北京科技大学机械工程材料与成形工艺(机械)期末复习总结

工程材料与成形技术基础概念定义原理规律小结

一、材料部分

材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为材料的强度。

材料在外力作用下显现出的塑性变形能力称为材料的塑性。

拉伸过程中,载荷不增加而应变仍在增大的现象称为屈服。拉伸曲线上与此相对应的点应力σ

，

S

称为材料的屈服点。

称为材料的抗拉强度,它表明了试样被拉断前所能承载的最大应力。

拉伸曲线上D点的应力σ

b

硬度是指材料抵抗其他硬物压入其表面的能力,它是衡量材料软硬程度的力学性能指标。一般情况下,材料的硬度越高,其耐磨性就越好。

韧性是指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力,它是材料塑性和强度的综合表现。材料在交变应力作用下发生的断裂现象称为疲劳断裂。疲劳断裂可以在低于材料的屈服强度的应力下发生,断裂前也无明显的塑性变形，而且经常是在没有任何先兆的情况下突然断裂，因此疲劳断裂的后果是十分严重的。

工艺性能是指金属材料接受某种加工过程的难易程度。主要是铸造性能;锻造性；焊接性;热处理性能；切削加工性。

晶体的结构:在晶体中，原子（或分子)按一定的几何规律作周期性地排列;晶体表现出各向异性；具有的凝固点或熔点。而在非晶体中,原子（或分子)是无规则地堆积在一起。常见的有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。体心立方晶格的致密度比面心立方晶格结构的小。

晶体的缺陷（低要求）:１）点缺陷２)线缺陷3)面缺陷

1）点缺陷—空位和间隙原子

在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据,这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子,这种不占有正常的晶格位置,而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。

2）线缺陷—位错

晶体中,某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示,位错密度是指单位体积内,位错线的总长度。

3）面缺陷——晶界和亚晶界

实际金属材料是多晶体材料,则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域,该处晶体的晶格处于畸变状态,能量高于晶粒内部,在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低,晶界容易被腐蚀等。

结晶概念:1、凝固：物质由液态转变成固态的过程;２、结晶：物质由液态转变成固态晶体的过程;3、理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度。（实际液态金属的结晶总是在有过冷度的条件下才进行的。)

金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。

晶粒大小与性能之间的关系:一般情况下,晶粒越小，其强度、塑性、韧度越好。

晶粒大小的控制方法:

1)提高冷却速度，增加过冷度，

2)增加形核的数量,从而细化晶粒;

3) 针对大体积的液态金属进行变质处理或者孕育,加入人工晶核(非自发形核）;

4)采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等，使枝晶破碎。

有些金属(铁、钛等)在固态下,其晶体结构会随温度变化而变化。这种固态金属在一定的温度下,

由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程，称为金属的同素异晶转变。

纯铁的同素异晶转变反应式:

(液体)1５３8℃ (体心) １３9４℃ （面心） 9１２℃ （体

心)

合金：由两种或两种以上的金属、或金属与非金属,经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金

属特性的物质称为合金;合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分称为相。

通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大，强度、硬度升高的现象称为固溶强

化，它是金属材料强化的重要途径之一。(马氏体型转变、合金化)

金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程,

称为金属的结晶过程。金属从一种固态过渡为另一种固态的转变即相变，称为二次结晶或重结晶。

实验证明,在一般的情况下,晶粒长大对材料力学性能不利,使强度、塑性、韧性下降。晶粒越细,

金属的强度、塑性和韧性就越好。因此，晶粒细化是提高金属力学性能的最重要途径之一。

相图：是表示合金在缓慢冷却的平衡状态下相或组织与温度、成分间关系的图形,又称为平衡相

图或状态图。

二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶,并由液相结晶出单相固溶体的相图称为二元

匀晶相图。

在一定温度下,由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。合金系

的两组元在液态下无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶

相图。共晶反应：()1148C

E 3

F A +Fe C C L Ld ???→←???

在一定温度下，已结晶的一定成分的固相与剩余的一定成分的液相发生转变生成另一固相的过程

称为包晶转变。两组元在液态下无限互溶,固态下有限互溶,并发生包晶转变的构成的相图，叫二元包晶相图。

在恒定的温度下,一个有特定成分的固相分解成另外两个与母相成分不相同的固相的转变称为 共析转变,发生共析转变的相图称为共析相图。共析反应：()7273C

S P K A P F Fe C ???→+←??? 铁碳相图:(要掌握）

铁素体-碳溶于α-Fe 中的间隙固溶体，以符号Ｆ表示。体心立方晶格

奥氏体－碳溶于γ-F ｅ中的间隙固溶体,以符号A 表示。面心立方晶格,此时他的硬度,强度因为碳

含量高而提高,塑性和韧性由于晶体结构而很高，所以此时的钢材适合变形，加工。

渗碳体－是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物,分子式为Fe 3Ｃ。强化片

珠光体—是铁素体和一次渗碳体(F+Ｆe3C ）组成的两相机械混合物，常用符号P 表示。是由A ，

稳定高温状态冷却至７2７℃。不同含碳量（0．02－2.1１）的Ａ会先生成P,再根据剩余的C Fe 比例决定生成铁素体还是二次渗碳体。基体为铁素体

莱氏体－是奥氏体和渗碳体(A+Fe3C)组成的两相机械混合物,常用符号L d 表示。是A+L 或是L+一

次渗碳体冷却到1148℃生成。不同含碳量(0.02-2.1１）组分的会先生成L ｄ，再根据剩余的C F ｅ比例决定生成只有Ld 还是加上二次渗碳体。基体为渗碳体

马氏体-是由奥氏体急速冷却(淬火)形成的，很多淬火工艺通过淬火后获得过量的马氏体，然后通

过回火去减少马氏体含量,直到获得合适的组织，从而达到性能要求。

含碳越高，钢强度和硬度越高，而塑性和韧性越低。因钢中增强相Fe3C增多。

含碳超过０.77%，会在晶界析出网状二次渗碳体，钢的强度会降低。

应用:

1．在铸造中应用:

(1）确定钢和铸铁浇注温度；确定其熔化和浇注温度：液相线上50~100℃。共晶熔点低，铸造性能好

(２）判断其流动性好坏和收缩大小。

2.在锻造中应用：

确保钢在奥氏体区内变形。

始锻温度--－--不得过高以免氧化严重。一般在固相线下1００~２０0℃。

终止温度----－也不能过低，以免塑性太差,产生裂纹。一般800℃左右。

3．在热处理中应用：

钢的分类：

按化学成分有：碳素钢和合金钢。

按用途分有：

结构钢、工具钢和特殊性能钢

按质量分有：

普通钢（P≤０.045%,S ≤ 0．0５0%）、

优质钢（P、S均≤0．035%) 、

高级优质钢（P ≤ ０.03５％，Ｓ≤ 0.030%）

按脱氧程度分有：

镇静钢Z,沸腾钢F等。

具体牌号看作业。复习看１7-4

一般机械零件和建筑结构主要选用低碳钢和中碳钢制造。如果需要塑性、韧性好的材料，就应选用碳质量分数小于0．2５%的低碳钢;若需要强度、塑性及韧性都好的材料，应选用碳质量分数为０.3％～０.55％的中碳钢;而一般弹簧应选用碳质量分数为0．６%~０.85％的钢。对于各种工具,主要选用高碳钢来制造,其中需要具有足够的硬度和一定的韧性的冲压工具，可选用碳质量分数为０.7%~0.9%的钢制造；需要具有很高硬度和耐磨性的切削工具和测量工具，一般可选用碳质量分数为１.0％~１.３%的钢制造。

钢在高温时为奥氏体组织,而奥氏体的强度低、塑性好,有利于塑性变形。因此,钢材的轧制或锻压,一般都是选择在奥氏体区的适当温度范围内进行。

热处理过程：加热，保温,冷却

钢在热处理时，首先要将工件加热,使之转变成奥氏体组织,这一过程也称为奥氏体化。奥氏体晶粒越细，其冷却产物的强度、塑性和韧性越好。加热温度不宜太高、时间不宜太长。

组织过程:A晶核形成；A晶核长大;Fe3C溶解于A;A晶粒成分均匀化。

随着合金中碳质量分数的增加，合金的熔点越来越低，所以铸钢的熔化温度与浇注温度都要比铸铁高得多。

共晶成分的铁碳合金,不仅其结晶温度最低,其结晶温度范围亦最小(为零)。因此，共晶合金有良好的铸造性能。

热处理是将金属或合金在固态下经过加热、保温和冷却等三个步骤,以改变其整体或表面的组织,从而获得所需性能的一种工艺。

C曲线(等温转变曲线，也称为“TTT”曲)表明了过冷奥氏体转变温度、转变时间和转变产物之间的关系。左边一条为转变开始线，右边一条为转变终了线。

1．珠光体型转变——高温转变(A１~550℃）：珠光体(P)、索氏体(S）和托氏体(T)。

2．贝氏体型转变——中温转变(55０℃~Ms）下贝氏体强度和硬度高(50—60HRC），并且具有良好的塑性和韧度。

３．马氏体型转变——低温转变(Ms～Mｆ) 马氏体是碳在α-Ｆe中的过饱和固溶体。产生很强的固溶强化效应,使马氏体具有很高的硬度。成分和A无区别

在c曲线的下面还有两条水平线，上面一条为马氏体转变开始的温度线（以Ｍs表示）,下面一条为马氏体转变终了的温度线(以Mf表示）。

过冷奥氏体的连续冷却转变曲线(CCT曲线)Pｓ和Ｐf分别为过冷奥氏体转

变为珠光体的开始线和终了线，两线之间为转变的过度区,KK＇线为转变的终止线,当冷却到达此线时，过冷奥氏体便终止向珠光体的转变，一直冷到Mｓ点又开始发生马氏体转变。

v1相当于炉冷(退火)，转变产物为珠光体。v2和v3相当于以不同速度的空冷(正火)，转变产物为索氏体和托氏体。v４相当于油冷，转变产物为托氏体、马氏体和残余奥氏体。V5相当于水冷,转变产物为马氏体和残留奥氏体。

钢的热处理与表面工艺:

退火：将钢加热到一定温度并保温一定时间.然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。降低硬度、改善切削加工性能，消除残余应力。（炉冷）

完全退火：细化晶粒或是亚共析钢的焊接，锻造，铸造处理

球化退火:使渗碳体球化,为淬火做准备

去应力退火:消除在加工过程中产生的内应力

扩散退火：用于钢锭，铸件，锻件的组织均匀化

正火：将钢加热到Ac3(对于亚共析钢)或A Ccm(对于过共析钢)点以上30-50℃,保温一定时间后,在空气中冷却，从而得到珠光体类组织的热处理工艺。提高钢的强度和硬度。（空冷）可以提升切削性能,细化晶粒，均匀组织。正火处理后钢的性能提高更多

一般，正火优于退火，选择正火更好

淬火是以获得马氏体组织为目的的热处理工艺，最常用的淬火冷却介质是水和油。提高钢的硬度和耐磨性；获得优异综合力学性能。（油冷和水冷）

回火:将淬火钢重新加热到Ac１以下某一温度,经适当保温后冷却到室温的热处理工艺。(用于减少马氏体的含量，淬火后基本都要回火）

调质处理:淬火＋高温回火。调质处理得到的是回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。力学性能与正火相比,不仅强度高,而且塑性和韧性也较好。（交变载荷和动载荷使用）工艺链：

?毛坯——正火（退火）——粗加工——调质——精加工/半精加工——(有需要）表面淬火+低温回火——磨削加工

冷处理：把淬冷至室温的钢继续冷却到-７０—80℃（或更低的温度）保持一段时间，使残余奥氏体转变为马氏体。

时效：将淬火后的金属工件，置于室温或低温加热下保持适当时间，以提高金属强度(和硬度)的热处理工艺。

表面淬火：将工件表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。表面硬度高、耐磨性好，而心部韧性好。

化学热处理：将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人工件表层,改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。主要目的是提高工件的表面硬度、耐磨性以及疲劳强度,有时也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性。

可控气氛热处理：向炉内通人一种或几种一定成分的气体，通过对这些气体成分的控制,使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳。

形变热处理:将形变与相变结合在一起的一种热处理新工艺。能获得形变强化与相变强化的综合作,是一种既可以提高强度，又可以改善塑性和韧性的最有效的方法。

激光热处理:(1)激光加热表面淬火;（2）激光表面合金化。

气相沉积技术:利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在工件表面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。

钢的牌号:普通碳素结构钢如Q2３5—A。

优质碳素结构钢:两位数字表示平均碳质量分数，单位为万分之一如钢号４５。

碳素工具钢：“Ｔ”后跟碳质量分数的千分之几如“T８”。

铸钢ZＧ270--500表示屈服强度为27０MPａ、抗拉强度为5００MＰa的铸钢。

合金结构钢该类钢的钢号由“数字+合金元素+数字”三部分组成。前两位数字表示钢中平均碳质量分数的万分之几；合金元素用化学元素符号表示，元素符号后面的数字表示该元素平均质量分数。当其平均质量分数<1.5％时,一般只标出元素符号而不标数字。

合金工具钢：编号前用一位数字表示平均碳质量分数的千分数,如９ＣｒＳi钢，表示平均碳质量分数为０．9％(当平均碳质量分数≥1%时，不标出其碳质量分数）,合金元素Cｒ、Si的平均质量分数都小于１.5％的合金工具钢。高速钢(高合金工具钢）的钢号中一般不标出碳质量分数,仅标出