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工程材料及机械制造基础复习( Ⅰ)
——工程材料

工程材料
1．1 材料的力学性能

1．2．1 金属的晶体结构
(1)基本概念
①晶体与非晶体:
两者的主要区别是:
a．晶体中原子(或分子)按一定的几何规律作周期的重复排列;
b．晶体具有固定的熔点;
c．晶体具有各向异性。
②晶格; 为了便于表明晶体内部的原子排列规律, 把每个原子看成一个点, 点与点之间用直线连接起来而形成的空间格子。
③晶胞: 能完全反映晶格原子排列特征的最小几何单元。
④晶格常数; 晶胞的棱边长度, 晶格常数和棱面夹角表示晶胞的形状和大小。
(2)常见金属晶格类型

单晶体的各项异性: 由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同, 因而导致在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能也不同——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, 材料的强度高, 塑性、 韧性愈好。
晶体的缺陷形式: 点缺陷、 线缺陷、 面缺陷。
晶体的缺陷对金属的许多性能有很大的影响, 特别对金属的塑性变形、 强化、 固态相变等都有重要的影响。
1．2．2 金属的结晶
(1)结晶的概念
物质从液态转变为固态的过程称为凝固。而结晶是指由液态转变为晶体的过程, 即金属与合金从液态的无序状态转变为原子有规则排列的晶体结构的过程。理解结晶的概念应着重掌握以下几点:
◆纯金属的结晶在恒温下进行, 其结晶过程可用冷却曲线表示。
◆纯金属的结晶需要一定的过冷度, 即过冷是金属结晶的必要条件。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。
◆金属的结晶包括两个过程: 晶核的形成和晶核的长大。
(2)晶粒大小及其控制
晶粒越细, 则金属的强度、 硬度、 塑性和韧性越好。控制晶粒大小的方法有: 增加过冷度(或增加冷却速度, 如用金属型代替砂型、 降低浇注温度、 慢速浇注等)、 变质处理、 附加振动(机械振动、 超声波振动、 电磁搅拌等)。
(3)金属的同素异晶转变
金属在固态下发生晶格类型改变的过程称为同索异晶转变。它与液态金属结晶相比具有以下特点:
①遵循金属结晶的一般规律( 生核与长大) ;
②具有较大的过冷倾向;
③常伴随着体积的变化, 因而在金属中引起较大的内应力, 故易引起金属材料的变形。

(4)实际金属的晶体结构
1．3 金属的塑性变形
单晶体的塑性变形的基本形式: 滑移和孪晶两种。
多晶体的塑性变形包括晶粒内部的变形与晶粒之间的变形两部分。晶内变形仍以滑移与孪晶两种基本方式进行, 晶间变形包括晶粒之间的微量相互位移与转动。
多晶体塑性变形的特点是: 变形的不均匀性, 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, 金属的塑性愈好, 特别是其中的滑移方向的作用更大。
塑性变形对金属组织和性能的影响
变形金属在加热时的组织和性能的变化: 回复、 再结晶和晶粒长大。
变形金属经过再结晶后其变形组织、 性能完全消失, 因此硬度、 强度显著下降, 塑性、 韧性明显提高, 内应力基本消除, 金属恢复到变形前的性能。
金属的冷热加工( 按低于或高于金属的再结晶温度来分)
热加工对金属组织和性能的影响三方面:
粗大的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;
铸态金属中的疏松、 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;
使金属具有明显的各向异性, 如某些纵向的性能明显大于横向( 流线) 。
1．4 合金的结构和二元合金相图
(1)基本概念
①组元: 组成合金的最基本的物质。
②相: 合金中具有相同化学成分、 相同晶体结构的均匀部分。
③固溶强化: 因形成固溶体而引起合金强度、 硬度升高的现象。
④合金相图: 用来表示合金在不同成分、 温度下的组织状态, 以及它们之间相互关系的一种图形, 亦称状态图或平衡图。
(2)合金的结构

注: ①固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。
②根据溶质原子在溶剂晶格中分布情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) 铁碳合金的基本组织

( 3) 铁碳合金分类

(4)各相区组织

[注]①若要填各区域存在的相则与上图不同, 请注意区别。
②所谓Fe3CⅠ、 Fe3CⅡ、 Fe3CⅢ, 它们的碳的质量分数、 晶体结构和本身的性质都相同, 其区别在于渗碳体的来源、 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 │ 断续的片状 │
├───┼────┼───────┼───────┤
│ 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, 随着碳的质量分数的增加, 钢中的珠光体增多, 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, 削弱了各晶粒间的结合力, 从而降低了钢的强度并增加了脆性。因此, 碳的质量分数超过了0．9％的钢, 其硬度虽然继续增加, 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, 因此白口铸铁具有很高的脆性。
1．6钢的热处理
不论哪一种热处理工艺, 都要经历加热、 保温和冷却三个阶段, 其中保温的作用在于使零件内外温度一致, 并获得细而成分均匀的奥氏体晶粒。
热处理与其它加工方法(铸造、 锻压、 焊接、 切削加工等)的区别是: 它只改变金属材料的组织和性能, 而不改变其形状和大小。
为了区别实际加热和冷却时的临界点, 一般将加热时的临界点加标符号”c”, 如Ac1、 Ac2、 Acm; 冷却时的临界点加标符号”r”, 如A1r、 Ar3、 Arcm。
(1)钢的热处理基本原理
1)钢的奥氏体化
奥氏体的形成过程也是由形核和长大两个过来完成的。该过程能够归纳为以下三个阶段: 奥氏体晶核的形成和长大、 残余渗碳体的溶解、 奥氏体成分均匀化。
奥氏体的晶粒大小除了与加热温度和保温时间有关外, 还与奥氏体中碳的质量分数及合金元素的质量分数有关。

2)过冷奥氏体冷却时的组织转变
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

在实际生产中常见相应的C曲线来粗略地定性分析连续冷却转变所得到的产物与性能, 应重点掌握根据C曲线判断常见碳钢在炉冷、 空冷、 油冷、 水冷等不同冷却条件下的组织与性能。
3)马氏体转变的主要特点
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奥氏体中的碳的质量分数愈高, 则Ms与Mf愈低;
④马氏体转变不能完全进行到底, 会有少量的残余奥氏体被保留下来, 奥氏体的碳的质量分数愈高, 淬火后残余奥氏体的量愈多。
(2)钢的热处理工艺
1)退火的目的
①调整钢件的硬度, 改进切削加工性能;
②消除残余应力, 稳定工件尺寸, 并防止其变形和开裂;
③细化晶粒, 改进组织, 提高钢的力学性能和工艺性能;
④为最终热处理(淬火、 回火)做好组织上的准备。
2)正火目的与退火相似, 其主要应用场合是:
①改进低碳钢和低碳合金钢的切削加工性;
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作为普通结构零件的最终热处理——中碳钢。
3)常见淬火方法

4)渗氮
①气体渗氮: 加热温度一般为500～560℃, 其特点为:
a．工件不需再进行淬火处理便具有高的硬度和耐磨性, 且在知500～600℃时仍保持高的硬度(即红硬性)。
b．显著提高了工件的疲劳极限, 且使工件具有良好的耐蚀性能。
c．处理温度低, 工件变形小。
d．氮化所需时间长。
渗氮处理主要用于耐磨性和精度要求很高的零件或要求耐热、 耐蚀的耐磨件, 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, 而且还能降低工件表面渗氮层的脆性, 明显地提高韧性和疲劳极限。
5)钢的各种常见热处理工艺及应用

注: ①在250-350℃及450-650℃范围回火时, 钢的冲击韧性反而显著降低的现象称为回火脆性。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渗碳后的组织和热处理: 渗碳后的热处理为淬火(一次淬火法或直接淬火法)+低温回火。最终组织为: 表层为M回+少量A残, 硬度可达58～64HRC; ,心部组织取决于钢的淬透性, 一般碳钢为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回火时的组织转变包括: 马氏体的分解(<200℃); 残余奥氏体的转变(200-300℃); 渗碳体的形成(250～400℃); 渗碳体的聚集长大, 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的特性。它主要取决于钢的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, 降低了钢的临界冷却速度, 从而提高了钢的淬透性; 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, 钢的淬透性提高。钢的淬硬性是指钢经淬火后能达到的最高硬度, 它主要取决于钢中碳的质量分数, 更确切地说是取决于马氏体中碳的质量分数。
6)热处理工序安排
①预备热处理: 其目的是改进毛坯的加工性能, 消除内应力和为最终热处理做准备。它包'退火、 正火、 时效和调质等。
a．退火和正火: 一般安排在毛坯制造之后粗加工之前进行, 但也有将正火安排在粗加工之后进行的。
b．调质: 一般安排在粗加工之后和半精加工阶段之前进行。
②最终热处理: 目的主要是提高零件材料的硬度和耐磨性, 包括各种淬火、 渗碳和氮化处理等。
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前进行。
—般的工艺路线为: 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: 一般安排在半精加工和精加工之间进行。一般的加工路线为: 下料一锻造→正火→粗加工及半精加工→渗碳淬火→精加工。
c．氮化处理: 氮化工序位置应尽量靠后安排。氮化零件的加工工艺路线一般为: 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。对于热处理变形更小的真空离子氮化, 则能够安排在精磨之后作为最后一道工序进行。
1．7 钢的分类、 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, 另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, 前者会使钢材出现热脆, 后者会使钢材出现冷脆。
(2)合金元素在钢中的作用
1)合金元素对钢中基本相的影响
①形成合金铁素体: 会引起铁素体的晶格发生畸变, 产生固溶强化, 因而铁素体的强度、 硬度增高, 塑性、 韧性有所下降, 尤以锰、 硅、 镍的强化效果最为明显。
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。
中等碳化物形成元素(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有更高的熔点、 硬度、 耐磨性及稳定性。
强碳化物形成元素(钒、 铌、 铬、 钛), 一般形成特殊碳化物。
2)合金元素对钢热处理的影响
①细化晶粒: 除锰、 磷以外, 大多数合金元素均在不同程度上有细化晶粒作用, 其中尤以强化碳化物形成元素的影响最为显著。
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加过冷奥氏体的稳定性, 使C曲线右移, 从而提高钢的淬透性。主要元素有: 锰、 硅、 镍、 硼。
③增加残余奥氏体的含量: 除铝、 钻外, 大多数合金元素都能使Ms、 Mf下降, 从而使淬火组织中的残余奥氏体量增加。
④提高红硬性: 合金元素提高了钢回火过程中抵抗软化的能力, 即回火稳定性, 故采用相同温度回火时, 合金钢的硬度比碳钢高。
(3)钢的编号
1)碳素结构钢

应用:
08F: 用作薄板、 冲压件等。
10～25: 用作表面要求耐磨并承受一定冲击载荷的机械零件, 最终热处理为渗碳后淬火+低温回火。
35～50: 用作承受较大交变载荷与冲击载荷的机械零件, 如齿轮、 连杆、 主轴等, 最终热处理为调质处理。
55～70: 用作各种尺寸较小的弹性零件(如弹簧)、 车轮及受力不大的耐磨件, 最终热处理为淬火+中温回火。
3)碳素工具钢

应用: 主要用作各种刀具、 量具和模具, 最终热处理为淬火+低温回火。
4) 合金钢

[注]①滚动轴承钢的编号为:

②耐磨钢的编号为:

③低合金高强度结构钢的编号同碳素结构钢, 但其质量等级分为A, B, C, D, E五级。

(4)各种合金钢的成分、 热处理特点、 性能特点及用途

注: ①提高耐蚀性的主要方法有: 加入合金元素(铬、 镍、 硅等)使钢的电极电位提高; 使钢在室温下获得单相组织; 使钢的表面形成一层氧化膜。
②耐热性是包含高温抗氧化性和高温强度的一个综合概念。加入铬、 硅、 铝等元素可提高钢的高温抗氧化能力; 加入钨、 钼、 钒婷元素可提高钢的高温强度。
1．8 有色金属及其合金
(1)铝及铝合金
1)纯铝
铸造纯铝:

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。后面数字均为顺序号
2)铜合金
①黄铜
a．普通黄铜: 铜和锌组成的二元合金, 其耐蚀性优于钢铁材料, 主要用于制作弹壳等零件。
其代号表示法是:
b．特殊黄铜: 其代号表示法是:

②青铜: 以除锌、 镍以外的其它元素为主要合金元素的钢合金。按其成分不同, 可分为锡青铜和特殊青铜两类。铝青铜是指锚与钢组成的二元合金, 它在大气、 海水、 淡水和蒸汽中的耐蚀性优于黄铜, 故主要用作形状较复杂、 耐蚀性好、 致密度要求不高的铸件。
代号: Q+主加元素化学符号及质量分数+其它合金元素质量分数
③铸造钢合金的牌号表示法是:
ZCu+主加元素化学符号及质量分数+其它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大于5 000的有机化合物的总称, 有时也叫聚合物或高聚物。高聚物一般具有链状结构, 它是由一种或几种简单的低分子有机化合物重复链接而成的, 故称为大分子链。凡是能够聚合生成大分子链的低有机化合物叫单体。大分子链中的重复结构单元叫链节。大分子链中链节的重复次数称为聚合度。
高聚物的结构有线型结构和网状结构两种。高聚物在不同温度下呈现三种不同的物理状态, 即玻璃态(塑料的工作状态)、 高弹态(橡胶的工作状态)和粘流态(有机胶粘剂的工作状态)。
塑料是由合成树脂(主要组成物)和添加剂(填充剂、 增塑剂、 稳定剂、 润滑剂、 固化剂、 着色剂及其它)组成。按树脂的热性能不同塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。塑料的成型方法有注射成型、 挤出成型、 吹鲴成型、 压制成型等。常见工程塑料有: 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, 也是一种良好的胶粘剂。
橡胶是一种天然或人工合成的高聚物弹性体。工业卜使用的橡胶制品是在橡胶中加入各种配合剂(如硫化剂、 硫化促进剂、 软化剂、 防老化剂和填充剂等), 经硫化处理后所得到的产品。硫化处理前的橡胶称为生胶, 它经过加热、 加压的硫化处理, 使各分子链间相互交联成网状结构, 即成橡胶制品。常见的种类有丁苯橡胶(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, 可作为天然橡胶的代用品)、 丁基橡胶(可用作各种要求气密性好的橡胶制品, 如内胎等)。
常见黏结剂主要有以溶剂为基的黏结剂、 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, 前者主要用作日用、 建筑和卫生用品等, 后者主要用于化工、 冶金、 机械、 电子等行业中。陶瓷材料的内部结构一般由晶相、 玻璃相和气相组成。常见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结构不同的物质, 经人工合成获得的多相材料。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。