機械工程材料基礎(chǔ)

1、第一章晶體：內(nèi)部原子（離子或分子）在三維空間按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體非晶體：內(nèi)部原子（離子或分子）在三維空間內(nèi)無規(guī)則排列的物質(zhì)晶胞：能夠反應(yīng)晶格特征的最小組成單元晶格：能構(gòu)成晶體的實際質(zhì)點（原子或離子）抽象為純粹的幾何陣點，將這些陣點用假想的直線連接起來，構(gòu)成的三維的空間格架晶格常數(shù)：晶胞的三條棱長a,b,c.三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格特征： 晶格類型 晶胞中的原子數(shù) 原子半徑 配位數(shù) 致密度 體心立方 2 3a/4 8 0.68 面心立方 4 2a/4 12 0.74 密排六方 6 a/4 12 0.74配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子周圍最近鄰且等距

2、離的原子數(shù)致密度：晶胞中所含原子的體積與晶胞體積的比值晶面：由一系列原子組成，通過院子中心的平面晶向：任意兩個原子之間連線所指的方向指數(shù)：用以表述晶面（向）的數(shù)字符號稱為晶面（晶向）指數(shù) 原子排列情況相同但空間位向不同的所有晶面（晶向）稱為晶面（晶向）族密排面：原子密度最大的面密排方向：原子密度最大的方向晶體的各向異性：金屬沿不同方向性能不相同的現(xiàn)象實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)：點缺陷：晶格空位、間隙原子、異類原子線缺陷：刃型位錯、螺型位錯面缺陷：晶界、亞晶界目前最主要的工程材料包括金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料合金：一種金屬元素或幾種金屬（或非金屬）元素，通過熔化或其他方法結(jié)合在一起所形成的

3、具有金屬特性的物質(zhì)組元：組成合金最基本的獨立物質(zhì)相：在金屬或合金中，凡化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分兩類基本相：固溶體、中間相（金屬化合物）固溶體：合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相固溶體包括置換固溶體和間隙固溶體兩種形式固溶強化：通過形成固溶體使金屬的強度和硬度提高的現(xiàn)象中間相（金屬化合物）：組元之間相互形成的，晶格類型和特性均不同于任一組元的新相中間相包括正常價化合物、電子化合物、間隙相和間隙化合物凝固：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固結(jié)晶：原子團由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程有序狀態(tài)過冷現(xiàn)象：液態(tài)物質(zhì)要結(jié)晶，就必需冷卻到T0溫度

4、以下，即必需冷卻到低于T0溫度的某一個溫度Tn才能結(jié)晶。過冷度：理論結(jié)晶溫度T0與實際結(jié)晶溫度Tn之差，即T=T0-Tn結(jié)晶的基本過程：晶核的形成、晶核的長大晶核的形成：均勻形核 = 均質(zhì)形核 = 自發(fā)形核非均勻形核 = 異質(zhì)形核 = 費自發(fā)形核晶核的長大：平面狀態(tài)生長、樹枝狀態(tài)生長形核率：單位時間內(nèi)和單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的晶核數(shù)晶體的長大速率：單位時間內(nèi)晶核向周圍長大的平均速率冷卻速度和難熔雜質(zhì)對兩者有一定的影響細(xì)化晶核的方法：增大過冷度、變質(zhì)處理、振動和攪拌鑄錠晶區(qū)：表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：材料在固態(tài)下改變晶格類型的過程第二章使用性能：機械零件在正常工作情況下應(yīng)具備的性

5、能工藝性能：機械零件在冷、熱加工的過程中應(yīng)具備的性能強度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力比例極限：應(yīng)力-應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值彈性極限：材料產(chǎn)生完全彈性形變時所能承受的最大應(yīng)力值屈服強度：材料開始產(chǎn)生塑性變形時的應(yīng)力值，反映了材料抵抗永久變形的能力抗拉強度：材料的極限承載能力，是試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值剛度：材料受力時抵抗彈性形變的能力彈性模量E是指材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變的比值塑性：材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力硬度：材料抵抗局部變形的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)常用的硬度指標(biāo)：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、維氏硬度HV布氏硬度：壓頭為淬火鋼球450HBS 壓頭為硬質(zhì)

6、合金壓頭450650HBW洛氏硬度：頂角為120的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球為壓頭 無單位 1HRC=10HBS維氏硬度：頂部兩面相對具有規(guī)定角（136）的正四棱錐金剛石壓頭韌性：材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力沖擊韌度：材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力疲勞：工程材料在服役過程中，由于承受交變載荷而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，擴展以至斷裂失效的現(xiàn)象疲勞強度：試樣承受無數(shù)次應(yīng)力循環(huán)或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的應(yīng)力提高材料的疲勞強度（提高表面強度）的方法：改善零件的結(jié)構(gòu)形狀以避免應(yīng)力集中、降低零件表面粗糙度、盡量減少各種熱處理缺陷單晶體的塑性變形：兩種基本形式：滑移、孿生滑移：晶

7、體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生相對滑動位移的現(xiàn)象滑移系：一個滑移面與其上的一個滑移方向組成多晶體塑性變形的特點：各晶粒變形顯微組織呈現(xiàn)纖維狀、亞結(jié)構(gòu)生成、形變織構(gòu)產(chǎn)生（絲織構(gòu)、板織構(gòu)）冷變形對金屬性能的影響：（1） 冷變形強化（加工硬化） 隨著塑性變形量的增加，金屬的強度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象 根本原因：位錯密度及其他晶體缺陷的增加 位錯強化：通過增加位錯密度來提高金屬強度的現(xiàn)象（2） 力學(xué)性能的各向異性（3） 物理、化學(xué)性能的改變（4） 殘余應(yīng)力：宏觀內(nèi)應(yīng)力、微觀內(nèi)應(yīng)力、點陣畸變冷變形金屬在加熱時組織和性能的變化：（1） 回復(fù)：殘余應(yīng)力大大降低（2） 再結(jié)晶：是一個

8、形核和長大的過程 不是一個恒溫過程，它是在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生的 冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶 最低再結(jié)晶溫度影響因素： 預(yù)先變形度、金屬的熔點、雜質(zhì)與合金元素、加熱速度和保溫時間（3） 晶粒長大冷加工與熱加工的區(qū)別：以再結(jié)晶的溫度作為冷加工和熱加工的分界。低于再結(jié)晶溫度的加工為冷加工，反之熱加工熱加工對金屬組織的影響：消除鑄錠組織缺陷、細(xì)化晶粒、形成鍛造流線、形成帶狀組織第三章相圖：表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解勻晶相圖：凡是二元合金系中有兩組元在液態(tài)下可以任何比例均勻的相互溶解，在固態(tài)下能形成無限固溶體時，其相圖屬于勻晶相圖勻晶轉(zhuǎn)變：由液相結(jié)晶出均一固相的過

9、程二元共晶相圖：凡二元合金系中兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下形成兩種不同固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖共晶轉(zhuǎn)變：二元合金系中，一定成分的液相，在一定溫度下同時結(jié)晶出成分一定的兩種不相同固相的轉(zhuǎn)變 （在恒溫下進(jìn)行）包晶相圖：兩組元在液態(tài)下無限互溶，在固態(tài)下有限溶解，并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金相圖包晶轉(zhuǎn)變：在一定溫度下，有一定成分的固相與一定成分的液相作用，形成另一個一定成分固相的轉(zhuǎn)變 （在恒溫下進(jìn)行）共析轉(zhuǎn)變：載一定溫度下，由一定成分的固相分解為另外兩個一定成分故鄉(xiāng)的轉(zhuǎn)變過程 （恒溫轉(zhuǎn)變）共析相圖含有穩(wěn)定化合物的相圖穩(wěn)定化合物：具有一定熔點，在熔點一下保持其固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物鐵碳合金的基

10、本組織基本組元：鐵、碳基本組織：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體鐵素體：碳溶入-Fe中形成的間隙固溶體 F 體心立方晶格奧氏體：碳溶入-Fe中形成的間隙固溶體 A 面心立方晶格滲碳體：鐵和碳相互作用而形成的一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物 Fe3C珠光體：由鐵素體和滲碳體組成的多相組織 P萊氏體：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3的液態(tài)合金冷卻到1148時，同時結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的多相組織 Ld 在727以下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為變態(tài)萊氏體Ld鐵碳相圖中的轉(zhuǎn)變：共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變鐵碳合金的分類：工業(yè)純鐵：Wc0.0218鋼：共析鋼：Wc=0.77亞共析鋼：Wc=0.0218-0.77過共析

11、鋼：Wc=0.77-2.11白口鐵：共晶白口鐵：Wc=4.3 亞共晶白口鐵：Wc=2.11-4.3 過共晶白口鐵：Wc=4.3-6.69碳鋼的牌號：（1） 碳素結(jié)構(gòu)鋼：代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號（2） 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：兩位數(shù)字，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍數(shù)（3） 碳素工具鋼：T后面加數(shù)字，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍數(shù)（若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在數(shù)字后面加A）（4） 碳素鑄鋼：ZG加兩組數(shù)字，第一組為最小屈服強度值，第二組為最小抗拉強度值選材。第四章熱處理：采用適當(dāng)?shù)姆绞皆诠虘B(tài)下對鋼件進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝方法目的：改善工藝性能、

12、提高強度熱處理的分類：普通熱處理、表面熱處理、化學(xué)熱處理、特殊熱處理奧氏體的形成過程:（1） 奧氏體晶核的形成（2） 奧氏體晶核的長大（3） 剩余滲碳體的溶解（4） 奧氏體成分均勻化影響奧氏體形成的因素：加熱溫度、碳含量、合金元素（Co、Ni、Al以外的都降低速度）、原始組織常見的A晶粒度：起始晶粒度：P向A轉(zhuǎn)變完成時剛形成的A晶粒大小實際晶粒度：鋼在某一具體加熱條件下獲得的A晶粒大小本質(zhì)晶粒度：鋼在規(guī)定加熱條件（93030保溫3-8h）下加熱時奧氏體晶粒長大的傾向A晶粒長大的傾向主要取決于鋼的成分和冶煉條件過冷奧氏體：在臨界點以下暫時存在的A稱為過冷奧氏體過冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線：1、珠光

13、體型轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）擴散型 A1-650 珠光體P 粗片狀 650-600 索氏體S 細(xì)片狀 600-550 托氏體T 極細(xì)片狀2、貝氏體型轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）半擴散型 550-350 上貝氏體 羽毛狀 350-Ms 下貝氏體 竹葉狀3、 馬氏體型轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）無擴散型 針狀、板條狀僅僅是晶格類型改變，而無碳濃度的改變碳在-Fe中的過飽和固溶體稱為馬氏體M轉(zhuǎn)變的特點：無擴散型轉(zhuǎn)變、變溫形成、轉(zhuǎn)變速度極快、體積膨脹、轉(zhuǎn)變的不完全性、可逆性有較高的強度，還有較好的塑性和韌性過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變：爐冷：P空冷：S油冷：T+M+殘余奧氏體臨界冷卻速度：M水冷：M=+殘余奧氏體鋼的退火與正火（預(yù)備熱處理

14、）：退火：將鋼加熱到臨界點以上或以下的適當(dāng)溫度，并保溫一段時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝目的：1、 降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能或后續(xù)變形性能2、 消除組織缺陷，細(xì)化晶粒，均勻組織，提高力學(xué)性能，為最終熱處理做準(zhǔn)備3、 消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，減少變形和開裂傾向常用的退火方法：完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火、擴散退火完全退火：將鋼加熱到Ac3+ 30-50，保溫一段時間，然后隨爐冷卻。主要用于亞共析鋼球化退火：一次加熱球化退火、等溫球化退火、往復(fù)球化退火使鋼中碳化物球狀化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝主要用于過共析鋼及合金工具鋼目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工

15、性能和力學(xué)性能，獲得均勻組織，改善熱處理工藝性能，為淬火做準(zhǔn)備在退火前要進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體正火：將鋼加熱到Ac3或Accm以上30-50，保溫后在空氣中冷卻得到珠光體類型組織的熱處理工藝目的和應(yīng)用：1、 重要零件的預(yù)備熱處理，如半軸、凸輪軸2、 普通零件的最終熱處理，受力較小、性能要求不高的碳素結(jié)構(gòu)鋼零件3、 對于工具鋼、軸承鋼等用正火課消除網(wǎng)狀滲碳體，以利于球化退火，同時細(xì)化晶粒，為淬火做準(zhǔn)備退火與正火的選擇：正火的冷卻速度讀較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，獲得的組織更細(xì)小正火比退火生產(chǎn)周期短、操作簡單、生產(chǎn)率高、工藝成本低一般情況下盡量用正火代替退火鋼的淬火與回火（最終熱處理）：淬火：把鋼加熱

16、到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度，保溫后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s，以獲得馬氏體和下貝氏體組織的熱處理工藝目的：獲得M或B組織，提高鋼的性能（硬度、強度、耐磨性）加熱溫度的選擇：亞共析鋼：Ac3以上30-100共析鋼和過共析鋼：Ac1以上30-70過熱和過燒：前者可以補救，后者無法補救淬火介質(zhì)：水、鹽水、油、鹽浴及堿浴淬火方法：單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級淬火、等溫淬火鋼的淬硬性：鋼在正常淬火時所能達(dá)到的最高硬度值，表明鋼的淬硬能力，主要決定于鋼（準(zhǔn)確的說是淬火M）中的碳含量鋼的淬透性：鋼在淬火中時獲得M的能力，主要取決于鋼的臨界冷卻速度，即過冷奧氏體的穩(wěn)定性影響淬透性的因素：碳含量

17、、合金元素（除鈷之外，其余合金元素溶于A均會降低臨界冷卻速度）、奧氏體化溫度、鋼中未溶第二相回火：將淬火后的零件加熱到低于Ac1的某一溫度并保溫，然后冷卻到室溫的熱處理工藝目的：穩(wěn)定鋼的組織和尺寸、減少或消除內(nèi)應(yīng)力、獲得所需的力學(xué)性能淬火鋼回火時的組織轉(zhuǎn)變：M的分解、A的分解、回火托氏體的形成、Fe3C的聚集長大和F的再結(jié)晶回火的種類：1、 低溫回火（150-250）：得到回火馬氏體組織2、 中溫回火（350-500）：得到回火托氏體組織3、 高溫回火（500-650）：得到回火索氏體組織調(diào)質(zhì)處理：淬火加高溫回火的熱處理鋼的回火穩(wěn)定性：淬火鋼在回火過程中抵抗強度、硬度下降的能力決定因素：鋼中的

18、合金元素 Si、Cr、Mo二次硬化：一些含有Mo、W、V、Cr等元素較多的鋼，隨回火溫度的提高，硬度并不簡單下降，而在某一較高回火溫度，硬度反而顯著升高第一類回火脆性：鋼在250-350范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的低溫不可逆回火脆性第二類回火脆性：鋼在450-650高溫回火后緩冷時，會使沖擊韌度下降的現(xiàn)象鋼的表面熱處理：僅改變工件表面層的組織或同時改變表面層化學(xué)成分的熱處理方法，常見的有表面淬火和化學(xué)熱處理表面淬火：只改變表層組織性能而不改變鋼的化學(xué)成分在表面淬火之前，應(yīng)進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理方法：感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱、激光加熱化學(xué)熱處理：三個過程：分解、吸收、擴散種類：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬滲碳：固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳滲氮：氣體氮化、離子氮化第五章合金鋼：在碳鋼的基礎(chǔ)上，有意識地加入一些合金元素的鋼合金元素存在的兩種形式：溶解于碳鋼原有的相中、形成某些碳鋼中沒有的新相（1） 形成合金鐵素體（2）形成碳