机械工程材料总复习资料
机械工程材料复习
第一部分基本知识
一、概述
以“材料的化学成分T加工工艺T组织、结构T性能T应用”之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习。
二、材料结构与性能：
1?材料的性能：
①使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）；
②工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。
2?材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）；
纯金属：体心立方（-F e）、面心立方（-F e ），各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高
实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）-各向同性；强度、硬
度增高；塑性、韧性降低。
合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。
单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。
多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。
多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。
⑴。结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld ；
3?材料的组织结构与性能
1 ）平衡结晶组织
平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各 个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。
2）成分、组织对性能的影响
① 硬度（HBS ）:随C ，硬度呈直线增加， HBS 值主要取决于组成相 对量。
② 抗拉强度（b ）: C %< 0.9%范围内，先增加，C %> 0.9?1.0 %后, 着下降。
③ 钢的塑性（）、韧性（aQ :随着呈非直线形下降。 3 ）硬而脆的化合物对性能的影响： 第二相强化：硬而脆的化合物， 若化合物呈网状分布：则
使强度、塑性下降； 若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及切削 加工性提高；
呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、韧 性仅略有下降或不降即弥散强化；
呈层片状分布于基体上 ： 则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。
⑵。塑性变形组织与性能
1 ）组织与性能的变化 金属塑性变形后产生晶格畸变，晶粒破碎现象，处于组织不稳定状态的非平衡组织， 非平衡组织向平衡组织转变： 可通过 再结晶、时效及回火实现。
加工硬化， 物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性：
产生纤维状组织；晶粒破碎、位错密度增加；织构现象的产生；残余内应力。
2） 变形金属在加热过程中组织和性能的变化 回复（去应力退火）：强度和硬度略有下降，塑性略有提高。电阻和内应力等 理化性能显着下降
再结晶： 形成细小的等轴晶粒。加工硬化消失，金属的性能全部恢复。金属的强
度和硬度明显J,而塑性和韧性显着f,性能完全恢复到变形前的水平。
⑶。热处理组织与性能
F e3C 的相 b 值显
1）贝氏体的机械性能：
上贝氏体：铁素体片较宽．塑性变形抗力较低；同时,渗碳体分布在铁素体片
之间,容易引起脆断．因此,强度和韧性都较差。
下贝氏体：铁素体针细小,碳化物分布均匀,所以硬度高,韧性好,综合机械
性能好。
2）马氏体的形态及机械性能
①?板条马氏体（又称位错马氏体。）：碳含量v 0.23 %;
机械性能：不存在显微裂纹,淬火应力小,强度高,塑性、韧性好。
②.针状马氏体：碳含量〉1.0 %;（显微镜下呈针状）
机械性能：存在大量显微裂纹,较大的淬火应力,塑性和韧性均很差;
③?混合组织马氏体：碳含量在0.23 %一1.0 %之间时?为板条和片状马氏体
的混合组织。
④?马氏体的硬度，含碳最增加，硬度升高?含碳量达到0.6 %以后，其硬度的
变化趋于平缓。
⑤合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。
3 ）回火组织与性能
固溶强化：通过合金化（加入合金元素）组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化；
细晶强化：强度、硬度越高；其塑性、韧性越好。晶界处原子排列混乱，使其熔点低，易受腐蚀。由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。
加工硬化：使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加，从而使强度、硬度增加，
塑性、韧性、耐蚀性等下降，并产生各向异性。冷塑性变形实现。
第二相强化：硬而脆的化合物（Fe3C ），若呈网状分布：则使强度、塑性下降;
若呈球状、粒状（球墨铸铁）：使韧性及切削加工性提高；
呈弥散分布于基体上：使强度、硬度增加，塑性、韧性仅略有下
降或不降即弥散强化；
呈层片状分布于基体上：强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。
形变强化：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度；
相变强化：通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。
三、材料热处理、合金化与性能
1?改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理）
⑴退火：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火退火：加热＋保温＋缓冷获得
接近平衡状态组织。
退火目的：改善铸、锻、焊粗大不均匀的组织，降硬度，提高塑性，改善冷加工工艺性。
消除成分不均匀，内应力。
1）完全退火（加热A c3 +（20?30 C）温度，保温、缓冷
组织：P+F
目的：①细化，均匀化粗大、的原始组织；②降低硬度-切削性仁③消除内应力；消除组织缺陷；
应用：（C%=0.3 ?0.6% ）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧
2）球化退火
加热A ci +（10?30 C）,保温、缓冷（或A ri —（20?30 C）等温）应用：过，共析钢、高碳合金钢
组织：球状P（F+ 球状Cem ）
目的：①F e33及F e3C共析球化HRC 韧性切削性f
②为淬火作准备；球化退火前，正火处理，消除网状碳化物，以利于球化进行。
3）扩散退火
加热1050?1150 C,保温10?20h,冷却：炉冷
组织：P+F 或P+Fe 3 C II 目的：消除偏析后果：粗晶、魏氏组织、带状组织,韧性、塑性较差,需完全退火或正火来细化晶粒。4）去应力退火（再结晶退火）
加热：Ac1 —（100?200 ）C；保温+炉冷；目的：消除加工硬化,消除残余应力。
⑵正火
正火：亚共析加热Ac 3 + （30?50 °C）、
过共析钢加热Accm + （30?50 C）保温+空冷，得到P类工艺。
组织：S 或P（F＋Fe3C）正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，得更高的强度和硬度；生产周期较短，成本较低。
目的及应用：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。
2?预先热处理工艺应用工具钢：球化退火；结构钢：正火，完全退火。表面强化处理的零件：调质处理正火。⑴改善冷塑性加工性能
再结晶退火：恢复变形前的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。
⑵改善机加工性能
C% v 0.40 %中低碳钢：正火，提高硬度
C% = 0.4O %?0.60 % :完全退火；
C% > 0.6 %的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。
合金钢：退火：铸铁件白口层：加热850?950 C+保温+（炉冷+空冷）。
⑶消除材料的加工应力
去应力退火：没有组织变化。
工艺：缓慢加热500?650 C+保温+缓冷，
3?钢铁的淬火
⑴淬火原则与淬透性
目的：提高硬度、强度、耐磨性。
原则：①淬硬，获尽量完全的M :②淬透，M组织表里如一；③保证淬硬条件下，用缓冷介质，