工程材料复习资料

第一章第一章 材料的性能及应用意义材料的性能及应用意义 变形变形 材料在外力作用下产生形状与尺寸的变化 强度强度 材料在外力作用下对变形与断裂的抵抗能力 对塑性变形的抗力 比例极限 p 弹性极限 e 屈服点或屈服强度 s 0 2 抗拉强度 b 比强度比强度 各种强度指标与材料密度之比 屈强比屈强比 材料屈服强度与抗拉强度之比 塑性塑性 指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 即材料断裂前的塑性变形的能 力 硬度硬度 反映材料软硬程度的一种性能指标 表示材料表面局部区域内抵抗变形或破裂的能 力 韧性韧性 材料强度和塑性的综合表现 布氏硬度 HBW 洛氏硬度 HR 优点 操作迅速简便 压痕较小 几乎不损伤工件表面 故而应用最广 维氏硬度 HV 疲劳断裂特点疲劳断裂特点 断裂时的应力远低于材料静载下的抗拉强度甚至屈服强度 断裂前无 论是韧性材料还是塑性材料均无明显的塑性变形 疲劳过程的三个基本组成阶段疲劳过程的三个基本组成阶段 疲劳萌生 疲劳扩展 最后断裂 第二章第二章 材料的结构材料的结构 键键 在固体状态下 原子聚集堆积在一起 其间距足够近 它们之间便产生了相互作用力 即为原子间的结合力或结合键 根据结合力的强弱 可把结合键分为两大类根据结合力的强弱 可把结合键分为两大类 强键 包括离子键 共价键 金属键 和弱 键 即分子键 共价键共价键晶体和离子键离子键晶体结合最强最强 金属键晶体次之 分子键分子键晶体最弱最弱 晶体晶体 原子在三维空间中有规则的周期性重复排列的物质 各向异性各向异性 晶体具有固定熔点且在不同方向上具有不同的性能 晶格晶格 晶体中原子 或离子 分子 在空间呈规则排列 规则排列的方式就称为晶体结构 结点结点 将构成晶体的实际质点抽象成纯粹的几何点 体心立方体心立方晶格 晶胞原子数 2 面心立方面心立方晶格 晶胞原子数 4 密排六方密排六方晶格 晶胞原子数 6 晶体缺陷晶体缺陷 原子的排列不可能像理想晶体那样规则完整 而是不可避免地或多或少地存在 一些原子偏离规则排列的区域 这就是晶体缺陷 晶体缺陷按几何特征可分为点缺陷 线缺陷 位错位错 和面缺陷 如晶界 亚晶界 三类 点缺陷点缺陷 空位 间隙原子 置换原子 线缺陷特征线缺陷特征 两个方向的尺寸很小 在另一个方向的尺寸相对很大 位错位错 晶体中有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象 实际金属晶体中存在的位错等晶体缺陷 晶体的强度值降低了 2 3 个数量级 面缺陷面缺陷 晶界 亚晶界 第三章第三章 材料的凝固与结晶组织材料的凝固与结晶组织 凝固凝固 物质从液态转化为固态的过程 结晶结晶 物质从液态转化为固态后 固态物质是晶体 这种凝固的过程就是结晶 过冷过冷 金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象 二者之差称为过冷度过冷度 T T Tm Tn 过冷度越大 实际结晶温度越低 同一种金属 其纯度越高 则过冷度越大 冷却速度越快 则实际结晶温度越低 过冷度 越大 结晶过程结晶过程 金属的结晶过程是形核与长大的过程 形核方式形核方式 均质形核 自发形核 异质形核 非自发形核 细晶强化细晶强化 用细化晶粒来提高材料强度的方法 晶粒越细 晶界越多 也越曲折 强化作 用越显著 晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响 细晶粒金属晶界多 晶界处晶格扭曲畸变 提高了塑性变形 的抗力 使其强度 硬度提高 细晶粒金属晶粒数目多 变形可均匀分布在许多晶粒上 使其塑性好 因此 在常温下晶粒越小越小 金属的强度 硬度越高 塑性 韧性越好越好 细化铸锭和焊缝区的晶粒方法细化铸锭和焊缝区的晶粒方法 控制过冷度 增加过冷度可提高 N G 值 有利于细化晶 粒 变质处理 振动处理 同素异构同素异构 某些金属元素和非金属元素在不同温度和压力下 具有不同类型的晶体结构 合金合金 合金是由两种或两种以上的金属元素 或金属与非金属元素组成的具有金属特性的 物质 组元组元 组成合金的最基本的独立物质称为组元 组元可以是元素或稳定化合物 工业上广 泛使用的碳钢和铸铁 就是由铁和碳两种组元组成的二元合金 固溶体固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体 间隙固溶体 置换固溶体 固溶强化固溶强化 由于外来原子 溶质原子 溶入基体中形成固溶体而使其强度 硬度升高的现 象 此是金属强化的重要形式 金属化合物金属化合物 正常价化合物 电子化合物 间隙相和间隙化合物 二元合金相图二元合金相图 匀晶相图 共晶相图 典型三晶区组织典型三晶区组织 表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区 等轴晶等轴晶 由于中心部位的温度大致均匀 每个晶粒的成长在各方向上也是接近一致的 故 形成了等轴晶 冶金缺陷冶金缺陷 缩孔 疏松 气泡 裂纹 偏析 第四章第四章 材料的变形断裂与强化机制材料的变形断裂与强化机制 单晶体塑性变形的主要方式 单晶体塑性变形的主要方式 滑移和孪生 常温与低温下 冷塑性变形对金属组织结构的影响冷塑性变形对金属组织结构的影响 显微组织的变化 亚结构的细化 变形织构 残留 应力 变形织构变形织构 一是拉拔时形成的织构 称为丝织构丝织构 其主要特征是各个晶粒的某一晶向大致 与拉拔方向平行 二是轧制时形成的织构 称为板织构板织构 其主要特征是各个晶粒的某一晶 面与轧制平面平行 而某一晶相与轧制时的主变形方向平行 加工硬化加工硬化 冷塑性变形对金属力学性能的影响 冷塑性变形对金属力学性能的影响 在冷塑性变形过程中 随着金属内部组 织变化 其力学性能也将发生明显变化 随着变形程度的增加 金属的强度 硬度显著升 高 而塑性 韧性显著下降的现象 产生加工硬化的原因与位错密度增大有关 加工硬化现象实际意义加工硬化现象实际意义 它是一种非常重要的强化手段 可用来提高金属强度 特别是 对那些无法热处理强化的合金尤其重要 加工硬化是某些工件或半成品能够拉伸或冷冲 压加工成形的重要基础 有利于金属均匀变形 加工硬化课提高金属零件在使用过程中 的安全性 冷塑性变形后的金属加热时 随加热温度升高 会发生回复 再结晶和晶粒长大回复 再结晶和晶粒长大等过程 回复回复 指经冷塑性变形的金属材料加热时 在显微组织发生明显改变前 即再结晶晶粒形 成前 所产生某些亚结构和性能的变化过程 再结晶再结晶 指冷变形的金属材料加热到足够高的温度时 通过新晶核的形成及长大 最终形 成无应变的新晶粒组织的过程 冷塑性变形 即冷加工 热塑性变形 即热加工 热加工热加工 在再结晶温度以上进行塑性变形 反之为冷加工 由于实际晶体中不可避免地存在着晶体缺陷 晶体材料的实际强度远低于远低于理论预期值 固溶强化固溶强化 由于溶质原子与溶剂金属原子大小不同 溶剂晶格发生畸变 增大了位错运动 的阻力 使金属的滑移变形变得困难 从而提高了合金的强度和硬度 细晶强化细晶强化 提高强度的同时也改善韧性 沉淀强化 弥散强化 沉淀强化 弥散强化 材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生的强化 位错强化位错强化 运动位错之间发生交互作用而使其运动受阻 所造成的强化量与金属中位错密 度的平方根成正比 按材料断裂前所产生的宏观塑性变形量大小分类 脆性断裂 韧性断裂 按裂纹扩展路径分类 穿晶断裂穿晶断裂 裂纹穿过晶体内部扩展的断裂 沿晶断裂沿晶断裂 裂纹沿晶界 扩展 第五章第五章 铁碳合金相图及应用铁碳合金相图及应用 铁素体铁素体 碳在 Fe 中的间隙固溶体称为 铁素体 该合金相常简称为铁素体 奥氏体奥氏体 碳在 Fe 中形成的间隙固溶体称为奥氏体 渗碳体渗碳体 分子式 Fe3C 具有复杂晶格的间隙化合物 用符号 Cm 表示 工业纯铁工业纯铁室温组织 铁素体 三次渗碳体 F Fe3C 共析钢共析钢室温组织 珠光体 A Fp Fe3C 亚共析钢亚共析钢室温组织 铁素体 珠光体 过共析钢过共析钢室温组织 珠光体 二次渗碳体 P Fe3C 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁室温组织 珠光体 二次渗碳体 莱氏体 共晶白口铸铁共晶白口铸铁室温组织 莱氏体 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁室温组织 一次渗碳体 莱氏体 过共析钢中 碳含量 Wc 接近 1 0 时 其强度达最高值 共晶白口铸铁铸造性能最好 第六章第六章 钢的热处理钢的热处理 热处理热处理 指将金属或合金在固态下进行加热 保温和冷却 以改变其整体或表面组织 从 而获得所需性能的一种工艺 冷却方式冷却方式 炉冷 空冷 油冷 水冷 奥氏体奥氏体 发生 P F Fe3C A 的转变 奥氏体化过程奥氏体化过程 奥氏体晶核的形成 奥氏体的长大 残留渗碳体的溶解 奥氏体均匀化 影响奥氏体形成的因素影响奥氏体形成的因素 加热温度 加热速度 钢的成分 原始组织 奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒的长大 加热转变过程中 新形成并刚好互相接触时的奥氏体晶粒 称为奥氏 体起始晶粒 其大小称为起始晶粒度 奥氏体的起始晶粒一般都很细小 但随着加热温度 的升高和保温时间的延长 其晶粒将不断长大 长大到钢开始冷却时的奥氏体晶粒称为实 际晶粒 其大小称为实际晶粒度 奥氏体的实际晶粒度直接影响钢热处理后的组织与性能 奥氏体晶粒的大小控制奥氏体晶粒的大小控制 加热温度 保温时间 加热速度 氧化氧化 钢在高温作用下 在加热介质中 O2 CO2 H2O 等氧化性介质发生氧化反应 形成 金属氧化物的现象 脱碳脱碳 钢在加热和保温时 炉气中含有 O2 CO2 H2O H2 等脱碳性气氛 钢表层中固溶 的碳和这些介质在高温作用下发生氧化反应 使表层碳浓度降低 即产生脱碳 过热过热 加热温度过高或保温时间过长 得到粗大晶粒组织 称作过热 过烧过烧 由于加热温度过高 使奥氏体晶界严重氧化 甚至发生了局部熔化 这种现象称为 过烧 珠光体转变 高温转变 A1 550 在固态下形核和长大的结晶过程 层片珠光体的性能主要取决于层片间距 珠光体 P 索氏体 S 托氏体 T 贝氏体转变 中温转变 550 Ms 半扩散转变 上贝氏体呈羽毛状 下贝氏体呈黑色针片状 马氏体转变 低温转变 Ms Mf 无扩散转变 Wc 0 30 板条马氏体 Wc 1 0 片状马氏体 Wc 0 30 1 0 板条马氏体和片状马氏体的混合组织 马氏体的性能马氏体的性能取决于马氏体的碳含量与组织形态 随马氏体中碳含量的升高 塑性与韧性 急剧下降 马氏体转变的特点马氏体转变的特点 无扩散性 转变速度极快 转变的不完全性 马氏体点的位置马氏体点的位置主要取决于奥氏体的成分 残留奥氏体残留奥氏体 当奥氏体中的 Wc 大于 0 5 时 Mf 已低于室温 这时 奥氏体即使冷到室温 也不能完全转变为马氏体 这部分被残留下来的奥氏体称为残留奥氏体 冷处理冷处理 生产中可将淬火工件冷至室温后 再随即放到 0 以下温度的介质中冷却 以最 大限度地消除残留奥氏体 达到提高硬度 耐磨性与尺寸稳定性的目的 过冷奥氏体的连续转变过冷奥氏体的连续转变 V1 炉冷 珠光体 V2 空冷 索氏体 V3 油冷 托氏体 V4 水冷 马氏 体 退火退火 将金属或合金加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 以获得接近平衡态 组织的热处理工艺 高碳 完全退火完全退火 将钢完全奥氏体化后 随之缓慢冷却 获得接近平衡状态组织的退火工艺 适 用于亚共析钢成分的中碳钢及中碳合金钢的铸件 锻件 轧制件及焊接件 完全退火目的完全退火目的 细化组织 降低硬度 改善可加工性 去除内应力 等温退火等温退火 目的和加热过程与完全退火相同 适用于高碳钢 中碳合金钢 经渗碳处理后 的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸 锻件及冲压件 球化退火球化退火 将工件加热到 Ac1 10 20 保温后等温冷却或缓慢冷却 使钢中未溶 碳化物球状化而进行的热处理工艺 球化退火目的球化退火目的 降低硬度 提高塑性 改善可加工性 以及获得均匀的组织 改善热处理 工艺性能 为以后的淬火做准备 球化退火主要适用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻 轧件 均匀化退火均匀化退火 又称扩散退火 是为了减轻金属铸锭 铸件或铸坯的化学成分偏析和组织不 均匀性 将其加热到高温 长时间保持 然后进行缓慢冷却 以达到化学成分和组织均匀 化的退火工艺 去应力退火去应力退火 去应力退火是为了去除由于塑型加工 焊接 热处理及机械加工等造成的及 铸件内存在的残留应力而进行的退火 正火正火 将钢加热到 A3 对于亚共析钢 或 Acm 对于过共析钢 以上 30 50 保温适 当时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺 低碳 正火的主要目的正火的主要目的是调整锻件和铸钢件的硬度 细化晶粒 消除网状渗碳体并为淬火做好组 织准备 正火主要应用于正火主要应用于 改善低碳钢的切削加工性能 中碳结构钢件的预备热处理 普通结构 零件的最终热处理 消除过共析钢的网状碳化物 用于某些碳钢 低合金钢的淬火返修件 淬火淬火 将钢件加热到 Ac3 或 Ac1 以上某一温度 保持一定时间后以适当速度冷却 获得马 氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 淬火后可以得到细小而均匀的马氏体 常用淬火介质常用淬火介质 水 尺寸较小的碳钢零件 油 合金钢 淬火方法淬火方法 单介质淬火 双介质淬火 分级淬火 等温淬火 分级淬火分级淬火 将工件奥氏体化后 随之浸入温度稍高或稍低于 Ms 点的液态介质中 保温适 当时间 使钢件内外层都达到介质温度后取出空冷 获得马氏体组织的淬火工艺 等温淬火等温淬火 将工件奥氏体化后 随之快冷到贝氏体转变温度区 260 400 等温足够长 时间 使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺 淬透性淬透性 钢在淬火后的淬硬层深度 它表征了钢在淬火时获得马氏体的能力 淬透性的影响因素淬透性的影响因素 冷却速度必须大于临界速度 Vk 合金元素 碳的质量分数 奥氏 体化温度 钢中未溶第二相 淬硬性淬硬性 指钢在理想条件下进行淬火硬化 即得到马氏体组织 所能达到的最高硬度的能 力 淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量 碳含量越高 淬火后硬度越高 合金元素的含量则 对它无显著影响 回火回火 将淬硬后的钢重新加热到 Ac1 以下的某一温度 保温一定时间后冷却到室温的热处 理工艺 回火的主要目的回火的主要目的 降低脆性 消除或降低残留应力 赋予工件所要求的力学性能 稳定 工件尺寸 低温回火 150 250 回火马氏体 中温回火 350 500 回火托氏体 高温回火 500 650 回火索氏体 低温下长时间保温的热处理称为稳定化处理稳定化处理 回火脆性回火脆性 第一类回火脆性 第二类回火脆性 减少钢中杂质元素的含量 加入 Mo 等 能抑制晶界偏聚的元素 中小型工件可通过回火后快速冷却来抑制 淬火冷却变形的原因淬火冷却变形的原因 变形与开裂的根本原因是淬火时所形成的内应力所致 淬火冷却变形是淬火冷却过程中热应力与相变应力在零件形状 尺寸的反映 淬火后工件表面局部未被淬硬的区域称为软点软点 表面淬火表面淬火 表面淬火是通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现的 即利用 快速 加热使工件表面很快地加热到淬火温度 在不等热量充分传到心部时 即迅速冷却 使表 层得到马氏体而被淬硬 而心部仍保持为未淬火状态的组织 即原来的塑性 韧性较好的 退火 正火或调质状态的组织 目的目的 提高硬度 化学热处理基本过程化学热处理基本过程 加热 分解 吸收 扩散 常用的化学热处理常用的化学热处理 渗碳 渗氮 碳氮共渗 氮碳共渗 与表面淬火相比 化学热处理的主要特点化学热处理的主要特点是 表层不仅有组织变化 而且有成分的变化故 性能改变的幅度大 渗碳工件工艺路线渗碳工件工艺路线 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 精加工 渗碳工件经淬火 低温回火后的表面组织表面组织为针状回火马氏体 碳化物 少量残留奥氏体 渗氮渗氮 指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 也称氮化氮化 目前应用较多的有气体渗氮和离子渗氮 渗氮零件工艺路线渗氮零件工艺路线 锻造 正火 粗加工 调质 精加工 去应力 粗磨 渗氮 精磨或 研磨 与渗碳相比 气体渗氮的特点气体渗氮的特点 变形很小 高硬度 高耐磨性 疲劳极限高 高的耐蚀 性能 生产周期长 成本高 钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗 向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程 也称氰化处理 第七章第七章 钢铁材料钢铁材料 合金元素存在的形式合金元素存在的形式主要有三种 固溶态 化合态和游离态 合金元素溶入奥氏体中从而提高钢的淬透性 溶入马氏体中从而提高耐回火性等间接作用 对钢的性能影响程度 往往大于其固溶强化这种直接作用 游离态元素对钢的性能产生不利影响 故应尽量避免此种存在形式 合金元素对钢加热时奥氏体化的影响合金元素对钢加热时奥氏体化的影响 绝大多数合金元素 尤其是碳化物形成元素 对非 奥