工程材料及成形技術基礎復習(重點完整版)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上一、 二元相圖的建立合金的結晶過程比純金屬復雜，常用相圖進行分析，相圖是用來表示合金系中各金在緩冷條件下結晶過程的簡明圖解，又稱狀態(tài)圖或平衡圖。 合金系是指由兩個或兩個以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。 組元是指組成合金的最簡單、最基本、能夠獨立存在的物質。 多數情況下組元是指組成合金的元素。但對于既不發(fā)生分解、又不發(fā)生任何反應的合物也可看作組元, 如Fe-C合金中的Fe3C。 相圖由兩條線構成，上面是液相線，下面是固相線。相圖被兩條線分為三個相區(qū)，液相線以上為液相區(qū)L ，固相線以下為a 固溶體區(qū)，兩條線之間為兩相共存的兩相區(qū)（L+ a ）。 (3) 枝晶

2、偏析合金的結晶只有在緩慢冷卻條件下才能得到成分均勻的固溶體。但實際冷速較快，結晶時固相中的原子來不及擴散，使先結晶出的枝晶軸含有較多的高熔點元素(如Cu-Ni合金中的Ni), 后結晶的枝晶間含有較多的低熔點元素，如Cu-Ni合金中的Cu)。在一個枝晶范圍內或一個晶粒范圍內成分不均勻的現象稱作枝晶偏析。與冷速有關而且與液固相線的間距有關。冷速越大，液固相線間距越大，枝晶偏析越嚴重枝晶偏析會影響合金的力學、耐蝕、加工等性能。 生產上常將鑄件加熱到固相線以下100-200長時間保溫，以使原子充分擴散、成分均勻，消除枝晶偏析，這種熱處理工藝稱作擴散退火。2、二元共晶相圖當兩組元在液態(tài)下完全互溶，在固態(tài)

3、下有限互溶，并發(fā)生共晶反應時所構成的相圖稱作共晶相圖。以 Pb-Sn 相圖為例進行分析。(1) 相圖分析 相：相圖中有L、a、b三種相，a是溶質Sn在 Pb中的固溶體，b是溶質Pb在Sn中的固溶體。 相區(qū)：相圖中有三個單相區(qū)： L、a、b；三個兩相區(qū)： L+a、L+b、a+ b。 液固相線：液相線AEB，固相線ACEDB。A、B分別為Pb、Sn的熔點。 固溶線: 溶解度點的連線稱固溶線。相圖中的CF、DG線分別為 Sn在 Pb中和 Pb在 Sn中的固溶線。固溶體的溶解度隨溫度降低而下降。 共晶線：水平線CED叫做共晶線。 在共晶線對應的溫度下（183 ），E點成分的合金同時結晶出C點成分的 a

4、 固溶體和D點成分的 b 固溶體，形成這兩個相的機械混合物LE (aC + bD)在一定溫度下，由一定成分的液相同時結晶 出兩個成分和結構都不相同的新固相的轉變稱作共晶轉變或共晶反應。 一、 鐵碳合金的組元和相1. 組元：Fe、 Fe3C2. 相 鐵素體 碳在a-Fe中的固溶體稱鐵素體，用F或a 表示碳在a Fe中的固溶體用a表示，體心立方間隙固溶體。鐵素體的溶碳能力很低，在727時最大為0.0218%，室溫下僅為0.0008%。鐵素體的組織為多邊形晶粒，性能與純鐵相似。(2) 奧氏體 碳在g -Fe中的固溶體稱奧氏體。用A或 g 表示。是面心立方晶格的間隙固溶體。溶碳能力比鐵素體大，1148

5、時最大為2.11%。 組織為不規(guī)則多面體晶粒，晶界較直。強度低、塑性好，鋼材熱加工都在g 區(qū)進行，碳鋼室溫組織中無奧氏體。(3) 滲碳體(Fe3C) 含碳6.69%，用Fe3C或Cm表示。Fe3C硬度高、強度低 (sb » 35MPa)，脆性大，塑性幾乎為零。由于碳在a-Fe中的溶解度很小，因而常溫下碳在鐵碳合金中主要以Fe3C或石墨的形式存在。  重要知識點 u 五個重要的成份點: P、S、E、C、F u 四條重要的線: ECF、PSK、ES、GS u 三個重要轉變: 共晶轉變反應式、共析轉變反應式、包晶轉變（本節(jié)略） u 二個重要溫度: 1148 、727  

6、 第一節(jié) 退火和正火一般零件的工藝路線為：毛坯（鑄造或鍛造）退火或正火機械（粗）加工淬火+回火（或表面熱處理）機械（精）加工。 退火與正火常作為預備熱處理，其目的是為消除毛坯的組織缺陷，或為以后的加工作準備；淬火和回火工藝配合可強化鋼材，提高零件使用性能，作為最終熱處理。一、退火 將工件加熱到適當溫度，保溫一定時間，緩慢冷卻熱處理工藝【目的】根據不同情況，退火的作為可歸納為降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；均勻鋼的化學成分和組織；消除內應力等。 調整硬度以便進行切削加工； 消除殘余內應力，以防止鋼件在淬火時產生變形或開裂; 細化晶粒，改善組織，提高力學性能，為最終熱處理作準備。1、退火類型

7、(1) 完全退火完全退火是將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火工藝。 【工藝】加熱溫度為Ac3以上2030，保溫時間依工件的大小和厚度而定，使工件熱透，保證全部得到均勻化的奧氏體，冷卻方式可采用隨爐緩慢冷卻，實際生產時為提高生產率，退火冷卻至600左右即可出爐空冷。 （2）球化退火【工藝】球化退火的加熱溫度為Ac1以上2030，采用隨爐緩冷，至500600后出爐空冷；（3）去應力退火 去除工件塑性變形加工、切削加工或焊接造成的內應力及鑄件內存在的殘余內應力而進行的退火工藝。 【工藝】去應力退火加熱溫度較寬，但不超過AC1點，一般在500650之間，鑄鐵件去應力退火溫度一般為50

8、0 550；焊接工件的去應力退火溫度一般為500 600。去應力退火的保溫時間也要根據工件的截面尺寸和裝爐量決定。去應力退火后的冷卻應盡量緩慢，以免產生新的應力。  （4）擴散退火 為減少鑄件或鍛坯的化學成分和組織不均勻性，將其加熱到略低于固相線（固相線以下 100200）的溫度，長時間保溫(10h15h)，并進行緩慢冷卻的熱處理工藝，稱為擴散退火或均勻化退火。 二、正火1、正火的概念 【工藝】正火處理的加熱溫度通常在Ac3或Accm以上3050。對于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金鋼，采用更高的加熱溫度（AC3 + 100150）。 正火冷卻方式常用的是將鋼件從加熱爐中取出

9、在空氣中自然冷卻。對于大件也可采用吹風、噴霧和調節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼的冷卻速度，達到要求的組織和性能。 第二節(jié) 鋼的淬火將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼與過共析鋼加熱到Ac1以上，低于Accm的溫度，保溫后以大于Vk的速度快速冷卻，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體或貝氏體的熱處理工藝叫淬火。馬氏體強化是鋼的主要強化手段，因此淬火的目的就是為了獲得馬氏體，提高鋼的機械性能。淬火是鋼的最重要的熱處理工藝也是熱處理中應用最廣的工藝之一。1、淬火溫度的確定淬火溫度即鋼的奧氏體化溫度，是淬火的主要工藝參數之一。選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細小的奧氏體組織。亞共析鋼的淬火溫度一般為Ac3以上3050，淬火后獲

10、得均勻細小的馬氏體組織。溫度過高，奧氏體晶粒粗大而得到粗大的馬氏體組織，而使鋼的機械性能惡化，特別是塑性和韌性降低；淬火溫度低于Ac3，淬火組織中會保留未溶鐵素體，使鋼的強度硬度下降。4、鋼的淬透性（1）淬透性與淬硬性的概念 鋼的淬透性是指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力（也稱為淬透層深度），其大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬硬層深度來表示。 淬硬層深度指由工件表面到半馬氏體區(qū)(50%M + 50%P)的深度。淬硬性是指鋼淬火后所能達到的最高硬度，即硬化能力。淬透性與淬硬層深度的關系同一材料的淬硬層深度與工件尺寸、冷卻介質有關。工件尺寸小、介質冷卻能力強，淬硬層深。 淬透性與工件尺寸、冷

11、卻介質無關。它只用于不同材料之間的比較，通過尺寸、冷卻介質相同時的淬硬層深度來確定的。（2）淬透性的測定及其表示方法  同一材料的淬硬層深度與工件的尺寸，冷卻介質有關，工件尺寸小、冷卻能力強，淬硬層深，工件尺寸小、介質冷卻能力強，淬硬層深，而淬透性與工件尺寸、冷卻介質無關，它只用于不同材料之間的比較，是在尺寸、冷卻介質相同時，用不同材料的淬硬層深度進行比較的。淬透性常用末端淬火法測定（如下圖所示），將標準化試樣奧氏體化后，對末端進行噴水冷卻。然后從水冷段開始，每隔一定距離測量一個硬度值，即可得到試樣沿軸向的硬度分布曲線，稱為鋼的淬透性曲線。即用 表示J 表示末端淬透性；d 表示半馬氏

12、體區(qū)到水冷端的距離；HRC 為半馬氏體區(qū)的硬度。(3) 影響淬透性的因素 鋼的淬透性取決于臨界冷卻速度VK， VK越小，淬透性越高。VK取決于C曲線的位置，C 曲線越靠右，VK越小。 凡是影響C曲線的因素都是影響淬透性的因素，即除Co 外，凡溶入奧氏體的合金元素都使鋼的淬透性提高；奧氏體化溫度高、保溫時間長也使鋼的淬透性提高。 u 影響淬硬層深度的因素淬透性 冷卻介質 工件尺寸對于截面承載均勻的重要件,要全部淬透。如連桿、模具等。對于承受彎曲、扭轉的零件可不必淬透(淬硬層深度一般為半徑的1/2-1/3)，如軸類、齒輪等。淬硬層深度與工件尺寸有關,設計時應注意尺寸效應。第三節(jié) 鋼的回火 回火將淬

13、火鋼加熱到Ac1以下的某溫度保溫后冷卻的熱處理工藝。1、回火的目的u 消除或減少淬火內應力，防止工件變形或開裂；u 獲得工藝所要求的力學性能；u 穩(wěn)定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織鐵素體加滲碳體轉變的傾向?；鼗鹂墒柜R氏體和殘余奧氏體轉變?yōu)槠胶饣蚪咏胶獾慕M織，防止使用時變形。 對于未經淬火的鋼，回火是沒有意義的，而淬火鋼不經回火一般也不能直接使用，為避免淬火件在放置過程中發(fā)生變形或開裂，鋼件經淬火后應及時回火。3、回火工藝（1）低溫回火（<250） 低溫回火后得到回火馬氏體組織。其目的是降低鋼的淬火應力和脆性，回火馬氏體具有高的硬度（一般為5864HRC

14、）、強度和良好耐磨性。低溫回火特別適用于刀具、量具、滾動軸承、滲碳件及高頻表面淬火等工求高硬度和耐磨性的工件。（2）中溫回火（350-500） 中溫回火時發(fā)生如下變化，得到T回組織，即為在保持馬氏體形態(tài)的鐵素體基體上分布著細粒狀滲碳體的組織。使鋼具有高的彈性極限，較高的強度和硬度（一般為35 50HRC），良好的塑性和韌性。中溫回火主要用于各種彈性元件及熱作模具。（3）高溫回火（>500） 高溫回火后得到回火索氏體組織，即為在多邊性鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織 。工件淬火并高溫回火的復合熱處理工藝稱為調質。高溫回火主要適用于中碳結構鋼或低合金結構鋼制作的曲軸、連桿、螺栓、汽車半

15、軸、等重要的機器零件。4、回火時的性能變化 回火時力學性能變化總的趨勢是隨回火溫度提高，鋼的強度、硬度下降，塑性、韌性提高。5、回火脆性淬火鋼的韌性并不總是隨溫度升高而提高。在某些溫度范圍內回火時，會出現沖擊韌性下降的現象。（1）低溫回火脆性 淬火鋼在250350范圍內回火時出現的脆性叫做低溫回火脆性。幾乎所有的鋼都存在這類脆性。這是一種不可逆回火脆性，目前尚無有效辦法完全消除這類回火脆性。所以一般都不在250350這個溫度范圍內回火。（2）高溫回火脆性 淬火鋼在500650范圍內回火時出現的脆性稱為高溫回火脆性，稱為第二類回火脆性。這種脆性主要發(fā)生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的結構鋼

16、中。 這種脆性與加熱、冷卻條件有關。加熱至600以上后，以緩慢的冷卻速度通過脆化溫度區(qū)時，出現脆性；快速通過脆化區(qū)時，則不出現脆性。此類回火脆性是可逆的，在出現第二類回火脆性后，重新加熱至600以上快冷，可消除脆性。第四節(jié) 鋼的表面淬火鋼的表面熱處理有兩大類：一類是表面加熱淬火熱處理，通過對零件表面快速加熱及快速冷卻使零件表層獲得馬氏體組織，從而增強零件的表層硬度，提高其抗磨損性能。另一類是化學熱處理，通過改變零件表層的化學成分，從而改變表層的組織，使其表層的機械性能發(fā)生變化。1、表面淬火表面具有高的強度、硬度和耐磨性，不易產生疲勞破壞，而心部則要求有足夠的塑性和韌性。采用表面淬火可使鋼的表面

17、得到強化，滿足工件這種“表硬心韌”的性能要求。 (1) 表面淬火目的u 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲勞極限;u 心部在保持一定的強度、硬度的條件下，具有足夠的塑性和韌性。適用于承受彎曲、扭轉、摩擦和沖擊零件(2) 表面淬火用材料u 0.4-0.5%C的中碳鋼。含碳量過低，則表面硬度、耐磨性下降含碳量過高，心部韌性下降；u 鑄鐵 提高其表面耐磨性。(3) 預備熱處理u 工藝 對于結構鋼為調質或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。u 目的 為表面淬火作組織準備 獲得最終心部組織。表面淬火后的回火 采用低溫回火，溫度不高于200。目的為降低內應力保留淬火高硬度耐磨性。表

18、面淬火+低溫回火后的組織：u 表層組織為M回；心部組織為S回(調質)或F+S(正火)。第五節(jié) 化學熱處理 化學熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學成分和組織，達到改進表面性能，滿足技術要求熱處理過程。 【目的】 1、提高滲層硬度和耐磨性，如滲碳、氮等；2、提高零件接觸疲勞強度和提高抗擦傷能力，滲氮等；3、提高零件抗氧化、耐高溫性能，如滲入鋁、鉻等；4、提高零件抗蝕性，如滲入硅、鉻等?；瘜W熱處理基本過程（1）介質的分解 即加熱時介質中的化合物分子發(fā)生分解并釋放出活性原子；（ 2）工件表面的吸收即活性原子向固溶體中溶解或與鋼中某些元素形成化

19、合物；（ 3）原子向內部擴散即溶入的元素原子在濃度梯度的作用下由表層向鋼內部的擴散。1、滲碳原理滲碳是指向鋼表面滲入碳原子的過程。滲碳是為了使低碳鋼工件（含碳量為0.1%0.25%）表面獲得高的碳濃度0.85%1.05%，從而提高工件表面的硬度、耐磨性及疲勞強度，同時保持心部良好的韌性和塑性。 若采用中碳以上的鋼滲碳，則將降低工件心部的韌性。滲碳主要用于那些對耐磨性要求較高、同時承受較大沖擊載荷的零件。（2）滲碳件用鋼 一般采用碳質量分數為0.1%0.25%的低碳鋼或低碳合金鋼，20、20Cr、20CrMnTi等。可使?jié)B碳件表面高硬度、耐磨，心部高強韌性、承受較大沖擊。（3）滲碳后的

20、熱處理及性能 滲碳緩冷后組織：表層為P+網狀Fe3C; 心部為F+P； 中間為過渡區(qū)。 滲碳后必須經淬火+低溫回火后才能滿足使用性能的要求。熱處理后使?jié)B碳件表面具有馬氏體和碳化物的組織，表面硬度5864HRC。而心部根據采用鋼材淬透性的大小和零件尺寸大小，獲得低碳馬氏體或其他非馬氏體組織，具有心部良好強韌性。 常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50淬火+低溫回火。表層：M回+顆粒狀碳化物+A(少量), 心部：淬透時,M回+F。2、滲氮 滲氮是在一定溫度下于一定介質中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。方法主要有氣體滲氮和離子滲氮等。 （1）氣體滲氮 滲氮溫度一般為500560，時

21、間一般為2050小時，采用氨氣(NH3) 作滲氮介質。氨氣在450以上溫度時即發(fā)生分解，產生活性氮原子： 2NH33H2+2N （2）滲氮的特點 滲氮件的表面硬度高達，相當于65HRC72HRC。并可保持到560600而不降低。氮化后鋼件不需其他熱處理，滲氮件的變形小。 滲氮后具有良好的耐腐蝕性能。這是由于滲氮后表面形成致密的氮化物薄膜，氣體滲氮所需時間很長，滲氮層也較薄一般為0.3-0.6mm，38CrMoAl鋼制壓縮機活塞桿為獲得0.4-0.6mm的滲氮層深度氣體滲氮保溫時間需60h左右。【氮化缺點】工藝復雜，成本高，氮化層薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐熱、耐磨及耐蝕件。第六節(jié) 鑄

22、鐵一、鑄鐵的成分、組織和性能特點1、鑄鐵的成分特點a. 含碳量 理論上含C：2.11% 6.69% 的鐵碳合金都屬于鑄鐵， 但工業(yè)上常用鑄鐵的含碳量一般在：2.50%4.00%之間。三、鑄鐵的分類1、灰口鑄鐵（普通鑄鐵） 石墨呈片狀，典型灰口鑄鐵，這類鑄鐵機械性能不高，但生產工藝簡單，價格低廉，工業(yè)上所用鑄鐵幾乎全部屬于這類鑄鐵?；铱阼T鐵又根據第三階段石墨化程度的不同分為：鐵素體灰鐵、 F+P灰鐵、珠光體灰鐵2、白口鑄鐵（煉鋼生鐵）第一、二、三階段石墨化過程完全被抑制，Fe-C合金完全按照Fe-Fe3C結晶而得到的鑄鐵，以Fe3C形式存在組織中存在萊氏體組織，斷口呈白亮色，故得名白口鑄鐵。白口

23、鑄鐵硬脆，主要作為煉鋼原料。3、可鍛鑄鐵（韌性鑄鐵，瑪鋼）石墨呈團絮狀，用白口鑄鐵經長時間高溫退火后，Fe3C分解而得到團絮狀石墨組織的鑄鐵。 由于石墨呈團絮狀，對基體的割裂作用比片狀石墨小一些，故機械性能（尤其沖擊韌性）高于灰口鑄鐵?？慑戣T鐵由于生產工藝復雜，成本較高，應用很少。4、球墨鑄鐵 石墨組織呈球狀，這種鑄鐵強度高，生產工藝比可鍛鑄鐵簡單，且可通過熱處理進一步提高強度。球墨鑄鐵既保持了鑄鐵的特點，又具鋼的高強度、高韌性，故應用越來越多。（1）球化處理與孕育處理 球化處理鐵水澆鑄前，加入一定量的球化劑（鎂，硅鐵-鎂，銅-鎂系），以促使石墨結晶時生長成為球狀的工藝，稱為球化處理。 孕育處

24、理（變質處理）球化處理只能在鐵水中有石墨核心產生時，才能促使石墨生長成球狀，而球化劑都是阻礙石墨化的元素，所以必須進行孕育處理（變質處理），往鐵水中加入變質劑（75% Si-Fe）。第七節(jié) 鋁及鋁合金（1）性能特點 純鋁銀白色金屬光澤，密度小2.72，熔點低660.4，導電導熱性能優(yōu)良。耐大氣腐蝕，易于加工成形 。具有面心立方晶格。 鋁合金一般具有有限固溶型共晶相圖?？蓪X合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類。（3）形變鋁合金的牌號、性能 變形鋁及鋁合金牌號表示方法，國標規(guī)定，變形鋁及鋁合金可直接引用國際四位數字體系牌號或采用國標規(guī)定的四位字符牌號。 GB 3190-82中的舊牌號表示方法為u

25、 防銹鋁合金：LF +序號u 硬鋁合金： LY +序號u 超硬鋁合金：LC +序號u 鍛鋁合金： LD +序號（4）鑄造鋁合金牌號、分類u Al- Si系： 代號為ZL1+兩位數字順序號u Al-Cu系：代號為ZL2+兩位數字順序號u Al-Mg系：代號為ZL3+兩位數字順序號u Al-Zn系： 代號為ZL4+兩位數字順序號二、銅及銅合金（1）性能特點純銅呈紫紅色，又稱紫銅，具有面心立方晶格，無同素異構轉變，無磁性。 純銅具有優(yōu)良的導電性和導熱性，在大氣、淡水和冷凝水中有良好的耐蝕性。塑性好。 （2）黃銅 以Zn為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅按化學成分可分為普通黃銅和特殊黃銅。按工藝可分為加工黃銅和鑄造黃銅。 單相黃銅塑性好，常用牌號有H80、H70、H 68。適于制造冷變形零件，如彈殼、冷凝器管等。（三七黃銅） 兩相黃銅熱塑性好, 強度高。常用牌號有H59、H62。適于制造受力件，如墊圈、彈簧、導管、散熱器等