材料组织与性能总复习Word文档格式.docx
《材料组织与性能总复习Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料组织与性能总复习Word文档格式.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
100%=（Lf-L0）/L0×
100%
其中Lf为试样拉断后的标距长度，L0为试样的原始标距长度。
断面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比，用符号ψ表示。
式中A0——试样原始横截面积；
Ak——试样断裂后缩颈处的最小横截面积。
冲击韧度是材料抵抗冲击破坏能力的韧性指标，用试样冲击断裂时单位面积所吸收的能量来表示，其试验原理见图。
定义冲击功为Ak=mgH1-mgH2，
即试样冲击断裂前摆锤的势能与试样冲击断裂后摆锤的势能之差，而冲击韧度为：
ak=Ak/AN（J/m2）
式中AN为试样缺口根部的原始截面积。
由此可知，试样材料的韧性越好，冲击断裂所消耗的能量越大，摆锤的势能差也越大。
5、金属的键结构
金属的原子结构特征是最外层电子少，易于脱落，而形成自由电子（freeelectron）自由电子可以在金属中移动而形成所谓的电子云（cloudofelectrons）。
电子云带有负电，另一方面失去电子的金属原子带有正电而成为阳离子，因此，电子云和阳离子之间所作用的引力和离子相互间及电子相互间的斥力之间形成平衡而发生结合。
这种结合叫做金属键（metallicbond）。
金属晶体因为有自由电子的存在，其导电性、导热性好，并且结合力的方向性小，原子会尽量高密度排列，富于延展性，强度的变化范围大。
6、金属的晶体结构
一
晶体结构的基本概念
金属在固态下通常都是晶体。
晶体指其内部原子（分子或离子）在三维空间作有规则的周期性重复排列的物体。
晶体结构（crystalstructure）金属的许多特性都与晶体中原子（分子或离子）的排列方式有关，因此分析金属的晶体结构是研究金属材料的一个重要方面。
三种常见的晶体结构
面心立方结构（face-centeredcubic，简写为“fcc”）
体心立方结构（body-centeredcubic，简写为“bcc”）
密排六方结构（hexagonalclosed-packed，简写为“hcp”），
7、单晶体与多晶体
实际工程金属均是多晶体
8、实际金属中的晶体缺陷
（1）点缺陷（pointdefect）其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，例如空穴（vacancy）、填隙型原子（interstitialatom）、置换型原子（substationatom）等；
（2）线缺陷（linedefect）其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。
属于这一类缺陷的主要是位错（dislocation）；
（3）面缺陷（interfacialdefect）其特征是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界（subgrainboundary）等。
9、金属的塑性变形
•单晶体的塑性变形
1）、滑移
在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面（slipplane））的一定晶向（滑移方向（slipdirection））相对于另一部分发生滑动的现象称为滑移。
滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。
滑移系:
晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向组成系统。
晶体中的滑移系越多，意味着其延展性越好
注：
实际金属的滑移过程就是位错运动的过程，因此凡是阻碍位错运动的因素都阻碍滑移的进行，从而使金属的塑性下降，强度升高；
2）、塑性变形的方式之二：
孪生
10、金属冷变形和加热后组织结构的变化
11、金属的热加工
如前所述，冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶来加以消除。
如果金属在再结晶温度以上进行压力加工，那么塑性变形所引起的加工硬化就可以立即被再结晶过程所消除。
在再结晶温度以上的加工称为热加工，在再结晶温度以下的加工称为冷加工。
在热加工过程中，金属内部同时进行着加工硬化和再结晶软化这两个相反的过程，不过此时的再结晶是在加工的同时发生的，称为动态再结晶，它与上一节介绍的冷加工后退火时发生的再结晶是不尽相同的。
有时在热加工过程中硬化和软化这两个因素不能刚好全部抵消。
12、合金相的分类
13、固溶体
如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解，则在液态合金凝固时，组元的原子将共同地结晶成一种晶体，晶体内包含有各种组元的原子，晶格的形式与其中一组元相同，这样，这些组元就形成了固溶体。
晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂（solvent），其它组元为溶质（solute）。
由此可见，固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。
14、固溶强化、形变强化（加工硬化）的概念
固溶强化：
合金元素加入纯铝中后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高铝的强度。
合金元素的固溶强化能力同其本身的性质及固溶度有关。
其中，Zn、Ag、Mg的溶解度较高，超过10％；
其次是Cu、Li、Mn、Si等，溶解度大于1％。
一般说来，固溶度越高，获得的固溶强化效果就越好。
金属经塑性变形，其机械性质将发生明显的变化，即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，如图4.10所示，这一现象称为加工硬化（workhardening）或形变硬化（strainhardening）。
关于加工硬化的原因，目前普遍认为是与位错的交互作用有关。
随着塑性变形的进行，位错密度不断增加，位错之间的距离随之减小，位错间的交互作用增强:
大量形成位错缠结、不动位错和位错胞状结构等障碍，造成位错运动阻力的增大，引起变形抗力的增加。
这样，金属的塑性变形就变得困难，要继续变形就必须增大外力，从而提高了金属的强度。
没有“加工硬化”，就没有均匀厚度的金属制品。
冷塑变使金属产生“加工硬化”（形变强化）
15、铁碳合金相图中钢的室温平衡组织及铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体等的概念
Fe－C相图是在缓慢冷却条件下指导分析相变的图形，其获得的组织称为平衡组织，它不能用于分析在不同的冷却速度下的组织变化。
碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。
铁素体与α-Fe在居里点770℃以下均具有铁磁性。
碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），常用符号A或γ表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148℃，碳多存在于面心立方γ结构的八面体空隙。
奥氏体与γ-Fe均具有顺磁性。
Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。
在PSK水平线（727℃）发生共析转变，转变产物是铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物，称为珠光体（Pearlite），用符号P表示。
所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。
共析转变温度通常称为A1温度。
由于马氏体相变的温度低，相变速度快，只发生铁的晶体结构的变化，而碳原子来不及重新分布，被迫保留在马氏体中，其碳含量与母相奥氏体相同，因此马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方结构。
大量碳原子的过饱和造成原子排列发生畸变，产生较大内应力，因此马氏体具有高的硬度和强度。
马氏体中的碳含量越高，其硬度和强度越高，但脆性越大。
另外，由于发生马氏体相变时伴有体积膨胀，马氏体相变结束时总有少量奥氏体被保留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，用γ’或A’表示。
马氏体的形态特征和性能特征
1、形态特征：
M一般不超过A晶界，因此A晶粒越细小M也越细小；
低碳钢和中碳钢多为板条状马氏体，在电镜下可看到每根条束内存在大量位错，故板条状马氏体又叫位错马氏体；
高碳钢多为针状马氏体，在电镜下每一针片上可看到大量微细孪晶，故又叫孪晶马氏体；
16、钢的非平衡组织及C曲线
碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织，经淬火得到的是非平衡组织。
奥氏体在临界点以上为稳定相，临界点以下为不稳定相。
常把临界点以下存在且不稳定的奥氏体称为“过冷奥氏体”。
描述过冷奥氏体恒温冷却时的温度-时间-相变曲线称为恒温冷却转变曲线（time-temperature-transformationcurve），简称TTT曲线。
因其形状像英文字母“C”，故又称C曲线。
17、针状马氏体与上贝氏体的区分
怎样区分针状马氏体与下贝氏体
•针状马氏体在一个奥氏体晶粒内下贝氏体则不一定;
•针状马氏体针叶之间往往呈60或120度，下贝氏体无一定度数;
•针状马氏体针叶之间往往呈齿状或垳架状且针叶不互相穿透,下贝氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透.
18、获得全马氏体的基本条件及结构钢中加入合金元素的主要目的
形成马氏体的条件：
冷却速度大于马氏体的临界冷却速度，即：
V>
Vk
在结构钢中，加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性。
19、什么叫回火组织？
回火组织有哪些？
回火是将淬火钢重新加热至A1点以下某一温度，保温一定时间后，以适当的方式冷却至室温的热处理工艺，
20、区分钢与铁的根据？
区分白口铸铁与灰铸铁的根据？
铸铁＝钢的基体＋石墨，与钢相比成分中含有较多的Si、P、S等。
铸铁（castiron）是含碳量大于2.11％的铁碳合金。
在工业生产中，因冶炼、原材料等因素，铸铁成分中一般还含有硅、锰、磷、硫等元素，所以实际应用的铸铁是以铁、碳、硅为主的多元铁基合金。
铸铁与钢在化学成分上的主要区别是前者的碳、硅以及杂质元素磷、硫含量较高。
通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁（castiron），按Fe-Fe3C系结晶的铸铁，称为白口铸铁（whitecastiron）。
21、什么叫灰口铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁？
灰铸铁（graycast-iron）是一种断面呈深灰色，石墨形状为片状，应用最为广泛的铸铁（见图）。
灰铸铁的片状石墨对基体有很大的割裂作用，石墨尖端易形成应力集中，在所有铸铁中，是石墨形状最差的一种。
灰铸铁的特性：
1.优良的铸造性能，2.优良的耐磨性、消振性和切削加工性。
球状石墨铸铁（spheroidalgraphiteiron）是指石墨形状为球形的铸铁（见图）。
球状石墨对基体的割裂和应力集中作用都降到了最小程度，从而使基体组织的强度、塑性和韧性的潜力得以发挥。
通过热处理可获得各种基体组织，使球墨铸铁在力学性能方面有较大的调整幅度。
正火状态时，基体为珠光体加铁素体，其强度大大超过灰铸铁，接近含碳量为0.45%的碳素结构钢正火状态的强度指标，同时保持了相当好的塑性和韧性。
等温淬火后，基体组织为贝氏体，虽塑性、韧性有所降低，但强度可比正火状态提高约70％。
球墨铸铁不仅强度接近钢的水平，而且屈强比比钢高得多。
与此同时，球墨铸铁保持了灰铸铁的某些优良特性，如良好的流动性，易于铸造成形，生产方法和设备简单，成本较低，切削加工性能优良等，所以球墨铸铁是一种以铁代钢、以铸代锻的材料。
目前，球墨铸铁大量用来制造曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、蜗轮、轧辊等。
球墨铸铁的特点:
1、化学成分的特点之一是碳硅含量高，这样可使其成分接近共晶点，从而提高铁水的流动性。
镁是主要的球化元素，同时也是强烈的反石墨化元素；
较高的硅含量可有效抑制镁引起的白口倾向；
球墨铸铁化学成分的第二个特点是低磷、低硫；
2、石墨的球化使得改善基体组织有了意义，因此球墨铸铁往往要进行热处理。
球墨铸铁常用的热处理有退火、正火、调质、等温淬火等；
3、具有较高的强韧性，是当前“以铸代煅”的重要材料。
可锻铸铁：
将白口铸铁经石墨化退火处理，使其渗碳体分解为团絮状石墨所得到的铸铁叫可锻铸铁（ductilecastiron）,可锻铸铁的石墨形态见图。
由于石墨呈团絮状，与灰铸铁的片状石墨相比，大大减小了对基体的割裂作用。
其强度、塑性、韧性都高于灰铸铁。
虽然球状石墨铸铁的性能优良，在许多应用领域取代了可锻铸铁，但可锻铸铁的铁水处理简单、质量稳定，尤其是白口铸铁具有优良的铸造性能，特别适合铸造薄壁件，所以可锻铸铁被大量用以生产形状复杂的管件，如管接头、弯头、水龙头等。
石墨化退火工艺改进后，生产周期大大缩短，生产成本随之降低，所以可锻铸铁是一种重要的铸铁品种。
石墨呈蠕虫状的铸铁叫蠕墨铸铁（vermicularcastiron）。
蠕虫状石墨的形态介于球状与片状之间，在光学显微镜下呈短杆状（见图），与灰铸铁的片状石墨相近，但长、厚方向尺寸比较小，端部较钝、较圆,局部又接近球状。
蠕墨铸铁是近三十年发展起来的一种新型铸铁，在高温铁水中加入蠕化剂即可制得蠕墨铸铁。
常用的蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金等。
蠕墨铸铁的性能特点是：
强度及塑性高于灰铸铁但低于球墨铸铁，有较高的耐磨性和一定的韧性，铸造性能与灰铸铁一样良好。
在生产中，只要将球化剂的加入量减少就能得到蠕墨铸铁，但其控制比完全球化还难，为此还要加入球化阻碍元素，如Ti等。
蠕墨铸铁可用于制造曲轴箱、齿轮箱、链轮、偏心齿轮、钢锭模、汽缸头、飞轮等，由于蠕墨铸铁具有较高的热导率，所以可以制造承受热疲劳的零件。
22、影响铸铁性能的因素
渗碳体具有复杂的晶体结构，而石墨的强度、硬度、塑性都很低，在铸铁中可视为空洞，与渗碳体的性能相去甚远。
因此，碳在铸铁中是以化合态的Fe3C形式存在还是以游离态的G形式存在以及二者的相对比例大小，对铸铁的性能都会产生重大影响。
首先，铸铁是含碳量在2.11-6.69%的铁碳合金。
使用最多的是球墨铸铁，已经在很多地方取代了钢材。
机械制造方面，铸铁的用量占50-70%。
工业用铁中，碳一般是以石墨状态存在，在铁碳合金钟，石墨具有简单六方晶体结构。
如果铸铁中的石墨呈现无规则的片状，割裂着机体，使铸铁的力学性能下降，这种铸铁叫做灰口铸铁。
其中灰口铸铁的石墨越均匀，越细越好。
如果组织中的石墨呈现团絮状，对基体的割裂作用要比灰口铸铁小的多，韧性和强度都高于灰口铸铁，这样的铸铁叫做可锻铸铁。
如果组织中石墨成球状，可减少应力的集中，其强度，韧性更高，叫做球墨铸铁。
石墨的形态与化学成分和冷却速度有关。
23、石墨形态对铸铁性能的影响
24、铝合金的主要强化手段
（1）固溶强化
（2）沉淀强化
（3）过剩相强化
（4）细晶强化
25、什么叫黄铜、白铜、青铜？
根据化学成分，铜合金可以分为黄铜（brass）、青铜（bronze）及白铜（cupronickel）三类。
黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。
黄铜具有良好的机械性质、耐蚀性质、导电和导热性质以及加工工艺性质。
与纯铜和许多铜合金相比，黄铜还具有价格较低、色泽美丽等特点，是重有色金属中应用最广泛的金属材料。
黄铜又分为普通黄铜和特殊黄铜两类，铜锌二元合金称为普通黄铜；
若再加入其它某些元素，则称为特殊黄铜。
以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。
以除锌及镍以外的元素为主要合金元素的铜合金统称为青铜，根据主要合金元素如Sn、Al、Si、Be等，分别称为锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。
26、简述“脆性断裂”与“韧性断裂”的特征以及它们宏观断口与微观断口的特征。
脆性断裂是危害极大的断裂方式，往往造成灾难性后果。
其断裂特征是突发和不可遏止，断裂前无明显的塑性变形，裂纹扩展所需能量较小。
脆性断裂的主要断裂方式有：
解理断裂、准解理断裂、沿晶断裂，解理断裂是典型的脆性断裂的断裂方式。
解理断裂宏观断口组织的形貌特征
1．小刻面
解理断口上的结晶面在宏观上是呈现无规则取向的，当断口在强光下转动时可见到闪闪发光的特征。
这些发光的小平面称为“小刻面”。
解理断口是由许多“小刻面”组成的。
根据这个宏观形貌特征容易判别解理断口。
2．放射状条纹
解理断口中的放射状条纹是由不在同平面上的无数微裂纹在快速扩展时互相交接而形成的。
放射状条纹的放射方向为裂纹的扩展万向，其收敛处为裂源。
3．人字条纹
板材、容器及管道等构件脆性断裂时，其断口上常可观察到人字条纹。
人字条纹的收敛方向指向裂源，其反向为裂纹的扩展方向。
解理断裂的微观特征
1．解理台阶
金属及合金的解理断裂，很少沿一个解理面发生开裂，在多数情况下，解理裂纹是跨越若干个互相平行的解理面以不连续方式开裂的。
如解理裂纹沿两个互相平行的解理面扩展，则在两个解理平面之间将形成解理台阶。
2．河流花样
解理台阶形成的组合条纹，其形状象河流状，因而被称为河流花样，它是解理断口突出的微观形貌特征。
河流花样在裂纹扩展时倾向于合并，并指出了裂纹的局部扩展方向，其相反方向为河流花样裂源的位置。
河流花样在合并时互相抵消或产生一条较大的解理台阶。
通常河流花样起源于晶界或孪晶界处。
3．舌状花样
解理断口的另一个微观形貌特征是舌状花样。
舌状花样一般是在钢铁材料的解理面上观察到形状象舌头的微观形貌特征。
舌状花样的形成是由体心立方晶系材料沿着孪晶面产生二次解理或局部塑性形变撕裂的结果
4.扇形花样
在很多的材料中，解理面并不是等轴的，而是沿着裂纹扩展方向伸长，使断口形成扇形或羽毛状花样。
在一个晶粒内，河流花样有时以裂纹源为中心，解理河流花样以扇形的方式向外扩展，故把这种花样称为解理扇形花样，在多晶体中，扇形花样在各个晶粒内可重复出现。
5.鱼骨状花样
在解理断口中还存在着类似青色骨的花样，它主要是在体心立方金属中发现的。
6.瓦纳线
它通常在体心立方结构的金属材料的断口上被观察到。
瓦纳线是由脆性裂纹的前沿线与弹性脉冲的交互作用而形成的。
金属及其合金材料断裂前具有明显塑性变形的断裂称为韧性断裂，其断口称为韧性断口。
韧性断裂的最大特点是材料在断裂过程中发生较明显的塑性变形，裂纹扩展需要较大的能量。
韧性断口的宏观形貌特征
1．纤维状标记
韧性断口最突出的形貌特征是具有纤维状标记，呈现暗灰色，凹凸不平的外貌。
2．剪切唇
剪切唇是韧性断裂的另一个宏观形貌特征。
剪切唇部分往往呈现倾斜断面，断口较光滑，类似鹅毛状形态。
3．塑性变形标记
韧性断口最大的宏观标记既有较大的塑性变形特征；
如圆柱状试样的拉伸断裂的引起的缩颈或“杯锥状”断口。
韧性断裂的微观断口形态特征
1、韧窝
2、蛇形花样
在某些金属材料的断口中，由于较大塑性变形后，沿滑移面分离，而形成起伏弯弯曲的条纹等形貌，一般称为蛇行花样。
它通常是由于交叉滑移的结果。
若应变继续下去，某些蛇行花样展开，形成较光滑的涟波状花样和无特征区域。
压机离合器旋转接头进气阀断裂分析
分析及结论
1、材料选用ZL201，化学成分合格，根据金相组织，固溶处理不够充分，有较多的θ（CuAl2）相，建议采用T4处理，增加材料的韧性。
2、
断裂件的断裂属高周疲劳断裂，裂纹起于排气孔（见图5）。
但未见诸如夹杂空洞等异样情况。
瞬断区小，说明疲劳断裂过程中应力不大。
3、材质基本正常，断裂原因主要是结构因素，其一：
无圆弧到角导致的应力集中；
其二：
排气孔非均布导致的充气不均引起的弯曲应力。
连铸机结晶轮失效分析
60Si2Mn钢板簧断裂分析
结论
产生断裂的主要原因为：
1．钢的强度过低，可能是回火温度太高所至；
2．钢中含有过多的非金属夹杂；
3．板簧表面状态欠佳，特别是表面的起伏不平、锈蚀等，对疲劳寿命的影响很大；
4．弹簧在使用过程中存在过载而导致断裂的可能性极大。
防范措施
1
选用纯净度较高的钢材；
2
严格控制回火温度；
保证钢的组织为回火屈氏体；
3
注意弹簧的表面状态，防止装配时破坏弹簧表面，防止弹簧表面锈蚀；
在受拉面应进行喷丸处理。
耐张线架钢锚的断裂分析
CJ2000六级压汽机叶片受感部位断裂分析报告
结论和措施
受感件的断裂属于高周疲劳断裂。
在高速旋转的涡轮中导致疲劳断裂的循环载荷主要来自于涡轮的启动和停止，以及波动的气流，最严重的是共振导致的破坏。
由于该机只运行了4个小时以及运行中并无振动和噪声，故应只考虑气流的波动和微振。
在现有涡轮设计情况下，为提高受感件的疲劳寿命应主要考虑材质、加工与结构设计。
现作如下建议供参考：
1．每层叶轮的受感件分布应尽量对称均匀，以减少叶轮运行的振动；
2．受感件焊接部位与圆环连接处应保证足够的圆弧过渡（见图9），以减少应力集中导致的疲劳裂纹过早产生，并且应保持足够的表面光洁度；
3．尽量防止受感件表面缺陷，如凹坑、划痕和缺口。
疲劳裂纹总是在机件表面的缺陷处产生；
4．防止焊接缺陷；
5．增强受感件与叶片的连接部位，可否在底部也焊接（见图10）。
输气管道爆裂分析
在下列情况下管道仍然可能产生塑性变形或破断：
（1）在外拉应力上叠加有残余拉应力（这在焊接上完全可能引入）；
（2）H2S应力腐蚀或氢致开裂；
（3）各种缺陷引起开裂，由于裂纹尖端应力集中，而引起裂纹不断扩展，直至断裂；
（4）均匀腐蚀导致管道明显减薄，单位面积受到的拉伸载荷增加；
（5）如果上述情况均未发生，一定是管道受到过载，如工作压力太高。
1．根据表1与表2，可确定输气管采用的钢种为16Mn钢，这是四川地区常见的输气管道用钢，且成分合格；
2．将表3中的测量值与16Mn钢标准中的值相比较，除（2－5）两组的伸长率δ偏低外，该钢管的其余力学性能均满足要求。
3．下列事实表明该钢管总体非应力腐蚀断裂，但不排除焊缝处应力腐蚀开裂的可能；
（1）（2－5）断片在垂直两个方向取样，尽管沿环向取样的试件强度
升级会员 