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1、机械工程材料机械工业出版社第3版 内容总结机械工程材料机械工业出版社第3版第一章机械零件的失效分析第二章碳钢第三章钢的热处理第四章合金钢第五章铸铁第六章有色金属及其合金第七章高分子材料第八章陶瓷材料第九章复合材料第十章功能材料第十一章材料改性新技术第十二章零件的选材及工艺路线第十三章工程材料在典型机械和生物医学上的应用第一章 机械零件的失效分析第一节 零件在常温静载下的过量变形失效：零件若失去设计要求的效能变形：材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化弹性变形：能够恢复的变形塑性变形：不能恢复的变形一、工程材料在静拉伸时的应力-应变行为1.低碳钢的应力-应变行为变形过程：弹性变形、屈服塑性变形、

2、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形2.其他类型材料的应力-应变行为纯金属脆性材料高弹性材料二、静载性能指标1.刚度和强度指标（1）刚度 指零（构）件在受力时抵抗弹性变形的能力单向拉伸（或压缩）时：E=/= ，即EA=F/纯剪切时：G=/= ，即GA=F/弹性模量E（或切变模量G）是表征材料刚度的性能指标（2）强度指材料抵抗变形或断裂的能力指标有：比例极限p，弹性极限e，屈服强度s，抗拉强度b，断裂强度k2.弹性和塑性指标（1）弹性指材料弹性变形大小弹性能u：应力-应变曲线下面弹性变形阶段部分所包围的面积u=ee=（2）塑性指材料断裂前发生塑性变形的能力断后伸长率： 断面收缩率： 越大，材料塑性越

3、好3.硬度指标表征材料软硬程度的一种性能布氏硬度HBW（硬质合金球为压头）洛氏硬度HRC（锥角为120的金刚石圆锥体为压头）维氏硬度HV（锥角为136的金刚石四棱锥体为压头）三、过量变形失效零件的最大弹性变形量l或（扭转角）必须小于许可的弹性变形量。即ll或材料的弹性模量E(或切变模量G)越高，零件的弹性变形量越小，刚度越好通常材料的熔点越高，弹性模量也越高弹性模量对温度很敏感，随温度升高而降低第二节 零件在静载荷冲击载荷下的断裂一、韧断和脆断的基本概念韧性断裂:断裂前发生明显宏观塑性变形脆性断裂：断裂前不发生塑性变形断裂过程均包含裂纹形成和扩展两个阶段二、冲击韧性及衡量指标AK 、aK冲击韧

4、性：材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力冲击吸收功AK，单位J冲击韧度aK=AK/FK ，单位Jcm-2 。 FK为断口处截面积材料的冲击吸收功随试验温度降低而降低（低温脆性现象）三、断裂韧性及衡量指标 KIC断裂韧度KIC ，材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位MPam1/2或MNm-3/2裂纹尖端应力场强度因子KI、零件裂纹半长度a、零件工作应力之间的关系：KI=Ya1/2Y=12，为零件中裂纹的几何因子。当KIKIC时，零件发生低应力脆性断裂当KIKIC时，零件安全可靠KI =KIC，是零件发生低应力脆性断裂的临界条件最大承载能力 c=零件允许存在的裂纹最大尺寸2acac =(

5、KIC/Y)2四、影响脆断的因素因素有：加载方式、材料本质、温度、加载速度、应力集中及零件尺寸1.加载方式和材料本质零件在外力作用下，内部个点应力状态可用三个主应力表示。123max=(1-3)/2max=1-v(2+3)v为泊松比软性系数 =max/max越大，应力状态越软，脆断倾向越小。2.温度和加载速度3.应力集中4.零件尺寸零件截面积尺寸越大，越易发生脆断。第三节 零件在交变载荷下的疲劳断裂一、疲劳的基本概念疲劳断裂：零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象。二、疲劳断口的特征三阶段：裂纹形成、扩展和最后断裂断口形貌：疲劳源区、疲劳裂纹扩咱区、最后断裂区三、疲劳抗力指标及其影

6、响因素第四节 零件磨损失效基本类型：粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、麻点磨损（即接触疲劳）第五节 零件的腐蚀失效高温氧化腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀第二章 碳钢第一节 纯铁的组织和性能一、纯铁的结晶1.过冷现象和过冷度过冷现象：实际结晶过程中，实际开始结晶温度Tn总是低于理论结晶温度To的现象。过冷度T=To-Tn冷却速度越大，过冷度越大2.结晶过程形核与长大二、纯铁的晶体结构1.晶体结构的基本概念晶体结构类型：体心立方结构、面心立方结构、密排六方结构2.晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷3.纯铁的晶体结构及同素异构转变液态 1538 -Fe体心立方 1394 -Fe面心立方 912-Fe体心立方铁素

7、体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体奥氏体：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体第三节 Fe-Fe3C相图相图：表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形符号 温度 wc(%) 说明A 1538 0 纯铁熔点B 1495 0.53 包晶反应时液态合金的浓度C 1148 4.30 共晶点，D 1227 6.69 渗碳体熔点（计算值）E 1148 2.11 碳在-Fe中的最大溶解度F 1148 6.69 渗碳体G 912 0 -Fe-Fe同素异构转变点（A3）H 1495 0.09 碳在-Fe中的最大溶解度J 1495 0.17 包晶点K 727 6.69 渗碳体N 1394 0 -F

8、e-Fe同素异构转变点（A4）P 727 0.0218 碳在-Fe中的最大溶解度S 727 0.77 共析点Q 室温 0.0008 碳在-Fe中的溶解度(1)包晶转变（HJB线）H+LBJ 1495(2)共晶转变（ECF线）LcE+Fe3C 1148Ld莱氏体E+Fe3C(3)共析转变（PSK线）sp+Fe3C 727P珠光体p+Fe3C典型铁碳合金结晶过程1）工业纯铁（wc0.0218%）铁素体和少量三次渗碳体2)钢（wc为0.02182.11%）亚共析钢（wc0.77%）珠光体和二次渗碳体3)白口铸铁（wc为2.11%6.69%）压共晶白口铸铁（wc4.3%）一次渗碳体和莱氏体第六节 压力

9、加工对钢组织和性能的影响一、冷压力加工对钢组织和性能的影响组织变化：各晶粒会被拉长或压扁为细条或纤维状，称为纤维组织。渗碳体阻碍变形。性能变化：硬度、强度升高，塑性、韧性降低。（加工硬化）二、冷变形钢在加热过程中组织和性能的变化随加热温度升高：（1）回复去应力退火（2）再结晶内应力完全消除。再结晶退火（3）晶粒长大三、热压力加工对钢组织和性能的影响1.热加工与冷加工的区别热加工：高于再结晶温度的压力加工冷加工：低于再结晶温度的压力加工2.热压力加工钢的组织和性能钢的热加工是在奥氏体状态下进行的，晶粒细小，钢中夹杂物会沿变形方向分布成“流线”，纵向力学性能显著大于横向。第七节 碳钢的分类、牌号及

10、用途1.普通碳素结构钢 Q+数字一般不经热处理Q195、Q215、Q235薄板、钢筋、焊接钢管，用于桥梁、建筑等结构，制造普通铆钉、螺钉、螺母Q255、Q275 轧制成型钢、条钢、钢板作结构件，连杆、齿轮、联轴器、销2.优质碳素结构钢 两位数字一般要经过热处理08、08F、10、10F，冷轧成薄板。仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室。15、20、25，活塞销、样板30、35、40、45、50，（淬火+高温回火）轴类零件，如40、45钢常用于汽车、拖拉机的曲轴、连杆、一般机床主轴、机床齿轮等55、60、65 ，（淬火+中温回火）弹簧3.碳素工具钢 T+数字热处理（淬火+

11、低温回火）第三章 钢的热处理第一节 钢在加热时的转变用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢，用Si、Mn脱氧为本质粗晶粒钢钢加热时缺陷：过热、氧化、脱碳本质粗晶粒钢：有些钢的奥氏体晶粒随加热温度升高会迅速长大本质细晶粒钢：有写钢的奥氏体晶粒不容易长大，加热到更高温度时才开始迅速长大。第二节 奥氏体转变图马氏体：转变在连续冷却过程中在MsMf温度范围内进行的。奥氏体等温转变图，奥氏体连续冷却转变图，临界冷却速度：v临冷却速度线恰好与奥氏体等温转变图中的转变开始线相切，表示奥氏体在冷却时中途不发生转变，而直接转变为马氏体组织的最小冷却速度。第三节 钢的普通热处理一、退火将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一

12、温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度进行冷却1.完全退火加热至AC3以上3050，保温一定时间后十分缓慢地冷却至500以下，然后空冷。室温下组织：铁素体，珠光体目的：改善组织，细化晶粒，降低硬度，改善切削加工性2.球化退火加热至AC1以上3050，保温一定时间后十分缓慢地冷却至600以下，然后空冷。得到组织：球状珠光体目的:降低硬度，改善切削加工性，并为淬火做准备3.去应力退火缓慢加热至500650，保温一段时间，缓慢冷却至200以下，然后空冷组织和性能无明显变化，残留应力得到松弛二、正火加热至AC3或Accm以上3080，保温后，空冷。与退火区别：冷却速度较快，组织较细，目的：细化组织，

13、适当提高硬度和强度三、淬火加热至AC1或AC3以上3050，保温一定时间后快速冷却，以获得马氏体（或下贝氏体）。目的：获得马氏体（或下贝氏体）淬火冷却速度必须大于临界冷却速度v临淬火方法：单液淬火法、双夜淬火法、分级淬火法、等温淬火法淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力淬透性测定：临界直径法、顶端淬火法影响淬透性的因素：临界冷却速度v临，奥氏体等温转变图位置越靠右，则v临越小，淬透性越大。淬透性最好的碳钢是共析钢四、回火将淬火钢重新加热至A1点以下某一温度，保温一定时间后冷却至室温目的：降低淬火钢的脆性，减小或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需力学性能（1）低温回火 150250得到

14、回火马氏体组织M回,高硬度和高耐磨性，内应力和脆性降低应用于工模具和滚动轴承，渗碳和表面淬火的零件（2）中文回火 350500得到 回火托氏体T回，具有一定的韧性和高的弹性极限及屈服强度各类弹簧（3）高温回火 500650 （调质处理）得到 回火索氏体S回，适当的强度，足够的塑性和韧性，良好的综合力学性能轴、齿轮、连杆、螺栓第四节 钢的表面热处理一、表面淬火将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未传到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法二、表面化学热处理 “表硬心韧”1.渗碳使工件热处理后表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有一定的强度和较高的韧

15、性固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳锻造正火机械加工渗碳淬火低温回火精加工成品2.渗氮提高工作表面硬度，耐磨性，疲劳强度和耐蚀性以及热硬性渗氮后不再进行淬火、回火处理锻造退火（或回火）粗加工调质半精加工去应力退火粗磨渗氮精磨（或研磨）成品3.碳氮共渗第五节 钢的特种热处理一、真空热处理二、可控气氛热处理三、形变热处理第四章 合金钢第一节 概述一、合金元素在钢中的作用1.合金元素改善钢的热处理工艺性能（1）细化奥氏体晶粒（2）提高淬透性（3）提高回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性回火抗力：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力2.合金元素提高钢的使用性能（1）合金元素使钢得到强化固溶强化，第二相

16、强化，细晶强化（2）合金元素使钢获得特殊性能1）形成稳定的单相组织2）形成致密氧化膜和金属间化合物二、合金钢的分类及牌号1.合金结构钢牌号：数字+合金元素符号+数字前面数字表示钢的平均碳的质量分数的万分数后面数字表示合金元素平均质量分数的百分数，当合金元素的平均质量分数1.5%时，牌号中只标明合金元素，而不标含量。例如：wc为0.37%0.44%、wCr为0.8%1.1%，牌号40Grwc为0.57%0.65%，wSi为1.5%2.0%，wMn为0.6%0.9%，牌号60Si2Mn高碳铬轴承钢：牌号前标G，后面数字表示平均铬的质量分数的千分数例如：GCr15的钢平均wCr为1.5%含S、P量较

17、低（wS0.02%、wp1.0%但高速钢例外，平均wC10%第二节 合金结构钢低合金刚强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、高碳轴承钢一、低合金刚强度结构钢碳含量较低（wC0.2%）性能特点：良好的塑性和韧性，及焊接性能、较高强度、良好的耐大气腐蚀性热处理：通常在热轧空冷后使用，有时在焊接后进行一次正火处理后使用，其组织为铁素体+珠光体。牌号：Q295（09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn）桥梁、车辆、容器、油罐Q345(12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb)桥梁、车辆、船舶、压力容器、建筑结构Q390(15MnV、15MnTi、16MnNb)桥梁、船

18、舶、起重设备、压力容器Q420(15MnVN、14MnVTiRE)桥梁、高压容器、大型船舶、电站设备、管道Q460中温高压容器（120）、锅炉、石油化工高压厚壁容器（100）二、合金渗碳钢碳含量较低，wC 为0.10%0.25%较高的强度和韧性，较好的淬透性，优良的工艺性能牌号：（1）低淬透性合金渗碳钢20Mn2、20MnV、20Cr、20Crv用于制造尺寸较小的零件，小齿轮、活塞销（2）中淬透性合金渗碳钢20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB、20CrMnMo用于制造承受高速、中速、冲击和在剧烈摩擦条件下工作的零件，汽车、拖拉机的变速箱齿轮、离合器（3）高淬透性合金渗碳钢18Cr2N

19、i4WA用于制造大截面、高负荷以及要求高耐磨性及良好韧性的重要零件，飞机、坦克的曲轴、齿轮及内燃机车的主动牵引齿轮热处理一般都是渗碳后直接进行淬火和低温回火。三、合金调质钢指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢wC为0.25%0.50%有足够的强度和塑性、韧性，具有优良的综合力学性能牌号：（1）低淬透性合金调质钢40Cr、40MnB用于制造截面尺寸较小或载荷较小的零件，连杆螺栓、机床主轴、内燃机曲轴（2）中淬透性合金调质钢35CrMo、38CrSi用于制造截面尺寸较大、载荷较大的零件，火车发动机曲轴、连杆（3）高淬透性合金调质钢38CrMoAlA、40CrNiMoA用于制造截面

20、尺寸大、载荷大的零件，精密机床主轴、汽轮机主轴、航空发动机曲轴、连杆热处理：淬火+高温回火组织：回火索氏体四、合金弹簧钢淬透性好、耐回火性好、脱碳敏感性小、具有高的弹性极限、屈服强度、抗拉强度和屈强比及较高的疲劳强度与足够的塑性、韧性牌号：（1）含Si、Mn元素的合金弹簧钢60Si2Mn用于制造截面尺寸25mm的弹簧，汽车、拖拉机、火车的板弹簧和螺旋弹簧（2）含Cr、V元素的合金弹簧钢50CrVA用于制造截面尺寸30mm、并在350400温度下工作的重载弹簧，阀门弹簧、内燃机的气阀弹簧热处理：淬火+中温回火。组织：回火托氏体热处理后常采用喷丸处理（1）冷成形弹簧截面尺寸10mm的大型弹簧或形状

21、复杂的弹簧，汽车、拖拉机、火车的板弹簧和螺旋弹簧工艺路线：扁钢（圆钢）下料加热压弯（卷绕）成形淬火+中温回火喷丸成品五、轴承钢wC为0.95%1.05%，wCr为0.35%1.95%具有高的硬度和高的弹性极限及高的接触疲劳和适当的韧性，并具有一定的耐蚀能力牌号：（1）高碳铬轴承钢GCr4、GCr15淬透性低，用于制作中、小型滚动轴承及冷冲模、量具、丝杠GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo淬透性高，用于制作大型滚动轴承（2）高碳无铬轴承钢GMnMoVRE、GSiMoMnV性能与用途与GCr15相同热处理：滚动轴承的加工工艺路线：轧制或锻造球化退火机加工淬火低温回火磨削成品 冷处

22、理 时效 时效六、超高强度钢b1500MPa的钢有着与铝合金相近的比强度，足够的耐热性，一定的塑性、冲击韧性、断裂韧性、良好的切削性能、焊接性能、价格低于钛合金牌号：（1）低合金超高强度钢主要用于制造飞机上一些符合很大的零件，如主起落架的支柱、轮叉、机翼主梁（2）中合金超高强度钢制造超音速飞机中承受中温的强力构件、轴类和螺栓等零件（3）高合金超高强度钢马氏体时效钢火箭发动机壳体与机匣、空间运载工具的扭力棒悬挂体、高压容器等第三节 合金工具钢一、工具的服役条件1.刃具用来进行切削加工的工具车刀、铰刀、刨刀、钻头2.模具用于进行压力加工的工具分冷作模具和热作模具两大类3.量具机械加工过程中控制加工

23、精度的测量工具卡尺、千分尺、螺旋测微器、量块、塞尺及样板二、常用合金工具钢及其热处理合金工具钢分为：高碳低合金工具钢，高碳高合金工具钢、中碳合金工具钢1.高碳低合金工具钢淬透性和耐回火性与韧性均比碳素工具钢好预先热处理：球化退火。最终热处理：淬火+低温回火如果要求工具尺寸稳定，还需增加冷处理和时效处理2.高碳高合金工具钢优异的淬透性、耐回火性、热硬性、耐磨性（1）高速钢用于制造高速切削刀具的钢种预先热处理为球化退火最终热处理为淬火+高温回火W18Cr4V ,W6Mo5Cr4V2 （2）高铬钢制作承受重负荷、形状复杂、要求变形小、耐磨性高、热硬性好的模具材料淬火和回火工艺有两种：1）低温淬火及低

24、温回火2）高温淬火及高温回火3.中碳合金工具钢制造热作模具，如热锻模、热挤压模、压铸模5CrNiMo ,5CrMnMo ,3Cr2W8V三、新型合金工具钢1.基体钢2.冷作模具钢3.热作模具钢第四节 特殊性能钢指具有特殊物理、化学、力学性能的钢种不锈钢、耐热钢、低温钢、耐磨钢一、不锈钢和镍基耐蚀合金1.常用不锈钢及热处理（1）马氏体型不锈钢淬透性好，只在氧化性介质中有较好的耐蚀性1Cr13、2Cr13、调质处理3Cr13、4Cr13、9Cr18淬火低温回火（2）铁素体型不锈钢耐蚀性、塑性、焊接性均优于马氏体不锈钢，但强度偏低0Cr13、1Cr17、1Cr28退火或正火（3）奥氏体型不锈钢高的耐

25、蚀性，还有高的塑性、低温韧性、加工硬化能力与良好的焊接性能0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti缺点：容易产生晶间腐蚀（4）奥氏体-铁素体型不锈钢双相不锈钢较好的耐蚀性，较高的抗应力腐蚀能力、抗晶间腐蚀能力及良好的焊接性能1Cr21Ni5Ti、1Cr17Mn9Ni3Mo3Cu2N、1Cr18Mn10Ni5Mo3N（5）沉淀硬化型不锈钢用作高强度、高硬度，耐腐蚀的化工机械设备、零件以及航天用的设备、零件0Cr17Ni7Al、0Cr15Ni7Mo2Al2.常用镍基耐蚀合金及热处理镍和镍基耐蚀合金能弥补不锈钢的不足（1）锻造镍商业纯镍。具有优良的耐腐蚀性，在大多数腐蚀介质中都不受侵

26、蚀，强度较高，塑性和韧性好，耐高温，耐低温。用于制作与强酸、强碱接触的泵壳、容器，火箭、导弹耐蚀零件（2）镍-铜合金蒙乃尔合金优异的耐蚀性，较高的强度和硬度，通常在固溶处理或固溶+时效处理后使用用于制作与氢氟酸接触的零件（3）镍-铬-铁合金因科镍合金优良的耐蚀性，高的室温强度，高温强度及辐照稳定性通常固溶+时效处理后使用用于制作高温下要求耐蚀的受力零件二、耐热钢和高温钢指在高温下具有高热稳定性和热强性的特殊钢和合金耐热钢：马氏体型、铁素体型、奥氏体型、沉淀硬化型高温合金：铁基、镍基、钴基、铌基、钼基三、低温钢工作温度在0以下的零件和结构件的钢种韧脆转变：使用温度低于某一温度时，材料的冲击韧度显

27、著下降的现象韧脆转变温度低温钢有：低碳锰钢、镍钢、奥氏体不锈钢四、耐磨钢高碳铸钢、硅锰结构钢、高碳工具钢、轴承钢第五章 铸铁铸铁：碳的质量分数大于2.11%并含有Si、Mn、S、P、等元素的多元铁基合金。第一节 铸铁的石墨化一、石墨化过程第一阶段，液态石墨化阶段，LCE+G共晶第二阶段，中间石墨化阶段，自奥氏体中析出二次石墨G第三阶段，低温石墨化阶段，SP+G共析二、影响石墨化的因素1.化学成分的影响：铸铁中C和Si是促进石墨化的元素，他们的含量越高，石墨化过程越易进行2.冷却速度的影响：冷却速度越慢，越有利于石墨化过程的进行第二节 各类铸铁的特点及应用一、铸铁的分类1.按石墨化程度分类（1）灰口铸铁是第一和第二阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁，其中碳主要以石墨形式存在，断口呈灰暗色。（2）白口铸铁是三个阶段石墨化过程全部被抑制，完全按照Fe-Fe3C相