武漢理工大學工程材料復習課件

1、復習總結(jié)復習總結(jié) 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 課程主線課程主線 1 結(jié) 晶鐵碳合金相圖 碳鋼工藝性能使用性能 熱處理 合金鋼 組織結(jié)構(gòu)化學成分性 能 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 工程材料 基本理論常用材料零件的選材 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1. 1. 基本理論基本理論 熱處理 基基 本本 理理 論論 金屬學 材料的性能 材料的結(jié)構(gòu) 材料的結(jié)晶 相圖及鐵碳相圖 普通熱處理 表面熱處理 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.1 1.1 材料性能材料性能 焊接性能 硬度HB HRC 材 料

2、 性 能 強 度 塑 性 鍛造性能 力學性能 工藝性能 切削加工性能 鑄造性能 韌性k 熱處理工藝性 疲勞強度-1 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.1.1 1.1.1 使用性能使用性能 （1） 強度：材料抵抗變形和破壞的能力。 抗拉強度 b材料斷裂前承受的最大應力。 屈服強度 s材料產(chǎn)生微量塑性變形時的應力。 疲勞強度 -1無數(shù)次交變應力作用下不發(fā)生破壞 的最大應力。 （2） 塑性：材料斷裂前承受最大塑性變形的能力。 指標為 、 。 （3） 硬度：材料抵抗局部塑性變形的能力（HB、 HRC，應用范圍）。 （4） 沖擊韌性：材料抵抗沖擊破壞的能力。 指標為k材料的使用溫度

3、應在冷脆轉(zhuǎn)變溫度以上。 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.2 1.2 材料的結(jié)構(gòu)（金屬）材料的結(jié)構(gòu)（金屬） 晶體結(jié)構(gòu) 空間點陣 晶格（理想晶體） 晶體的結(jié)構(gòu)基元(分子、原子、 離子、原子集團)依靠一定的結(jié) 合鍵結(jié)合后，在三維空間中有 規(guī)律的周期性的重復排列。 抽象的空間幾何 模型（非物質(zhì)性） 7個晶系 14種晶胞類型 把空間點陣的結(jié)點作為物質(zhì)質(zhì) 點的中心位置，忽略原子的熱 振動和晶體缺陷，將單純的幾 何圖形變成具有物質(zhì)性的點陣， 稱其為晶體點陣（物質(zhì)性的）。 若陣點用直線通過中心連接起 來晶格 。 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)與缺

4、陷金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)與缺陷 1 多晶體（由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)） 1）晶粒：組成金屬的方位不同、外形不規(guī)則的小晶體。 2）晶界：晶粒之間的交界面。 2 晶體缺陷（晶格不完整的部位） 1）點缺陷（空位、間隙原子、置換原子） 2）線缺陷（刃型位錯、螺型位錯） 3）面缺陷（晶界、亞晶界） 理論值 退火態(tài) 位錯密度 強 度 b 286 /1010cm 21211 /1010cm 金屬材料強化方法: （1）固溶強化 （2）細晶強化 （3）第二相強化（彌散強化） （4）加工硬化 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.3 1.3 材料的結(jié)晶材料的結(jié)晶- -純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 1、結(jié)晶

5、過程 1） 兩個條件 （1）能量條件 必須過冷 過冷度T=T0-Tn （2）結(jié)構(gòu)條件 2）基本規(guī)律 形核（自發(fā)形核、非自發(fā)形核） 核長大（樹枝狀長大） 2、細化晶粒的途徑 1）增大過冷度 2）變質(zhì)處理 3）振動和攪拌 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.3 1.3 材料的結(jié)晶材料的結(jié)晶- -純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 3、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變 1）同素異晶轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而發(fā)生 變化的現(xiàn)象。 2）固態(tài)轉(zhuǎn)變的特點 形核部位特殊（晶界、位錯處等） 過冷傾向大 伴隨著體積變化 - Fe - Fe - Fe 1394 912 bccbccfcc 武漢理工大學武漢理工大學

6、 | 機電學院機電學院 | 1.3 1.3 材料的結(jié)晶材料的結(jié)晶- -合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 化合物化合物電子價化電子價化合物合物 合金的相合金的相 固溶體固溶體 間隙固溶體間隙固溶體 置換固溶體置換固溶體 間隙化間隙化合物合物 正常價化合物正常價化合物 合金：由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 相：金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分 有界面分開的均勻組 成部分。 1、合金在固態(tài)下的基本相結(jié)構(gòu) TiC Fe3C 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.3 1.3 材料的結(jié)晶材料的結(jié)晶- -合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 1）固溶體：與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相

7、. 置換固溶體： 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點位置形成的固溶體。 間隙固溶體： 溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。 鐵素體：碳在 -Fe中的固溶體。 奧氏體：碳在 -Fe中的固溶體。 馬氏體：碳在 -Fe中的過飽和固溶體。 固溶強化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度提高的現(xiàn)象。 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.3 1.3 材料的結(jié)晶材料的結(jié)晶- -合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 2）金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相. （1）正常價化合物 如Mg2Si （2）電子化合物 如Cu3Sn （3）間隙化合物：分為結(jié)構(gòu)簡單的間隙相和復雜結(jié)構(gòu)的間隙 化合物。 TiC、VC：高

8、硬度、高熔點，強化相 Fe3C：硬度、熔點略低 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.3 1.3 材料的結(jié)晶材料的結(jié)晶- -合金的結(jié)晶合金的結(jié)晶 2、合金的組織轉(zhuǎn)變 1）相圖 勻晶L 共晶L+ 共析 + （1）杠桿定律：只適用于兩相區(qū)。 （2）枝晶偏析：在一個枝晶范圍內(nèi)或一個晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。 L L 2）合金中的固態(tài)相變 （1）固溶體轉(zhuǎn)變：AF （2）共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C) （3）二次相析出：AFe3C （4）奧氏體化 （5）過冷奧氏體轉(zhuǎn)變 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.3 1.3 材料的結(jié)晶材料的結(jié)晶- -鐵碳合金相圖鐵碳合金相

9、圖 1 默畫簡化的鐵碳合金相圖（點、 線、溫度、含碳量、相、組織） 2 兩個基本反應式 3 結(jié)晶過程分析（冷速曲線表達） 4 杠桿定律的應用 A C D G S 1148 727 L A L+AL+ Fe3C F A+F A+ Fe3C K E P F Q C% Fe3CFe F+ Fe3C 4.30.772.11 6.69 相（成分、結(jié)構(gòu)相同且有界面分 開的部分） 組織（關(guān)注：形態(tài)、大小及分布） 組織組成物是指組成合金顯微組 織的獨立部分（形態(tài)）。 相組成物是指組成合金中成分、 結(jié)構(gòu)均勻一致的部分。 金相試樣的制備步驟 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的

10、熱處理鋼的熱處理- -熱處理原理熱處理原理 1） 奧氏體化的四個階段 奧氏體晶核的形成 奧氏體晶核的長大 剩余滲碳體的溶解 奧氏體成分的均勻化 2） 奧氏體晶粒度 起始晶粒度 實際晶粒度 本質(zhì)晶粒度（本質(zhì)粗(細)晶粒鋼） 1 鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理- -熱處理原理熱處理原理 2 共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物 轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū) Ms Mf A1 溫度 時間(s) 300 1021031041010 800 -100 100 500 700 0 A A 230 550 -50 轉(zhuǎn)變開始線 轉(zhuǎn)變終了

11、線 過冷奧氏 體區(qū) 轉(zhuǎn)變進行區(qū) 珠光體 P 5-25HRC 索氏體 S 25-35HRC 屈氏體 T 35-40HRC 上貝氏體 B上 35-45HRC 下貝氏體 B下 50-60HRC 馬氏體 M +A 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理- -熱處理原理熱處理原理 3 亞亞/過過共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物共析碳鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物 AF AFe3C 先共析線 AF AP 溫度 亞共析鋼的C曲線 Ms Mf A1 時間(s) 300 1021031041010 800 -100 100 500 700 0 A A3 Ms Mf A1 溫度

12、時間(s) 300 1021031041010 800 -100 100 500 700 0 A Acm 過共析鋼的C曲線 AFe3C AP P型+F P型+Fe3C 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理- -熱處理原理熱處理原理 2 4 過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 A1 A 溫度 時間(s) 300 1021031041010 800 -100 100 500 700 0 共析鋼 PsPf K 無貝氏體轉(zhuǎn)變！ Ms Mf 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 4 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理- -熱處

13、理工藝熱處理工藝 1、機械零件的加工工工藝路線 預備熱處理機械粗加工最終熱處理 機械精加工 鍛造 鑄造 毛坯 預備熱處理（退火、正火） 最終熱處理（淬火+回火） 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理- -熱處理工藝熱處理工藝 擴散退火 去應力退火 完全退火 球化退火 正火 1.4 1100 1000 900 800 700 600 500 0.20.40.60.81.01.2 溫度 C% A A F+Fe3C Ac1 Ac3 Accm 淬火 2 退火、正火、淬火加熱溫度范圍退火、正火、淬火加熱溫度范圍 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機

14、電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理- -熱處理工藝熱處理工藝 P 均勻A 細A A1 MS Mf 時間 等溫退火 P P 完全退火 (爐冷) 正火 (空冷) S 淬火 (油冷) T+M+A 等溫淬火 B下 M+A 分級淬火 M+A 淬火 (水冷) M回+A 150-250 T回 350-500 S回 500-650 3 根據(jù)冷速曲線與根據(jù)冷速曲線與C曲線交點位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物曲線交點位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理- -三個判據(jù)三個判據(jù) 1 實際生產(chǎn)中退火與正火的選擇 鋼的含碳量C%0.50.5 0.77 0

15、.77 HT工藝正火完全退火球化退火 組 織F+SF+PP球 2 正火組織判斷 鋼的含碳量C%0.60.6 組 織F+SS 3 組織中是否有殘余奧氏體 A中含碳量C%0.50.5 殘余奧氏體無有 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理 工藝名稱目 的加 熱 溫 度獲 得 的 組 織 退火 1 調(diào)整硬度，便于 機加工 2 細化晶粒，消除 應力，改善組織 3 為最終HT作好 組織準備 亞 Ac3+(30 50) F+P 共 Ac1+(30 50) P 過 Ac1+(20 40) P球 正火 1 調(diào)整硬度，便于 機加工 2 細化晶粒，改善 組織 3

16、為最終HT作好 組織準備 4 消除網(wǎng)狀二次滲 碳體 亞 Ac3+(30 50) 0.6 F+S 0.6 S 共 Ac1+(30 50) S 過 Accm+(30 50) S 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理 淬火 1 實現(xiàn)馬氏體強化 2 通過淬火后的回 火，達到使用性能 的要求 亞 Ac3+(30 50) 0.5 M 0.5 M+A 共 Ac1+(30 50) M+A 過 Ac1+(30 50) M+A+Fe3C粒 回火 1 消除應力，減少 變形 2 降低脆性 3 穩(wěn)定工作尺寸 低回（150250） 0.5 M回 0.5 M回+A 中回（

17、350500） T回 高回（500650） S回 共、過共析鋼僅適應淬火+低溫回火 M回+A M回+A+Fe3C粒 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 6 1.4 1.4 鋼的熱處理鋼的熱處理 表 面 淬 火 表面獲得馬氏 體組織，并獲 得表硬里韌的 性能。 預備熱處理： 調(diào)質(zhì)或正火 適用于中碳鋼 0.40.5%C 表面：M回 心部： S回(調(diào)質(zhì)) 或 F+S(正火) 滲 碳 提高表面含碳 量，獲得表硬 里韌的性能。 滲碳溫 度:900950 淬火溫度： 表面Ac1+3050 心部Ac3+3050 適用于低碳鋼 0.10.25%C 表面：M回+A(少)+ 顆粒狀Fe3C(K)

18、心部：M回+F 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 2 2 常用材料常用材料 7 復合材料 有色金屬及合金 常 用 材 料 金屬材料 工業(yè)用鋼 鑄 鐵 有機高分子材料 無機非金屬材料 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 2.1 工業(yè)用鋼 鋼種C%典型牌號合金元素 作用 熱處理使用狀態(tài)下 組織 性能用途 碳素 結(jié)構(gòu) 鋼 0.4Q195 Q235 熱軋狀 態(tài) F+P塑性, 焊接 性好 建筑 結(jié)構(gòu) 低合 金高 強度 鋼 0.2Q345Mn:強化F, 增加P,降 低脆轉(zhuǎn)溫 度 熱軋空 冷 F+P塑性, 焊接 性好 橋梁, 船舶, 容器 滲碳 鋼 0.1 0.25 20

19、20Cr 20CrMn Ti Cr,Mn:提 高淬透性, 強化F,Ti: 細化晶粒 滲碳+ 淬火+ 低溫回 火 表面：M回+ A (少量)+ 顆粒狀Fe3C 心部：M回 +F 表硬 里韌 軸、 齒輪 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 2.1 工業(yè)用鋼 鋼種C%典型牌號合金元素 作用 熱處理使用狀態(tài)下 組織 性能用途 調(diào)質(zhì) 鋼 0.3 0.5 45 40Cr 40CrNiM o Cr,Ni:提 高淬透性, 強化F, Mo:防止 第二類回 火脆性 調(diào)質(zhì)S回良好 綜合 力學 性能 軸、 齒輪 彈簧 鋼 0.60. 9 0.45 0.7 65Mn 60Si2Mn Cr,Mn:提 高淬

20、透性, 強化F；Si: 提高屈強 比 淬火+ 中溫回 火 T回高 s/ b 高 -1 彈簧 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 2.1 工業(yè)用鋼 鋼種C%典型 牌號 合金元素 作用 熱處理使用狀態(tài)下 組織 性能用途 滾動軸 承鋼 0.9 51. 10 GCr 15 Cr:提高淬 透性,耐磨 耐蝕性 球退+ 淬火+ 低溫回 火 M回+ A(少量)+ 顆粒狀Fe3C 高耐 磨高 -1 足夠 ak 滾動軸承 耐磨鋼1.0 1.3 ZG Mn 13 Mn:形成A 組織 水韌處 理 表：M+碳 化物 心：A 高耐 磨耐 沖擊 鏟齒，履 帶板 碳素工 具鋼 0.6 5 1.3 5 T7 T

21、13 球退+ 淬火+ 低溫回 火 M回+ A(少量)+ 顆粒狀Fe3C 高硬 度高 耐磨 沖子、絲 錐、銼刀 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 2.1 工業(yè)用鋼 鋼種C % 典型牌 號 合金元素 作用 熱處理使用狀態(tài)下 組織 性能用途 低合金 工具鋼 0. 75 1. 5 9SiCrSi、Cr： 提高淬透 性 球退+ 淬火+ 低溫回 火 M回+ A(少量)+ 顆粒狀Fe3C 高硬 度高 耐磨 低速刃具 高速鋼0. 7 1. 5 W18C r4V Cr:提高 淬透性； W、V： 提高熱硬、 耐磨性 鍛、退 火、淬 火+三 次回火 M回+ A(少量)+ 顆粒狀碳化 物 高熱 硬高

22、 硬度 高耐 磨 高速刃具 武漢理工大學武漢理工大學 | 機電學院機電學院 | 2.1 工業(yè)用鋼 鋼鋼 種種 C%典型牌號典型牌號合金元素合金元素 作用作用 熱處理熱處理使用狀態(tài)下使用狀態(tài)下 組織組織 性能性能用途用途 冷冷 作作 模模 具具 鋼鋼 1.4 2.3 Cr12 Cr12M oV Cr:提高淬提高淬 透性。透性。 MoV:提高提高 耐磨性耐磨性 鍛，退，鍛，退， 淬火淬火+ 低溫回低溫回 火火 M回 回+ A(少 少 量量) +顆粒狀顆粒狀 碳化物碳化物 高硬高硬 度高度高 耐磨耐磨 冷沖模冷沖模 擠壓模擠壓模 熱熱 鍛鍛 模模 鋼鋼 0.5 0.6 5CrNiM o 5CrMn Mo 合金元素合金元素 作用同調(diào)作用同調(diào) 質(zhì)鋼質(zhì)鋼 調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)S回 回 抗熱抗熱 疲勞疲勞 熱鍛模熱鍛模