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第一章材料的性能及应用意义
变形:材料在外力作用下产生形状和尺寸的变化。
强度:材料在外力作用下对变形和断裂的抵抗能力。〔对塑性变形的抗力〕
比例极限〔σp〕
弹性极限〔σe〕
屈服点或屈服强度〔σs、σ〕
抗拉强度〔σb〕
比强度:各种强度指标和材料密度之比。
屈强比:材料屈服强度和抗拉强度之比。
塑性:指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力,即材料断裂前
的塑性变形的能力。
硬度:反映材料软硬程度的一种性能指标,表示材料外表局部区域内抵抗
变形或破裂的能力。
韧性:材料强度和塑性的综合表现。
布氏硬度HBW
洛氏硬度HR〔优点:操作迅速简便,压痕较小,几乎不损伤工件外表,
故而应用最广。〕
维氏硬度HV
疲劳断裂特点:①断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度甚至屈服强
度;②断裂前无论是韧性材料还是塑性材料均无明显的塑性变形。
疲劳过程的三个根本组成阶段:疲劳萌生、疲劳扩展、最后断裂
第二章材料的构造:.
键:在固体状态下,原子聚集堆积在一起,其间距足够近,它们之间便产
生了相互作用力,即为原子间的结合力或结合键。
根据结合力的强弱,可把结合键分为两大类:强键〔包括离子键、共价键、
金属键〕和弱键〔即分子键〕。
共价键晶体和离子键晶体结合最强,金属键晶体次之,分子键晶体最弱。
晶体:原子在三维空间中有规那么的周期性重复排列的物质。
各向异性:晶体具有固定熔点且在不同方向上具有不同的性能。
晶格:晶体中原子〔或离子、分子〕在空间呈规那么排列,规那么排列的
方式就称为晶体构造。
结点:将构成晶体的实际质点抽象成纯粹的几何点。
体心立方晶格:晶胞原子数2
面心立方晶格:晶胞原子数4
密排六方晶格:晶胞原子数6
晶体缺陷:原子的排列不可能像理想晶体那样规那么完整,而是不可防止
地或多或少地存在一些原子偏离规那么排列的区域,这就是晶体缺陷。
晶体缺陷按几何特征可分为点缺陷、线缺陷〔位错〕和面缺陷〔如晶界、
亚晶界〕三类。
点缺陷:空位、间隙原子、置换原子
线缺陷特征:两个方向的尺寸很小,在另一个方向的尺寸相对很大。
位错:晶体中有一列或假设干列原子发生了有规律的错排现象。
实际金属晶体中存在的位错等晶体缺陷,晶体的强度值降低了2-3个数量
级。:.
面缺陷:晶界、亚晶界
第三章材料的凝固和结晶组织
凝固:物质从液态转化为固态的过程。
结晶:物质从液态转化为固态后,固态物质是晶体,这种凝固的过程就是
结晶。
过冷:金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。二者之差称为过冷
度〔△T〕,△T=Tm-Tn。
过冷度越大,实际结晶温度越低。
同一种金属,其纯度越高,那么过冷度越大;冷却速度越快,那么实际结
晶温度越低,过冷度越大。
结晶过程:金属的结晶过程是形核和长大的过程。
形核方式:均质形核〔自发形核〕、异质形核〔非自发形核〕
细晶强化:用细化晶粒来提高材料强度的方法。〔晶粒越细,晶界越多,
也越曲折,强化作用越显著。〕
晶粒大小对金属性能的影响:细晶粒金属晶界多,晶界处晶格扭曲畸变,
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,使其塑性好。因此,在常温下晶粒越小,
金属的强度、硬度越高,塑性、韧性越好。
细化铸锭和焊缝区的晶粒方法:①控制过冷度〔增加过冷度可提高N/G值,
有利于细化晶粒〕②变质处理③振动处理
同素异构:某些金属元素和非金属元素在不同温度和压力下,具有不同类
型的晶体构造。:.
合金:合金是由两种或两种以上的金属元素、或金属和非金属元素组成的
具有金属特性的物质。
组元:组成合金的最根本的独立物质称为组元,组元可以是元素或稳定化
合物。工业上广泛使用的碳钢和铸铁,就是由铁和碳两种组元组成的二元
合金。
固溶体:溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。〔间隙固
溶体、置换固溶体〕
固溶强化:由于外来原子〔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,此是金属强化的重要形式。
金属化合物:①正常价化合物②电子化合物③间隙相和间隙化合物
二元合金相图:①匀晶相图②共晶相图
典型三晶区组织:①表层细晶区②柱状晶区③中心等轴晶区
等轴晶:由于中心部位的温度大致均匀,每个晶粒的成长在各方向上也是
接近一致的,故形成了等轴晶。
冶金缺陷:①缩孔②疏松③气泡④裂纹⑤偏析
第四章材料的变形断裂和强化机制
单晶体塑性变形的主要方式:滑移和孪生〔常温和低温下〕
冷塑性变形对金属组织构造的影响:①显微组织的变化②亚构造的细化③
变形织构④残留应力
变形织构:一是拉拔时形成的织构,称为丝织构,其主要特征是各个晶粒
的某一晶向大致和拉拔方向平行;二是轧制时形成的织构,称为板织构,
其主要特征是各个晶粒的某一晶面和轧制平面平行,而某一晶相和轧制时:.
的主变形方向平行。
加工硬化〔冷塑性变形对金属力学性能的影响〕:在冷塑性变形过程中,
随着金属内部组织变化,其力学性能也将发生明显变化。随着变形程度的
增加,金属的强度、硬度显著升高,而塑性、韧性显著下降的现象。产生
加工硬化的原因和位错密度增大有关。
加工硬化现象实际意义:①它是一种非常重要的强化手段,可用来提高金
属强度,特别是对那些无法热处理强化的合金尤其重要。②加工硬化是某
些工件或半成品能够拉伸或冷冲压加工成形的重要根底,有利于金属均匀
变形。③加工硬化课提高金属零件在使用过程中的平安性。
冷塑性变形后的金属加热时,随加热温度升高,会发生回复、再结晶和晶
粒长大等过程。
回复:指经冷塑性变形的金属材料加热时,在显微组织发生明显改变前〔即
再结晶晶粒形成前〕所产生某些亚构造和性能的变化过程。
再结晶:指冷变形的金属材料加热到足够高的温度时,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。
冷塑性变形,即冷加工;热塑性变形,即热加工。
热加工:在再结晶温度以上进展塑性变形,反之为冷加工。
由于实际晶体中不可防止地存在着晶体缺陷,晶体材料的实际强度远低于
理论预期值。
固溶强化:由于溶质原子和溶剂金属原子大小不同,溶剂晶格发生畸变,
增大了位错运动的阻力,使金属的滑移变形变得困难,从而提高了合金的
强度和硬度。:.
细晶强化:提高强度的同时也改善韧性。
沉淀强化〔弥散强化〕:材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而
产生的强化。
位错强化:运动位错之间发生交互作用而使其运动受阻,所造成的强化量
和金属中位错密度的平方根成正比。
按材料断裂前所产生的宏观塑性变形量大小分类:脆性断裂、韧性断裂
按裂纹扩展路径分类:穿晶断裂〔裂纹穿过晶体内部扩展的断裂〕、沿晶
断裂〔裂纹沿晶界扩展〕
第五章铁碳合金相图及应用
铁素体:碳在α—Fe中的间隙固溶体称为α铁素体,该合金相常简称为铁
素体。
奥氏体:碳在γ—Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体。
渗碳体:分子式Fe3C,具有复杂晶格的间隙化合物,用符号Cm表示。
工业纯铁室温组织:铁素体+三次渗碳体〔F+Fe3CⅢ〕
共析钢室温组织:珠光体〔A→Fp+Fe3C〕
亚共析钢室温组织:铁素体+珠光体
过共析钢室温组织:珠光体+二次渗碳体〔P+Fe3CⅡ〕
亚共晶白口铸铁室温组织:珠光体+二次渗碳体+莱氏体
共晶白口铸铁室温组织:莱氏体
过共晶白口铸铁室温组织:一次渗碳体+莱氏体
过共析钢中,%时,其强度达最高值。
共晶白口铸铁铸造性能最好。:.
第六章钢的热处理
热处理:指将金属或合金在固态下进展加热、保温和冷却,以改变其整体
或外表组织,从而获得所需性能的一种工艺。
冷却方式:炉冷、空冷、油冷、水冷
奥氏体:发生P〔F+Fe3C〕→A的转变
奥氏体化过程:①奥氏体晶核的形成②奥氏体的长大③残留渗碳体的溶解
④奥氏体均匀化
影响奥氏体形成的因素:①加热温度②加热速度③钢的成分④原始组织
奥氏体晶粒的长大:加热转变过程中,新形成并刚好互相接触时的奥氏体
晶粒,称为奥氏体起始晶粒,其大小称为起始晶粒度。奥氏体的起始晶粒
一般都很细小,但随着加热温度的升高和保温时间的延长,其晶粒将不断
长大,长大到钢开场冷却时的奥氏体晶粒称为实际晶粒,其大小称为实际
晶粒度,奥氏体的实际晶粒度直接影响钢热处理后的组织和性能。
奥氏体晶粒的大小控制:①加热温度②保温时间③加热速度
氧化:钢在高温作用下,在加热介质中O2、CO2、H2O等氧化性介质发生
氧化反响,形成金属氧化物的现象。
脱碳:钢在加热和保温时,炉气中含有O2、CO2、H2O、H2等脱碳性气氛,
钢表层中固溶的碳和这些介质在高温作用下发生氧化反响,使表层碳浓度
降低,即产生脱碳。
过热:加热温度过高或保温时间过长,得到粗大晶粒组织,称作过热。
过烧:由于加热温度过高,使奥氏体晶界严重氧化,甚至发生了局部熔化,
这种现象称为过烧。:.
珠光体转变——高温转变〔A1—550℃〕在固态下形核和长大的结晶过程
层片珠光体的性能主要取决于层片间距。
珠光体〔P〕
索氏体〔S〕
托氏体〔T〕
贝氏体转变——中温转变〔550℃—Ms〕半扩散转变
上贝氏体呈羽毛状
下贝氏体呈黑色针片状
马氏体转变——低温转变〔Ms—Mf〕无扩散转变
Wc<%板条马氏体
Wc>%片状马氏体
Wc=%—%板条马氏体和片状马氏体的混合组织
马氏体的性能取决于马氏体的碳含量和组织形态,随马氏体中碳含量的升
高,塑性和韧性急剧下降。
马氏体转变的特点:①无扩散性②转变速度极快③转变的不完全性
马氏体点的位置主要取决于奥氏体的成分。
残留奥氏体:%时,Mf已低于室温,这时,奥氏
体即使冷到室温也不能完全转变为马氏体,这局部被残留下来的奥氏体称
为残留奥氏体。
冷处理:生产中可将淬火工件冷至室温后,再随即放到0℃以下温度的介
质中冷却,以最大限度地消除残留奥氏体,到达提高硬度、耐磨性和尺寸
稳定性的目的。:.
过冷奥氏体的连续转变:V1炉冷珠光体V2空冷索氏体V3油冷托氏体
V4水冷马氏体
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***衡态组织的热处理工艺。〔高碳〕
完全退火:将钢完全奥氏体化后,随之缓慢冷却,获得接***衡状态组织
的退火工艺。适用于亚共析钢成分的中碳钢及中碳合金钢的铸件、锻件、
轧制件及焊接件。
完全退火目的:细化组织,降低硬度,改善可加工性,去除内应力。
等温退火:目的和加热过程和完全退火一样。适用于高碳钢、中碳合金钢、
经渗碳处理后的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸、锻件及冲压件。
球化退火:将工件加热到Ac1±〔10—20〕℃,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展的热处理工艺。
球化退火目的:降低硬度,提高塑性,改善可加工性,以及获得均匀的组
织,改善热处理工艺性能,为以后的淬火做准备。
球化退火主要适用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件。
均匀化退火:又称扩散退火,是为了减轻金属铸锭、铸件或铸坯的化学成
分偏析和组织不均匀性,将其加热到高温,长时间保持,然后进展缓慢冷
却,以到达化学成分和组织均匀化的退火工艺。
去应力退火:去应力退火是为了去除由于塑型加工、焊接、热处理及机械
加工等造成的及铸件内存在的残留应力而进展的退火。
正火:将钢加热到A3〔对于亚共析钢〕或Acm〔对于过共析钢〕以上30
—50℃,保温适当时间后,在静止的空气中冷却的热处理工艺。〔低碳〕:.
正火的主要目的是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。
正火主要应用于:①改善低碳钢的切削加工性能②中碳构造钢件的预备热
处理③普通构造零件的最终热处理④消除过共析钢的网状碳化物⑤用于
某些碳钢、低合金钢的淬火返修件
淬火:将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度,保持一定时间后以适当速
度冷却,获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。
淬火后可以得到细小而均匀的马氏体。
常用淬火介质:水尺寸较小的碳钢零件油合金钢
淬火方法:①单介质淬火②双介质淬火③分级淬火④等温淬火
分级淬火:将工件奥氏体化后,随之浸入温度稍高或稍低于Ms点的液态
介质中,保温适当时间,使钢件内外层都到达介质温度后取出空冷,获得
马氏体组织的淬火工艺。
等温淬火:将工件奥氏体化后,随之快冷到贝氏体转变温度区〔260—400℃〕
等温足够长时间,使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺。
淬透性:钢在淬火后的淬硬层深度,它表征了钢在淬火时获得马氏体的能
力。
淬透性的影响因素〔冷却速度必须大于临界速度Vk〕:①合金元素②碳的
质量分数③奥氏体化温度④钢中未溶第二相
淬硬性:指钢在理想条件下进展淬火硬化〔即得到马氏体组织〕所能到达
的最高硬度的能力。
淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量,碳含量越高,淬火后硬度越高,合:.
金元素的含量那么对它无显著影响。
回火:将淬硬后的钢重新加热到Ac1以下的某一温度,保温一定时间后冷
却到室温的热处理工艺。
回火的主要目的:①降低脆性、消除或降低残留应力②赋予工件所要求的
力学性能③稳定工件尺寸
低温回火〔150—250℃〕回火马氏体
中温回火〔350—500℃〕回火托氏体
高温回火〔500—650℃〕回火索氏体
低温下长时间保温的热处理称为稳定化处理。
回火脆性:①第一类回火脆性②第二类回火脆性〔减少钢中杂质元素的含
量,参加Mo等能抑制晶界偏聚的元素,中小型工件可通过回火后快速冷
却来抑制〕
淬火冷却变形的原因:变形和开裂的根本原因是淬火时所形成的内应力所
致。
淬火冷却变形是淬火冷却过程中热应力和相变应力在零件形状、尺寸的反
映。
淬火后工件外表局部未被淬硬的区域称为软点。
外表淬火:外表淬火是通过快速加热和立即淬火冷却相结合的方法来实现
的,即利用快速加热使工件外表很快地加热到淬火温度,在不等热量充
分传到心部时,即迅速冷却,使表层得到马氏体而被淬硬,而心部仍保持
为未淬火状态的组织,即原来的塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态
的组织。〔目的:提高硬度〕:.
化学热处理根本过程:加热、分解、吸收、扩散
常用的化学热处理:渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗
和外表淬火相比,化学热处理的主要特点是:表层不仅有组织变化,而且
有成分的变化故性能改变的幅度大。
渗碳工件工艺路线:锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→精
加工。
渗碳工件经淬火+低温回火后的外表组织为针状回火马氏体+碳化物+少量
残留奥氏体
渗氮:指在一定温度下使活性氮原子渗入工件外表的化学热处理工艺,也
称氮化。
目前应用较多的有气体渗氮和离子渗氮。
渗氮零件工艺路线:锻造→正火→粗加工→调质→精加工→去应力→粗磨
→渗氮→精磨或研磨。
和渗碳相比,气体渗氮的特点:①变形很小②高硬度、高耐磨性③疲劳极
限高④高的耐蚀性能⑤生产周期长,本钱高。
钢的碳氮共渗:向钢的外表同时渗入碳和氮原子的过程,也称***化处理。
第七章钢铁材料
合金元素存在的形式主要有三种:固溶态、化合态和游离态。
合金元素溶入奥氏体中从而提高钢的淬透性、溶入马氏体中从而提高耐回
火性等间接作用对钢的性能影响程度,往往大于其固溶强化这种直接作
用。、
游离态元素对钢的性能产生不利影响,故应尽量防止此种存在形式。:.
合金元素对钢加热时奥氏体化的影响:绝大多数合金元素〔尤其是碳化物
形成元素〕对非奥氏体组织转变为奥氏体形核和长大、剩余碳化物的溶解、
奥氏体成分均匀化都有不同程度阻碍和延缓作用。因此大多数合金钢热处
理时一般应有较高的加热温度和较长的保温时间,但对一些需要较多未溶
碳化物的高碳合金工具钢,那么不应该采用过高加热温度和过长的保温时
间。
合金元素对淬火钢回火过程的影响:①提高钢的耐回火性②产生二次硬化
③影响了高温回火脆性
耐回火性:指淬火钢对回火时所发生的组织转变和硬度下降的抗力,绝大
多数合金元素均有此作用。
二次硬化:当钢中含有较多量中强或强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V等,
并在450—600℃温度范围内回火时,因组织析出了细小弥散分布的特殊合
金碳化物〔如W2C、Mo2C、VC等〕,这些碳化物硬度极高、热稳定性高且
不易长大,此时,钢的硬度和强度不但不降低,反而会明显升高〔甚至比
淬火钢硬度还高〕,这就是“二次硬化〞现象。
不锈钢性能要求:①优良的耐蚀性②适宜的力学性能③良好的工艺性能
不锈钢具有高耐蚀性的根本原因:①提高基体电极电位②基体外表形成钝
化膜③影响基体组织类型
白口铸铁:当碳主要以渗碳体等化合物形式存在时,铸铁断口呈银白色。
C、Si、P促进石墨化S阻碍石墨化
生产中调整C、Si含量是控制铸铁组织和性能的根本措施。碳既促进石墨
化又影响石墨的数量、大小和分布。:.
由于存在石墨,铸铁具有的特殊性能:①因石墨能造成脆性短屑,铸铁的
可加工性优异。②铸铁的铸造性能良好。③因石墨有良好的润滑作用,并
能储存润滑油,故铸铁具有较好的减摩、耐磨性。④因石墨对振动传递起
削弱作用,铸铁具有良好的减振性能。⑤大量石墨对基体组织的割裂作用,
使铸铁对缺口不敏感,具有低的缺口敏感性。