工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)復(fù)習(xí)工程材料

1、工程材料及機(jī)械制造基礎(chǔ)復(fù)習(xí)(I)工程材料工程材料11 材料的力學(xué)性能121 金屬的晶體結(jié)構(gòu)(1) 基本概念 晶體與非晶體： 兩者的主要區(qū)別是：a. 晶體中原子(或分子)按一定的幾何規(guī)律作周期的重復(fù)排列；b 晶體具有固定的熔點(diǎn)；c.晶體具有各向異性。 晶格；為了便于表明晶體內(nèi)部的原子排列規(guī)律，把每個(gè)原子看成一個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)與 點(diǎn)之間用直線連接起來(lái)而形成的空間格子。 晶胞：能完全反映晶格原子排列特征的最小幾何單元。 晶格常數(shù)；晶胞的棱邊長(zhǎng)度，晶格常數(shù)和棱面夾角表示晶胞的形狀和大小。(2) 常見(jiàn)金屬晶格類型 單晶體的各項(xiàng)異性：由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而導(dǎo)致在同一晶 體的不同晶面和晶向上的

2、各種性能也不同各項(xiàng)異性。多晶體晶粒大小對(duì)材料性能影響很大，在常溫下，晶粒愈細(xì)，材料的強(qiáng)度高，塑性、韌 性愈好。晶體的缺陷形式：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷。 晶體的缺陷對(duì)金屬的許多性能有很大的影響，特別對(duì)金屬的塑性變形、強(qiáng)化、固 態(tài)相變等都有重要的影響。1. 2. 2 金屬的結(jié)晶(1) 結(jié)晶的概念 物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程稱為凝固。而結(jié)晶是指由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過(guò)程，即金屬與合金從液態(tài)的無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵佑幸?guī)則排列的晶體結(jié)構(gòu)的過(guò)程。理解結(jié)晶 的概念應(yīng)著重掌握以下幾點(diǎn)：純金屬的結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行，其結(jié)晶過(guò)程可用冷卻曲線表示。純金屬的結(jié)晶需要一定的過(guò)冷度，即過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件。過(guò)冷度厶 T 是指理論

3、結(jié)晶溫度To與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差( T=ToTn)。冷卻速度越大，過(guò)冷度 越大。金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)過(guò)程：晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大。(2) 晶粒大小及其控制 晶粒越細(xì)，則金屬的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性越好?？刂凭Я４笮〉姆椒ㄓ校涸黾舆^(guò)冷度 (或增加冷卻速度，如用金屬型代替砂型、降低澆注溫度、慢速澆注等 )、變 質(zhì)處理、附加振動(dòng) (機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁攪拌等 )。(3) 金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下發(fā)生晶格類型改變的過(guò)程稱為同索異晶轉(zhuǎn)變。它與液態(tài)金屬結(jié)晶相 比具有以下特點(diǎn)： 遵循金屬結(jié)晶的一般規(guī)律（生核與長(zhǎng)大）； 具有較大的過(guò)冷傾向； 常伴隨著體積的變化，因而在金屬中引起較大的內(nèi)應(yīng)力，故易引

4、起金屬材料的變 形。（4）實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)13 金屬的塑性變形 單晶體的塑性變形的基本形式：滑移和孿晶兩種 。 多晶體的塑性變形包括晶粒內(nèi)部的變形與晶粒之間的變形兩部分 。晶內(nèi)變形 仍以滑移 與孿晶兩種基本方式進(jìn)行， 晶間變形 包括晶粒之間的微量相互位移與轉(zhuǎn)動(dòng)。 多晶體塑性變形的特點(diǎn) 是：變形的不均勻性，變形抗力比單晶體大，形成纖維組織與 各向異性。滑移系數(shù)愈多， 金屬的塑性愈好，特別是其中的滑移方向的作用更大。 塑性變形對(duì)金屬組織和性能的影響 變形金屬在加熱時(shí)的組織和性能的變化：回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。變形金屬 經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后其變形組織、性能完全消失，所以硬度、強(qiáng)度顯著下降，塑 性、韌性明顯

5、提高，內(nèi)應(yīng)力基本消除，金屬恢復(fù)到變形前的性能。金屬的冷熱加工（按低于或高于金屬的再結(jié)晶溫度來(lái)分） 熱加工對(duì)金屬組織和性能的影響三方面：粗大的柱狀晶和枝晶經(jīng)熱塑性變形被擊碎并形成等軸細(xì)晶粒組織，改善了力學(xué)性 能；鑄態(tài)金屬中的疏松、氣孔、微裂紋等缺陷，經(jīng)熱塑性變形被壓實(shí)或焊合，從而使 組織致密，性能提高；使金屬具有明顯的各向異性，如某些縱向的性能明顯大于橫向（流線）。14 合金的結(jié)構(gòu)和二元合金相圖 （1）基本概念 組元：組成合金的最基本的物質(zhì)。 相：合金中具有相同化學(xué)成分、相同晶體結(jié)構(gòu)的均勻部分。 固溶強(qiáng)化：因形成固溶體而引起合金強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。 合金相圖：用來(lái)表示合金在不同成分、溫度下的組

6、織狀態(tài)，以及它們之間相互 關(guān)系的一種圖形，亦稱狀態(tài)圖或平衡圖。（2）合金的結(jié)構(gòu)注：固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中分布情況不同可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。15 鐵碳合金相圖 （1）鐵碳合金的基本組織（ 3）鐵碳合金分類（4）各相區(qū)組織注若要填各區(qū)域存在的相則與上圖不同，請(qǐng)注意區(qū)別。 所謂Fe3C I、Fe3CH、Fe3C皿,它們的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、晶體結(jié)構(gòu)和本身的性質(zhì)都相同，其區(qū)別在于滲碳體的來(lái)源、形態(tài)及分布狀況有所不同1 11 11 11Fe3C I 1I1Fe3C n1I1Fe3C 皿I11 1來(lái)源丨11I液態(tài)丨II奧氏體丨III鐵素體I

7、I11 1形態(tài)丨11I條片狀丨I網(wǎng)狀丨II斷續(xù)的片狀I(lǐng)I11 1分布丨11I11沿奧氏體晶界丨1沿鐵素體晶界11結(jié)晶過(guò)程及室溫組織示意圖在亞共析鋼中，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋼中的珠光體增多，鐵索體減少，故強(qiáng) 度、硬度提高，塑性、韌性下降。但在過(guò)共析鋼中，滲碳體沿原奧氏體晶界呈網(wǎng)狀分 布，削弱了各晶粒間的結(jié)合力，從而降低了鋼的強(qiáng)度并增加了脆性。因此，碳的質(zhì)量 分?jǐn)?shù)超過(guò)了 09的鋼，其硬度雖然繼續(xù)增加，但強(qiáng)度卻明顯下降。特別是在白口鑄 鐵中滲碳體作為基體存在時(shí)，其塑性和韌性大大下降，因此白口鑄鐵具有很高的脆 性。1 6 鋼的熱處理不論哪一種熱處理工藝，都要經(jīng)歷加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段，其中保溫的

8、作用在 于使零件內(nèi)外溫度一致，并獲得細(xì)而成分均勻的奧氏體晶粒。熱處理與其他加工方法 (鑄造、鍛壓、焊接、切削加工等 )的區(qū)別是：它只改變金屬 材料的組織和性能，而不改變其形狀和大小。為了區(qū)別實(shí)際加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)，一般將加熱時(shí)的臨界點(diǎn)加標(biāo)符號(hào)“C”，如Ac1、Ac2、Acm ;冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)加標(biāo)符號(hào)“ r”，女口 Air、Ar3、Arcm。(1) 鋼的熱處理基本原理1) 鋼的奧氏體化奧氏體的形成過(guò)程也是由形核和長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)來(lái)完成的。該過(guò)程可以歸納為以下三個(gè) 階段：奧氏體晶核的形成和長(zhǎng)大、殘余滲碳體的溶解、奧氏體成分均勻化。奧氏體的晶粒大小除了與加熱溫度和保溫時(shí)間有關(guān)外，還與奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

9、 及合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。2) 過(guò)冷奧氏體冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變共析鋼 C 曲線如上圖。共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物小結(jié)在實(shí)際生產(chǎn)中常用相應(yīng)的 C 曲線來(lái)粗略地定性分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變所得到的產(chǎn)物與 性能，應(yīng)重點(diǎn)掌握根據(jù) C 曲線判斷常用碳鋼在爐冷、空冷、油冷、水冷等不同冷卻條 件下的組織與性能。3) 馬氏體轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn) 轉(zhuǎn)變速度極快，內(nèi)應(yīng)力較大； 晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變，塑性變形阻力增大； 奧氏體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高，則 Ms與Mf愈低； 馬氏體轉(zhuǎn)變不能完全進(jìn)行到底，會(huì)有少量的殘余奧氏體被保留下來(lái)，奧氏體的碳的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高，淬火后殘余奧氏體的量愈多。(2) 鋼的熱處理工藝1）退火的目的 調(diào)整鋼件的硬度

10、，改善切削加工性能； 消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，并防止其變形和開(kāi)裂； 細(xì)化晶粒，改善組織，提高鋼的力學(xué)性能和工藝性能； 為最終熱處理 （淬火、回火 ）做好組織上的準(zhǔn)備。2）正火目的與退火相似，其主要應(yīng)用場(chǎng)合是： 改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性； 消除過(guò)共析鋼中二次滲碳體，為球化退火做好組織準(zhǔn)備； 作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理中碳鋼。3）常用淬火方法4）滲氮 氣體滲氮：加熱溫度一般為 500560 C，其特點(diǎn)為：a. 工件不需再進(jìn)行淬火處理便具有高的硬度和耐磨性，且在知500600°C時(shí)仍 保持高的硬度 （即紅硬性）。b. 顯著提高了工件的疲勞極限，且使工件具有良好的耐蝕性能。c

11、. 處理溫度低，工件變形小。d. 氮化所需時(shí)間長(zhǎng)。 滲氮處理主要用于耐磨性和精度要求很高的零件或要求耐熱、耐蝕的耐磨件，如高精度機(jī)床絲杠、鏜床鏜桿、精密傳動(dòng)齒輪和軸、汽輪機(jī)閥門和閥桿、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸和 捧氣閥等。 離子氮化：大大縮短了滲氮時(shí)間，并且還能降低工件表面滲氮層的脆性，明顯 地提高韌性和疲勞極限。5）鋼的各種常用熱處理工藝及應(yīng)用注：在250-350 C及450-650 C范圍回火時(shí)，鋼的沖擊韌性反而顯著降低的現(xiàn)象稱為回火脆性。 前者稱為低溫回火脆性或不可逆回火脆性；后者稱為高溫回火脆性或可逆回火脆性。 滲碳后的組織和熱處理：滲碳后的熱處理為淬火（一次淬火法或直接淬火法 ）+低溫回火。最終組

12、織為：表層為 M 回+少量 A 殘，硬度可達(dá) 5864HRC ；,心部組織取決于鋼的淬透性，通常碳鋼為F+P,硬度約為10I5HRC ;合金鋼為低碳 M或低碳M+F，強(qiáng)韌性較好，硬度約為 30-45 HRC。 回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變包括：馬氏體的分解（200 C ）;殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變（200-300 C ）;滲碳體的形成（250400C ）;滲碳體的聚集長(zhǎng)大，鐵素體再結(jié)晶 （400 C ）。 淬透性與淬硬性：淬透性是指在規(guī)定條件下，決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性。它主要取決于鋼的化學(xué)成分和奧氏體化條件。大多數(shù)合金元素溶人奧氏體后使C 曲線右移，降低了鋼的臨界冷卻速度，從而提高了鋼的淬透性；奧氏體化

13、溫度愈高，保溫時(shí)間愈長(zhǎng)，則奧氏體晶粒愈粗大，成分 愈均勻，鋼的淬透性提高。鋼的淬硬性是指鋼經(jīng)淬火后能達(dá)到的最高硬度，它主要取決于鋼中碳的質(zhì) 量分?jǐn)?shù)，更確切地說(shuō)是取決于馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。6）熱處理工序安排 預(yù)備熱處理：其目的是改善毛坯的加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力和為最終熱處理做 準(zhǔn)備。它包 '退火、正火、時(shí)效和調(diào)質(zhì)等。a. 退火和正火：一般安排在毛坯制造之后粗加工之前進(jìn)行，但也有將正火安 排在粗加工之后進(jìn)行的。b. 調(diào)質(zhì)：一般安排在粗加工之后和半精加工階段之前進(jìn)行。 最終熱處理：目的主要是提高零件材料的硬度和耐磨性，包括各種淬火、滲 碳和氮化處理等。a. 淬火：分整體淬火和表面淬火兩種。淬

14、火經(jīng)常安排在半精加工之后和精加 工之前進(jìn)行。般的工藝路線為：毛坯制造f正火（退火）f粗加工f調(diào)質(zhì)f半精加工f表面淬 火一精加工。b. 滲碳淬火：一般安排在半精加工和精加工之間進(jìn)行。一般的加工路線為： 下料一鍛造f正火f粗加工及半精加工f滲碳淬火f精加工。c. 氮化處理：氮化工序位置應(yīng)盡量靠后安排。氮化零件的加工工藝路線一般 為：下料f鍛造f退火f粗加工f調(diào)質(zhì)f半精加工f除應(yīng)力f粗磨f氮化f精磨、超 精磨或研磨。對(duì)于熱處理變形更小的真空離子氮化，則可以安排在精磨之后作為最后 一道工序進(jìn)行。1. 7 鋼的分類、編號(hào)及應(yīng)用（1）鋼中雜質(zhì)元素1）錳：是有益元素，其作用是脫硫、脫氧，還能形成合金鐵素體和

15、合金滲碳體。2）硅：是有益元素，其脫氧能力比錳強(qiáng)，此外也能溶解于鐵素體中使鐵素體強(qiáng)化。3）硫、磷：都是有害元素，前者會(huì)使鋼材出現(xiàn)熱脆，后者會(huì)使鋼材出現(xiàn)冷脆。（2）合金元素在鋼中的作用1）合金元素對(duì)鋼中基本相的影響 形成合金鐵素體：會(huì)引起鐵素體的晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，因而鐵素體的強(qiáng) 度、硬度增高，塑性、韌性有所下降，尤以錳、硅、鎳的強(qiáng)化效果最為明顯。 形成合金碳化物弱碳化物形成元素 （錳 ），易溶于滲碳體中，形成合金滲碳體，其穩(wěn)定性、硬度比滲碳 體略高。中等碳化物形成元素 （鉻、鉬、鎢 ），既能形成合金滲碳體，又能形成特殊碳化物。特 殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔點(diǎn)、硬度、耐磨性及穩(wěn)定性

16、。強(qiáng)碳化物形成元素 （釩、鈮、鉻、鈦 ），一般形成特殊碳化物。2）合金元素對(duì)鋼熱處理的影響 細(xì)化晶粒：除錳、磷以外，大多數(shù)合金元素均在不同程度上有細(xì)化晶粒作用，其中 尤以強(qiáng)化碳化物形成元素的影響最為顯著。 提高淬透性：除鉆以外，大多數(shù)合金元素熔人奧氏體后均能增加過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定 性，使 C 曲線右移，從而提高鋼的淬透性。主要元素有：錳、硅、鎳、硼。 增加殘余奧氏體的含量：除鋁、鉆外，大多數(shù)合金元素都能使Ms、Mf下降，從而使淬火組織中的殘余奧氏體量增加。 提高紅硬性：合金元素提高了鋼回火過(guò)程中抵抗軟化的能力，即回火穩(wěn)定性，故采 用相同溫度回火時(shí)，合金鋼的硬度比碳鋼高。（3）鋼的編號(hào)1）碳素結(jié)構(gòu)

17、鋼 應(yīng)用： 08F:用作薄板、沖壓件等。1025:用作表面要求耐磨并承受一定沖擊載荷的機(jī)械零件，最終熱處理為滲碳后淬 火+低溫回火。3550:用作承受較大交變載荷與沖擊載荷的機(jī)械零件，如齒輪、連桿、主軸等，最 終熱處理為調(diào)質(zhì)處理。5570:用作各種尺寸較小的彈性零件（如彈簧）、車輪及受力不大的耐磨件，最終熱 處理為淬火+中溫回火。3）碳素工具鋼應(yīng)用：主要用作各種刀具、量具和模具，最終熱處理為淬火+低溫回火。4）合金鋼注滾動(dòng)軸承鋼的編號(hào)為： 耐磨鋼的編號(hào)為： 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的編號(hào)同碳素結(jié)構(gòu)鋼，但其質(zhì)量等級(jí)分為A，B，C，D，E五級(jí)。（4）各種合金鋼的成分、熱處理特點(diǎn)、性能特點(diǎn)及用途注：提高耐

18、蝕性的主要方法有：加入合金元素（鉻、鎳、硅等）使鋼的電極電位提高；使鋼在室溫下獲得單相組織；使鋼的表面形成一層氧化膜。耐熱性是包含高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度的一個(gè)綜合概念。加入鉻、硅、鋁等元素可提高鋼的高溫抗氧化能力；加入鎢、鉬、釩婷兀素可提高鋼的高溫強(qiáng)度。1. 8 有色金屬及其合金（1）鋁及鋁合金1）純鋁鑄造純鋁：變形純鋁：2）鋁合金（2）銅及銅合金1）純銅未加工產(chǎn)品：代號(hào)有Cu-1、Cu-2;加工產(chǎn)品：T1、T2、T3。后面數(shù)字均為順序 號(hào)2）銅合金黃銅a.普通黃銅：銅和鋅組成的二元合金，其耐蝕性優(yōu)于鋼鐵材料，主要用于制 作彈殼等零件。其代號(hào)表示法是：1辛埠b.特殊黃銅：其代號(hào)表示法是：青銅：

19、以除鋅、鎳以外的其他元素為主要合金元素的鋼合金。按其成分不 同，可分為錫青銅和特殊青銅兩類。鋁青銅是指錨與鋼組成的二元合金，它在大氣、 海水、淡水和蒸汽中的耐蝕性優(yōu)于黃銅，故主要用作形狀較復(fù)雜、耐蝕性好、致密度 要求不高的鑄件。代號(hào)：Q+主加元素化學(xué)符號(hào)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)+其他合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 鑄造鋼合金的牌號(hào)表示法是：ZCu+主加元素化學(xué)符號(hào)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)+其他合金元素化學(xué)符號(hào)及質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1. 9非金屬材料高分子化合物是相對(duì)分子質(zhì)量大于 5 000 的有機(jī)化合物的總稱，有時(shí)也叫聚合物或高聚物。高聚 物一般具有鏈狀結(jié)構(gòu)，它是由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子有機(jī)化合物重復(fù)鏈接而成的，故稱為大分子 鏈。凡是可以聚合生

20、成大分子鏈的低有機(jī)化合物叫單體。大分子鏈中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元叫鏈節(jié)。大分子 鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)稱為聚合度。高聚物的結(jié)構(gòu)有線型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)兩種。高聚物在不同溫度下呈現(xiàn)三種不同的物理狀態(tài)，即玻 璃態(tài) （塑料的工作狀態(tài) ）、高彈態(tài) （橡膠的工作狀態(tài) ） 和粘流態(tài) （ 有機(jī)膠粘劑的工作狀態(tài) ）。塑料是由合成樹(shù)脂 （ 主要組成物 ） 和添加劑 （填充劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、固化劑、著色劑 及其他 ）組成。按樹(shù)脂的熱性能不同塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。塑料的成型方法有注 射成型、擠出成型、吹鲴成型、壓制成型等。常用工程塑料有： ABS 塑料，可制造齒輪、電機(jī)外殼、 電冰箱外殼及內(nèi)襯等；聚酰胺， PA ，又名尼龍，廣泛用作機(jī)械零件，如軸承、蝸輪、螺栓等；酚醛塑 料，又名電木，可用作軸承、齒輪、墊圈及電