机械工程材料总复习资料

机械工程材料复习

第一部分 基本知识

一、概述

⒈目的

掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（性能和改性方法是重点）。 具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料； 具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力。 ⒉复习方法

以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用” 之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习。

二、材料结构与性能： ⒈材料的性能：

①使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）； ②工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。

⒉材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构（第二章）； 纯金属：体心立方（e F -α）、面心立方（e F -γ），各向异性、强度、硬度低；塑性、韧性高

实际金属：晶体缺陷（点：间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）→各向同性；强度、硬度增高；塑性、韧性降低。

合金：多组元、固溶体与化合物。力学性能优于纯金属。

单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成；纯铁由单相铁素体组成。 多相合金组织：由两个以上固相组成的合金。

多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。

⒊材料的组织结构与性能

⑴。结晶组织与性能：F 、P 、A 、Fe3C 、Ld ；

1）平衡结晶组织

平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒内部的成分均匀，并一直保留到室温。

2）成分、组织对性能的影响

①硬度(HBS)：随C ﹪↑,硬度呈直线增加， HBS 值主要取决于组成相C F e3的相对量。 ②抗拉强度(b σ)：C ﹪＜0.9%范围内，先增加，C ﹪＞0.9～1.0％后，b σ值显著下降。 ③钢的塑性(δ

?)、韧性(k a )：随着C ﹪↑,呈非直线形下降。

3）硬而脆的化合物对性能的影响：

第二相强化：硬而脆的化合物，

若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降；

若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及切削加工性提高；

呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化；

呈层片状分布于基体上：则使强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。 ⑵。塑性变形组织与性能

1）组织与性能的变化

金属塑性变形后产生晶格畸变，晶粒破碎现象，处于组织不稳定状态的非平衡组织，

非平衡组织向平衡组织转变：可通过再结晶、时效及回火实现。

加工硬化，物电阻增大、耐蚀性降低等，各向异性：

产生纤维状组织；晶粒破碎、位错密度增加；织构现象的产生；残余内应力。

2)变形金属在加热过程中组织和性能的变化

回复（去应力退火）：强度和硬度略有下降，塑性略有提高。电阻和内应力等理化性能显著下降再结晶：形成细小的等轴晶粒。加工硬化消失，金属的性能全部恢复。金属的强度和硬度明显↓，而塑性和韧性显著↑，性能完全恢复到变形前的水平。

⑶。热处理组织与性能

1)贝氏体的机械性能：

上贝氏体：铁素体片较宽．塑性变形抗力较低；同时，渗碳体分布在铁素体片之间，容易引起脆断．因此，强度和韧性都较差。

下贝氏体：铁素体针细小，碳化物分布均匀，所以硬度高，韧性好，综合机械性能好。

2)马氏体的形态及机械性能

①．板条马氏体（又称位错马氏体。）：碳含量＜0.23％；

机械性能：不存在显微裂纹，淬火应力小，强度高，塑性、韧性好。

②．针状马氏体：碳含量＞1.0％；（显微镜下呈针状）

机械性能：存在大量显微裂纹，较大的淬火应力，塑性和韧性均很差；

③．混合组织马氏体：碳含量在0.23％一1.0％之间时．为板条和片状马氏体的混合组织。

④．马氏体的硬度,含碳最增加，硬度升高．含碳量达到0.6％以后，其硬度的变化趋于平缓。

⑤合金元素对钢中马氏体的硬度影响不大。

3）回火组织与性能

回火类型回火温度组织性能及应用组织形态

低温回火150~250回火M（M’）

保持高硬度，降低脆性

及残余应力，用于工模具钢，

表面淬火及渗碳淬火件

过饱和α＋ε碳化物(C

F

ex

)

中温回火350-500

回火屈氏体

（T’）

硬度下降，韧性、弹性

极限和屈服强度↑，用于弹

性元件

保留马氏体针形F+细粒状Fe3C 高温回火500-650

回火索氏体

（S’）

强度、硬度、塑性、韧

性、良好综合机械性能，优

于正火得到的组织。中碳钢、

重要零件采用。

多边形F+粒状Fe3C

⒋材料组织结构变化实现的性能强化：

固溶强化：通过合金化(加入合金元素)组成固溶体，使金属材料得到强化称为固溶强化；

细晶强化：强度、硬度越高；其塑性、韧性越好。晶界处原子排列混乱，使其熔点低，易受腐蚀。由结晶过程、冷热塑性变形、合金化、热处理实现。

加工硬化：使晶粒碎化、晶粒拉长、位错密度增加，从而使强度、硬度增加，塑性、韧性、耐蚀性等下降，并产生各向异性。冷塑性变形实现。

第二相强化：硬而脆的化合物（Fe3C），若呈网状分布：则使强度、塑性下降；

若呈球状、粒状（球墨铸铁）：使韧性及切削加工性提高；

呈弥散分布于基体上：使强度、硬度增加，塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化；

呈层片状分布于基体上：强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降。

形变强化：金属材料经冷加工塑性变形可以提高其强度；

相变强化：通过热处理等手段发生固态相变，获得需要的组织结构，使金属材料得到强化。

三、材料热处理、合金化与性能

⒈改善材料成形加工组织与性能的热处理工艺（预先热处理）

⑴退火：完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火

退火：加热＋保温＋缓冷获得接近平衡状态组织。

退火目的：改善铸、锻、焊粗大不均匀的组织，降硬度，提高塑性，改善冷加工工艺性。

消除成分不均匀，内应力。

1）完全退火（加热A c3＋（20～30℃）温度，保温、缓冷

组织：P+F

目的：①细化，均匀化粗大、的原始组织；②降低硬度→切削性↑；③消除内应力；消除组织缺陷；

应用：（C%=0.3～0.6%）亚共折钢，共析钢和合金钢铸、锻、轧

2）球化退火

加热A c1＋（10～30℃），保温、缓冷（或A r1－（20～30℃）等温）

应用：过，共析钢、高碳合金钢

组织：球状P（F+球状Cem）

目的：①F e3C II及F e3C共析球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑

②为淬火作准备；球化退火前，正火处理，消除网状碳化物，以利于球化进行。

3）扩散退火

加热1050～1150℃，保温10～20h,冷却：炉冷

组织：P+F或P+Fe3C II

目的：消除偏析

后果：粗晶、魏氏组织、带状组织，韧性、塑性较差，需完全退火或正火来细化晶粒。

4）去应力退火（再结晶退火）

加热：Ac1－（100～200）℃；保温＋炉冷；

目的：消除加工硬化，消除残余应力。

⑵正火

正火：亚共析加热Ac3＋（30～50℃）、

过共析钢加热Accm＋（30～50℃）保温＋空冷，得到P类工艺。

组织：S或P（F＋Fe3C）

正火与完全退火的区别：冷速较快，组织较细，得更高的强度和硬度；生产周期较短，成本较低。

目的及应用：预先热处理、最终热处理、改善切削加工性能。

⒉预先热处理工艺应用

工具钢：球化退火；结构钢：正火，完全退火。表面强化处理的零件：调质处理正火。

⑴改善冷塑性加工性能

再结晶退火：恢复变形前的组织与性能，恢复塑性，以便继续变形。

⑵改善机加工性能

C%＜0.40％中低碳钢：正火，提高硬度

C%＝0.4O％～0.60％：完全退火；

C%＞0.6％的高碳钢：球化退火，获得粒状珠光体。

合金钢：退火：

铸铁件白口层：加热850～950℃＋保温＋（炉冷＋空冷）。

⑶消除材料的加工应力

去应力退火：没有组织变化。

工艺：缓慢加热500～650℃＋保温＋缓冷，

⒊钢铁的淬火

⑴淬火原则与淬透性

目的：提高硬度、强度、耐磨性。

原则：①淬硬，获尽量完全的M；②淬透，M组织表里如一；③保证淬硬条件下，用缓冷介质，

以防开裂。

⑴. 淬透性：在规定淬火条件下得到M多少的能力，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性；是钢的

V的大小。

属性。由A过稳定性决定，表现为

K

淬透性评定：用标准试样在规定条件下淬火，能淬透的深度或全部淬透的最大直径表示。

⑵.淬透层深度：从表面至半M区的距离。与钢的淬透性及外在因素有关。

V越小，淬透层越深；II．工件体积越小，淬火时的冷速越快，淬透层越深；Ⅲ。

影响因素：I．

K

水淬比油淬的淬透层深；

⑶.淬硬性：由M中C%↑，钢的淬硬性越好。

⒋淬火工艺

⑴淬火加热温度

A＋（30～50℃），组织：均匀细小M组织

①亚共析碳钢：

C3

A时，硬度降低。

温度太高，M粗大，淬火应力，变形和开裂倾向增大。加热温度＜

C3

②共析和过共析碳钢：

A＋（30～50℃）。组织：M＋F e3C II＋A r，

加热：

C1

A～A cm以上淬火，→A粗大→高碳M粗大→力学性能↓，变形开裂↑若在

C1

③合金钢：加热温度＞碳钢

⑵淬火方法

①单介质淬：简单碳钢及合金钢工件。碳钢水、合金钢、小碳钢油

②双介质淬火先水，后油冷却。复杂高碳钢及大型合金钢工件。

③分级淬火稍高于M s的盐浴或碱浴中保温，再取空冷。用于：小尺寸工件及刀具。

④贝氏体等温淬火：

稍高M s温度的盐浴或碱浴中冷却＋保温，获得B下。用于：形状复杂和性能较高的较小零件。

⑤深冷处理：在0℃以下的介质中冷却的热处理工艺。

目的：减少A r获最大数量M，提高硬度、耐磨性，稳定尺寸。

用于：精密工件，量具。

⒌表面淬火

⑴原理：（交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表面加热）

工艺：水（乳化液）喷射淬火＋（180～200℃）低温回火， ⑵感应加热表面淬火的分类

1)高频淬火 淬硬层深度0.5～2.5㎜；中小零件。

2)中频淬火 淬硬层深度2～10㎜；大中模数齿轮,较大轴类零件等 3)工频淬火： 淬硬层深度10～20㎜；大直径零件。

⑶适用钢种 ①中碳钢和中碳低合金钢： ②碳素工具钢和低合金工具钢： ③ 球铁、灰铸铁。 ⑷表面淬火的特点 ①加热速度快

②)淬火组织为细隐晶马氏体（极细马氏体）。表面硬度↑2～3HRC ，脆性↓。 ③显著提高钢件的疲劳强度。

⒍钢的化学热处理

化学热处理：在加热和保温中使活性原子渗入其表面，改变表面的化学成分和组织，改善表面性能。 目的：提高表面硬度，耐磨性，心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性；提高钢件的疲劳强度；抗蚀性和耐热性等。

⑴渗碳

1）碳浓度：表面C(0.15％～0.30％)→C 1.0％，

机械性能：经淬火＋回火，提高表面硬度、耐磨性及疲劳强度，心部仍保持良好的韧性和塑性。 用途：各种齿轮、活塞销、套筒等。渗碳工艺主要用于低碳钢、低碳低合金渗碳钢。 2）渗碳工艺

温度： 900～950℃；（渗碳加热到3C A 以上） 渗碳时间： 900～950℃温度下，0.2～0.3mm/h 。 3）低碳钢渗碳缓冷组织： 表层：P ＋Fe3C II (过共析相) 心部：亚共析组织(P ＋F)， 中间：过渡组织； 4）渗碳后的热处理 ①渗碳后淬火+低温回火 淬火后组织： M ＋A 残，

⒎钢的合金化

合金元素在钢中的作用：提高钢的淬透性，细化晶粒，提高钢的回火稳定性，防止回火脆性，二次硬化，固溶强化，第二相强化（弥散强化），增加韧性，提高钢的耐蚀性或耐热性。

⑴形成固溶体、产生固溶强化

⑵形成含部分金属键的金属（间）化合物，产生弥散强化（或第二相强化）

⑶溶入奥氏体，提高钢的淬透性

⑷提高钢的热稳定性，增加钢在高温下的强度、硬度和耐磨性

⑸细化晶粒．产生细晶强韧化

⑹形成钝化保护膜

⑺对奥氏体和铁素体存在范围的影响

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第二部分考试知识

第一章金属的机械性能（了解）

1．低碳钢的拉伸图

2．材料的性能：强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性。

第二章材料的组成和内部结构特征

⒈掌握概念（名词解释）：

固溶体、固溶强化、枝晶偏析、A、F、P、F e3C;

⒉合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物

⑴固溶体：产生晶格畸变，增加晶体位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，使金属得到强化。

⑵金属化合物：熔点、硬度高、脆性大。碳钢中的Fe3C。对钢的强度和耐磨性有重要的作用。

⑶金属化合物对固溶体基体的强化作用：

弥散硬化：当金属间化合物以极小的粒子均匀分布在固溶体基体上通常能提高合金的强度、硬度以及耐磨性，但会降低合金的塑性和韧性。

⒊掌握铁碳相图基本知识：

⑴正确填写铁碳相图的相组成物相图

⑵两条水平线是什么线，能写出反应式，解释共晶、共析反应。

⑶正确填写铁碳相图的组织组成物相图

第3章工程材料成型过程中的行为与性能变化

掌握概念：冷加工、热加工、回复、再结晶，加工硬化

⒈掌握金属的凝固

⑴纯金属的结晶：由晶核的形成和长大这两个基本过程组成；晶核的形成：存在有两种方式，即自发形核和非自发形核；晶体长大的形态：有平面推进、树枝状生长两种；金属结晶过程缺陷的产生：缩孔

和疏松，液体供应不充分，最后凝固的树枝晶之间的间隙不能被填满，将形成缩孔和疏松等缺陷。

⑵合金结晶的特点：合金结晶时有相的变化、成分变化，有成分偏析，它将引起铸件力学性能恶化和抗腐蚀性能降低。

⑶晶粒大小和控制：控制过冷度、加入形核剂、机械方法（振动与搅拌）

⒉掌握铸造过程中的材料行为及性能变化

⑴铸锭组织：表面细晶粒层、柱状晶粒层、中心等轴晶粒区

⑵铸锭结构中主要的缺陷。

①缩孔与缩松

集中的缩孔：金属凝固时体积要收缩，如果得不到液体的补充，就会形成缩孔。

缩松（分散性缩孔）：树枝晶结晶时不能保证液体的补给而在枝晶间和枝晶内形成细小而分散的缩孔。

②气孔

③非金属夹杂物

外来非金属夹杂物由冶炼、浇铸过程中炉衬、型壁材料等脱落进人铸锭带来；

金属内部各种化学反应生成，非金属夹杂物很大的脆性，破坏金属晶体的连续性，促进裂纹的萌生和扩展削弱金属的机械性能。

④成分偏析

枝晶偏析（微观偏析）：局限于一个或几个晶粒尺寸范围内的偏析。可用扩散退火的方法来消除宏观偏折（或域偏析）：同一铸件中，表面和中心、上层和下层的化学成分也可能存在不均匀，这种较大尺寸范围内出现的偏析。

消除枝晶偏析：扩散退火或均匀化退火→把有枝晶偏析的合金加热到高温，长时间保温，使固溶体中原子充分扩散．以达到成分的均匀化。

⒊掌握冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化

冷塑性变形对金属组织与性能的影响

冷塑性变形金属加热时组织与性能的变化

⒋掌握热塑性变形过程中的材料行为及性能变化

金属的热加工和冷加工

热塑性变形对金属组织和性能的影响

第4章改善材料性能的热处理、合金化及改性

⒈掌握概念：P、S、T、B、M、S回、T回、M回、、完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、

正火、淬火、淬透性、淬硬性、表面淬火、渗碳、调质。

⒉掌握金属材料在加热与冷却过程中的主要变化

⑴钢在加热时的转变（奥氏体的形成）

⒈）转变温度

共析钢：加热超过PSK线（A1）时，完全转变为奥氏体，

平衡状态下亚共析钢：必须加热到GS线（A3）以上

过共析钢：必须加热到ES线（A CM）以上，才能全部获得奥氏体。

⒉）奥氏体的形成：晶核形成、晶核长大、剩余渗碳体溶解、奥氏体成分均匀化四个基本过程。

⒊）影响奥氏体转变的因素

①加热温度：提高加热温度，加速了奥氏体的形成。

②加热速度：加热速度越快，缩短奥氏体的形成时间。

③．钢中碳含量：碳含量增加时，转变速度加快。

④．合金元素：大部分合余元素加入钢中，减慢了奥氏体的形成速度。

⑤．原始组织：片状珠光体奥氏体形核长大快＞粒状珠光体。

⑵、钢的冷却转变（等温冷却）：共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和特性

1）珠光体类转变组织：(高温转变区)，在A1～550℃之间

2）贝氏体转变(中温转变)：

转变温度：在550℃～Ms：之间，

550℃~350

℃

上贝氏体半扩散型，Fe不扩散，C原子有一定的扩散能力羽毛状碳化物在F间，韧性差

350℃~MS下贝氏体C原子有一定的扩散能力针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好3）.低温转变：（马氏体转变）：温度Ms～Mf，马氏体转变区

⑷、钢的冷却转变（连续冷却）

1） 转变产物：

①冷却速度＞k V 时，钢将转变为M+A 残

②冷却速度＜'k V 时，钢将全部转变为P 类 ③冷却速度≈k V ～'k V 之间(例如油冷)时：M+A

残

+T

⒊掌握钢在回火时的转变

1）回火目的：

①获得所需要的机械性能， ②稳定组织和尺寸： ③消除内应力：

2） 回火后组织

低温回火： 150～250℃，得M 回。 目的：降低内应力和脆性，保持淬火后的高硬度

中温回火：350～500℃。回火组织为T 回，

目的：较高的弹性极限和屈服强度，并有一定的韧性。硬度 高温回火：500～650℃。回火组织：S 回，

性能特点：保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。 用于：各种重要的结构零件 调质处理：淬火＋高温回火。 用于：重要结构件。

高速钢：需要进行2－3次回火，使组织充分转变。

第5章 常用金属材料及性能

基本要求

熟悉工业用钢、铸铁的分类和编号方法，从其牌号即可判断其种类、大致化学成分、主要性能特点、常用热处理工艺选择、使用态组织、典型用途及相应组织，

⒈ 熟悉碳钢：

普通碳素结构钢 Q215、Q235等； 优质碳素结构钢 20、45、60等； 碳素工具钢 T8、T10、