机械工程材料(彩版)-上海理工大学

力学性能：材料受外力作用时，所表现的抵抗变形和破坏能力。 弹性极限： ；屈服强度： ；抗拉强度： ；塑性指标：伸长率和断面收缩率； 硬度：材料抵抗局部变形的能力；布氏硬度：HBW(硬质合金钢)HBS(淬火钢球)；洛氏硬度：HRB（B标准尺），HRBS(钢球)，HRBW(硬质合金钢)；维氏硬度（HV） 冲击韧性：冲击载荷作用下，抵抗破坏的能力； 疲劳：交变载荷的作用下，在低于屈服强度的情况下发生的断裂；疲劳极限： ； 晶体：原子在三维空间呈规则排列的固体；非晶体：原子在三维空间呈无序排列的固体；晶体长程有序，非晶体短程有序； 相同的晶面和晶向互相垂直。体心立方：原子数:2;配位数:8;密排面:{110};密排方向:〈111〉；致密度：r=0.68。 面心立方：原子数:4;配位数:12;密排面:{111};密排方向:〈110〉；致密度：r=0.74。 。密排六方：原子数:6;配位数:12;密排面:六方底面};密排方向:底面对角线；致密度：r=0.74。 晶体缺陷：点：空位、间隙原子，线：位错，面：亚晶界。配位数越大的晶体致密度越高。晶面指数（221）晶面族{100}晶向指数[ 223]晶向族. 金属的晶态结构有体心立方晶格。减少或增加位错密度都可提高金属强度。晶界对位错运动有阻碍作用。金属的晶粒越细。晶界总面积就越大，金属的强度就越高。 合金：指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。 相：金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。根据结构不同，可将合金中的相分为固溶体（置换\间隙）和金属化合物。固溶体中，与合金晶体结构相同的元素成为溶剂。固溶体一定是单相。 固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降，原因是晶格发生畸变。这种现象成为~. 金属化合物三高：高硬度、高熔点、高脆性。 渗碳体的晶体结构：复杂斜方晶格 化学式与碳原子个数比1：3。 结晶的充要条件： 足够的自由能和过冷度。过冷： 液态金属实际冷却到结晶温度下而暂不结晶的现象。 过冷度： 理论结晶温度与实际结 温度之差。冷却速度越大，过冷度越大。液体和晶体的自由能随温度升高而降低，且液体自由能下降更快，能够继续长大的晶胚成为晶核，晶核最终长为晶粒，两晶粒接触后形成晶界、金属结晶是冷却速度较大， 结晶的基本过程：晶核形成和晶核长大。 同素异构转变：物质在固态下，晶格类型会随温度变化而发生变化。纯铁：δ-Fe →(1394)γ-Fe→(912)α-Fe，体心立方→面心立方→体心立方。从液相中结晶出单一固相的转变为匀晶转变。为等温转变。随温度降低，固溶体溶解度下降。固态转变又称二次结晶或重结晶。组元：相图中，组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，端点是所求两平衡相的成分。 枝晶偏析：一个枝晶范围内或一个晶粒范围内。成分不均匀的现象。枝晶偏析的大小：①与冷速有关。冷速越大，偏析越严重；②与给定成分的液、固相线间距有关。间距越大，偏析越严重。枝晶偏析影响合金的性能。消除枝晶偏析：扩散退火（均匀化退火）。铁碳合金是碳钢和铸铁的统称。共晶反应L=α+β包晶反应L+α=β共析反应γ=α+β铁素体（F或α）：碳在α-Fe中的固溶体，727℃含碳量最高0.0218%,强度硬度低，塑性韧性好,。δ-铁素体（δ）：碳在δ-Fe中的固溶体，1495℃含碳量最高0.09%。 奥氏体（A或γ）：碳在γ-Fe中的固溶体，1148℃含碳量最高2.11%,强度低，塑性好。渗碳体（Fe3C或Cm）：铁和碳的间隙化合物，含碳量6.69%,硬度很高，塑韧性为零,。铁碳合金有5个基本相：液相L，高温铁素体相δ，铁素体相α，奥氏体相γ和渗碳体相Fe3C，形成7个两相区：L+δ，L+γ,L+Fe3C,δ+γ,γ+Fe3C,γ+α,α+Fe3C.F-F+P-P+Fe3C- P+Fe3C+Le-Le-Le+Fe3C-Fe3C.奥氏体和渗碳体的机械混合物为莱氏体，性能硬而脆。铁素体和渗碳体的机械混合物为珠光体。随着含碳量的增加，钢的强度、硬度升高，塑性、任性下降。形核率和长大速度的比值越大，晶粒度越细小。 获得细晶粒组织方法：增 加过冷度、变质处理、振动和搅拌；细晶强化：晶粒越细，晶界面积越大，位错障碍越多,因而金属强度、硬度越高，同时塑性、韧性越好。高温时，晶粒不易过粗和过细。 塑性变形的形式：滑移和孪生。只有在切应力的作用下金属才发生塑性变形.滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面和密排方向,原因是该处晶面和晶向之间的间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小,。面心>体心>密排六方； 固溶强化：溶质原子的存在，使晶格发生畸变，从而使固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。加工硬化：金属发生冷塑性变形时，随变形量增加，金属的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。回复：温度较低时，金属中点缺陷及位错近距离迁移引起的变化，也称去应力退火；性能基本不变。在回复阶段，金属的组织变化不显著，强度，硬度略有下降，塑性提高，但内应力，电阻率显著下降.再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程。再结晶是晶核形成和长大的过程，但不是相变过程。其前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。加工硬化现象消失。晶粒长大。 再结晶温度是一个范围，发生再结晶的最低温度。T再= 0.4T熔 T为绝对温度.例：Fe的熔点为1538，其再结晶温度为：T再=（1538+273）0.4=451℃。提高加热速度， 再结晶温度提高。延长保温时间，降低再结晶温度。 再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺。加热温度越高，保温时间越长，晶粒越大。在金属学中， 冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工为冷加工，而高于再结晶温度的加工为热加工。热加工产生的加工硬化被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化。 改善刚的性能：合金化和热处理。热处理：加热、保温和冷却。热处理只通过改变工件的组织来改变性能，不改变其形状。共析钢奥氏体的形成过程：晶核形成，晶核长大，残余渗碳体溶解，奥氏体成分均匀化。实际晶粒度：给定条件下奥氏体的晶粒度。它决定钢的性能。

本质晶粒度：钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向。影响A晶粒大小的因素：①加热温度和保温时间：加热温度高，保温时间长，晶粒粗大。②加热速度：速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。③合金元素：碳化物形成元素（Ti、V）阻碍奥氏体晶粒长大；锰、磷促进奥氏体晶粒长大。④原始组织：接近平衡状态的组织有利于获得细晶粒。随过冷度不同，过冷奥氏体转变：珠光体P转变（A1~550℃）、贝氏体B转变（550℃~Ms）和马氏体M转变（Ms以下）。珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，根据片层厚薄，分为珠光体P（A1~650℃）、索氏体S（650~600℃）、托氏体T（600~550℃）。马氏体是碳在α-Fe的中过饱和固溶体,体心立方晶格。M的形态主要取决于其含碳量，＜0.2%（板条M）；＞1.0%（针状M）。高硬度是M性能的主要特点，M的硬度主要取决于其含碳量，含碳量增加，硬度提高。马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。M的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状M脆性大，板条M脆性较小。马氏体转变的特点：无扩散性、共格切变性、降温形成、高速长大、转变不完全。冷却方式：等温冷却和连续冷却。等温冷却：迅速冷却到临界点以下给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。连续冷却：以某种速度连续冷却使其在该临界点以下变温转变。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C曲线左移，而Ms与Mf随含碳量增加而下降。除Co以外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。除Co和Al以外，其他合金元素都使Ms与Mf下降。奥氏体化温度提高和保温时间长，可是奥氏体成分均匀，晶粒粗大，未溶碳化物减少，过冷奥氏体的稳定性增加，使C曲线右移。Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部奥氏体组织时的最小冷却速度。C曲线越靠右，Vk越小，过冷奥氏体越稳定。V1（炉冷）：P；V2:（空冷）：S；V4（油冷）：T+M+A’；V5（水冷）：M+A’。完全退火：Ac3+（30~50）℃，主要用于亚共析钢。退火（炉冷）：等温退火：亚共析钢（Ac3+（30~50）），共析、过共析钢（Ac1+（20~40））。球化退火：Ac1+（10~20），主要用于共析、过共析钢，目的：降低硬度，改善切削加工性能，并为后续热处理作组织准备。组织：球化珠光体，。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应进行正火，以消除网状渗碳体。正火（空冷）：亚共析钢（Ac3+（30~80）），共析钢Ac1+（30~80）。过共析钢（Acm+（30~80））。碳钢Wc＜6%，正火组织：P+S；Wc＞0.6%，正火组织：S。过共析钢正火：消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。淬火（快冷）：目的：为了获得M，提高钢的力学性能。亚共析钢（Ac3+（30~50）），Wc≤0.5%，组织：M。Wc＞0.5%，组织：M+少量A’。共析和过共析钢（Ac1+（30~50）），共析钢淬火后组织：M+少量A’。过共析钢由于淬火前进行了球化退火，组织：细M+颗粒状渗碳体+少量A’。淬火方法：单介质，双介质，分级，等温淬火法(得下贝氏体)。淬透性：钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。淬硬层是指由工件表面到半马氏体区的深度。淬硬性：钢淬火后所达到的最高硬度，即硬化能力。淬硬层深度与工件的尺寸，冷却介质有关，工件尺寸小、介质冷却能力强。淬透性与尺寸和冷却介质无关。影响淬透性的因素：取决于其临界冷却速度。冷却速度越小，奥氏体越稳定，钢的淬透性越高。临界冷却速度取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，临界冷却速度越小。碳钢中，共析钢的临界冷却速度最小，因而其淬透性最高。提高奥氏体化温度和延长保温时间，提高奥氏体稳定性，钢的淬透性越高；钢种未溶第二相降低奥氏体稳定性，钢的淬透性下降。回火：低温回火（150~250）组织：M回；高硬度(58~64HRC),高耐磨性，降低内应力，提高韧性。用于各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。中温回火（350-500）,：组织：T回；较高的弹性极限和屈服极限，一定韧性，硬度（35~45HRC），用于各类弹簧。高温回火（500~650）：组织：S回；良好的综合力学性能，高强度，良好的塑性和韧性，硬度（25~35）。用于重要结构件，连杆、轴、齿轮。45钢调质组织：S回。45正火组织：细片状P+铁素体。调质组织的强度、韧性、塑性及韧性均高于正火组织。调质：淬火加高温回火。回火脆性：在某些温度范围内回火时，出现冲击韧性下降的现象。不可逆回火脆性（第一类）250~350出现。（可逆回火脆性）第二类500~650出现。抑制第二类回火脆性方法：①回火后快速冷却②加入合金元素W和Mo。表面淬火（用于Wc为0.4~0.5）：不改变钢的化学成分及心部组织，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面。表面淬火要求的预处理：调质或正火。预处理的目的：为表面淬火作组织准备，并获得最终的心部组织。表面淬火后的回火：低回（不高于200）。目的：为了降低内应力，并保留表面淬火后的高硬度和高耐磨性。表面淬火+低回后的组织：表层：M回，心部：S回（预处理为调质），Fe+S（预处理为正火）。化学热处理基本过程：介质（渗质）的分解，工件表面的吸收，原子向内部扩散。渗碳后必须进行淬火加低温回火处理才能使用。一次淬火后的组织：表层：高碳M回+颗粒状碳化物+少量残余奥氏体；心部：低碳M回+铁素体。钢按化学成分分为：碳钢和合金钢。低碳（0.25）中碳（0.25~0.6）高碳（0.6）.钢的质量是由P和S的含量来划分的。按用途分类：结构钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、耐磨钢），工具钢（模具钢、刃具钢、量具钢），特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）。热脆性：S以低熔点的FeS共晶体形式存在，加热时，FeS共晶体熔化导致脆性断裂。冷脆性：P溶于F 中，强烈的固溶强化，提高强度和硬度，塑性韧性显著下降。扩大奥氏体区：Ni，Co，Mn，N；缩小奥氏体区：Cr，Mo，Si，Ti，W，Al。几乎所有合金元素都使E和S点左移，使这两点含碳量降低。提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B。细化奥氏体晶粒：W、Mo、V、Ti。红（热）硬性：钢在高温下保持高硬度的能力。含碳量对铁碳合金工艺性能的影响：①中碳钢的切削加工性能比较好，含碳量过低，不易断削，含碳量过高，硬度过高，不易切削。②低碳钢的可锻性良好，随着含碳量增加，可锻性变差。③共晶成分附近的合金结晶温度低，流动性好，铸造性能最好④钢的塑性越好，焊接性能越好，因此低碳钢比高碳钢易于焊接。含碳量对铁碳合金力学性能的影响：含碳量越高，铁碳合金材料的硬度升高；强度先升高 ，但当Wc≥0.9﹪时强度呈下降趋势；塑韧性下降，脆性加大，k下降。

40Cr钢和20Cr钢制造机床齿轮，要求表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有良好的韧性。热处理方案：

40Cr ：锻造－正火－切削加工-调质＋表面感应加热表面淬火。20Cr：锻造－正火－切削加工-渗碳－淬火－低温回火。

45钢、40MnVB制造机床齿轮，工艺路线：锻造—正火—粗加工—调质—精加工—高频感应加热表面淬火—低温回火—磨加工。

答：正火：对于低、中碳的亚共析钢而言，正火的目的是调整硬度，便于切削加工，细化晶粒，提高力学性能，为淬火作组织准备，消除残作内应力，防止在后续加热或热处理中发生开裂或形变。组织：铁素体加索氏体。调质：提高力学性能，减少或消除淬火内应力，稳定工件尺寸。组织：回火索氏体。高频感应加热表面淬火：提高表面硬度、强度、耐磨性和抗疲劳极限，获得所需的力学性能，使心部组织具有足够的塑韧性。组织：表面为回火马氏体或铁素体加索氏体。低温回火：减少或消除淬火内应力，防止工件变形或开裂，稳定工件尺寸，获得工艺所要求的力学性能。组织：回火马氏体。

汽车齿轮选用20CrMnTi，工艺路线：下料—锻造—正火①切削加工—渗碳②淬火③低温回火④喷丸—磨削加工。

答：①正火：同上。组织：铁素体加索氏体。②渗碳：提高工件表面硬度、耐磨性及其疲劳强度，同时保持工件心部良好的韧性和塑性。组织：表层为高碳回火马氏体+颗粒碳化物+少量残余奥氏体，心部为低碳回火马氏体+铁素体。③淬火：获得马氏体组织，提高工件的硬度，获得相应的力学性能。组织：淬火马氏体。④低温回火：同上。组织：回火马氏体。

20钢含碳量平均为0.20%，室温平衡组织为F+P，相为F+Fe3C。1、组织的相对量：WF=(0.77-0.20)/(0.77-0.0218)= 76.2%；WP=1-76.2%=23.8% 2、相的相对量：WF=(6.69-0.20）/(6.69-0.0218)= 97.3% WFe3C=1-97.3%=2.7%

由此看出20钢还有渗碳体的量很少，因此，硬度很低而塑韧性很好。

T10 钢含碳量平均为1.0%，室温平衡组织为P+Fe3CII，相为F+Fe3C。1、组织的相对量：WP=（6.69-1.0）/（6.69-0.77）=0.96114864=96.11%；WFe3CII=1-96.11%=3.89%；2、相的相对量：WF=(6.69-1.0）/(6.69-0.0218)=0.85330374=85.3%；WFe3C=1-85.3%=14.7%

汽车缓冲弹簧：60Si2Mn；拉刀长丝锥：CrWn；设备焊接机架：Q345；精密机床主轴：38CrMoAlA；内燃机连杆：42CrMo；滚动轴承：GCr15SiMo；铣刀：W18Cr4V。

变速齿轮轴：20CrMn：下料—锻造—正火—精加工—渗碳—淬火+低温回火—磨削加工。

丝杆、镗床镗杆：38CrMoAlA：下料—锻造—正火—粗加工—调质—精加工—氮化—磨削加工

合金种类：碳素结构钢；钢号：Q275；热处理：热轧空冷；使用组织：F+P；应用：拉杆、转轴、链轮、螺栓。

合金种类：优质碳素结构钢；钢号：20；热处理：;使用组织：应用：冲压件、渗碳钢、焊接件、齿轮、螺钉螺母；

合金种类:优质碳素结构钢；钢号：45；热处理：正火、调质;使用组织：回火索氏体；应用：齿轮轴类，传动轴、连杆；

合金种类：优质碳素结构钢；钢号：65；热处理：淬火，中温回火；使用组织：回火托氏体；应用：弹簧；

合金种类：低合金高强度结构钢；钢号：Q345；热处理：热轧或正火；使用组织：F+P；应用：桥梁，各种容器；

合金种类：渗碳钢；钢号：20Cr；热处理：正火渗碳、淬火低回；使用组织：（表面）回马+颗粒状碳化物+A’、（心部）低碳回马加F（淬透）或F加托氏体（未淬透）；应用：机床变速箱，齿轮轴；

合金种类：渗碳钢；钢号：20CrMnTi；热处理：同上；使用组织：同上；应用：汽车拖拉机上的齿轮，齿轮轴；

合金种类：调质钢；钢号：40Cr；热处理：退火、调质；使用组织：回火索氏体；应用：轴类、连杆、蜗杆、机床齿轮；

合金种类：渗碳钢；钢号：45MnB；热处理：同上；使用组织：同上；应用：同上；

合金种类：渗碳钢；钢号：40CrNi；热处理；同上；使用组织：同上；应用：较大截面的重要件，曲轴、主轴、齿轮、连杆；（离合器40CrMn）

合金种类：弹簧钢；钢号：65、65Mn、60Si2Mn；热处理：淬火，中温回火；使用组织：回火托氏体；应用：弹簧；

合金种类;滚动轴承钢;钢号：GCr15:；热处理：球退、淬火低回；使用组织：回马、颗粒状碳化物、A’；应用：轴承套、模具、耐磨件；

合金种类：刃具钢;钢号：T7；热处理：球退、淬火低回；使用组织：回马，颗粒状碳化物，A’；应用：工具，如大锤；

合金种类：刃具钢；钢号：T13；热处理：同上；使用组织：同上；应用：挫刀、刮刀；

合金种类：低合金工具钢;钢号：9SiCr；热处理：球退、淬火低回；使用组织：回马，颗粒状碳化物，A’；应用：铰刀，铣刀；

合金种类：低速合金工具钢；钢号：Cr我没ｎ；热处理：球退、淬火低回；使用组织：回马，颗粒状碳化物，A’；应用：拉刀；

合金种类：高速工具钢；钢号： W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2Al；热处理：球退、淬火低回；使用组织：回马，颗粒状碳化物，A’；使用：铣刀；

合金种类：模具钢；钢号：C12，5CrMnMo；热处理：淬火＋多次回火；使用组织：回马，颗粒状碳化物，A’；应用：量规，冷冲模；

合金种类：不锈钢；钢号：20Cr13热处理：调质；组织：回索。应用：汽轮机叶片。