机械工程与热处理重点内容.doc

1. 按材料化学成份分类; 金属材料, 无机非金属材料, 高分子材料, 复合材料
2. 按使用性能分类; 结构材料, 功效材料
3. 什么是材料使用性能和工艺性能？a使用性能是指材料制成零件或物件后为确保正常工作及一定使用寿命应含有性能, 包含力学性能, 物理性能, 化学性能b工艺性能是指材料在加工成零件或物件过程中材料应含有适应加工性能; 包含铸造切削加工性能, 断崖焊接热处理性能
4. 铸造性能; 流动性, 收缩性, 偏析。关键取决与材料塑形和变形抗力, 塑形越好, 变形抗力越小, 铸造性能就越好
5. 切削加工性能, 材料切削难易程度称为切削加工性能, 通常见切削速度、 加工表面粗糙度和刀具使用寿命来衡量。影响切削加工性能
6. 金属常见三种晶体结构？bcc和fcc结构密排面和密排方向？体心立方晶体bcc面心立方晶体fcc密排六方晶格hcp。Bcc密排面｛110｝密排方向<111>fcc密排面｛111｝密排方向<110>
7. 晶体各向异性; 在晶体中, 不一样晶面和晶向上原子排列方法和密度不一样, 则原子间结协力大小也不一样, 所以金属晶体不一样方向上性能不一样, 这种性质叫晶体各向异性
8. 晶体中存在几类缺点; 点缺点, 线缺点, 面缺点
9. 相和组织概念。相是指合金中含有同一化学成份、 同一结构和原子聚集状态, 并以界面相互分开均匀组成部分。组织是指用肉眼或显微镜观察道德不一样组成相形状、 尺寸、 分布及各相之间组合状态
10. 固态合金中相结构可分为: 固溶体和金属化合物两大类
11. 固溶体分类; 按溶质原子在溶剂晶格中位置, 固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体, 按溶质原子在固溶体中溶解度分为有限固溶体和无限固溶体
12. 固溶强化: 经过形成固溶体是金属强度和硬度提升现象
13. 金属化合物通常性能特点: 熔点通常较高, 硬度高, 脆性大, 合金中含有金属化合物时其强度硬度耐磨性提升而塑性和韧性有所下降
14. 液态金属结晶条件: 温度必需低于T。, 也就是说要有一定过冷度
15. 纯金属结晶过程: 液态金属结晶是由形核和长大两个亲密联络基础过程来实现。液态金属结晶时首先形成晶核, 这些晶核不停长大, 同时又形成新晶核并逐步长大, 直至液体金属消失
16. 什么是同素异构转变, 以及纯铁同素异构转变温度？金属在固态下随温度改变, 由一个晶格转变为另一个晶格现象称为同素异构转变。纯Fe: 1538°C开始结晶→δ-Fe（bcc）→1394°Cγ-Fe（fcc）→912°Cα-Fe（bcc）
17. 铸锭结构: a细等轴晶区, 因为模壁温度低, 外层液态金属冷却速度快, 过冷度大, 形成大量晶核, 同时, 模壁也能起非自发晶核作用, 所以在表层形成一层厚度不大晶粒很细细等轴晶区b柱状晶区c粗等轴晶区
18. 细化晶粒方法: a增大金属过冷度, 如采取冷却能力强模子b变质处理, 就是向液体金属中假如孕育剂或变质剂, 以细化晶粒, 改善组织, 变质剂作用是增加非自发晶核数量或者阻碍晶体长大c振动d电磁搅拌
19. Fe-Fe3C相图中存在五种相a液相L, 是铁和碳液溶体bδ相, 又称高温铁素体, 是碳在δ-Fe中间隙固溶体, 呈体心立方晶格, 在1394°C以上存在cα相, 也称铁素体, 用F或α表示, 是碳在α-Fe中间隙固溶体, 呈体心立方晶格dγ相, 常称奥氏体, 用符号A或γ表示, 是碳在γ-Fe中间隙固溶体, 呈面心立方晶格强度较低, 硬度不高, 易于塑性变形eFe3C相, 是一个化合物相, 其形态有条状, 网状, 片状, 粒状等
20. 铁碳相图中七类合金结晶过程, 室温组织, 组成相以及相对含量？⑴共析钢（ω
c=0.77%）L→L+A→A→P+A→P室温组织全部是珠光体P, 组成相为F和Fe3C。F（%）=（6.69-0.77）/6.69=88% Fe3C（%）=1-88%=12% ⑵.亚共析钢（0.0218%~0.77%）L→L+δ→L+δ+A→L+A→A→A+F→A+F+P→F+P ⑶过共析钢（0.77%<ωc≤2.11%）L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ+P→P+Fe3CⅡ室温组织是P和Fe3CⅡ, 组成相为F和Fe3C ⑷.共晶白口铸铁（ωc=4.3%）L→L+A→Ld→Ld+Fe3CⅡ→L’d 室温组织为L’d（P+Fe3CⅡ+Fe3C）, 组成相为F和Fe3C ⑸亚共晶白口铸铁（2.11%<ωc≤4.3%）L→L+A→A+Ld→Ld+Fe3CⅡ→L’d+Fe3CⅡ+P 室温组织为P+Fe3CⅡ+L’d, 组成相为F和Fe3C ⑹过共晶白口铸铁（4.3%<ωc≤6.69%）L→L+Fe3CⅠ→L+Ld+Fe3CⅠ→Ld+Fe3CⅠ→L’d+Fe3CⅠ室温组织为L’d+Fe3CⅠ, 组成相为F和Fe3C ⑺工业纯铁, 室温组织为铁素体
21. 铁碳合金在退火状态下强度与含碳量关系？伴随碳含量增加, 因为硬度高Fe3C增多, 硬度低F降低, 所以合金硬度增大, 当ωc达成0.85%~0.9%时, 硬度达成最大
22. 铁碳相图在铸、 锻、 选材方面应用？⑴依据Fe-Fe3C相图能够确定合金浇筑温度, 通常在液相线以上50°C~100°C, 共晶白口铸铁铸造性能最好, 它凝固温度区间最小, 所以流动性好, 分散缩孔少, 可取得致密铸件, 所以铸铁在生产上总选在共晶成份周围⑵钢处于奥氏体区时强度较低, 塑性很好, 所以铸造活轧制悬在单向奥氏体区内进行, 通常始锻, 始轧温度控制在固相线以下100°C~200°C范围内（约1150~1250°C）, 终锻温度在800~850°C⑶Fe-Fe3C相图所表明成份-组织-性能规律, 为钢铁材料选择提供了依据, 建筑结构和多种型钢需用塑性, 任性好材料, 所以选择碳含量较低钢材, 多种机械零件需要强度塑性韧性都很好材料, 应选择碳含量适中中碳钢, 多种工具需用强度高耐磨性好材料, 则选高碳钢
23. 金属塑性变形方法: 滑移和孪生
24. 什么是滑移系, 以及三种常见晶体结构滑移系？一个花一面与其上一个滑移方向组成一个滑移系。体心立方晶格, 滑移面｛110｝*6, 滑移方向<111>*2,滑移系6*2=12;面心立方晶格｛111｝*4, <110>*3,4*3=12;密排六方晶格｛0001｝*1, <1110>*3,1*3=3
25. 什么是细晶强化？经过细化晶粒而是金属材料力学性能提升方法, 称为细晶强化。金属晶粒越细, 同体积晶界越多, 所以变形抗力越大, 金属强度越大, 另外, 金属晶粒越细, 在外力作用下, 有利于滑移和能够参与滑移晶粒数目也就越多, 使一定变形量分散在更多晶粒中, 这么会降低集中, 表现出塑性提升
26、 塑性变形对金属组织和性能影响？
a产生加工硬化现象 b使金属产生各向异性 c影响金属物理、 化学性能 d产生残留内应力
27、 加工硬化: 伴随塑性变形量增加, 金属强度、 硬度升高, 塑性、 韧性下降, 这种现象称为加工硬化。
28、 什么是再结晶？纯金属再结晶温度计算
当变形金属被加热到较高温度时, 因为原子活动能力增大, 晶粒形状开始发生改变, 被拉长及破碎晶粒经过重新形核, 长大, 变成新均匀、 细小等轴晶粒过程称为再结晶 T再=（0.35~0.40）T熔点, 单位为K
29、 冷加工: 凡在金属再结晶温度以下进行塑性变形称为冷加工
热加工: 在再结晶温度以上进行塑性变形称为热加工
30、 热处理: 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、 保温和冷却, 以改变材料整体或表面组织, 从而取得所需性能一个热加工工艺。
31、 奥氏体形成过程？
奥氏体形核→奥氏体晶核长大→残留渗碳体溶解→奥氏体均匀化
32、 细化奥氏体晶粒方法有哪些？
（1）加热温度越高, 保温时间越长, 奥氏体晶粒越粗大, 故要同时严格控制加热温度和保温时间（2）加热速度越快, 过热度越大, 可取得细小起始晶粒, 必需短时保温才能最终取得细小γ晶粒（3）碳含量超出共析成份时还有一部分未溶碳化物存在, 阻碍晶粒长大（4）合金元素Ti、 Zr、 V、 Nb、 Al等, 当其形成弥散稳定化合物时, 因为分布在晶界上, 所以阻碍其迁移, 阻止奥氏体晶粒长大, 有利于取得本质细晶粒钢
33、 共析钢过冷奥氏体等温转变产物？
在A1~550℃温度范围内等温停留, 将发生A→P, 因转变温度高, 也称高温转变。在“鼻温”至Ms点范围内等温停留, 将发生贝氏体转变, 又称中温转变。在较低温度区间内发生马氏体转变, 又称低温转变。
34、 珠光体组织形态以及力学性能？
珠光体有两种形态: 一个是片状珠光体, 另一个是球状或粒状珠光体。在奥氏体化过程中剩下Fe3C溶解和碳浓度均匀化比较安全条件下, 得到片状珠光体, 反之得到粒状或球状珠光体。片状珠光体性能关键取决于其片层间距, 间距越小, 则强度和硬度越高, 塑性和韧性也越好。形成粒状珠光体时, 转变温度较低, 渗碳体颗粒越细小, 则钢强度、 硬度越高。在相同硬度下, 粒状珠光体比片状珠光体力学性能优越得多。
35、 马氏体组织形态以及力学性能？
钢中马氏体有两种基础形态: 板条马氏体和片状马氏体。当Wc<0.25%时, 基础上形成板条马氏体, 又称位错马氏体; 当Wc>0.25%时, 几乎只形成片（针）状马氏体, 又称孪晶马氏体。马氏体最关键力学性能特点就是含有高硬度、 高强度, 马氏体硬度关键取决于含碳量, 板条马氏体含有一定韧性, 而片状马氏体韧性很差, 表现为硬而脆, 马氏体塑性和韧性关键取决于它亚结构。
36、 贝氏体组织形态和力学性能？
依据转变温度不一样, 可将贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体两种。上贝氏体: 大约在550℃~350℃之间形成, 由很多平行排列铁素体条, 以及条之间不连续短杆状渗碳体组成。下贝氏体: 大约在350℃~Ms之间形成, 呈黑色针状或竹叶状。贝氏体力学性能关键决于其组织形态, 上贝氏体形成温度高, 其铁素体条粗大, 塑性变形抗力较低, 同时, 渗碳体分布在铁素体条之间, 易引发脆断, 所以上贝氏体强度和韧性均差。下贝氏体形成温度较低, 铁素体细小, 分布均匀, 铁素体内碳过饱和度大, 位错密度高, 碳化物细小、 弥散, 所以下贝氏体不仅强度高, 而且韧性也很好, 表现为含有良好综协力学性能。
37、 钢在回火过程中组织转变？
100℃以上回火（马氏体分解）回火马氏体（残留γ转变200~300℃）回火马氏体或下贝氏体（碳化物转变300~400℃）回火托氏体（渗碳体聚集长大和α相再结晶 400℃以上）回火索氏体
38、 什么是退火, 正火, 淬火, 回火, 以及其目？
退火: （1）完全退火: T: Ac3以上20~30℃。关键用于亚共析钢, 其目是细化晶粒, 降低硬度以改善切削加工性能和消除内应力。得到组织为铁素体+珠光体（2）等温退火: T: “鼻温”。等温退火加热工艺与完全退火相同, 之所以采取等温退火是因为能够有效缩短退火时间, 提升生产效率, 并取得均匀组织和性能。（3）球状退火: T: Ac1以上20~30℃。关键用于过共析钢和合金工具钢, 其目是降低硬度, 均匀组织, 改善切削性能, 为淬火做组织准备, 可取得粒状珠光体。（4）均匀化退火: T: Ac3或Accm以上150~300℃。铸锭或铸件在凝固过程中不可避免要产生枝晶偏析等化学成份不均匀现象, 为达成化学成份均匀化, 必需进行均匀化退火。（5）去应力退火: 关键用来消除因变形加工及铸造、 焊接过程中引发残留内应力, 以提升工件尺寸稳定性, 预防变形和开裂。（6）再结晶退火:T:低于A1关键目是消除加工硬化, 提升塑形, 改善切削加工及成型性能
正火: (1)正火是加热温度在AC3或ACcm以上30度~50度, 即处完全奥氏体化状态, 保温时间确定要确保奥氏体成份大致均匀(2)目: 对于中、 低碳钢来说: ①调整硬度, 消除内应力, 便于机加工②细化组织, 为淬火做组织准备, 或作为追中热处理。对于高碳钢（过共析钢）关键为了消除网状碳化物
淬火: 将钢加热到AC1或AC3以上, 保温时间, 然后快速冷却取得马氏体或下贝氏体组织热处理工艺称为淬火。
淬火加热温度选择应以得到细而均匀奥氏体晶粒为标准, 方便冷却后取得细小马氏体组织, 亚共析钢淬火温度通常为AC3以上30度~50度, 过共析钢淬火加热通常为AC1以上 30度~50度
回火: （1）低温回火: 温度范围在150度~250度之间, 回火目是降低应力和脆性, 取得回火马氏体组织, 使钢含有高硬度、 强度和耐磨性, 低温回火通常见来处理要求高硬度和高耐磨工件, 如工具、 刃具、 量具、 滚动轴承等。（2）中温回火: 温度范围在350度~500度之间, 回火后组织为回火托氏体, 中温回火后含有很高弹性极限, 所以关键用于多种弹簧件。（3）高温回火: 温度范围为500度~650度之间, 得到回火索氏体组织, 高温回火使工件强度, 塑形, 韧性有较高配合, 既含有高综协力学性能。
调质处理: 通常把结构钢淬火加高温回火热处理称为“调质处理”
39、 什么是钢淬透性和淬硬性？决定于什么？
钢淬透性是指钢在淬火时取得马氏体能力, 是钢本身固有属性。钢淬硬性是指淬火后马氏体所能达成最高温度, 关键决定于马氏体碳含量。
40、 什么是回火脆性？
淬火钢回火时冲击韧度并不总是随回火温度升高而简单增加, 有些钢在250度~400度和450度~650度范围内回火时, 其冲击韧度比在低温度回火时还显著下降, 这种现象称为回火脆性, 在250度~400度回火时出现脆性称为低温回火脆性, 而在450度~650度范围内回火出现脆性称为高温回火脆性。
41、 钢化学热处理种类: 渗碳, 渗氮, 碳氮共渗。
42、 合金元素对回火转变影响有哪些？
①提升钢回火稳定性: 碳化物形成元素Si可提升钢低温回火稳定性, 使相同回火温度下合金钢硬度高于碳钢。②组织碳化物析出及聚集长大, 合金元素加入不影响Fe3C型碳化物开始析出温度, 但会降低Fe3C析出速度, 而且当回火温度足够高时, 合金元素本身将参与扩散, 重新分配, 会开始析出特殊碳化物, 此时钢硬度出现回升现象, 称为二次硬化。③合金元素对回火脆性影响, 合金钢比碳钢回火脆性更显著。
43、 钢经典牌号, 热处理工艺, 得到组织, 关键用途？
（1）一般碳素结构钢: Q235和Q345, 通常以热轧空冷状态供给, 不进行专门热处理。Q235: 塑形好, 有一定强度, 用于制造受力不大零件, 如螺钉, 螺母, 垫圈等, 焊接件冲压件及桥梁建筑等金属结构件。Q345: 用于制造桥梁, 车辆, 船舶, 压力容器, 建筑结构。（2）渗碳钢最终热处理是在渗碳后进行, 对于在渗碳温度下仍保持细小奥氏体晶粒, 渗碳后不需要机加工零件, 可在渗碳后直接淬火+低温回火, 如20CrMnTi。而对于渗碳是轻易过热钢种, 如20Cr, 渗碳后应先正火消除热处理组织, 在进行淬火+低温回火。组织心部为低碳回火马氏体, 表面为高碳回火马氏体+合金渗碳体+少许残留奥氏体。经典牌号和用途: 20,20Cr, 用于制造齿轮, 小轴, 活塞等。（3）调质钢最终热处理采取淬火+高温回火, 回火温度为500~650℃, 得到回火索氏体组织, 可在含有良好塑性情况下确保足够强度。为避免回火脆性, 回火后可快冷, 对大尺寸零件可经过加入Mo, W来避免, 经典牌号和用途: 45（碳素调质钢）、 40Cr、 40CrNiMo, 40Cr, 做关键调质件, 如轴类, 连杆螺栓, 进气阀和关键齿轮等。40CrNiMo: 用于制造大截面, 重荷载零件, 如汽轮机主轴, 叶轮, 航空发动机主轴等。（4）弹簧钢。按弹簧加工工艺不一样, 可分为冷成形弹簧和热成形弹簧两种, 对于大型弹簧或复杂形状弹簧, 采取热轧成形后淬火+中温回火, 取得回火托氏体组织, 确保高弹性极限, 疲惫极限以及一定塑韧性。经典牌号: 65Mn（碳素弹簧钢）, 60Si2Mn（5）滚动轴承钢, 最终热处理通常采取淬火（820℃~840℃）+冷处理（-60℃~-80℃）【冷处理: 减小残留γ, 稳定尺寸】+低温回火, 得到回火马氏体+细小均匀分布碳化物+少许残留奥氏体。淬火温度要求十分严格, 过筒会引发γ晶粒长大出现过热, 过低则γ中Cr与C溶解不足, 影响硬度。经典牌号: C1Cr15（含Cr15‰）（6）低合金工具钢, 预备热处理为球化退火, 最终热处理为淬火+低温回火, 其组织为回火马氏体+未溶碳化物+残留奥氏体, 经典牌号与用途: 9SiCr, 用于制造丝锥, 板牙等。（7）碳素工具钢, 预备热处理为球化退火, 目是降低硬度, 改善切削加工性能, 为后面淬火做组织准备, 最终热处理为淬火+低温回火, 淬火温度为780℃, 回火温度为180℃, 组织为回火马氏体+粒状渗碳体+少许残留奥氏体, 经典牌号: T7, T8, T12（8）高速钢, 预备热处理淬火+数次回火, 得到组织为回火马氏体+少许碳化物+未溶碳化物。经典牌号和用途: W18Cr4V, 制作高速切削车刀。高速钢铸造后必需进行球化退火, 数次回火目是为了充足消除残留奥氏体（9）模具刚。冷作模具钢: 淬火+低温回火, Cr12
热作模具刚: 淬火+高温回火, 得到回火索氏体, 取得良好综协力学性能, 5CrNiMo
44、 什么是石墨化？分多个阶段？
铸铁组织中石墨形成过程称为石墨化过程
可分为两个阶段: 石墨化第一阶段, 包含从过共晶铁液中直接析出初生石墨, 在共晶转变过程中共晶石墨及奥氏体冷却析出二次石墨; 石墨化第二阶段, 包含共析转变过程中形成共析石墨。
45、 常见铸铁类型, 经典牌号和用途？
（1） 灰铸铁: 灰铸铁有良好减振性能和耐磨性能, 在干摩擦状态下石墨本身就是润滑剂能起减摩作用, 在有润滑摩擦情况下, 石墨脱落后空洞能够储存和吸附润滑油, 是工作表面保持良好润滑条件, 珠光体灰铸铁强度, 硬度和耐磨性均优于铁素体灰铸铁, 孕育铸铁（HT300, HT350）力学性能是灰铸铁中佼佼者, 孕育铸铁是在浇铸前向铁液中加入少许硅铁、 硅钙粉等孕育剂。进行孕育处理, 使之得到细片状石墨灰铸铁。
经典牌号和用途: HT300, HT350, 索氏体或托氏体为基体。用于制造齿轮, 凸轮, 机床卡盘, 机床机身, 多种泵壳体等。
（2） 可锻铸铁: 利用灰铸铁=优良铸造性能先铸成白口铸铁铸件, 然后经石墨化退火处理, 将Fe3C分解为絮状石墨, 即可取得可锻铸铁
用于制造汽车, 拖拉机前后轿壳, 减速器壳, 转向机构等。
（3） 球墨铸铁: 球墨铸铁与片状石墨和絮状石墨相比, 圆球状石墨对机体割裂和应力集中作用最小, 所以含有良好力学性能, 另外还含有生产周期短, 生产工艺简单, 不受铸件尺寸限制等优点, 产生球墨铸铁时必需要进行脱硫处理, 球化处理（浇铸前必需往铁液中加入能使石墨结晶成球状球化剂）和孕育处理（球化处理后加入石墨化元素而进行处理）
常见基体组织有铁素体, 铁素体+珠光体, 珠光体
另外也可取得贝氏体, 马氏体索氏体和奥氏体等组织
回火马氏体为基体球墨铸铁含有高强度, 高硬度, 以下贝氏体为基球墨铸铁含有良好综协力学性能。
46、 什么是失效, 以及失效关键形式？
机械零件失效是指零件在使用过程中因为某种原所以丧失原设计功效现象, 零件失效形式关键有三种: 即过量变形、 断裂和表面损伤失效。（1）过量变形失效: ①过量弹性变形失效②过量塑性变形失效③蠕变变形失效（2）断裂失效: ①韧性断裂失效②低温脆性断裂失效③疲惫断裂失效④蠕变断裂失效⑤环境破断失效（3）表面损伤失效: ①磨损失效②腐蚀失效③表面疲惫失效
47、 零件选材通常标准: ①使用性能标准②工艺性能标准③经济性与环境保护性标准
48、 经典零件选材及工艺路线？
㈠齿轮类零件
（1） 机床齿轮。通常选择中碳钢, 如45钢。工艺路线: 下料→铸造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火、 低温回火→精磨。（正火:也可选择完全退火, 但正火更经济, 而且得到珠光体组织较细。目: ①调整硬度, 消除内应力, 便于机加工②细化组织, 为淬火做组织准备或作为最终热处理）（调质: 淬火+高温回火得到回火索氏体）（表面淬火、 低温回火: 心部为索氏体组织, 表面得到回火马氏体, 目是使表面含有足够高硬度和耐磨性, 心部含有良好韧性）（2）渗碳齿轮, 可选择20Cr。工艺路线: 下料→铸造→正火→切削加工→渗碳、 淬火及低温回火→喷丸→磨削加工。（渗碳: 使表面含有高强度和耐磨性。淬火: 表面得到高碳马氏体, 心部为低碳马氏体。低温回火: 表面为高碳回火马氏体+少许碳化物+残留γ。喷丸: 提升疲惫强度）
㈡轴类零件, 车床主轴可选45钢
工艺路线: 铸造→正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火+低温回火（轴颈和锥孔处用于提升硬度和耐磨性, 以及消除内应力表面得到低温回火马氏体+少许残留奥氏体）→精磨
㈢工具模钢
（T8, T10,T12)(GCr15,9SiCr,W18)(Cr12,w18Cr4v）
用9SiCr做锯条: 工艺路线: 下料→铸造→球化退火（目: 降低硬度, 均匀组织, 改善切削性能, 为淬火做组织准备）→粗加工→淬火及低温回火（得到高碳马氏体残留奥氏体）→磨削加工