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工程材料复习课. 材料及成形技术. 1. 2008 年春季学期 “ 材料与成形技术 ” 考试通知. 考试时间: 5 月 27 日(周二) 8:15 ~ 10:15 考试地点: EJ103 — EJ104 学号数 <0 7122028 EJ103 其 余 同 学 EJ104 答疑时间: 5 月 26 日 13:00 ~ 21:00 地点: HD208. 2. 一、固体材料的性能. 1 、强度 强度概念 : 材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力,如. 弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等
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工程材料复习课 材料及成形技术 1
2008年春季学期“材料与成形技术”考试通知 考试时间: 5月27日(周二) 8:15~10:15 考试地点: EJ103—EJ104 学号数<07122028 EJ103 其 余 同 学 EJ104 答疑时间:5月26日 13:00~21:00 地点:HD208 2
一、固体材料的性能 1、强度 强度概念:材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力,如 弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等 比强度、比模量概念: 单位密度上的强度、弹性模量 3
屈强比概念:σs /σb 屈强比越小,构件万一超载时,产生塑性变形的时间越长,则离断裂的时间长,易发现和马上采取措施(如停机、换构件等),即时间裕度大,可靠性高。屈强比大,则屈服强度高,材料强度利用率高。 屈强比增大,则材料塑性段距 离减小,固将增加材料的脆性趋势 。 σ0.2概念:条件屈服强度 弹性模量E 概念 E= σ/ε 4
2、硬度概念: 金属材料表面抵抗其它硬物压入的能力。 相互关系:HBS≈10HRC ≈HV HB: HBS-淬火钢球测定硬度值450以下的材料 HBW-硬质合金球测定硬度值650以下的材料 HR: HRA 适用硬质合金、表面淬火层、渗碳钢 HRB 适用有色金属、退火钢、正火钢 HRC 适用淬火钢、调质钢 5
3、冲击韧度 材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标,试样缺口处单位面积所消耗的功。 Ak=G(H-h) 冷脆概念 6
二、金属的结构 1、晶格、晶胞和晶格常数 2、三种晶格类型 7
取有向线段上任一点的座标值化为最简整数,加以方括号,[uvw]即为晶向指数。取有向线段上任一点的座标值化为最简整数,加以方括号,[uvw]即为晶向指数。 2、晶面晶向表示方法 要求:会画图、改错。 取晶面的三坐标截距值为倒数,并化为最简整数,依次计入圆括号(hkl)内,即为该晶面的晶面指数。 8
4、晶格缺陷 掌握:点缺陷、线缺陷、面缺陷 4种缺陷 3、单晶体和多晶体概念 结晶方位一致与否 9
1、理论结晶温度与实际结晶温度(过冷度概念)1、理论结晶温度与实际结晶温度(过冷度概念) 三、金属的结晶 2、纯金属的结晶过程 10
3、金属结晶后晶粒的大小 1) 晶粒度概念 ① 晶粒度表示晶粒大小,由平面截面单位面积内所包含晶粒个数来表示;② 晶粒度级别越高,晶粒越细; 2)晶粒度对力学性能的影响 晶粒越细,常温强度越高,塑性韧性有所改善,高温强度下降。 3)细化晶粒的方法 ①增加过冷度,② 变质处理,③附加振动。 11
三、二元合金 1、二元合金的晶体结构 组元、相、固熔体、化合物概念 在物质中,凡是成分相同,结构相同,并与其它部分以界面分开的均匀组成部分,称为相。合金结晶后可以是一种相,也可以是由若干种相所组成。 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同,形成了不同的组织,不同的组织使合金具有不同的力学性能。 例:铁碳相图中 αβγ Fe3C;F P A; Fe3CⅠ Fe3CⅡ Fe3CⅢ 13
溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构,只引起晶格参数的改变。溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构,只引起晶格参数的改变。 当两组元在固态无限溶解时,所形成的固溶体称为连续固溶体或无限固溶体;当两组元在固态部分溶解时,所形成的固溶体称为有限固溶体或端际固溶体。按照溶质原子在固溶体中所处的位置,固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体。 1) 间隙固溶体 当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值 小于0.59时,才能形成间隙固溶体。溶剂晶 格的间隙是有限的,因此,间隙固溶体只能 是有限固溶体。 2、 固溶体 14
间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。溶质原子半径愈小,溶解度愈大,溶剂晶格类型不同,具有的间隙大小不同,溶解度也不同。间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。溶质原子半径愈小,溶解度愈大,溶剂晶格类型不同,具有的间隙大小不同,溶解度也不同。 对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素,只能形成置换固溶体。置换固溶体中,溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度 有一定限度,则叫有限互溶,形成有限置换 固溶体;置换固溶体中溶质原子与溶剂半径 相差越小,则溶解度越大,若溶剂元素与溶 质元素在周期表中位置靠近,且晶格类型相 同,则可形成无限固溶体,合金组元可以以 任何比例相互溶解,如Cu-Ni 合金。 2)置换固溶体 15
相图是反映材料在平衡状态下相状态和成分及温度关系的图形。相图也称平衡图或状态图。二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图形来表示。二元相图是反映二元系统相的平衡状态与温度、成分关系的平面图形。相图是反映材料在平衡状态下相状态和成分及温度关系的图形。相图也称平衡图或状态图。二元合金相图可用温度-成分坐标系的平面图形来表示。二元相图是反映二元系统相的平衡状态与温度、成分关系的平面图形。 1)匀晶相图 两组元在液态无限互溶,在 固态也无限互溶,形成固溶体的 二元相图称为二元匀晶相图。特 点:晶格类型相同,结晶不在恒 温下进行,在冷却较快的非平衡 结晶条件下,会形成枝晶偏析。 3、二元合金相图 16
固溶体的非平衡结晶: 匀晶相图中冷却时的成分变化 17
两组元在液态无限互溶,固态有限溶解,通过共晶反应形成两相机械混合物的二元合金称为二元共晶相图。共晶反应是液相在冷却过程中同时结晶出两个结构不同的固相的过程。两组元在液态无限互溶,固态有限溶解,通过共晶反应形成两相机械混合物的二元合金称为二元共晶相图。共晶反应是液相在冷却过程中同时结晶出两个结构不同的固相的过程。 2) 共晶相图 18
两组元在液态无限互溶,固态下有限溶解,发生包晶反应的相图称为二元包晶相图。包晶反应是一个液相与一个固相相互作用,生成一个新的固相的过程。两组元在液态无限互溶,固态下有限溶解,发生包晶反应的相图称为二元包晶相图。包晶反应是一个液相与一个固相相互作用,生成一个新的固相的过程。 3) 二元包晶相图 19
①从一个固相同时结晶出两个固相的恒温转变,称为共析转变,发生共析反应形成两相机械混合物的二元合金相图称为共析相图。 4)共析相图 ② 共析反应的产物为共析物。 ③ 由于共析反应在固态进行,所以共析组织比共晶组织要细得多。 ④ 共析相图是铁碳相图中的一个重要组成部分,需好好掌握。 反应过程: γ→αd+βe 20
4、二元相图的分析与应用 1) 二元相图的分析步骤 ① 若有稳定化合物,则将其看作一独立组元,把相图分成几个部分分析。 ② 相区接触法则: 二元相图中,相邻相区中的相数只相差一个(点接触除外)。分析时首先熟悉单相区中的相,再根据相区接触法则辨别其它相区。 ③找出与三相共存水平线点接触的三个单相区,确定三相平衡转变的性质和反应式。 ④在两相平衡区,可应用杠杆定律求出各相的相对量。 21
5、相律 F=C(组元)-P(相数)+1 6、杠杆定律 不同条件下相的成分及其相对量可用杠杆定理求得。 (1)确定两平衡相的成分 如图(a)所示,水平线与液相线L的交点即为液相的成分。 (2)确定两平衡相的相对量 ① 设试验合金重量为1,液、固相重量分别为QL、QS,则 QL+QS =1; ② 设液、固相含Ni浓度分别为x1、x2,x为试验合金中的平均含Ni量(%),则 22
例题:将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后缓慢冷却到如图1-80所示温度T1,求此时:例题:将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后缓慢冷却到如图1-80所示温度T1,求此时: (1)两相的成分; (2)两相的质量比; (3)各相的相对重量 (4)各相的重量。 例题: 23
10.某合金如图1-81所示: 动画:习题10 (1)标出 ①-③-区域中存在的相; (2)标出④ 、⑤ 区域中的组织; (3)相图中包括哪几种转变?写出它们的反应式。 • L L+γ • L+γγ匀晶转变 • γ [α+β]共析共析转变 • αα + βⅡ脱溶转变 • (5) ββ+ αⅡ脱溶转变 24 9
动画 :习题11 11. 今有两个形状相同的铜镍合金铸件,一个含Ni90%,一个含Ni50%,铸后自然冷却,问凝固后哪个铸件的偏析较为严重? 25
题12 12. 按下面所设条件,示意地绘出合金的相图,并填出各区域的相组分和组织组分,以及画出合金的力学性能与该相图的关系曲线。 设C、D两组元在液态时能互相溶解,D组元熔点是C组元的4/5 ,在固态时能形成共晶,共晶温度是C组元熔点的2/5,共晶成分为wD=30%;C组元在D组元中有限固溶,形成α固溶体。溶解度在共晶温度时为wC=25%,室温时wC=10%,D组元在C组元中不能溶解;C组元的硬度比D组元高。 计算wD=40%合金刚完成共晶转变时,组织组成物及其百分含量。 26
动画 :习题12 27
补充习题1. 一个二元共晶转变如下: L(wB=75%)→α(wB=15%)+β(wB=95%) (1) 求wB=50%的合金结晶刚结束时的各组织组分和各相组分的相对量。 (2) 若显微组织中初晶β与共晶(α+β)各占50%,求该合金的成分 (1)组织组成: wα=(75-50)/(75-15)=41.7% w(α+β)=(50-15)/(75-15)=58.3% 相组成: wα=(95-50)/(95-15)=56.3% wβ=(50-15)/(95-15)=43.7% (2) wβ=(x-75)/(95-75)=50% 解得x=85 w(α+β)=(95-x)/(95-75)=50% 解得x=85 28
四、 铁碳合金 1) 铁碳合金相图 三条水平线(平衡);六种成分;各转折点的相变化、成分变化;组织变化及力学性能变化规律。 P 中F 和 Fe3 C 的相对量: 29
共亚析和过共析钢 亚共析钢结晶过程的基本反应为[匀晶反应+包晶反应+固溶体转变反应+共析反应],室温组织为铁素体+珠光体,显微组织如图所示。过共析钢结晶过程的基本反应为[匀晶反应+二次析出反应+共析反应],室温组织为珠光体+二次渗碳体,显微组织如图所示。 30
共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的结晶过程分析共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁的结晶过程分析 碳含量大于2.11%的三种白口铸铁均发生共晶转变。共晶产物莱氏体冷却至共析线后转变为低温莱氏体,反应式为: Ld(AE+Fe3C共晶 )→ Ld'(P+Fe3CⅡ+Fe3C共晶) 其实质是共晶奥氏体析出二次渗碳体,并在727℃时转变为珠光体。组织中的铁素体、渗碳体、珠光体和低温莱氏体一旦形成,在随后的冷却过程中不再发生相变。 铸铁 31
1、碳钢的分类 表1-6 2、碳钢的牌号 表1-7 五、碳钢 分 类 编 号 方 法 常 用 牌 号 用 途 举 例 说明 碳素结构钢 Q235-A F 屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢 Q195、Q215A,Q235B、Q255A、Q255B、Q275等 一般以型材供应的工程结构件,制造不太重要的机械零件及焊接件(参见 GB700-88) 优质碳素 结构钢 45 表示平均Wc为万分之45的优质碳素结构钢 08F、10、20、35、40、50、60、65 用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件(参见 GB699-88) 碳素 工具钢 T8 T8A 表示平均Wc为千分之8的碳素工具钢,A表示高级优质 T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13 制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具,如手锤、冲头等(参见 GB1298-86) 一般工程 铸造碳钢 ZG200-400 表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢 ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640 形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件(参见 GB11352-89 32
2、按用途分类 1)结构钢:主要用于制造各种工程构件及机器零件。 用于制造机器零件的结构钢可分为: ①调质钢:如45、40Cr、35SiMn等。 ②渗碳钢:如20、20Cr、20CrMnTi等。 ③弹簧钢:如65、65Mn、50CrV等。 2)工具钢:主要用于制造各种工具,如刃具、模具、量具等。 3) 特殊性能钢:指具有不锈、耐热、抗磨等特殊性能的钢。 3、合金钢的分类 Wme<3%渗碳、调质钢 1) 合金结构钢(低合金高强度结构钢、合金结构钢) 2) 弹簧钢 碳素Wc=0.6~0.9%,合金Wc=0.45~0.7% 主加Si、Mn、Cr 3)滚动轴承钢 要求硬度高、耐磨性好、淬透性高、接触疲劳强度高、耐蚀 Wc=0.95~1.15%, Wcr<1。65% 3、合金钢的分类 33
4)合金工具钢 (1)低合金刃具钢 车、铣、铰刀等 性能要求: 回火稳定性a) 硬度和耐磨性;b)强度和韧性;c)红硬性 ;d)工艺性(2)高速钢 淬透性好,红硬性高,小截面刀具空气中能淬透 典型牌号: W18Cr4V (3)模具钢 a)冷作模具钢 b)热作模具钢 P70性能 (4)量具钢 多选用碳素工具钢、低合金工具钢(9SiCr、CrMn)、轴承钢(GCr15)制作 34
4、合金钢的牌号 1)低合金高强度结构钢Q295、Q345、Q390、Q460 2)合金结构钢 (1)渗碳钢 20Cr、20CrV、20Mn2、20MnV、20CrMn等 (2)调质钢 40Cr、42SiMn、35CrMo等 (3)弹簧钢 65Mn、60Si2Mn (4)滚动轴承钢 GCr9、GCr9SiMn、GCr15等 (5)低合金刃具钢 9SiCr、9Mn2V等 (6)高速钢 W18Cr4V 不锈钢牌号前的数字表示平均碳质量分数的千倍。当Wc≤0.03%或Wc≤0.08%者,在牌号前分别冠以“00”或“0”。 35
1、铸铁的分类及特性 按照石墨形貌的不同,这一类铸铁又可分为灰铸铁(片状石墨)、可锻铸铁(团絮状石墨)、球墨铸铁(球状石墨)和蠕墨铸铁(蠕虫状石墨)等四种。 2、石墨化过程 在铁碳合金中,渗碳体只是一 种亚稳定的相,石墨才是一种稳定 的相。石墨化过程是指铸铁中析出 碳原子形成石墨的过程。 影响石墨化的因素主要是化学成分和冷却速度。化学成分是影响石墨化过程的本质因素。碳和硅是有效促进石墨化的元素。 六、铸铁 36
3、铸铁类型 高温、中温、低温阶段,石墨化过程都未能实现,碳以Fe3C形式存在——白口铸铁。 在高温、中温阶段,石墨化过程得以实现,碳主要以G形式存在的铸铁——灰铸铁。 在高温阶段石墨化过程得以实现,而中温、低温阶段石墨化过程没有实现,碳以G和Fe3C两种形式存在的铸铁——麻口铸铁。 低温石墨化过程得以充分进行,获得的铸铁具有铁素体基体——铁素体灰铸铁。 低温石墨化过程没有进行,获得的铸铁具有珠光体基体——珠光体铸铁。 低温石墨化过程没有充分进行,获得的铸铁具有铁素体和珠光体的基体——铁素体-珠光体灰铸铁。 37
1. 灰口铸铁 按GB9439-88规定,灰铸铁有六个牌号:HT100(铁素体灰口铸铁)、HT150(铁素体珠光体灰口铸铁)、HT200和HT250(珠光体灰口铸铁)、HT300和HT350(孕育铸铁)。HT表示“灰铁”汉语拼音的字首,后续数字表示直径为30mm铸件试样的最低抗拉强度(MPa)值。 2. 可锻铸铁 将白口铸件在高温下经长时间的石墨化退火或氧化脱碳处理,可以获得团絮状形态石墨的高韧性铸铁件,称为可锻铸铁。可锻铸铁分为珠光体可锻铸铁(如KTZ550-04)、黑心可锻铸铁(如KTH330-08)和白心可锻铸铁(如KTB380-12)等。 铸铁的牌号与性能 38
球墨铸铁与蠕墨铸铁 3. 球墨铸铁 球墨铸铁的组织特征是在室温下在钢的基体上分布着球状形态的石墨。它是向铁水中加入一定量的球化剂(如镁、稀土元素等)进行球化处理而获得。按照热处理方法不同,球墨铸铁可分为铁素体球墨铸铁(QT400-18、QT400-15、QT450-10)和珠光体球墨铸铁(QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2)。 4. 蠕墨铸铁 铸铁基体中的石墨主要以蠕虫状形态存在,称为蠕墨铸铁。其石墨形状和性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间,力学性能优于灰铸铁,铸造性能优于球墨铸铁,并具有优良的热疲劳性。根据JB4403-87,其牌号为RuT420、RuT380、RuT340、RuT300、RuT260等。其力学性能一般以单铸Y形试块的抗拉强度作为验收依据。 39
表 几种铸铁的特点 根据下表所列的需求归纳对比几种铸铁的特点 种类 牌号 显微组织 生产方法的特点 力学、工艺性能 灰铸铁 HT150 F+P 碳当量高 差 孕育铸铁 HT300 细P 加孕育剂 较好 球墨铸铁 QT500-7 P 需球化处理和热处理 可以铁代钢 蠕墨铸铁 RuT300 蠕虫状G 加蠕化剂和孕育剂 优于于球墨铸铁 可锻铸铁 KTZ550-04 团絮状G 先铸出白口铸铁,然后石墨化退火 接近于QT但铸造性能优于QT 40
钢的热处理是将钢在固态下施加不同的加热、保温和冷却,从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。热处理应伴随固态相变或扩散。钢的热处理是将钢在固态下施加不同的加热、保温和冷却,从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。热处理应伴随固态相变或扩散。 1、钢在加热和冷却时的相变温度 七、 钢的热处理 2、奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成也是通过形核及长大过程来实现的。现以共析钢为例说明奥氏体形成的三个步骤: 亚共析钢与过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。 41
共析钢奥氏体化 1.奥氏体晶核的形成和长大 ; 2.残余渗碳体的溶解 ; 3.奥氏体成分均匀化。 42
共析钢加热到Ac1点以上某一温度到A出现的这段时间称孕育期。随温度升高,原子扩散速度加快,孕育期缩短。如在740℃等温转变时,经过10s转变开始,而在800℃等温时,瞬间转变便开始。 共析钢加热到Ac1点以上某一温度到A出现的这段时间称孕育期。随温度升高,原子扩散速度加快,孕育期缩短。如在740℃等温转变时,经过10s转变开始,而在800℃等温时,瞬间转变便开始。 A形成所需时间较短,残余渗碳体溶解所需时间较长,而A均匀化所需时间更长。例如780℃等温时,形成A的时间不到10s,残余碳化物完全溶解却需要几百s,而实现A均匀化则需要104s。 亚共析钢和过共析钢奥氏体形成基本上与共析钢相同。但对于亚共析钢或过共析钢,当珠光体全部转变成奥氏体后,还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变。 加热温度愈高,原始组织愈细小,奥氏体形成速度愈快。 3、奥氏体的形成速度 43
2)影响奥氏体长大的因素 (1)温度:加热温度越高,晶粒越大; (2)合金成分: ① 碳含量增高,晶粒长大倾向增大,残余渗碳体增加,则倾向减小; ② 形成碳化物、氮化物、氧化物的元素增加,则阻碍晶粒长大; ③ 锰、磷元素增加,晶粒增大。 44
4、TTT曲线 1)C曲线的转变产物 奥氏体过冷到临界点A1以下时,则为不稳定状态的奥氏体。 随过冷度不同,过冷奥氏体将发生三种类型转变,即珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变。TTT曲线表示了着三种转变情况,现以共析钢分析: 45
珠光体转变 珠光体转变Ac1 ~550℃,扩散型转变,又分为: 珠光体型:Ac1 ~650℃ 片层较厚, 用符号“P”表示。 索氏体:650~600℃,片层较薄,用符号“S”表示。 托氏体:600~550℃,片层极薄,用符号“T”表示。 46
贝氏体转变 550℃~Ms 贝氏体用符号“B”表示。贝氏体可分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下)。 ① B上:550~350℃。呈羽毛状, B上的力学性能差,无实用价值。 ②:B下:350℃~Ms。呈黑针状, B下具有优良的力学性能,是生产上常用的组织。 贝氏体形成时只有碳原子发生扩散,而铁原子不扩散,因此贝氏体转变属于半扩散型转变。 47
马氏体转变 M:碳在α-Fe中过饱和的固溶体。转变特点无扩散性 。 马氏体的组织形态分为板条状和针状两大类。 板条M,Wc≤0.20%,板条内的亚结构是高密度的位错,因而又称为位错马氏体。 片状M。 Wc≥1. 0%,呈双凸透镜的片状,显微组织为片状。其亚结构主要是孪晶,因此又称为孪晶马氏体。 上马氏体点:发生马氏体转变的开始温度称为上马氏体点, 用“Ms”表示。下马氏体点:马氏体转变的终了温度称为下马氏体点, 用“Mf”表示。 马氏体转变可归纳为: ① 高速长大 ;② 马氏体转变的不完全性;③ 存在残余奥氏体,用“A残”表示;④ Ms、Mf点的温度取决于奥氏体的碳含量。 48
①碳含量的影响 A亚共析钢的C曲线随碳含量的增加而向右移。碳是稳定A的元素 B过共析钢的C曲线随碳含量的增加而向左移。 C亚共析钢和过共析钢各有一条共析相析出线。 2)影响C曲线的因素 不进行全A化,未熔Fe3CⅡ增加A的形核率 49
② 合金元素的影响 A 加入溶于奥氏体的合金元素使C曲线右移。 B 某些合金对珠光体转变与贝氏体转变具有不同的延缓作用,使C曲线出现两个“鼻子”。 ③加热温度和保温时间 加热温度愈高或保温时间愈长,奥氏体晶粒愈粗大,成分也愈均匀,碳化物溶解愈完全。这些都降低过冷奥氏体转变的形核率,增加其稳定性,使C曲线右移。 50