机械工程材料_概念简要复习
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第一章 概論
1.材料性能由其組織、結(jié)構(gòu)所決定。
2.材料抵抗變形和斷裂的能力稱為材料的強度。
3.分析低碳鋼的拉伸曲線。
應(yīng)力：軸向拉力與試樣的初始橫截面積的比值
應(yīng)變：試件標距的伸長量與試樣標距長度的比值
彈性模量：在彈性變形階段（比例階段），直線的斜率就是材料的彈性模量E。彈性模量表征材料產(chǎn)生彈性變形的難易程度。彈性模量主要取決于原子之間的結(jié)合力大小。
屈服強度：在拉伸過程中，載荷不增加而應(yīng)變?nèi)匀辉黾拥默F(xiàn)象稱為屈服。機械零部件或構(gòu)件在使用過程中一般不允許發(fā)生塑性變形。
抗拉強度：拉伸曲線上應(yīng)力最大值稱為材料的抗拉強度，它反映試樣被拉斷前所能承載的最大應(yīng)力，抗拉強度也稱強度極限。
伸長率：伸長率即斷裂前試樣的殘余伸長。
斷面收縮率：一個塑性指標，， S0是試樣原始橫截面積，S1是斷口細頸處的橫截面積。
4.抵抗其他硬物壓入其表面的能力稱為硬度。
5.韌性是指材料在塑性變形和斷裂的全過程中吸收能量的能力，它是材料塑性和強度的綜合表現(xiàn)。材料的韌性均有隨著溫度的下降而降低的趨勢，但是不同的材料下降的程度不一樣。
6.材料在交變應(yīng)力或脈動應(yīng)力作用下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂。在機械零件的斷裂中，80%以上都屬于疲勞斷裂。
7.固體材料的結(jié)合鍵：
化學(xué)鍵：離子鍵、共價鍵、金屬鍵
物理鍵：分子鍵和氫鍵
離子鍵：帶相反電荷的離子之間存在靜電作用，當(dāng)兩個帶相反電荷的離子靠近時，表現(xiàn)為相互吸引，而電子和電子、原子核與原子核之間又存在著靜電排斥作用，當(dāng)靜電吸引與靜電排斥作用達到平衡時，便形成離子鍵。因此，離子鍵是指陰離子，陽離子間通過靜電作用形成的化學(xué)鍵。
共價鍵：兩個或多個原子共同使用它們的外層電子，在理想情況下達到電子飽和的狀態(tài)，由此組成比較穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
金屬鍵：通常情況下，金屬原子的部分或全部外圍電子受原子核的束縛比較弱。在金屬晶體內(nèi)部，它們可以從原子上脫落下來，形成自由流動的電子。金屬原子失去部分或全部外圍電子形成的金屬離子與自由電子之間存在著強烈的相互作用，化學(xué)上把這種金屬離子與自由電子之間強烈的相互作用稱為金屬鍵。
8.工程材料分為哪幾種：金屬材料、陶瓷材料、高分子材料、復(fù)合材料
第二章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶
1.原子(離子或分子)在三維空間中有規(guī)則地、周期性、重復(fù)排列構(gòu)成的物質(zhì)稱為晶體；無規(guī)則排列的稱為非晶體。為了觀察方便，可用許多平行的直線把陣點連接起來，構(gòu)成三維的幾何格架，稱為晶格。晶格中能完全反映晶格特征的最小的空間幾何單元稱為晶胞。晶胞的大小和形狀可以用三條棱邊的長和三條棱邊之間的夾角六個參數(shù)來描述。
晶胞中所含的原子所占的體積與晶胞體積之比稱為致密度。
配位數(shù)是晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子或異號離子的個數(shù)。配位數(shù)越大，原子排列緊密程度越大。
2.三種典型的金屬結(jié)構(gòu)：
面心立方結(jié)構(gòu)：Al，Cu，Ni，Au，Ag，配位數(shù)12，致密度74%，塑性好
體心立方結(jié)構(gòu)：Cr，Nb，K，Na，配位數(shù)8，致密度為68%，塑性較差
密排立方結(jié)構(gòu)：Mg，Zn，配位數(shù)12，致密度74%，塑性最差
3.各向異性：由于晶體中不同晶面和晶向上原子密度不同，原子間的結(jié)合力不同，因此在不同的晶面和晶向上表現(xiàn)出不同的性能。這是晶體與非晶體最根本的區(qū)別之一。
4.單晶體：如果晶體內(nèi)部晶格的方位完全一致，則稱這塊晶體為單晶體。
??多晶體：每個小晶體內(nèi)部晶格方位保持一致，而各個小晶體之間不一致的稱為晶粒，由多個晶粒組成的晶體之間稱為多晶體。
5.根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，分為點缺陷、線缺陷、面缺陷。
??點缺陷：空位、間隙原子、溶質(zhì)或雜質(zhì)原子。改變密度、電阻率和屈服強度。
??線缺陷：錯位。對材料的力學(xué)性能有顯著影響。
??面缺陷：指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。
6.過冷現(xiàn)象：實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。
?過冷度：金屬的實際結(jié)晶溫度與理論結(jié)晶溫度之差，稱之為過冷度。
7.金屬結(jié)晶的基本過程：晶核的形成到晶核的長大。
晶核的形成分為均勻形核(自發(fā)形核)和非均勻形核（非自發(fā)形核）。過冷度較大時，經(jīng)過一段時間孕育，一些尺寸較大的晶胚開始變得穩(wěn)定，而成為晶體生長的核心，即均勻形核。
晶核的長大有平面長大和樹枝狀長大。金屬純度很高且液體中保持著較大的溫度梯度，此時液固界面幾乎是一個平面，稱為平面長大。一般情況金屬中有雜質(zhì)，金屬晶體以樹枝狀的形式長大，即枝晶長大。
8.影響形核與長大的因素：
金屬結(jié)晶時冷卻度越大，過冷度便越大，形核率和長大速度就越大。
雜質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)有相似時，將強烈促進非自發(fā)形核，大大提高形核率。
9.工業(yè)生產(chǎn)中，為了細化鑄錠和焊縫區(qū)的晶粒，有啥方法？
（1）增大過冷度；（2）變質(zhì)處理；（3）振動，攪拌
第三章 金屬塑性變形與再結(jié)晶
1.單晶體塑性變形的基本方式有滑移和孿生。滑移是最主要的塑性變形方式，指晶體的一部分相對于另一部分沿一定晶面(滑移面)按著一定的方向（滑移方向）發(fā)生相對滑動。孿晶指界面兩側(cè)原子排列形成鏡像對稱的一對晶體，孿生是在切應(yīng)力作用下形成孿晶的過程，孿生所需的臨界切應(yīng)力與滑移大得多，且變形速度極快。
2.多晶體塑性變形時：相鄰晶粒阻礙，晶界兩側(cè)晶粒的位向不同，晶體的滑移不能越過晶界；相鄰晶粒協(xié)調(diào)，有一個易變形的晶粒發(fā)生變形時，相鄰晶粒必須同時進行相應(yīng)的協(xié)調(diào)變形。多晶體材料的強度一般高于單晶體。晶粒越細，金屬的強度便越高，塑性與韌性也較高。
3.加工硬化：隨著變形量增大，金屬的強度和硬度顯著提高而塑性和韌性明顯下降的過程。
加工硬化是一種非常重要的強化手段，可以提高金屬的強度；有利于金屬進行均勻變形；保證零件或構(gòu)件工作的安全性。
4.織構(gòu)現(xiàn)象：當(dāng)金屬塑性變形量很大時，各晶粒的位向?qū)⒋篌w趨于一致，這種現(xiàn)象稱為織構(gòu)現(xiàn)象。各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，稱為絲織構(gòu)；各晶粒的一定晶面平行于軋制面、各晶粒的一定晶向平行于軋制方向，稱之為板織構(gòu)。織構(gòu)會使材料出現(xiàn)明顯的各向異性，大多數(shù)情況是不利的。
5.殘余內(nèi)應(yīng)力：所謂內(nèi)應(yīng)力，是指消除外力或不均勻的溫度場等作用后仍留在物體內(nèi)的自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。機械加工和強化工藝都能引起殘余應(yīng)力，如冷拉、彎曲、切削加工、滾壓等。
第一類,表層或心部不均勻的變形造成的宏觀內(nèi)應(yīng)力; 第二類,相鄰晶粒之間或晶內(nèi)之間變形不均勻造成的微觀內(nèi)應(yīng)力; 第三類,晶格缺陷附近的晶格畸變則叫做晶格畸變應(yīng)力，也是最主要的殘余內(nèi)應(yīng)力。
6.殘余內(nèi)應(yīng)力的危害及應(yīng)對：殘余應(yīng)力會引起物體緩慢變形,導(dǎo)致物體尺寸的改變, 鑄造鍛造工件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂,同時對其疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性。金屬塑性變形之后，通常進行退火處理。
7.金屬塑性變形后，需要進行加熱處理（退火）高原子的活動能力，使金屬從不穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這變化大致的分為三個階段：
（1）回復(fù)：在加熱溫度較低時，由于點缺陷和位錯的遷移引起的某些晶內(nèi)變化稱為回復(fù)；力學(xué)性能變化不大，但是能消除參與內(nèi)應(yīng)力，保留加工硬化的效果。
（2）再結(jié)晶：提高到較高的溫度，晶體內(nèi)部新晶粒重新生核和成長，再結(jié)晶之后，只是晶粒的外形和位錯密度發(fā)生了變化，沒有發(fā)生相變。通過再結(jié)晶，金屬的顯微組織發(fā)生變化，強度和硬度發(fā)生顯著降低，而塑性和韌性重新提高，加工硬化消除。
影響再結(jié)晶溫度的因素：金屬的預(yù)先變形程度越大，再結(jié)晶溫度越低；降低金屬純度可顯著提高再結(jié)晶溫度。
（3）晶粒長大：再結(jié)晶完成后，若繼續(xù)升高溫度或過分地延長加熱時間，金屬的晶粒便會繼續(xù)長大。得到異常粗大的晶粒，會使材料的力學(xué)性能下降。
8.熱加工與冷加工的區(qū)別：從金屬學(xué)的觀點來看，冷加工和熱加工的分區(qū)是從金屬的再結(jié)晶溫度來劃分的。在再結(jié)晶溫度以上的加工變形即為熱加工，在再結(jié)晶溫度以下的加工變形則屬于冷加工。熱加工易發(fā)生表面氧化，產(chǎn)品表面光潔及尺寸精度較差，所以熱加工主要用于截面尺寸較大、變形量較大的金屬制品等，冷加工適用于截面尺寸較小，加工尺寸及表面光潔度要求較高的金屬。
第四章 合金的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶
1.合金：通過熔煉、燒結(jié)或其他方法，將一種金屬和另一種或幾種其他元素結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的新物質(zhì)稱為合金。
2.組元：組成合金的最基本的、能夠獨立存在的物質(zhì)叫做組元。
3.相：體系中具有相同的物理和化學(xué)性質(zhì)、并與其他部分有界面分開的均勻組成部分稱之為相。
4.固溶體：當(dāng)合金由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時，組成元素間會像合金溶液那樣相互溶解，形成一種在某種元素的晶格結(jié)構(gòu)中包含有其他元素原子的新相，稱為固溶體。其中。前一種元素含量較多稱為溶劑，后一種元素含量較少稱為溶質(zhì)。
5.固溶強化：融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，強度、硬度提高的現(xiàn)象。
6.金屬化合物：金屬化合物，是指合金中的兩個元素，按一定的原子數(shù)量之比相互化合，而形成的具有與這兩元素完全不同類型晶格的化合物。金屬化合物晶格一般比較復(fù)雜。通常它們具有高的硬度、熔點和脆性，因此，不能直接使用。
7.枝晶偏析：枝晶偏析指固溶體晶粒內(nèi)部化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象。在快冷條件下，液態(tài)合金按樹枝狀方式結(jié)晶時，由于原子在固相中擴散均勻的過程進行的很慢，致使先析出枝晶與后析出的枝晶處出現(xiàn)間隙，最后獲得化學(xué)成分不均勻的枝晶。
第五章 碳鋼
1.碳鋼中存在的雜質(zhì)：碳鋼中，除了鐵、碳兩種元素外，還有少量錳硅硫磷氧氮等雜質(zhì)元素。
錳、硅一般為有益元素。錳可以發(fā)生強化作用，減輕硫的有害作用。硅大部分溶于鐵素體中，使鐵素體強化，提高鋼的強度。硫為有害雜質(zhì)，熱加工時，導(dǎo)致鋼的開裂。磷為有害雜質(zhì)，室溫下鋼的塑性和韌性急劇下降。氧氮氫為有害元素，使強度和塑性下降。
2.碳鋼的分類：
（1）按照含碳量高低：低碳鋼（<=0.25%），中碳鋼（0.25%<C%<=0.6%），高碳鋼（>0.6%）
（2）根據(jù)P、S含量：普通碳素鋼（S<=0.055%，P<=0.045%），優(yōu)質(zhì)碳素鋼（S<=0.04%，P<=0.04%）,高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼（S<=0.03%,P<=0.035%）
3.碳鋼編號：
（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q、數(shù)字、質(zhì)量等級符號、脫氧方法（不標注為脫氧較為完全的鎮(zhèn)靜鋼）
Q235-A·F ：表示屈服強度為235MPa的A級沸騰鋼
Q235-C ：表示屈服強度為235MPa的C級鎮(zhèn)靜鋼
（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號為兩個數(shù)字，表示鋼的平均含碳量，單位萬分之一。
45鋼：平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼
（3）工程鑄鋼：ZG、最小的屈服強度值、最小的抗拉強度值
ZG200-400表示屈服強度為200MPa，抗拉強度為400MPa的工程用鑄鋼。
（4）碳素工具鋼
含碳量0.65%~1.35%。鋼號用平均含碳量的千分數(shù)表示，T8表示含碳量為0.8%的碳素工具鋼。
第六章 鋼的熱處理
1.熱處理是將固體金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，改變材料的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的加工工藝。
2.普通熱處理，四把火：退火、正火、淬火、回火
退火和正火一般作為預(yù)先熱處理工序，對于普通鑄件、焊接件及不重要的工件，退火和正火也是可以作為作為最終處理工序。正火與退火的主要目的：（1）調(diào)整硬度以便切削加工；（2）消除殘余應(yīng)力；（3）細化晶粒，改善力學(xué)性能；（4）為淬火回火做準備。
正火相對于退火冷卻速度較快、轉(zhuǎn)變溫度較低。
淬火的目的主要是獲得馬氏體，鋼在理想條件下淬火所能達到的最高硬度稱為鋼的淬硬性。淬火得到的馬氏體組織很脆弱，存在較大的內(nèi)應(yīng)力，另外淬火馬氏體和殘余奧氏體都是亞穩(wěn)定組織，回火可以減小淬火內(nèi)應(yīng)力，使馬氏體和殘余奧氏體這些不穩(wěn)定組織逐漸向平衡組織轉(zhuǎn)變。
淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后的金屬在保證較高的強度同時，又有良好的塑性和韌性。
3.滲碳：為了增加表層的含碳量，將工件置于含碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入工件表面的工藝。目的在于提高表面含碳量，使得工件在熱處理之后表面具有高的硬度和耐磨性，而心部保持一定強度以及較高的韌性和塑性。
滲碳零件的典型工藝路線：鍛造-正火-機加工-滲碳-淬火-低溫回火-精磨
4.感應(yīng)加熱表面淬火：
| 分類 | 電源頻率范圍 | 應(yīng)用 |
| 高頻感應(yīng)加熱淬火 | 200kHz~350kHz | 淬硬層小于3mm |
| 中頻感應(yīng)加熱淬火 | 2000Hz~8000Hz | 淬硬層2mm~10mm |
| 工頻感應(yīng)加熱淬火 | 50Hz | 淬硬層10mm~15mm |
5.氮化處理：氮化就是向工件表面滲入氮、形成氮化物的處理工藝，其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、腐蝕性及疲勞強度。
第七章 ?工業(yè)用鋼
1.鋼的分類：
（1）含碳量：低碳鋼（C%<=0.25%）、中碳鋼(0.25%<C%<=0.6%)、高碳鋼(C%>0.6%)
（2）合金元素的含量：低合金鋼（總量低于5%）、中合金鋼（總量5%~10%）、高合金鋼（大于10%）
（3）按用途分：結(jié)構(gòu)鋼(滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼等)
?????????????? 工具鋼（刃具鋼、模具鋼、量具鋼）
?????????????? 特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、電工鋼）
2.鋼的牌號：
（1）根據(jù)力學(xué)性能：Q235-A·F 屈服強度不低于235MPa的A級沸騰鋼
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??????????????????????????? ?? ZG200-400 屈服強度不低于200MPa，抗拉強度不低于400MPa的工程用鑄鋼。
（2）根據(jù)化學(xué)成分：結(jié)構(gòu)鋼含碳量用萬分之一，工具鋼和特殊性能鋼用千分之一，碳含量大于1%，合金鋼的碳含量不再標出；合金元素用百分來表示，合金元素少于1.5%時，只標出元素符號而不數(shù)字。
40Cr鋼為合金結(jié)構(gòu)鋼，平均含碳量0.4%，主要合金為Cr，平均含量少于1.5%
9CrSi鋼為合金工具鋼，表示平均含碳量為0.9%，主要合金為Cr、Si，含量均小于1.5%
Cr12MoV為合金工具鋼，表示含碳量>1%，Cr的平均含量為12%，Mo、V的平均含量都小于合金工具鋼。
3.滲碳鋼：表面要求高硬度、耐磨性和接觸疲勞強度，心部需要較高的強度和韌性。
在成分上低碳、含有Cr、Ni等提高淬透性的合金元素。
通常滲碳后直接淬火、再低溫回火。
4.碳素工具鋼均為高碳鋼，用于制作各種低速切削刀具、量具、模具。高速鋼是一種用于制造高速切削刃具的高合金（合金元素總量大于10%）工具鋼。
5.灰鑄鐵：“HT”表示灰鐵，后面數(shù)字是最低抗拉強度，例如灰鑄鐵HT200表示?30試樣的最低抗拉強度200MPa。
??球墨鑄鐵：“QT”，后跟最低抗拉強度極限和延伸率，例如QT600-2表示該材料的抗拉強度值600Mpa，該材料的延伸率2%。
可鍛鑄鐵：鐵素體可鍛鑄鐵代號“KT”，珠光體可鍛鑄鐵的代號為“KTZ”；后面兩組數(shù)字分別為最低抗拉強度和延伸率，例如KTH 330—08表示最低抗拉強度為330 MPa、最低斷后伸長率為8%的鐵素體可鍛鑄鐵。
總結(jié)
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