工程材料考试重点复习笔记

工程材料考试重点复习笔记一、工程材料的基本概念与分类工程材料是制造工程构件、机械零件及工具的物质基础，其性能直接决定产品的使用性能、寿命与制造成本。根据化学成分与性能特点，工程材料可分为以下四类：（一）金属材料以金属键结合，兼具良好力学性能与加工性，是工程领域最常用的材料。黑色金属：以铁为基的合金，包括钢（含碳量<2.11%，分为碳素钢、合金钢）与铸铁（含碳量2.11%~6.69%，如灰铸铁、球墨铸铁）。有色金属：非铁基金属，如铝合金（轻质、耐腐蚀，用于航空构件）、铜合金（导电导热性优异，用于电器元件）、钛合金（高强度、耐蚀，用于航空航天领域）。（二）高分子材料以共价键结合的大分子化合物，按性能分为：塑料：热塑性（如聚乙烯、聚丙烯，可重复成型）与热固性（如环氧树脂、酚醛树脂，一次成型后不可再塑）。橡胶：高弹性材料，如天然橡胶（通用型）、丁腈橡胶（耐油）、硅橡胶（耐高温）。（三）陶瓷材料以离子键或共价键结合的无机非金属材料，分为：结构陶瓷：硬度高、耐磨、耐高温（如氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷，用于刀具、轴承）。功能陶瓷：具有特殊物理性能（如压电陶瓷、铁氧体，用于传感器、磁芯）。（四）复合材料由两种或以上材料复合而成，性能优于单一材料。例如：纤维增强复合材料：如玻璃钢（玻璃纤维+树脂，轻质高强，用于游艇、风电叶片）、碳纤维复合材料（高强度、低密度，用于航空构件）。二、材料的性能（考试核心考点）材料的性能决定其适用场景，需重点理解力学性能（核心）、物理性能与化学性能。（一）力学性能描述材料在外力作用下的行为，核心指标包括：强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力，指标有屈服强度（σₛ）（塑性变形起始应力）、抗拉强度（σᵦ）（最大均匀变形应力）。塑性：断裂前的塑性变形能力，指标为伸长率（δ）、断面收缩率（ψ）（δ、ψ越大，塑性越好）。硬度：材料抵抗局部变形的能力，测试方法：布氏硬度（HB）：压头为硬质合金球，适用于退火钢、铸铁等。洛氏硬度（HRC、HRB等）：压头为金刚石圆锥或钢球，适用于淬火钢（HRC）、软钢（HRB）。维氏硬度（HV）：压头为金刚石四棱锥，适用于薄件、表面硬化层。韧性：材料抵抗冲击载荷的能力，指标为冲击功（Aₖ）（夏比摆锤冲击试验），低温下韧性下降易引发脆断。疲劳强度：材料抵抗交变载荷的能力，指标为疲劳极限（σ₋₁）（循环次数≥10⁷次不失效的最大应力）。（二）物理性能密度：影响构件轻量化（如铝合金密度远低于钢）。热膨胀性：热胀冷缩，需考虑与其他材料的匹配（如陶瓷与金属连接需低膨胀系数）。导热性、导电性：如铜的导热/导电性优异，用于散热器、导线。（三）化学性能耐腐蚀性：材料抵抗介质侵蚀的能力（如不锈钢含Cr，形成钝化膜）。抗氧化性：高温下抵抗氧化的能力（如耐热钢含Al、Cr，形成致密氧化膜）。三、材料的结构与组织材料的性能由内部结构与组织决定，需掌握晶体结构、相结构、组织演化规律。（一）晶体结构金属的晶体结构决定其塑性、强度：体心立方（BCC）：如α-Fe（室温）、Cr、W，塑性中等，强度较高。面心立方（FCC）：如γ-Fe（912~1394℃）、Al、Cu，塑性优异，易加工。密排六方（HCP）：如Mg、Zn，滑移系少，塑性较差（需孪生变形）。（二）合金的相结构合金中相的类型决定性能：固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格（如钢中C溶入γ-Fe形成奥氏体），产生固溶强化（强度提升、塑性下降）。金属间化合物：如Fe₃C（渗碳体），硬度高、脆性大，起弥散强化作用（如高速钢中WC）。（三）组织与性能的关系晶粒细化：通过变质处理、快速冷却细化晶粒，使强度、塑性、韧性同步提升（细晶强化）。相形态：如铸铁中石墨形态（片状→球状），使韧性显著提高（球墨铸铁韧性远高于灰铸铁）。四、常用工程材料的特点与应用掌握典型材料的成分、组织、性能及适用场景，是考试的重点。（一）金属材料——钢1.碳素钢：按含碳量分为低碳钢（C<0.25%，如Q235，塑性好，用于结构件）、中碳钢（0.25%<C<0.6%，如45钢，综合性能优，用于轴类）、高碳钢（C>0.6%，如T10，硬度高，用于刀具）。2.合金钢：加入合金元素（Cr、Ni、Mo等）改善性能：合金结构钢：如40Cr（调质钢，用于轴、齿轮）、20CrMnTi（渗碳钢，用于汽车齿轮）。合金工具钢：如W18Cr4V（高速钢，红硬性好，用于切削刀具）。不锈钢：如1Cr18Ni9Ti（奥氏体不锈钢，耐蚀，用于化工设备）。（二）金属材料——铸铁灰铸铁：石墨呈片状，减震性好、切削性优，用于机床床身、发动机缸体。球墨铸铁：石墨呈球状，强度、韧性接近钢，用于曲轴、连杆。（三）有色金属——铝合金变形铝合金：如6061（可热处理强化，用于航空构件、自行车架）。铸造铝合金：如ZL102（流动性好，用于发动机活塞）。（四）高分子材料——塑料热塑性塑料：如聚氯乙烯（PVC，耐腐蚀，用于管材）、聚丙烯（PP，耐疲劳，用于汽车保险杠）。热固性塑料：如酚醛树脂（绝缘性好，用于电器开关）、环氧树脂（粘结性强，用于复合材料基体）。（五）陶瓷材料——结构陶瓷氧化铝陶瓷：硬度高、耐磨，用于陶瓷刀具、轴承球。碳化硅陶瓷：耐高温、抗氧化，用于高温炉衬、砂轮。（六）复合材料——碳纤维增强树脂基复合材料组成：碳纤维（高强度、低密度）+环氧树脂（粘结、耐蚀）。应用：航空机翼、体育器材（如羽毛球拍）。五、热处理工艺（核心考点：工艺目的、参数、应用）热处理通过改变组织改善性能，需掌握典型工艺的原理与应用。（一）整体热处理1.退火：加热→保温→缓慢冷却，目的是消除应力、细化晶粒、改善切削性：完全退火：用于亚共析钢，消除网状渗碳体，细化晶粒。球化退火：用于过共析钢（如T10），使渗碳体球化，降低硬度、改善切削性。去应力退火：消除加工应力，防止变形开裂。2.正火：加热→空冷，目的是细化晶粒、调整硬度（比退火快冷，强度、硬度略高），用于中碳钢预备热处理。3.淬火：加热→快速冷却（水、油），目的是获得马氏体，提高硬度、耐磨性。注意：淬火易产生变形、开裂（需控制冷却速度、及时回火）。4.回火：淬火后加热→保温→冷却，消除淬火应力、调整性能：低温回火（150~250℃）：保留高硬度，用于刀具、模具。中温回火（350~500℃）：获得回火屈氏体，弹性好，用于弹簧。高温回火（500~650℃）：获得回火索氏体，综合性能优（“调质处理”=淬火+高温回火，用于轴、齿轮）。（二）表面热处理1.渗碳：低碳钢在富碳介质中加热，使表面碳含量提升，淬火+低温回火后，表面高硬度、心部高韧性，用于齿轮、轴类（如20CrMnTi）。2.渗氮：在含氮介质中加热，形成氮化物（如AlN），表面硬度极高、耐磨性/耐蚀性好，用于精密机床主轴、阀杆。3.感应加热表面淬火：利用电磁感应加热表面，快速冷却，表面硬化、心部韧性好，用于机床导轨、曲轴。六、材料的选用原则材料选用需综合考虑使用性能、工艺性能、经济性：（一）使用性能优先根据构件的工作条件选择：受交变载荷、冲击：需高韧性（如调质钢）。耐磨、受压力：需高硬度（如淬火钢、陶瓷）。耐腐蚀：需不锈钢、塑料、陶瓷。（二）工艺性能适配考虑材料的加工性（铸造、锻造、焊接、切削、热处理）：复杂形状件：选铸造性好的材料（如灰铸铁、铸造铝合金）。大尺寸构件：选焊接性好的材料（如低碳钢、低合金钢）。（三）经济性合理优先选用廉价材料（如碳钢代替合金钢，满足性能时）。考虑使用寿命（如化工设备用不锈钢，虽贵但寿命长，总成本低）。典型案例机床床身：选灰铸铁（减震性好、成本低、切削性优）。汽车发动机活塞：选铝合金（密度小、导热好、重量轻）。切削刀具：选高速钢（红硬性好）或硬质合金（硬度高、耐磨性优）。复习建议1.抓核心概念：如强