工程材料学复习知识点知识点教材.docx

1、工程材料学复习知识点知识点教材工程材料学知识点第一章材料是有用途的物质。一般将人们去开掘的对象称为“原料”，将经过加工后的原料称为“材料”工程材料：主要利用其力学性能，制造结构件的一类材料。主要有：建筑材料、结构材料力学性能：强度、塑性、硬度功能材料：主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.主要有：半导体材料 （Si）磁性材料 压电材料 光电材料金属材料：纯金属和合金金属材料有两大类：钢铁（黑色金属）非铁金属材料（有色金属）非铁金属材料：轻金属（Ni以前）重金属（Ni以后）贵金属（Ag，Au，Pt，Pd）稀有金属（Zr，Nb，Ta）放射性金属（Ra，U）高分子材料：由低分子化合物依靠分子键

2、聚合而成的有机聚合物主要组成：C，H，O，N，S，Cl，F，Si三大类： 塑料（低分子量）： 聚丙稀 树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂 橡胶（高分子量）： 天然橡胶，合成橡胶陶瓷材料：由一种或多种金属或非金属的氧化物，碳化物，氮化物，硅化物及硅酸盐组成的无机非金属材料。陶瓷：结构陶瓷 Al2O3， Si3N4，SiC等 功能陶瓷 铁电 压电材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。材料可生产性：材料是否易获得或易制备铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的能力锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的

3、度量焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起能力第二章（详见课本） 密排面 密排方向 fcc 111 bcc 110 体心立方bcc面心立方fcc 密堆六方cph 点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。类型：空位：在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。 间隙原子：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。 异类原子：在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是

4、晶体中的位错（Dislocation）形式：刃型位错 螺型位错 混合型位错位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；位错线附近异类原子浓度高于平均水平；位错在晶体中可以发生移动，是材料塑性变形基本原因之一；位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响。面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。形式：晶界面 亚晶界面 相界面第三章过冷： 一般地，熔体自然冷却时，随时间延长，温度不断降低，但当冷却到某一温度Tn时，开始结晶，此时随着时间的延长，出现一个温度平台，这一平台温度通常要低于理想的结晶温度

5、T0，这样在低于理想结晶温度以下才能发生结晶的现象过冷。过冷度：实际结晶温度Tn与理想结晶温度T0之差 TT0Tn 称为过冷度。 过冷度的大小随冷却速度的增加而增加过冷度愈大，G愈大，结晶驱动力愈大结晶过程：形核：符合能量条件和结构条件的短程有序集团(尺寸达到 临界尺寸）将成为结晶核心。长大：金属液体中的晶核一旦形成，由于系统自由能降低，晶核将迅速长大直到液体全部消失形核率(N)：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目称为形核率。一般合金相图是在常压下（P1atm）获得的，所以对于一个合金体系描述相图的参数有三个：成分，温度，相。即相只与温度和成分相关。若以成分（C）为横坐标，T为纵

6、坐标，那么坐标系任一点即表示某一成分合金在某一温度下对应的相.匀晶相图杠杆定律：设 mL和 m 分别为两相的质量，它们满足以下杠杆定律： 共晶反应 ：在某一温度下，从液体中同时析出两种固溶体。即：L+7条线：AE、BE为液相线，温度在液相线上，为单一液态；AC、BD为固相线，温度在此以下为单一固溶体；CED：共晶反应线， 对应L+；CG、DH为，固溶体的溶解度变化线， 即：，固溶体的溶解度随温度变化而发生变化的曲线。6个相区：3个单相区：L、 、 3个两相区： L+, L+ 、 + 注：两个单相区由一个双相区分隔 (相律）1个点：E：共晶成分点， 液体温度最低点。成分在E点以左，为亚共晶（成分

7、在 CE 范围）成分在E点以右，为过共晶（成分在 ED 范围）包晶反应：两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变：L+。Ac 和 bc为两液相线，与其对应的 ad 和 bp 为两固相线；Df 和pg 固溶体、的溶解度随温度变化线；dpc为包晶转变线。相图含三个单相区L、；三个双相区L、L、； 一个三相区 L，水平线dpc为包晶反应线， P点为包晶点，对应包晶反应： L+。共析反应：特点：（1）固态反应。（2）类似于共晶反应。（3）共析反应：（4） 、为交替的片层结构。（5） 、的相对含量符合杠杆定律。稳定化合物（金属间化合物）在相图中的形式：稳定化合物在相图中表现为一直线，可将

8、其视为独立组元，并以其为界将相图分开进行分析。第四章纯铁：-Fe 在770（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好C在钢铁中存在的三种形式：溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶体）钢以游离石墨存在于钢铁中铸铁。与铁成金属间化合物 如Fe3C, Fe2C, FeC）金属间化合物石墨性能：耐高温，可导电，润滑性好，强度、硬度、塑性和韧性低。实线为 FeFe3C 相图虚线为 FeC 相图相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。 = F相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为f

9、cc，仅由相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。 = A 相 C在-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。Fe3C相 铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为 Cm(Cementite)。石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。L相 碳在高温下熔入液体，相图中标记 L(Liquid)。这是一包晶反应(1495 C)，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。共晶反应(11

10、48 C)，产物共晶体组织称为莱氏体，记为Ld(Ledeburite)共析反应(727 C)，产物为F、Fe3C两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite)（1） ABCD 液相线（2） AHJECF 固相线（3） HJB 包晶反应线 (1495 C) LB+HAJ （4） ECF 共晶反应线 (1148 C) LC AE+Fe3CI (称为莱氏体)（5） PSK 共析反应线 (727 C)AsFp+Fe3C (称为珠光体)（6） ACM线（ES线） 从奥氏体析出Fe3C的临界温度线 （7） A3线 （GS线）从奥氏体转变为铁素体线五个单相区：液相区 L 高温固溶体 ；

11、相 （奥氏体 ，A) ；相 （铁素体 ，F)Fe3C相 （渗碳体，Cm） 七个双相区：L ， L ， L Fe3C， ， Fe3C， ； Fe3C三个三相区：HJB线 L ；ECK线 L Fe3C；PSK线 Fe3C工业纯铁 (C%0.02%)碳钢 ( C%= 0.02% 2.11 wt %）依据C含量不同，又分为： 亚共析钢：C0.77 wt%白口铸铁 (生铁） （C%= 2.11 6.69 wt %） 依据C含量不同，又分为：亚共晶白口铸铁 C4.3 wt% 灰口铸铁 （C%= 2.11 6.69 wt %） 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁工业纯铁(C%0.02%)：组织： F相： (F)

12、共析钢(C%0.77%)：组织： P 相： (F)Fe3C 亚共析钢(C%=0.02 0.77%)：组织： FP 相： (F)Fe3C组织转变： LL+AAF+AF+P过共析钢(C%=0.77 2.11%)：组织： PFe3CII 相； (F) Fe3C组织转变：LLA AAFe3CII PFe3CII共晶白口铁(C%4.3%)：组织： Ld 相： (F) Fe3C组织转变 L Ld（A+Fe3CI)A+Fe3CII+Fe3CI (P + Fe3CI （Fe3C)）亚共晶白口铁(C%=2.114.3%)：组织： PFe3CIILd 相： (F) Fe3C组织转变 LLAALdAFe3CIILd

13、PFe3CIILd 过共晶白口铁(C%=4.3 6.69%)：组织： Fe3CILd 相： (F) Fe3C组织转变 LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+Ld1、各组成相的力学性质：F：软， 塑 Fe3C：硬，脆 P（F+ Fe3C）：介入二者之间2、C对性能的影响：随C含量增加，硬度持续增加 ,持续下降 b先增加（C 2.11）后下降（由于网状Fe3C的出现）按含碳量分：低碳钢 WC 0.25 中碳钢 0.25 0.6按用途分：碳素结构钢（建筑材料,如桥梁,房屋，机器零件等） 碳素工具钢 （刀具， 模具等）根据P， S含量的多少普通碳素钢 WP 0.045 WS 0.055 优质碳素

14、钢 WP 0.040 WS 0.040高级优质碳素钢 WP 0.035 WS 0.030根据含氧量： 沸腾钢 镇定钢Q275AF普通碳素结构钢（Q：屈服 数字为强度值 A为等级 F为沸腾钢）特点：这一钢种仅关心材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型 材(钢板、圆、管、角)。用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。如：桥梁，建筑。优质碳素结构钢（数字表示钢中C的含量(万分之几) F表示沸腾钢）特点：这类钢种要求保证 C 含量。 用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件。一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。T

15、12A碳素工具钢（“T” 表示“碳” 数字表示含碳量(千分之几) 全部为优质钢，后缀A为高级优质钢）特点：过共析钢，组织为：颗粒状的碳化物球化珠光体（经球化退火）， 可以直接进行机械加工。用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具，模具 。工业铸铁是指 Wc 2.11wt的Fe-C合金 为铸铁。当C以Fe3C相似存在： 白口铸铁 当C以石墨形式存在：灰口铸铁铸铁性质：铸造，切削加工，减震性较好。强度，塑性，韧性低石墨化过程：第一阶段 高温石墨化温度: 1154，从液体中直接析出初生或共晶石墨。共晶反应：LCAEGI 组织：（奥氏体石墨）的共晶体。第二阶段 中温石墨化温度：11547

16、38之间，从奥氏体中析出石墨， 称为二次石墨GII过饱和析出反应：A AGII 组织：AGII第三阶段 低温石墨化温度：738，奥氏体发生共析反应析出石墨，称为三次石墨GIII。共析反应： AS FpGIII。组织： (铁素体石墨)共析体注：这一阶段析出的石墨往往在前两阶段出现的石墨基础上长大。按铸铁中石墨的形状分： 普通灰铸铁（片状）球墨铸铁（球状）可锻铸铁 （团絮状）蠕墨铸铁（蠕虫状）等铸铁性能：1 抗拉强度低、塑性韧性差石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。球状石墨对基体的破坏作用相对较小，故球墨铸铁的力性接近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。2。铸造性能好。3。耐磨

17、性好。4。消震性好。5。切削加工性能好。6。缺口敏感性低。普通灰铸铁：如 HT150, HT200, HT250 牌号：HTxxx ，HT表示灰铁，三个数字表示最低抗拉强度，单位MPa。用途：用于要求消震、耐磨，如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。热处理： 只进行去应力退火。球墨铸铁：如 QT400-15, QT500-05 , QT600-03 牌号： QTxxx-xx, 数字表示最低抗拉强度和伸长率，单位MPa和%。用途：用于一般机械零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。热处理： 可通过热处理改善基体组织和性能。可锻铸铁 蠕墨铸铁 合金铸铁第五章引起加工硬化：随塑性变形量增加，金属强度、硬度会升高，而

18、塑性、韧性会降低，这种现象称为加工硬化。（折铁丝是一实例）产生加工硬化的原因：变形产生位错，随着变形量增加，位错密度增高，位错发生缠结和在晶界上塞积，导致位错运动困难，从而引起加工硬化。加工硬化的作用： 强化材料的一种手段保持材料均匀形变在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应地,材料的结构和性能也发生对应变化。回复：经冷加工的材料在在小于0.4Tm （以K表示）以下的温度保温， 这时材料发生点缺陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。变化：宏观应力（第一类应力）基本消除，但微观应力（第二、第三类）仍然残存。

19、力学性质，如强度没有明显变化。再结晶：当加热温度达到0.4Tm以上，晶粒形状开始发生变化，在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这一过程称为再结晶。变化：强度和硬度明显下降，塑韧性提高，加工硬化现象消除 。新晶粒形核和长大，替代旧晶粒。位错大量消失 。特点：1） 再结晶不是一个相变过程。因为在结晶前后的结构和成分没有明显变化。它只是一个形态上的变化。（物理过程） 。2）再结晶没有一个确定的温度，当T0.4Tm即可发生再结晶过程。概念：冷加工：在再结晶温度以下进行塑性变形 热加工：在再结晶温度以上进行塑性变形区别：冷加工：加工硬化，晶粒变形 热加工

20、：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消失金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降，塑性会随温度的升高而升高，因此在较高的温度下进行塑性变形，材料的抗力小，易成型。热加工的影响：1、 提高致密度：热加工可使铸件的缩松和气泡焊合，提高材料的致密度，提高材料性能。2、 细化晶粒：热加工可以打碎铸件粗大的枝晶和柱状晶，细化晶粒尺寸。3、 形成合理的纤维组织：各种可变形的夹杂物会沿形变方向拉长，呈流线分布，从而造成各向异性。在流线方向，性能较好，而在垂直于流线方向上性能相对较差强化金属的基本原理和方法塑性变形的本质是位错的滑移细晶强化依靠晶界阻止位错运动。晶粒愈小，强度愈高。s=0+Kd-1/2 (

21、Hall-patch 关系式)固溶强化形成固溶体 由于溶质原子与溶剂原子在尺寸和性质上的不同，固溶原子引起晶格畸变，产生应力场阻止位错运动。加工硬化进行冷加工，使材料位错密度增加，发生缠结，阻碍位错运动。弥散强化在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动。有时称为沉淀强化。第六章为了对钢进行热处理，必须首先将钢加热到单相A区，然后进行适当的冷却以获得特定的结构和性能。固态相变同样需要一定的过冷度（降温）或过热度（升温），因此，加热转变实际发生温度在平衡临界点之上，而冷却转变的实际发生温度在平衡临界点之下。Ac1、Ac3、Accm为升温引起的奥氏体化温度上移线Ar1、Ar3和Arcm则为降温

22、时奥氏体分解温度的下移线 A1、A3、Acm、为平衡条件下合金获得奥氏体的温度线。奥氏体化过程以共析钢(Wc0.77%)为例，共析钢在室温下的组织为层片珠光体，在加热到Ac1以上，其将转变为A，这一过程称为奥氏体化，这一过程是形核与长大过程 。两个过程：晶格变化；C的扩散1. 在铁素体和渗碳体的交界处形成奥氏体的核心；2. 奥氏体同时消耗两相来长大；F晶格转变（BCCFCC），渗C体溶解；3. 随后残余渗碳体的溶解；4. 奥氏体的均匀化，各处的碳浓度都达到平均成分。实际晶粒度：指在某一具体热处理条件下（如加热温度、保温时间）所得到的晶粒大小。它决定于钢的成分和奥氏体化的工艺过程。本质晶粒度：不

23、同的钢在同样的加热条件下，奥氏体的长大倾向性不一样，为比较不同钢的晶粒长大倾向，将不同的钢加热到93010，保温8小时得到的实际晶粒度作为该钢的本质晶粒度。本质晶粒度是一材料特性，表示的是钢在奥氏体化时奥氏体晶粒的长大倾向。 等温冷却：将钢迅速过冷到临界点(Ar1)以下某一温度，使奥氏体保持在该温度下进行等温转变 TTT曲线（TemperatureTimeTransformation）：在某一温度下A转变量与时间的关系的曲线。连续冷却：将钢以某一固定速度不停顿地冷却(到室温)，使奥氏体在连续降温的过程中转变。CCT 曲线（Continuous Cooling Transformation）：在

24、连续冷却过程中，A转变量与时间的关系曲线。过冷奥氏体等温转变图，也称 TTT曲线，或C曲线。它综合反映了过冷奥氏体在不同温度下等温转变的开始和终了时间及转变产物之间的关系。钢在奥氏体化后，当温度降低到Ar1以下，此时奥氏体并不立即转变，要经历一段时间后，才开始转变。把这种存在于Ar1温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体。C曲线特征：（1） 在Ar1线温度以上，奥氏体稳定，不会发生转变。（2）在Ar1线以下，C曲线以左区域为过冷A区，转变终了线以右的区域为转变产物区，两条线之间为转变过渡区。（3）不同温度等温对应的孕育期不同，在C曲线“鼻尖”处的孕育期最短，鼻尖以上（Ar1以下），随

25、温度孕育期，因为形核驱动力大，但在鼻尖以下，随温度孕育期这是因为尽管驱动力大，但原子扩散缓慢（受温度影响）。（4）当冷速很快，绕过C曲线的鼻尖，奥氏体快速冷却到 Ms以下，则发生马氏体转变，Ms为马氏体转变开始线，Mf为马氏体转变终了线，两线之间为奥氏体马氏体两相混合区。珠光体型转变区 温度：Ar1550依据F/Fe3C的片层大小，分为：珠光体（粗），索氏体（细），屈氏体（托氏体）（很细）贝氏体型转变区（中温转变区）根据转变温度的高低，贝氏体转变又分为：上贝氏体转变 （ “鼻尖”到350） 下贝氏体转变 （350到 MS 点)名 称 符 号 形 成 温 度 形 貌 性能 上贝氏体 B上 550

26、 350 羽毛状 HRC4050, 韧性差 下贝氏体 B下 350 Ms 竹叶状 HRC5055, 韧性好 B下具有优良的综合力学性能，生产实践中应用于要求高 强韧性的工件（如模具等）马氏体型转变区(针对共析钢）决定于奥氏体的含碳量： C 1.0 wt%： 形成针状马氏体 M针； C 0.2 wt%: 形成板条状马氏体 M板条； 0.2wt%C1.0wt%: 形成混合马氏体。低碳马氏体性能：具有较高的强度和韧性，即良好的综合力学性能。如0.2%C钢淬火后，HRC50、 b1500MPa、 ak150180J/cm2。高碳马氏体性能：片状马氏体具有高的硬度和强度 （ HRC 60），但塑性和韧性

27、很低（ ak 1J/cm2）不管是板条马氏体还是片状马氏体，都具有相当高的硬度 （HRC50），其原因是：C在F中的过饱和固溶晶格畸变固溶强化高硬度。对C曲线的影响：C含量：亚共析钢： 随着含碳量的增加，C曲线右移 过共析钢： 随着含碳量的增加，C曲线左移加热温度和保温时间：T，t Fe3C溶解充分，晶粒粗大（晶界减小）A稳定 C曲线右移合金元素：除Co以外，几乎所有元素都会使C曲线右移退火：定义：将钢（材料）加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(例如：随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做“退火”。作用：消除残余内应力、改变组织的形态。 退火类别：完全退火 球化退火 去应

28、力退火 不同类型的退火选用不同的温度。完全退火（用于亚共析钢）方法：将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间，缓慢冷却。目的：通过重新结晶细化晶粒，改善钢锭或坯料粗大，不均匀的原始组织，充分（1）消除内应力，（2）降低硬度，（3）防止开裂。组织：F + P（接近平衡组织）球化退火 （适用于共析钢和过共析钢）方法：将共析钢或过共析钢加热在A1以上3050长时间保温，使Fe3C球化。然后极缓慢冷却，使A发生珠光体转变。组织：铁素体的基体上均匀分布颗粒状的渗碳体，称为球状珠光体。去应力退火方法：将钢缓慢加热到A1以下某一温度（如：200400 C)，保温后慢冷。 目的：完全消除残余内应力。

29、组织：无相变发生，无组织明显变化。正火：定义：将钢加热到AC3（亚共析钢）或ACcm(过共析钢)以上3050保温一段时间后，再空冷得到珠光体型组织的工艺。 注：合金钢在空气中连续冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型相变，但正火一般是指空冷时发生珠光体型转变的热处理工艺。用途：亚共析钢：在低、中碳钢中代替完全退火。（消除缺陷和内应力 ，降低硬度，均匀组织）。过共析钢：因空气冷却速度较快，先析出相 Fe3C 的量较少，不能连成网状，故起到消除网状组织的作用。淬火：定义：将钢加热到A后，以大于Vk的速度快速冷至Ms点以下以获得马氏体组织的热处理工艺，叫作“淬火”。目的：提高钢的硬度和耐磨性。注：马氏体不是热处理所要得到的最终组织，马氏体再经过适当的回火，可以得到需要的组织和使用性能。淬火后获得的马氏体淬火马氏体 回火后获得的马氏体回火马氏体常用介质：盐水、碱水：1015的NaCl水溶液，这是最强的冷却介质。清水：直接冷却，冷却能力也很强。 碱浴、硝盐浴：在120180以上的温度下有好的冷却能力（适用于分级淬火）。 矿物油 冷却能力约为水的1/41/8，适用于大多数合金钢，可以有效防止零件的变形开裂。 原则：淬火时既要快冷获得M，又要尽可能减少变形和开裂。回火：定义：将淬火后的钢件加热到AC1以下某一温度，等温一段时间后，再冷却至室温而获得不同组织的热处理工艺叫“回火”目