工程材料笔记整理Word文档格式.docx

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玻璃纤维增强塑料称为玻璃钢。

玻璃钢具有成本低，工艺简单；

强度低，绝缘等特点，它可制造壳体、管道、容器等

14.加工硬化：

随变形量的增加，金属的强度大为提高，塑性却有较大降低产生原因：

位错密度升高为了继续变形，退火可消除加工硬化

15.调质：

调质处理后钢获得回火索氏体组织，其性能特点是具有较高的综合力学性能

16.铁素体：

（α或F）碳原子溶于α-Fe形成的间隙固溶体性能：

固溶强化不明显，强度，硬度低，塑性韧性高

17.奥氏体：

（γ或A）碳原子溶于γ-Fe形成的间隙固溶体性能：

高塑性,是理想的锻造组织

18.渗碳体：

（Fe3C）由12个铁原子和4个碳原子组成的具有复杂晶体结构间隙化合物性能：

高硬度、高脆性、低强度

19.珠光体：

（P）铁素体和渗碳体的混合物称为珠光体，它具有较高的综合力学性能的特点

20.莱氏体Ld或Ld′：

组织：

Ld：

Fe3C（Fe3C+Fe3CⅡ）＋γLd′:

Fe3C（Fe3C+Fe3CⅡ）＋P机械化合物，性能：

高硬度、高脆性。

21.陶瓷材料：

除了金属材料和有机物以外的其它固体材料都属于无机材料，亦称为陶瓷材料。

它具有很高的硬度和高温强度，耐蚀、导电能力在很大范围内变化，但脆性大，抗震性较差

22.金渗碳钢：

合金渗碳钢的成分特点是低碳（<

0.25%C），含有Cr、Ni、Mn、B以提高淬透性，Cr、Mo、V、Ti以细化晶粒。

其性能特点是有较高的冲击韧性，渗碳淬火后表层有较高硬度和耐磨性

23.复合材料：

由两种或两种以上物理、化学性质不同的物质，经人工合成的材料称为复合材料；

由增强材料和基体材料组成。

性能特点：

优良性能：

比强度和比模量高，疲劳强度高，减振性好，断裂安全性也较好；

高温性能良好；

减振性良好。

缺点：

抗冲击性较差，横向强度较低（成分较高）

24.过冷奥氏体：

通常将在临界点以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体

25.淬透性：

钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。

它主要取决于钢中合金元素，合金元素的种类和含量越高，钢的淬透性越高

26.淬硬性：

淬硬能力，钢正常淬火后达到的最高硬度；

它主要取决于钢中含碳量，碳含量越高，钢的淬硬性越高。

27.表面淬火：

将金属零件表层快速加热到奥氏体化温度，而心部没有相变，然后快速冷却，表层获得马氏体，而心部仍保持原始组织（S回），达到“表硬心韧”的工艺。

28.离子渗入：

利用阴极（工件）和阳极间的辉光放电产生的等离子轰击工件，使工件表层的成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。

性能：

高硬度、高耐磨性、高韧度和疲劳强度，效率高，节能，无污染；

设备贵，工艺成本高

29.结晶：

材料由液体凝固成晶体的过程称为结晶（2.5分）一般说来结晶过冷度越大，金属结晶后的组织越细，强韧性越高。

30.合金钢：

合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入某些合金元素而得到的多元铁基合金

铝合金按其工艺方法可分为形变铝合金和铸造铝合金。

实际晶体的线缺陷表现为位错

五种强化：

1.固溶强化：

溶质原子溶入固溶体中，会使溶剂晶格产生畸变，使金属的强度、硬度提高，这种现象称为固溶强化。

固溶强化是通过产生晶格畸变，使位错运动阻力增大来强化合金

2.第二相强化：

将固溶体作为基体相，以金属间化合物作为强化相（第二相），来进一步提高材料的韧度，这种方法称为第二相强化；

利用金属化合物本身的高强度和硬度来强化合金。

3.细晶强化：

晶粒越细小，金属的强度和硬度却高，同时塑性越好、韧度越高；

通过细化晶粒提高金属的强度和韧度的方法称为细晶强化

4.形变强化：

冷塑性变形会使得金属的性能发生明显变化，即随变形量的增加，金属的强度打为提高，塑性却有较大降低，这种现象称为加工硬化，也称形变强化，通过力的作用产生塑性变形，增大位错密度以增大位错运动阻力来强化合金；

原因：

位错密度不断升高，导致变形胞的形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用，于是使金属的变形抗力显著升高所致。

5.

简答题：

1.晶体缺陷对实际金属的力学性能有何影响？

实际金属中晶体缺陷有点缺陷，线缺陷和面缺陷（1分），前两者越多，其强度、硬度越高，塑性韧性越低（2分），面缺陷越多，实际金属的强韧性越高

2.什么是高分子材料？

工程上常用的高分子材料有哪几类？

分子量高于1000的材料称为高分子材料（2分）工程上常用的高分子材料有塑料、橡胶和粘接剂

3.简述合金调质钢的成分特点，性能特点及主要应用。

合金调质钢的成分特点是中碳（0.25~0.5%），（1分）含有Cr、Ni、Mn、B以提高淬透性（1分）Cr、Mo、W、V以细化晶粒（1分）其性能特点是具有较高的综合力学性能（1分），主要用于轴杆类零件

4.随着钢中含碳量增多，亚共析钢的性能有何变化规律？

随着钢中含碳量增多，亚共析钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降

综合题：

1.试就下列问题比较20Cr和9SiCr：

（1）两种钢各属于哪类钢？

主要应用是什么？

20Cr钢属于渗碳钢（1分），主要用于渗碳零件（1分，写具体零件亦可）；

9SiCr属于工具钢（1分），主要用于刀具

（2）在正常的热处理条件下，试比较它们的淬透性和淬硬性，并说明原因。

9SiCr的淬透性和淬硬性都比20Cr高（2分），因为淬透性主要取决于钢中合金元素含量（1分），淬硬性主要取决于钢中含碳量（1分），9SiCr的合金元素含量和含碳量都比20Cr高，所以两者都比20Cr高

2.某机床变速箱齿轮选用40Cr钢制造，而某汽车齿轮选用20CrMnTi钢制造。

请回答下列问题：

（1）为什么两种齿轮选材不同？

（1）因为机床齿轮工作较平稳，性能要求相对较低，而汽车变速箱齿轮，冲击较大，性能要求较高，所以选材和热处理不同

（2）上述两种齿轮各应采用什么最终热处理？

（2）20CrMnTi齿轮采用渗碳，淬火+低温回火（2分）；

40Cr齿轮采用调质—淬火+低温回火

（3）两种齿轮经过热处理后，在力学性能和经济性方面有何区别？

经热处理以后，20CrMnTi齿轮比40Cr齿轮的冲击韧性和耐磨性都高（2分），但材料及热处理的成本，也更高

绪论：

金属有好的导电性，导热性、高强度、高的塑性与韧性，有金属光泽；

陶瓷材料硬度高、脆性大、耐高温、耐腐蚀且大多是电的绝缘材料；

高分子材料塑韧度高、比强度高、强度硬度低、耐腐蚀，多数不导电的；

复合材料通常兼具组成材料的综合性能。

第一章：

工程材料的组织及性能

缺陷：

点缺陷：

原子在热运动过程中具有很高的震动能量而不能保持在其平衡位置上

线缺陷：

位错、螺旋错位、面缺陷：

晶界

点缺陷造成晶格畸变,使晶体内部能量升高，材料的强度、硬度、电阻率升高。

强化金属的途径：

a.减少晶体缺陷接近理想状态，如单晶，晶须

b.增加晶体缺陷，如淬火，冷加工非晶态

合金：

由两种或两种以上的元素（称为组元）组成的具有金属性质的物质称为合金。

两个组元组成的称二元合金。

三个组元称三元合金。

三个以上称多元合金.

固溶体的性能——固溶强化：

溶入溶质原子形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象。

第二章：

金属材料的凝固及相变

过冷度与冷却速度的关系：

金属结晶的冷却速度越大，则过冷度越大，结晶后晶粒越细，强韧性越高。

晶核的形成：

当液态金属过冷到一定温度，一些尺寸较大的原子团开始变得稳定成为结晶核心，称为晶核，其过程

称为形核。

晶粒细化：

形核率N↑，长大速度G↓；

细化晶粒的方法：

1、增加过冷度——提高冷却速度

2、变质处理（孕育处理）

3、振动处理

匀晶相图：

两组元液态、固态都无限互溶的二元合金系所形成的相图。

匀晶转变：

结晶时从液相结晶出固溶体，固态下呈单相固溶体的结晶过程。

共晶相图：

两组元在液态下互溶，当冷却到某个温度时同时结晶出两种成分不同的固相，具有这种转变的相图，称

为共晶相图。

1液态变为2固态

共析相图：

1液态变为2固态

问题来了：

试分析T12钢结晶过程，并计算其组织相对量。

T12钢的结晶过程：

L——L+A——A——A+Fe3CⅡ——P+Fe3CⅡ（2分）（即为合金相图中的组织转变）

组织相对量：

P=（6.69-1.2）/（6.69-0.77）×

100%=92.2%

Fe3CⅡ=（1.2-0.77）/（6.69-1.2）×

100%

=7.8%（2分）

第三章：

铁碳合金相图及碳钢画P434445图

铁碳合金组织性能：

铁碳合金的平衡组织由铁素体和渗碳体组成随着合金中合碳量升高，铁碳合金的铁素体相对量减少，渗碳体相对量增多

铁碳合金的基本相：

1固溶体a. 

铁素体（α或F）体心立方晶格b.奥氏体（γ或A）面心立方晶格

②金属化合物渗碳体

③混合物:

a.珠光体（P）成分：

含碳0.77％组织:

F（88%）＋Fe3C机械混合物，复相组织，片层状结构性能:

综合力学性能高

b.莱氏体Ld或Ld′成分：

含4.3％碳

总结：

铁碳合金在室温下由F＋Fe3C两个相组成，随含碳量由0增加到6.69％,F相对量由100％减少到0，Fe3C由0增加到100％。

其组织变化顺为:

F→F+P→P→P+Fe3CⅡ→P＋Fe3CⅡ＋Ld’→Ld’→Ld’＋Fe3CⅠ→Fe3CⅠ

典型铁碳合金的结晶过程

工业纯铁;

w（c）<

0.0218

钢：

亚共析钢0.218-0.77L-L+A-A-A+F-F+P（F+Fe3C）

共析钢0.77L-L+A-A-P（F+Fe3C）

过共析钢0.77-2.11L-L+A-A-A+Fe3CⅡ-P+Fe3CⅡ

铸铁：

亚共晶白口铸铁2.11-4.30L-L+A-Ld（Fe3CⅡ+A）-Ld’（Fe3CⅡ+P）

共晶白口铸铁4.30L-Ld（Fe3C+A）-Ld’（Fe3C+P）

过共晶白口铸铁4.30-6.69L-L+Fe3CⅠ-Ld（Fe3C+A）-Ld’（Fe3C+P）

三个重要转变：

共晶转变（ECF线）：

L——A+Fe3CL→α+β

共析转变（PSK线）：

A——F+Fe3Cγ→α+β

二次渗碳体的析出（ES线）

铁碳合金相图的应用

1、为钢铁零件选材:

需要塑性、韧性好的，应选用wc<

0.25%的低碳钢。

需要强度、塑韧性兼顾的材料，应选用wc=0.30%-0.55%范围内的中碳钢。

需要硬度高，耐磨的材料，选用wc=0.70%-1.2%范围内的高碳钢。

共晶成分区附近，铸造性最好，适合做铸件

碳素钢：

碳钢（含碳量＜2.11％Fe－C合金）

合金钢（碳钢+合金元素熔炼而成的钢）

杂质元素对碳钢组织和性能的影响：

硅和锰是钢中的有益元素，硅溶入铁元素中，起固溶强化的作用；

锰大部分溶于铁素体中形成固溶体,小部分形成合金渗碳体。

Mn具有一定的脱氧和脱硫能力，能去除钢中的FeO,同时减轻硫的有害影响。

硫和磷是钢中的有害元素，S以FeS的形式存在于钢中，FeS与Fe形成（Fe+FeS）共晶，其熔点仅985℃，硫使钢材塑性下降，这种现象称为热脆性，因此，钢中含硫量均＜0.05％，常加入锰来降低有害作用；

磷，在钢中能溶于铁素体，固溶强化效果很强，而使塑韧性急剧降低，在冷塑性变形（如板冲压）产生脆裂，使钢的脆性增加，发生冷脆性，钢中含磷量均＜0.045％。

碳钢的分类：

按含碳量：

低碳钢：

C%﹤0.25%；

中碳钢：

C%=0.25～0.60%；

高碳钢：

C%﹥0.60%。

按质量（S、P的含量）分：

普通碳素钢：

WS≤0.055%,WP≤0.045%；

优质碳素钢:

WS≤0.040%,WP≤0.040%；

高级优质碳素钢:

WS≤0.030%,WP≤0.035%。

按用途分：

碳素结构钢：

制造工程构件（如桥梁、船舶、建筑构件等）及机器零件（如齿轮、轴、连杆、螺钉等）；

碳素工具钢：

制造各种刃具、量具、模具等，一般为高碳钢，在质量上都是优质钢或高级优质钢。

碳钢的编号和用途：

普通结构钢：

低碳（大多小于0.2%）、低纯度，具有较高的韧度及具有良好的塑性、焊接性能。

优质碳素结构钢：

主要用于制造机器零件，需要经过热处理以提高力学性能

牌号：

用两位数字表示平均含碳量的万分之几。

例：

45钢为0.45%C

08、10钢强度低，塑性好，易于冲压与焊接，一般用于制造受力不打的零件

15、20、25钢经过渗碳处理后，可以用来制作表面要求耐磨、耐腐蚀的机械零件如小轴，销子

30、35、40、45钢性能和切削性能均较好，可用于制造受力较大的零件如主轴

55、60、65、70、75钢有较高的强度、弹性和耐磨性，主要用于制造凸轮、车轮、板簧

碳素工具钢：

经过热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度；

主要用于制造尺寸较小要求耐磨性高的量具、刃具、模具等。

T+数字（数字表示平均含碳量的千分之几T为“碳”的汉语拼音字首，）

T8优质碳素工具钢，T8A—高级优质碳素工具钢

铸造碳钢：

一般需要正火或时效处理，主要应用于制造大型机械某些形状复杂，用锻造方法难以生产的力学性能要求较高的零部件，铸造性比铸铁差。

ZG+两组数字

ZG200-400

第一组数字为屈服强度≥200MPa，第二组数字为抗拉强度≥400MPa。

第四章;

金属成型

金属的塑性变形过程：

塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行了

影响多晶体金属塑性变形的两个主要因素是晶界和晶粒位向

热变形对金属组织与性能的影响：

改善铸态组织缺陷；

形成纤维组织；

形成带状组织（不利）

铸件的组织缺陷:

缩孔、缩松、气孔和杂质等。

缩孔和缩松等铸造缺陷发生在凝固收缩阶段。

第五章：

钢的热处理原理

碳钢的临界温度钢加热和冷却发生或完成相变的温度

平衡临界温度：

A1、A3、Acm

加热临界温度：

Ac1、Ac3、Accm

冷却临界温度：

Ar1、Ar3、Arcm

奥氏体的形成：

第一阶段：

奥氏体的形核

第二阶段：

奥氏体的长大；

第三阶段：

残余渗碳体的溶解；

第四阶段：

奥氏体成分的均匀化。

晶粒越粗大，材料力学性能越低。

影响奥氏体晶粒长大的因素：

加热温度和保温时间：

提高和延长有利于原子的扩散，促进奥氏体形成和晶粒长大。

加热速度：

提高加热速度有利于细化奥氏体晶粒。

与冷却是加大冷却速度可以细化晶粒原理一样。

钢的化学成分：

钢中含碳量增多，原子结合力降低，碳原子的扩散能力↑，奥氏体形成速度↑；

Mn,P元素除外，大多数合金元素阻碍钢中Fe.C原子扩散，减慢奥氏体形成和晶粒长大。

锰和磷促进晶粒长大

根据共析钢过冷奥氏体在不同温度区域内转变产物和特性的不同，可分为：

高温转变区------珠光体型转变:

发生在A1～550℃，过冷奥氏体转变成铁素体＋Fe3C的片状混合物（即珠光体型组织可分为珠光体P，索氏体S和托氏体T，仅片层粗细不同，片层距离越小，塑性变形的抵抗力越大，强度硬度越高；

性能:

综合力学性能高，转变温度降低，F与Fe3C片间距变小，强度增大；

可由退火获得。

中温转变区------贝氏体B型转变:

过冷奥氏体在550℃～Ms点温度范围内等温保温时，转变为贝氏体，由饱和碳的铁素体与弥散分布的渗碳体组成的非两相组织

上贝氏体，容易脆性断裂，强度、韧度较低，基本上无应用价值

下贝氏体，强度、韧度高，综合力学性能好，理想的强韧化组织，生产中常采用等温淬火获得下贝氏体组组织；

低温转变区------马氏体M型转变：

奥氏体自A1以上温度快速冷却到Ms温度一下，则发生奥氏体转变；

组织：

碳在a－Fe中的过饱和固溶体称为马氏体

性能：

可分为低碳板条状马氏体又称位错马氏体，板条状马氏体中过饱和度小，保持较高的强韧度，和高碳片状马氏体又称孪晶马氏体，具有高硬度、低塑韧性、低强度；

马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的晶格畸变，即固溶强化。

马氏体具有高硬度，高强度，马氏体的强度硬度随碳质量增多而升高，塑性和韧度随碳质量增多而急剧降低；

马氏体转变的特点：

高速转变与无扩散共格切变性；

Ms、Mf点的温度主要取决于奥氏体的含碳量，与冷却速度无关；

转变不完全性：

有A′，残余奥氏体量随奥氏体中含碳量的增加而增加。

残余奥氏体A‘的存在会改变钢的性能，并使工件尺寸发生变化①影响淬火钢的硬度；

②影响工件尺寸的长期稳定性；

为了消除残余奥氏体，在淬火冷却到室温后，随即放到零下温度的冷却介质中冷却，最大限度的消除残余奥氏体，达到增加硬度，耐磨度与稳定尺寸的目的，这中处理称为冷处理。

过冷奥氏体等温冷却转变曲线C曲线：

P75

过冷奥氏体连续冷却转变曲线CCT曲线：

P75

影响过冷奥氏体转变曲线的因素：

含碳量的影响：

随含碳量的增加，亚共析钢的C曲线右移，过共析钢的C曲线左移，即共析钢的过冷奥氏体在碳钢中最稳定

合金元素的影响：

除Co外，所有金属元素加入奥氏体后会增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右下移

钢的奥氏体化程度：

钢的奥氏体化越均匀，晶粒越粗大，过冷奥氏体越稳定，使C曲线右下移

加热温度和保温时间的影响：

T↑，τ↑,C曲线右移。

热处理温度过高，会造成金属零件A、B、D。

A.氧化脱碳严重B.晶粒粗大C.晶粒破碎D.热应力增大E.可塑性增大

第六章：

钢的整体热处理：

退火和正火（预先热处理）用于消除毛坯中的缺陷改善工艺性能、改善钢的力学性能；

淬火、回火以及表面热处理（最终热处理）

热处理可分为三大类：

普通热处理：

退火、正火、淬火、回火

表面热处理：

表面淬火和表面化学热处理

其它热处理

退火:

将钢加热到预定温度，保温后缓慢冷却（炉冷），获得接近平衡组织的热处理工艺。

完全退火：

把亚共析钢加热到Ac3以上30-50，保温一定时间，用于亚共析钢，得到的组织是铁素体+珠光体

目的：

完全退火，借助完全重结晶过程，可使铸造或锻造造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，提高

性能，降低硬度，消除内应力。

完全A化，缺点：

周期很长，成本高。

适用：

亚共析钢成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材

球化退火：

将过共析钢和共析钢加热至Ac1以上20-30，保温一定时间后随炉冷至室温，退火后的组织是球状珠光体。

目的：

球化碳化物，消除应力，细化晶粒，降低硬度，改善切削性能，并为以后的淬火组织做准备。

适用：

高碳钢，（过共析钢、共析钢），（主要适用于工具钢）

过共析钢不能进行完全退火，因为完全退火会使组织中出现粗片状珠光体和网状渗碳体，增加了硬度和脆性，降低切削加工性能。

通过球化退火，使层状渗碳体和网状渗碳体变为球状渗碳体，以降低硬度，均匀组织、改善切削加工性。

等温退火：

将钢加热到高于Ac3的温度保温适当时间，再较快的冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体等温转变，后缓慢冷却。

完全A化，特点：

周期短，成本低

目的：

与完全退火相同

去应力退火：

消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷加工在工件中造成的残留内应力而进行低温退火。

过共析钢的退火组织是P+Fe3CⅡ

正火：

将工件加热到Ac3或Accm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。

正火后的组织：

亚共析钢为铁素体+索氏体；

共析钢为索氏体；

过共析钢为索氏体。

目的（应用）：

1.消除零件应力，细化晶粒，改善低碳钢的切削性能

2.用于工具钢球化退火前消除网状渗碳体；

3.用于一般性能要求的零件的最终热处理。

改善切削性能：

低中碳钢可以通过正火来改善，高碳钢和工具钢应采用退火来降低硬度

正火与退火的比较：

退火是加热——保温——炉冷，正火是加热——保温——空冷，正火比退火的冷却速度快。

主要差别在于正火的冷却速度快些，退火得到的是珠光体，正火得到的是索氏体，正火后的强度和硬度比正火高。

正火和退火的选择：

从切削性能：

低中碳钢可以通过正火来改善，高碳钢和工具钢应采用退火来降低硬度，改善切削性能

性使用性能：

如随后不再进行淬火和回火则选择正火来提高力学性能，否则选退火可以减小淬火变形和开裂的倾向。

从经济上：

正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。

淬火：

把钢加热-保温-快冷使零件硬化的热处理，钢淬火后的组织主要是马氏体，（或者下贝氏体），淬火是钢最重要的强化方法，钢通过随后的回火可以获得各种所需的性能。

淬火后的零件必须进行回火才能使用

淬火温度的选择：

目的是为了获得均匀细小的奥氏体晶粒以便获得细小的马氏体

亚共析钢加热到Ac3以上30-50；

过共析钢加热到Ac1以上30-50；

为什么亚共析钢要进行完全淬火：

完全退火得到完全马氏体，不完全退火马氏体组织中有铁素体出现，使钢的硬度降低。

为什么过共析钢只能进行不完全淬火：

完全退火马氏体含碳量过高，易开裂和形成大量残余奥氏体；

不完全淬火：

有细小弥散渗碳体残余，奥氏体含碳量低，因而淬火时不易开裂，且残余渗碳体量少，有利于钢的硬度和耐磨性。

淬火应力

热应力：

工件加热和冷却过程中，由于不同部位的温度不同，导致热胀冷缩的不一致而产生的内应力；

组织应力：

工件冷却时，由于温差造成不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。

常用淬火方法：

1.单液淬火：

优点：

工艺简单，操作方便。

淬火应力大，工件易变形。

形状简单的中、低碳钢工件。

2.双液淬火：

水淬—油冷或油淬—空冷

大大减小工件的淬火应力和变形开裂倾向。

操作难度较高。

小批量

3.分级淬火：

加热零件先在Ms点附近介质中冷却,再取出空冷

操作简单。

可有效防止应力、减少工件变形和开裂。

需要盐浴炉适用：

小工件大批量。

4.等温淬火：

在贝氏体转变区的介质中冷却，得到贝氏体组织

得到B下优缺点：

同分级淬