导图社区 工程材料学（武科大机械）
工程材料学（武科大机械专业）思维导图，包括金属材料的组织和结构、纯金属结晶、合金的结晶、金属的塑性加工、零件失效分析与选材等内容。
这是一篇关于机械设计第六章思维导图——键、花键、无键连接、销的思维导图，主要内容有键连接、销连接、无键连接、花键连接。
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第二章土的物理性质及工程分类
人工智能的运用与历史发展
电池拆解
工程材料学
金属材料的组织和结构
纯金属的晶体结构
体心立方BCC
晶胞原子数 2 原子半径 √3/4 致密度 0.68
面心立方FCC
晶胞原子数 4 原子半径 √2/4 致密度 0.74
密排六方HCP
晶胞原子数 6 原子半径 1/2 致密度 0.74
合金的晶体结构
固溶体
溶剂和固溶体晶体结构相同 置换固溶体 与 间隙固溶体 有限固溶体 与 无限固溶体 无序固溶体 与 有序固溶体
金属化合物
纯金属结晶
结晶条件
▲T过冷度：理论结晶温度-开始结晶温度 冷却速度越大，过冷度越大
结晶过程
形核
自发形核：金属原子本身长出晶核 非自发形核：金属原子依附于杂质形成晶核 非自发形核笔自发形核更重要、占主导
长大
平面长大：过冷度小时（即冷却速度小） 树枝状长大：过冷度较大，特别是有杂质时（即冷却速度大） 金属实际结晶一般以树枝状长大
过冷度、自发形核和非自发形核
同素异构转变
（铁、钴、钛等元素在冷却或加热过程中晶格形式会变） 随温度改变，由一种晶格转变为另一种晶格（也称为二次结晶或重结晶） 也分为形核和长大两个过程 需要较大的过冷度
二次结晶、重结晶
细晶强化
金属晶粒越小，金属强度、塑性和韧性越高
提高过冷度
变质处理
振动
电磁搅拌
合金的结晶
二元合金结晶
匀晶结晶
典型的是Cu-Ni相图 L L+a a
共晶结晶
一种液相在恒温下同时结晶出两种固相
包晶结晶
共析结晶
一种固相中同时析出两种化学成分和晶格结构完全不同的新固相
铁碳合金
铁碳相图
<0.77亚共析钢 组织F+P 相F+Fe3C =0.77共析钢 组织P 相F+Fe3C >0.77(<2.11)过共析钢 组织P+二次Fe3C 相F+Fe3C 随着c质量分数变大 F\F+P\P\P+二次Fe3C\P+二次Fe3C+Le'\Le'\Le'+一次Fe3C\Fe3C α相（铁素体）：碳在α-Fe中的间隙固溶体 γ相（奥氏体）：碳在γ-Fe中的间隙固溶物
铁碳相图重点考试默一遍
金属的塑性加工
塑性变形（冷加工）
单晶体塑性变形
滑移
只有在切应力作用下才发生 在晶体密排面上沿密排方向进行 滑移系越多，发生滑移可能性越大，塑性越好 滑移方向作用比滑移面大（所以面心立方比体心立方塑性好）
孪生
切应力作用下，晶体一部分相对另一部分沿一定 晶面（孪生面）和晶向（孪生方向） 发生切边的变形过程 孪生所需的临界切应力比滑移大
多晶体塑性变形
金属晶粒越细，晶界越多，变形抗力越大，金属强度越大 所以要 细晶强化
合金塑性变形
塑性变形对组织和性能的影响
组织 晶粒变形，形成纤维组织 亚结构形成，细化晶粒 形成形变织构（各晶粒的位向趋于一致） 性能 加工硬化（也叫形变强化，塑性变形随着变形度增大，金属强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象） 产生各向异性 物理、化学性能变化 产生残余内应力（降低耐腐蚀性，可导致零件变形或开裂）
再结晶
回复
T回复=（0.25-0.3T）熔点 工业上常用回复过程进行去应力退火
变形后的金属在较高温度加热时，被拉长、破碎的晶粒重新形核和长大变成新的均匀、细小的等轴晶 再结晶后 强度和硬度降低 塑性和韧性提高 T再=（0.35-0.4）T熔点 影响再结晶后晶粒度的主要因素是 加热温度 和 预先变形度
晶粒长大
再结晶后晶粒是细小的 如果 加热温度过高或保温时间过长 晶粒会长大 一般情况下应当避免晶粒长大
塑性变形和再结晶的工程应用
热加工
热轧 热锻 提高致密度 强度 韧性 塑性 破碎粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒 使金属中可变性夹杂物或第二相沿金属流动方向被拉长或分布，形成纤维组织
冷加工
冷轧 冷拔 冷冲 由于加工温度在再结晶温度下，所以不会伴有再结晶过程
喷丸强化
塑性变形后产生残余内应力 用高速气流把细小铁砂或陶瓷喷到表面，提高表面强度硬度 同时产生较大残余内应力 提高疲劳强度 （疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力,称为疲劳强度或疲劳极限）
再结晶退火
消除加工硬化 恢复金属的塑性和韧性
冷加工和热加工根据变形时温度是否低于再结晶温度
零件失效分析与选材
零件失效
畸变失效
不能承受载荷 不能起到规定作用 与其他零件运转发生干扰
断裂失效
磨损失效
占70% 大部分都是磨损失效 主要是表面磨损
腐蚀失效
选材原则
使用性能原则
工艺性能原则
性能要求不高： 毛坯+正火或退火+切削加工+零件 性能要求较高： 毛坯+预先热处理（正火、退火）+粗加工+最终热处理（淬火、回火、固溶时效、渗碳处理等）+精加工+零件 性能要求精密： 毛坯+预先热处理（正火、退火）+粗加工+最终热处理（淬火、低温回火、固溶、时效、渗碳）+半精加工+稳定化处理或氮化+精加工+稳定化处理+零件
经济原则
环境友好性原则
金属材料
碳钢
主要由Fe C Mn Si S P 6种元素组成 C决定碳钢性能 Si Mn改善力学性能 S容易使钢发送热脆（高温锻轧时开裂） P容易使钢发生冷脆（室温脆性增加）
碳素结构钢
Q235 通常轧制成钢筋、钢板、钢管 在热轧状态使用，不再进行热处理
优质碳素结构钢
“20”表示碳质量分数0.20%（万分之20） 如果Mn含量高在钢号后加Mn 如15Mn 45钢 制造齿轮、轴类、套筒等 一般要热处理再用
碳素工具钢
T9 表示碳质量分数0.9%（千分之九） 制作刃具、量具、模具 要热处理：球化退火+淬火+低温回火（灰灰马氏体，颗粒状碳化物，少量残余奥氏体）
合金钢
40Cr 碳质量分数0.40% Cr<1.5% CrWMn碳质量分数>1% CrWMn<1.5% 末尾加A表示高级优质钢
合金结构钢
C质量分数过高会导致塑性韧性下降 疲劳强度下降
低合金高强度结构钢
Q345（旧牌号16Mn） 热轧空冷（S+F） 造桥梁船舶车辆 （低碳）
合金渗碳钢
20CrMnTi（Cr Mn提高淬透性 Ti细化晶粒） 渗碳（摩擦磨损）+淬火+低温回火（合金渗碳体+回火马氏体+残余奥氏体） 造齿轮 凸轮轴等等 （低碳）
合金调制钢
45 45Cr 35CrMo（Cr Mn Ni Si等提高淬透性 Ni Cr Mn防止第二类回火脆性） 调质处理（回火索氏体） 造齿轮、轴、连杆、螺栓 （中碳）
合金弹簧钢
65Mn 60Si2Mn（Si Mn提高淬透性） 热轧（热轧+淬火+中温回火 获得回火屈氏体）冷轧（看书）喷丸强化（消除表面缺陷造成表面内应力 提高寿命） 制造弹簧和弹性元件 （中高碳）
滚动轴承钢
GCr15（Cr提高淬透性） 球化退火+淬火+低温回火（回火马氏体 粒状碳化物 残余奥氏体） 制造滚动轴承 冷冲模 （高碳）
合金工具钢
合金刃具钢
9SiCr（低合金刃具钢）W18Cr4V（18-4-1高速钢）（Cr提高淬透性 W Mo提高热硬性（钢在高温下保持高硬度）） （高碳）低合金刃具钢（球化退火+机加工+淬火+低温回火）（回火马氏体+碳化物+残余奥氏体） （高碳）高速钢（锻造+球化退火+淬火+回火）（回火马氏体+碳化物+残余奥氏体） 造车刀、铣刀、钻头等
合金模具钢
Cr12MoV（冷作模具钢）5CrMnMo 4Cr5MoSiV1（HB）（热作模具钢） 冷作模具钢（高碳） 制造冷冲模等 工作温度不超过200-300 加入Cr Mo W V等形成难熔碳化物 提高耐磨性 淬火+低温回火（与低合金刃具钢相似） 热作模具钢（中碳） 制造热锻模等 工作温度可达600以上 要有高热疲劳抗力 高氧化性 淬火+高温回火
特殊性能钢
不锈钢
耐腐蚀（使金属钝化 表面形成致密保护膜） （腐蚀性要求越高 C质量分数越低） 加入Cr：提高钢基体电极点位 钝化 马氏体不锈钢 铁素体型不锈钢（1Cr17） 奥氏体型不锈钢（1Cr18Ni9）（水韧处理） 奥氏体-铁素体双相不锈钢（1Cr21Ni5Ti）
钢的合金化
指在铁碳合金中加入其它元素 合金元素加入钢中，与铁形成固溶体，与碳形成碳化物。
形成固溶体
除了Pb以外几乎所有元素都可以溶入铁中
扩大γ相区（奥氏体稳定化元素）
Mn Ni Co C N Cu 可以在室温下获得单相奥氏体组织
缩小γ相区（铁素体稳定化元素）
Cr Mo W V Ti Al Si B Nb Zr 可使钢获得单项铁素体组织
形成碳化物
对热处理的影响
对加热时转变影响
影响奥氏体形成速度 奥氏体晶粒大小（V Ti阻碍 Mn促进）
对过冷奥氏体转变影响
除Co以外都可以让C曲线右移（能提高淬透性 生成马氏体能力强了） 除Co和Al意外，会使Ms和Mf点下降（使残余奥氏体变多 钢的硬度和疲劳强度下降 要想办法转变成马氏体）
对回火转变影响
提高回火稳定性（钢在回火时抵抗软化的能力） 产生二次硬化（一些Mo W V含量高的高合金钢回火时，硬度不是随着回火温度升高而单调降低，反而到了一定温度开始增大达到顶峰）（也包括回火冷却过程中残余奥氏体变为马氏体（二次淬火））
总结：固溶强化、细晶强化、位错强化、二次硬化（第二相强化）
钢的热处理
加热时的转变
奥氏体化（共析钢，过共析钢，亚共析钢） 奥氏体晶粒度（分8级 级别越大越细）
冷却时的转变
等温处理
高温转变
A1-550°C 过冷奥氏体转变产物为珠光体型组织 珠光体P A1-650 索氏体S 650-600 屈氏体T 600-550
中温转变
550-Ms 过冷奥氏体转变产物为贝氏体型组织 贝氏体：铁碳化合物分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物 上贝氏体 550-350 羽毛状 下贝氏体 350-Ms 黑色针状 有更好的综合力学性能
低温转变
Ms-Mf 马氏体转变 是一个连续冷却转变过程
连续冷却（实际生产常用）
CCT曲线
CCT曲线 冷却速度（水冷》油冷》空冷》炉冷） 炉冷：过冷A变成珠光体 空冷：过冷A变成索氏体 油冷：过冷A变成屈氏体，剩余过冷A变成马氏体，还有残余A（屈氏体，马氏体，残余奥氏体） 水冷：过冷A变成马氏体，还有残余A（马氏体，残余奥氏体）
马氏体转变特点
马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体 非扩散型 面心立方变成体心正方 瞬时性 转变很快 不彻底性 总有残余奥氏体 马氏体形成时体积膨胀 造成很大的内应力
马氏体特点
马氏体形态：针状（c质量分数>1%）或板条状(<0.25%) 高碳马氏体不好（针状） 低碳马氏体好（板条状）
退火
完全退火（重结晶退火）
亚共析钢 加热到Ac3上 保温 缓慢冷却（随炉）（缓慢冷却可以消除内应力） 获得组织F+P 目的：均匀化细化组织 降低硬度改善切削加工性能
球化退火
过共析钢 共析钢 随炉加热略高于Ac1 保温较长 随炉冷却 获得铁素体基体+球状渗碳体 目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化 降低硬度 改善切削加工性能
等温退火
目的和完全退火一样 改良版完全退货
扩散退火
目的：使成分组织均匀 扩散退火后钢的晶粒很粗大，一般要再完全退火或正火
去应力退火
只有去应力退火不发生任何相变 将钢加热到Ac1某一温度（一般<ac1） 保温 随炉冷却 可以消除50%-80%的内应力
正火
亚共析钢（加热到Ac3上30-50）组织（F+S） 共析钢（加热到Ac1上30-50）组织（S） 过共析钢（加热到Acm上30-50）组织（S+二次Fe3C） 都是空冷 目的： 最为最终热处理 作为预先热处理（调质处理、球化退火前） 改善切削加工性能（提高硬度）
淬火
加热到相变温度以上，保温一段时间，快速冷却 获得马氏体组织 亚共析钢（Ac3上30-50） 共析钢和过共析钢（Ac1上30-50） 淬火常用冷却介质 水和油 淬透性：淬火形成马氏体的能力（由临界冷却速度决定，临界冷却速度小，奥氏体越稳定，淬透性越好） 淬硬性：淬火后能达到的最高硬度（取决于马氏体的C质量分数）
单介质淬火
一种介质（水或油）中冷却 *注意在水中淬火应力大 容易变形开裂 *在油中冷却速度小 大件淬不硬
双介质淬火
先在冷却能力强的介质中冷却到300°C左右 再在冷却能力弱的介质中冷却 （如先水后油）
分级淬火
低温盐浴或碱浴炉（温度在Ms左右）中保温2-5min，随后空冷
等温淬火
盐浴（温度稍高于Ms点）等温较长时间 空冷获得下贝氏体组织
回火
为了消除内应力，加热到Ac1下的某一温度，保温然后冷却 回火脆性 第一类（250-400）不可逆 第二类（450-600）可逆
低温回火
150-250 获得回火马氏体（那一定有残余奥氏体） 下贝氏体（太少了不计） 为了降低淬火应力，提高韧性保证高硬度和高耐磨性 主要用于高碳钢工具、摸具、滚动轴承等等
中温回火
350-500 获得回火屈氏体（铁素体集体+细粒状渗碳体） 具有较高的弹性极限和屈服强度 韧性 主要用于弹簧
高温回火
500-600 获得回火索氏体（综合力学性能最好） 淬火+高温回火=调质处理 细粒状渗碳体起了强化作用
有淬火就有回火
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