工程材料及成形技术基础复习重点完整版.docx

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工程材料及成形技术基础复习重点完整版

一、二元相图的建立

合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析，相图是用来表示合金系中各金在缓冷条件下结晶过程的简明图解，又称状态图或平衡图。

合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。

组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。

多数情况下组元是指组成合金的元素。

但对于既不发生分解、又不发生任何反应的合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。

相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。

相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

（3）枝晶偏析

合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。

但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素，如Cu-Ni合金中的Cu）。

在一个枝晶围或一个晶粒围成分不均匀的现象称作枝晶偏析。

与冷速有关而且与液固相线的间距有关。

冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。

生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。

2、二元共晶相图

当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。

以Pb-Sn相图为例进行分析。

（1）相图分析

①相：

相图中有L、、三种相，是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。

②相区：

相图中有三个单相区：

L、、；三个两相区：

L+、L+、+。

③液固相线：

液相线AEB，固相线ACEDB。

A、B分别为Pb、Sn的熔点。

④固溶线:

溶解度点的连线称固溶线。

相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。

固溶体的溶解度随温度降低而下降。

⑤共晶线：

水平线CED叫做共晶线。

在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物LE⇄（C+D）

在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。

一、铁碳合金的组元和相

1.组元：

Fe、Fe3C

2.相

⑴铁素体——碳在-Fe中的固溶体称铁素体，用F或表示碳在–Fe中的固溶体用表示，体心立方间隙固溶体。

铁素体的溶碳能力很低，在727℃时最大为0.0218%，室温下仅为0.0008%。

铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。

（2）奥氏体

碳在-Fe中的固溶体称奥氏体。

用A或表示。

是面心立方晶格的间隙固溶体。

溶碳能力比铁素体大，1148℃时最大为2.11%。

组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。

强度低、塑性好，钢材热加工都在区进行，碳钢室温组织中无奥氏体。

（3）渗碳体（Fe3C）

含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。

Fe3C硬度高、强度低（b35MPa），脆性大，塑性几乎为零。

由于碳在-Fe中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。

 重要知识点

◆五个重要的成份点:

P、S、E、C、F

◆四条重要的线:

ECF、PSK、ES、GS

◆三个重要转变:

共晶转变反应式、共析转变反应式、包晶转变（本节略）

◆二个重要温度:

1148℃、727℃ 

第一节退火和正火

一般零件的工艺路线为：

毛坯（铸造或锻造）→退火或正火→机械（粗）加工→淬火+回火（或表面热处理）→机械（精）加工。

退火与正火常作为预备热处理，其目的是为消除毛坯的组织缺陷，或为以后的加工作准备；淬火和回火工艺配合可强化钢材，提高零件使用性能，作为最终热处理。

一、退火

将工件加热到适当温度，保温一定时间，缓慢冷却热处理工艺

【目的】根据不同情况，退火的作为可归纳为降低硬度，改善钢的成形和切削加工性能；均匀钢的化学成分和组织；消除应力等。

①调整硬度以便进行切削加工；

②消除残余应力，以防止钢件在淬火时产生变形或开裂;

③细化晶粒，改善组织，提高力学性能，为最终热处理作准备。

1、退火类型

（1）完全退火

完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。

【工艺】加热温度为Ac3以上20℃~30℃，保温时间依工件的大小和厚度而定，使工件热透，保证全部得到均匀化的奥氏体，冷却方式可采用随炉缓慢冷却，实际生产时为提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

（2）球化退火

【工艺】球化退火的加热温度为Ac1以上20℃~30℃，采用随炉缓冷，至500℃~600℃后出炉空冷；

（3）去应力退火

去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力及铸件存在的残余应力而进行的退火工艺。

【工艺】去应力退火加热温度较宽，但不超过AC1点，一般在500℃~650℃之间，铸铁件去应力退火温度一般为500℃~550℃；焊接工件的去应力退火温度一般为500℃~600℃。

去应力退火的保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。

去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。

（4）扩散退火

为减少铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100℃～200℃）的温度，长时间保温（10h～15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。

二、正火

1、正火的概念

【工艺】正火处理的加热温度通常在Ac3或Accm以上30℃~50℃。

对于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金钢，采用更高的加热温度（AC3+100℃~150℃）。

正火冷却方式常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。

对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢的冷却速度，达到要求的组织和性能。

第二节钢的淬火

将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢与过共析钢加热到Ac1以上，低于Accm的温度，保温后以大于Vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体或贝氏体的热处理工艺叫淬火。

马氏体强化是钢的主要强化手段，因此淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的机械性能。

淬火是钢的最重要的热处理工艺也是热处理中应用最广的工艺之一。

1、淬火温度的确定

淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。

选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。

亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上30~50℃，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。

温度过高，奥氏体晶粒粗大而得到粗大的马氏体组织，而使钢的机械性能恶化，特别是塑性和韧性降低；淬火温度低于Ac3，淬火组织中会保留未溶铁素体，使钢的强度硬度下降。

4、钢的淬透性

（1）淬透性与淬硬性的概念

钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力（也称为淬透层深度），其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。

淬硬层深度指由工件表面到半马氏体区（50%M+50%P）的深度。

淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。

淬透性与淬硬层深度的关系

同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。

工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。

淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。

它只用于不同材料之间的比较，通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。

（2）淬透性的测定及其表示方法

 同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸，冷却介质有关，工件尺寸小、冷却能力强，淬硬层深，工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深，而淬透性与工件尺寸、冷却介质无关，它只用于不同材料之间的比较，是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度进行比较的。

淬透性常用末端淬火法测定（如下图所示），将标准化试样奥氏体化后，对末端进行喷水冷却。

然后从水冷段开始，每隔一定距离测量一个硬度值，即可得到试样沿轴向的硬度分布曲线，称为钢的淬透性曲线。

即用表示

J表示末端淬透性；

d表示半马氏体区到水冷端的距离；

HRC为半马氏体区的硬度。

（3）影响淬透性的因素

钢的淬透性取决于临界冷却速度VK，VK越小，淬透性越高。

VK取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，VK越小。

凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素，即除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。

◆影响淬硬层深度的因素

淬透性冷却介质工件尺寸

对于截面承载均匀的重要件,要全部淬透。

如连杆、模具等。

对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/2-1/3），如轴类、齿轮等。

淬硬层深度与工件尺寸有关,设计时应注意尺寸效应。

第三节钢的回火

回火——将淬火钢加热到Ac1以下的某温度保温后冷却的热处理工艺。

1、回火的目的

◆消除或减少淬火应力，防止工件变形或开裂；

◆获得工艺所要求的力学性能；

◆稳定工件尺寸。

淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，有自发向平衡组织铁素体加渗碳体转变的倾向。

回火可使马氏体和残余奥氏体转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。

对于未经淬火的钢，回火是没有意义的，而淬火钢不经回火一般也不能直接使用，为避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂，钢件经淬火后应及时回火。

3、回火工艺

（1）低温回火（<250℃）

低温回火后得到回火马氏体组织。

其目的是降低钢的淬火应力和脆性，回火马氏体具有高的硬度（一般为58~64HRC）、强度和良好耐磨性。

低温回火特别适用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件及高频表面淬火等工求高硬度和耐磨性的工件。

（2）中温回火（350-500℃）

中温回火时发生如下变化，得到T回组织，即为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织。

使钢具有高的弹性极限，较高的强度和硬度（一般为35~50HRC），良好的塑性和韧性。

中温回火主要用于各种弹性元件及热作模具。

（3）高温回火（>500℃）

高温回火后得到回火索氏体组织，即为在多边性铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织。

工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。

高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的曲轴、连杆、螺栓、汽车半轴、等重要的机器零件。

4、回火时的性能变化

回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。

5、回火脆性

淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。

在某些温度围回火时，会出现冲击韧性下降的现象。

（1）低温回火脆性

淬火钢在250℃～350℃围回火时出现的脆性叫做低温回火脆性。

几乎所有的钢都存在这类脆性。

这是一种不可逆回火脆性，目前尚无有效办法完全消除这类回火脆性。

所以一般都不在250℃～350℃这个温度围回火。

（2）高温回火脆性

淬火钢在500℃～650℃围回火时出现的脆性称为高温回火脆性，称为第二类回火脆性。

这种脆性主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的结构钢中。

这种脆性与加热、冷却条件有关。

加热至600℃以上后，以缓慢的冷却速度通过脆化温度区时，出现脆性；快速通过脆化区时，则不出现脆性。

此类回火脆性是可逆的，在出现第二类回火脆性后，重新加热至600℃以上快冷，可消除脆性。

第四节钢的表面淬火

钢的表面热处理有两大类：

一类是表面加热淬火热处理，通过对零件表面快速加热及快速冷却使零件表层获得马氏体组织，从而增强零件的表层硬度，提高其抗磨损性能。

另一类是化学热处理，通过改变零件表层的化学成分，从而改变表层的组织，使其表层的机械性能发生变化。

1、表面淬火

表面具有高的强度、硬度和耐磨性，不易产生疲劳破坏，而心部则要求有足够的塑性和韧性。

采用表面淬火可使钢的表面得到强化，满足工件这种“表硬心韧”的性能要求。

（1）表面淬火目的

◆使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;

◆心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。

适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击零件

（2）表面淬火用材料

◆0.4-0.5%C的中碳钢。

含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降含碳量过高，心部韧性下降；

◆铸铁提高其表面耐磨性。

（3）预备热处理

◆工艺

对于结构钢为调质或正火。

前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。

◆目的

①为表面淬火作组织准备

②获得最终心部组织。

表面淬火后的回火

采用低温回火，温度不高于200℃。

目的为降低应力保留淬火高硬度耐磨性。

表面淬火+低温回火后的组织：

◆表层组织为M回；

心部组织为S回（调质）或F+S（正火）。

第五节化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求热处理过程。

【目的】

1、提高渗层硬度和耐磨性，如渗碳、氮等；

2、提高零件接触疲劳强度和提高抗擦伤能力，渗氮等；

3、提高零件抗氧化、耐高温性能，如渗入铝、铬等；

4、提高零件抗蚀性，如渗入硅、铬等。

化学热处理基本过程

（1）介质的分解—即加热时介质中的化合物分子发生分解并释放出活性原子；

（ 2）工件表面的吸收—即活性原子向固溶体中溶解或与钢中某些元素形成化合物；

（ 3）原子向部扩散—即溶入的元素原子在浓度梯度的作用下由表层向钢部的扩散。

1、渗碳原理

渗碳是指向钢表面渗入碳原子的过程。

渗碳是为了使低碳钢工件（含碳量为0.1%～0.25%）表面获得高的碳浓度0.85%～1.05%，从而提高工件表面的硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性和塑性。

若采用中碳以上的钢渗碳，则将降低工件心部的韧性。

渗碳主要用于那些对耐磨性要求较高、同时承受较大冲击载荷的零件。

（2）渗碳件用钢

一般采用碳质量分数为0.1%~0.25%的低碳钢或低碳合金钢，20、20Cr、20CrMnTi等。

可使渗碳件表面高硬度、耐磨，心部高强韧性、承受较大冲击。

（3）渗碳后的热处理及性能

渗碳缓冷后组织：

表层为P+网状Fe3CⅡ;心部为F+P；中间为过渡区。

渗碳后必须经淬火+低温回火后才能满足使用性能的要求。

热处理后使渗碳件表面具有马氏体和碳化物的组织，表面硬度58~64HRC。

而心部根据采用钢材淬透性的大小和零件尺寸大小，获得低碳马氏体或其他非马氏体组织，具有心部良好强韧性。

常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低温回火。

表层：

M回+颗粒状碳化物+A’（少量）,心部：

淬透时,M回+F。

2、渗氮

渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学

热处理工艺。

方法主要有气体渗氮和离子渗氮等。

（1）气体渗氮

渗氮温度一般为500~560℃，时间一般为20~50小时，采用氨气

（NH3）作渗氮介质。

氨气在450℃以上温度时即发生分解，产生活性

氮原子：

2NH3——3H2+2[N]

（2）渗氮的特点

渗氮件的表面硬度高达，相当于65HRC～72HRC。

并可保持到560～600℃而不降低。

氮化后钢件不需其他热处理，渗氮件的变形小。

渗氮后具有良好的耐腐蚀性能。

这是由于渗氮后表面形成致密的氮化物薄膜，气体渗氮所需时间很长，渗氮层也较薄一般为0.3-0.6mm，38CrMoAl钢制压缩机活塞杆为获得0.4-0.6mm的渗氮层深度气体渗氮保温时间需60h左右。

【氮化缺点】工艺复杂，成本高，氮化层薄。

用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。

第六节铸铁

一、铸铁的成分、组织和性能特点

1、铸铁的成分特点

a.含碳量

理论上含C：

2.11%~6.69%的铁碳合金都属

于铸铁，但工业上常用铸铁的含碳量一般在：

2.50%~4.00%之间。

三、铸铁的分类

1、灰口铸铁（普通铸铁）

石墨呈片状，典型灰口铸铁，这类铸铁机械性能不高，但生产工艺简单，价格低廉，工业上所用铸铁几乎全部属于这类铸铁。

灰口铸铁又根据第三阶段石墨化程度的不同分为：

铁素体灰铁、F+P灰铁、珠光体灰铁

2、白口铸铁（炼钢生铁）

第一、二、三阶段石墨化过程完全被抑制，Fe-C合金完全按照Fe-Fe3C结晶而得到的铸铁，以Fe3C形式存在组织中存在莱氏体组织，断口呈白亮色，故得名白口铸铁。

白口铸铁硬脆，主要作为炼钢原料。

3、可锻铸铁（韧性铸铁，玛钢）

石墨呈团絮状，用白口铸铁经长时间高温退火后，Fe3C分解而得到团絮状石墨组织的铸铁。

由于石墨呈团絮状，对基体的割裂作用比片状石墨小一些，故机械性能（尤其冲击韧性）高于灰口铸铁。

可锻铸铁由于生产工艺复杂，成本较高，应用很少。

4、球墨铸铁

石墨组织呈球状，这种铸铁强度高，生产工艺比可锻铸铁简单，且可通过热处理进一步提高强度。

球墨铸铁既保持了铸铁的特点，又具钢的高强度、高韧性，故应用越来越多。

（1）球化处理与孕育处理

Ⅰ球化处理

铁水浇铸前，加入一定量的球化剂（镁，硅铁-镁，铜-镁系），以促使石墨结晶时生长成为球状的工艺，称为球化处理。

Ⅱ孕育处理（变质处理）

球化处理只能在铁水中有石墨核心产生时，才能促使石墨生长成球状，而球化剂都是阻碍石墨化的元素，所以必须进行孕育处理（变质处理），往铁水中加入变质剂（75%Si-Fe）。

第七节铝及铝合金

（1）性能特点

纯铝银白色金属光泽，密度小2.72，熔点低660.4℃，导电导热性能优良。

耐大气腐蚀，易于加工成形。

具有面心立方晶格。

铝合金一般具有有限固溶型共晶相图。

可将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

（3）形变铝合金的牌号、性能

变形铝及铝合金牌号表示方法，国标规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。

GB3190-82中的旧牌号表示方法为

◆防锈铝合金：

LF+序号

◆硬铝合金：

LY+序号

◆超硬铝合金：

LC+序号

◆锻铝合金：

LD+序号

（4）铸造铝合金牌号、分类

◆Al-Si系：

代号为ZL1+两位数字顺序号

◆Al-Cu系：

代号为ZL2+两位数字顺序号

◆Al-Mg系：

代号为ZL3+两位数字顺序号

◆Al-Zn系：

代号为ZL4+两位数字顺序号

二、铜及铜合金

（1）性能特点

纯铜呈紫红色，又称紫铜，具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。

纯铜具有优良的导电性和导热性，在大气、淡水和冷凝水中有良好的耐蚀性。

塑性好。

（2）黄铜

以Zn为主要合金元素的铜合金称为黄铜。

黄铜按化学成分可分为普通黄铜和特殊黄铜。

按工艺可分为加工黄铜和铸造黄铜。

单相黄铜塑性好，常用牌号有H80、H70、H68。

适于制造冷变形零件，如弹壳、冷凝器管等。

（三七黄铜）

两相黄铜热塑性好,强度高。

常用牌号有H59、H62。

适于制造受力件，如垫圈、弹簧、导管、散热器等。

（四六黄铜）

（3）青铜

青铜主要是指Cu-Sn合金。

加工青铜的牌号为：

Q+主加元素符号及其平均百分含量+其他元素平均百分含量。

【QSn4-3】含4%Sn3%Zn）

常用青铜有锡青铜、铝青铜、铍青铜、硅青铜、铅青铜等。

常用牌号有：

QSn4-3、QSn6.5-0.4、ZCuSn10Pb1

轴承合金

制造滑动轴承的轴瓦及其衬的耐磨合金称为轴承合金。

滑动轴承是许多机器设备中对旋转轴起支撑。

由轴承体和轴瓦两部分组成。

与滚动轴承相比滑动轴承具有承载面积大，工作平稳，无噪音及拆装方便等优点。

一、组织性能要求

速旋转时，轴瓦与轴颈发生强烈摩擦，承受轴颈施加的交变载荷和冲击力。

⑴足够的强韧性，承受交变冲击载荷；

⑵较小的热膨胀系数，良好的导热性和耐蚀性，以防止轴与轴瓦之间咬合；

⑶较小的摩擦系数，良好的耐磨性和磨合性，以减少轴颈磨损，保证轴与轴瓦良好的跑合。

为满足上述性能要求，轴承合金的组织应是软的基体上分布着硬的质点。

当轴旋转时，软的基体（或质点）被磨损而凹陷，减少了轴颈与轴瓦的接触面积，有利于储存润滑油。

软基体（或质点）还能起嵌藏外来硬杂质颗粒的作用，以避免擦伤轴颈。

这类组织承受高负荷能力差；属于这类组织的有锡基和铅基轴承合金，又称为巴氏合金（babbittalloy）

1、锡基轴承合金

以锡为主并加入少量锑、铜等元素组成的合金熔点较低，是软基体硬质点组织类型的轴承合金。

锡基轴承合金具有较高的耐磨性、导热性、耐蚀性和嵌藏性，摩擦系数和热膨胀系数小，但疲劳强度较低，工作温度不超过150℃，价格高。

广泛用于重型动力机械，如气轮机、涡轮机和燃机等大型机器的高速轴瓦。

2、铅基轴承合金

以铅为主加入少量锑、锡、铜等元素的合金，软基体硬质点型轴承合金，ZChPbSb16Sn16Cu2。

铅基轴承合金的强度、硬度、耐蚀性和导热性都不如锡基轴承合金，但其成本低，高温强度好，有自润滑性。

常用于低速、低载条件下工作的设备，如汽车、拖拉机曲轴的轴承等。