机械工程材料总复习资料全

机械工程材料复习第一部分 基本知识一、概述⒈目的掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（性能和改性方法是重点）。

具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料；具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。

⒉复习方法以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→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： ⒈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。

⒉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（e F -α）、面心立方（e F -γ），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。

⒊材料的组织结构与性能⑴。

结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld；1）平衡结晶组织平衡组织：在平衡凝固下，通过液体部的扩散、固体部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒部的成分均匀，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C F e3的相对量。

②抗拉强度(b σ)：C ﹪＜0.9%围，先增加，C ﹪＞0.9～1.0％后，b σ值显著下降。

③钢的塑性(δϕ)、韧性(k a )：随着C ﹪↑,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。

电阻和应力等理化性能显著下降再结晶：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↓，而塑性和韧性显著↑，性能完全恢复到变形前的水平。

⑶。

热处理组织与性能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＜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 回火类型 回火温度 组织性能及应用组织形态低温回火 150~250 回火M （M’） 保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件 过饱和α＋ε碳化物(C F ex )中温回火 350-500 回火屈氏体（T’）硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度↑，用于弹性元件 保留马氏体针形F+细粒状Fe 3C高温回火 500-650 回火索氏体（S’） 强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。

中碳钢、重要零件采用。

多边形F+粒状Fe 3C⒋材料组织结构变化实现的性能强化：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⒈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，应力。

1）完全退火（加热A c3＋（20～30℃）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↑；③消除应力；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 c1＋（10～30℃），保温、缓冷（或A r1－（20～30℃）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 e3C II及F e3C共析球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑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℃，保温10～20h,冷却：炉冷组织：P+F或P+Fe3C II目的：消除偏析后果：粗晶、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）℃；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Ac3＋（30～50℃）、过共析钢加热Accm＋（30～50℃）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。

⒉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%＜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℃＋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℃＋保温＋缓冷，⒊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，以防开裂。

⑴. 淬透性：在规定淬火条件下得到M多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢的V的大小。

属性。

由A过稳定性决定，表现为K淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。

⑵.淬透层深度：从表面至半M区的距离。

与钢的淬透性及外在因素有关。

V越小，淬透层越深；II．工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；Ⅲ。

影响因素：I．K水淬比油淬的淬透层深；⑶.淬硬性：由M中C%↑，钢的淬硬性越好。

⒋淬火工艺⑴淬火加热温度A＋（30～50℃），组织：均匀细小M组织①亚共析碳钢：C3A时，硬度降低。

温度太高，M粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。

加热温度＜C3②共析和过共析碳钢：A＋（30～50℃）。

组织：M＋F e3C II＋A r，加热：C1A～A cm以上淬火，→A粗大→高碳M粗大→力学性能↓，变形开裂↑若在C1③合金钢：加热温度＞碳钢⑵淬火方法①单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。

碳钢水、合金钢、小碳钢油②双介质淬火先水，后油冷却。

复杂高碳钢及大型合金钢工件。

③分级淬火稍高于M s的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。

用于：小尺寸工件及刀具。

④贝氏体等温淬火：稍高M s温度的盐浴或碱浴中冷却＋保温，获得B下。

用于：形状复杂和性能较高的较小零件。

⑤深冷处理：在0℃以下的介质中冷却的热处理工艺。

目的：减少A r获最大数量M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。

用于：精密工件，量具。

⒌表面淬火⑴原理：（交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表面加热） 工艺：水（乳化液）喷射淬火＋（180～200℃）低温回火， ⑵感应加热表面淬火的分类1)高频淬火 淬硬层深度0.5～2.5㎜；中小零件。

2)中频淬火 淬硬层深度2～10㎜；大中模数齿轮,较大轴类零件等 3)工频淬火： 淬硬层深度10～20㎜；大直径零件。

⑶适用钢种 ①中碳钢和中碳低合金钢： ②碳素工具钢和低合金工具钢： ③ 球铁、灰铸铁。

⑷表面淬火的特点 ①加热速度快②)淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。

表面硬度↑2～3HRC ，脆性↓。

③显著提高钢件的疲劳强度。

⒍钢的化学热处理化学热处理：在加热和保温中使活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织，改善表面性能。

目的：提高表面硬度，耐磨性，心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性；提高钢件的疲劳强度；抗蚀性和耐热性等。

⑴渗碳1）碳浓度：表面C(0.15％～0.30％)→C 1.0％，机械性能：经淬火＋回火，提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性和塑性。

用途：各种齿轮、活塞销、套筒等。

渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢。

2）渗碳工艺温度： 900～950℃；（渗碳加热到3C A 以上） 渗碳时间： 900～950℃温度下，0.2～0.3mm/h 。

3）低碳钢渗碳缓冷组织： 表层：P ＋Fe3C II (过共析相) 心部：亚共析组织(P ＋F)， 中间：过渡组织； 4）渗碳后的热处理 ①渗碳后淬火+低温回火淬火后组织： M＋A残，⒎钢的合金化合金元素在钢中的作用：提高钢的淬透性，细化晶粒，提高钢的回火稳定性，防止回火脆性，二次硬化，固溶强化，第二相强化（弥散强化），增加韧性，提高钢的耐蚀性或耐热性。