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工程材料及机械制造基本复习（Ⅰ）
——工程材料

工程材料
1．1 材料力学性能

1．2．1 金属晶体构造
(1)基本概念
①晶体与非晶体：
两者重要区别是：
a．晶体中原子(或分子)按一定几何规律作周期重复排列；
b．晶体具备固定熔点；
c．晶体具备各向异性。
②晶格；为了便于表白晶体内部原子排列规律，把每个原子当作一种点，点与点之间用直线连接起来而形成空间格子。
③晶胞：能完全反映晶格原子排列特性最小几何单元。
④晶格常数；晶胞棱边长度，晶格常数和棱面夹角表达晶胞形状和大小。
(2)常用金属晶格类型

单晶体各项异性：由于各晶面和各晶向上原子排列密度不同，因而导致在同一晶体不同晶面和晶向上各种性能也不同——各项异性。
多晶体
晶粒大小对材料性能影响很大，在常温下，晶粒愈细，材料强度高，塑性、韧性愈好。
晶体缺陷形式：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
晶体缺陷对金属许多性能有很大影响，特别对金属塑性变形、强化、固态相变等均有重要影响。
1．2．2 金属结晶
(1)结晶概念
物质从液态转变为固态过程称为凝固。而结晶是指由液态转变为晶体过程，即金属与合金从液态无序状态转变为原子有规则排列晶体构造过程。理解结晶概念应着重掌握如下几点：
◆纯金属结晶在恒温下进行，其结晶过程可用冷却曲线表达。
◆纯金属结晶需要一定过冷度，即过冷是金属结晶必要条件。过冷度△T是指理论结晶温度To与实际结晶温度Tn之差(△T=To—Tn)。冷却速度越大，过冷度越大。
◆金属结晶涉及两个过程：晶核形成和晶核长大。
(2)晶粒大小及其控制
晶粒越细，则金属强度、硬度、塑性和韧性越好。控制晶粒大小办法有：增长过冷度(或增长冷却速度，如用金属型代替砂型、减少浇注温度、慢速浇注等)、变质解决、附加振动(机械振动、超声波振动、电磁搅拌等)。
(3)金属同素异晶转变
金属在固态下发生晶格类型变化过程称为同索异晶转变。它与液态金属结晶相比具备如下特点：
①遵循金属结晶普通规律（生核与长大）；
②具备较大过冷倾向；
③常随着着体积变化，因而在金属中引起较大内应力，故易引起金属材料变形。

(4)实际金属晶体构造
1．3 金属塑性变形
单晶体塑性变形基本形式：滑移和孪晶两种。
多晶体塑性变形涉及晶粒内部变形与晶粒之间变形两某些。晶内变形仍以滑移与孪晶两种基本方式进行，晶间变形涉及晶粒之间微量互相位移与转动。
多晶体塑性变形特点是：变形不均匀性，变形抗力比单晶体大，形成纤维组织与各向异性。

滑移系数愈多，金属塑性愈好，特别是其中滑移方向作用更大。
塑性变形对金属组织和性能影响
变形金属在加热时组织和性能变化：回答、再结晶和晶粒长大。
变形金属通过再结晶后其变形组织、性能完全消失，因此硬度、强度明显下降，塑性、韧性明显提高，内应力基本消除，金属恢复到变形前性能。
金属冷热加工（按低于或高于金属再结晶温度来分）
热加工对金属组织和性能影响三方面：
粗大柱状晶和枝晶经热塑性变形被击碎并形成等轴细晶粒组织，改进了力学性能；
铸态金属中疏松、气孔、微裂纹等缺陷，经热塑性变形被压实或焊合，从而使组织致密，性能提高；
使金属具备明显各向异性，如某些纵向性能明显不不大于横向（流线）。
1．4 合金构造和二元合金相图
(1)基本概念
①组元：构成合金最基本物质。
②相：合金中具备相似化学成分、相似晶体构造均匀某些。
③固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高现象。
④合金相图：用来表达合金在不同成分、温度下组织状态，以及它们之间互有关系一种图形，亦称状态图或平衡图。
(2)合金构造

注：①固态合金相构造可分为固溶体和金属化合物两大类。
②依照溶质原子在溶剂晶格中分布状况不同可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

1．5 铁碳合金相图
（1）铁碳合金基本组织

（3）铁碳合金分类

(4)各相区组织

[注]①若要填各区域存在相则与上图不同，请注意区别。
②所谓Fe3CⅠ、Fe3CⅡ、Fe3CⅢ，它们碳质量分数、晶体构造和自身性质都相似，其区别在于渗碳体来源、形态及分布状况有所不同。
┌───┬────┬───────┬───────┐
│ │ Fe3CⅠ │ Fe3CⅡ │ Fe3CⅢ │
├───┼────┼───────┼───────┤
│ 来源│ 液态│ 奥氏体 │ 铁素体 │
├───┼────┼───────┼───────┤
│ 形态│ 条片状│ 网状 │ 断续片状 │
├───┼────┼───────┼───────┤
│ 分布│ │ 沿奥氏体晶界│ 沿铁素体晶界│
└───┴────┴───────┴───────┘

③结晶过程及室温组织示意图

在亚共析钢中，随着碳质量分数增长，钢中珠光体增多，铁索体减少，故强度、硬度提高，塑性、韧性下降。但在过共析钢中，渗碳体沿原奥氏体晶界呈网状分布，削弱了各晶粒间结合力，从而减少了钢强度并增长了脆性。因而，碳质量分数超过了0．9％钢，其硬度虽然继续增长，但强度却明显下降。特别是在白口铸铁中渗碳体作为基体存在时，其塑性和韧性大大下降，因而白口铸铁具备很高脆性。
1．6钢热解决
无论哪一种热解决工艺，都要经历加热、保温和冷却三个阶段，其中保温作用在于使零件内外温度一致，并获得细而成分均匀奥氏体晶粒。
热解决与其她加工办法(锻造、锻压、焊接、切削加工等)区别是：它只变化金属材料组织和性能，而不变化其形状和大小。
为了区别实际加热和冷却时临界点，普通将加热时临界点加标符号“c”，如Ac1、Ac2、Acm；冷却时临界点加标符号“r”，如A1r、Ar3、Arcm。
(1)钢热解决基本原理
1)钢奥氏体化
奥氏体形成过程也是由形核和长大两个过来完毕。该过程可以归纳为如下三个阶段：奥氏体晶核形成和长大、残存渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化。
奥氏体晶粒大小除了与加热温度和保温时间关于外，还与奥氏体中碳质量分数及合金元素质量分数关于。

2)过冷奥氏体冷却时组织转变
共析钢C曲线如上图。
共析钢过冷奥氏体等温转变产物小结

在实际生产中惯用相应C曲线来粗略地定性分析持续冷却转变所得到产物与性能，应重点掌握依照C曲线判断惯用碳钢在炉冷、空冷、油冷、水冷等不同冷却条件下组织与性能。
3)马氏体转变重要特点
①转变速度极快，内应力较大；
②晶格发生严重畸变，塑性变形阻力增大；
③奥氏体中碳质量分数愈高，则Ms与Mf愈低；
④马氏体转变不能完全进行究竟，会有少量残存奥氏体被保存下来，奥氏体碳质量分数愈高，淬火后残存奥氏体量愈多。
(2)钢热解决工艺
1)退火目
①调节钢件硬度，改进切削加工性能；
②消除残存应力，稳定工件尺寸，并防止其变形和开裂；
③细化晶粒，改进组织，提高钢力学性能和工艺性能；
④为最后热解决(淬火、回火)做好组织上准备。
2)正火目与退火相似，其重要应用场合是：
①改进低碳钢和低碳合金钢切削加工性；
②消除过共析钢中二次渗碳体，为球化退火做好组织准备；
③作为普通构造零件最后热解决——中碳钢。
3)惯用淬火办法

4)渗氮
①气体渗氮：加热温度普通为500～560℃，其特点为：
a．工件不需再进行淬火解决便具备高硬度和耐磨性，且在知500～600℃时仍保持高硬度(即红硬性)。
b．明显提高了工件疲劳极限，且使工件具备良好耐蚀性能。
c．解决温度低，工件变形小。
d．氮化所需时间长。
渗氮解决重要用于耐磨性和精度规定很高零件或规定耐热、耐蚀耐磨件，如高精度机床丝杠、镗床镗杆、精密传动齿轮和轴、汽轮机阀门和阀杆、发动机气缸和捧气阀等。
②离子氮化：大大缩短了渗氮时间，并且还能减少工件表面渗氮层脆性，明显地提高韧性和疲劳极限。
5)钢各种惯用热解决工艺及应用

注：①在250-350℃及450-650℃范畴回火时，钢冲击韧性反而明显减少现象称为回火脆性。前者称为低温回火脆性或不可逆回火脆性；后者称为高温回火脆性或可逆回火脆性。
②渗碳后组织和热解决：渗碳后热解决为淬火(一次淬火法或直接淬火法)+低温回火。最后组织为：表层为M回+少量A残，硬度可达58～64HRC；,心部组织取决于钢淬透性，普通碳钢为F+P，硬度约为10～l5HRC；合金钢为低碳M或低碳M+F，强韧性较好，硬度约为30-45 HRC。
③回火时组织转变涉及：马氏体分解(<200℃)；残存奥氏体转变(200-300℃)；渗碳体形成(250～400℃)；渗碳体汇集长大，铁素体再结晶(>400℃)。
④淬透性与淬硬性：淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布特性。它重要取决于钢化学成分和奥氏体化条件。大多数合金元素溶人奥氏体后使C曲线右移，减少了钢临界冷却速度，从而提高了钢淬透性；奥氏体化温度愈高，保温时间愈长，则奥氏体晶粒愈粗大，成分愈均匀，钢淬透性提高。钢淬硬性是指钢经淬火后能达到最高硬度，它重要取决于钢中碳质量分数，更确切地说是取决于马氏体中碳质量分数。
6)热解决工序安排
①预备热解决：其目是改进毛坯加工性能，消除内应力和为最后热解决做准备。它包'退火、正火、时效和调质等。
a．退火和正火：普通安排在毛坯制造之后粗加工之迈进行，但也有将正火安排在粗加工之后进行。
b．调质：普通安排在粗加工之后和半精加工阶段之迈进行。
②最后热解决：目重要是提高零件材料硬度和耐磨性，涉及各种淬火、渗碳和氮化解决等。
a．淬火：分整体淬火和表面淬火两种。淬火经常安排在半精加工之后和精加工之迈进行。
—般工艺路线为：毛坯制造→正火(退火)→粗加工→调质→半精加工→表面淬火→精加工。
b．渗碳淬火：普通安排在半精加工和精加工之间进行。普通加工路线为：下料一锻造→正火→粗加工及半精加工→渗碳淬火→精加工。
c．氮化解决：氮化工序位置应尽量靠后安排。氮化零件加工工艺路线普通为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→除应力→粗磨→氮化→精磨、超精磨或研磨。对于热解决变形更小真空离子氮化，则可以安排在精磨之后作为最后一道工序进行。
1．7 钢分类、编号及应用
(1)钢中杂质元素
1)锰：是有益元素，其作用是脱硫、脱氧，还能形成合金铁素体和合金渗碳体。
2)硅：是有益元素，其脱氧能力比锰强，此外也能溶解于铁素体中使铁素体强化。
3)硫、磷：都是有害元素，前者会使钢材浮现热脆，后者会使钢材浮现冷脆。
(2)合金元素在钢中作用
1)合金元素对钢中基本相影响
①形成合金铁素体：会引起铁素体晶格发生畸变，产生固溶强化，因而铁素体强度、硬度增高，塑性、韧性有所下降，尤以锰、硅、镍强化效果最为明显。
②形成合金碳化物
弱碳化物形成元素(锰)，易溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，其稳定性、硬度比渗碳体略高。
中档碳化物形成元素(铬、钼、钨)，既能形成合金渗碳体，又能形成特殊碳化物。特殊碳化物比合金渗碳体具备更高熔点、硬度、耐磨性及稳定性。
强碳化物形成元素(钒、铌、铬、钛)，普通形成特殊碳化物。
2)合金元素对钢热解决影响
①细化晶粒：除锰、磷以外，大多数合金元素均在不同限度上有细化晶粒作用，其中尤以强化碳化物形成元素影响最为明显。
②提高淬透性：除钴以外，大多数合金元素熔人奥氏体后均能增长过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移，从而提高钢淬透性。重要元素有：锰、硅、镍、硼。
③增长残存奥氏体含量：除铝、钻外，大多数合金元素都能使Ms、Mf下降，从而使淬火组织中残存奥氏体量增长。
④提高红硬性：合金元素提高了钢回火过程中抵抗软化能力，即回火稳定性，故采用相似温度回火时，合金钢硬度比碳钢高。
(3)钢编号
1)碳素构造钢

应用：
08F：用作薄板、冲压件等。
10～25：用作表面规定耐磨并承受一定冲击载荷机械零件，最后热解决为渗碳后淬火+低温回火。
35～50：用作承受较大交变载荷与冲击载荷机械零件，如齿轮、连杆、主轴等，最后热解决为调质解决。
55～70：用作各种尺寸较小弹性零件(如弹簧)、车轮及受力不大耐磨件，最后热解决为淬火+中温回火。
3)碳素工具钢

应用：重要用作各种刀具、量具和模具，最后热解决为淬火+低温回火。
4）合金钢

[注]①滚动轴承钢编号为：

②耐磨钢编号为：

③低合金高强度构造钢编号同碳素构造钢，但其质量级别分为A，B，C，D，E五级。

(4)各种合金钢成分、热解决特点、性能特点及用途

注：①提高耐蚀性重要办法有：加入合金元素(铬、镍、硅等)使钢电极电位提高；使钢在室温下获得单相组织；使钢表面形成一层氧化膜。
②耐热性是包括高温抗氧化性和高温强度一种综合概念。加入铬、硅、铝等元素可提高钢高温抗氧化能力；加入钨、钼、钒婷元素可提高钢高温强度。
1．8 有色金属及其合金
(1)铝及铝合金
1)纯铝
锻造纯铝：

变形纯铝：

2)铝合金

(2)铜及铜合金
1)纯铜
未加工产品：代号有Cu-1、Cu-2；加工产品：T1、T2、T3。背面数字均为顺序号
2)铜合金
①黄铜
a．普通黄铜：铜和锌构成二元合金，其耐蚀性优于钢铁材料，重要用于制作弹壳等零件。
其代号表达法是：
b．特殊黄铜：其代号表达法是：

②青铜：以除锌、镍以外其她元素为重要合金元素钢合金。按其成分不同，可分为锡青铜和特殊青铜两类。铝青铜是指锚与钢构成二元合金，它在大气、海水、淡水和蒸汽中耐蚀性优于黄铜，故重要用作形状较复杂、耐蚀性好、致密度规定不高铸件。
代号：Q+主加元素化学符号及质量分数+其她合金元素质量分数
③锻造钢合金牌号表达法是：
ZCu+主加元素化学符号及质量分数+其她合金元素化学符号及质量分数
1．9 非金属材料
高分子化合物是相对分子质量不不大于5 000有机化合物总称，有时也叫聚合物或高聚物。高聚物普通具备链状构造，它是由一种或几种简朴低分子有机化合物重复链接而成，故称为大分子链。凡是可以聚合生成大分子链低有机化合物叫单体。大分子链中重复构造单元叫链节。大分子链中链节重复次数称为聚合度。
高聚物构造有线型构造和网状构造两种。高聚物在不同温度下呈现三种不同物理状态，即玻璃态(塑料工作状态)、高弹态(橡胶工作状态)和粘流态(有机胶粘剂工作状态)。
塑料是由合成树脂(重要构成物)和添加剂(填充剂、增塑剂、稳定剂、润滑剂、固化剂、着色剂及其她)构成。按树脂热性能不同塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。塑料成型办法有注射成型、挤出成型、吹鲴成型、压制成型等。惯用工程塑料有：ABS塑料，可制造齿轮、电机外壳、电冰箱外壳及内衬等；聚酰胺，PA，又名尼龙，广泛用作机械零件，如轴承、蜗轮、螺栓等；酚醛塑料，又名电木，可用作轴承、齿轮、垫圈及电：工绝缘体等；氨基埋料，可用作泡沫塑料、隔音材料等；环氧塑料，可用作缨料模具、电子元件等，也是一种良好胶粘剂。
橡胶是一种天然或人工合成高聚物弹性体。工业卜使用橡胶制品是在橡胶中加入各种配合剂(如硫化剂、硫化增进剂、软化剂、防老化剂和填充剂等)，经硫化解决后所得到产品。硫化解决前橡胶称为生胶，它通过加热、加压硫化解决，使各分子链间互相交联成网状构造，即成橡胶制品。惯用种类有丁苯橡胶(用作轮胎、胶鞋、胶布、胶管等)、顾丁橡胶(用于制造胶管、减振器、刹车皮碗等)、氯丁橡胶(又名万能橡胶，可作为天然橡胶代用品)、丁基橡胶(可用作各种规定气密性好橡胶制品，如内胎等)。
惯用黏结剂重要有以溶剂为基黏结剂、热甥性蛔料黏结剂、热固性塑料黏结剂等。
陶瓷是一种无机非金属材料，它可分为普通陶瓷和特种陶瓷两大类，前者重要用作日用、建筑和卫生用品等，后者重要用于化工、冶金、机械、电子等行业中。陶瓷材料内部构造普通由晶相、玻璃相和气相构成。惯用陶瓷材料有普通陶瓷(用作日用品、绝缘体等)、氧化铝陶瓷(用作制造高温测温热电偶绝缘套管、耐磨耐蚀用水泵及切削淬火钢刀片等)、氧化硅陶瓷(用作燃汽轮机转子叶片、切削加工用刀片等)、氮化硼陶瓷(用作坩埚、器皿等)。
复合材料是由两种或两种以上化学成分不同或组织构造不同物质，经人工合成获得多相材料。其性能特点是：比强度和比模量大、抗疲劳性能好、减振性好、耐高温性能好、断裂安全性好。种类有纤维增强复合材料(如玻璃钢)、粒子增强复合材料、层叠复合材料。