机械工程材料考试重点

一材料的力学性能：材料在载荷作用下所表现出来的行为，通过不同的标准试验测定的相关参量的临界值或规定值

1强度：材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力

屈服极限σs：材料产生屈服现象的极限应力值

条件屈服强度σ0.2：若材料无明显屈服现象，以残余变形量达到0.2%的应力值来表征材料塑性变形的抗力 抗拉强度σb：在受力过程中能承受的最大载荷处对应的应力值

2刚度：在弹性变形阶段，应力与应变的比值

3弹性：用来描述外力作用下材料发生弹性行为的综合性能指标

4塑性：材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力

5硬度：反映材料软硬程度的性能指标，表示材料表面局部区域内抵抗变形或破坏的能力

布氏硬度HBW：用直径D的硬质合金球，以相应的实验载荷F压入试样表面，经规定保持时间，卸载后测量试样表面的压痕直径d计算出压痕球冠形表面积，进而的到所承受的平均应力值。

优点：压痕面积大二测量结果误差小，与强度之间有较好的对应关系，有代表性和重复性。

缺点：不适于成品零件和薄而小的零件：测试过程相对费事，不适于大批量成产的零件检验

洛氏硬度HRC：以120°角金刚石压头压入材料表面，按压痕深度衡量硬度值。

优点：操作迅速简便，压痕较小，几乎不损伤工件表面

缺点：代表性、重复性较差，数据分散度较大

6韧性：材料在塑性变形和断裂的全过程吸收能量的能力，是强度和塑性的综合表现

冲击韧度ak：材料在冲击加载下吸收塑性变形功的断裂功的能力

7疲劳强度：σ-1：材料经受多次对称循环交变应力作用而不发生破坏的最大应力值

二晶格：通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。

晶胞：由于晶体中原子规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论 通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞。

晶格常数：棱边长度a、b、c

金属晶体结构

体心立方：Cr 面心立方：Cu、Ni、Al 密排六方

点缺陷：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。占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子。

线缺陷：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。

面缺陷：晶界：不同取向晶粒之间的接触面。亚晶界：亚晶粒之间的界面。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图），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。

课后题：7多晶体无明显的各向异性：各个晶粒的位向都是散乱无序分布的，晶体的各个性能在各个方向上互相影响，在加上晶界的作用，掩盖了每个晶粒的各向异性。

三结晶晶粒大小及其控制：形核率越大，长大速度越小，晶粒越细小。

方法：1控制过冷度：增加过冷度可以提高形核率。适用于小件、薄件2变质处理：在浇注前向液态金属中加入变质剂，以细化晶粒或改善组织（增加了晶核数目）3震动处理：在结晶过程中的液态金属输入一定频率的振动波，折断树枝晶臂，提高形核率

体心立方 面心立方 体心立方

同素异构转变是在固态下完成晶格转变的，属于二次结晶（重结晶）

合金相结构：合金的相是指合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面互相分开的各个均匀组成部分。

1固溶体：溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相

分类：按溶剂原子在金属溶剂晶格中的位置：置换固溶体、间隙固溶体；按溶质原子在金属溶剂中的溶解度：有限固溶体、无限固溶体

2金属化合物:金属组元之间发生相互作用形成一种新相，又称中间相，其晶格类型和特性不同于其中任意组元 分类：正价化合物：具有严格的化学比，成分固定不变，可用确定的化学式表示，具有较高的硬度和脆性

电子化合物：主要以金属件结合，具有明显的金属特性，熔点和硬度很高，韧性较差，在许多有色金属中做强化相

间隙相和间隙化合物：具有金属特性和高的熔点、高的硬度

匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶的二元合金相图

特点：1. 与纯金属一样, α 固溶体从液相中结晶出来的过程中, 也包括有生核与长大两个过程, 但固溶体更趋于呈树枝状长大2. 固溶体结晶在一个温度区间内进行, 即为一个变温结晶过程。3. 在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即Ni含量)是确定的。 4. 在两相区内, 温度一定时, 两相的重量比是一定的。

杠杆定律：

成分偏析：如果冷却较快, 原子扩散不能充分进行, 则形成成分不均匀的固溶体。先结晶的树枝晶轴含高熔点组

元较多, 后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元较多。结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均。这种现象称为枝晶偏析。均匀化退火：生产上常把合金加热到高温(低于固相线100℃左右), 并进行长时间保温, 使原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体, 这种处理称为均匀化退火。

共晶相图：两组元在液态时无限互溶、固态时有限互溶，并发生共晶转变形成共晶组织的二元系相图

细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。在常温下，细晶粒金属晶界多，晶界处晶粒扭曲畸变，提高了塑性变形的抗力，使其强度硬度提高。细晶粒金属晶粒数目多，变形可均匀分布在许多晶粒上，使其塑性、韧性好。 固溶强化：由于溶质原子溶入基体中形成固溶体而使其强度硬度升高的现象。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而加大，溶质原子与溶剂原子的尺寸相差越大，引起的晶格畸也越严重。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变得更加困难，提高了金属的强度和硬度

课后：2低温浇注的晶粒小于高温浇注

6固溶体：铁素体（体心立方）、奥氏体（面心立方），单相，塑性、韧性好，强度硬度不高

金属化合物：渗碳体（不同于任一组元），单相，熔点高，塑性、韧性几乎为零，强度高

机械混合物：工业纯铁，多相（>1），硬度高，塑性韧性好，综合力学性能较好

7铸造金属常选用接近共晶成分的合金：共晶成分的合金流动性好；

进行压力加工常选用单相固溶体成分的合金：单相固溶体合金的塑性、韧性好

四

纤维组织：晶体变形量很大时，各晶粒伸长，晶界变得模糊不清，各晶粒难以分辨，而呈现形如纤维状的条纹，称之为纤维组织。

加工硬化：随着变形程度的增加，金属的强度、硬度显著提高，而塑性、韧性显著下降的现象。

原因：与位错密度增大有关。随着冷塑性变形的进行，亚结构细化，位错密度大大增加，位错间距越来越小，晶格畸变程度也急剧增大：位错间的交互作用加剧，使位错运动的阻力增大，引起变形阻力增加。这样金属的塑性变形就变得困难，要继续变形就得增大外力。

再结晶:冷变形的金属材料加热到足够的温度时,通过新晶核的形成及长大，最终形成无应变的新晶粒组织的过程 再结晶温度 TR=0.4Tm , Tm为熔点温度，单位均为K

再结晶晶粒大小影响因素：①变形程度；②原始晶粒尺寸；③杂质与合金元素；④退火温度。

金属强化机制：①固溶强化：由于溶质原子溶入基体中形成固体而使其强度、硬度升高的现象②细晶强化：晶粒

越细，晶界越多，晶体的强化效果越显著；③弥散强化（沉淀强化）：固溶体作基体和少量化合物所构成的混合物中，化合物的的合理存在使得混合组织的强度、硬度提高，而塑性、韧性受到一定损害；④错位强化。 热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。例如钢材的热锻和热轧。

课后：4在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。

答：1强度高：晶界越多，越难滑移；2塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中；3韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。

6：成产中加长的精密丝杠时，常在半加工后，将丝杠吊挂起来，并用木锤沿全长轻敲几遍，再吊挂7—15天，然后精加工，目的、原因：用敲击的方式消除残余内应力

8钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（0.4～0.5)×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（0.4～0.5)×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃ 所以W在1000

℃时为冷

加工，Sn在室温下为热加工

1、 五中渗碳体比较

2、 计算室温下Wc=0.2%与Wc=1.2%的钢中组织组成物的相对含量与相组成物的相对含量。

解：⑴Wc=0.2%时

①组织组成物相对含量

WF=（0.77—0.2）/（0.77—0.0218）×100%=76.2%

WP=1—WF=23.8%

②相组成物相对含量

WF=（6.99—0.2）/6.99×100%=97%

WFe3C=1—WF=3%

⑵Wc=1.2%时

①组织组成物相对含量

WF=（2.11—1.2）/（2.11—0。77）×100%=%

WP=1—WF=%

②相组成物相对含量

WF=（6.99—1.2）/6.99×100%=82%

WFe3C=1—WF=18%

3、 某仓库中积压了许多退火状态的碳钢，由于钢材混杂不知其化学成分，现找出一根，经金相分析后发现组织

为珠光体和铁素体，其中珠光体占75％。问此钢的碳含量大约为多少？

答：Wc＝75％＝（x—0.77）／（0.77－0.0218）×100%

∴X＝0.5775％

第五章复习

1.铁素体 ( F ) 碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。

溶碳能力极低：727℃为0.0218％，室温为0.0008％

性能：强度、硬度低，塑性、韧性好

2.奥氏体 ( A ) 碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。

溶碳能力：1148℃为2.11％

性能：强度低，塑性好，只存在于727 ℃以上。

3. 渗碳体 ( Fe3C ):铁与碳形成的金属化合物。

性能：硬度很高，塑性和韧性几乎为零。

4.珠光体 ( P )铁素体和渗碳体组成的机械混合物。两相呈片层相间分布，

综合机械性能好。

5.莱氏体 ( Ld )奥氏体（或珠光体）和渗碳体组成的机械混合物。成蜂窝状，以渗碳体为基础性能硬而脆。 6

、Fe - Fe3C 相图

上图中有5个单相区、7个双相区、3个三相区

HJB线：包晶转变反应式:

LB + H 反应得到AJ (条件是1495℃)

ECF线：共晶转变反应式:

LC 在1148℃条件下得到 ( AE + Fe3C )

PSK线：共析转变反应式:

AS 在727℃条件下得到 ( FP + Fe3C )

7、

上图改正：工业纯铁的室温组织为铁素体+三次渗碳体（F+Fe3C|||）

六

奥氏体的形成：共析钢加热到Ac1以上时，珠光体将转变为奥氏体。这包括奥氏体晶核的形成、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解及奥氏体成分的均匀化四个基本过程。亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同, 但必须加热到Ac3 （亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上时才获得单一的奥氏体组织。

影响奥氏体形成的因素：加热时间、加热速度、钢的成分、原始组织。

奥氏体晶粒度:起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

实际晶粒度:某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度，它决定钢的性能。

加热产生的缺陷：氧化、脱碳、过热、过烧。

马氏体转变特点：在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变( Fe、C原子均不扩散 ),M与原A的成分相同；转变不完全性, QM = f ( T )。

等温转变曲线右移：1.碳含量的增加

2.奥氏体中含合金元素的影响:除Co所有合金元素溶入奥氏体中,会引起图像右移。

3.加热温度越高, 保温时间越长,碳化物溶解充分, 奥氏体成分均匀,提高了过冷奥氏体定

性, 从而使 TTT曲线向右移。

连续冷却：冷却速度大于Vk时，连续冷却转变得到马氏体组织；当冷却速度小于Vk′时，连续冷却转变得到珠

光体组织；而冷却速度大于Vk′而小于Vk时，连续冷却转变将得到珠光体＋马氏体组织。

一般零件生产的工艺路线:毛坯生产 预备热处理 机械加工 最终热处理 机械精加工

热处理：将金属或合金在固态下进行加热、保温、冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺 预备热处理 : 退火 ; 正火 最终热处理 : 淬火 ; 回火

退火 : 将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡态组织的热处理工艺 完全退火：将钢完全奥氏体化后，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。目的：细化组织，降低硬度，改善可加工性，去除内应力。适用于：亚共析成分的中碳（合金）钢的铸件、锻件、轧制件、焊接件

等温退火：将钢件或毛坯加热到高于Ac3温度，保温后，较快的冷却到珠光体转变区的某一温度并等温，使奥氏体转变为珠光体型组织，再在空气中冷却至室温。目的

：同上。适用于：高碳钢、中碳合金钢、渗碳处理后的低

碳合金钢、某些高合金钢的大型铸件、锻件、冲压件

球化退火：将工件加热到Ac1±10-20度，保温后等温冷却或缓慢冷却，使钢中未溶碳化物球状化而进行的热处理。目的：降低硬度，提高塑性，改善可加工性，获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火做组织准备。适用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件

均匀化退火：加热到Ac3+150-200度长时间保温后冷却，在不致使奥氏体晶粒过于粗化的条件下应尽量提高加热温度以利于化学成分的均匀化。目的:减轻金属铸件或锻坯的化学成分偏析和组织不均匀性。适用于：优质合金钢、偏析较严重的合金钢铸件

去应力退火：加热至Ac1-100-200度保温后缓慢冷却。目的：去除残余应力

正火: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却的热处理工艺。目的: 调整锻件和铸钢件的硬度，细化晶粒，消除网状渗碳体并为淬火做好组织准备

淬火: 把零件加热到临界温度以上30 ～ 50℃,保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。目的: 为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。

回火: 把淬硬后的零件重新加温到Ac1线以下某一温度,保温一段时间后冷却到室温的工艺。目的: 降低脆性、消除或降低残留应力；赋予工件所要求的力学性能；稳定工件尺寸

低温回火：获得回火马氏体。目的：保持高硬度、高耐磨性的同时降低淬火应力和脆性。适用于：高碳钢、合金钢制作的各类刀具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件。

中温回火：获得回火托氏体。目的：获得较高的弹性极限、屈服强度，改善塑性、韧性。适用于：弹簧、锻模 高温回火：得到回火索式体。目的：降低强度、硬度、耐磨性的前提下，提高塑性、韧性，较好综合力学性能。适用于：中碳钢结构零件

回火脆性：低温回火脆性淬火钢在250℃～350℃范围内回火时出现的脆性叫做低温回火脆性，也叫第一类回火脆性。几乎所有的钢都存在这类脆性。这是一种不可逆回火脆性，目前尚无有效办法完全消除这类回火脆性。所以一般都不在250℃～350℃这个温度范围内回火。

高温回火脆性淬火钢在500℃～650℃范围内回火时出现的脆性称为高温回火脆性，也称为第二类回火脆性。这种脆性主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的结构钢中。这种脆性与加热、冷却条件有关。加热至600℃以上后，以缓慢的冷却速度通过脆化温度区时，出现脆性；快速通过脆化区时，则不出现脆性。此类回火 脆性是可逆的，在出现第二类回火脆性后，重新加热至600℃以上快冷，可消除脆性，也可加入W,钼元素。 钢的表面热处理：工艺使零件具有“表硬里韧”的力学性能

七通常所指的钢铁材料是钢和铸铁的总称，指所有的铁碳合金。

碳钢是含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。常用的碳钢碳含量一般都小于1.3%，其强度和韧性均较好。 合金钢是在碳钢的基础上，添加某些合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金

按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为普通钢、优质钢和高级优质钢三类。

按所用炼钢炉不同，分为平炉钢、转炉钢和电炉钢

按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。

P — 有很强的固溶强化作用,低温韧性差 ( 冷脆 )。在炮弹钢中，含磷量高，其目的在于提高钢的脆性，增加弹片的碎化程度，提高炮弹的杀伤力。

S —硫在钢中以FeS的形式存在。FeS和Fe能形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS+ Fe），当钢在1000-1200℃进行轧制时，分布在奥氏体晶界上的共晶体（FeS+ Fe）处于熔化状态而使钢材被轧裂，这种现象称为钢的“热脆性”。 N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化，即使钢的强度、硬度提高，而塑性、韧性指标下降 。 加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。

O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。

H：氢常以原子态或分子态存于钢中。由于钢在液态下吸收大量的氢，冷却后又来不及析出，就聚集在晶体的缺陷处，造成很大的应力，并与钢发生组织转变时的局部内应力相结合，致使钢材的韧性下降，产生“氢脆”。 当氢在缺陷处以分子态析出时， 会产生很高内压，形成微裂纹， 其内壁为白色，称白点或发裂。

几乎所有的合金元素作用: 使S点和E点的成分向左移（扩大奥氏体相区时，向左下方移动；缩小奥氏体相区时，向左上方移动），含碳量下降。

合金元素对加热时奥氏体形成的影响 大多数合金元素（ 除镍、钴以外）都减缓钢的奥氏体化过程。 除 Co 元素外, 所有的合金元素都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬

透性。所以对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂淬火，如采用油淬，以减小零件的淬火变形和开裂倾向。

合金元素对强度的影响：固溶强化；细晶强化；加工硬化；弥散强化。

结构钢：工程结构钢，机械结构钢 化学分类：一、碳素结构钢 普通碳素钢；优质碳素钢。二、低合金结构钢（普通碳素钢+合金元素）低合金高强度钢；低合金耐候钢。三、表面硬化钢 渗碳，渗氮，表面淬火 四、调制刚（淬火+高温回火）五、弹簧钢

水韧处理：高温加热，快速水冷活得单相奥氏体