1、机械工程材料复习 Page 1 of 33 机械工程材料复习 第一部分 基本知识 一、概述 以“材料的化学成分加工工艺组织、结构性能应用” 之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习。 二、材料结构与性能： 材料的性能： 使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）； 工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。 材料的晶体结构的性能： 纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）； 纯金属：体心立方（ eF- ）、面心立方（ eF- ），各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高 实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压
2、晶界）各向同性；强度、硬度增高；塑性、韧性降低。 合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。 单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。 多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。 多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。 材料的组织结构与性能 。结晶组织与性能： F、 P、 A、 Fe3C、 Ld； 机械工程材料复习 Page 2 of 33 1）平衡结晶组织 平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。 机械工程材料复习 Page 3
3、of 33 2）成分、组织对性能的影响 硬度 (HBS)：随 C,硬度呈直线增加， HBS 值主要取决于组成相 CFe3 的相对量。 抗拉强度 ( b )： C 0.9%范围内， 先增加， C 0.9 1.0后， b 值显著下降。 钢的塑性 ( )、韧性 ( ka )：随着 C,呈非直线形下降。 3）硬而脆的化合物对性能的影响： 第二相强化：硬而脆的化合物， 若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及切削 加工性提高； 呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、韧性仅
4、略有下降或不降即弥散强化； 呈层片状分布于基体上 ： 则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。 。 塑性变形组织与性能 机械工程材料复习 Page 4 of 33 1）组织与性能的变化 金属塑性变形后产生晶格畸变，晶粒破碎现象，处于组织不稳定状态的非平衡组织， 非平衡组织向平衡组织转变： 可通过 再结晶、时效及回火实现。 加工硬化， 物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性： 产生纤维状组织；晶粒破碎、位错密度增加；织构现象的产生； 残余内应力。 2)变形金属在加热过程中组织和性能的变化 回复（去应力退火）：强度和硬度略有下降，塑性略有提高。电阻和内应力等理化性能显著下降 再结晶： 形成细小的等轴
5、晶粒。加工硬化消失，金属的性能全部恢复。金属的强度和硬度明显，而塑性和韧性显著，性能完全恢复到变形前的水平。 。 热处理组织与性能 1)贝氏体的机械性能： 上贝氏体：铁素体片较宽塑性变形抗力较低；同时，渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断因此，强度和韧性都较差。 下贝氏体：铁素体针细小，碳化物分布均匀，所以硬度高，韧性好，综合机械性能 好。 2)马氏体的形态及机械性能 板条马氏体（又称位错马氏体。）：碳含量 0.23； 机械性能：不存在显微裂纹，淬火应力小，强度高，塑性、韧性好。 针状马氏体：碳含量 1.0；（显微镜下呈针状） 机械性能：存在大量显微裂纹，较大的淬火应力，塑性和韧性均很差；
6、混合组织马氏体：碳含量在 0.23一 1.0之间时为板条和片状马氏体的混合组织。 机械工程材料复习 Page 5 of 33 马氏体的硬度 ,含碳最增加，硬度升高含碳量达到 0.6以后，其硬度的变化趋于平缓。 合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。 3）回火组织与性能 回火类型 回火温度 组织 性能及应用 组织形态 低温回火 150250 回火 M（ M） 保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件 过饱和 碳化物 ( CFex ) 中温回火 350-500 回火屈氏体（ T） 硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度，用于弹性元件 保留马氏体针形 F+细粒状 Fe3C 高温回
7、火 500-650 回火 索氏体（ S） 强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正多边形 F+粒状 Fe3C 机械工程材料复习 Page 6 of 33 火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。 材料组织结构变化实现的性能强化： 固溶强化：通过合金化 (加入合金元素 )组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化； 细晶强化：强度、硬度越高；其塑性、韧性越好。晶界处原子排列混乱，使其熔点低，易受腐蚀。由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。 加工硬化：使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加，从而使强度、硬度增加，塑性、韧性、耐蚀性等下降，并产生各向异性。冷塑性变形实现 。 第二相强化：硬而
8、脆的化合物（ Fe3C），若呈网状分布：则使强度、塑性下降； 若呈球状、粒状（球墨铸铁）：使韧性及切削加工性提高； 呈弥散分布于基体上：使强度、硬度增加，塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化； 呈层片状分布于基体上：强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。 形变强化：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度； 相变强化：通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。 三、材料热处理、合金化与性能 改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理） 退火：完全退火、 等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火 退火：加热保温缓冷获得接近平衡状态组织。 退火目的： 改善铸、锻、
9、焊粗大不均匀的组织，降硬度，提高塑性，改善冷加工工艺性。 消除成分不均匀，内应力。 1）完全退火 （加热 Ac3（ 20 30）温度，保温、缓冷 组织： P+F 机械工程材料复习 Page 7 of 33 目的：细化，均匀化粗大、的原始组织；降低硬度切削性；消除内应力；消除组织缺陷； 应用：（ C%=0.3 0.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧 2）球化退火 加热 Ac1（ 10 30），保温、缓冷（或 Ar1（ 20 30）等温） 应用：过，共析钢、高碳合金钢 组织：球状 P（ F+球状 Cem） 目的： Fe3CII及 Fe3C 共析 球化 HRC，韧性切削性 为淬火作准备；球化退
10、火前，正火处理，消除网状碳化物，以利于球化进行。 3）扩散退火 加热 1050 1150，保温 10 20h,冷却：炉冷 组织： P+F 或 P+Fe3CII 目的：消除偏析 后果：粗晶、魏氏组织、带状组织，韧性、塑性较差，需完全退火或正火来细化晶粒。 4）去应力退火（再结晶退火） 加热： Ac1（ 100 200）；保温炉冷； 目的：消除加工硬化，消除残余应力。 正火 正火：亚共析加热 Ac3 （ 30 50）、 过共析钢加热 Accm（ 30 50）保温空冷，得到 P 类工艺。 组织： S 或 P（ F Fe3C） 正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，得更高的强度和硬度；生产周期较短
11、，成本较低。 目的及应用：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。 机械工程材料复习 Page 8 of 33 预先热处理工艺应用 工具钢：球化退火；结构钢：正火，完全退火。表面强化处理的零件：调质处理正火。 改善冷塑性加工性能 再结晶退火：恢复变形前 的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。 改善机加工性能 C% 0.40中低碳钢：正火，提高硬度 C% 0.4O 0.60：完全退火； C% 0.6的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。 合金钢：退火： 铸铁件白口层：加热 850 950保温（炉冷空冷）。 消除材料的加工应力 去应力退火：没有组织变化。 工艺：缓慢加热 500 650保温缓冷，
12、钢铁的淬火 淬火原则与淬透性 目的：提高硬度、强度、耐磨性。 原则：淬硬，获尽量完全的 M；淬透， M 组织表里如一；保证淬硬条件 下，用缓冷介质，以防开裂。 . 淬透性：在规定淬火条件下得到 M 多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢的属性。由 A 过 稳定性决定，表现为 KV 的大小。 淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。 .淬透层深度：从表面至半 M 区的距离。与钢的淬透性及外在因素有关。 机械工程材料复习 Page 9 of 33 影响因素： I KV 越小，淬透层越深； II工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；。水淬比油淬
13、的淬透层深； .淬硬性：由 M 中 C%，钢的淬硬性越好。 淬火工艺 淬火加热温度 亚共析碳钢： C3A （ 30 50），组织：均匀细小 M 组织 温度太高， M 粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温度 C3A 时，硬度降低。 共析和过共析碳钢： 加热： C1A （ 30 50）。组织： M Fe3CII Ar， 若在 C1A Acm以上淬火， A 粗大高碳 M 粗大力学性能，变形开裂 合金钢：加热温度碳钢 淬火方法 单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油 双介质淬火 先水，后油冷却。复杂高碳钢及大型合金钢工件。 分级淬火 稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。
14、用于：小尺寸工件及刀具。 贝氏体等温淬火： 稍高 Ms 温度的盐浴或碱浴中冷却保温，获得 B 下 。用于：形状复杂和性能较高的较小零件。 深冷处理：在 0以下的介质中冷却的热处理工艺。 目的：减少 Ar获最大数量 M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。 用于：精密工件，量具。 表面淬火 原理：（交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应表面加热） 机械工程材料复习 Page 10 of 33 工艺：水（乳化液）喷射淬火（ 180 200）低温回火， 感应加热表面淬火的分类 1)高频淬火 淬硬层深度 0.5 2.5 ；中小零件。 2)中频淬火 淬硬层深度 2 10；大中模数齿轮 ,较大轴类零件等 3)工频
15、淬 火： 淬硬层深度 10 20 ；大直径零件。 适用钢种 中碳钢和中碳低合金钢： 碳素工具钢和低合金工具钢： 球铁、灰铸铁。 表面淬火的特点 加热速度快 )淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。表面硬度 2 3HRC，脆性。 显著提高钢件的疲劳强度。 钢的化学热处理 化学热处理：在加热和保温中使活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织，改善表面性能。 目的：提高表面硬度，耐磨性，心部仍保 持一定的强度和良好的塑性和韧性；提高钢件的疲劳强度；抗蚀性和耐热性等。 渗碳 1）碳浓度：表面 C(0.15 0.30 )C 1.0， 机械性能：经淬火回火，提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性和塑性。 用途：各种齿轮、活塞销、套筒等。渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢。 2）渗碳工艺 温度： 900 950；（渗碳加热到 3CA 以上） 渗碳时间： 900 950温度下， 0.2 0.3mm/h。 3）低碳钢渗碳缓冷组织：
