工程材料知识点总结Word格式文档下载.docx

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在晶格的间隙处出现多余原子的晶体缺陷。

☆晶格空位：

在晶格的结点处出现缺少原子的晶体缺陷

线缺陷·

位错：

指晶体中若干列原子发生有规律的错排现象。

♦位错密度：

单位体积内位错线的长度，（cm-2）

面缺陷主要是指晶界和亚晶界。

它是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。

♦合金：

由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。

两类基本的相结构：

固溶体和金属化合物。

♦合金系：

是指具有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。

如各种碳素钢。

♦相：

指在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个均匀区域。

在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。

♦组元：

组成合金的最基本的、能独立存在的物质。

组成合金的各个化学元素及稳定的化合物都是组元。

合金中有几种组元就称之为几元合金。

♦合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的，这些相称为合金组织的相组成物；

也可以看作是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金组织的组织组成物。

合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。

♦固溶体：

合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂有相同晶格的相。

♦固溶体与溶剂具有相同晶体结构。

♦固溶体的类型：

1、间隙固溶体；

2、置换固溶体

♦有限固溶体:

固溶体的溶解度是有限的。

♦无限固溶体：

固溶体的溶解度是无限的。

（组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。

）

♦形成无限固溶体的必要条件：

溶剂与溶质的晶体结构相同。

♦无序固溶体:

溶质原子的分布是无序的。

♦有序固溶体:

溶质原子的分布是有序的。

♦固溶体的有序化:

无序固溶体向有序固溶体的转变过程。

硬度和脆性增加，塑性下降。

♦影响溶解度的主要因素:

1）温度2）原子直径因素3）晶体结构因素

♦固溶强化：

溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。

固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。

♦在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。

这个新相可能是一种新的固溶体，也可能是一种化合物。

如：

Fe3C、FeS。

♦金属化合物:

具有金属性质的化合物。

（其晶体结构不同于任一组元）

♦金属化合物性能:

一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。

♦金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。

♦结晶——是指晶体材料的凝固，或者说是原子由不规则排列状态（液态）过渡到规则排列状态（固态）的过程。

♦相图：

表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织与温度的关系图。

♦理论结晶温度T0:

又称平衡结晶温度。

（冷速极慢）也就是金属的熔点Tm。

实际结晶温度Tn:

在某一实际冷却速度下的结晶温度。

☆纯金属通常在恒温下结晶；

☆多数合金通常在一个温度区间内结晶。

♦过冷度（△T）:

理论结晶温度与实际结晶温度之差。

对于纯金属：

△T=T0－Tn

♦影响过冷度大小的主要因素:

金属液的冷却速度；

金属液中杂质含量。

♦金属结晶的两个条件:

1）动力学条件:

△T＞0（△F＜0）

2）热力学条件:

一定的扩散能力。

♦金属的结晶过程：

成核和长大

♦晶核:

作为结晶核心的极细小的固相晶体。

♦均匀（自发）成核：

在均匀的液态母相中自发形成新相晶核的过程。

γc=（2σTm）/（LΔT）γc—临界晶核半径；

σ表面能；

L—熔化潜热；

Tm熔点

非均匀成核：

依附于母相中某些现成界面而成核的过程。

细晶强化：

通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法，一种很重要的强韧化手段。

晶粒越细小，晶界越多，变形抗力越大，材料的强度、硬度越高，塑性越好。

（这是其它强化方法所不能的）

♦增加过冷度，成核率N与长大率G均会增加，但成核率N的增加速度更快些。

所以增加过冷度会细化晶粒。

增加冷却速度虽然可以细化晶粒，但同时使结晶时的铸造应力增加；

对于较大体积的铸锭与铸件提高冷却速度是困难的。

变质处理——即在浇铸之前向金属液中加入某些物质（变质剂）来促进晶粒细化。

♦细化晶粒的主要方法（总结）

♦1、增加过冷度:

例如：

由砂型铸造改为金属模铸造，可以提高铸件的力学性能。

♦2、变质处理:

例如铸铁和铝硅合金（前者加Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合盐）

♦3、物理方法:

振动、搅拌等

♦匀晶转变——由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变

共晶转变——一定化学成分的合金在一定的温度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相

包晶相图——具有液固两相共同转变成为另一固相的合金相图

♦晶内偏析:

在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。

金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析

♦均匀化退火（扩散退火）:

把有枝晶偏析的合金放在低于固相线100~200℃的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀

♦1、当合金形成单相固溶体时，由于溶质原子使基体晶格畸变，溶质元素浓度越高，引起晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高。

2、当合金形成为两相机械混合物的组织时，合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。

♦铸态组织：

是指结晶之后得到的金属材料的显微组织。

铸件的合理浇注温度一般选在液相线。

♦铸造性能主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面，主要决定与液相线与固相线之间的温度间隔。

液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小→合金的流动性好→有利于浇注；

液固相线距离大→枝晶偏析倾向愈大，流动性也愈差，分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。

所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度区间较小的合金。

单晶体的塑性变形方式主要有两种：

滑移和孪生

♦滑移。

它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。

滑移系越多，塑性越好。

滑移是由位错的移动来实现的。

孪生与滑移的主要区别是：

发生滑移后，晶体已变形区和未变形区位向没有发生变化，而孪生就使晶体两部分位向发生了变化。

金属发生塑性变形,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。

这种现象称为加工硬化,也叫形变强化。

产生加工硬化的原因：

塑性变形时,位错密度增加,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。

另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。

在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。

随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。

♦晶格畸变降低的原因：

1）空位和间隙原子相互作用而减少；

2）位错交互作用或按一定规律排列。

♦回复后性能变化：

1）变形残余应力大幅度下降2力学性能仍保留着加工硬化效果。

再结晶的特点:

只是晶粒形态和大小发生了变化，晶体结构没有改变，以别于重结晶。

再结晶后性能变化:

残余应力全部消除；

加工硬化全部消失，力学性能恢复到变形前的水平

再结晶温度:

T再=（0.35～0.4）T熔点 

★温度单位为绝对温度（K）。

影响再结晶温度的因素：

1）变形量的影响：

变形度越大,再结晶温度越低。

2）原始晶粒度的影响:

变形前的晶粒越粗大，再结晶温度越高。

3）化学成分的影响:

杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。

4）加热速度和保温时间：

提高加热速度会提高再结晶温度；

增加保温时间可以降低再结晶温度。

3、再结晶退火：

把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。

主要目的是消除加工硬化现象。

☆为缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100～200℃。

钢的再结晶退火温度可选680～720℃。

再结晶完成后的晶粒是细小的,但如果加热温度过高或保温时间过长时,晶粒会明显长大,最后得到粗大晶粒的组织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。

♦某些因素（如：

细小杂质粒子、变形机构）阻碍晶粒正常长大，但一旦这种阻碍失效，常会出现晶粒突然长大，这种晶粒不均匀地急剧长大现象称为二次再结晶。

影响再结晶后晶粒大小的因素：

1.加热温度越高,再结晶晶粒也越大。

2.变形度的影响:

金属变形越不均匀,再结晶退火后的晶粒越大。

冷变形加工：

再结晶温度以下的变形。

可以达到较高精度和较低的表面粗糙度，有加工硬化的效果，变形抗力大，一次变形量有限。

热变形加工：

再结晶温度以上的变形。

良好的塑性状态。

铁素体（F或α）：

碳原子固溶到α-Fe中形成的间隙固溶体

室温相——常作基本相（基体相）

铁素体强度、硬度不高、塑性、韧性很好

奥氏体（A或γ）：

碳原子固溶到γ-Fe中形成的间隙固溶体；

高温相，存在于727℃以上，一般不存在于室温；

奥氏体强度不高，塑性很好。

渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性；

一次渗碳体Fe3CI：

从液相直接结晶出来。

二次渗碳体Fe3CII：

从A中析出。

三次渗碳体Fe3CIII：

从F中析出。

1、珠光体（P）：

共析转变：

恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混合物（共析体）。

A0.77→（F+Fe3C）≡P

珠光体的力学性能介于F和Fe3C之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

2、高温莱氏体（Ld）：

共晶转变：

L4.3→（A+Fe3C）≡Ld

高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基本组织，硬度很高，塑性很差。

3、低温莱氏体（Ld’）

在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成

由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。

低温莱氏体是室温下的一个基本组织

相组成:

L、A、F、Fe3C、G；

组织组成:

F、A、Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、P、Ld、Ld’

相图中的相区：

1）单相区5个：

L、δ、A、F、Fe3C

2）双相区7个：

δ+L、δ+A、A+L、L+Fe3C、

Fe3C、A+F、F+Fe3C

3）三相区3个：

L+δ+A、L+A+Fe3C、A+F+Fe3C

包晶线共晶线共析线

1、工业纯铁Wc≤0.02%

2、碳素钢0.02%＜Wc≤2.11%

1）共析钢Wc=0.07%

2）亚共析钢0.02%＜Wc＜0.77%

3）过共析钢0.77%＜Wc≤2.11%

3、白口铸铁2.11%＜Wc＜6.69%

1）共晶白口铸铁Wc=4.3%

2）亚共晶白口铸铁2.11%＜Wc＜4.3%

3）过共晶白口铸铁4.3%＜Wc＜6.69%

♦WC≦2.11%时（纯铁与碳素钢），高温时可获得单相A固溶体组织（塑性好），可进行热变形加工。

♦WC>

2.11%时（白口铸铁），高低温区都有脆硬的莱氏体，不能进行热变形加工。

（1）硬度WC增加，硬度增加；

（2）强度WC<

0.9%时，WC增加，强度提高，WC>

0.9%时，WC增加，强度降低；

（3）塑性、韧性WC增加，塑性、韧性下降；

为了保证工业用钢具有足够的强度和塑性、韧性，碳素钢的含碳量一般不超过1.4%。

WC增加，导热性下降、抗电化学腐蚀性能下降、焊接工艺性下降、铸造工艺性下降

根据零件的使用性能选择钢的成分（钢号）:

1）要求塑性、韧性好而强度不高的机件——低碳钢（WC<

0.25%）；

（如冷冲压件）

2）要求强度、塑性、韧性等综合性能好的机件———中碳钢（WC=0.3%~0.55%）并进行适当的热处理；

（如机床主轴）

3）各种工具用钢——高碳钢。

（如锉刀）

♦锻造和热轧的开始温度一般选在固相线以下200℃左右。

停止锻轧温度一般要控制在800℃左右。

（一）碳素钢的分类

1、按钢中含碳量分

（1）低碳钢WC≦0.25%

（2）中碳钢0.25%<

WC≦0.6%（3）高碳钢WC>

0.6%

2、按钢的质量分

（1）普通钢WS≦0.05%WP≦0.045%

（2）优质钢WS≦0.035%WP≦0.035%

（3）高级优质钢WS≦0.02%WP≦0.03%

4、按炼钢时的脱氧程度分

（1）沸腾钢（F）脱氧不彻底

（2）镇静钢（Z）脱氧彻底

（3）半镇静钢（b）脱氧程度介于F和Z之间

（4）特殊镇静钢（TZ）进行特殊脱氧

3、按钢的用途分

（1）碳素结构钢

（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）一般工程用铸造碳素钢件（铸钢）

（二）碳素钢的钢号命名方法

1、碳素结构钢

主要用途：

各类工程。

通常热轧后空冷供货，一般可以直接使用。

这类钢共分五个强度等级。

等级符号：

A、B、C、D（D级达到了优质钢水平）

命名：

标志符号Q+最小σS值—等级符号+脱氧程度符号，如：

Q235-AF

2、优质碳素结构钢

重要机件。

通过热处理调整零件的力学性能。

出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火、正火等状态。

随用户需要而定。

用两位数字表示，两位数字表示钢中含碳量的万分之几。

45钢WC=0.45%

常用牌号：

08F、15、45、60、60Mn等。

3、碳素工具钢（WC=0.65%~1.35%属高碳钢）

制作各种小型工具。

可进行淬火、低温回火处理获得高硬度高耐磨性。

分为优质级和高级优质级两大类。

高级优质级在钢号尾部加A，如T10A

标志符号T+含碳量的1000倍。

如：

T10WC=1.0%

4、一般工程用铸造碳素钢件（铸钢）

难用锻压等方法成型的复杂零件且力学性能要求较高；

标志符号ZG+最低σS值—最低σb值如：

ZG340-640

1.钢的热处理：

指在固态下对钢进行不同的加热、保温、冷却来改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。

钢的热处理分类

♦根据工艺方法来分：

1）整体热处理（退火、正火、淬火、回火）；

2）表面热处理（火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火、激光加热表面淬火等）；

3）化学热处理（渗碳、渗氮、渗其它元素等）

♦根据热处理在零件加工中的作用分：

1）预先热处理（退火、正火）：

为机械零件切削加工前的一个中间工序，以改善切削加工性能及为后续作组织准备。

2）最终热处理（淬火、回火）：

获得零件最终使用性能的热处理。

3、过热度和过冷度

♦平衡态相变线：

A1、A3、Acm

♦加热（过热度）：

Ac1、Ac3、Accm

♦冷却（过冷度）：

Ar1、Ar3、Arcm

第二节钢在加热时的组织转变

一、奥氏体的形成

奥氏体形成的四个步骤：

1）奥氏体晶核的形成；

A晶核通常在珠光体中F和Fe3C相界处产生；

2）奥氏体晶核长大；

（3）残余渗碳体的溶解；

（4）奥氏体的均匀化

共析钢加热到Ac1点相变温度

♦亚共析钢——加热到Ac3以上；

♦过共析钢——理论上应加热到Accm以上，但实际上低于Accm。

因为加热到Accm以上，渗碳体会全部溶解，奥氏体晶粒也会迅速长大，组织粗化，脆性增加。

1、奥氏体晶粒度

1）起始晶粒度——室温下各种原始组织刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。

2）实际晶粒度——钢在具体的热处理或加热条件下实际获得的奥氏体晶粒度的大小。

分为10级，1级最粗。

3）本质晶粒度——表示奥氏体晶粒长大的倾向性。

不表示晶粒的大小。

3、奥氏体晶粒长大及影响因素

1）加热温度和保温时间——加热温度越高，晶粒长大越快，奥氏体越粗大；

保温时间延长，晶粒不断长大，但长大速度越来越慢。

2）加热速度——加热速度越大，形核率越高，因而奥氏体的起始晶粒越小，而且晶粒来不及长大。

3）碳及合金元素

4）钢的原始组织

第三节钢在冷却时的组织转变

♦过冷奥氏体：

在共析温度（A1）以下存在的不稳定状态的奥氏体，以符号A冷表示。

♦随着过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变：

1）珠光体型转变；

2）贝氏体型转变；

3）马氏体型转变

过冷奥氏体在A1~550℃温度范围内将转变成珠光体类型组织。

该组织为铁素体与渗碳体层片相间的机械混合物。

这类组织可细分为：

产物名称

转变温度

层片间距

硬度（HBS）

珠光体P

A1~600℃

＞0.4μm

~200

索氏体S

650℃~600℃

0.4~0.2

~300

托氏体T

600℃~550℃

＜0.2μm

~400

珠光体转变过程：

典型的扩散相变：

1）碳原子和铁原子迁移；

2）晶格重构。

过冷奥氏体在550℃~Ms点温度范围内将转变成贝氏体类型组织。

贝氏体用符号字母B表示。

根据贝氏体的组织形态可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。

组织形态

上贝氏体B上

550~350℃

F（过饱和）+Fe3C（短棒狀）

光学金相形貌为羽毛状

下贝氏体B下

350℃~Ms

F（过饱和）+ε碳化物

光学金相形貌为竹叶状

♦贝氏体的力学性能

1）550~350℃——上贝氏体B上—羽毛状—40~45HRC—脆性较大——基本上无实用价值；

2）350℃~Ms——下贝氏体B下—黑色竹叶状—45~55HRC—优良的综合力学性能—常用。

♦半扩散型转变——只发生碳原子扩散，大质量的铁原子基本不扩散。

当奥氏体以极大的冷却速度过冷至Ms点以下，（对于共析钢为230℃以下）时，将转变成马氏体类型组织。

获得马氏体是钢件强化的重要基础。

♦马氏体M是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。

马氏体转变时，奥氏体中的C全部保留在马氏体中。

♦主要特点：

高硬度高强度——马氏体强化的主要原因是过饱和碳原子引起的晶格畸变，即固溶强化。

♦M中碳的质量分数越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，M的硬度也就越高。

♦马氏体组织的形态:

1）Wc<

0.2%—板条状马氏体，也称位错马氏体；

2）Wc>

1%—针片状马氏体，也称孪晶马氏体；

3）0.2%≦Wc≦1%——板条状马氏体和针片状马氏体。

板条状马氏体塑性韧性较好；

高碳片状马氏体的塑性韧性都较差。

在保证足够的强度和硬度的情况下，尽可能获得较多的板条状马氏体。

马氏体转变特点：

1）无扩散性：

马氏体转变是非扩散性转变，转变过程中没有成分变化，M的含碳量和原来A的相同。

2）切变共格和表面浮凸现象：

由于原子不能进行扩散，晶格转变只能以切变的机制进行。

3）变温形成：

M只有在不断降低温度的条件下，转变才能继续进行。

4）高速长大：

M生长速度极快，片间相撞容易在马氏体片内产生显微裂纹。

5）转变不完全——残余奥氏体A残——MS点越高，M越多，A残越少。

Ms和Mf点的温度与冷却速度无关，主要取决于含碳量与合金元素的含量。

♦过冷奥氏体转变曲线——表示温度、时间、和转变量三者之间的关系曲线。

♦冷却方式：

1）等温冷却2）连续冷却

（一）过冷奥氏体等温转变曲线

♦过冷奥氏体等温转变曲线又叫C曲线，也称为TTT曲线。

♦在实际生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却时转变的，这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线。

过冷却奥氏体连续转变曲线又叫CCT曲线。

过冷奥氏体连续转变曲线（CCT曲线）与TTT曲线的区别：

1、连续冷却曲线靠右一些；

2、连续冷却曲线只有C曲线的上半部分，而没有下半部分。

也就是说而没有贝氏体转变。

影响C曲线的因素

（1）含碳量的影响

1）在正常加热条件下，Wc<

0.77%时，含碳量增加，C曲线右移；

Wc>

0.77%时，含碳量增加，C曲线左移。

所以，共析钢的过冷奥氏体最稳定。

2）亚共析钢——先析出F；

过共析钢——先析出渗碳体。

（2）合金元素的影响——除钴以外，所有的合金元素溶入奥氏体后，都增大过冷奥氏体A的稳定性，使C曲线右移。

碳化物含量较多时，对曲线的形状也有影响。

（3）加热温度和保温时间的影响：

随着加热温度的提高和保温时间的延长，奥氏体的成分更加均匀，晶粒粗大，这些都提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。

☆临界冷却速度——获得马氏体的最小冷却速度。

☆vk是CCT曲线的临界冷却速度；

☆vk’是TTT曲线的临界冷却速度。

☆vk’≈1.5vk

☆凡是使C曲线右移的因素都会减小临界冷却速度。

一、退火和正火的主要目的

1）调整硬度以便切削加工；

2）消除残余应力，防止变形、开裂；

3）细化晶粒，改善组织，提高力学性能；

4）为最终热处理作组织准备。

二、退火

◆将金属加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。

1）均匀化退火Ac3+（150~200）℃2）正火Ac3或Accm+（30~50）℃

3）完全退火Ac3+（20~50）℃4）球化退火Ac1+（20~40）℃

5）去应力退火500℃~650℃

1、完全退火（重结晶退火、普通退火）

Ø

将钢完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。

主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接件。

加热温度Ac3+（30~50）℃

2、球化退火（不完全退火）

♦使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。

主要用于过共析钢；

♦目的在于降低硬度、改善切削加工性能，并为后续的淬火做组织准备。

♦得到的组织——粒状P（F基体上弥散分布着颗粒状渗碳体的组织）

♦加热温度Ac1+（20~40）℃

3、等温退火