结构件,可作为最终热处理。
(2)对低碳素钢用来调整硬度,避免“粘刀”。
(3)对共析、过共析钢用来消除网状二次渗碳体,为去球化退火作准备。
Ac3(亚共析钢)或Accm(共析和过共析钢)以上30~50℃
静止空冷
普通碳素钢、低合金钢最终热处理;过共析刚球化退火作准备
索氏体
淬火
强化钢件
亚共析钢Ac3+(30~50℃)过共析钢Ac1+(30~50℃)
介质速冷
强化工件
马氏体和贝氏体
回火
低温回火
降低钢的淬火应力,减少脆性,并保持其高硬度和高耐磨性
150~250℃
空冷
刃具、量具、模具、滚动轴承及渗碳、表面淬火的零件
回火马氏体
中温回火
获得高弹性极限和屈服强度
350~500℃
弹簧和锻模
回火托氏体
高温回火
提高钢的综合力学性能
500~650℃
连杆、曲轴、齿轮、机床主轴
回火索氏体
调质处理——淬火+高温回火(一般为中碳钢)
回火脆性:
淬火钢在某些温度范围内回火时,淬火钢出现冲击韧性下降的现象称为回火脆性。
4.5
钢的淬透性是在规定的淬火条件下,决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。
钢在淬火中获得马氏体的能力。
钢的淬硬性是指钢在淬火时所能获得的最高硬度
临界冷却速度越小,钢的淬透性越大
影响临界冷却速度:
(1)钢的碳质量分数
(2)合金元素
(3)钢中未溶物质
4.7
钢的化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入表层,以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。
渗碳(需热处理)、渗氮(无需热处理)、碳氮共渗
提高表面硬度、耐磨性,耐热性、耐蚀性。
第六章
6.1
工业用钢分碳素钢(碳钢)和合金钢
碳素钢除铁、碳外还有少量锰、硅、硫、磷的杂质元素。
锰脱氧能力较好,与硫化合成MnS,减小S的危害,对钢有强化作用。
硅的脱氧能力比锰强
硫、磷是有害元素
分类
举例
说明
碳素结构钢
Q235-A•F
屈服强度235MPa
优质碳素结构钢
45
40Mn
WC=0.45%(单位0.01%)
WC=0.40%Mn较高
碳素工具钢
T8
T8A
T——碳
WC=0.8%(单位0.1%)高级优质
一般工程用铸造碳钢
ZG200-400
铸钢屈服强度200MPa抗拉强度400MPa
6.2
6.3
工程用钢主要是用于各种工程结构
渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢
普通结构钢WC<0.4%
牌号
举例
Q195Q215Q235
螺钉、螺母、垫圈、焊接件、冲压件、桥梁金属
Q255Q275
小轴、销子、连杆、农机
Q295
油槽、油罐、车辆、桥梁
Q345Q390
油罐、锅炉、桥梁、车辆、压力容器、输油管道、建筑构件
Q420Q460
船舶、压力容器、电站设备、车辆、起重机
Cr、Ni、Mn:
提高淬透性,强化基体。
Ti、V:
细化晶粒,提高耐磨性。
零件制造一般工艺流程:
下料——>毛坯成形(通常为锻造)——>预备热处理——>粗加工——>最终热处理——>加工——装配
淬火+中温回火——弹簧钢
淬火+低温回火——滚动轴承钢
渗碳+淬火+低温回火——渗碳钢
6.4
工具钢——刃具钢、模具钢、量具钢
高硬度、高耐磨性、高热硬性(红硬性)
工具钢——锻造、预备热处理(完全退火、球化退火)、最终热处理(淬火+高温回火、正常淬火+低温回火、高温淬火+多次高温回火)
T8T8A
刃具
工具
T10T10A
T12T12A
不受冲击、低速刃具、模具、量具
9SiCr
板牙、丝锥、铰刀、搓丝板、冷冲模
CrO
W18Cr4V
高速切削刀具
W6Mo5Cr4V2
5CrW2Si
耐冲击剪刀片
Cr12
冷冲模
冷作模具刚
Cr12MoV
CrWMn
板牙、拉刀、量具、、高精度冷冲模
5CrMnMo
热锻模
中型热锻模
5CrNiMo
大型热锻模
Cr2W8V
热挤压模、高速锻模、精锻模
6.5
不锈钢(Cr、低碳)
耐热钢
耐磨钢
“ZG”铸钢
6.6
分类
石墨形状
铸铁组织
铸铁牌号及表示方法
基体
石墨
灰铸铁
片状
F或F+P或P
片状
HTxxx
由代号加数字构成。
H、Q、Ru、K、T分别为灰、球、蠕、可、铁的汉语拼音字首,第一组数字表示最低抗拉强度,第二组表示最低伸长率。
球墨铸铁
球状
F或F+P或P
球状
QTxxx-xx
蠕墨铸铁
蠕虫状
F或F+P或P
蠕虫状
RuTxxx
可锻铸铁
团絮状
P或F
团絮状
KTH(z)xxx-xx
铸铁性能特点:
(1)力学性能低,铸铁的抗拉强度和塑性都较低,这是由于石墨对钢基体的割裂作用和所引用的应力集中效应造成。
(2)耐磨性和消振性好,是因为铸铁中的石墨有利于润滑及贮油。
(3)工艺性能好,由于铸铁含碳量高,接近共晶成分,熔点比钢低,因而铸铁流动性好。
6.7
工业纯铝——铸造纯铝、变形铝
形变铝合金(防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝、锻造铝合金)
铸造铝合金
6.8
工业纯铜有T1、T2、T3、T4四个牌号数字愈大纯度愈低
黄铜(铜+锌)
青铜(铜+锡)
6.9
工业应用最广的轴承合金是锡基和铅基轴承合金(巴氏合金)
锡基轴承合金Sn-Sb-Cu
铅基轴承合金Pb-Sb-Sn-Cu
第七章
7.1
铸造:
是将液态金属或合金浇注到与零件的形状,尺寸相适应的铸型内,待其冷却凝固后,获得毛坯或零件的方法。
手工造型和机器造型
按砂箱分类:
两箱造型、三箱造型、地坑造型、脱箱造型
砂型铸造工艺流程:
造型、造芯、开设浇注系统、合型、熔炼金属、浇注、清理。
铸造工艺设计:
选择分型面、加工余量、铸件收缩率、起模斜度、铸造圆角、芯头。
7.4
铸铁壁之间避免锐角连接
铸件壁或筋的连接形式
第八章
8.1
塑性加工:
利用金属材料在外力作用下所产生的塑性变形,获得所需产品的加工方法称为塑性加工。
自由锻、模锻、胎模锻、板料冲压、轧制、挤压、拉拔等。
锻造温度范围是指锻件由始锻温度到终锻温度的间隔。
在零件图的基础上考虑了加工余量、锻造公差、工艺余块等之后绘制的图。
使板料分离或成形的工艺称冲压。
落料、冲孔
挤压、轧制、拉拔成形
第九章
9.1
焊接:
是一种永久性连接金属材料的工艺方法,焊接过程的实质是利用加热或加压等手段,借助金属原子的结合与扩散作用,使分离的金属材料牢固地连接起来。
主要应用:
船舶工程、桥梁工程、化工工程、建筑工程、机械工程等领域。
焊接分散布置的设计
焊缝避开最大应力断面与应力集中位置的设计
焊接性的好坏主要从两个方面来衡量。
一是焊接工艺性的优劣,如焊接接头产生的缺陷,尤其是出现各种裂纹倾向的大小;二是焊接接头的使用可靠性,如焊接接头的力学性能、耐蚀、耐热、导电、导磁等方面性能的持久性。
影响钢材焊接性的主要因素是化学成分,碳的影响最为明显,其它元素影响可折合成碳的影响,可用碳当量方法来估算钢材的焊接性。
w(c)当量<0.4%时,钢材塑性良好,淬硬倾向不明显,焊接性良好。
w(c)当量=0.4%~0.6%时,钢材塑性下降,淬硬倾向明显,焊接性能相对较差。
w(c)>0.6%时,钢材塑性较低,淬硬倾向明显,焊接性不好。
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