1、工程材料及機械制造基礎復習(I)工程材料工程材料11 材料的力學性能121 金屬的晶體結構(1) 基本概念 晶體與非晶體： 兩者的主要區別是：a 晶體中原子(或分子)按一定的幾何規律作周期的重復排列；b 晶體具有固定的熔點；c 晶體具有各向異性。 晶格；為了便于表明晶體內部的原子排列規律， 把每個原子看成一個點，點與點之間用直線 連接起來而形成的空間格子。 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；晶胞的棱邊長度，晶格常數和棱面夾角表示晶胞的形狀和大小。(2) 常見金屬晶格類型單晶體的各項異性： 由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同， 因而導致在同一晶體的不同晶面 和晶向上

2、的各種性能也不同各項異性。多晶體 晶粒大小對材料性能影響很大，在常溫下，晶粒愈細，材料的強度高，塑性、韌性愈好。 晶體的缺陷形式：點缺陷、線缺陷、面缺陷。晶體的缺陷對金屬的許多性能有很大的影響， 特別對金屬的塑性變形、 強化、固態相變等都有 重要的影響。122 金屬的結晶(1) 結晶的概念物質從液態轉變為固態的過程稱為凝固。 而結晶是指由液態轉變為晶體的過程， 即金屬與合金 從液態的無序狀態轉變為原子有規則排列的晶體結構的過程。理解結晶的概念應著重掌握以下幾 點：'、純金屬的結晶在恒溫下進行，其結晶過程可用冷卻曲線表示。純金屬的結晶需要一定的過冷度，即過冷是金屬結晶的必要條件。過冷度厶

3、 T是指理論結晶 溫度To與實際結晶溫度Tn之差( T=To-Tn)。冷卻速度越大，過冷度越大。金屬的結晶包括兩個過程：晶核的形成和晶核的長大。(2) 晶粒大小及其控制 晶粒越細，則金屬的強度、硬度、塑性和韌性越好。控制晶粒大小的方法有：增加過冷度 (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 ) 、變質處理、附加振動 (機械振 動、超聲波振動、電磁攪拌等 ) 。(3) 金屬的同素異晶轉變 金屬在固態下發生晶格類型改變的過程稱為同索異晶轉變。 它與液態金屬結晶相比具有以下特點： 遵循金屬結晶的一般規律(生核與長大)； 具有較大的過冷傾向； 常伴隨著體積的變化，因而在金屬中引起

4、較大的內應力，故易引起金屬材料的變形。(4) 實際金屬的晶體結構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部的變形與晶粒之間的變形兩部分 。晶內變形仍以滑移與孿晶兩種基 本方式進行， 晶間變形 包括晶粒之間的微量相互位移與轉動。多晶體塑性變形的特點 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。塑性變形對金屬組織和性能的影響 變形金屬在加熱時的組織和性能的變化：回復、再結晶和晶粒長大。 變形金屬 經過再結晶后其變形組織、性能完全消失，所以硬度、強度顯著下降，

5、塑性、韌性明顯提 高，內應力基本消除，金屬恢復到變形前的性能。金屬的冷熱加工（按低于或高于金屬的再結晶溫度來分） 熱加工對金屬組織和性能的影響三方面：粗大的柱狀晶和枝晶經熱塑性變形被擊碎并形成等軸細晶粒組織，改善了力學性能； 鑄態金屬中的疏松、氣孔、微裂紋等缺陷，經熱塑性變形被壓實或焊合，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 合金的結構和二元合金相圖（1）基本概念 組元：組成合金的最基本的物質。 相：合金中具有相同化學成分、相同晶體結構的均勻部分。 固溶強化：因形成固溶體而引起合金強度、硬度升高的現象。 合金相圖： 用來表示合金在不

6、同成分、 溫度下的組織狀態， 以及它們之間相互關系的一種圖 形，亦稱狀態圖或平衡圖。（2）合金的結構注：固態合金的相結構可分為固溶體和金屬化合物兩大類。 根據溶質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）各相區組織注若要填各區域存在的相則與上圖不同，請注意區別 所謂FesCi、FesCn> Fe3Crn,它們的碳的質量分數、晶體結構和本身的性質都相同,其區別在于滲碳體的來源、形態及分布狀況有所不同。1 111 11FesCi |11FesCn|11FesCm1111來源丨111液態|11奧氏體

7、|11鐵素體1111形態丨111條片狀|11網狀 |11斷續的片狀1111分布丨111|11沿奧氏體晶界|11沿鐵素體晶界|i 結晶過程及室溫組織示意圖在亞共析鋼中， 隨著碳的質量分數的增加， 鋼中的珠光體增多， 鐵索體減少， 故強度、硬度提高， 塑性、韌性下降。但在過共析鋼中， 滲碳體沿原奧氏體晶界呈網狀分布， 削弱了各晶粒間的結合力， 從而降低了鋼的強度并增加了脆性。因此，碳的質量分數超過了09的鋼，其硬度雖然繼續增加，但強度卻明顯下降。特別是在白口鑄鐵中滲碳體作為基體存在時，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， 都要經歷加熱、 保

8、溫和冷卻三個階段， 其中保溫的作用在于使零件內外 溫度一致，并獲得細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。為了區別實際加熱和冷卻時的臨界點， 一般將加熱時的臨界點加標符號 “c”，如Ac1、Ac2、Acm 冷卻時的臨界點加標符號“ r”，如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程也是由形核和長大兩個過來完成的。 該過程可以歸納為以下三個階段： 奧氏體 晶核的形成和長大、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間

9、有關外， 還與奧氏體中碳的質量分數及合金元素的 質量分數有關。2) 過冷奧氏體冷卻時的組織轉變共析鋼C曲線如上圖。共析鋼過冷奧氏體等溫轉變產物小結在實際生產中常用相應的C曲線來粗略地定性分析連續冷卻轉變所得到的產物與性能，應重點掌握根據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) 馬氏體轉變的主要特點 轉變速度極快，內應力較大； 晶格發生嚴重畸變，塑性變形阻力增大； 奧氏體中的碳的質量分數愈高，則 Ms與Mf愈低； 馬氏體轉變不能完全進行到底， 會有少量的殘余奧氏體被保留下來， 奧氏體的碳的質量分數愈高， 淬火后殘余奧氏體的量愈多。(2) 鋼的熱處理工藝1) 退

10、火的目的 調整鋼件的硬度，改善切削加工性能； 消除殘余應力，穩定工件尺寸，并防止其變形和開裂； 細化晶粒，改善組織，提高鋼的力學性能和工藝性能； 為最終熱處理 (淬火、回火 )做好組織上的準備。2) 正火目的與退火相似，其主要應用場合是： 改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性； 消除過共析鋼中二次滲碳體，為球化退火做好組織準備； 作為普通結構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500560C，其特點為：a .工件不需再進行淬火處理便具有高的硬度和耐磨性，且在知500600 時仍保持高的硬度( 即紅硬性 ) 。b .顯著提高了工件的疲勞極限，且使工件具有良

11、好的耐蝕性能。c .處理溫度低，工件變形小。d .氮化所需時間長。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， 如高精度機床絲杠、鏜床鏜桿、精密傳動齒輪和軸、汽輪機閥門和閥桿、發動機氣缸和捧氣閥等。 離子氮化： 大大縮短了滲氮時間， 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用注：在250-350 C及450-650 C范圍回火時，鋼的沖擊韌性反而顯著降低的現象稱為回火脆性。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

12、）+低溫回火。最終組織為：表層為 M回+ 少量A殘，硬度可達5864HRC ,心部組織取決于鋼的淬 透性，通常碳鋼為 F+P,硬度約為1015HRC;合金鋼為低碳 M或低碳M+F強韌性較好， 硬度約為 30-45 HRC。 回火時的組織轉變包括：馬氏體的分解（200 C）；殘余奧氏體的轉變（200-300 C）； 滲碳體的形成（250400C）;滲碳體的聚集長大，鐵素體再結晶 （400 °C ）。 淬透性與淬硬性：淬透性是指在規定條件下，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成分和奧氏體化條件。大多數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

13、鋼的淬透性；奧氏體化溫度愈高，保溫時間 愈長，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淬火后能達到的最高硬度，它主要取決于鋼中碳的質量分數，更確切地說是取決于馬氏體中碳的 質量分數。6）熱處理工序安排 預備熱處理：其目的是改善毛坯的加工性能，消除內應力和為最終熱處理做準備。它包'退火、正火、時效和調質等。a 退火和正火：一般安排在毛坯制造之后粗加工之前進行，但也有將正火安排在粗加工之 后進行的。b 調質：一般安排在粗加工之后和半精加工階段之前進行。 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

14、表面淬火兩種。淬火經常安排在半精加工之后和精加工之前進行。般的工藝路線為：毛坯制造f正火（退火）f粗加工f調質f半精加工f表面淬火f精加工。b 滲碳淬火：一般安排在半精加工和精加工之間進行。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調質f半精加工f除應力f粗磨f氮化f精磨、超精磨或研磨。對于熱處理變 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行。17 鋼的分類、編號及應用（1） 鋼中雜質元素1）錳：是有益元素，其作用是脫硫、脫氧，還能形成合金鐵素體

15、和合金滲碳體。2）硅：是有益元素，其脫氧能力比錳強，此外也能溶解于鐵素體中使鐵素體強化。3）硫、磷：都是有害元素，前者會使鋼材出現熱脆，后者會使鋼材出現冷脆。（2） 合金元素在鋼中的作用1）合金元素對鋼中基本相的影響形成合金鐵素體： 會引起鐵素體的晶格發生畸變， 產生固溶強化， 因而鐵素體的強度、 硬度增高， 塑性、韌性有所下降，尤以錳、硅、鎳的強化效果最為明顯。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、硬度、耐

16、磨性及穩定性。強碳化物形成元素 （釩、鈮、鉻、鈦 ） ，一般形成特殊碳化物。2）合金元素對鋼熱處理的影響 細化晶粒：除錳、磷以外，大多數合金元素均在不同程度上有細化晶粒作用， 其中尤以強化碳化 物形成元素的影響最為顯著。 提高淬透性：除鉆以外，大多數合金元素熔人奧氏體后均能增加過冷奧氏體的穩定性，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程中抵抗軟化的能力， 即回火穩定性， 故采用相同溫度回 火時，合金鋼的硬度比碳鋼高。（3）

17、鋼的編號1）碳素結構鋼應用：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械零件，如齒輪、連桿、主軸等，最終熱處理為調 質處理。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 滾動軸承鋼的編號為： 耐磨鋼的編號為： 低合金高強度結構鋼的編號同碳素結構鋼，但其質量等級分為 A, B, C, D, E五級。（4）各種合金鋼的成分

18、、熱處理特點、性能特點及用途注：提高耐蝕性的主要方法有：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度的一個綜合概念。加入鉻、硅、鋁等元素可提高鋼的高溫抗氧化能力；加入鎢、鉬、釩婷元素可提高鋼的高溫強度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）純銅未加工產品：代號有Cu-1、Cu-2;加工產品：T1、T2、T3。后面數字均為順序號2）銅合金黃銅a .普通黃銅：銅和鋅組成的二元合金，其耐蝕性優于鋼鐵材料，主要用于制作彈殼等零件其代號表示法是：H M

19、b.特殊黃銅：其代號表示法是：青銅：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 優于黃銅，故主要用作形狀較復雜、耐蝕性好、致密度要求不高的鑄件。代號：Q+主加元素化學符號及質量分數+其他合金元素質量分數 鑄造鋼合金的牌號表示法是：ZCu+主加元素化學符號及質量分數+其他合金元素化學符號及質量分數1. 9非金屬材料高分子化合物是相對分子質量大于5 000的有機化合物的總稱，有時也叫聚合物或高聚物。高聚物一般具有鏈狀結構，它是由一種或幾種簡單的低分子有機化合物重復鏈接而 成的，

20、故稱為大分子鏈。凡是可以聚合生成大分子鏈的低有機化合物叫單體。大分子鏈中 的重復結構單元叫鏈節。大分子鏈中鏈節的重復次數稱為聚合度。高聚物的結構有線型結構和網狀結構兩種。高聚物在不同溫度下呈現三種不同的物理狀態，即玻璃態（塑料的工作狀態）、高彈態（橡膠的工作狀態）和粘流態（有機膠粘劑的工作 狀態）。塑料是由合成樹脂（主要組成物）和添加劑（填充劑、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、固化 劑、著色劑及其他）組成。按樹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。ABS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:塑料，可制造齒輪、電機外殼、電冰箱外殼及內襯等；聚酰胺，PA,又名尼龍，廣泛用作機械零件，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: 工絕緣體等；氨基埋料，可用作泡沫