機(jī)械工程材料基礎(chǔ)

1、第一章晶體：內(nèi)部原子（離子或分子）在三維空間按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體非晶體：內(nèi)部原子（離子或分子）在三維空間內(nèi)無(wú)規(guī)則排列的物質(zhì)晶胞：能夠反應(yīng)晶格特征的最小組成單元晶格： 能構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子或離子） 抽象為純粹的幾何陣點(diǎn)， 將這些陣點(diǎn)用假想的直線連接起來(lái)，構(gòu)成的三維的空間格架晶格常數(shù)：晶胞的三條棱長(zhǎng)a,b,c.三種常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格特征：晶格類(lèi)型晶胞中的原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度體心立方2V3a/480.68面心立方4，2a/4120.74密排六方6a/4120.74配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子周?chē)罱徢业染嚯x的原子數(shù)致密度：晶胞中所含原

2、子的體積與晶胞體積的比值晶面：由一系列原子組成，通過(guò)院子中心的平面晶向：任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向指數(shù)：用以表述晶面（向）的數(shù)字符號(hào)稱為晶面（晶向）指數(shù)原子排列情況相同但空間位向不同的所有晶面（晶向）稱為晶面（晶向）族密排面：原子密度最大的面密排方向：原子密度最大的方向晶體的各向異性：金屬沿不同方向性能不相同的現(xiàn)象實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)：點(diǎn)缺陷：晶格空位、間隙原子、異類(lèi)原子線缺陷：刃型位錯(cuò)、螺型位錯(cuò)面缺陷：晶界、亞晶界目前最主要的工程材料包括金屬材料、高分子材料、陶瓷材料、復(fù)合材料合金： 一種金屬元素或幾種金屬 （或非金屬） 元素， 通過(guò)熔化或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)組元：

3、組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)相： 在金屬或合金中， 凡化學(xué)成分、 晶體結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分兩類(lèi)基本相：固溶體、中間相（金屬化合物）固溶體：合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相固溶體包括置換固溶體和間隙固溶體兩種形式固溶強(qiáng)化：通過(guò)形成固溶體使金屬的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象<由于溶質(zhì)原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸變，阻礙了晶體的滑移，從而使合金固溶體的強(qiáng)度和硬度得到提高 >中間相（金屬化合物）：組元之間相互形成的，晶格類(lèi)型和特性均不同于任一組元的新相中間相包括正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙相和間隙化合物凝固：物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)

4、程稱為凝固結(jié)晶： 原子團(tuán)由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程有序狀態(tài)<是一個(gè)自發(fā)過(guò)程，但必須具備一定條件，即需要驅(qū)動(dòng)力 >過(guò)冷現(xiàn)象： 液態(tài)物質(zhì)要結(jié)晶， 就必需冷卻到 T0 溫度以下， 即必需冷卻到低于T0 溫度的某一 個(gè)溫度 Tn 才能結(jié)晶。過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差，即4 T=T0-Tn結(jié)晶的基本過(guò)程：晶核的形成、晶核的長(zhǎng)大晶核的形成：均勻形核 = 均質(zhì)形核 = 自發(fā)形核非均勻形核= 異質(zhì)形核 = 費(fèi)自發(fā)形核晶核的長(zhǎng)大：平面狀態(tài)生長(zhǎng)、樹(shù)枝狀態(tài)生長(zhǎng)形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的晶核數(shù)晶體的長(zhǎng)大速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)晶核向周?chē)L(zhǎng)大的平均速率冷卻速度和難熔雜質(zhì)對(duì)兩者有一定的影

5、響 細(xì)化晶核的方法：增大過(guò)冷度、變質(zhì)處理、振動(dòng)和攪拌 鑄錠晶區(qū)：表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū) 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：材料在固態(tài)下改變晶格類(lèi)型的過(guò)程第二章 使用性能：機(jī)械零件在正常工作情況下應(yīng)具備的性能工藝性能：機(jī)械零件在冷、熱加工的過(guò)程中應(yīng)具備的性能強(qiáng)度：金屬抵抗永久變形和斷裂的能力比例極限：應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線上符合線性關(guān)系的最高應(yīng)力值彈性極限：材料產(chǎn)生完全彈性形變時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值 屈服強(qiáng)度：材料開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力值，反映了材料抵抗永久變形的能力 抗拉強(qiáng)度：材料的極限承載能力，是試樣拉斷前所能承受的最大應(yīng)力值剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性形變的能力彈性模量 E 是指材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)

6、變的比值塑性：材料在斷裂前發(fā)生不可逆永久變形的能力硬度：材料抵抗局部變形的能力，是衡量材料軟硬程度的指標(biāo)常用的硬度指標(biāo)：布氏硬度 HB洛氏硬度HR維氏硬度HV布氏硬度：壓頭為淬火鋼球V450HBs壓頭為硬質(zhì)合金壓頭450 650HBW洛氏硬度：頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm 的淬火鋼球?yàn)閴侯^無(wú)單位 1HRC=10HBs維氏硬度：頂部?jī)擅嫦鄬?duì)具有規(guī)定角（136°）的正四棱錐金剛石壓頭韌性：材料在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力沖擊韌度：材料抵抗沖擊載荷作用而不被破壞的能力疲勞： 工程材料在服役過(guò)程中， 由于承受交變載荷而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生， 擴(kuò)展以至斷裂失效

7、的 現(xiàn)象疲勞強(qiáng)度：試樣承受無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)才斷裂的應(yīng)力 提高材料的疲勞強(qiáng)度（提高表面強(qiáng)度）的方法： 改善零件的結(jié)構(gòu)形狀以避免應(yīng)力集中、降低零件表面粗糙度、盡量減少各種熱處理缺陷單晶體的塑性變形： 兩種基本形式：滑移、孿生滑移：晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對(duì)于另一部分發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)位移的現(xiàn)象 滑移系：一個(gè)滑移面與其上的一個(gè)滑移方向組成多晶體塑性變形的特點(diǎn)：各晶粒變形顯微組織呈現(xiàn)纖維狀、亞結(jié)構(gòu)生成、形變織構(gòu)產(chǎn)生（絲織構(gòu)、板織構(gòu)）冷變形對(duì)金屬性能的影響：（ 1 ）冷變形強(qiáng)化（加工硬化）隨著塑性變形量的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象根本原因：位錯(cuò)密度及其他晶體缺陷

8、的增加位錯(cuò)強(qiáng)化：通過(guò)增加位錯(cuò)密度來(lái)提高金屬?gòu)?qiáng)度的現(xiàn)象（ 2 ）力學(xué)性能的各向異性（ 3 ）物理、化學(xué)性能的改變（ 4 ）殘余應(yīng)力：宏觀內(nèi)應(yīng)力、微觀內(nèi)應(yīng)力、點(diǎn)陣畸變冷變形金屬在加熱時(shí)組織和性能的變化：（ 1 ）回復(fù)：殘余應(yīng)力大大降低（ 2 ）再結(jié)晶：是一個(gè)形核和長(zhǎng)大的過(guò)程不是一個(gè)恒溫過(guò)程，它是在一定溫度范圍內(nèi)發(fā)生的冷變形金屬開(kāi)始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度稱為再結(jié)晶最低再結(jié)晶溫度影響因素：預(yù)先變形度、金屬的熔點(diǎn)、雜質(zhì)與合金元素、加熱速度和保溫時(shí)間（ 3 ）晶粒長(zhǎng)大冷加工與熱加工的區(qū)別：以再結(jié)晶的溫度作為冷加工和熱加工的分界。 低于再結(jié)晶溫度的加工為冷加工， 反之熱加工熱加工對(duì)金屬組織的影響：消除鑄錠組織

9、缺陷、細(xì)化晶粒、形成鍛造流線、形成帶狀組織第三章相圖：表示合金系中合金的狀態(tài)與溫度、成分之間關(guān)系的圖解勻晶相圖： 凡是二元合金系中有兩組元在液態(tài)下可以任何比例均勻的相互溶解， 在固態(tài)下能形成無(wú)限固溶體時(shí)，其相圖屬于勻晶相圖勻晶轉(zhuǎn)變：由液相結(jié)晶出均一固相的過(guò)程二元共晶相圖：凡二元合金系中兩組元在液態(tài)下能完全互溶，在固態(tài)下形成兩種不同固相，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖共晶轉(zhuǎn)變： 二元合金系中， 一定成分的液相， 在一定溫度下同時(shí)結(jié)晶出成分一定的兩種不相同固相的轉(zhuǎn)變 （在恒溫下進(jìn)行）包晶相圖： 兩組元在液態(tài)下無(wú)限互溶， 在固態(tài)下有限溶解， 并發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變的二元合金相圖包晶轉(zhuǎn)變： 在一定溫度下， 有一定成分的

10、固相與一定成分的液相作用， 形成另一個(gè)一定成分固相的轉(zhuǎn)變 （在恒溫下進(jìn)行）共析轉(zhuǎn)變： 載一定溫度下， 由一定成分的固相分解為另外兩個(gè)一定成分故鄉(xiāng)的轉(zhuǎn)變過(guò)程（ 恒溫轉(zhuǎn)變）共析相圖含有穩(wěn)定化合物的相圖穩(wěn)定化合物：具有一定熔點(diǎn)，在熔點(diǎn)一下保持其固有結(jié)構(gòu)而不發(fā)生分解的化合物鐵碳合金的基本組織基本組元：鐵、碳基本組織：鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、萊氏體鐵素體：碳溶入a-Fe中形成的間隙固溶體F體心立方晶格奧氏體：碳溶入3-Fe中形成的間隙固溶體A面心立方晶格滲碳體：鐵和碳相互作用而形成的一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物Fe3c珠光體：由鐵素體和滲碳體組成的多相組織P萊氏體：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3 %的

11、液態(tài)合金冷卻到1148c時(shí)，同時(shí)結(jié)晶出奧氏體和滲碳體的多相組織Ld 在727c以下萊氏體由珠光體和滲碳體組成，稱為變態(tài)萊氏體Ld'鐵碳相圖中的轉(zhuǎn)變：共晶轉(zhuǎn)變、共析轉(zhuǎn)變戰(zhàn)的研信分散3“特性線ACDAECF鐵碳介金的液利找鐵碳合金的國(guó)和理緩的含義x何天百冷卻時(shí)奧因體斬出鐵索體的開(kāi)始統(tǒng)U常用小表示ES 設(shè)在奧氏體中溶解度線,新用4小表示KCF共晶轉(zhuǎn)變線L,Ao. 77 + F白CF5K 其析轉(zhuǎn)變線,共晶點(diǎn)Av-F.舊十FoC.常用A 表示鐵碳合金的分類(lèi)：工業(yè)純鐵：W50.0218%鋼：共析鋼：Wc=0.77%亞共析鋼： Wc=0.0218 -0.77 %過(guò)共析鋼：Wc=0.77% -2.11

12、 %白口鐵：共晶白口鐵： Wc=4.3亞共品白口鐵： Wc=2.11% -4.3 %過(guò)共品白口鐵： Wc=4.3% -6.69 %碳鋼的牌號(hào)：（ 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼：代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)（ 2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：兩位數(shù)字，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)倍數(shù)（ 3）碳素工具鋼：T 后面加數(shù)字，表示鋼中平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千倍數(shù)（若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在數(shù)字后面加A）（4）碳素鑄鋼：ZG加兩組數(shù)字，第一組為最小屈服強(qiáng)度值，第二組為最小抗拉強(qiáng)度值選材。第四章熱處理： 采用適當(dāng)?shù)姆绞皆诠虘B(tài)下對(duì)鋼件進(jìn)行加熱、 保溫和冷卻， 以獲得所需組織和性能的工藝方法目的：改善工藝性能、

13、提高強(qiáng)度熱處理的分類(lèi)：普通熱處理、表面熱處理、化學(xué)熱處理、特殊熱處理奧氏體的形成過(guò)程:（ 1）奧氏體晶核的形成（ 2）奧氏體晶核的長(zhǎng)大（ 3）剩余滲碳體的溶解（ 4）奧氏體成分均勻化影響奧氏體形成的因素：加熱溫度、碳含量、合金元素（Co、 Ni 、 Al 以外的都降低速度）、原始組織常見(jiàn)的 A 晶粒度：起始晶粒度：P向A轉(zhuǎn)變完成時(shí)剛形成的A晶粒大小實(shí)際晶粒度：鋼在某一具體加熱條件下獲得的 A 晶粒大小本質(zhì)晶粒度：鋼在規(guī)定加熱條件（ 930± 30保溫 3-8h ）下加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向A晶粒長(zhǎng)大的傾向主要取決于鋼的成分和冶煉條件過(guò)冷奧氏體：在臨界點(diǎn)以下暫時(shí)存在的 A 稱為過(guò)冷奧

14、氏體過(guò)冷奧氏體等溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線：1、珠光體型轉(zhuǎn)變（高溫轉(zhuǎn)變）擴(kuò)散型A1-650珠光體P粗片狀650 -600 索氏體S細(xì)片狀600 -550 托氏體T極細(xì)片狀2、貝氏體型轉(zhuǎn)變（中溫轉(zhuǎn)變）半擴(kuò)散型550 -350 上貝氏體羽毛狀350 -Ms 下貝氏體竹葉狀3、馬氏體型轉(zhuǎn)變（低溫轉(zhuǎn)變）無(wú)擴(kuò)散型針狀、板條狀僅僅是晶格類(lèi)型改變，而無(wú)碳濃度的改變碳在a -Fe中的過(guò)飽和固溶體稱為馬氏體M轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)：無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變、變溫形成、轉(zhuǎn)變速度極快、體積膨脹、轉(zhuǎn)變的不完全性、可逆性有較高的強(qiáng)度，還有較好的塑性和韌性zoo溫度時(shí)間內(nèi)過(guò)冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變:爐冷爐冷：P空冷：S油冷：T+M+1余奧氏體 臨界冷卻速度：M

15、 水冷：M二戒余奧氏體奧氏體詵光體A>-黑氏也馬氏體鋼的退火與正火（預(yù)備熱處理）：退火： 將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上或以下的適當(dāng)溫度， 并保溫一段時(shí)間， 然后緩慢冷卻的熱處理工藝目的：1、降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能或后續(xù)變形性能2、消除組織缺陷，細(xì)化晶粒，均勻組織，提高力學(xué)性能，為最終熱處理做準(zhǔn)備3、消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，減少變形和開(kāi)裂傾向常用的退火方法：完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火、擴(kuò)散退火完全退火：將鋼加熱到Ac3+ 30-50 ，保溫一段時(shí)間，然后隨爐冷卻。主要用于亞共析鋼球化退火：一次加熱球化退火、等溫球化退火、往復(fù)球化退火使鋼中碳化物球狀化，獲得粒狀珠

16、光體的一種熱處理工藝主要用于過(guò)共析鋼及合金工具鋼目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能和力學(xué)性能，獲得均勻組織，改善熱處理工藝性能，為淬火做準(zhǔn)備在退火前要進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體正火：將鋼加熱到 Ac或Ac-以上30-50 C,保溫后在空氣中冷卻得到珠光體類(lèi)型組織的熱處理工藝目的和應(yīng)用：1、重要零件的預(yù)備熱處理，如半軸、凸輪軸2、普通零件的最終熱處理，受力較小、性能要求不高的碳素結(jié)構(gòu)鋼零件3、對(duì)于工具鋼、軸承鋼等用正火課消除網(wǎng)狀滲碳體，以利于球化退火，同時(shí)細(xì)化晶粒，為淬火做準(zhǔn)備退火與正火的選擇：正火的冷卻速度讀較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，獲得的組織更細(xì)小正火比退火生產(chǎn)周期短、操作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高、

17、工藝成本低一般情況下盡量用正火代替退火鋼的淬火與回火（最終熱處理）：淬火：把鋼加熱到AC3 （亞共析鋼）或Aci （過(guò)共析鋼）以上某一溫度，保溫后以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s，以獲得馬氏體和下貝氏體組織的熱處理工藝目的：獲得M或B組織，提高鋼的性能（硬度、強(qiáng)度、耐磨性）加熱溫度的選擇：亞共析鋼：Aq以上30-100 C共析鋼和過(guò)共析鋼：Ac1 以上30-70 過(guò)熱和過(guò)燒：前者可以補(bǔ)救，后者無(wú)法補(bǔ)救淬火介質(zhì)：水、鹽水、油、鹽浴及堿浴淬火方法：?jiǎn)谓橘|(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級(jí)淬火、等溫淬火鋼的淬硬性： 鋼在正常淬火時(shí)所能達(dá)到的最高硬度值， 表明鋼的淬硬能力， 主要決定于鋼（準(zhǔn)確的說(shuō)是淬火M）中的碳含量鋼的淬透性：

18、鋼在淬火中時(shí)獲得M的能力，主要取決于鋼的臨界冷卻速度，即過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性影響淬透性的因素：碳含量、合金元素（除鈷之外，其余合金元素溶于 A 均會(huì)降低臨界冷卻速度）、奧氏體化溫度、鋼中未溶第二相回火：將淬火后的零件加熱到低于Ac1 的某一溫度并保溫，然后冷卻到室溫的熱處理工藝目的：穩(wěn)定鋼的組織和尺寸、減少或消除內(nèi)應(yīng)力、獲得所需的力學(xué)性能淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變：M的分解、A的分解、回火才t氏體的形成、Fe3c的聚集長(zhǎng)大和F的再結(jié)晶回火的種類(lèi)：1、低溫回火(150-250 )：得到回火馬氏體組織2、中溫回火(350-500 )：得到回火托氏體組織3、高溫回火(500-650 )：得到回火索氏體組織調(diào)質(zhì)處理：淬火加高溫回火的熱處理鋼的回火穩(wěn)定性：淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗強(qiáng)度、硬度下降的能力決定因素：鋼中的合金元素 Si 、 cr、 Mo二次硬化：一些含有Mo、 W、 V、 cr 等元素較多的鋼，隨回火溫度的提高，硬度并不簡(jiǎn)單下降，而在某一較高回火溫度，硬度反而顯著升高第一類(lèi)回火脆性：鋼在250-