工程材料学复习知识点知识点

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工程材料学知识点第一章材料是有用途的物质。一般将人们去开掘的对象称为“原料”，将经过加工后的原料称为“材料”工程材料：主要利用其力学性能，制造结构件的一类材料。主要有：建筑材料、结构材料力学性能：强度、塑性、硬度功能材料：主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.主要有：半导体材料（Si）磁性材料压电材料光电材料金属材料：纯金属和合金金属材料有两大类：钢铁（黑色金属）非铁金属材料（有色金属）非铁金属材料：轻金属（Ni以前）重金属（Ni以后）贵金属（Ag，Au，Pt，Pd）稀有金属（Zr，Nb，Ta）放射性金属（Ra，U）高分子材料：由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物主要组成：C，H，O，N，S，Cl，F，Si三大类：塑料（低分子量）：聚丙稀树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂橡胶（高分子量）：天然橡胶，合成橡胶陶瓷材料：由一种或多种金属或非金属的氧化物，碳化物，氮化物，硅化物及硅酸盐组成的无机非金属材料。陶瓷：结构陶瓷Al2O3，Si3N4，SiC等功能陶瓷铁电压电材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。材料可生产性：材料是否易获得或易制备铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的能力锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起能力第二章（详见课本）密排面密排方向fcc{111}<110>bcc{110}<111>体心立方bcc25 面心立方fcc密堆六方cph点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。类型：空位：在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。间隙原子：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。异类原子：在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错（Dislocation）形式：刃型位错螺型位错混合型位错位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；位错线附近异类原子浓度高于平均水平；位错在晶体中可以发生移动，是材料塑性变形基本原因之一；位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响。面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。形式：晶界面亚晶界面相界面第三章过冷：一般地，熔体自然冷却时，随时间延长，温度不断降低，但当冷却到某一温度Tn时，开始结晶，此时随着时间的延长，出现一个温度平台，这一平台温度通常要低于理想的结晶温度T0，这样在低于理想结晶温度以下才能发生结晶的现象——过冷。过冷度：实际结晶温度Tn与理想结晶温度T0之差DT＝T0－Tn称为过冷度。过冷度的大小随冷却速度的增加而增加25 过冷度愈大，ΔG愈大，结晶驱动力愈大结晶过程：形核：符合能量条件和结构条件的短程有序集团(尺寸达到临界尺寸）将成为结晶核心。长大：金属液体中的晶核一旦形成，由于系统自由能降低，晶核将迅速长大直到液体全部消失形核率(N)：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目称为形核率。一般合金相图是在常压下（P＝1atm）获得的，所以对于一个合金体系描述相图的参数有三个：成分，温度，相。即相只与温度和成分相关。若以成分（C）为横坐标，T为纵坐标，那么坐标系任一点即表示某一成分合金在某一温度下对应的相.匀晶相图杠杆定律：设mL和ma分别为两相的质量，它们满足以下杠杆定律：共晶反应：在某一温度下，从液体中同时析出两种固溶体。即：L→α+β25 7条线：AE、BE为液相线，温度在液相线上，为单一液态；AC、BD为固相线，温度在此以下为单一固溶体；CED：共晶反应线，对应L→α+β；CG、DH为α，β固溶体的溶解度变化线，即：α，β固溶体的溶解度随温度变化而发生变化的曲线。6个相区：3个单相区：L、a、b3个两相区：L+a,L+b、a+b注：两个单相区由一个双相区分隔(相律）1个点：E：共晶成分点，液体温度最低点。成分在E点以左，为亚共晶（成分在CE范围）成分在E点以右，为过共晶（成分在ED范围）包晶反应：两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变：L+a®b。Ac和bc为两液相线，与其对应的ad和bp为两固相线；Df和pg固溶体α、β的溶解度随温度变化线；dpc为包晶转变线。相图含三个单相区L、α、β；三个双相区L＋α、L＋β、α＋β；一个三相区L＋α＋β，水平线dpc为包晶反应线，P点为包晶点，对应包晶反应：L+a®b。共析反应：特点：（1）固态反应。（2）类似于共晶反应。（3）共析反应：g®a＋b（4）a、b为交替的片层结构。（5）a、b的相对含量符合杠杆定律。稳定化合物（金属间化合物）在相图中的形式：稳定化合物在相图中表现为一直线，可将其视为独立组元，并以其为界将相图分开进行分析。25 第四章纯铁：α-Fe在770℃（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好C在钢铁中存在的三种形式：溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶体）－钢以游离石墨存在于钢铁中－铸铁。与铁成金属间化合物如Fe3C,Fe2C,FeC）－金属间化合物石墨性能：耐高温，可导电，润滑性好，强度、硬度、塑性和韧性低。25 实线为Fe－Fe3C相图虚线为Fe－C相图α相C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为F(Ferrite)。α=Fγ相C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为A(Austenite)。γ=Aδ相C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。25 Fe3C相铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。L相碳在高温下熔入液体，相图中标记L(Liquid)。这是一包晶反应(1495C)，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。共晶反应(1148C)，产物共晶体组织称为莱氏体，记为Ld(Ledeburite)共析反应(727C)，产物为F、Fe3C两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite)25 （1）ABCD―液相线（2）AHJECF―固相线（3）HJB―包晶反应线(1495C)LB+dH¬®AJ（4）ECF―共晶反应线(1148C)LC¬®AE+Fe3CI(称为莱氏体)（5）PSK―共析反应线(727C)As¬®Fp+Fe3C(称为珠光体)（6）ACM线（ES线）―从奥氏体析出Fe3CⅡ的临界温度线（7）A3线（GS线）―从奥氏体转变为铁素体线五个单相区：液相区L高温固溶体d；g相（奥氏体，A)；a相（铁素体，F)Fe3C相（渗碳体，Cm）七个双相区：L＋d，L＋g，L＋Fe3C，d＋g，g＋Fe3C，a＋g；a＋Fe3C三个三相区：HJB线L＋d＋g；ECK线L＋g＋Fe3C；PSK线g＋a＋Fe3C工业纯铁(C%<0.02%)碳钢(C%=0.02%~2.11wt%）依据C含量不同，又分为：亚共析钢：C<0.77wt%共析钢：C=0.77wt%过共析钢：C>0.77wt%白口铸铁(生铁）（C%=2.11~6.69wt%）依据C含量不同，又分为：亚共晶白口铸铁C<4.3wt%共晶白口铸铁C=4.3wt%过共晶白口铸铁C>4.3wt%灰口铸铁（C%=2.11~6.69wt%）亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁工业纯铁(C%<0.02%)：组织：F相：a(F)共析钢(C%≈0.77%)：组织：P相：a(F)＋Fe3C亚共析钢(C%=0.02~0.77%)：组织：F＋P相：a(F)＋Fe3C组织转变：L→L+A→A→F+A→F+P过共析钢(C%=0.77~2.11%)：组织：P＋Fe3CII相；a(F)＋Fe3C组织转变：L→L＋A→A→A＋Fe3CII→P＋Fe3CII共晶白口铁(C%≈4.3%)：组织：L’d相：a(F)＋Fe3C组织转变L®Ld（A+Fe3CI)®A+Fe3CII+Fe3CI®(P+Fe3CI（Fe3CⅡ)）亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)：组织：P＋Fe3CII＋L’d相：a(F)＋Fe3C组织转变L®L＋A®A＋Ld®A＋Fe3CII＋Ld®P＋Fe3CII＋L’d过共晶白口铁(C%=4.3~6.69%)：组织：Fe3CI＋L’d相：a(F)＋Fe3C组织转变L→L+Fe3CI→Fe3CI+Ld→Fe3CI+L’d25 25 1、各组成相的力学性质：F：软，塑Fe3C：硬，脆P（F+Fe3C）：介入二者之间2、C对性能的影响：随C含量增加，硬度持续增加δ,ψ持续下降σb先增加（C2.11％）后下降（由于网状Fe3CⅡ的出现）按含碳量分：低碳钢WC£0.25％中碳钢0.25％0.6％按用途分：碳素结构钢（建筑材料,如桥梁,房屋，机器零件等）碳素工具钢（刀具，模具等）根据P，S含量的多少普通碳素钢WP£0.045％WS£0.055％优质碳素钢WP£0.040％WS£0.040％高级优质碳素钢WP£0.035％WS£0.030％根据含氧量：沸腾钢镇定钢Q275AF普通碳素结构钢（Q：屈服数字为强度值A为等级F为沸腾钢）特点：这一钢种仅关心材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型材(钢板、圆、管、角)。用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。如：桥梁，建筑。优质碳素结构钢（数字表示钢中C的含量(万分之几)F表示沸腾钢）特点：这类钢种要求保证C含量。用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件。一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。T12A碳素工具钢（“T”表示“碳”数字表示含碳量(千分之几)全部为优质钢，后缀A为高级优质钢）特点：过共析钢，组织为：颗粒状的碳化物＋球化珠光体（经球化退火），可以直接进行机械加工。用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具，模具。工业铸铁是指Wc>2.11wt％的Fe-C合金为铸铁。当C以Fe3C相似存在：白口铸铁当C以石墨形式存在：灰口铸铁铸铁性质：铸造，切削加工，减震性较好。强度，塑性，韧性低石墨化过程：第一阶段高温石墨化温度:>1154℃，从液体中直接析出初生或共晶石墨。共晶反应：LC®AE’＋GI组织：（奥氏体＋石墨）的共晶体。第二阶段中温石墨化温度：1154～738℃之间，从奥氏体中析出石墨，称为二次石墨GII过饱和析出反应：A®A＋GII组织：A＋GII第三阶段低温石墨化温度：738℃，奥氏体发生共析反应析出石墨，称为三次石墨GIII。共析反应：AS®Fp＋GIII。组织：(铁素体＋石墨)共析体注：这一阶段析出的石墨往往在前两阶段出现的石墨基础上长大。25 按铸铁中石墨的形状分：普通灰铸铁（片状）球墨铸铁（球状）可锻铸铁（团絮状）蠕墨铸铁（蠕虫状）等铸铁性能：1．抗拉强度低、塑性韧性差石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。球状石墨对基体的破坏作用相对较小，故球墨铸铁的力性接近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。2。铸造性能好。3。耐磨性好。4。消震性好。5。切削加工性能好。6。缺口敏感性低。普通灰铸铁：如HT150,HT200,HT250……牌号：HTxxx，HT表示灰铁，三个数字表示最低抗拉强度，单位MPa。用途：用于要求消震、耐磨，如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。热处理：只进行去应力退火。球墨铸铁：如QT400-15,QT500-05,QT600-03……牌号：QTxxx-xx,数字表示最低抗拉强度和伸长率，单位MPa和%。用途：用于一般机械零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。热处理：可通过热处理改善基体组织和性能。可锻铸铁蠕墨铸铁合金铸铁第五章引起加工硬化：随塑性变形量增加，金属强度、硬度会升高，而塑性、韧性会降低，这种现象称为加工硬化。（折铁丝是一实例）产生加工硬化的原因：变形产生位错，随着变形量增加，位错密度增高，位错发生缠结和在晶界上塞积，导致位错运动困难，从而引起加工硬化。加工硬化的作用：强化材料的一种手段保持材料均匀形变在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程25 回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应地,材料的结构和性能也发生对应变化。回复：经冷加工的材料在在小于0.4Tm（以K表示）以下的温度保温，这时材料发生点缺陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。变化：宏观应力（第一类应力）基本消除，但微观应力（第二、第三类）仍然残存。力学性质，如强度没有明显变化。再结晶：当加热温度达到0.4Tm以上，晶粒形状开始发生变化，在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这一过程称为再结晶。变化：强度和硬度明显下降，塑韧性提高，加工硬化现象消除。新晶粒形核和长大，替代旧晶粒。位错大量消失。特点：1）再结晶不是一个相变过程。因为在结晶前后的结构和成分没有明显变化。它只是一个形态上的变化。（物理过程）。2）再结晶没有一个确定的温度，当T>0.4Tm即可发生再结晶过程。概念：冷加工：在再结晶温度以下进行塑性变形热加工：在再结晶温度以上进行塑性变形区别：冷加工：加工硬化，晶粒变形热加工：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消失金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降，塑性会随温度的升高而升高，因此在较高的温度下进行塑性变形，材料的抗力小，易成型。热加工的影响：1、提高致密度：热加工可使铸件的缩松和气泡焊合，提高材料的致密度，提高材料性能。2、细化晶粒：热加工可以打碎铸件粗大的枝晶和柱状晶，细化晶粒尺寸。3、形成合理的纤维组织：各种可变形的夹杂物会沿形变方向拉长，呈流线分布，从而造成各向异性。在流线方向，性能较好，而在垂直于流线方向上性能相对较差强化金属的基本原理和方法塑性变形的本质是位错的滑移细晶强化依靠晶界阻止位错运动。晶粒愈小，强度愈高。σs=σ0+Kd-1/2(Hall-patch关系式)固溶强化25 形成固溶体由于溶质原子与溶剂原子在尺寸和性质上的不同，固溶原子引起晶格畸变，产生应力场阻止位错运动。加工硬化进行冷加工，使材料位错密度增加，发生缠结，阻碍位错运动。弥散强化在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动。有时称为沉淀强化。第六章为了对钢进行热处理，必须首先将钢加热到单相A区，然后进行适当的冷却以获得特定的结构和性能。固态相变同样需要一定的过冷度（降温）或过热度（升温），因此，加热转变实际发生温度在平衡临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在平衡临界点之下。Ac1、Ac3、、Accm为升温引起的奥氏体化温度上移线Ar1、Ar3和Arcm则为降温时奥氏体分解温度的下移线A1、A3、Acm、为平衡条件下合金获得奥氏体的温度线。奥氏体化过程以共析钢(Wc＝0.77%)为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热到Ac1以上，其将转变为A，这一过程称为奥氏体化，这一过程是形核与长大过程。两个过程：晶格变化；C的扩散1.在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核心；2.奥氏体同时消耗两相来长大；F晶格转变（BCC®FCC），渗C体溶解；3.随后残余渗碳体的溶解；4.奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均成分。实际晶粒度：指在某一具体热处理条件下（如加热温度、保温时间）所得到的晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。25 本质晶粒度：不同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，为比较不同钢的晶粒长大倾向，将不同的钢加热到930±10℃，保温8小时得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒度。本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向。等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行等温转变TTT曲线（Temperature－Time—Transformation）：在某一温度下A转变量与时间的关系的曲线。连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，使奥氏体在连续降温的过程中转变。CCT曲线（ContinuousCoolingTransformation）：在连续冷却过程中，A转变量与时间的关系曲线。过冷奥氏体等温转变图，也称TTT曲线，或C曲线。它综合反映了过冷奥氏体在不同温度下等温转变的开始和终了时间及转变产物之间的关系。钢在奥氏体化后，当温度降低到Ar1以下，此时奥氏体并不立即转变，要经历一段时间后，才开始转变。把这种存在于Ar1温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。C曲线特征：（1）在Ar1线温度以上，奥氏体稳定，不会发生转变。（2）在Ar1线以下，C曲线以左区域为过冷A区，转变终了线以右的区域为转变产物区，两条线之间为转变过渡区。（3）不同温度等温对应的孕育期不同，在C曲线“鼻尖”处的孕育期最短，鼻尖以上（Ar1以下），随温度↓→孕育期↓，因为形核驱动力大，但在鼻尖以下，随温度↓→孕育期↑这是因为尽管驱动力大，但原子扩散缓慢（受温度影响）。（4）当冷速很快，绕过C曲线的鼻尖，奥氏体快速冷却到Ms以下，则发生马氏体转变，Ms为马氏体转变开始线，Mf为马氏体转变终了线，两线之间为奥氏体＋马氏体两相混合区。珠光体型转变区温度：Ar1－550℃25 依据F/Fe3C的片层大小，分为：珠光体（粗），索氏体（细），屈氏体（托氏体）（很细）贝氏体型转变区（中温转变区）根据转变温度的高低，贝氏体转变又分为：上贝氏体转变（“鼻尖”到350℃）下贝氏体转变（350℃到MS点)名称符号形成温度形貌性能上贝氏体B上550℃~350℃羽毛状HRC40~50,韧性差下贝氏体B下350℃~Ms竹叶状HRC50~55,韧性好B下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高强韧性的工件（如模具等）马氏体型转变区(针对共析钢）25 决定于奥氏体的含碳量：●C＞1.0wt%：形成针状马氏体M针；●C＜0.2wt%:形成板条状马氏体M板条；●0.2wt%＜C＜1.0wt%:形成混合马氏体。低碳马氏体性能：具有较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。如0.2%C钢淬火后，HRC50、sb＝1500MPa、ak＝150－180J/cm2。高碳马氏体性能：片状马氏体具有高的硬度和强度（HRC60），但塑性和韧性很低（ak＝1J/cm2）不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度（>HRC50），其原因是：C在F中的过饱和固溶→晶格畸变→固溶强化→高硬度。对C曲线的影响：C含量：亚共析钢：随着含碳量的增加，C曲线右移过共析钢：随着含碳量的增加，C曲线左移加热温度和保温时间：T↑，t↑→Fe3C溶解充分，晶粒粗大（晶界减小）→A稳定→C曲线右移合金元素：除Co以外，几乎所有元素都会使C曲线右移25 退火：定义：将钢（材料）加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(例如：随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做“退火”。作用：消除残余内应力、改变组织的形态。退火类别：完全退火球化退火去应力退火不同类型的退火选用不同的温度。完全退火（用于亚共析钢）方法：将亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃，保温一定时间，缓慢冷却。目的：通过重新结晶细化晶粒，改善钢锭或坯料粗大，不均匀的原始组织，充分（1）消除内应力，（2）降低硬度，（3）防止开裂。组织：F+P（接近平衡组织）球化退火（适用于共析钢和过共析钢）方法：将共析钢或过共析钢加热在A1以上30－50℃长时间保温，使Fe3C球化。然后极缓慢冷却，使A发生珠光体转变。组织：铁素体的基体上均匀分布颗粒状的渗碳体，称为球状珠光体。去应力退火方法：将钢缓慢加热到A1以下某一温度（如：200－400C)，保温后慢冷。目的：完全消除残余内应力。组织：无相变发生，无组织明显变化。正火：定义：将钢加热到AC3（亚共析钢）或ACcm(过共析钢)以上30－50℃保温一段时间后，再空冷得到珠光体型组织的工艺。注：合金钢在空气中连续冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型相变，但正火一般是指空冷时发生珠光体型转变的热处理工艺。用途：亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退火。（消除缺陷和内应力，降低硬度，均匀组织）。25 过共析钢：因空气冷却速度较快，先析出相Fe3C的量较少，不能连成网状，故起到消除网状组织的作用。淬火：定义：将钢加热到A后，以大于Vk的速度快速冷至Ms点以下以获得马氏体组织的热处理工艺，叫作“淬火”。目的：提高钢的硬度和耐磨性。注：马氏体不是热处理所要得到的最终组织，马氏体再经过适当的回火，可以得到需要的组织和使用性能。淬火后获得的马氏体——淬火马氏体回火后获得的马氏体——回火马氏体常用介质：盐水、碱水：10－15％的NaCl水溶液，这是最强的冷却介质。清水：直接冷却，冷却能力也很强。碱浴、硝盐浴：在120－180℃以上的温度下有好的冷却能力（适用于分级淬火）。矿物油冷却能力约为水的1/4－1/8，适用于大多数合金钢，可以有效防止零件的变形开裂。原则：淬火时既要快冷获得M，又要尽可能减少变形和开裂。回火：定义：将淬火后的钢件加热到AC1以下某一温度，等温一段时间后，再冷却至室温而获得不同组织的热处理工艺叫“回火”目的：消除内应力：钢在淬火后，存在较大的内应力（热应力和相变应力），容易出现开裂利用回火可以消除或减小内应力，达到防止变形开裂。稳定组织和尺寸：淬火后的组织为马氏体＋残余奥氏体，它们都不是稳定组织，使用过程中会发生转变，从而带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能变化的组织发生转变，达到稳定零件的组织性能和尺寸。调整性能：淬火后得到的马氏体的碳含量较高，材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，达到所需要的强度、塑性和韧性的组合。便于加工：降低硬度，便于机械加工。组织转变：马氏体的分解（200℃以下）®回火马氏体回火时马氏体中过饱和的碳发生短距离的迁移，形成极细的碳化物(Fe2.4C)（称为ε碳化物），以薄片形式存在M中，该组织称为回火马氏体。残余奥氏体的分解（200－300℃）25 马氏体向回火马氏体转变时，由于应力的减小，残余奥氏体发生分解产生下贝氏体（贝氏体温区）。最终组织：回火马氏体＋下贝氏体回火屈氏体的形成（300－500℃）由于回火温度的升高，碳的扩散运动能力加强，过渡碳化物转变成稳定渗碳体，马氏体转变为鉄素体，组织为：F上均匀分布极细的渗碳体，称为“回火屈氏体”。F＋Fe3C（弥散分布）→回火屈氏体回火索氏体的形成（500－650℃）鉄素体发生再结晶形成等轴晶铁素体，同时细小的Fe3C颗粒不断长大，得到平衡状铁素体中分布着颗粒状的碳化物混合组织，称为“回火索氏体”。最终组织：等轴晶F＋颗粒状Fe3C→回火索氏体回火组织性能：硬度和强度：硬度在200℃以下变化不明显，以后随温度的上升而下降，强度也如此；塑性：塑性随回火温度提高而提高；韧性：韧性变化的趋势随回火温度的提高而提高。回火脆性：在回火过程中出现韧性下降的现象称为回火脆性,主要是由于碳化物析出和长大所致。低温回火回火温度为150－200℃，组织：回火马氏体，性能：高硬度，硬度可达到58－64HRC，好的耐磨性应用：常用于轴承、冷作模具的热处理。中温回火回火温度为350－500℃组织：回火屈氏体性能：具有一定韧性，同时有高的弹性极限应用：弹簧钢（如：65,70)和要求较高强度和一定韧性的工件，如刀杆、轴套等。高温回火回火温度为500－650℃（淬火后进行高温回火的工艺也称为“调质”处理）组织：回火索氏体，性能：具有良好的综合力学性能，尤其是冲击韧性高。应用：可以直接进行机械加工。主要用于承受较大应力，特别是有冲击应力场合下的结构零件，如各种轴、连杆、齿轮等。淬透性：是指钢件在淬火时能获得淬硬层（马氏体）的深度。由于表面冷却速度高于心部，所以从表面至心部的马氏体的量存在一个分布，通常将马氏体含量达到50％的深度作为淬硬层深度，用淬硬层深度来表征不同材料的淬透性。亚共析钢：C↑→淬透性↑过共析钢C¯→淬透性↑合金元素中除Co外，绝大部分都使C曲线右移，提高淬透性加热温度的升高和保温时间延长（Fe3C溶解充分），稳定奥氏体，均可适当的提高钢的淬透性。表面热处理：1、淬火工艺：25 将钢件表面迅速加热到奥氏体化后，急冷使表面层形成马氏体。而心部组织不发生变化，这样表面具有强硬特征而心部保持好的韧性。用于表面淬火用钢大多为低C或中C钢（即为亚共析钢）。2、淬火组织：由于从表面到心部的温度不同，淬火后在组织也不同表面：温度>AC3，表面奥氏体化，淬火后得到细小的马氏体（M）中间：温度在AC1～AC3之间，加热组织为A＋F，淬火后得到M＋F心部：温度在AC1以下，加热组织主要为F，淬火后仍为F化学热处理：种类：渗C（形成Fe3C或C固溶）（弥散强化＋固溶强化）渗N（Fe（N）固溶），（固溶强化）渗BFe（B）固溶，（固溶强化）C－N共渗（弥散强化＋固溶强化）渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢，淬火后心部得到低碳马氏体，保持好的塑性和韧性第七章碳钢的缺点：1.基本相(F、Fe3C)性能不够好；2.淬透性低；3.使用温度不能超过200℃；4.没有特殊性能，如耐腐蚀、抗氧化、高耐磨……。合金元素的作用：提高强度，塑韧性；提高淬透性；高温强度、热硬性；提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、电磁等特殊性能按用途分类：合金结构钢（工程构件，机械零件），合金工具钢（量具，模具，刀具），特殊性能钢（不锈钢，耐蚀钢，耐热钢，低温钢）合金结构钢例：18Cr2Ni4WA＝18＋Cr2＋Ni4＋W＋A牌号的组成为：两位数字＋元素符号和数字＋字母。如：18Cr2Ni4WA其中第一部分两位数字：碳含量的万分之几；C＝0.18wt％第二部分的元素符号表示主要或关键合金元素，元素含量超过1.5％，则标注在元素符号的后面。如：Cr＝2％，Ni＝4％，W<1.5％第三部分的字母表示级别，如：A——优质钢合金工具钢例：9SiCr＝9＋Si＋Cr牌号的组成和合金结构钢基本相同，仅第一部分用一位数字表示含碳量的千分之几，若含碳量大于1.0％的将这部分数字略去。如：9SiCr表示C％＝0.9％，Si<1.5％，Cr<1.5％。CrWMn表示C％>1％，Cr、W、Mn<1.5％特殊性能钢对于某些专门用途或特殊性能的钢有特殊牌号。如滚动轴承钢：GCr15、GCr6（分别含Cr1.5％和0.6％(千分之几），C>1%,G：滚动）弱（非）碳化物形成元素：Mn，Co，Ni，Al，Si等，基本上能溶入铁素体使钢的强度和硬度提高（固溶强化），但韧性降低。作用是固溶强化和提高淬透性。强碳化物形成元素：Cr，Mo，W，V，Nb，Ti（前过渡族）等元素与碳的亲合力比铁强，一部分能溶入Fe3C形成合金渗碳体(Fe,M)3C，另一部分则形成特殊碳化物，如：Cr23C6，WC，NbC，TiC等，这些碳化物比渗碳体更高的熔点和更高的硬度（弥散强化），并阻碍A体晶粒长大（细化晶粒）。作用是细化晶粒和弥散强化。对相图的影响：25 1.扩大γ相区：元素Ni，Mn，W等促进奥氏体化，扩大γ区。原因是这些合金元素使A3线降低。这类元素也称为γ相稳定化元素。如1Cr18Ni9Ti不锈钢就是奥氏体类型钢。2.扩大α区：元素Si，Cr等使A3线升高，扩大α区。如：加入一定量的Cr，Si可使γ区消失，得到全部铁素体组织，如Cr17，Cr25，…属于铁素体不锈钢。3.对S点（共析点）和E点（A最大C浓度）影响：一些添加元素（如：Cr、Mn）使S、E点左移，使共析钢中的碳含量减少。如：4Cr13不锈钢，其C＝0.4％，但为过共析钢。Mn,Cr使S点左移,Mn使A3线降低，Cr使A3线升高对奥氏体化及晶粒度的影响（升温过程）（1）奥氏体化：Co可加速奥氏体化，大部分强碳化物合金元素（如Cr，Mo，W，V，Ti）都延缓奥氏体化过程。原因：这些强碳化物形成元素阻止Fe,C的迁移，减缓奥氏体的形成。（2）奥氏体的晶粒度：强碳化物形成元素，如V、Ti、Nb、Zr可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；原因：合金碳化物弥散分布在A上，阻碍晶界迁移。对过冷奥氏体转变的影响（降温过程）C曲线移动：Co使C曲线左移，即：降低淬透性；Ni，Si，Mn，AlCu等（均为弱或非碳化物形成元素）,使C曲线右移，即：提高淬透性。原因：稳定奥氏体对回火转变的影响提高钢的回火稳定性，产生二次硬化低合金高强度钢成分：C≤0.25％主要合金元素：Mn：W合金元素＜3%,固溶于铁素体（固溶强化）辅助合金元素：V，Ti，Nb，作用：形成VC，TiC，NbC等（弥散强化，细化晶粒）牌号：25 16Mn（旧），两位数字：C含量的万分之几；合金元素含量表示同前。Q345C（新）Q:屈服，345：屈服强度，C：等级热处理：热轧+空冷(相当于正火)组织：鉄素体＋珠光体（或索氏体），（F+P）或（F+S)性能：强度高，塑、韧性好。用途：制造桥梁、船舶、大型钢架、农业机械等等。合金渗碳钢成分：低碳合金钢C：0.10-0.25％：保证淬火后，心部形成板条马氏体，心部有好的韧性主要合金元素：Mn，Ni，Cr，B等，保证好的淬透性辅助合金元素：Ti，V，W等，用于形成稳定化合物，细化晶粒，提高回火稳定性。热处理及组织：热处理———表面渗碳＋直接淬火＋低温回火（P.171)。组织——表面为过共析钢：M回+碳化物+A’，约HRC60；心部为亚共析钢：M回+A’，HRC30~50。性能：①心部韧性好②表面硬度高低淬透性渗碳钢20Cr中淬透性渗碳钢20CrMnTi高淬透性渗碳钢18Cr2Ni4W调质钢成分：C：0.35-0.50％属于中碳钢，主要合金元素：Cr，Mn，Ni，Si，B（弱碳化物元素），提高淬透性，固溶强化，辅助合金元素：Mo，W，V（强碳化物元素），提高回火稳定性。牌号低淬透性40Cr，40CrMn热处理：调质处理，即:淬火＋高温回火组织：回火索氏体性能：高强度和高韧性的配合弹簧钢成分：WC≈0.5-0.9％——高C以保证高的弹性极限。主要合金元素Mn，Si——提高淬透性，提高σS/σb比，固溶强化。辅助元素Cr，Mo，W，V——提高耐回火性和冲击韧性牌号：60Si2Mn热处理：热成形弹簧，材料加热到奥氏体进行成型，再进行淬火+中温回火回火温度：450-550℃。组织：回火屈氏体（T回），HRC40~50冷成形弹簧，材料加热到奥氏体化，然后在500-550℃等温，形成索氏体，冷加工产生加工硬化后冷成形，再在200-300℃去应力退火。组织：索氏体性能：高弹性极限，高屈强（σS/σb）比；硬度适中，40－50HRC滚动轴承用钢成分特点：①高碳：C＝0.95－1.15%C，确保淬火后的硬度；②主合金元素：Cr，提高淬透性，形成细小的合金渗碳体，提高耐磨性和接触疲劳性能（弥散强化）；③辅助元素：Mn、Mo、V，形成碳化物，细化晶粒，弥散强化，以进一步提高耐磨性；25 钢号：GCr15等。第一个字母G表示滚动轴承，碳含量通常在1.0％左右，不用标注，元素符号Cr后的数字为其含量的千分数（针对常用滚动轴承钢）。性能要求：①高强度，高硬度（HRC60）；②高的接触疲劳抗力；③高的耐磨损能力热处理：球化退火――机械加工――淬火、低温回火――磨削精加工－产品。刃具钢性能要求：①高硬度、高耐磨性一般都在HRC60以上；②高的红硬性，指刃部受热升温后，刃具钢仍能维持高硬度；③一定的韧性和塑性，防止崩刃。成分：（1）低合金钢C＝0.9-1.10％，高C量，保证硬度主要合金元素Cr，Mn，Si——提高淬透性（2）高速钢－特殊钢C＝0.7-1.3％，高C量，保证硬度主要合金元素：Cr——提高淬透性；辅助合金元素：W，Mo，V（强碳化物形成元素）——提高红硬性牌号：（1）低合金钢：9SiCr，CrWMn（一位数字或无数字，C>1%)）9SiCr热硬性好，适合用于薄刃刀具和冷冲模具。（2）高速钢：W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2（特殊钢）W18Cr4V(C:0.7-0.8％)的热硬性高，过热倾向小，适合于制作车刀；W6Mo5Cr4V2(C:0.95-1.95％)的热塑性和韧性较好，适合于制作麻花钻头。热处理：（1）低合金钢：以9CrSi为例，600－650℃预热、850－870℃加热奥氏体化、油淬(200℃硝盐浴分级)、190℃低温回火。该钢的回火脆性温度区在250℃左右，回火温度不许超过200℃，硬度可以达到HRC60－63。（2）高速钢：典型工艺过程为：锻造――球化退火――机械加工――淬火、多次高温回火――喷砂――磨刃――成品。预先热处理（锻造＋球化退火）：高速钢的铸锭中碳化物粗大，极不均匀，必需经过良好的锻造。锻造后进行球化退火。达到消除应力，为最终热处理作好组织准备。最终热处理(高温淬火＋多次回火)：淬火（1）850℃预热，发生奥氏体转变；（2）1200－1280℃高温加热，合金碳化物充分溶解，保证奥氏体的含碳量在0.7%以上。（3）600℃分级淬火，再空冷。回火：在540－560℃多次高温回火（至少3次）；25 目的：获得二次硬化，提高硬度和耐磨性。回火后的组织：回火马氏体(黑色基体)＋碳化物(白色)＋少量残余奥氏体。一般硬度可以保证在HRC62－64。模具钢冷作模具钢性能要求：①高硬度；②高的耐磨性；③足够的韧性和耐疲劳抗力。成分：高C，C＝1.0-2.0％，保证热处理后的硬度在HRC60以上；主要合金元素：Cr，Mo，W，V——提高淬透性；形成难溶C化物，提高耐磨性。常用的钢号：Cr12MoV适用于尺寸较大、重载的和要求较精密的模具。65CrW3Mo2VNb(65Nb)我校开发热处理：加工工序：锻造—球化退火—加工—淬火—回火—粗磨—成品热处理工艺：以Cr12MoV钢为例，热处理工艺有两种：其一称是低淬低回（一次硬化法），1000－1050℃加热，油淬，180－240℃回火，硬度58－60HRC；其二称是高淬高回（二次硬化法），1100－1120℃加热,油淬，510℃回火三次，硬度58－60HRC。后者为了提高使用温度。组织：回火马氏体＋颗粒状碳化物＋残余奥氏体热作模具钢性能要求：①高的热硬度和高温耐磨性（硬度40-50HRC）；②高的热稳定性；③高应力疲劳抗力和热疲劳抗力。成分特点：C＝0.4-0.6％（中C），保证强韧性最佳配合，HRC35－52之间；主合金元素：Cr，Mn，Ni——提高淬透性；辅合金元素：Mo，W，V——产生二次硬化。常用的钢号：5CrMnMo热处理：锻造—粗加工成形—淬火—高温回火—精加工。工艺：以5CrMnMo为例，加热到820－850℃奥氏体化，出炉预冷至750－780℃（防止开裂），油冷到210℃(马氏体点附近）取出，立即进行回火（以防开裂），回火温度为500－540℃。组织：回火屈氏体或回火索氏体，硬度为HRC41－44。量具钢性能要求：①必须保证尺寸的稳定性（组织需稳定）②高硬度（>62HRC）；高耐磨性；耐腐蚀成分特点：高C，C＝0.9-1.5％（与高C低合金刃具钢类似），保证淬火硬度。主要合金元素Cr，W，Mn——提高淬透性（不希望残余奥氏体）常用的钢号：复杂、高精度量具采用低合金刃具钢CrWMn。热处理：锻造――球化退火――机械加工――淬火――冷处理――低温回火――粗磨――低温人工时效――精磨――去应力回火――研磨。冷处理：降温至-70～-80℃消除残余奥氏体的影响，硬度可达HRC66。回火：140－160℃x3hr，减小淬火的应力，回火后硬度在HRC62－65。人工时效：120℃X36hr，用来消除粗磨产生的应力。去应力回火120℃X3hr。不锈钢25 常用：1Cr18Ni9Ti（18—8）第九章陶瓷材料有晶体相，玻璃相和气相室温下，橡胶是高弹态，塑料是玻璃态第十章选材的一般原则：力学性能，工艺性能，经济性轴类零件：应考虑：载荷大小；负荷形式；精度要求。受力状况：同时承受弯曲、扭转交变负荷。失效形式：疲劳断裂或磨损。性能要求：（1）良好的综合力学性能（强度、韧性）——疲劳强度高；（2）耐磨性好（硬度较高）；（3）热强性好。齿轮类零件：性能要求：1）高的弯曲疲劳与接触疲劳强度2）高的表面硬度和耐磨性3）高的心部韧性选材：低碳钢：淬火＋渗碳中碳钢：调制＋高频淬火或氮化（表面处理）1）机器齿轮：工作条件：低速，磨损较轻。选材：调质钢（如：45#,40Cr)。最终热处理：调质。工艺：下料→锻造→正火→粗加工→调质→齿形加工→磨削。2）机床齿轮：工作条件：：中速，负荷不大，稍有冲击。选材：调质钢（如：45#,40Cr）。最终热处理：调质＋高频淬火＋低温回火。工艺：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及低温回火→精磨。3）汽车（拖拉机）齿轮：工作条件：高速，载荷大，频繁冲击，磨损大选材：合金渗碳钢，如：20Cr或20CrMnTi最终热处理：渗C＋淬火＋低温回火工艺：下料→锻造→正火→切削加工→渗C→淬火及低温回火→喷丸→磨削加工25