第二部分 工程材料
1、工艺性能是指金属材料使用某种工艺方法进行加工的难易程度。材料的工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、机械加工性能和热处理性能。
2、力学性能的主要指标有硬度、强度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等。
3、抗拉强度σb＝K*HBS (布氏硬度HBS)，钢铁材料和铝合金K值一般为3.3～3.5，铜及铜合金约为4.8～5.3。根据洛式（HR）硬度换算σb＝－801.24＋50.08×HRC。
4、硬度有一定的范围，一般波动为5个HRC。
5、弹性极限σe，屈服极限σs，抗拉强度σb，条件屈服强度σ0.2，疲劳强度σ-1。
6、冲击韧度αk或Ak是判断材料脆断抗力的重要性能指标。
7、刚度是指零件在受力时抵抗弹性变形的能力。工程中弹性模量E被称为材料的刚度。
8、熔点低的金属，铸造性能好，对铸造工艺有利。
9、在金属及合金中，主要是金属键，但是有时也不同程度地混有其他键。
10、常见的三种晶体结构类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。
11、晶体缺陷分以下三类：点缺陷（空位、间隙原子和置换原子）、线缺陷（位错）和面缺陷。
12、晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。
13、每种金属都有一个平衡结晶温度，也称为理论结晶温度；过冷度（理论结晶温度与实际结晶温度之差）是结晶的必要条件。
14、细化晶粒常用的三种方法：提高冷却速度，增大过冷度；变质处理；机械或超声波振动、电磁搅拌等。
15、纯金属在固态下的转变有两种：同素异晶转变（包括铁、锡、钛、锰等）和磁性转变（包括铁、钴、镍等）。
16、合金的相结构分为三类：固溶体（固溶强化），金属化合物，机械混合物（如锡、锑、铜组成的
轴承合金）。
17、铁碳合金相图三条水平线：包晶转变线，共晶线，共析线。
18、含碳量：亚共析钢（0.02-0.77），共析钢（0.77），过共析钢（0.77-2.11）；
亚共晶生铁（2.11-4.3），共晶生铁（4.3），过共晶生铁（4.3-6.69）；
低碳钢（0.02-0.25），中碳钢（0.25-0.60），高碳钢（0.60-1.30）。
19、低碳钢的组织多为铁素体，强度、硬度较低，而塑性、韧性很高，工业用钢的含碳量一般不超过1.3％-1.4％。
20、液相线和固相线之间的距离越小，铸造性能越好，共晶成分的铸铁的常用来浇铸铸件，其流动性好，分散缩孔小，显微偏析少。
21、锻造或者轧制温度必须选择在单相奥氏体区的适当温度范围内。实际生产中各种碳钢的始锻和始轧温度为1150～1250℃，终锻和终轧温度为750～850℃。
22、拉力试验是用来测定金属材料的强度、塑性；冲击试验主要用于结构钢。对于在服役条件下承受附加弯曲的零件如螺栓等，必要时做缺口偏斜拉伸试验。
23、布氏硬度(HB)适用于测定灰铸铁、轴承合金等具有粗大晶粒或组成的金属材料的硬度及钢件退火、正火和调质后的硬度。表示符号：HBS,适用于值在450度以下，HBW适用于值在450-650的材料。
24、洛式硬度(HR)可以直接在工件上试验，直接读出硬度值，广泛用于热处理质量检验，常用于检查淬火后的硬度。表示符号：HRA（20-88），HRB（20-100），HRC(20-70)。
25、维氏硬度（HV）适用范围比较广，精度高，测量准确，但是效率低。
26、努氏硬度（HK）对表面淬硬层或镀层硬度测定较为方便。
27、肖氏硬度（HS）可以在现场测量大型工件的硬度，但是精度较低。
28、里氏硬度（HL）常用于测量大型铸锻件、永久组装部件等，精度高，但是对被测工件要求也较高。
29、测定金属材料化学成分常用的方法有：化学分析法（最传统和较准确的方法）、火花鉴别法（只能定性和半定量地对碳钢和合金元素含量较高的合金钢进行辨别，适宜于生产现场初步判断钢种）、光谱分析法和看谱镜法。
30、电子探针可以分析合金中第二相或夹杂物的成分，测定金属材料中的偏析和晶界偏析，化学热处理渗层中元素分析等。
31、离子探针：对断口表面的氢元素进行分析是离子探针的主要特点之一，是目前微区成分分析中唯一能检测氢的仪器。
32、金相分析包含三个方面：原材料缺陷的低倍检验、断口分析和显微组织检验。
33、断口分析主要用于失效分析、原材料缺陷分析、零件加工缺陷分析、热处理质量分析、使用环境分析。
34、磁粉探伤和荧光探伤多用于检验材料零件表面上的缺陷（如裂纹）、荧光及着色探伤多用于不锈钢及有色金属等非磁性材料的表面缺陷探伤。
35、优质碳素结构钢主要用于制造机器零件，一般都要经过热处理以提高力学性能。
36、50、55、60、65号钢经过淬火＋中温回火后具有高的弹性极限，常用于制造负荷不大、尺寸较小（截面尺寸小于12mm）的弹簧，如调压和调速弹簧、柱塞弹簧、冷卷弹簧等。
37、根据材料使用性能选材的方法：1）分析零件的工作条件，确定使用性能；2）进行失效分析，确定零件的主要使用性能；3）根据零件使用性能要求提出对材料性能的要求。
38、铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸铁，而铸铁又优于铸钢。
39、变形铝合金和铜合金、低碳合金钢有较好的冷压力加工性能。
40、铝及铝合金机械加工性能较好，钢中易切钢的切削性能最好，而奥氏体不锈钢及高碳高合金钢的切削加工性能较差。
41、铜合金和铝合金焊接性能不好，高碳钢的焊接性能差，低碳钢的焊接性能好。
42、大多数钢和铝合金、钛合金都可以进行热处理强化，少数铜合金可以进行热处理强化。合金钢的热处理工艺性能比碳钢好。
43、汽轮机主轴的失效方式主要是蠕变变形和内部缺陷引起的低应力脆断或疲劳断裂和应力腐蚀开裂。
44、材料分为三大类：金属材料、高分子材料（常用的包括工程塑料和橡胶材料）、陶瓷材料。
45、工程塑料：是指在工程中做结构材料的塑料。
46、聚酰胺：商品名为尼龙或锦龙，尼龙1010广泛用于机械零件和化工、电器零件。铸造尼龙（MC尼龙）可制作几十千克的齿轮、涡轮、轴承和导轨等。芳香尼龙可用于制作在高温下工作的耐磨零件、绝缘材料和宇宙服。
47、聚甲醛塑料：尤其适用于制造不允许适用润滑油的齿轮轴承和衬套。
48、聚碳酸酯：具有优异的冲击韧度和尺寸稳定性，较好的耐低温性，良好的绝缘性和加工成型性，可以制作机械零件，防弹玻璃、灯罩、防护面罩、安全帽及其他高级绝缘零件。
49、ABS塑料：“质坚、性韧、刚性大”的优良工程塑料，缺点是耐高温、耐低温性能差，易燃，不透明，广泛用于制造汽车的方向盘、仪表盘，飞机舱内的装饰板窗框、隔音板、机械中的手柄、齿轮、泵叶轮等。
50、聚四氟乙烯（塑料王）：具有极优越的化学稳定性、热稳定性和良好的导电性，有自润滑性，但是强度低，尤其是耐压强度不高，不能用注射法成型。
51、酚醛塑料：玻璃布层酚醛塑料即玻璃钢，用于制作电器开关、插头、外壳等各种电气绝缘件，还可以制作齿轮、凸轮、皮带轮、手柄，化工用耐酸泵等。
52、环氧塑料：主要用于制造塑料模具、精密量具和各种绝缘零件，也可制作层压塑料、浇注塑料等。
53、由于工程陶瓷材料硬度高，常采用洛式硬度HRA、HT45N、小负荷维氏硬度或努氏硬度表示。
54、氧化铝陶瓷：主要用于制作内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩，石油化工泵的密封环，坩锅、热电偶套管、刀具和拉丝模等。
55、氮化硅陶瓷：主要用于制作耐磨，耐腐蚀、耐高温的零件，如石油、化工泵的密封环、电磁泵管道、阀门，热电偶套管，转子发动机刮片，高温轴承，刀具等。
56、碳化硅陶瓷：主要用于制作火箭尾喷管的喷嘴，浇注金属的浇道口，热电偶套管、炉管，燃气轮叶片，高温轴承，热交换器及核燃料包封材料等。
57、氮化硼陶瓷：常用于制作热电偶套管，熔炼半导体、金属的坩锅和冶炼用高温容器的管道，高温轴承，玻璃制品成型模，高温绝缘材料等。
58、金属陶瓷：是制造刀具、模具和耐磨零件的重要材料。
59、光纤：分为用于传递信息的光导纤维和用于传递能量的导光纤维两种。
60、纳米管的导电率是铜的1万倍，强度是钢的100倍，重量只有钢的六分之一。
61、钢的热处理：将钢在固态下加热到预定温度并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却，改变钢的内部组织，提高钢的性能，延长机器使用寿命的热加工工艺。
62、通常规定：在加热到930℃时奥氏体晶粒的大小为本质晶粒度，而在这种条件下具有细晶粒的钢称为本质晶粒钢。
63、晶粒度的大小共分8级，1-4级是本质粗晶粒钢。
64、加热速度越快，加热温度越高，过热度也越大，这时钢在较高温度下的转变，得到的奥氏体起始晶粒比较细。
65、钢中加入微量的铝、钛、钒、钨、钼、镍、硅、铜等都会阻碍奥氏体晶粒长大；锰和硫有促使晶粒长大的倾向。
66、过冷奥氏体的高温727-550℃分解产物为珠光体，中温550-350℃分解的产物为上贝氏体，硬度40-45HRC，中温350-240℃分解的产物为下贝氏体，硬度43-58HRC，低温240℃以下分解的产物为马氏体。
67、钢经过奥氏体化后在不同冷却速度的连续冷却过程中过冷奥氏体所发生的相转变称之为钢的连续冷却转变。
68、冷却速度切过CCT曲线鼻子尖的速度，即得到马氏体的最小冷却速度为临界冷却速度。
69、淬火后的组织一般为马氏体和残余奥氏体，在回火过程中将要发生变化：在200℃以下转变为回火马氏体；200～300℃时残余奥氏体转变为回火马氏体；300～400℃时碳化物转变为Fe3C并最终转变为回火托氏体；400～A1，最终复相组织为回火索氏体。
70、钢的整体热处理：对工件整体进行穿透加热的热处理工艺，又称为常规热处理。
71、退火：1）完全退火适用于亚共析钢和过共析钢，特别是中碳素钢和中碳合金钢的铸、焊、轧制件等。2）不完全退火主要适用于过共析钢，消除锻轧内应力，降低硬度和提高韧性；亚共析钢如果原始晶粒很细小，只是为了消除锻件产生的内应力或降低硬度，采用不完全退火为好，不必采用完全退火，以降低成本。3）将工件随炉加热至500～650℃，保温一段时间后随炉冷却至200℃以下，出炉空冷的工艺为去应力退火。4）等温退火可以大大缩短退火时间，得到的组织与性能较为均匀，适应于处理小批量生产的碳钢及合金钢的中型工件、重型铸件和锻件。5）球化退火主要用于共析和过共析碳钢及合金钢。6）均匀化退火，又叫扩散退火，可以减少铸锭、锻件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性。7）再结晶退火用于消除变形强化和残余应力。
72、正火：工件加热到AC3(亚共析钢)或者ACm（过共析钢）以上30～50℃，保温一段时间后空冷，AC3以上100～150℃为高温正火。对低碳钢而言，完全可以用正火代替退火，时间短费用低。含碳量0.3％～0.4％的钢，也可以用正火代替退火，大于0.4％的一般不能代替。
73、淬火：方法有单液淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。淬硬性仅与含碳量有关，钢的淬透性大小取决于钢的临界冷却速度。
74、回火：250℃以下为低温，250～500℃为中温，500℃以上为高温。铬钢、铬锰钢、硅锰钢等在400～600℃回火后应急冷（水冷或油冷），避免第二类回火脆性。
75、淬火并高温回火称为调质处理。
76、表面淬火：1）火焰淬火，深度一般为2～6mm，适用于但见或小批量生产的零件，如轧钢机齿轮、轧辊、矿山机械的齿轮、轴、机床导轨和齿轮等。2）感应加热淬火，高频（100～1000kHz）深度0.2～2mm，适用于中小齿轮、轴等零件；中频（0.5～10kHz）深度2～8mm，适用于中型齿轮、轴等零件；工频（50Hz），深度>10～15mm，适用于直径大于300mm的轧辊、轴的大型零件。
77、渗碳：可以使工件经热处理后表面具有高的硬度和耐磨性。渗碳钢一般都是含碳量在0.25％以下的低碳钢和低合金钢。常用的如20钢、20Cr钢、18CrMnMo钢、12Cr2Ni4A钢、20CrMnMo钢等。分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。
78、碳氮共渗：可以提高零件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。
79、渗氮：可以提高工件表面硬度、耐疲劳和耐蚀性以及热硬性，主要用于交变载荷下工作的，要求耐磨和尺寸精度高的重要零件，如高速传动精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精密机床主轴、镗床镗杆、压缩机活塞杆等，也可以用于在较高温度下工作的耐磨、耐热件，如阀门、排气阀等。
80、灰铸铁热处理：1）去应力退火（人工实效），缓慢加热至500～560℃适当保温后炉冷至150～200℃后空冷，一般去应力退火不能超过560℃。2）消除白口降低硬度的退火或正火，退火800～950℃×1～4h后随炉缓冷，正火800～950℃×1～4h后空冷。
81、可锻铸铁石墨化退火，950～1000℃×30～40h后以200～300℃/h冷却速度冷却到770℃后，再以极缓慢的冷却速度（2～3℃/h）冷却到720℃左右，再空冷。
82、球墨铸铁热处理包括退火、正火、调质处理和等温淬火。
83、蠕墨铸铁：浇铸前向高于1400℃的液态铸铁中加入了稀土硅钙合金进行蠕化处理，处理后加入少量孕育剂以促进石墨化。
84、合金铸铁：1）高强度合金铸铁，稀土镁钼系和稀土铜钼系合金铸铁，用于制造要求较高强度的重要结构件如曲轴、凸轮轴、变速齿轮等。2）耐磨合金铸铁，分为抗磨铸铁和减磨铸铁，如高铬白口铸铁用于大型球磨机衬板和粉碎机的锤头等。
85、有色金属热处理。（P58）
86、电阻炉分为空气炉、盐浴炉、控制气氛炉和真空炉。
87、盐浴炉，适用于尺寸较小、形状复杂、要求高的工件淬火、回火处理，特别适用于高速钢刀具、高合金钢小模具的淬火，适用于小批量、多品种的产品零件淬火。其中：碱浴炉最高使用温度300℃，用于分级淬火、低温回火；硝盐炉最高温度580℃，用于等温淬火、回火；高速钢分级盐浴炉最高800℃；中温盐浴炉最高950℃，适用于结构钢淬火；高温盐浴炉最高1350℃，适用于高速钢刀具淬火、高合金模具钢淬火。
88、真空热处理具有防氧化、脱碳，表面光亮，可以进行成品热处理，是热处理的主要设备，但是一次性投资大，回收时间长。
89、感应加热不仅是一种生产效率高的表面强化工艺，而且在一定条件下可以代替渗碳、碳氮共渗等，可以大量节能而且少公害，配少量计算机易于实现自动化。
90、典型零件热处理应用实例。（P61）
