导图社区 机械工程材料
机械工程材料
西安交通大学机械工程材料课本知识概述。
编辑于2020-08-19 00:05:03- 机械工程材料
- 相似推荐
- 大纲
《影响力》思维导图
安全教育的重要性
电费水费思维导图
D服务费结算
个人日常活动安排思维导图
西游记主要人物性格分析
17种头脑风暴法
材料的力学性能
如何令自己更快乐
头脑风暴法四个原则
机械工程材料
第二章 碳钢
纯铁的组织和性能
纯铁的结晶
过冷现象和过冷度
T0 > Tn
过冷度ΔT = T0 - Tn
结晶驱动力ΔF = F液 - F固
结晶过程-形核与长大
细晶强化
①增大过冷度
②变质处理或孕育处理
③振动与搅拌
纯铁的晶体结构
晶体结构的基本概念
晶体
阵点
点阵
晶面
晶向
晶格
晶胞
金属晶胞
体心立方结构（塑性变形能力最好）
2
面心立方结构（塑性变形能力最好）
4
密排六方结构（塑性变形能力较差）
6
晶体缺陷的基本概念
①点缺陷
空位 间隙原子 杂质原子； 原子扩散（退火、正火、回火、表面化学热处理）
②线缺陷（位错）
滑移（切应力）； 位错密度 ↑ 强度 ↑ （加工硬化）
③面缺陷
晶界 亚晶界； 晶粒愈细，晶界愈多； 晶界可显著提高强度 ， 晶界在高温下易氧化和流动，在腐蚀介质中易受侵蚀
纯铁的晶体结构及同素异构转变
δ-Fe γ-Fe α=Fe
同素异构转变
溶碳能力
工业纯铁的组织和性能
晶粒度---晶粒大小
细晶强化
强度、韧性 ↑
铁碳合金中的相和组织组成物
铁和碳的相互作用
①形成固溶体（F,A） （混合物）
是固体溶液，保持溶质原子的晶体结构
铁素体-最大固溶度0.0218%
奥氏体-最大固溶度2.11%
固溶强化（晶格畸变）
②形成化合物（Fe3C）
含碳量为6.69% 正交晶体结构
若在铁碳合金中以网状、粗大片状或作为基体出现时，将导致材料脆性增加；若以细小层片状或球状出现时，将起强化作用。
化合物的特点是它的晶体结构和性能都不同于其组成元素；金属化合物的性能特点为熔点强度高，且硬而脆，塑性几乎为零。
铁碳合金中的相和组织组成物
基本相
铁素体、奥氏体、渗碳体
铁碳合金中的组织组成物
α、γ、Fe3C、P（层片状的α和FeC3交替排列，有良好的综合力学性能)、Ld（以Fe3C为基体，硬而脆）
分析显微组织
①该组织组成物的类型
②组成物的数量（多或少）、大小（粗或细）、形状（片、球、网、针、等）和分布（均匀或沿晶界、相界等
决定铁碳合金组织的重要因素（因为同素异构转变以及α-Fe和γ-Fe溶碳能力有所不同）
成分
温度
冷却速度
Fe-Fe3C相图
相图的基本概念
研究在缓慢冷却即平衡条件下，铁碳合金的相与组织与温度、成分之间关系的重要工具
相图的建立
二元相图的杠杆定律
Fe-Fe3C相图分析
相图中的点、线、区
相图中的恒温转变-包晶转变、共晶转变、共析转变
第二相强化（共晶转变、共析转变）
δ + L → γ
L → γ + Fe3C
γ → α + Fe3C
典型铁碳合金的结晶过程分析
目的
得到合金在室温下的相组成物及组织组成物，从而判断合金性能
组织
是对组成合金的相的种类、数量、大小、形状、分布等特征的描述，特征相同的归为一个组织组成物。
匀晶反应
从一个液相中结晶出一个固相
工业纯铁
碳钢
共析钢
亚共析钢
过共析钢
白口铸铁
共晶白口铸铁
亚共晶白口铸铁
过共晶白口铸铁
碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响
对平衡组织的影响
对力学性能的影响
铁碳相图的实际应用
为选材提供成分依据
低碳钢（0.01~0.25%）---建筑结构和容器等
塑性、韧性好
中碳钢(0.25~0.6%)--轴等
强度、塑性、韧性都较好
高碳钢(0.6~1.3%)--工具等
硬度高、耐磨性好
白口铸铁---拔丝模、轧辊和球磨机的铁球
有很高的硬度和脆性，有很高的抗磨损能力
为制定热加工工艺提供依据
铸造
锻造（奥氏体区 1100℃左右）
焊接
热处理（A1、A2、Acm）
合金性能与相图关系
钢中长存杂质元素对钢性能的影响
SI和Mn
量少
溶于铁素体中，产生固溶强化作用，提高钢的强度和硬度
量多
Si形成SiO2，Mn形成MnS，产生夹杂物，降低钢的性能
S和P
S-“热脆”
S不溶于铁，而与铁形成熔点为1190℃的FeS。FeS常与γ-Fe形成低熔点（989℃）的共晶体，分布在奥氏体晶界上，当钢材在1000~1200℃锻造或轧制时，共晶体会熔化，使钢材变脆，沿奥氏体晶界开裂。
P-“冷脆”
P在钢中全部固溶于铁素体中，虽然有较强的固溶强化作用，但它剧烈的降低钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，使钢在低温下变脆，这种现象称为”冷脆“。
气体（H、O、N）
H-“氢脆”
O-增大钢的脆性
N-“应变时效”
”应变时效“---冷变形低碳钢在室温放置或加热一定时间后强度增加，塑性、韧性降低的现象
若钢中含有Al、V、Ti、Nb等元素时，他们可以与N形成细小弥散的氮化物，阻碍晶粒长大，以细化晶粒，提高钢的强度并减低N的应变时效作用
钢锭的组织和缺陷
脱氧程度
镇静钢锭
半镇静钢锭
沸腾钢锭（含氧量高）
镇静钢锭的组织
表层细晶粒区
柱状晶区
中心等轴晶区
镇静钢锭的缺陷
缩孔和疏松
气泡
偏析
压力加工对钢组织和性能的影响
压力加工的目的
获得规定的形状和尺寸
改变钢的组织和性能
冷加工对钢组织和性能的影响
塑性变形的方式
滑移
滑移不是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动，而是通过位错运动实现的。
孪生
纯铁和钢在塑性变形过程中的组织变化
纯铁和钢在塑性变形过程中的性能变化
加工硬化
获得粗细均匀的钢丝
在偶然超载时可防止突然断裂
不利于二次塑性变形
各向异性
有害———变形量不均匀---制耳
利用———变压器硅钢片
残留内应力
有害
使用中变形
应力腐蚀
有利
喷丸强化
滚压强化
冷变形钢在加热过程中组织和性能的变化
回复，再结晶，晶粒长大
回复
去应力退火
再结晶
再结晶退火，消除加工硬化
晶粒长大
制备单晶体
影响再结晶晶粒大小的因素
变形度
退火温度
T再 = 0.4T熔 （单位为K）
热压力加工对钢组织和性能的影响
冷热加工区别
再结晶温度
冷加工
只有加工硬化，无再结晶软化
热加工
有加工硬化，也有再结晶软化
热压力加工钢的组织和性能
有加工硬化，也有再结晶软化
热加工可以消除钢锭中的某些缺陷，如将疏松和气泡焊合，粗大柱状晶打碎，提高钢的性能。
热加工过程中钢中夹杂物会沿变形方向分布形成“流线”，使钢的力学性能呈各向异性，纵向（沿流线方向）塑性和韧性显著大于横向（垂直流线方向）
碳钢的分类、牌号及用途
分类
含量
低碳钢（≤0.25%）
中碳钢（0.3~0.6%）
高碳钢（＞0.6%）
质量（即P、S的含量）
普通碳素钢
优质碳素钢
高级优质碳素钢
用途
碳素结构钢
碳素工具钢
碳钢的牌号和用途
普通碳素结构钢
”Q+数字（最低屈服强度）“
使用状态：供应状态
优质碳素结构钢
”数字（钢中碳含量的万分数）“
使用状态：需要进行热处理
碳素工具钢
”T+数字（碳含量的千分数）“
使用状态：需要进行热处理
第三章 钢的热处理
根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同分类
普通热处理
退火
正火
淬火
回火
表面热处理
表面淬火
感应加热、火焰加热、电接触加热等
表面化学热处理
渗碳、氧化、碳氮共渗、渗其他元素等
其他热处理
控制气氛热处理
真空热处理
形变热处理
激光热处理
钢在加热时的转变
奥氏体的形成
将共析钢、亚共析钢和过共析钢分别加热到A1、A3和Acm以上时，都完全转变为单相奥氏体，通常把这种加热转变称为奥氏体化
加热的目的
获得奥氏体组织，并利用加热规范奥氏体的晶粒大小，使其成分均匀，晶粒细小。
共析钢的奥氏体化形成过程
形核
长大
残余渗碳体溶解
奥氏体成分均匀化
奥氏体形成速度
加热温度
加热速度
钢的原始组织
奥氏体的晶粒大小
起始晶粒度
给定温度下奥氏体的晶粒度
实际晶粒度
奥氏体在具体加热条件下所获得奥氏体晶粒的大小
本质晶粒度
刚在加热时奥氏体晶粒的长大倾向
奥氏体转变图（钢在冷却时的转变）
过冷奥氏体
在临界点（A1、A3、Acm）以下尚未发生转变的不稳定奥氏体
等温转变图“C曲线"
奥氏体等温转变图分析
孕育期和转变速度随等温温度而变化（“鼻温”）
转变类型随等温温度而变化
过冷奥氏体等温转变过程及产物
共析钢
珠光体转变
等温温度愈低，冷却速度愈快，P片层愈细
P
S
T
贝氏体转变
B上
B下
马氏体转变
M
γ‘（残留奥氏体）
影响过冷奥氏体等温转变的因素
含碳量
合金元素
连续冷却转变图“CCT”
珠光体转变中止线 “K”线
共析碳钢和过共析碳钢的CCT图上无贝氏体转变，而亚共析碳钢在连续冷却时在一定温度范围可以转变为贝氏体
钢的普通热处理（“四把火”）
将钢件加热至适当温度，保温一定时间后缓慢冷却（炉冷、坑冷、灰冷）的一种热处理工艺。根据目的和要求不同，又可以分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火。
作用
改善材料的切削加工性能
提高材料的力学性能，保证零件安全运行
退火
目的
①调整硬度，便于切削加工
②消除内应力，防止加工中变形
③细化晶粒，为最终热处理作组织准备
完全退火
加热温度高于Ac3的退火
等温退火
球化退火或不完全退火
加热温度在Ac1与Acm之间
去应力退火或低温退火
加热温度在Ac1以下
正火
将钢件加热至单相奥氏体区（ Ac3、Ac1 或Accm 以上），保温后出炉空冷的热处理工艺。
目的
主要是细化组织，适当提高硬度和强度
用于普通结构件作为最终热处理；
用于低、中碳钢作为预备热处理，改善切削加工性（提高硬度）
用于过共析钢消除网状渗碳体，有利于球化退火的进行（促使其变为颗粒）
退火和回火的选择
切削加工性
实用性能
经济性
淬火
将钢件加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温一定时间，然后在冷却液（水或油）中快速冷却，以获得马氏体（或下贝氏体）组织的一种热处理工艺。
目的
获得马氏体（或下贝氏体）
淬火介质
理想的淬火冷却速度（参照课本P89）
常用淬火介质
水
淬冷能力强，但工件表面有软点，易变形开裂
盐水
淬冷能力更强，工件表面光洁、无软点，但更易变形开裂
油
淬冷能力弱，但工件不易变形开裂
常用淬火方法
单液淬火
是将奥氏体化后的钢件淬入一种介质中连续冷却获得马氏体组织的一种淬火方法。
双液淬火
是先将奥氏体化后的钢件淬入冷却能力较强的介质中冷至接近MS点温度时快速转人冷却能力较弱的介质中冷却，直至完成马氏体转变。
分级淬火
是将奥氏体化后的钢件淬入稍高于MS点温度的盐浴中，保持到工件内外温度接近后取出，使其在缓慢冷却条件下发生马氏体转变。
等温淬火
是将奥氏体化后的钢件淬入高于MS点温度的盐浴中，等温保持，以获得下贝氏体组织的一种淬火工艺。
钢的淬透性
钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力，一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度
常用测定方法
临界直径法
顶端淬火法
影响淬透性的主要原因
取决于钢的奥氏体等温转变图上的临界冷却速度V临的大小
①合金元素
②钢的含碳量
如何在选材中考虑钢的淬透性
回火
钢的回火就是将淬火后的钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的热处理工艺
目的
降低淬火钢的脆性，减小或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的力学性能
组织变化
①80-200℃ 马氏体分解阶段
②200-300 ℃ 残余奥氏体转变
③250-400 ℃ 碳化物的转变
④400 ℃以上 渗碳体聚集长大和α相再结晶
回火组织：回火马氏体、回火托氏体、回火索氏体
性能
随回火温度升高 ，硬度、强度降低，而塑性、韧性升高（注意正确选择回火温度）
种类
低温回火
回火后组织为回火马氏体，主要应用于高碳钢和高碳合金钢制造的工模具和滚动轴承
中温回火
回火后组织为回火托氏体，主要用于Wc=0.5~0.7%的碳钢和合金钢制造的各类弹簧
高温回火（+淬火为调质处理）
回火后组织为回火索氏体，主要用于0.3~0.5%的碳钢和合金钢制造的各类连接和传动的结构零件，如轴、齿轮、连杆、螺栓等。
钢的表面热处理
表面淬火
火焰加热表面淬火
感应加热表面淬火（集肤效应）
高频感应加热，中小型齿轮，轴
中频感应加热，大中型齿轮，轴
工频感应加热，轧辊、轴等大型零件
激光加热表面淬火
表面化学热处理
区别与其他热处理的特点是工件表面层与心部不仅组织不同，而且成分也不同。
钢的渗碳
钢的渗氮
碳氮共渗
钢的特种热处理
真空热处理
控制气氛热处理
形变热处理
激光热处理
第十一章 零件的选材及其工艺路线
常用力学性能
刚度和弹性指标
弹性模量E或切变模量G
弹性能
硬度和强度指标
硬度 HBW，HRC
屈服强度 σs，σ0.2
抗拉强度 σb
塑性和冲击韧性指标
断后伸长率 δ
断面收缩率 ψ
冲击韧度 αk或冲击吸收功 Ak
断裂韧度在选材中的意义
断裂韧度
低应力脆断
零件实物性能试验的重要性
结构设计对性能的影响
加工工艺对性能的影响
材料强度、塑性与韧性的合理配合
选材方法
使用性能
分析零件的工作条件，确定使用性能
进行失效分析，确定主要使用性能
从零件的使用性能要求提出对材料性能的要求
工艺性能
经济性
典型零件选材及工艺路线
齿轮
轴
汽轮机叶片
第六章 有色金属及其合金
通常将铁及其合金称为黑色金属，将其他非铁金属及其化合物称为有色金属
铝与铝合金
工业纯铝
牌号
铝合金
分类
变形铝合金
不可热处理
可热处理
铸造铝合金
强化途径
冷变形（加工硬化）
变质处理（细晶强化）
热处理（时效强化）
变形铝合金
铝铜合金
铝锰合金
铝镁合金
铝锌合金
铝磷合金
铸造铝合金
Al-Si系
Al-Cu系
Al-Mg系
Al-Zn系
第五章 铸铁
铸铁的石墨化
石墨特性
三阶段
液态石墨化阶段
中间石墨化阶段
低温石墨化阶段
三种组织：（彻底）α+G，（不彻底）α+P+G，（未进行）P+G
影响因素
化学成分
铸铁中的C和Si是促进石墨化的元素，他们的含量越高，石墨化越易进行
冷却速度
冷却速度愈满，愈有利于石墨化过程的进行
各类铸铁的特点及应用
石墨化程度
灰口铸铁
第一阶段和第二阶段充分进行得到的铸铁
白口铸铁
三个阶段石墨化过程全被抑制，完全按照Fe-Fe3C相图进行转变而得到的铸铁
石墨形态
灰铸铁（片状）
可锻铸铁（团絮状，不可锻造，力学性能最好）
球墨铸铁（球状）
蠕墨铸铁（蠕虫状）
合金铸铁
高强度合金铸铁
耐热合金铸铁
耐蚀合金铸铁
耐磨合金铸铁
抗磨铸铁（磨粒磨损）
减摩铸铁（粘着磨损）
第四章 合金钢
概述
碳素钢
碳钢经热处理后具有良好的力学性能，且冶炼工艺简单、压力加工和机械加工性能好，价格低廉；但存在淬透性低、回火抗力低、强度不够高和不具备特殊性能
主要由Fe、C元素组成，含其他杂质元素如Si、Mn、S、P、N等
碳含量
低碳钢：0.0218-0.25%
中碳钢：0.25-0.6%
高碳钢：0.6-2.11%
质量（S、P含量）
普通碳素钢
优质碳素钢
高级优质碳素钢
用途
碳素结构钢
优质碳素结构钢
碳素工具钢
合金钢
在碳素钢的基础上有目的地添加了其它合金元素，如Mn、Si、Ni、V等
用途
合金结构钢
工程用钢
机器用钢
合金工具钢
刃具钢
模具钢
量具钢
特殊性能钢
不锈钢
耐热钢
耐磨钢
含量
低合金钢 钢中合金元素总的质量分数≤5％
中合金钢 钢中合金元素总的质量分数5％～10％
高合金钢 钢中合金元素总的质量分数≥10％
平衡状态或退火组织
亚共析钢
共析钢
过共析钢
莱氏体钢
钢中主要元素
Mn钢
Cr钢
Ni钢
合金元素在钢中的作用
改善钢的热处理工艺性能
细化奥氏体晶粒
提高淬透性（除Co）
提高回火抗力（耐回火性），产生二次硬化，防止第二类回火脆性
提高钢的使用性能
合金元素使钢得到强化
固溶强化
第二相强化
细晶强化
合金元素使钢获得特殊性能
形成稳定的单相组织
形成致密氧化膜和金属间化合物
合金钢的牌号
合金结构钢
合金工具钢
特殊性能钢
第一章 机械零件的失效分析
过量变形失效
力学性能
静载荷
刚度和强度
弹性和塑性
硬度
布氏硬度(HBW)
洛氏硬度(HRC)
维氏硬度(HV)
动载荷
冲击韧度
疲劳强度
过量弹性变形失效 Δl或θ
过量塑性变形失效
微量塑性伸长率（ σp，σe，σs）
断后伸长率
断裂
韧断
脆断
疲劳断裂
无裂纹零件
疲劳极限 σr
过载持久值
疲劳缺口敏感度 q
带裂纹零件
疲劳裂纹扩展速率 da/dN
疲劳裂纹扩展门槛值 ΔKth
磨损
粘着磨损（咬合磨损）
磨粒磨损
腐蚀磨损
氧化磨损
唯一被允许
微动磨损
麻点磨损（接触疲劳）
裂纹源于表层的麻点剥落
裂纹源于次表层的麻点剥落
硬化层剥落
腐蚀
化学腐蚀
高温氧化腐蚀
电化学腐蚀
腐蚀倾向
局部腐蚀
电偶腐蚀
小孔腐蚀
缝隙腐蚀
晶界腐蚀
应力腐蚀
高温下的蠕变变形和断裂失效
蠕变极限
在高温长期载荷作用下对塑性变形的抗力
持久强度
在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力
常出问答题，答案见书中例子
问答题
具体内容参考教材
切应力
四种强化金属的手段
纯金属或固溶体中加入硬脆的第二相（如FeC3）后，其强度和硬度升高的现象。
与纯金属比，固溶体的硬度、强度升高，而塑性韧性下降，原因是晶格畸变。
通过细化晶粒而使材料强度提高的方法
金属材料经冷塑性变形后，随变形度增加，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象
高温或腐蚀介质中，材料益为粗晶粒
韧性
冲击韧性
冲击吸收功 Ak
冲击韧度 ak
韧脆转变温度 Tk
断裂韧性
断裂韧度 KⅠc
裂纹尖端应力场强度因子KⅠ
零件裂纹半长度 a
零件中允许存在的裂纹最大尺寸 2a(c)
零件工作应力σ
零件最大承载能力
KⅠ = Yσa^(1/2)
同时异构转变
参考课本