工程材料及成型工艺基础1

什么是低应力脆断？材料抵抗裂纹扩展断裂的能力叫断裂韧性。

机械零件的传统强度设计为σ<[σ]=σ0.2/n(n为安全系数),一般认为用此式设计的零件是安全的,不会产生塑性变形，更不会断裂。

但是，有些高强钢制造的零件或大型焊接构件如桥梁、船舶等，有时会在工作应力远低于材料屈服强度甚至低于许用应力的条件下突然发生脆性断裂，这种工作应力远低于材料屈服强度的断裂叫低应力脆断。

裂纹扩展的基本形式：1）张开型2）滑开型3）撕开型疲劳断裂：材料在循环载荷的作用下，即使所受力低于屈服强度也常发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。

疲劳极限：工程上规定，材料在循环应力作用下达到某一基数N而不断裂时，其最大应力就作为该材料的疲劳极限。

断裂韧性：裂纹扩展时的临界应力场强度因子值称为材料的断裂韧度，用KⅠC表示，单位为MPa·m1/2。

其为材料抵抗裂纹扩展断裂的能力大小的表现，为材料的固有属性，与材料的成分、组织、热处理以及加工工艺有关，与裂纹的大小、形状、外加应力等无关。

当 KⅠ≥KⅠc时，裂纹就会扩展而导致低应力脆断。

金属键：依靠共有的负电子云与正离子之间的库仑力作用而形成的结合键。

晶体具有良好的导电性、导热性、可塑性、正的电阻温度系数和金属光泽。

离子键：电负性相差较大的两种原子，通过电子得失，变成正负离子，依靠正负离子间的引力形成的结合键，离子晶体熔点高，硬度高，热膨胀系数小，但相对脆性大。

共价键：得失电子能力相近的原子相互靠近时，依靠共用电子对产生结合力而形成的结合键。

共价晶体往往熔点高，硬度高。

分子键：依靠瞬时偶极矩的作用产生结合力而形成的结合键。

分子晶体具有低熔点、低硬度、弹性模量低等性能特点晶体与非晶体：原子在三维空间按一定几何规律排列形成的有序结构，称为晶体。

原子在空间作无序排列，这种结构为非晶体。

晶体具有固定的熔点，规则的外形，具有各向异性。

而非晶体没有固定的熔点，呈现各向同性。

晶体结构的基本概念：晶格：用以描述晶体中原子在三维空间按一定几何规律排列形成的有序结构，晶胞：能完全反映晶格特征的最小几何单元。

晶格常数：描述晶胞大小的尺度。

晶体材料中常见的、典型的晶体结构类型有：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。

晶体缺陷：点缺陷。

线缺陷。

面缺陷合金：两种或两种以上的金属或金属与非金属组合而成并具有金属特性的物质。

组元-- 组成合金的基本单元。

组元可以是金属和非金属,也可以是化合物。

组织：材料中的直观形貌,可以用肉眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌。

宏观组织:肉眼或是30倍放大镜所呈现的形貌；显微组织:显微镜观察而呈现的形貌。

相：合金中具有同一化学成分、同一晶体晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。

合金的基本相结构：可分为固溶体（置换固溶体，间隙固溶体）和金属化合物两大类。

固溶强化：晶格畸变使晶体变形的抗力增大，材料的强度`硬度的提高.金属化合物:当合金中出现金属化合物时,通常能够提高合金的强度`硬度和耐磨性,但是降低塑性和韧性.多数合金都是由固溶体和少量的化合物组成的混合物.人们可以通过调整固溶体的溶解度和分布与其中的化合物的形状`大小`数量和分布来调整合金的性能,以满足不同的需求.陶瓷材料的结构特点:1晶体相晶体相是陶瓷的主要组成相,对其性能起决定性作用.2玻璃相玻璃相是一种非晶态的低溶点固体相3气相气相是指陶瓷组织内部残留下来的孔洞.高分子材料的结构特点;一个是大分子链结构，包括其结构单元的化学组成`链接方式和立体构型`分子大小及构象等;另一个是大分子的聚集态结构,即高聚物分子间的结构形式.聚合物:有机高分子化合物是由许多小分子通过共价键连接起来形成的大分子有机化合物,具有链状结构,故又称聚合物或高聚物.高聚物的物理`力学状态:高聚物在不同的温度下呈现出不同的物理状态，因而具有不同的性能。

随温度的不同线形无定形聚合物可处于玻璃态、高弹态和粘流态。

其中玻璃态是塑料的使用状态；高弹态是橡胶的使用状态；而粘流态是聚合物的加工状态。

大分子链的几何形状:线形高分子弹性、塑性好，易于加工；支化型高分子强度和耐热度较低；而体型高分子具有较好的尺寸稳定性和强度以及耐热性，但弹性低、塑性低、脆性大，成型加工只能在网状结构形成之前同素异构转变:自然界中有许多元素具有同素异构特征,即同种元素具有多种晶格形式.当温度,压力等外界条件改变时,晶格类型可以发生转变,称为同素异构转变.结晶:金属与合金自液态冷却转变为固态的过程，是原子由不规则排列的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态的过程，称之为结晶。

结晶过程:凝固的过程包括形核和长大两个过程。

形核的方式：自发形核和非自发形核。

后者是金属形核的主要方式。

晶核一旦形成便开始长大，形成所谓的“树枝晶”晶粒大小对性能的影响及其控制: 金属结晶后形成多晶体结构。

晶粒的大小是金属组织的重要评定指标之一，它直接影响金属的性能。

细小的晶粒，可以使金属获得更高的强度和硬度，与此同时还可以提高金属的韧性，是提高金属强度和韧性非常重要的方法，这种工艺方法称为细晶强化，在实际生产中，一般通过增大过冷度，也就是增大冷却速度、进行变质处理和附加振动等工艺方法来获取细小的晶粒。

共晶相图:两组元在液态完全互溶,在固体下有限溶解或互不溶解但有共晶反应发生的合金相图,称为共晶相图.共析相图:在二元合金中经常会遇到这样的情况,即在较高温度时经过液相结构得到的单相溶体,在冷却到某一温度处又发生析出两个成分`结构与母相不同的新的固相的转变,这种转变成为共析转变.具有共析转变的二元合金相图称为共析相图。

热处理的最主要的目的：是得到奥氏体，因此这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。

过冷奥氏体：当温度在A1以上时, 奥氏体是稳定的。

当温度降到A1以下，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。

奥氏体晶粒大小的控制：加热温度、保温时间和加热速度，加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大；在加热温度相同时，加热速度越快，保温时间越短，奥氏体晶粒越小，在实际生产中，常利用快速加热`短时间保温来获得细小的奥氏体晶粒。

马氏体力学性能：马氏体的力学性能取决于马氏体中的含碳量高碳马氏体硬而脆；而低碳马氏体则具有良好的强韧性。

此外，马氏体的比容比奥氏体大。

当奥氏体转变为马氏体时，体积会膨胀。

常用的冷却介质和淬火方法：常用的冷却介质是水和油常用的淬火方法有单介质淬火，双介质淬火，分级淬火和等温淬火等。

钢的淬透性:钢的淬透性主要取决于马氏体的临界冷却速度。

凡是增加过冷奥氏体的稳定性，减小马氏体临界冷却速度的因素，都可以提高钢的淬透性。

钢的淬硬性：钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性，它主要决定于M的碳含量。

淬火缺陷及其防治：1变形与开裂当工件淬火内应力大于材料的屈服强度时，就会造成工件的塑性变形；当淬火内应力超过材料的强度极限时，在应力集中处就会造成工件开裂。

变形不大的零件，可在淬火和回火后进行矫直；变形较大或出现裂纹时，零件只好报废。

在实际生产中，为减少淬火件变形，防止工件开裂，需注意正确选择材料和合理设计工件结构。

2硬度不足主要是：淬火冷却冷却能力不足；淬火加热温度过低或保温时间短，淬火组织中存在珠光体或铁素体；表面脱碳降低了钢的淬硬性。

对于硬度不足的工件可以重新淬火（即返修），但在重新淬火前，应对工件进行一次退火、正火或高温回火以消除淬火应力，防止在重新淬火的过程中产生更大的变形甚至开裂。

3氧化与脱碳脱碳是指钢在加热时，钢表层中的碳与周围介质中氧、二氧化碳等发生化学反应，生成含碳气体逸出钢外，使钢表层含碳量下降。

氧化会使工件尺寸减小，表面粗糙度增加。

脱碳会降低钢的表面硬度、耐磨性和抗疲劳能力。

氧化脱碳还会增加淬火开裂倾向。

为了防止工件在加热时氧化和脱碳，生产中常采用脱氧良好的盐浴加热、保护气氛加热、真空加热、高温短时加热等工艺方法。

淬火钢的回火：钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到A c1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叫做回火。

回火的种类：根据回火的温度将其分为低温回火、中温回火和高温回火。

表面淬火：仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表面淬火。

表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等渗碳：为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。

渗碳用钢通常为低碳钢和低碳合金钢，20，20Cr，20CrMnTi等。

气体（钢）的渗氮的特点：1）氮化温度低, 零件变形小。

主要用于耐磨性、精度均要求很高的零件。

2）钢件氮化后具有很高的硬度(1000 HV～1100 HV), 且可以保持到600 ℃～650 ℃不下降, 具有很高的耐磨性和热硬性。

3）钢氮化后, 渗层体积增大, 造成表面压应力, 使疲劳强度大大提高。

4）渗氮时间长，工艺较复杂，渗层较薄。

预备热处理：包括退火、正火，调质等。

其工序位置一般安排在毛坯成型之后，或机械粗加工之后、精加工之前。

钢中常存元素对钢性能的影响：1.有益元素：Si —有很强的固溶强化作用,能脱氧。

Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。

2.有害元素:P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差 ( 冷脆 )。

S —能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂 )。

钢的分类：1.按用途分类（1）结构钢可分为工程构件用钢和机器零件用钢。

（2）工具钢根据用途不同可分为刃具钢、模具钢、量具钢等。

（3）特殊性能钢可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

2.按化学成分分类按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢3.按质量分类主要按钢中的有害杂质磷、硫含量来分：普通钢，优质钢，高级优质钢，特级优质钢4.按冶炼方法分类可按炉别分为平炉钢、转炉钢、电炉钢5.按金相组织分类钢的金相组织随处理方法不同而已。

按退火组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢。

按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢等。

6.按工艺方法（脱氧程度）分类按脱氧程度不同分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。

石墨给铸铁带来的良好性能：①因石墨的存在，造成脆性切削，铸铁的切削加工性能优异。

②铸铁的铸造性能良好，铸件凝固时形成石墨产生的膨胀，减少了铸件体积的收缩，降低了铸件中的内应力。

③石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。

④石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。

⑤大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。

变形铝合金：有防锈铝（LF）、硬铝（LY）、超硬铝（LC）、锻铝（LD）四种类别。

热处理特点：对热模钢，要反复锻造，其目的是使碳化物均匀分布。

锻造后的预备热处理一般是完全退火，其目的是消除锻造应力、降低硬度，以便于切削加工。