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1、孙学强版本机械制造基础工程材料部分期末复习孙学强版本机械制造基础工程材料部分期末复习力学性能的主要指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧度等。强度金属材料在静载荷作用下抵抗变形和断裂的能力强度指标: 单位截面积上的内力，称为应力，用符号 表示。弹性极限 金属材料能保持弹性变形的最大应力，用e表示。抗拉强度 试样断裂前能够承受的最大应力，称为抗拉强度，用b表示。塑性金属发生塑性变形但不破坏的能力称为塑性。在拉伸时它们分别为伸长率和断面收缩率。伸长率是指试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比，用符号 表示。断面收缩率是指试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积的百分比，用符号 表示。常用的硬度试验方法

2、有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。布氏硬度试验法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，所以不宜测试成品或薄片金属的硬度。洛氏硬度 优点：操作迅速、简便，可从表盘上直接读出硬度值，不必查表或计算，而且压痕小，可测量较薄工件的硬度。缺点：精确性较差，硬度值重复性差，需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。维氏硬度维氏硬度可测软、硬金属，尤其是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，它测得的压痕轮廓清晰，数值较准确。维氏硬度值需要测量压痕对角线，经计算或查表才能获得，效率不如洛氏硬度试验高，所以不宜用于成批零件的常规检验。金属材料抵抗冲击载

3、荷而不破坏的能力称为冲击韧度。用符号K表示强度、塑性两者均好的材料，KV 值也高。 加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差，则KV 值越低。有许多零件 (如齿轮、弹簧等) 是在交变应力 (指大小和方向随时间作用期性变化) 下工作的，零件在这种交变载荷作用下经过长时间工作也会发生破坏，通常这种破坏现象叫做金属的疲劳断裂。人们把材料在无数次交变载荷作用下而不破坏的最大应力值称为疲劳强度。固态物质按原子（或分子）的聚集不同分为两类：晶 体 原子具有规则排列的物质；非 晶 体 原子不具有规则排列的物质。晶格：把原子看成一个点，用假想的线条把原子连接起来构成的空间格子。晶胞：能反映晶格特征的最小几何

4、单元体。 二、金属中常见的晶格类型1、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子。具有体心立方晶格的金属有铬、钨、钼、钒及铁等。2、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体的八个顶角各有一个原子，同时在立方体的六个面的中心又各有一个原子。具有这种晶格的金属有铜、铝、银、金、镍、铁等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个正六棱柱体，在柱体的12个顶角上各有一个原子，上下底面的中心也各有一个原子；晶胞内部还有三个呈品字形排列的原子。具有这种晶格的金属有铍、镁、锌和钛等。合金结构相 合金中凡是结构、成分和性能相同并且与其

5、它部分有界面分开的均匀组成部分称为相。液态物质称为液相，固态物质称为固相。在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。所谓组织，是指用肉眼或借助显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称。它直接决定着合金的性能。合金的相结构根据组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两基本类型。根据溶质原子在溶剂晶格结点所占据的位置，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种基本类型由于溶质原子溶人溶剂晶格后，不论是形成间隙固溶体，还是形成置换固溶体，都将引起晶格畸变，使其塑性变形的抗力增大，因而使得合金的强度、硬度升高，这种现象

6、称为固溶强化。 （二）金属化合物 金属化合物是各组元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并且有一定金属性质的新相。 金属化合物的熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。实际金属的多晶体结构 单晶体是指具有一致结晶位向的晶体 (图2-9a ) ，表现出各向异性。实际的金属都是由许多结晶位向不同的单晶体组成的聚合体，称为多晶体，如图29b所示。每一个小的单晶体叫做晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫做晶界。晶体缺陷晶体内部由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子排列规则受到破坏，表现出原子排列的不完整性。按照缺陷的

7、几何特征，可分为以下三类：1、空位和间隙原子（点缺陷）2位错 （线缺陷）3晶界和亚晶界（面缺陷）纯金属的结晶在实际生产中，金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度的差值，称为过冷度，用T表示，即T = T0 - T1。实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件纯金属的结晶过程1、 形核 当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就稳定下来，成为结晶核心。这种最先形成的、作为结晶核心

8、的微小晶体称为晶核。2、 长大 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地形成新的晶核并不断长大，直到液态金属全部消失，晶体彼此产接触为止。晶粒是构成金属晶体的最小单位，晶粒与晶粒之间的接触面叫晶界。细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。工业生产中细化晶粒的方法：1、增加过冷度增加过冷度，就是要提高金属凝固时的冷却速度。但在实际生产中，对于大铸锭、大铸件，过高的冷却速度往往导致铸件产生裂纹而报废。因此，对于大型铸件则需要用其它方法来细化晶粒。2、 变质处理在液态金属结晶前加入一些细小的难熔质点（变质剂），以增加形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法，称为

9、变质处理。3、附加振动金属结晶时，对金属液附加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，使生长中的枝晶破碎，而破碎的枝晶尖端又可起晶核作用，增加了形核率N，达到细化晶粒的目的。 4、降低浇铸速度金属的同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化，称为金属的同素异构转变。常存杂质元素对碳钢性能的影响锰是一种有益元素硅也是有益元素硫是有害元素磷也是有害元素二、碳钢的分类(一) 按钢中碳的质量分数分类(1) 低碳钢。c 0.25。(2) 中碳钢。0.25 c 0.60。(3) 高碳钢。c 0.6。(二) 按钢的冶金质量分类 根据钢中有害杂质硫、磷含量多少可分为： (1)

10、普通质量钢。s0.050，p0.045。 (2)优质钢。s 0.030，p0.035。 (3)高级优质钢。s0.020，p0.030。 (4)特级质量钢。s 0.015，p0.025。(三) 按用途分类 (1) 碳素结构钢。主要用于制造各种工程构件 (桥梁、船舶、建筑构件等) 和机器零件 (齿轮、轴、螺钉、螺栓、连杆等)。这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。 (2) 碳素工具钢。主要用于制造各种刃具、量具、模具等。这类钢一般属于高碳钢。三、碳钢的牌号与应用 (一) 碳素结构钢 碳的质量分数一般在0.06 0.38范围内，钢中有害杂质相对较多，但价格便宜，大多用于要求不高的机械零件和一般工程构件。通常

11、轧制成钢板或各种型材 (圆钢、方钢、工字钢、角钢、钢筋等) 供应。 碳素结构钢的牌号表示方法是由屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。 例如：Q235一AF表示碳素结构钢中屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。Q195、Q215、Q235、Q225为低碳钢；Q275为中碳钢；Q235因碳的质量分数及力学性能居中，故最为常用。(二) 优质碳素结构钢这类钢因有害杂质较少，其强度、塑性、韧性均比碳素结构钢好。主要用于制造较重要的机械零件。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，如08、10、45等。数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。上述牌号分别表示其平均碳的质量分数为

12、0.08、0.1、0.45。 优质碳素钢按含锰量不同，可分为两类： 1、普通含锰量钢含锰量(Mn = 0.250.8)； 2、高含锰量钢含锰量(Mn = 0.71.2) 。 若是沸腾钢，则在牌号数字后面加“F”字，如15Mn、30Mn、45Mn、65Mn、08F、10F等。(三) 碳素工具钢 碳素工具钢因含碳量比较高 (c = 0.651.35) ，硫、磷杂质含量较少，经淬火、低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于制造各种低速切削刀具、量具和模具。碳素工具钢按质量可分为两类：1、优质碳素工具钢2、高级优质碳素工具钢 注意：为了不与优质碳素结构钢的牌号发生混淆，碳素工具钢的牌号由代

13、号“T”(“碳”字汉语拼音首字母)后加数字组成 数字表示钢中平均碳质量分数的千倍。如T8钢，表示平均碳的质量分数为0.8的优质碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢，则在牌号末尾加字母“A”，如T12A，表示平均碳的质量分数为1.2的高级优质碳素工具钢。(四) 铸造碳钢（铸钢） 机器中有许多形状复杂、力学性能要求高的机械零件常采用铸造碳钢制造。 铸钢中碳的质量分数一般在0.150.6范围内。碳含量过高，则钢的塑性差，且铸造时易产生裂纹。铸造碳钢的最大缺点是熔化温度高、流动性差、收缩率大，而且在铸态时晶粒粗大。因此铸钢件均需进行热处理。铸造碳钢的牌号是用铸钢两字的汉语拼音的首字母“ZG后面加两组数字

14、组成，第一组数字代表屈服强度值，第二组数字代表抗拉强度值。例如ZG270500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。第五章 钢的热处理钢的热处理钢在固态下，采用适当方式进行加热、保温和冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。 热处理目的： 1、提高钢的力学性能，延长零件的使用寿命； 2、消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，为后续工序作好组织准备。 一、普通热处理 1、退火 2、正火 3、淬火 4、回火二、表面淬火 1、感应加热表面淬火 2、火焰加热表面淬火 3、电接触加热表面淬火 4、激光加热表面淬火三、化学热处理 1、渗碳 2、渗氮 3、碳

15、氮共渗 4、渗金属等一、钢的奥氏体化在实际生产中，加热速度和冷却速度都比较快，因此组织转变大多有不同程度的滞后现象产生。 为了区别实际加热和冷却时的临界点，将加热时的临界点用Acl、Ac3、Accm来表示；冷却时的临界点用Arl、Ar3、Arcm来表示，如图5-2所示。(一) 奥氏体晶核的形成和长大 奥氏体的晶核是在铁素体和渗碳体的相界面上优先形成。因为相界面上的原子排列紊乱，处于不稳定状态，容易获得形成奥氏体所需的能量和碳浓度。 奥氏体晶核形成后便逐渐长大。(二) 残余渗碳体的溶解 渗碳体的晶体结构和碳含量都与奥氏体相差很大，故渗碳体向奥氏体中的溶解，必然落后于铁素体的晶格改组。即在铁素体全

16、部消失后，仍有部分渗碳体尚未溶解。 随着保温时间的延长，这部分未溶的残余渗碳体将通过碳原子的扩散，不断地向奥氏体中溶解，直到全部消失为止。(三) 奥氏体的均匀化 当残余渗碳体全部溶解时，奥氏体的成分是不均匀的。原来的渗碳体处碳浓度高，原来的铁素体处碳浓度低。 只有继续延长保温时间，使碳原子充分扩散，才能使奥氏体的成分渐趋均匀化。 在相同的加热温度下，加热速度愈快，保温时间愈短，晶粒越细冷却方式：等温冷却把加热到奥氏体状态的钢快速冷却到Ar1以下某一温度，并在此温度停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。连续冷却把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度（如随炉冷、空冷、油冷、水冷等）连

17、续冷却到室温。亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变 亚共析碳钢、过共析碳钢的C曲线如图5-10所示。在亚共析钢的C曲线上，多了一条先析铁素体析出线； 在过共析碳钢的C曲线上，多了一条条二次渗碳体析出线。 由此说明，亚共析钢或过共析钢的过冷奥氏体在珠光体型转变区等温，必先析出铁素体或渗碳体，而后转变为珠光体型组织。等温转变曲线在连续冷却转变中的应用 一、退火 将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。退火工艺的主要特点是缓慢冷却。退火的方法和目的(一) 完全退火工艺方法：将钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到600以下，再出炉空冷。 组织形

18、态：珠光体+铁素体。目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度以利于切削加工，并充分消除内应力。适用材料：亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材等。完全退火工艺不适用于过共析成分的钢，否则使钢的韧性显著降低，并有可能使钢在以后的热处理中产生裂纹。(二) 等温退火 工艺方法：将钢加热到Ac3 以上3050 (亚共析钢) 或Accm以上2040 (共析钢和过共析钢) ，保温适当时间后，较快地冷却到Ar1以下某温度，等温一定时间，然后再空冷至室温。组织形态：珠光体。目的：与完全退火相同。适用材料：亚共析、共析和过共析钢均可。优点：等温退火大大缩短了退火时间，而且转变产物较易控制，同时由于工件

19、内外都是处于同一温度下发生组织转变，因此能获得均匀的组织和性能。(三) 球化退火工艺方法： 将钢加热到Acl以上2030C，充分保温后，以缓慢的冷却速度冷至600以下，再出炉空冷。球化退火工艺的特点：低温短时加热和缓慢冷却。组织形态：在铁素体基体上均匀分布着球状(粒状)渗碳体，称为球状珠光体组织 (见图5-15) 。目的：消除或改善了片状渗碳体的不利影响。使材料硬度降低，切削加工性能良好，淬火时产生变形或开裂倾向小。适用材料：共析、过共析碳钢及合金工具钢。 对于网状渗碳体比较严重的钢，可在球化退火前先进行一次正火处理，使网状渗碳体破碎，以提高渗碳体的球化效果。 (四) 均匀化退火 工艺方法：将

20、钢加热至Ac3以上150200，长时间 (1015h) 保温，然后缓慢冷却。目的： 消除钢中化学成分偏析和组织不均匀的现象。均匀化退火耗能很大，烧损严重，成本很高，且使晶粒粗大。主要用于质量要求高的优质合金钢，特别是高合金钢的钢锭、铸件和锻坯。(五) 去应力退火 工艺方法：将钢加热到Ac1以下某一温度(一般为500650C)，保温后缓冷到200C，再出炉空冷。目的：消除工件 (铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件及切削加工过程中的工件)的残余应力，以稳定工件尺寸，避免在使用过程中或随后加工过程中产生变形或开裂。去应力退火过程不发生组织转变，只消除内应力。 二、正火工艺方法： 将钢加热到Ac3或A

21、ccm以上3050，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却。主要特点：是完全奥氏体化和空冷。与退火相比，正火的冷却速度稍快，过冷度较大。因此，正火组织中先共析相的量较少，组织较细，其强度、硬度比退火高一些。 目的： 1、可作为力学性能要求不太高的普通结构零件的最终热理； 2、作为预先热处理，正火可改善低碳钢或低碳合金钢的切削加工性； 3、消除或破碎过共析钢中的网状渗碳体，为球化退火作好组织上的准备。 三、退火与正火的选用 退火与正火的目的基本相同，实际选用时可从以下三方面考虑： 1从切削加工性考虑 作为预先热处理，低碳钢正火优于退火，以提高硬度，改善其切削加工性。而高碳钢正火后硬度太高，必须采用

22、退火。2从使用性能上考虑 对于亚共析钢，正火处理比退火具有较好的力学性能。如果零件的性能要求不很高，则可用正火作为最终热处理。 对于一些大型、重型零件，当淬火有开裂危险时，则采用正火作为零件的最终热处理；但当零件的形状复杂，正火冷却速度较快也有引起开裂的危险时，则采用退火为宜。3、从经济性上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，成本低，效率高，操作简便。因此在可能的条件下应优先采用正火。 第五节 钢的淬火 淬火将钢加热到Ac3或Ac1以上某温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 淬火的目的：为了得到马氏体组织，再经回火，使钢得到需要的使用性能，以充分发挥材

23、料的潜力。钢淬火获得马氏体的首要条件是：淬火的冷却速度必须大于其临界冷却速度 (k)。 根据过冷奥氏体等温转变曲线，希望淬火介质具有图示的理想冷却速度，即在C曲线鼻尖附近温度范围(约650550)内快冷，而在此范围以上或以下，应慢冷，特别是在300200以下发生马氏体转变时，尤其不应快冷，以免产生的热应力和组织应力过大，而导致工件变形和开裂。 水一般用作碳钢件的淬火介质。 油一般用作合金钢的淬火介质。二、钢的淬透性与淬硬性(一) 钢的淬透性 钢的淬透性在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。反映了钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。影响淬透性的主要因素：过冷奥氏体的稳定性，即临界冷却速

24、度的大小。(二) 钢的淬硬性 钢的淬硬性钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。 淬硬性的高低主要取决于钢中含碳量。 钢中含碳量越高，淬硬性越好。 必须注意，淬硬性与淬透性是两个不同的概念。 淬硬性好的钢，其淬透性不一定好；反之，淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。 回火钢件淬硬后，再加热到Acl点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。 它是紧接淬火的热处理工序。回火的目的： 获得工件所需要的性能； 消除淬火冷却应力，降低钢的脆性； 稳定工件组织和尺寸。一、淬火钢的回火转变(一) 马氏体的分解 ( 400) 回火温度达到400以上时，渗碳体将逐渐聚集长大，形成

25、较大的粒状渗碳体。 温度升至500600时，铁素体开始再结晶，失去原来板条状或片状形态而成为多边形晶粒。此时组织是由多边形晶粒的铁素体和粒状渗碳体组成的混合物，称为回火索氏体。回火索氏体具有良好的综合力学性能。 如果温度继续升高至650以上接近A1时，渗碳体颗粒更粗大。此时钢的组织由多边形晶粒的铁素体和较大粒状渗碳体组成，称为回火珠光体。二、回火的种类及应用(一) 低温回火 (250) 低温回火所得到的组织为回火马氏体。其目的是保持淬火后的高硬度 (一般为5864HRC) 和高耐磨性，降低淬火冷却应力和脆性，提高塑性和韧性。它主要用于各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳件等要求硬而耐磨零件。

26、(二) 中温回火 (350500) 中温回火后得到的组织为回火托氏体。这种组织具有较高的弹性极限和屈服强度，同时又有一定的韧性、塑性和中等硬度 (一般为3545HRC) 。因此主要用于处理各种弹性元件及热锻模等。(三) 高温回火 (500650) 高温回火后得到的组织为回火索氏体。其力学性能优良，在保持高强度的同时，具有良好的塑性和韧性，硬度一般为 200330HBW。生产上常把淬火与高温回火相结合的热处理工艺称为“调质”。 调质处理广泛用于重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、连杆螺栓、齿轮、轴类等零件。一、钢的表面淬火 表面淬火仅对工件表层进行淬火的工艺。 目的：只对工件一定深度的

27、表层进行淬火强化，而心部基本上保持原来的 (退火、正火或调质状态) 组织和性能。 特点： 1、表面淬火可使工件获得表层硬而耐磨、心部仍保持良好韧性的性能。 2、由于表面淬火是局部加热，故能显著地减小淬火变形，降低能耗。 3、表面淬火不改变表层化学成分，但改变了表层的组织结构。(一) 感应加热表面淬火 由于通人感应器的电流频率越高，感应涡流的集肤效应就会越强烈。因此感应加热表面淬火的淬硬层深度主要取决于电流频率。感应加热表面淬火的特点： 1、加热速度快 零件由室温加热到淬火温度，仅需要几秒到几十秒的时间。 2、淬火质量好 由于加热迅速，时间短，使奥氏体晶粒细小均匀， 淬火后表层可获得极细的马氏体

28、，硬度比普通淬火高 23HRC。而且在淬硬的表面层存在有很大的残余压应力，有效地提高了零件的疲劳强度。 3、淬硬层深度易于控制 淬火操作易实现机械化和自动化。但淬火设备费用较高，维修调整较难故不宜用于单件生产。感应加热表面淬火适用材料：1、中碳钢或中碳低合金钢；2、高碳工具钢和铸铁。注意：零件在表面淬火前一般先进行正火或调质处理，表面淬火后需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。(二) 火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是应用氧乙炔 (或其它可燃气体) 火焰，对零件表面进行加热，随之快速冷却的工艺方法。其淬硬层深度一般为26mm。火焰加热表面淬火的优点是设备简单，成本低，使用方便灵活。但生产

29、效率低，淬火质量较难控制。因此只适用于单件、小批量生产或用于中碳钢、中碳合金钢制造的大型工件，如大齿轮、轴等的表面淬火。二、钢的化学热处理 钢的化学热处理将工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层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 与表面淬火相比其特点：不仅改变了钢件表层的组织，而且表层的化学成分也发生了变化。化学热处理按渗入元素的不同可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。化学热处理的过程：(一) 钢的渗碳 渗碳将钢件置于渗碳介质（称为渗碳剂）中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺。目的：是为了使低碳的钢件表面获得高碳浓度，在经淬火和回火处理后，提高钢件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部仍保持足够的韧性和塑性。 渗碳主要用于同时受磨损和较大冲击载荷的零件，如齿轮、活塞销、凸轮、轴类等。渗碳用钢：c = 0.100.25 的低碳钢和低碳合金钢，如1