《机械工程材料》复习课1.docx
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《机械工程材料》复习课1
《机械工程材料》复习课
第一章金属的晶体结构与结晶
一.晶体与非晶体
晶体:
非晶体:
长程有序排列短序有序
具有确定熔点无固定熔点
各向异性各向同性
二.金属的晶体结构
体心立方面心立方密排六方
晶胞内原子数2个4个6个
致密度K=0.68K=0.74K=0.74
三.实际晶体的结构
晶粒内的晶格位向基本一致,各晶粒间位向都不同;亚晶间两侧晶体有很小的位向差θ<2°,亚晶界由一系列相隔一定距离的刃型位错垂直排列而成。
1.点缺陷:
空位与间隙原子
在一定温度下总有一定平衡浓度的点缺陷存在,引起点陈畸变,可以消失。
当淬火或冷加工时会产生室温下的过饱和点缺陷。
空位与扩散机制有关。
2.线缺陷:
位错
晶体中有几层原子错排了位置而形成的晶体缺陷。
正、负刃型位错可相互抵消。
塑性变形机制:
通过位错在切应力作用下在晶体中逐渐移动完成,而不是刚性的移动。
位错密度:
ρm=
提高强度:
(1)完全消除金属内的位错缺陷,σs~理论值:
(2)↗ρm加工硬化、热处理强化。
3.面缺陷:
晶界、亚晶界
晶界、亚晶界细化,可以↗强度、硬度和塑、韧性
(1)界面对塑性变形时的位错移动有阻碍作用,引起位错塞积,使变形抗力↗,强度、硬度↗。
(2)需要周围晶粒作协调的弹性变形以保持物体的连续性,使变形抗力↗。
(3)晶界越多,阻碍裂纹扩展,使韧性↗。
(4)晶粒细化,可使塑性变形均匀分散到各晶粒内,使应力集中程度↙,
试样断前塑性变形更多,使塑性↗。
四.纯金属的结晶
平衡凝固条件下:
理论凝固温度T0=T熔
实际非平衡凝固,存在过冷现象。
⊿T=T0-T1℃
冷却速度越大,⊿T也越大,过冷是金属结晶的必要条件。
结晶是一个不断形核与长大的过程,最后长成一个多晶体。
自发形核:
液相中一些原子的短程有序结构自发成为晶核;
非自发形核:
依附于难熔质点和型壁表面形核。
由于棱角处散热条件优越,晶粒常长成树枝晶。
五.细化晶粒的方法
依据:
Z 冶铸时 (1)增大⊿T; (2)变质处理: 改变N、G。 (3)附加振动: 使树枝晶破碎,↗N。 其它方法: (4)通过重结晶,重新形成晶核,长成细晶粒,eg: Fe-C合金。 (5)高应力下热加工时动态再结晶,锻、轧钢材比铸钢晶粒细。 六.金属同素异晶转变 当外界条件改变时,有些金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的转变。 特点: (1)属恒温转变,原子重排的固态相变,需更大的过冷度⊿T。 (2)包括形核、长大的过程,释放结晶潜热,称为重结晶或二次结晶。 (3)伴随有比容的跃变,产生较大内应力。 (K、a不同) 第二章机械性能 一.强度与塑性(静拉伸试验) 1.弹性极限: Re= 开始产生微量塑性变形的抗力op段 成直线关系: σ=Eε 2.屈服极限Rs= 代表材料发生明显塑性变形的抗力。 3.抗拉强度: Rm= 材料在断裂前所发生的均匀塑性变形所能承受的最大应力。 材料的强度: 材料在静载荷作用下抵抗破坏(塑变、断裂)的能力。 塑性: 材料在载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。 延伸率: A=×100% 断面收缩率: Z=×100% 二.硬度 1.布氏硬变HB: 适用于HBS<450的灰铸铁,轴承合金,有色金属、调质钢、退火的毛坯件,HBW<650。 压痕大,测值重复性高,精确。 2.洛氏硬度HR: HRA、HRC测高硬度材料,HRB测软材质,相互间不能比较。 广泛用于成品检验,压痕小,测值分散度大。 3.维氏硬度HV: 使从软到硬材料有一个连续标度。 可查附表对照其它硬度值。 一般不用于热处理现场检验,尤适于表面处理的模具硬度,作研究用。 三.冲击韧性Ak=G(H-h) 常用V梅氏试样,对易出现脆断的机件(焊接结构船)用V夏氏试样。 Ak值对材质反映敏感,生产上用来检验冶金、热锻、热处理的工艺质量。 四.多次冲击试验 多冲抗力=f(强度、塑性) 1.冲击能高~塑性,冲击能低~强度(高强钢需要适当的韧性ak配合)。 2.普通结构钢常桌用“淬火+中温回火(+低温回火)”工艺。 五.疲劳 无论脆性还是韧性材料,承受交变重复应力时往往在工作应力R 材料受相当循环次数(钢铁N=107,非铁金属108)不发生断裂的最大应力——疲劳强度σ-1。 第三章加工硬化与再结晶 多晶体的塑性变形抗力较单晶体为高: Rs=Ri+Kd 1)既要克服晶界的阻碍; 2)又要保证各晶粒间的连续性和协调的相应变形。 一.加工硬化 随着材料冷塑度程度的增加,其强度、硬度↗、塑韧性↙的现象。 内部组织亚结构发生变化: 胞状亚结构、呈细长条,纤维组织。 作用: (1)强化金属; (2)均匀成形;(3)过载安全保护。 不利: (1)抗蚀性下降,需去应力退火; (2)消除加工硬化要再结晶退火。 二.回复再结晶 1.回复——冷变形金属加热时,只发生某些亚结构和性能的变化,而光学显微组织不发生变化。 (1)去应力退火: 可以保留加工硬化的强化效果,消除内应力↙↙。 避免应力腐蚀开裂。 (2)消除空位等缺陷,(ρm↙不多),使电阻率↙↙。 2.再结晶——冷变形金属加热时,通过形核长大,形成无畸变的新晶核。 (1)再结晶退火: 可以消除加工硬化恢复到冷变形以前的水平。 T再=0.4T熔 (2)再结晶温度: T再——开始再结晶的最低温度。 1)预变形量: ↗T再↙。 2)熔点: Tm↗T再↗。 3)微量溶质原子: ↗T再。 (3)晶粒长大: 温度↗,时间增长,d↗。 (4)临界变形度2~10%,异常粗大的晶粒度。 三.热加工 高温塑变时,金属材料的加工硬化作用能被动态再结晶等软化过程所抵消,获得近般稳定的流变应力。 T再以上: 热加工,无加工硬化; T再以下: 冷加工,有加工硬化; 在高的流变应力下进行热加工发生动态再结晶也可以细化晶粒。 第四章二元合金状态图 合金: 由两种以上金属或非金属组成的确良具有金属特性的物质。 相: 系统中具有同一聚集状态,同一结构、成分、性能相同的均匀组成部分,常有相界存在。 组织: 显微镜下观察到的具有某种形态或形貌特征的各种相的综合。 一.合金相结构 无限固溶体 置换固溶体 1.固溶体 (溶剂晶格) 有限固溶体 间隙固溶体(有限) 溶质Rx大小、温度、晶格类型有关。 2.固溶强化 溶质溶入溶剂中形成固溶体,使晶格畸变,位错移动的阻力↗、强度↗。 (1)固溶强化比加工硬化的塑韧性要好。 (2)合金化可以在固溶体基体上形成强化相构成条相合金。 二.化合物 1.金属化合物: 晶体结构不同于任一组元的结构,熔点高,硬而脆的相。 正常价化合物间隙相 电子化合物间隙化合物 2.机械混合物: 由两相或多相按一定比例构成的金属组织。 如珠光体Fe3C/F、莱氏体,性能与各组成相的性能、数量和分布情况有关。 三.二元合金状态图 1.匀晶状态图 匀晶转变: 由液相结晶出单相固溶体的过程称之。 (以Cu-Ni无限固溶体为例) 只有在平衡状态下,所测得的结晶温度才是理论凝固温度To=熔点温度Tm。 平衡状态图: 假定冷却速度非常缓慢,以固相中原子都能充分进行扩散,成分均匀。 60%合金但随T↙(合金成分↙),α相↗,L↙相,液、固相平均成份不断沿着液、固相线变化,直到b3点,凝固终了,α相成分=原合金成分。 枝晶偏析: 非平衡凝固下,先析出的枝杆部分含高熔点成分多,后析出的分枝、枝间含低熔点的成分较多,原子来不及扩散均匀,造成微观偏折。 2.共晶状态图 在共晶点以左CE段为过共晶合金: 先L→sb,然后Lc→Pb→Sb组织由Sb+(Pd+Sb)组成。 共晶转变: 在恒温条件下,从液态中同时结晶出两种晶体(或两种固溶体)的过称称之。 其中发生共晶反应的成分为共晶成分,全体为共晶体的合金称为共晶合金。 密度偏析: 先共晶相与余液相的密度相差较大,会引起结晶相上浮或下沉,造成铸件在高度方向上成分组织的不均匀的宏观偏析。 3.杠杆规则应用 ══ 只适用于二元合金平衡相图的两相区或三相平衡共存线,不适于单相区。 4.共析状态图 共析转变: 在高温通过匀晶转变所形成的单相固溶体,在冷却到某温度时又发生恒温固态相变,同时分解析出两个新的固相的过程称之。 第五章铁碳合金状态图 一.状态图分析 ACD液相线,AECF固相线: (1)液、固相线之间两相区: L+A,L+Fe3C。 (2)固相线以下: AESG区域: 单相A区。 727℃以上: A+L,A+Fe3C; 727℃以下: F+Fe3C (3)恒温相变: Lc→γE+Fe3CⅠ, γs→Αp+Fe3C 二.金相组织与钢的凝固过程 (1)亚共析钢: L→L+A→A→A+F→F+P (2)共析钢: A→P (3)过共析钢: A→Fe3CII+A→Fe3CII+P (4)共晶白口铸铁: L4.3→Ld(A+Fe3CI→Ldˊ (5)亚共晶白口铸铁: L→A↗+L↙→A+Ld→A+Fe3CII→Ldˊ →P+Fe3CII+Ldˊ (6)过共晶向口铸铁: L→L+Fe3CI→Ld+Fe3CI→Ldˊ+Fe3CI 组织形貌: 参考书上P49图3-3-5至图3-3-10。 凡: C%=0~2.11%为钢,C%=2.11~6.09%为铁,画出冷却曲线,组织转变示意图。 第六章钢的热处理 一.钢在加热时的A化过程 临界点温度: A1、A3、Acm,Ac1、Ac3、Accm,Ar1、Ar3、Arcm 1.A化有三个阶段: (1)A晶核在P的F/Fe3相界处优先形核并长大; (2)F先消失,然后剩后Fe3C需有一溶解过程; (3)A的成分均匀化。 此外,过共析钢常在Ac1~Acm间进行“不完全A化”: A+部分Fe3C。 2.奥氏体晶粒长大及控制: (1)起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度; (2)提高加热速度,缩短加热时间,可获得超细隐晶晶粒度(高频); (3)合金元素、含碳量对A晶粒长大趋势有影响: C、Mn、P促进A长大,其余Me阻碍A长大。 二.冷却时的组织转变 1.过冷A等温转变: TTT图(又称C曲线) 特点: 从A1~MS间转变有孕育期 不同温度范围内产物不同。 P区: A1~C曲线鼻尖以上高温转变区: P: 0.3μm,10~25HRC(100~250HB) S: 0.1μm,25~35HRC T: <0.1μm,35~48HRC B区: C曲线鼻尖以下~MS中温转变区Fe切变,C原子短程扩散: B上: 羽毛球: C化物在F界面上,位错缠结, HRC40~45,脆性,不好 B下: 针叶状: C化物在F片内,位错蜜度高, HRC45~55,韧性好(等温淬火) 2.过冷A连续冷却转变CCT图 介绍图7-15,临界冷速VK~淬透性有关(决定过冷A稳定性) 三.钢的预处理: 正火与退火 1.完全退火——亚共析钢 2.球化退火(等温退火)——过共析钢 四.钢的淬火与回火 1、淬火: V>VK,得到M组织 (1)淬火温度: 亚共析钢AC3+30~50℃ 过共析钢AC1+30~50℃ (2)淬火方法: 1)单液淬火: 水、油、高分子聚合物水溶液。 2)双液淬火: 水淬油冷(T10A钢)。 3)分级淬火法: Ms点以上短时停留,M硝盐浴或碱浴, 4)等温淬火法: Ms以上长时间降成,B下用于形状复杂的小件 5)冷处理: 消除A残。 (3)淬透性与淬硬性: 淬透性~VK,过冷A越稳定越好,除CO外,大多数合金元素↗淬透性。 淬硬性~M中C%有关,淬透性高未必淬硬性高。 2.回火 淬火M组织不稳定,组织极脆,工件中存在很大的内应力,若不及时回火,会使工件变形开裂。 (1)M分解: 100℃以上,M中C以ε-F2.4C析出,过饱和度变↙,工模具和渗碳、表面淬火件形成“回火M”组织,含碳0.25%C,降低内应力和脆性60HRC。 (2)残余A分解: 200~300℃,A→B下。 (3)碳化物类型转变: 250~400℃,“Fe3C+针条状F”,回火T。 eg弹簧,有较高σs,σe。 (4)渗碳体聚集长大: 450℃以上,Fe3C聚集长成粒状,F发生再结晶。 成为: “球粒状Fe3C+等轴状F”回火索氏体S。 淬火+高温回火=调质,综合机械性能好,同时有良好的塑韧性和强度,用于处理重要零件,或作为表面处理的预备组织。 五.表面热处理 (1)表面淬火: 高、中频淬火,适于中碳钢,耐疲劳强度提高。 (2)化学热处理: 掌握渗碳处理,其它方法一般了解,不考试。 低碳钢材料渗碳处理: 用于承受较大冲击载荷和严重磨损条件下提高材料疲劳强度、耐磨性,及心部韧性。 组织: 表层: 0.85~1.05%C: “细小的回火M+粒状Fe3C”,58~64HRC, 心部: 回火低碳M及部分T,S组织,不允许大块状F。 四.成分、组织、性能间的关系、铁碳状态图的应用 1.解释书上图5-16。 2.选材应用: 结构型钢、机械零件、弹簧、工模具用钢。 3.为什么铸铁常选共晶成分? (流动性、疏松、偏析、热裂倾向) 4.锻造温度范围: (1)亚共析钢: GS(AC3线)以上 (2)过共析钢: A1以上: 破碎网状Fe3CII 第七章金属材料及应用 一.碳钢号及应用 1.钢号意义及表示方法 普通碳素钢: A类钢、B类钢 镇静钢: Mn、Si、Al充分脱氧,属本质细晶粒钢 有集中缩孔(须冒口成材率低),组织致密。 沸腾钢: Mn脱氧,属本质粗晶粒钢、有疏松、许多汽泡、 无集中缩孔成材率高,成本低。 表面有细品区,表面质量好,含Si少,塑性佳,宜作轧材。 2.优质碳素钢: 45钢、T8钢 3.高级优质碳素钢: T12A钢 4.铸造碳钢 ZG×××—××Rs-Rm(Mpa),用途。 二.合金钢分类与编号 1.低(Me<5%),中(5% 由于C、E点左移,出现莱氏体钢。 2.分类: 合金结构钢: 调质钢、渗碳钢、易切钢、低淬钢、普低钢、弹簧钢、轴承钢。 合金工具钢: 量具钢、冷作模具钢、热作模具钢。 特殊性能钢: 不锈钢、耐热钢、耐磨铸钢。 Ø25mm试样空气静止泠却: 分P钢、B钢、M钢、A钢、F钢etc。 3.编号: ①、结构钢: 00/00C,1%Me不标数字,1.5~2.5%标“Me2”。 加A—高级优质钢eg: 40Cr、Y15、GCr15(1%C,1.5%Cr) ②工具钢: T0/00C,碳素工具钢,T10,T12A。 无须加-A,1%C+MeX(对C>1%,不标碳量) eg: W18Cr4V(0.7%~0.8%),00Cr18Ni9,1Cr18Ni9Ti。 三.钢中常存杂质元素影响 1.Si和Mn: Si<0.4%、Mn<0.8%一般固溶强化F,否则有害。 MnS可↙S的害处。 2.S: 易形成A-FeS(985℃)的离异共晶,产生热脆,用MnS(1600℃)消除。 3.P: 极大地固溶入F中,使钢强化但脆性也↗——冷脆。 可以提高大气抗蚀性,用于S、P的易削钢或炮钢中。 四.合金结构钢 1.普低钢16Mn、15MnV作结构件,Q×××表示。 ①低碳: C<0.2%,保证良好塑韧性能泠成型,良好的焊接性能。 ②少量的Mn<1.8%,Si<0.6%,固溶强化,增加P量,在不降低韧性的前提下,使бs提高20~50%。 ③辅加V、Ti、Nb: 细化晶粒,弥散强化,Cu、P↗大气抗蚀性,Re↗低温韧性。 2.合金渗碳钢 用于受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的零件或交变载荷。 要求表面具有高硬度: 高耐磨性,心部要有高韧性和足够的强度。 ①C≈0.1~0.25%,保证心部有足够塑韧性。 ②Cr、Ni、Mn、B等;↗淬透性,提高参层强韧性。 ③Ti、V、Mo等强碳化物形成元素: 细化晶粒,抑制渗碳过热。 渗碳后”直接淬火+低温回火”组织: 表层: (Me,Fe)3C+回火M+少量A残,58~62; 心部: 1)全部淬透: 低碳M,HRC40~48; 2)部分淬透: T+低碳回M+少量F 钢号: 20Cr、20MnV薄层渗碳;20CrMnTi做齿轮; 18Cr2Ni4WA(M钢)做飞机、坦克上重载齿轮。 3.合金调质钢 制作一些受循环交变载荷或有冲击及各种复合应力工作的重要零件。 保证有较好的综合机械性能。 ①含碳量: 中碳0.3~0.55%C,既保证强度,又有较好韧性。 ②主加元素: Cr、Ni、Mn、Si、B↗渗透性,强化F。 ③辅加元素: V、Ti、Al细化晶粒,↗回火稳定性。 W、Mo可防止或减轻Cr、Ni钢的可逆回火脆倾向。 钢号: 1)低淬透性: 45,40,40Mn,40MnB 2)中淬透性: 40MnVB、42SiMn,40Cr,42CrMo 3)高淬透性: 40CrNiMoA,40CrMnΜo,38CrMoAlA 热处理: 淬火+高温回火(回火S) 4.弹簧钢 失效: 疲劳为主,要有高的бe和屈强比Rs/Rm。 1)含C: 0.45~0.75%(0.6~0.9%)保证Re和Rs/Re高。 2)主加元素: Mn,Si,提高渗透性,强化F。 3)辅加元素: Cr,W,Μo,Nb降低过热敏感,脱碳,细化品粒,提高稳定性。 钢号: 65Mn,60Si2Mn,50CrVA,65,75,85号钢。 热处理: 淬火+中温回火(回火T) 5.滚动轴承钢GCr15 1)含C: 0.95~1.10%,保证高的溶硬性和耐磨性。 2)Cr: 1.3~1.65%,提高渗透性,回火稳定性,及一定韧性,抗蚀性。 热处理: 球化退火(HB180~207)→淬火+泠处理+低温回火 61~65HRC,组织: 极细的回M+均布细粒(Cr,Fe)3C+少量A残。 6.其他结构钢: 易切钢: Y15 超高强度钢: 40CrNiMoA,4Cr5ΜoVSi,Ni25Ti2AlN6。 五.合金工具钢 1.高速钢W18Cr4V 1)含C: 0.7~0.8%形成W,Cr,V的大量碳化物,过饱和的M。 2)W: 17~19%,形成W2C,VC保证红硬性(二次硬化) 3)Cr: 4%,提高渗透性,形成Cr23C6提高抗回火稳定性。 1)锻造: 破碎铸态下的晶莱氏体碳化物及二次碳化物。 2)球化退火: S+细粒状碳化物(Cr23C6,Fe3W3C,VC) 3)淬火: 1260~1280℃淬火,使尽量可能多碳化物溶入A,提高淬透性,提高 红硬性和抗回火稳定性。 4)回火: 560℃×1hr三次: 使20~30%A残→M。 并弥散析出W2C.VC起二次硬化作用。 组织: 回M+含量碳化物+A残。 2.冷作模具钢Cr12MoV (1)锻造: 使碳化物均匀,破碎网状或莱氏体(Cr、Fe)7C3碳化物。 (2)球化退火: 细粒状P+Cr7C3255HB (3)淬火+回火: 回火M+Cr7C3+20%A残HRC62~64 由于大量A残存在,比一般低合金钢,高速钢变形小。 3.低合金工具钢 9SiCr、CrWMn、9Mn2V等。 4.热作模具钢 (1)中碳C<0.5%: 保证良好的强度与韧性配合; (2)Cr、Ni、Mn、Si: ↗淬透性。 (3)少量Mo、W、V: ↗钢的回火稳定性及减少回火脆性。 Cr、W等缩小A区元素,组织较稳定,↗冷热抗疲劳能力。 热处理: 淬火+高(中)温回火 5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、3Cr2W8V; 组织: “回火M+弥散硬化的碳化物”,回火T或回火S。 六.特殊性能钢 1.钢号: M不锈钢: 1CrB、2CrB淬火+高温回火,S回 及3Cr13(共)4Cr13(过),淬火+低温回火,M回 A不锈钢: 0Cr18Nμ9、1Cr18Nμ9顺磁体 抗氧化钢: 15CrMo、12CrMoV(P)、1Cr11MoV、1Cr12MoV(M) 4Cr14Ni14W2Mo、1Cr18Ni9Ti(A) 耐磨钢: ZGMnB、ZGMn8 2.奥氏体不锈钢的热处理特点 固溶处理: 1100℃水淬HRC↙↙。 时效处理: 850~880℃×6hr析出TiC、NbC防晶间腐蚀,ZGMn13有个水韧处理: 也是得到单相A组织,受应力时: A→M。
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