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1、机械工程材料机械工程材料 复 习.使用性能使用性能工艺性能工艺性能纯金属纯金属合金合金工业用钢工业用钢有色金属及其合金有色金属及其合金铸铁铸铁结晶结晶塑性变形塑性变形热处理热处理.一、一、性能性能l 使用性能使用性能l1、力学性能、力学性能l 刚度：刚度：材料抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力。l指标为弹性模量：指标为弹性模量：E=/l 强度：强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：材料抵抗变形和破坏的能力。指标：l抗拉强度抗拉强度 b材料断裂前承受的最大应力。材料断裂前承受的最大应力。l屈服强度屈服强度 s材料产生微量塑性变形时的应力。材料产生微量塑性变形时的应力。.l条件屈服强度条件
2、屈服强度 0.2残余塑变为残余塑变为0.2%时的应力。时的应力。l疲劳强度疲劳强度 -1无数次交变应力作用下不发生破坏的无数次交变应力作用下不发生破坏的最大应力。最大应力。l 塑性：塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指材料断裂前承受最大塑性变形的能力。指标为标为、。l 硬度：硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为HB、HRC、HV。.l 冲击韧性：冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为材料抵抗冲击破坏的能力。指标为k。材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。l 断裂韧性：断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标材料抵
3、抗内部裂纹扩展的能力。指标为为K1C。l2、化学性能、化学性能l 耐蚀性：耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。材料在介质中抵抗腐蚀的能力。l 抗氧化性：抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。材料在高温下抵抗氧化作用的能力。l3、耐磨性：、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。材料抵抗磨损的能力。.l 工艺性能工艺性能l1、铸造性能：、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩率、液态金属的流动性、填充性、收缩率、偏析倾向。偏析倾向。l2、锻造性能：、锻造性能：成型性与变形抗力。成型性与变形抗力。l3、切削性能：、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性。对刀具的磨损、断屑能力及导热性。l4、焊接性能：
4、、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。产生焊接缺陷的倾向。l5、热处理性能：、热处理性能：淬透性、回火稳定性、二次硬化、淬透性、回火稳定性、二次硬化、回火脆性。回火脆性。.l强碳化物形成元素：强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如如TiC、VCl中碳化物形成元素：中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如如Cr23C6l弱碳化物形成元素：弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如如Fe3Cl 性能比较：性能比较：强度：固溶体强度：固溶体 纯金属纯金属l 硬度：化合物硬度：化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属l 塑性：塑性：化合物化合物 固溶体固溶体 纯金属纯金属二、二、成分成分.金属化合物形态对性能的影响金属化合物形态
5、对性能的影响l 基体、晶界网状：基体、晶界网状：强韧性低强韧性低l 晶内片状：晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低强硬度提高，塑韧性降低l 颗粒状：颗粒状：l弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀，弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀，合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。.合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用l1、强化铁素体；、强化铁素体；l2、形成化合物、形成化合物第二相强化第二相强化l3、扩大（、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区相区l4、使、使S、E点左移点左移l5、影响、影响A
6、化化l6、溶于、溶于A(除除Co外外),使使C曲线右移曲线右移,Vk减小减小,淬透性提高淬透性提高.l7、除、除Co、Al外，使外，使Ms、Mf点下降。点下降。.l8、提高回火稳定性（、提高回火稳定性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力降的能力）l9、产生二次硬化（、产生二次硬化（含高含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为转变为M回回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象，使硬度不仅不下降，反而升高的现象）l10、防止第二类回火脆性：、防止第二类回火脆性：W、Mol
7、(回火脆性回火脆性 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。的冲击韧性下降的现象。).三、三、组织组织l 纯金属的组织纯金属的组织l1、结晶：、结晶：金属由液态转变为晶体的过程金属由液态转变为晶体的过程l 结晶的条件结晶的条件过冷：过冷：在理论结晶温度以下发生在理论结晶温度以下发生结晶的现象。结晶的现象。l过冷度：过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。理论结晶温度与实际结晶温度的差。v T=T0 T1v实际液态金属的结晶总是在过冷的条件下进行实际液态金属的结晶总是在过冷的条件下进行v过冷度大小与冷却速过冷度大小与冷却速 度有关，度有关，冷
8、速越大，冷速越大，过冷度过冷度越大越大。.l 结晶的基本过程结晶的基本过程晶核形成与晶核长大晶核形成与晶核长大l形核形核自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核l长大长大均匀长大与树枝状长大均匀长大与树枝状长大l 结晶晶粒度控制方法：结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；增加过冷度；变变质处理；质处理；机械振动、搅拌机械振动、搅拌 在一般情况下，晶粒愈小，其强度、塑性、在一般情况下，晶粒愈小，其强度、塑性、韧性也愈高。韧性也愈高。铸锭铸锭(件件)的宏观组织通常由三个区组成的宏观组织通常由三个区组成:表层细晶区表层细晶区、柱状柱状晶区、中心粗等轴晶区晶区、中心粗等轴晶区.l2、纯金属中的固态转变、纯金
9、属中的固态转变l同素异构转变：同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。而发生变化的现象。l固态转变的特点：固态转变的特点：形核部位特殊；形核部位特殊；过冷倾过冷倾向大；向大；伴随着体积变化。伴随着体积变化。1394 912 铁的铁的同素异构转变：同素异构转变：-Fe -Fe -Fe.三、铁碳合金相图的分析三、铁碳合金相图的分析1、特征点、特征点.四、四、钢的热处理钢的热处理l 热处理原理热处理原理l1、加热时的转变、加热时的转变l奥氏体化步骤：奥氏体化步骤：A形核；形核；A晶核长大；残余渗碳体溶晶核长大；残余渗碳体溶解；解；A成分均匀化。成分均匀化。
10、l奥氏体化后的晶粒度：奥氏体化后的晶粒度：l初始晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度。l实际晶粒度：实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。给定温度下奥氏体的晶粒度。l本质晶粒度：本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。加热时奥氏体晶粒的长大倾向。.钢加热时的实际转变温度分别用钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。表示。临界温度与实际转变温度临界温度与实际转变温度铁碳相图中铁碳相图中PSK、GS、ES线线分别用分别用A1、A3、Acm表示。表示。由于实际加
11、热或冷却时存在由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将过冷或过热现象，因此，将.影响奥氏体晶粒长大的因素影响奥氏体晶粒长大的因素A、加热温度和保温时间：加热温度和保温时间：l加热温度高、保温时间长，加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。晶粒粗大。B、加热速度：、加热速度：l加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。C、合金元素：、合金元素：l阻碍奥氏体晶粒长大的元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等等，多为碳化物和氮化物形成元素。，多为碳化物和氮化物形成元素。l促进奥氏体晶粒长大的元素：促进奥
12、氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。D、原始组织原始组织l原始组织愈细，晶粒愈细。原始组织愈细，晶粒愈细。.2、冷却时的转变、冷却时的转变过冷奥氏体的转变方式过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却有等温转变和连续冷却转变两种。转变两种。五个区域：五个区域：u过冷奥氏体区；过冷奥氏体区；u奥氏体转变产物区；奥氏体转变产物区；u过冷奥氏体转变产物过冷奥氏体转变产物的混合区；的混合区；u在在MsMsM Mf f之间为马氏体之间为马氏体区。区。u在在A A1 1线以上是稳定的奥线以上是稳定的奥氏体区。氏体区。时间时间温温度度A1MSMfA过过冷冷APBMAMABAP转变开始线转变开始线转变终了线转
13、变终了线.C曲线分析曲线分析 转变开始线与纵坐标之间转变开始线与纵坐标之间的距离为的距离为孕育期孕育期。l孕育期越小，过冷奥氏孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。体稳定性越小。l孕育期最小处称孕育期最小处称C 曲线曲线的的“鼻尖鼻尖”。碳钢鼻尖。碳钢鼻尖处的温度为处的温度为550。.l 等温转变曲线及产物等温转变曲线及产物 650600550350A1MSMf时间时间PSTB上上B下下MM+AAPASATAB上上AB下下AM过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A.过冷奥氏体转变产物（共析钢）过冷奥氏体转变产物（共析钢）.用用用用C C曲线定性说明连续冷却转变产物曲线定性说明连续冷却转
14、变产物曲线定性说明连续冷却转变产物曲线定性说明连续冷却转变产物 l根据与根据与C C曲线交点位置判断转变产物曲线交点位置判断转变产物 P均匀均匀A细细AA1MSMf时间时间等温退火等温退火PP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)M回回150-250T回回350-500S回回500-650?.热处理工艺热处理工艺.热处理工艺（续）热处理工艺（续）.四 钢的回火l回火是指将淬火钢加热到回火是指将淬火钢加热到A1以以 下的某温度保温后冷却的工下的某温度保温后冷却的工艺。艺。l一一、回火的目的回火
15、的目的l1、减少或消除淬火内应力、减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。，防止变形或开裂。l2、获得所需要的力学性能。、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。火可调整硬度、韧性。l3、稳定尺寸。、稳定尺寸。回火可使非平衡回火可使非平衡M与与A转变为平衡或接近平衡转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。的组织，防止使用时变形。.l淬火钢的回火转变淬火钢的回火转变1 1、马氏体分解（、马氏体分解（100100350350）马氏体中析出细片状马氏体中析出细片状 -碳化物；马氏体转变为碳化物；马氏体转变为相（过饱和的相（过饱和的铁素体），
16、铁素体），回火马氏体回火马氏体。2 2、残留奥氏体分解（、残留奥氏体分解（200200300300）A A转变为转变为B B下下，马氏体仍在，马氏体仍在继续分解，应力进一步降低，硬度无明显降低继续分解，应力进一步降低，硬度无明显降低3 3、碳化物转变（、碳化物转变（250250400400）-碳化物转变为弥散分布的细小、碳化物转变为弥散分布的细小、粒状粒状FeFe3 3C C；相转变为针状铁素体。相转变为针状铁素体。4 4、渗碳体聚集长大（、渗碳体聚集长大（400400）l回火索氏体，回火索氏体，S S回。回。.二、二、二、二、回火的种类回火的种类回火的种类回火的种类l1、低温回火：、低温回火
17、：150250 回火马氏体回火马氏体M回回l目的是在保留淬火目的是在保留淬火后高硬度高耐磨性的同时，降低内应力，后高硬度高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。提高韧性。l工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。l2、中温回火、中温回火：250-500获得回火托氏体，获得回火托氏体，具有较高的弹性具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为3545HRC。弹簧。弹簧l3、高温回火高温回火 l回火温度：回火温度：500-650获得回火索氏体，连杆、轴、齿轮获得回火索氏体，连杆、轴、齿轮.l回火脆性
18、回火脆性l1、第一类回火脆性：、第一类回火脆性：是指淬火钢在是指淬火钢在250-350回火时出现的回火时出现的脆性。脆性。l2、第二类回火脆性：、第二类回火脆性：是指淬火钢在是指淬火钢在500-650范围内回火后范围内回火后缓冷时出现的脆性。缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。主要发生在含回火后快冷不出现。主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn的结构钢的结构钢中。中。l防止办法：防止办法：l 回火后快冷。回火后快冷。l 加入合金元素加入合金元素W(约约1%)、Mo(约约0.5%)。该法更适用于大。该法更适用于大截面的零部件。截面的零部件。.五、五、工业用金属材料工业用金属材料l 工业用钢工业用钢.工业用钢（续）工业用钢（续）工业用钢（续）工业用钢（续）.工业用钢（续）工业用钢（续）工业用钢（续）工业用钢（续）.铸铁铸铁l石墨化：石墨化：铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程。.有色金属及其合金有色金属及其合金.