河北工程大学工程材料学考试重点.doc

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第二章金属材料的力学性能

断后伸长率：

断面收缩率：

HBS：

压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。

HBW：

压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在450-650的材料。

Ak=G（H-h）：

冲击吸收功。

Ak越大，材料的塑性越好

材料经无数次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。

：

应力强度因子：

描述裂纹尖端附近应力场强度的指标

纯金属的性能特点纯金属的力学性能特点表现为：

强度、硬度低，塑性、韧性好，用作结构材料时强度、硬度不足，塑性韧性有余。

因此，在工业上广泛应用的金属材料是合金。

第三章金属的结构与固溶强化

晶胞：

能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。

晶格：

用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。

常见纯金属的晶格类型有三类：

体心立方晶格：

常见金属：

aa-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb

面心立方结构：

密排六方晶格

晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。

点缺陷：

空间三维尺寸都很小的缺陷。

空位

间隙原子

置换原子

点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。

从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。

线缺陷—晶体中的位错

位错：

晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象

从位错的几何结构可分为刃型位错和螺型位错。

位错对性能的影响：

金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径

面缺陷—晶界与亚晶界

晶界是不同位向晶粒的过渡部位，原子排列不规则。

亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小（10’~2°）的小晶块。

亚晶粒之间的交界面称亚晶界。

亚晶界也可看作位错壁。

晶界的特点：

①原子排列不规则。

②熔点低。

③耐蚀性差。

④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚（因缺陷多）。

⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。

⑥是固态相变的优先形核部位

合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。

组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。

组成合金的最基本的、独立的物质称为组元

组成合金的元素相互作用可形成不同的相。

相:

合金中结构相同、成分和性能均一并以界面分开的组成部分。

组织:

在显微镜下观察到的金属中由形态、尺寸和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。

根据结构特点不同，可将合金中的相分为固溶体和金属化合物

固溶体：

合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的均匀相。

习惯以aa、b、g表示。

与合金晶体结构相同的元素称溶剂。

其它元素称溶质。

固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。

按溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体

置换固溶体

溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。

溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。

间隙固溶体

溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。

固溶强化:

随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降。

固溶体的溶解度:

溶质原子在固溶体中的极限浓度。

溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。

组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。

组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。

间隙固溶体都是有限固溶体。

合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。

金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。

当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性

电子浓度为价电子数与原子数的比值。

a间隙相：

r非/r金<0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。

如

M4X（Fe4N）、

M2X（Fe2N、W2C）、

MX（TiC、VC、TiN）等。

间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。

部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。

b.具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。

如Fe3C，称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。

金属化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体，如（Fe,Mn）3C

固溶强化:

随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降。

产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用（溶质原子在位错附近偏聚），阻碍了位错的运动。

与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。

但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。

第四章纯金属的结晶与细晶强化

物质由液态转变为固态的过程称为凝固。

物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。

结晶的实质是原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。

冷却曲线通过实验（热分析法）测得的液态金属冷却时温度与时间的关系曲线。

过冷：

液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象

过冷度：

理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn的差DTT=Tm–Tn

结晶潜热：

金属结晶时从液相转变为固相时所释放出的热量。

过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。

热力学定律：

一切自发过程都是朝着系统自由能降低的方向进行。

液体和晶体自由能曲线的交点温度Tm称为理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度）。

在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。

在Tm以下，GS

结晶的驱动力：

液固两相的自由能之差

结晶的充分必要条件:

液态金属必须具有一定的过冷度。

常温下，晶粒越细，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化。

结晶由形核和长大两个基本过程组成.

一‘当液态金属过冷至实际结晶温度后，经过一段孕育期，在液态金属内部开始出现微小的固态颗粒，称之为晶胚。

当晶胚达到某一临界尺寸后，就成为可以稳定存在并自发长大的晶核。

这一过程称为形核。

形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。

均匀形核由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。

非均匀形核以液体中存在的固态杂质或容器壁为核心形核称非均匀形核。

二、长大

晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界

晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。

过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行

实际金属结晶时冷速较大，主要以树枝状长大

原因：

晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。

晶粒度：

表示晶粒大小的尺度。

工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。

标准晶粒度共分为8级

单位体积中的晶粒数

形核率（N）:

单位时间、单位体积内形成的晶核数目。

长大速度（G）:

单位时间内晶核生长的长度。

晶粒的大小取决于形核率和晶粒长大速度的相对大小。

N/G比值越大，晶粒越细小.因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒.

3.细化晶粒的措施

1）提高过冷度随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。

（1）提高液态金属的冷却速度.如铸造中采用金属型代替砂型。

（2）提高液态金属的过冷能力。

如采用慢速浇注。

2）变质处理，又称孕育处理。

即液态金属内加入变质剂（或称孕育剂、形核剂），以增加异质核心的数量，促进非均匀形核的进行从而细化晶粒的方法。

3）振动，搅拌

铸锭的宏观组织通常由三个区组成:

⑴表层细晶区：

浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。

⑵柱状晶区：

由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。

加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。

⑶中心等轴晶区:

由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至熔点以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。

铸锭的缺陷铸锭缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的.

⑴缩孔：

由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。

可分为集中缩孔和分散缩孔（疏松）。

铸锭出现集中缩孔在锻轧前应切除.而疏松在热轧过程中可焊合。

（2）气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热轧时焊合。

（3）偏析合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。

（4）夹杂

物质在固态下晶体结构类型随温度变化的现象称同素异构转变（同素异晶转变）。

属于固态相变。

4.

5.

固态转变的特点

⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。

⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。

⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。

第5章二元合金与合金化

（一）

多数情况下组元是指组成合金的元素。

但对于既不发生分解、又不发生任何反应的稳定化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。

合金系：

由两种或两种以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。

相与组织:

相是组织的基本单元，组织是相的综合体。

相图：

是表示在平衡（极其缓慢加热或冷却）条件下，合金系中各种合金状态与温度、成分之间关系的图形。

根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。

几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。

不平衡两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。

从液相中结晶出单相固溶体的转变称为匀晶转变或匀晶反应。

杠杆定律即合金在某温度下两平衡相的质量比等于这两相成分点到合金成分点距离的反比。

结晶—枝晶偏析

在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。

枝晶偏析的大小与冷速和液固相线的间距有关。

冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。

生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。

当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。

在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。

共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。

发生共晶反应的温度称共晶温度。

代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。

凡具有共晶线成分（C、D之间）的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。

根据相变特点和组织特征将共晶系合金分为四类：

端部固溶体合金、亚共晶合金、过共晶合金、共晶合金

共晶合金（Ⅱ合金）的结晶过程

液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：

LE⇄（aaC+bβD）。

析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。

共析反应（共析转变）是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。

共析转变是固态相变。

最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:

gγS⇄aaP+Fe3C。

由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。

共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体）。

与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。

由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。

铁碳合金的基本相和组织

⇄

⇄

⇄

⇄

⇄

L

J

N

G

g

g+Fe3C

a+Fe3C

L+Fe3C

L+g

a+g