贵州大学机械工程材料及其成型技术基础复习资料(共14页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上工程材料及成形技术基础课复习资料第1章 零部件对材料性能的要求 零件在工作条件下所受力学负荷、热负荷和环境介质的作用。 力学负荷分静载荷（拉、压、弯、扭等）和动载荷（交变载荷与冲击载荷）。力学负荷使零件产生变形或断裂；热负荷使零件产生热应力，交变热应力引起材料的热疲劳，温度升高材料的强度硬度下降、塑性韧性升高，高温使材料产生氧化，温度超过0.3Tm时产生高温蠕变；环境介质使金属产生腐蚀和摩擦磨损、使高分子材料产生老化。 在弹性变形范围内，LPL0/EA0，E或A0L，即提高材料的弹性模量E或增加零件的横截面积A0均能减少弹性变形。E主要取决于材料的本性，与显微组织关系

2、较小，加工处理对它的影响很小。 强度材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。强度是应力值（MPa），应力极限。强度与组织的关系密切，用于零件的设计计算。 常用的强度指标有屈服强度s（适用于塑性好材料）、条件屈服强度0.2（适用于塑性差的材料）、抗拉强度b等。 比刚度（比模量）E/；比强度b/。比刚度、比强度大的材料能减轻零件的重量。屈强比s/b,表征材料强度的利用程度和工作的安全程度，屈强比高材料强度利用程度高但工作安全程度低。 塑性材料在外力作用下产生永久变形而不断裂的能力。指标有延伸率（5）、断面收缩率。同一材料的5值大于值（5），因颈缩而能较真实地反映材料的塑性好坏。塑性指标不能直接用于设

3、计计算，塑性能降低应力集中，有利于压力加工，提高零件使用的可靠性。 冲击韧性在一定温度下材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力（K），强度和塑性的综合指标。冲击韧性对材料的夹杂物等缺陷及晶粒大小十分敏感。一般把冲击韧性值低的材料称为脆性材料，冲击韧性值高的材料称为韧性材料。冲击韧性值随温度的降低而降低。冷脆或韧脆转变温度Tk冲击韧性值急剧下降时的温度。冲击韧性值不能直接用于零件的设计计算。 硬度材料表面局部抵抗塑性变形或破裂的能力，是反映材料软硬程度的指标，是一种综合性指标。生产中常用的有洛氏硬度（HR）和布氏硬度（HB）。硬度试验简单方便且非破坏性，用于零件的设计和检验。硬度与材料的强度、塑性、

4、韧性有关，对耐磨性和切削加工性有直接关系。 从定义出发，强度高硬度高，塑性韧性就低。提高塑性韧性就要降低强度硬度。硬度对组织不敏感。 疲劳强度当应力低于一定值时，试样在交变应力作用下经无限周期循环而不破坏的应力值（1）。 工程材料的分类分金属材料、有机高分子材料、陶瓷材料和复合材料。 各类材料特征 金属材料（金属键）的特征：良好的导电性、导热性、塑性、金属光泽、正的电阻温度系数。 有机高分子材料（主链间强共价键及大分子链间弱分子键）的特征：密度小，强度低（比强度高），E低，弹性较高，电绝缘性好，优良的减摩、耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀性能，优良的透光性和隔热、隔音性，可加工性好。但不耐热（3

5、00），可燃，易老化。 陶瓷材料（强离子键或共价键化合物）的特征：熔点高、硬度高、化学稳定性高，极高的弹性模量，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、绝缘、热膨胀系数小等优点。部分陶瓷具有特殊功能，作压电材料、磁性材料、生物陶瓷等功能材料。但抗压不抗拉、脆性大、不易加工成形。 复合材料的特征：性能优于组成材料，成分、性能可人为调整设计，材料合成与产品成形大多一次完成。 第2章 材料的内部结构、组织与性能 固态物质的晶体与非晶体：晶体具有固定熔点和各向异性（单晶体）；非晶体无固定熔点和各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化。 金属的三种晶体结构：体心立方晶格，大多具有较高的熔点、硬度及强度，塑性、

6、韧性较低并具有冷脆性。面心立方晶格，大多具有较高的韧性并且无冷脆性。密排六方晶格，大多无冷脆性，但机械性能不突出。 晶体缺陷： 点缺陷空位、间隙原子和置换原子，破坏晶格的规则性，引起晶格发生畸变，导致金属的强度、硬度、电阻等增加，塑性下降，是内部原子扩散和固溶强化的主要原因。 线缺陷位错，金属在退火态时强度硬度最低，塑性高，在此基础上增加或减少位错密度，均使强度升高，位错密度升高是导致加工硬化的主要原因。 面缺陷晶界和亚晶界，晶粒越细，晶界数量越多，晶界对塑性变形的抗力越大，晶粒的变形越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。在常温下晶粒越细力学性能越好，在高温下晶界稳定性差而晶粒越细高温性

7、能越差。晶界增加是细晶强化的主要原因，位错密度增加亚晶细化是加工硬化的主要原因。 合金的相结构固溶体和金属化合物。合金、组元、相、组织的概念。固溶体分间隙固溶体和置换固溶体，保持溶剂的晶体结构，间隙固溶体由过渡族金属元素与原子半径很小的非金属元素（H、B、C、N、O等）组成，为有限固溶体；置换固溶体可形成有限固溶体和无限固溶体。固溶强化溶质原子溶入引起晶格畸变，使强度、硬度提高、塑性、韧性降低的现象。固溶体是合金的基本组成相（基体相），可单独使用。金属化合物（有金属键结合，具有金属特性）分正常价化合物、电子化合物（前两种仅出现在有色金属中）、间隙化合物。金属化合物一般具有很高的熔点、高的硬度和

8、较大的脆性，不能单独使用（强化相）。在固溶体基体上弥散分布适当的金属化合物，可提高材料的强度、硬度和耐磨性，即弥散强化（或沉淀强化）。机械混合物由固溶体或金属化合物混合在一起形成的多相固体组织，性能介于组成相之间（与组元种类、数量、形态、大小和分布有关）。 有机高分子材料的结构 单体、链节、聚合度、聚合反应。单个大分子链的形状分线型分子结构、支链型分子结构和体型分子结构。线型高分子的聚集状态分晶态、部分晶态和非晶态，体型聚合物只能为非晶态（玻璃态）。 陶瓷材料的结构 组成相有晶体相、玻璃相和气相，晶体相常为硅酸盐、氧化物和非氧化物，主要决定陶瓷的性能；玻璃相的主要作用是起粘结作用、填充孔隙作用

9、和降低烧结温度；气相（气孔）越少越好，一般为5%10%，特种陶瓷5%。大多数氧化物结构氧离子排列成简单立方、面心立方和密排六方的晶体结构，正离子位于其间隙中。硅酸盐结构以硅氧四面体（共价键）为基本结构单元组成。 纯金属结晶是在恒温下进行的，结晶必须过冷（低于理论结晶温度T0），过冷度TT0T1，冷却速度越快，过冷度越大。结晶的基本规律为形核和核长大，一个晶核长大成一个晶粒。结晶的速度取决于形核率和晶体长大速度，过冷度增加形核率和晶体长大速度增加。形核分自发形核和非自发形核（异质形核），非自发形核所需过冷度比自发形核小得多，晶体的长大方式主要是枝晶长大。 金属的同素异构（或异晶）转变金属在固态下

10、由一种晶格转变成另一种晶格。纯铁的同素异构转变为Fe（体心立方）Fe（面心立方）Fe（体心立方）。具有同素异构转变和溶解度显著变化是进行热处理强化的先决条件。 二元合金相图有匀晶相图、共晶相图、包晶相图、共析相图等。二元合金相图的一般分析方法： 特性点（成分、温度、意义），熔点 共晶点 共析点 包晶点 同素异构转变点 溶解度点 特性线（起点、终点），液相线 固相线 共晶线 共析线 包晶线 溶解度曲线 金属化合物垂线 相区 单相区 a液相区 b固溶体区 c纯组元或化合物垂线 两相区 两个单相区之间必夹一个由这两个单相组成的两相区 三相（区）等温线 a共晶线 b共析线 c包晶线 典型成分结晶过程分

11、析 铁碳合金相图与铁碳合金 组成相：固溶体 铁素体碳溶在体心立方晶格-Fe中的间隙固溶体，用符号“F”或“”表示。室温下溶碳量为0.0008%，727溶碳量为0.0218。碳溶在体心立方晶格-Fe中的间隙固溶体称为高温铁素体。铁素体的强度硬度较低，塑性韧性较好。 奥氏体碳溶在面心立方晶格-Fe中的间隙固溶体，用符号“A”或“”表示。1148时溶碳量最高为2.11%。韧性极好。化合物 渗碳体铁和碳的复杂晶格间隙化合物，用“Fe3C”表示。硬度高，脆性大，强度塑性韧性均很低，是强化相。分共晶渗碳体、共析渗碳体、Fe3C、Fe3C、Fe3C五种渗碳体。 铁碳合金分类组织： 工业纯铁 c0.0218,

12、室温组织为FFe3C； 钢 亚共析钢 0.0218%c0.77%，FP； 共析钢 c0.77%，P； 过共析钢 0.77%c2.11%，PFe3C。 白口铸铁 亚共晶铸铁c4.3%,Le；过共晶白口铸铁4.3%c6.69%，LeFe3C。 含碳量与钢的相、组织、性能之间的关系：c，铁素体相，渗碳体相；组织FPPPFe3C；硬度（与渗碳体相数量多少有关，数量增加硬度增加），塑性、韧性（与铁素体相数量多少有关，数量增加而增加），强度对组织敏感，当组织均匀分布时随c而强度，当过共析钢中形成网状二次渗碳体时强度。（见图2.39）第三章 改变材料性能的主要途径 金属的热处理强化 钢的热处理工艺将钢在固态

13、下通过加热、保温和冷却，改变其组织性能的一种工艺。 热处理的特点：不改变工件的尺寸和形状，仅改变组织性能。 热处理分类 分普通（整体）热处理（退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（表面淬火，仅改变表层组织性能，不改变化学成分）和表面化学热处理（改变表层的成分而改变组织性能），按热处理的作用分预先热处理（改善工艺性能）和最终热处理（保证使用性能）。 钢加热的目的：获得细小均匀的奥氏体晶粒（只有奥氏体才能向低温的其它组织F、P、B、M等转变，细小均匀保证转变后的组织细小，性能好且变形小）。 保温的目的是：整体热处理，使其达到工件整体加热到所需温度； 表面化学热处理，使原子扩散达到所要求的浓度和深度

14、。 钢的冷却分等温组织转变冷却和连续组织转变冷却。等温冷却可得到组织类型单一、尺寸均匀的组织；连续转变则可能得到组织尺寸大小不均、组织类型多样的（高温和低温转变组织）混合组织。 高温转变（A1550鼻部）珠光体型转变（P、S、T，无本质区别，仅是片间距不同），扩散型转变（铁、碳原子均能扩散）。珠光体P在A1650，索氏体S在650600，屈氏体T在600550形成。P、S、T均为片层状结构，随转变温度降低，转变产物的片间距减小，硬度、强度、塑性、韧性均增加。 中温转变（鼻部Ms）贝氏体型转变（B上、B下），半扩散型转变（铁原子不能扩散，只有碳原子扩散）。贝氏体 过饱和铁素体和渗碳体的非片层状混

15、合物。B上在550350形成，由稍过饱和铁素体板条和条间小片状Fe3C组成，羽毛状特征，性能脆性大无实用价值；B下在350Ms（240）形成，由呈一定角度的更过饱和的针片状铁素体与其内部超细小碳化物片粒组成，针状特征，强韧性好。 低温转变（MsMf）马氏体型转变（Ms、A），非扩散型转变（铁、碳原子均不能扩散），保持奥氏体成分。马氏体M碳在-Fe中的过饱和固溶体，体心正方晶格，正方度c/a1,马氏体含碳量越高正方度越大，硬度越高。马氏体形态有板条马氏体（c0.20,低碳马氏体或位错马氏体，强韧性高）和针状马氏体（c1.0%,高碳马氏体或孪晶马氏体，硬而脆）。残余奥氏体A马氏体转变后还没有转变的

16、奥氏体。马氏体转变具有不完全性，不能100%转变，奥氏体的含碳量越高，则A数量越多。合金元素对钢的硬度影响不大，但使强度升高。奥氏体转变成马氏体，体积要膨胀，产生巨大的相变应力。 影响C曲线的因素：含碳量（ 碳钢）：共析钢的C曲线形状最简单，最靠右、亚共析钢在高温转变区多一条AF线，随cC曲线向右下移动；过共析钢在高温转变区多一条AFe3C线，随cC曲线向左上移动。合金元素（ 合金钢）：溶入奥氏体的合金元素使C曲线改变位置，阻碍铁碳扩散，C曲线右移；改变形状，使P区与B区分开。 加热温度与保温时间：提高加热温度或延长保温时间，提高奥氏体稳定性，C曲线右移。 未溶碳化物：促进过冷奥氏体分解降低稳

17、定性，C曲线左移。 过冷奥氏体连续冷却转变曲线（图3.9）： 过冷度与等温转变相同，组织性能相同； 共析钢连续转变曲线没有中温转变，即转变组织得不到贝氏体，多一条KK转变中止线；临界冷却速度VK（上临界冷却速度）与C曲线开始转变线鼻部相切的冷却速度，是获得全部马氏体组织的最小冷却速度。Vk（下临界冷却速度）与C曲线转变终了线鼻部相切的冷却速度，是获得全部珠光体型组织的最大冷却速度。当V冷VK时，转变产物为全部珠光体型组织（P、S、T）；V冷VK时，转变产物为MA；V冷在VKVK之间时，转变产物为TMA，即转变产物可以是高温转变产物和低温转变产物的混合组织，且粗细不均。 有些合金钢连续冷却可以得

18、到贝氏体，组织更复杂，可能为高、中、低温转变的混合组织TBMA，如图3.8（b）；或中、低温转变的混合组织BMA，如图3.8（c）。 钢的普通(整体)热处理： 退火将钢加热到适当的温度保温，然后缓慢冷却（常为随炉冷却），获得接近于平衡状态组织的热处理工艺。分 完全退火，加热温度为Ac3（2050），即830880，保温25h后炉冷。退火组织为铁素体和珠光体，主要用于亚共析（c0.30.6%）结构钢，细化晶粒提高力学性能，降低硬度方便切削加工和消除应力。 球化退火，加热温度为Ac1（1030），短时保温后缓冷或在Ar1（2030）等温使渗碳体球化。退火组织为球状珠光体（在铁素体基体上分布着细小均

19、匀的球状渗碳体），主要适用于共析钢、过共析钢，降低硬度，提高塑性韧性，改善切削加工性能，为淬火作组织准备，减小最终热处理时的变形开裂倾向。 扩散退火，加热温度为Ac3（125150），即常为10501150，保温1015h后炉冷。其后需进行一次完全退火或正火来细化晶粒。扩散退火使成分均匀化。 再结晶退火，加热温度A1为T再（150250），钢为600700，保温14h后炉冷至550出炉空冷。消除冷变形加工时产生的加工硬化，恢复塑性。 去应力退火，加热温度A1为500600，保温后炉冷至200出炉空冷。消除残余应力。 正火将钢加热到Ac3（3050）（亚共析钢）或Accm（3050）（过共析钢）

20、，完全奥氏体化后出炉空冷的热处理工艺。退火、正火均为高温转变，正火冷却快而组织比退火细，且先析相（F或Fe3C）的数量显著减少，强韧性更高，工艺操作方便经济。当c0.60%时，正火组织为FS，且F量比退火后的量少；c0.601.40%时，正火组织为S，无先析相，称伪共析组织。细化晶粒，提高硬度，消除网状二次渗碳体，改善切削加工性能。 淬火将钢加热到相变温度以上保温奥氏体化后，以VK的冷却速度冷却，获得马氏体（低温转变）或贝氏体（中温转变）组织的热处理工艺。淬火使钢达到较高硬度的状态。 淬火原则：一淬硬；二淬透；三在保证淬硬条件下保证变形开裂倾向小。淬透性在规定条件下获得淬硬层深度的能力。它是一

21、种固有属性，主要与钢中合金元素有关。C曲线越向右则淬透性越好。临界直接（D0）在某种介质中淬火心部刚好获得50%马氏体组织时的直径。在同种介质中D0大则淬透性好。淬硬层深度工件在具体淬火条件下从表面内层刚好为50%马氏体处的深度。与钢的淬透性、加热温度、淬火介质、零件尺寸等有关。淬硬性钢在正常淬火条件下，以超过临界冷却速度冷却形成马氏体组织所能达到的最高硬度。硬度值越高则淬硬性越好，主要取决于马氏体的含碳量，即马氏体的含碳量越高，淬硬性越好。 淬火工艺：淬火加热温度：亚共析钢 Ac3（3050），淬火组织M(A)；过共析钢（共析钢）Ac1（3050），组织M粒状碳化物A。淬火介质：冷却速度由快

22、到慢为 盐碱水水碱浴、盐浴油空气。水价廉且冷却能力强，淬火易变形开裂，用于形状简单的碳钢件；油冷却能力弱用于合金钢或尺寸较小的碳钢件；盐浴、碱浴冷却能力介于水、油之间，常用于形状复杂、尺寸较小、变形要求小的工件的分级淬火和等温淬火；空气冷却能力很弱用于淬透性很高的高合金钢。淬火方法：单介质淬火：方法操作简单但变形较大。碳钢一般用水淬，合金钢或尺寸为310mm的碳钢件用油淬；双介质淬火：先水冷后油冷，先水冷后空冷，即先快冷后缓冷，可减小变形但不易操作；分级淬火：奥氏体化后淬入稍高于Ms点的液体介质（盐浴或碱浴）中保温后空冷，能有效地减少应力，用于尺寸不大的零件；等温淬火：在250400盐浴中等温

23、转变获得下贝氏体后空冷，适用于形状复杂、要求变形小或韧性高的合金钢零件。 回火将淬火后的钢重新加热到A1以下的某一温度保温后冷却（通常空冷）的热处理工艺。回火的目的：减少或消除淬火应力；稳定组织；获得所需的性能。回火组织：随回火温度升高，发生马氏体分解、残余奥氏体分解、碳化物转变为细粒状的Fe3C、Fe3C的聚集长大和相再结晶四个重叠过程的变化，合金元素阻碍铁、碳原子扩散使各阶段移向更高的温度。回火马氏体（M回）马氏体和弥散析出并与其共格的Fe2.4C（相）薄片的混合组织。回火屈氏体（T回）保持马氏体形态的铁素体之间分布细粒状Fe3C的混合组织。回火索氏体（S回）多边形铁素体基体上分布着细球状

24、Fe3C的混合组织。回火后的性能变化：随回火温度升高，马氏体的过饱和程度降低，淬火应力逐渐消除，一般规律强度、硬度下降，塑性、韧性升高。例外为二次硬化和回火脆性。回火的种类与应用：见表3-2。 表3-2 回火分类类 别回火温度/组织和硬度/HRC回火目的应用举例低温回火150250M回，5864保持高硬度高耐磨性，消除应力，降低脆性刃具、冷作模具、量具、渗碳件、表面淬火件、滚动轴承中温回火350500T回，3550获得高的s和e弹簧、模锻锤杆、热作模具高温回火500650S回，2535获得高的综合机械性能连杆、轴等重要结构件 低温回火脆性（第一类回火脆性，不可逆性）250350（碳钢，合金钢温

25、度范围宽一些），几乎所有钢都存在，回火冷却速度无影响。产生的主要原因是该温度范围内碳化物薄片沿马氏体的界面析出，破坏了马氏体间的连接，降低了韧性。出现后在高一些温度回火脆性消除，再在脆性区回火脆性不会重新出现，即不可逆性。不在该温度范围内回火。 高温回火脆性（第二类回火脆性，可逆性）某些含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的合金钢在450600长期保温或回火缓冷出现回火脆性。出现回火脆性后重新在该温度范围回火快冷，回火脆性消失，再在该温度加热缓冷回火脆性又出现，即具可逆性。产生原因一般认为是P、Sb、Sn、As等杂质元素或碳化物、氮化物和磷化物等化合物沿原奥氏体晶界上偏聚析出有关。成分是最根本原

26、因，解决办法中、小截面件快冷；大截面件采用含Mo、W的合金钢。 调质处理淬火高温回火，获得S回，综合力学性能好。回火次数：一般一次，某些高合金钢（如高速钢）23次；使残余奥氏体充分转变；低碳钢淬火或高频表面淬火可冷却到200300后空冷“自回火”。 钢的表面淬火与化学热处理 （承受冲击且要求表面耐磨，即“表硬心韧”） 表面淬火通过对钢铁件表面快速加热奥氏体化，迅速冷却使表面获得淬火组织而心部保持率分 高频（200300KHZ），淬硬层深度0.52.0mm；超音频（3060KHZ）,淬硬层深度2.53.5mm； 中频（28KHZ），淬硬层深度210mm；工频（HZ），淬硬层1015mm。淬火介质

27、以水为主。化学热处理将工件放在活性介质中加热、保温使表层渗入元素，以改变其表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。因改变表层化学成分对提高表层性能更有效。化学热处理由活性原子分解、活性原子吸附和扩散三个基本过程组成。渗碳将钢件在渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。提高表层硬度、耐磨性、疲劳强度。渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢；渗碳方法：气体渗碳；渗碳工艺：渗碳温度：900950；渗层浓度：c0.851.05%；渗层深度：0.52mm，载荷小时浅些，保温时间长层深；渗碳热处理：直接淬火低温回火（160180），一次淬火低温回火，二次淬火低温回火。组织性能：表层：细片状M回碳化物A

28、，5864HRC，心部：与淬透性有关，未淬透，FP，1015HRC，淬透，回火低碳MF，3545HRC。渗氮（氮化）在渗氮介质中加热保温，渗入氮原子的热处理工艺。提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性。氮化用钢：含Cr、Mo、Al等强烈形成氮化物元素的中碳合金钢；氮化前热处理：调质；渗氮工艺：气体渗氮，渗氮温度，500600，渗氮时间，2050h，氮化层厚度0.20.5mm；氮化层组织性能：由表到内，（以Fe2N、Fe3N为基的固溶体），极硬而脆，耐蚀性良好，10001100HV（以Fe4N为基的固溶体），硬度很高（氮在-Fe中的间隙固溶体，即含氮铁素体）S回。氮化后不需热处理直接使用。 金

29、属的合金化改性加入合金元素改善钢的性能，形成合金钢。合金元素与铁形成固溶体，产生固溶强化；与碳形成化合物，产生弥散强化或第二相强化，细化晶粒；溶入奥氏体提高淬透性；提高热稳定性；提高耐热性、耐蚀性；面心立方晶格元素使奥氏体区扩大，在室温下得到奥氏体，得到奥氏体钢；体心立方晶格元素使奥氏体区缩小，在室温下得到单相铁素体，得到铁素体钢；合金元素使S点左移，相同含碳量的合金钢比碳钢的珠光体数量多而强化；E点左移，会使原属于过共析钢成分的合金中具有莱氏体组织，成为莱氏体钢。 金属的形变强化：（单晶体）金属的塑性变形（永久变形）基本形式有滑移和孪生。只有切应力才能使单晶体发生塑性变形。滑移在切应力作用下

30、，晶面（滑移面：原子排列最最密的晶面）两侧的两部分晶体发生了相对滑动，是金属塑性变形的主要方式。滑移距离为原子间距的整数倍，滑移是位错运动的结果。孪生（晶）在切应力作用下，晶体的两部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（孪生方向）产生的剪切变形，两部分沿孪晶面呈共格镜面对称关系。位移距离为原子间距的1213倍。多晶体的塑性变形：晶粒方位和晶界的影响 晶界处原子排列紊乱，杂质原子多，位错在该处滑移时阻力较大，即塑性变形抗力高；不同晶粒位向不同阻碍滑移。多晶体塑性变形的特点：在外拉力作用下，与外力呈45方向上切应力最大，最先发生滑移，带动周围晶粒转动，使滑移在不同晶粒内进行，即各晶粒塑性变形具有不同时性

31、和不均匀性。细晶强化用细化晶粒提高强度的方法。晶粒越细，晶界面积越大，塑性变形抗力（即强度、硬度）越高；晶粒越细，晶粒数目越多，变形分散在更多晶粒内进行，变形均匀，减少应力集中，塑性、韧性也好。 冷塑性变形组织与性能 面心立方晶格金属最易塑性变形，塑性最好，体心立方晶格次之，密排六方晶格塑性最差。冷塑性变形时金属的组织结构变化：形成纤维组织（晶粒显著伸长成为细条状）；亚结构细化；择优取向（变形量70，晶粒取向接近一致）。性能变化：加工硬化（形变强化）随变形程度增加，强度、硬度上升，塑性、韧性下降；产生残余应力；各向异性。 冷塑性变形金属在加热时组织与性能的变化 回复加热温度较低时，原子短距离扩

32、散使晶体缺陷减少，晶格畸变大部分消除，残余应力基本消除，组织结构和力学性能无明显变化。去应力退火消除应力，保留加工硬化。再结晶加热温度更高时，通过无畸变形核、长大转变为无畸变的等轴晶粒过程。晶粒恢复到冷塑性变形前的状态，无晶格类型变化，加工硬化消除。再结晶温度T再发生再结晶的最低温度，与金属的熔点、成分、预先变形程度等有关，纯金属T再0.4T熔（K）。影响再结晶后晶粒度的主要因素 加热温度或保温时间晶粒粗大；变形程度：变形度很小不发生再结晶；临界变形度（210），再结晶后晶粒特别粗大；超过临界变形度后随变形量增加，晶粒越来越细；变形量95时再结晶晶粒又会很粗大。 金属的热变形 热变形（热加工）

33、T再，不产生加工硬化，高温塑性好，变形抗力低，可用较小的能量获得较大的变形量，但易氧化，表面粗糙度和尺寸精度较低，主要用于截面尺寸较大、变形度较大、室温下材料硬度高、脆性较大的金属制品或毛坯加工；冷变形（冷加工）T再，产生加工硬化，主要用于截面尺寸较小、对尺寸精度和表面粗糙度要求较高或需要加工硬化的金属制品或零件进行变形加工。热塑性变形对金属组织和性能的影响 改善铸态组织（气孔和疏松焊合，偏析部分消除，粗晶破碎细化，夹杂物、碳化物的形态、大小与分布得到改善），提高了材料的致密度和力学性能，塑性韧性明显提高。受力复杂、载荷较大的工件大都热加工制作毛坯。形成热变形纤维组织（流线），力学性能各向异性

34、，工作时流线应与工件所受到的最大拉应力的方向一致，或与剪应力或冲击方向垂直。模锻齿轮、曲轴、局部镦粗螺栓都比切削加工好。热处理不能消除流线分布，只能用改变锻造方向消除。形成带状组织。 液态金属结晶时细化晶粒的措施：晶粒度与性能的关系 在常温下，金属的晶粒越细，强度硬度越高，塑性韧性越好；高温下，晶粒越细，性能越差。细化晶粒措施，晶粒度大小与结晶时的形核率N和长大速度G有关。 V冷TN、GNGZ（晶粒数目），晶粒细。T；加入形核剂（人工晶核）；机械方法。 21.高分子材料的改性 化学改性，用化学反应方法改变高聚物的化学组成与结构，分子链或链段间有化学键，分接枝共聚、嵌段共聚和辐射交联等。物理改性

35、，机械混合无化学键。 22.陶瓷材料的增韧 微晶、高密度、高纯度；消除表面缺陷；在表面引入压应力；细化晶粒；纤维（晶须）增韧、第二相粒子增韧；相变增韧等。 第四章 常用金属材料 金属材料分黑色金属材料（主要指钢铁）和有色金属材料（非铁合金）。钢的分类：按化学成分分非合金钢（碳钢）、低合金钢和合金钢；按含碳量分低碳钢（c0.25）、中碳钢（c0.250.60）、高碳钢（c0.60）；按合金元素含量分低合金钢（Me5）、中合金钢（Me510）、高合金钢（Me10）；按冶金质量（S、P含量）分普通钢（s0.050、p0.045）、优质钢（s、p0.040）、高级优质钢（s0.030、p0.035）；

36、按用途分结构钢（主要用于工程构件和机器零件）、工具钢（主要用于刃具、模具、量具，一般为高碳钢）、特殊性能钢（特殊物理、化学性能，一般为高合金钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等）。碳钢只有结构钢和工具钢。 钢的牌号 由化学元素符号（所含合金元素种类）、汉语拼音字母（名称、用途、冶炼方法等）、数字（含碳量、合金元素含量、性能参数或代号）三部分组成。 结构钢分（普通）碳素结构钢、（普通）低合金高强度钢、优质碳素结构钢、（优质或高级优质）合金结构钢。 碳素结构钢，易冶炼，成本低，性能能满足一般工程构件要求，是目前产量最大，使用最多的一类钢。常用钢号Q235，热轧态供货，一般不热处理直接使用。低合金高强度钢

37、，在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素，强度较高，塑性、加工性好。优质碳素结构钢，钢号数字为五的倍数，分正常含锰量和较高含锰量两组。碳的质量分数越低，强度、硬度越低，塑性、韧性越高，锰的质量分数高，强度、硬度也高。0825钢为低碳钢，塑性好，主要用于冲压件、焊接件、渗碳件；3060钢为中碳钢，综合性能好，调质使用，常用钢号45。65、70钢为高碳钢，弹簧钢，常用钢号65Mn。合金结构钢，在优质碳素结构钢的基础上加入合金元素，提高淬透性，提高强韧性。合金渗碳钢，低碳钢，渗碳后使用，c0.100.25，按淬透性分低淬透性（D0水2035mm），常用钢号20Cr；中淬透性（D0油2560mm），常用

38、钢号20CrMnTi；高淬透性（D0油100mm），常用钢号20Cr2Ni4。合金调质钢，中碳钢，调质使用，c0.250.50，按淬透性分低淬透性（D0油2040mm）,常用钢号40Cr；中淬透性（D0油4060mm），常用钢号40CrNi；高淬透性（D0油60100mm），常用钢号40CrNiMoA 、 38CrMoAlA（渗氮钢）；合金弹簧钢，高碳钢和中碳或高碳合金钢，淬火中温回火使用，c0.450.70，常用钢号60Si2Mn。 工具钢分刃具钢、模具钢、量具钢。刃具钢，要求高硬度、高耐磨性、高热（红）硬性，一定的强韧性。高碳钢和高碳合金钢，分碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢。碳素工具钢，

39、c0.651.35，高碳钢，分优质钢和高级优质钢。预先热处理为球化退火，淬火（760820）低温回火（200），组织M回碳化物A，硬度差别不大。但含碳量低的韧性好，含碳量高的耐磨性好，即T7钢韧性好，T13钢耐磨性好。低合金刃具钢，在碳素工具钢的基础上加入合金元素，提高淬透性、回火稳定性、硬度、耐磨性、热硬性等。热处理为淬火低温回火，组织M回合金碳化物A，工作温度300。常用钢号9SiCr、9Mn2V、CrWMn。高速钢，高碳高合金钢，莱氏体钢，c0.71.6，很高耐磨性和很高热硬性（达600），W、Mo主要提高热硬性，Cr主要提高淬透性，V主要提高耐磨性。含V量越高，耐磨性越高；韧性：钼系和

40、钨钼系钨系高钴系，含钴高速钢的高温硬度最高。常用钢号W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。模具钢，分冷模钢、热模钢。冷模钢（冷冲模、冷挤模等），要求高强度、高硬度、高耐磨性、较高的淬透性和一定的韧性，为高碳钢和高碳合金钢，常用的冷冷作模具钢有碳素工具钢和合金工具钢（低合金工具钢、高碳高铬Cr12型钢、高碳中铬钢、基体钢），一般淬火低温回火使用。热作模具钢（热锻模、压铸模等），要求较高的强度、良好的塑性和韧性、较高的热硬性和高的热疲劳抗力。热作模具钢为中碳合金钢，c0.30.6，淬火中温回火或高温回火使用。常用钢号5CrNiMo、3Cr2W8V。量具钢（测量工具），要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸

41、稳定性。无特别的钢种，多用高碳钢和高碳合金钢，淬火低温回火使用，对高尺寸稳定性，可在淬火后回火前进行冷处理、精磨后时效处理。滚动轴承钢，制造各类滚动轴承内圈、外圈和滚动体的专用钢。要求高的抗压强度和接触疲劳强度、高的硬度和耐磨性、一定的韧性和抗腐蚀性。主要有高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢和高温轴承钢。高碳轴承钢是使用最广的滚动轴承钢，c0.951.15，Cr0.401.65、S0.020、P0.027，高级优质钢。常用钢号GCr15，淬火低温回火使用，组织极细的M回细粒状碳化物A。 不锈钢，用于腐蚀介质环境。钢中含碳愈少，含铬愈多（Cr12）愈耐蚀。分马氏体型、铁素体型、奥氏体型、奥氏体

42、铁素体型、沉淀硬化型五种。马氏体型不锈钢：c0.11.0,Cr1218,低、中碳的Cr13型、高碳的Cr18型，合金元素单一，只在氧化性介质中耐蚀，淬透性好，1Cr13、2Cr13调质处理后作耐蚀结构零件使用，3Cr13、4Cr13、9Cr18淬火低温回火后作高硬度、高耐磨性及一定耐蚀性的零件或工具使用，此类钢可热处理强化，价格最低，但耐蚀性最差。铁素体不锈钢：c0.15，Cr1228，耐蚀性优于马氏体不锈钢，成本高于马氏体不锈钢，不可热处理强化，强度硬度低，塑性加工、切削加工和焊接性较好。一般在退火或正火态使用，在氧化性介质中（如硝酸）有很高的耐蚀性，应力腐蚀敏感性比一般奥氏体不锈钢低，主要

43、用于力学性能要求不高而耐蚀性和抗氧化性要求较高的零件、装饰型材、厨具。常用钢号0Cr13、1Cr17、1Cr28等。奥氏体不锈钢（188型）：具有低碳（c0.12）高铬（Cr1725）和高镍（Ni829）的成分特点，具有最佳的耐蚀性，对还原性介质不太耐蚀，具有优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性和无磁性等特性。冷塑性加工性和焊接性较好，切削加工性差，成本最贵。在化工设备、装饰型材方面应用广泛。为降低成本用Mn、N代替Ni，典型牌号1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。退火态组织为A碳化物，不仅强度低且耐蚀性下降，应固溶处理获得单相奥氏体使用。奥氏体铁素体双相不锈钢：在188型的基础上增

44、加铬或降低镍并适量加入其他合金元素，具有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点。主要用于管道系统、阀门、热交换器、压力容器等。沉淀硬化不锈钢：在各类不锈钢的基础上加入硬化元素，通过热处理固溶时效处理，获得高的强度、高的韧性及较好的耐蚀性。包括马氏体沉淀硬化不锈钢（由Cr13型发展而成，如0Cr17Ni4Cu4Nb）、奥氏体沉淀硬化不锈钢（0Cr15Ni20Ti2MoAlVB）、奥氏体马氏体沉淀硬化不锈钢（由188型发展而成，如0Cr17Ni7Al）。 耐热钢（高温下工作的零件），要求具有良好的抗氧化能力和高温强度。提高钢耐热性的方法：中碳合金钢、低碳合金钢，合金元素起固溶强化作用；形成致密氧化膜（C

45、r、Si、Al）；起弥散强化作用（中、强碳化物元素）；提高钢的再结晶温度、晶界强度。常用耐热钢，分抗氧化钢（加Cr、Si、Al）和热强钢（加碳化物元素）；铁素体类耐热钢（铁素体钢、珠光体钢、马氏体钢）和奥氏体类耐热钢。珠光体热强钢：正火态为PF，用于350600以下工作的耐热构件，c0.100.40，低碳珠光体钢15CrMo、12CrMoV，主要用于锅炉管线（锅炉管子用钢），冷热加工性能好，正火态使用；中碳珠光体钢35CrMo、35CrMoV，调质态使用，高温中合力学性能好，主要用于耐热的紧固件和汽轮机转子（紧固件及汽轮机转子用钢）。马氏体热强钢：淬透性好，空冷可得马氏体，淬火高温回火后使用。

46、低碳高铬型，Cr13型不锈钢加碳化物元素形成，常用牌号1Cr11MoV、1Cr12WMoV等，消振性好，最适宜600工作的汽轮机叶片（叶片钢）；中碳铬硅钢4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，调质处理后使用，用于750的发动机排气阀（气阀钢）；奥氏体热强钢：奥氏体不锈钢加碳化物元素形成，比珠光体、马氏体热强钢具有更高的热强性和抗氧化性，用于工作温度达800的零件。铁素体抗氧化钢：在铁素体不锈钢的基础上加入Si、Al制成，特点抗氧化性强，但高温强度低、焊接性能差、脆性较大。低、中铬型（1Cr3Si、1Cr6Si2Ti），工作温度800；Cr13型（1Cr13SiAl）,工作温度8001000；Cr18型（1Cr18Si2），工作温度1000左右；Cr25型（1Cr25Si2），工作温度10501100