机工材料复习.docx

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机工材料复习

华南理工大学《机械工程材料》复习资料

第一部分金属学（CH1～5）

主要内容及要求：

一、固态金属与合金的结构

1.纯金属：

（1）三种典型晶格及其主要参数；

类型

晶胞简图

晶格常数特点

原子数

r

配位数

致密度

属该晶格金属

体心立方

Bcc

a=b=c

α=β=γ=900

2

a

8

0.68

α-Fe,Cr

面心立方

Fcc

4

12

0.74

γ-Fe,Al,Cu

密排六方

hcp

C/a=1.633

6

12

0.74

Mg,Zn

（2）立方晶系晶面指数及晶向指数：

求法；性质（晶向与晶面∥，⊥）。

☆晶面指数（hkl）

求法：

1）求截距：

1，1，1/2

2）取截距倒数：

1，1，2

3）化成最小整数放（hkl）：

（112）

*①晶面与坐标轴平行时，截距为∞，倒数为0；

②截距为负数时，“-”号放在数字上面，如（11

）；

③（hkl）：

表示一组平行晶面；

④{hkl}晶面族指数：

表示原子排列情况相同的所有晶面；

⑤两晶面如指数的数字与顺序相同而完全异号，则互相平行。

⑥立方晶系典型晶面指数：

{100}，{110}，{111}

☆晶向指数（uvw）：

任两原子连线所指方向。

求法：

1）过O作OC//AB：

2）求OC上任一点（O除外）坐标值：

，

，1

3）化成最小整数放[UVW]：

[112]

*①出现负数时，“-”号放在数字上面，如[11

]；

②[UVW]晶向指数：

表示一组平行且同向的晶向；

③＜UVW＞晶向族指数：

表示原子排列情况相同的所有晶向；

④两晶向如指数的数字与顺序相同而完全异号，则互相平行且反向。

⑤立方晶系典型晶向指数：

<100>，<110>，<111>

☆晶向指数与晶面指数性质：

1）指数相同：

[uvw]⊥{hkl}；2）hu+kv+lw=0时，[uvw]//{hkl}。

☆晶体的各向异性

◆各晶面及晶向上原子密度不同，作用力不同而引起性能上的差异。

◆但实际金属是多晶体，各晶粒位向散乱无序，加上晶界的影响，而反映不出各向异性，称伪各向同性。

实际上各晶粒内仍是各向异性的。

☆晶面及晶向上的原子密度：

单位面积或长度上的原子数。

注意：

原子密度最大的晶面及晶向

（3）实际金属晶体结构：

1）多晶体；

2）有缺陷:

类型[点（空位、间隙原子、异类原子）、线（位错）、面（晶界）]→晶格畸变→性能变化

*凡有晶体缺陷，均使晶格畸变，并引起宏观性能变化（强度、硬度↑；塑性、韧性↓）

（4）纯铁的同素异构转变

晶格类型bccfccbcc

致密度0.680.74→（胀大）0.68

2.合金：

（1）固溶体（间隙、置换）：

溶解度、固溶强化效果、枝晶偏析（原因、改善方法）。

（2）金属化合物（Fe3C）

（3）机械混合物[珠光体（α+Fe3C）、莱氏体（P（或γ）+Fe3CⅡ+Fe3C）]

（4）α、γ、Fe3C、P、P球、Ld、S、T、B上、B下、M、S回、T回、M回

定义、形态、性能特点、获得方法。

（5）S（T）与S回（T回）的性能对比：

S回（T回）强度、韧性↑，原因：

Fe3C的形态不同（球与片的区别）

二、结晶过程（包括固态相变）

1.基本规律：

（1）过冷（过热）：

要有△T—V冷↑,△T↑,△G↑；

（2）是形核和长大过程；均匀、非均匀形核；金属的枝晶长大

（3）有结晶潜热产生（冷却曲线有平台或拐点）。

2.晶粒大小及对性能影响：

（1）获得细晶粒方法：

1）液→固：

（V冷↑、△T↑）、变质处理、振动搅拌；

2）固→固：

重结晶（γ化温度、时间）；

3）冷塑变后：

再结晶温度、时间。

（2）细晶强化（晶界强化）概念、特点（σb、HB、ψδ、αk↑）。

*用“多晶体的滑移”来解

三、Fe-Fe3C相图

1.会画和标注（用相组成物和组织组成物标注）；相图的分析方法

2.由那几种基本相图组成：

匀晶、包晶、共晶、共析、稳定化合物（定义、具体转变）；

3.运用杠杆定律计算各种相和组织的相对量；

*几种Fe3C量的计算

（1）Fe3C共析=

（Wα=88.78%）

（2）×Fe3C共晶=

（WγE=52.2%）

L’d中的Fe3CⅡ=

L’d中的P=1-47.8%-11.8%=40.4%

（3）Fe3CⅡmax=

（4）Fe3CⅢmax=

*几种平衡组织相对量的计算

（1）0.4%C钢：

（α+P）

；WP=50.5%

（2）1.0%C钢:

（P+Fe3CⅡ）

；WFe3CⅡ=3.9%

（3）3.0%C白口铁:

初晶γE=

；WL’d=40.6

WFe3CⅡ=

WP=

4.典型合金结晶过程

1）用式子和冷却曲线表示

2）画常温组织金相示意图（亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶白口铁）。

5.用金相图推算钢号，如：

P占80%，F占20%：

60钢（0.77×80%=0.616）

四、塑性变形与再结晶

1.塑性变形方式（滑移、孪生）

2.滑移：

1）要点：

τ切发生、滑移系及与ψ关系、位错易动性、τ临界与软（硬）位向、晶体的转动、点阵类型与晶体位向不变性；

晶格类型

bcc

fcc

hcp

滑移系（滑移面×滑移方向）

{110}6×﹤111﹥2=12

{111}4×﹤110﹥3=12

底1×底对角线3=3

滑移系↑,（滑移系相同时，滑移方向↑）,ψ↑

2）多晶体塑性变形：

晶粒及晶体方位影响、细晶强化；

3）组织性能变化：

晶粒形状、加工硬化、内应力。

3.回复、再结晶概念、在工业上的应用（去应力退火（如冷绕弹簧）、中间退火（冷拉拔））。

4.冷、热加工界限（低于T再的是冷加工；高于T再的是热加工）、可能产生的缺陷及消除方法

冷加工：

加工硬化、内应力、（织构）

热加工：

晶粒粗大、内应力、（带状组织）

第二部分热处理（ch6）

一、热处理原理：

四大转变

1.加热：

γ化四个步骤、γ晶粒度概念及影响因素。

2.冷却：

1）共析钢，亚、过共析钢TTT、CCT曲线示意图；

2）转变过程及转变产物；

3）TTT、CCT曲线的应用：

①用冷却曲线判断工艺及组织；

②据所获组织画冷却曲线。

3.M相变：

1）条件：

γ化、V冷﹥Vk

2）M结构特点（α过、C/a、淬硬性）、类型（M针状、M板条状）

3）相变特点：

高速（晶粒大小影响）、变温（高速钢回火次数）、不完全（A’）；

4）淬透性：

定义、符号、影响因素（C%、Me%、γ化）

4.M淬火的回火转变

1）M淬火随T↑组织变化；

2）回火稳定性的概念；

3）回火脆性的概念（第一类、第二类、产生原因、防止方法）

二、热处理工艺

工艺

加热温度

（0C）

冷却

方式

获得组织

适用材料

工艺路线位置

应用场合

退火

完全

Ac3+30~50

慢、等温

P+α

亚共析

锻后

球化

Ac1+30~50

慢、等温

P球

过共析

锻后

扩散

﹤固相线100

慢

P+α

亚共析

铸后

有枝晶偏析

去应力

500~600

慢

无变化

再结晶

﹥T=0.4T熔

慢、空冷

无变化

冷加工后

正火

Ac3（cm）+30~50

空冷

S+α（Fe3C）

锻后

淬火（等温）

Ac3（c1）+30~50

快冷

M（B下）

最终

热处理

回火

低温

150~250

高回：

空冷有“回脆”时，快冷

M回

HB，耐磨性↑

中温

350~500

T回

弹性↑

高温

500~650（调质）

S回

综合力性↑

工艺

材料

预先

热处理

随后热处理

组织

典型零件

工艺路线

表面

心部

高频淬火

45、40Cr

调质

低温回火

M回

S回

机床齿轮

（略）

渗碳

20CrMnTi

——

淬火+低回

M回+K+A’

M低碳等

汽车齿轮

（略）

氮化

38CrMoAl

调质

——

合金氮化物

S回

镗杆

（略）

氰化

低中碳

——

淬火+低回

M回+CN化合物

M低碳等

齿轮等

（略）

三、铸铁热处理

●主要是为了改善基体的组织和性能，而不改变石墨的数量、大小、形态。

●普通灰口铸铁：

有去应力退火、改善切削加工性（消除白口）退火、接触电热表面淬火

球墨铸铁：

几乎所有热处理都可应用，注意：

QT牌号对应于热处理

●铸铁的性能与石墨的形态：

片、絮、球（取决于铸造）及基体（取决于热处理）

四、铝合金热处理：

固溶处理+时效处理

第三部分材料及机械零件选材和工艺路线（ch7～１１）

一、常用材料

1.合金钢的分类及热处理

合

金

钢

分类

代表

钢号

预先热处理

最终热处理

应用举例

工艺

组织

工艺

组织

工

程

结

构

钢

普通非合金钢

Q235

（保证力学性能，

一般不进行热处理）

钢板、角钢等

普通低合金钢

16Mn

船舶、容器

高锰钢

ZGMn13

11000C固溶处理

γ

拖拉机履带

机

器

结

构

钢

渗碳钢

20CrMnTi

正火

S+α（少）

渗碳+淬火+低温回火

表：

M回+K+A’（少）

心：

M板条或T、S

汽车、拖拉机

变速齿轮

调质钢

45、40Cr

正火

S+α（少）

调质

S回

机床主轴

弹簧钢

60,65Mn

冷拉

P（S）+α

冷成型：

去应力退火

P（S）+α等

小弹簧

60Si2Mn

淬火+中温回火

T回

汽车板弹簧

低合金超高强度钢

30CrMnSiNi2A

正退火

S+α（少）

淬火+低温回火

M回+A’（少）

航天结构材料

易切削钢

Y40Mn

——

高速切削

滚动轴承钢

GCr15

球退

P球

淬火（+冷处理）+低回

M回+K+A’（少量）

滚动轴承

工

具

钢

刃

具

钢

碳素工具钢

T7~T13

球退

P球

淬火+低温回火

M回+K+A’（少量）

手动工具

低合金工具钢

9SiCr

球退

P球

淬火+低温回火

M回+K+A’（少量）

慢速工具

高速钢

W18Cr4V

退火

S+K球

12700C淬+5600C回三次

M回+K+A’（少量）

车刀等高速

摸

具

钢

冷作模具钢

Cr12MoV

球化

退火

P球

10200C淬+低回

11000淬+5200C回三次

M回+K+A’（少量）

冷冲模

（热作模）

热作模具钢

5CrNiMo

退火

P+α（少）

8500C淬火+5600C回

T回

热锻模

压铸模具钢

3Cr2W8V

球退

P球

10800淬+5500C回三次

M回+K+A’（少量）

压铸模

挤压模具钢

4Cr5MoSiV（H13）

球退

P球

10200C淬+5800C回三次

M回+K+A’（少量）

热挤压模

量具钢

CrWMn

球退

P球

淬火+冷处理+低回

M回+K+A’（少量）

量具

特

殊

钢

不锈钢

Cr13型9Cr18

10500C淬火+低~高回

M回~S回

五金件,手术刀

1Cr18Ni9Ti

11000C固溶处理

γ

食品机械

耐

热钢

抗氧化钢

3Cr18Mn12Si2N

11000C固溶处理

γ

加热炉附件

热强钢

12CrMoV

正火+回火

α+S

锅炉零件

注：

1、调质钢在调质后可根据不同要求加表面热处理，如：

表面淬火、-氮化等。

2、钢的编号方法

1）普通非合金钢：

Q+屈服强度值（MPa）+质量等级+冶炼方法

2）优质非合金钢：

万分之几碳，如45为万分之45碳（即0.45%）优质碳素结构钢。

3）碳素工具钢：

T+千分之几碳，如T12千分之12碳（即1.2%）的碳素工具钢。

4）合金结构钢：

含碳量的万分之几+合金元素符号+合金元素含量,如60Si2Mn

5）合金工具钢：

含碳量的千分之几+合金元素符号+合金元素含量,如9SiCr

6）某些标注规律：

（1）含碳量：

两位数多为万分之几（有T带头的除外）

一位数多为千分之几（有T带头的两位数也为千分之几）

不标的有

含碳量1.0%,如CrWMn；

含碳量既定俗成的，如W18Cr4V（0.7~0.8C%）

（2）合金元素含量：

除GCr15为1.5%外，

其余为百分之几（1.5%以下不标，1.5~2.5%标2，2.5~3.5标3，3.5~4.5标4……）。

2.铸铁的分类及牌号

名称

C存在

基体组织及牌号

性能及应用举例

白口铸铁

Fe3C

炼钢原料

灰

口

铸

铁

普通

灰口铸铁

片状石墨

HT+数字（最低抗拉强度MPa）如HT100（α+G片）,HT150（α+P+G片），HT200,HT250（P+G片）,

HT300（变质处理）,HT350（变质处理）

抗压强度、减摩减震性、切削加工性↑,缺口敏感性↓。

机床床身、汽缸套、轴承座等

可锻铸铁

团絮状石墨

黑心（α）

可锻铸铁

KTH+数字（最低抗拉强度MPa）+数字（最低延伸率%）如KTH300-06,KTH350-10,

汽车后桥外壳、低压阀、管接头等

珠光体

可锻铸铁

KTZ+数字（最低抗拉强度MPa）+数字（最低延伸率%）

如KTZ450-06,KTZ550-04,KTH700-02

柴油机曲轴、连杆、活塞等

白心（表α+心P）

可锻铸铁

KTB+数字（最低抗拉强度MPa）+数字（最低延伸率%）如KTB350-04,KTB380-12,KTB400-05,KTB450-07

（应用较少）

球墨铸铁

球状石墨

QT+数字（最低抗拉强度MPa）+数字（最低延伸率%）

牌号

基体组织

热处理

QT400-17

QT420-10

铁素体

退火

汽车牵引框、后桥壳、阀体、轮毂等

QT500-05

铁素体+珠光体

退火

齿轮、阀门、电动机架

QT600-02

珠光体

正火

发动机曲轴、凸轮轴、

连杆、机床主轴、齿轮、

液压气缸等

QT700-02

珠光体或回火索氏体

正火或调质

QT800-02

珠光体或回火索氏体

正火或调质

QT1200-01

下贝氏体或回火屈氏体

或回火马氏体

等温淬火或淬火+中温回火

或淬火+低温回火

汽车拖拉机传动齿轮、

柴油机凸轮轴、曲轴等

蠕墨铸铁

蠕虫状石墨

1.蠕虫状石墨形态介于片状与球状之间；

2.蠕墨铸铁性能兼有灰口铸铁和球墨铸铁的某些优点，可代替高强度铸铁、合金铸铁等；

3.蠕墨铸铁的基体有：

P、α、P+α。

*1.抗拉强度：

球墨铸铁﹥可锻铸铁﹥普通灰口铸铁；

2.减震性、缺口敏感性：

普通灰口铸铁↑；

3.可锻铸铁的生产：

先铸成白口，再退火而成。

二、材料的某些性质

1.淬透性：

1）碳钢中：

共析钢最好

2）合金钢﹥碳钢；合金钢中：

Me%↑,J↑。

2.淬硬性：

C%↑越好。

3.回火稳定性：

Me%↑，越好。

4.回火脆性：

第一类：

250~3500C:

1）避开；2）抗弯及工模具不必考虑。

第二类：

500~6000C:

1）回火后快冷；2）加W、Mo等Me。

5.过热敏感性：

Mn钢：

（加Ti、V、W、Mo抑制）

6.红硬性：

W%↑、V%↑。

三、Me作用：

1.强MeC元素：

Ti、V—防止γ晶粒长大（细化晶粒）。

Ti—在1Cr18Ni9Ti中，防止晶间腐蚀。

2.一般：

1）除Co外，都使J↑；

2）W、Cr、Mo—提高回火稳定性、产生二次硬化，提高红硬性。

3）Cr—在不锈钢中，提高电极电位、钝化。

4）Mn—扩大γ区，（γ钢）

5）Mo—在调质钢中，消除第二类回火脆性

在W6Mo5Cr4V中，改善碳化物分布，提高韧性。

3.非MeC元素

1）Si、Ni—强化α。

2）Si—改善低温红硬性（9SiCr）；提高回火稳定性（60Si2Mn）；促进石墨化。

3）Ni—强化α同时改善ak,扩大γ区，（γ钢）

4）Al—加速N化过程（38CrMoAlA），钝化[Cr、Si]（耐热钢）。

5）影响S点（3Cr2W8V）、E点（莱氏体钢）。

6）扩大γ区（γ钢）、缩小γ区（α钢）。

注意在具体钢中的分析：

W18Cr4V、20CrMnTi、1Cr18Ni9Ti、1Cr13、5CrNiMo等。

四、典型零件的选材（写牌号）、工艺路线及热处理工艺组织作用分析：

1.齿轮类：

（1）机床传动齿轮（材料：

45）

锻→正火→粗机加工→调质→精机加工→高频表面淬火+低温回火→磨

S+F（少量）S回火表面：

M回火+A’（少量）；心部：

S回火

（2）汽车拖拉机变速齿轮（材料：

20CrMnTi）

锻→正火→机加工→渗碳+淬火+低温回火→磨

S+F（少量）表面：

M回火+K+A’（少量）；心部：

M低碳或与T、S等

2.轴类：

机床主轴、镗杆（磨床主轴）、曲轴（QT600-2）、凸轮轴（QT1000-1）；

（1）机床主轴（材料：

45）

锻→正火→粗机加工→调质→精机加工→高频表面淬火+低温回火（耐磨处）→磨

S+F（少量）S回火表面：

M回火+A’（少量）；心部：

S回火

（2）镗杆（磨床主轴）：

（材料：

38CrMoAl）

锻→正火→粗机加工→调质→精机加工→去应力处理→粗磨→氮化→精磨→时效→研磨

S+F（少量）S回火表面：

合金氮化物；心部：

S回火

（3）柴油机曲轴（材料：

QT600-2）

铸→正火→机加工→高频表面淬火+低温回火（耐磨处）→磨

P细+G球表面：

M回火+G球+A’（少量）；心部：

P细+G球

（4）柴油机凸轮轴

材料：

QT1000-1：

铸造→退火[F（+P）+G球]→机加工→等温淬火[B下+G球]

40Cr：

锻→正火→粗机加工→调质→精机加工→高频表面淬火+低温回火→磨

3.汽车板弹簧（60Si2Mn）：

扁钢剪断→加热成型→淬火+中温回火[T回]→喷丸

冷绕弹簧（65Mn）:

冷拉拔→铅浴处理→冷拉拔→冷卷成型→200～3000C去应力处理（回复）

4.工具：

W18Cr4V车刀、手术刀；

W18Cr4V车刀：

锻→退火→机加工→（预热）→12700C淬火+5600C回火（3次）→磨

P+KM回火+K+A’（少量）

5.模具：

冷作模、热作模。

Cr12MoV的一次硬化法：

1000℃淬火+180-200℃回火，HRC59-61（适用于冷作模具）

二次硬化法：

1100℃淬火+510-530℃回火，HRC59-61（适用于热作模具）