工程材料——（机械金属工艺学）思维导图

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工程材料

• 加工
  • 合金相图
    • 匀晶相图
      • 枝晶偏析：同一晶体内化学成分不均
        • 扩散退火
    • 共晶相图
      • 液——》固
    • 包晶相图
    • 共析相图
      • 固——》固
    • 铁碳合金相图
      • 实际转变存在过冷过热现象
  • 塑性变形
    • 单晶体
      • 孪生
      • 滑移
    • 多晶体
      • 晶界上原子排列不规则阻碍位错运动，使变形抗力增大
    • 影响
      • 形成纤维组织
      • 形成形变织构
      • 产生各向异性
      • 产生残余应力
      • 细化晶粒
    • 热加工
    • 冷加工
      • 形变强化
    • 再结晶温度为界
  • 再结晶
    • 回复
    • 再结晶
    • 晶核长大
  • 奥氏体
    • 过冷奥氏体等温转变曲线——C曲线
    • 连续变化CCT
  • 热处理
    • 普通热处理
      • 退火
        • 加热到适当温度然后缓慢冷却获得接近平衡的组织的热处理工艺
        • 扩散退火
          • Ac3上150~200℃
          • 又称均匀化退火，消除成分偏析
        • 球化退火
          • 共析钢或者过共析钢，Ac1上10~30℃
          • 让渗碳体球化，改善切削加工性能，为淬火作准备
          • F+球状渗碳体
        • 完全退火
          • 亚共析钢，Ac上30~50℃
          • 均匀细化组织，改善切削加工性能
          • 过共析钢不宜完全退火，会二次渗碳体网状析出
          • F+P
        • 等温退火
        • 去应力退火
          • 500~650℃
          • 去除加工过程中的成分偏析
      • 正火
        • Ac3，Ac1，Accm上30-50℃
        • 作为最终热处理
        • 作为预备热处理
        • 改善切削加工性能
        • 对于亚共析钢和共析钢细化晶粒均匀组织提高强度韧度硬度，对于过共析钢可以消除二次渗碳体
      • 淬火
        • Ac3和Ac1以上30-50℃，保温一定时间后快速冷却
        • 单介质淬火
          • 水或油
            • 获得马氏体
        • 双介质淬火
          • 先水后油
            • 获得马氏体
        • 分级淬火
          • 先盐浴后空冷
            • 获得马氏体
        • 等温淬火
          • 先盐浴后空冷
            • 获得下贝氏体
        • 淬透性
          • 钢淬火时形成马氏体的能力
          • 碳质量分数
            • 共析钢最好
          • 合金元素
            • 除钴以外，合金越多越好
          • 奥氏体化温度
            • 奥氏体化温度越高越好
          • 钢中未溶第二相
      • 回火
        • 加热到Ac1以下某一温度，保温一段时间，然后冷却
        • 目的
          • 淬火马氏体很脆，且存在内应力，容易变形和开裂
          • 淬火马氏体和残余奥氏体都不稳定，工作中容易分解导致零件尺寸改变
          • 为了获得需要的强度，硬度，塑性和韧度
        • 低温回火
          • 150-250℃
          • M回+A'
          • 工具钢，模具，轴承，渗碳及表面淬火零件
        • 中温回火
          • 350-500℃
          • T回+A'
          • 弹簧
        • 高温回火
          • 调质：淬火+高温回火
          • 500-650℃
          • S回（渗碳体细粒状均匀分布）+A'
          • 轴，齿轮等重要零件
        • 回火脆性
          • 第一类回火脆性（低温回火脆性）
            • 不可逆，避免在此温度回火
          • 第二类回火脆性（高温回火脆性）
            • 可逆，回火后快冷
            • 原因：杂质在晶界偏析
    • 表面热处理
      • 表面淬火
        • 轴、齿轮等零件要求表面耐磨，有较高的硬度，而心部要求有较好的强韧性
        • 火焰加热
        • 感应加热
          • 集肤效应
        • 激光加热
        • 电子束加热
      • 表面化学热处理
        • 渗碳
          • 气体渗碳
          • 固体渗碳
          • 低碳钢
          • 900-950 ℃，处于奥氏体状态
          • 渗碳后调质
        • 渗氮
          • 气体渗氮
          • 中碳钢
          • 500-600 ℃，处于铁素体状态
          • 渗氮前调质，渗氮后不处理
    • 固溶热处理
      • 加热合金到高温单相区，使合金元素充分溶入基体相而后快速冷却，以获得过饱和固溶体的工艺。
    • 时效强化
      • 固溶处理的合金于室温或略高于室温保温，通过过饱和的溶质原子形成偏聚区和析出形成第二相微粒而导致的强度和硬度升高。
    • 典型材料：奥氏体不锈钢；铝合金
• 合金钢
  • 按用途分类
    • 合金结构钢
      • 分类
        • 机械零件用钢
          • 渗碳钢，调质钢
            • 合金渗碳钢 （低碳合金钢）
              • 典型钢种
                • 20CrMnTi
              • 化学成分
                • ωc=0.1～0.25%, 韧性好
              • 应用
                • 承受动载荷，表面强烈磨损的零件。
              • 性能
                • 热处理后表面硬度高，耐磨性好；心部韧性高。
              • 淬透性
                • 低淬透性20Cr，活塞销、小轴、活塞销、小齿轮
                • 中淬透性20CrMnTi，汽车、拖拉机的重要齿轮。
                • 高淬透性18Cr2Ni4WA，如大功率柴油机曲轴、连杆、 航空发动机的重要轴类零件
              • 热处理
                • 20Cr、20CrMnTi中、低淬透性合金渗碳钢： 正火→渗碳+淬火+低温回火
                • 18Cr2Ni4WA高淬透性合金渗碳钢（了解）： 空冷淬火+高温回火→渗碳+淬火+低温回火
              • 组织
                • 表层
                  • 高碳M回+粒状Fe3C+ Ar
                • 心部
                  • 低碳M回（+P类 + F） + Ar
            • 合金调质钢 （中碳合金钢）
              • 成分
                • ωc=0.25～0.5%，合金元素提高钢的淬透性，消除高 温回火脆性, 提高回火稳定性, 强化铁素体 。40Cr
              • 性能
                • 具有良好的综合力学性能
              • 应用
                • 承受一定冲击、较大负荷及交变应力的零件
              • 淬透性
                • 低淬透性40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴
                • 中淬透性35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆
                • 高淬透性40CrMnMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮
              • 热处理
                • 40Cr、35CrMo中、低淬透性合金调质钢： 退火→调质，可附加表面淬火+低温回火
                • 40CrMnMo高淬透性合金调质钢（了解）： 空冷淬火+高温回火→调质，可附加表面淬火+低温回火
              • 组织
                • 调质件：S回
                • 表面淬火件
                  • 表层：M回+Ar
                  • 心部：S回
              • 工程应用：DK7725车床主轴（轴颈部位要求耐磨）
                • 选材 ：40Cr
                • 工艺路线 ： 下料→锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→ 轴颈表面淬火＋低温回火→磨削→成品
                • 心部综合机械性能良好；大端轴颈等部位耐磨性高。 　性能指标 —— 硬度220～250HB，轴颈52HRC
                • 最终组织
                  • 轴颈表面：M回+Ar
                  • 心部：S回
          • 弹簧钢，滚动轴承钢
            • 合金弹簧钢
              • 成分
                • ωc=0.50～0.90 %， Si, Mn 为主要元素
              • 性能
                • σe 、σs、屈强比和疲劳抗 力高，塑性大，耐震动、冲击
              • 应用
                • 65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和 螺旋弹簧
              • 实例：载重汽车板簧弹簧
                • 选材：60Si2CrVA
                • 工艺路线： 下料→热成型 →淬火 + 中温回火→喷丸→成品
                • 组织 ：T回
            • 滚动轴承钢
              • 成分
                • ωc=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成细 小的碳化物
              • 性能
                • 高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、 淬透性好
              • 应用
                • GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥
              • 实例：单列向心球轴承外圈
                • 选材：GCr15
                • 工艺路线： 下料→锻造→球化退火→机加工→ 淬火 + 低 温回火→稳定化处理→成品
                • 组织：M回＋细碳化物＋少量Ar
        • 工程结构用钢
          • 建筑用钢
          • 专门用钢（桥梁船舶及锅炉用钢）
            • 易切削钢，如Y12Pb
          • 低合金结构钢
            • 成分
              • ωc＜0.2% ，主加元 素Mn，辅加V、Ti、 Nb。如： Q345(16Mn) Q420（15MnVN）
            • 性能
              • 强度、韧性 高，焊接、冷成形性 能好。
            • 热处理、组织
              • 热轧空冷，S＋F
      • 牌号表示方法
    • 合金工具钢
      • 量具钢
      • 刃具钢
        • 低合金刃具钢 9SiCr、CrWMn
          • 性能
            • 高硬度、高耐磨性、较好的红硬性（250℃～300℃）
          • 热处理
            • 球化退火→淬火+低温回火
          • 实例：圆板牙
            • 选材：9SiCr
            • 工艺路线： 下料→锻造→球化退火→机加工→淬火+低温回火 →磨削→成品
            • 组织：M回+Ar+碳化物
        • 高 速 钢 W 1 8 C r 4 、 W6Mo5Cr4V2
          • 性能
            • 莱氏体钢：反复锻造
            • 高碳高合金，导热性差：等温球化退火
            • 碳化物分解温度高：淬火温度高达1280℃
            • 合金元素多及二次硬化：560℃回火，三次
      • 模具钢
        • 合金冷作模具钢（高碳） Cr12、 Cr12MoV
        • 合金热作模具钢（中碳） 5 C r M n M o 、 5 C r N i M o 、 3Cr2W8V
    • 特殊性能钢
      • 不锈钢
      • 耐热钢
      • 耐磨钢
      • 电工用钢
  • 按化学成分分类
    • 按含碳量分类
      • 低碳合金钢（wc<0.25%）
      • 中碳合金钢（wc=0.25%~0.60%)
      • 高碳合金钢（wc>60%）
    • 按合金元素含量分类
      • 低合金钢（Wme<5%）
      • 中合金钢（Wme=5~10%）
      • 高合金钢（Wme>10%）
• 金属的结晶
  • 结晶概述
    • 定义
      • 物质由液体转变为晶体的过程
    • 广义
      • 物质从一种原子排列状态（晶体或者是非晶体态）过渡为另一种原子规则排列状态的转变过程
    • 实质
      • 原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程
    • 分类
      • 一次结晶
        • 把液态转变为固体晶态
      • 二次结晶
        • 把固态转变为另一种固体晶态
    • 发生
      • 一定条件的自发过程
    • 结晶充分必要条件
      • 液态金属具有一定的过冷度
        • 过冷度
          • 理论结晶温度T0和实际结晶温度Tn之差
            • 原因：结晶时会放出潜热，抵消了金属向四周散发的部分热量
          • 影响大小因素
            • 金属本性
            • 液态金属冷却速度
              • 冷却速度越大，则金属的实际结晶温度愈低，过冷度愈大
              • 液态金属冷却速度越慢越接近理论结晶温度
          • 实际过冷能力
            • 金属晶体结构简单，且含有杂质，实际过冷能力不大，常常不超过10-30摄氏度
  • 结晶过程
    • 晶核形成
      • 晶核定义
        • 当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸较大的原子集团开始变得稳定，成为结晶核心，又称为晶核
      • 结晶阶段
        • 单个晶体
          • 先形核后长大
        • 金属整体形核和长大在整个结晶阶段同时进行
      • 结晶过程中，晶核形成方式
        • 纯金属结晶示意图
          • • 
        • 自发形核（均质形核）：液体结构内部自发长出的结晶核心
          • 促进形核
            • 温度愈低，过冷度愈大，能稳定存在的短程有序原子集团的尺寸可以愈小，生成的自发晶核愈多，晶核长大速度愈大
          • 抑制形核
            • 温度过低或过冷度过大，原子扩散能力下降，晶核形成速率减小
        • • 杂质的存在常常能促进晶核在其表面形成
          • 条件
            • 杂质的晶格结构和晶格参数与金属结构相似或尺寸相当原则时，它才能成为非自发形核的基底
            • 结构和晶格参数相差甚远，但由难容杂质表面微细凹孔和裂缝中有残留未溶金属，也能强烈促进非自发形核
        • 自发形核与非自发形核同时存在，实际金属和合金中非自发形核往往起优先主导作用
    • 晶核长大
      • 合金凝固初期的枝晶形态照片
        • 
      • 长大方式：呈树枝状长大
        • 在晶核棱角处以较快生长速度形成枝晶主干，同时不断地生长新枝，直至各分支晶相互接触消融，消耗完液体为止
      • 呈树枝状长大的原因
        • 晶核棱角具有较好散热条件
        • 晶核棱角处缺陷多，易于固定转移来的原子
        • 枝晶状结构有最大的表面积，便于从液体中沉积，生长出所需的原子
      • 同形核速率影响
        • 促进
          • 温度愈低，过冷度愈大，能稳定存在的短程有序原子集团的尺寸可以愈小，生成的自发晶核愈多，晶核长大速度愈大
        • 抑制
          • 温度过低或过冷度过大，原子扩散能力下降，晶核形成速率减小
      • 纯金属的结晶冷却曲线（热分析曲线）
        • 实验方法：热分析法
        • 实验装置：热分析测试装置
        • 热分析曲线图
          • • 冷却曲线出现“平台”的原因：结晶时会放出潜热，抵消了金属向四周散发的热量而达到平衡，系统温度保持不变
    • 同素异构转变
      • δ-Fe体心立方 ——1394—— γ-Fe面心立方 ——912—— α-Fe体心立方
  • 晶粒大小及控制
    • 晶粒度
      • 表示晶粒大小的程度
      • 金属
  • 金属的结构
    • 三种常见的金属晶体结构
      • 体心立方晶格bcc
        • Cr ,W,V,Mo
        • 晶胞原子数：2
        • 致密度：0.68
      • 面心立方晶格fcc
        • Cu，Ni，Al，Ag
        • 晶胞原子数：6
        • 致密度：0.74
      • 密排六方晶格hcp
        • C（石墨），Mg，Zn
        • 晶胞原子数：6
        • 致密度：0.74
    • 金属间化合物
      • 渗碳体
      • 机械混合物
        • 珠光体
        • 高温莱氏体
        • 高温莱氏体
  • 细晶强化
    • 增大过冷度
    • 变质处理
      • 加入孕育剂或变质剂，增加非自发形核数量或者阻碍晶粒长大
    • 振动
    • 电磁搅拌
• 材料的性能
  • 分类
    • 使用性能
      • 材料为保证零件能正常工作和有一定工作寿命而应具备的性能
        • 力学性能
          • 材料抵抗载荷作用的能力
          • 静载荷包括不随时间变化的恒载（如自重）和加载变化缓慢以至可以略去惯性力作用的准静载（如锅炉压力）。（笔记：拉橡皮筋）
          • 动载荷包括短时间快速作用的冲击载荷（如空气锤）活塞、随时间作周期性变化的周期载荷（如空气压缩机曲轴）和非周期变化的随机载荷如汽车发动机曲轴）
        • 物理性能
        • 化学性能
    • 工艺性能
      • 材料为保证零件在加工工程中能顺利进行而应具备的性能
        • 锻造性能
        • 铸造性能
        • 焊接性能
        • 切削加工性能
        • 热处理工艺性能
  • 冲击韧度，疲劳强度，强度，硬度，刚度，塑性，
    • 标准实验检定
  • 静态力学性能
    • 硬度
      • 布氏硬度HB
        • 优点是测试结果较准确，缺点是压痕较大，不适合于成品检验
        • ＜650HBW（硬质合金压头）
        • 应用:退火、正火及调质钢（现在一般不使用，新标HBW）、 有色金属
      • 洛氏硬度HR
        • 优点是操作程序简便，硬度值可直接读出；压痕较小，可在工件上进行试验； 缺点是因压痕较小， 对组织比较粗大且不均匀的材料， 测得的结果不够准确
        • HRA
          • 压头类型：120°金刚石圆锥
          • 总压力：60kgf
          • 应用：硬质合金
        • HRB
          • 压头类型：直径为1.588淬火钢球
          • 总压力：100kgf
          • 应用：软钢、退火钢、有色金属HB
        • HRC
          • 压头类型：120°金刚石圆锥
          • 总压力：150kgf
          • 应用：正火、淬火及调质钢、铸铁
      • 维氏硬度HV
        • 优点是载荷小，压痕浅，适合于测量零件的表面硬化层或金属镀层，可以放大 缺点是硬度值需要通过测量压痕对角线长度后才能进行计算或查表，因此工作效率较低。
        • 应用：测量薄板、工件表面层硬度
      • 不同的硬度值之间是不能直接进行比较的，必须通过硬度换算表成为同一种硬度值后才能相互比较。
    • 工程上往往希望通过硬度实验来判断材料的其他力学性能
      • HBW和抗拉强度经验公式
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  • 动态力学性能
    • 冲击韧度α k
      • 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力。
      • 冲击韧度（韧性）α k 就是试样缺口处单位 截面积上所消耗的冲击功。
        • 公式：A k = m g H – m g h (J)
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    • 疲劳强度S
      • 表示材料经无数次交变载荷作用而不致引起断裂的最大应力值。
      • 钢材的循环次数一般取 N = 107
      • 有色金属的循环次数一般取 N = 108
      • 钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系: S = (0.45～0.55)Rm
    • 断裂韧度 K1c
      • 表示材料抵抗裂纹失稳扩展而断裂的能力。
  • 高、低温力学性能
    • 蠕变
      • 材料在高温下受一定的应力（应力可小于屈服强度）作用，随时间的延长，发生缓慢塑性变形的现象。
        • 911事件中美国世贸大厦被撞1h后倒塌
    • 应力松弛
      • 材料在高温下承受载荷，其总应变保持不变而应力随时间的延长逐渐降低的现象。
        • 高温锅炉定期对紧固件检修
    • 冷脆
      • 随着温度的下降，材料脆性增加的现象
        • 油轮装载量不到设计的一半，在-5℃断裂