工程材料基础key2.docx
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工程材料基础key2
工程材料基础key2
第二章
1、过冷度：
理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差。
需要：
有一定过冷度才能提供结晶驱动力ΔF＝F液－F固。
过冷度越大，晶核越多，晶粒越细。
2、晶体：
原子（离子和分子）在空间呈规则排列的物体。
单晶体：
只由一个晶核长成的一个晶粒所构成的一块晶体。
多晶体：
由多个晶粒构成的晶体。
晶体结构：
晶体中原子（离子和分子）在空间的具体排列。
点阵：
结点在空间的排列方式。
晶格：
把点阵中的结点用一系列平行直线连接起来构成空间格子。
晶胞：
构成晶格的最基本单元。
3．常见晶体结构类型：
体心立方、面心立方、密排六方。
体心：
α-Fe、δ-Fe、Cr、Mo、W、V；面心：
γ-Fe、Al、Cu、Ag、Au、Ni、Pb；密排：
Be、Mg、Zn、Cd。
4、同素异构转变：
同一元素在固态下随着温度变化而发生的晶体结构的转变。
三种：
体心δ-Fe、面心γ-Fe、体心α-Fe。
5：
晶体缺陷类型：
点缺陷、线缺陷、面缺陷。
对晶体性能影响：
点缺陷：
周围晶格发生畸变，使材料性能发生变化，如屈服强度和电阻提高；其在晶体中的移动还为原子在晶体中的移动即扩散过程创造了条件，对钢的热处理具有重要意义。
线缺陷：
位错线附近的原子偏离了原来的平衡位置，使晶格发生畸变，对晶体的性能有显著影响；位错密度很低时，晶体强度很高，位错密度很高时，晶体强度也很高。
面缺陷：
晶界、亚晶界处原子偏离其平衡位置，晶格发生畸变，因而晶体各种性能发生变化，如晶界越多晶粒越细材料强度越高，晶界在高温下易氧化和流动。
6、固溶体：
是固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持着溶剂元素的晶体结构。
化合物：
晶体结构和性能都不同于其组成元素，一般具有复杂的晶体结构，熔点高、硬而脆。
固溶体类型：
间隙固溶体、置换固溶体。
N、B与Fe形成间隙固溶体，Si、Cr、Mn、Ni、V、Ti、W，与Fe形成置换固溶体；Si-C：
SiC，Cr-C：
Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6，Mn-C：
Mn3C，B-C：
B4C，V-C：
VC，Ti-C：
TiC，W-C：
WC、W2C。
7、匀晶转变：
直接从液相中结晶除固溶体的转变，L→α；共晶转变：
在恒温下由一定成分的液相同时转变成两种一定成分的固相的转变，L→α+β；包晶转变：
在恒温下由一定成分的固相和一定成分的液相相互作用生成另一个一定成分的新固相的转变，L+α→β；共析转变：
在恒温下由一定成分的固相同时转变成两种一定成分的新固相的转变，γ→α+β；固溶体的二次析出转变：
γ0.77-2.11→γ+Fe3CII；α→α+Fe3CIIII
匀晶：
L0-0.53→L+δ0-0.09（δ铁素体）；L0.53-4.3→L+γ0.17-2.11（奥氏体）；L4.3-6.69→L+FeC3（渗碳体）；
包晶：
L0.53+δ0.09→γ0.17（奥氏体）
共晶：
L4.3→γ2.11+Fe3C（Ld，莱氏体）
共析：
γ0.77→α0.0218+Fe3C（P，珠光体）
固溶体的二次析出：
γ0.77-2.11→γ+Fe3CII；α→α+Fe3CIII
8、
（1）a共晶，b包晶
（2）
【1】L→L+（α+β）→（α+β）
【2】L→L+α→α+（α+β）→α+βII+（α+β）
【3】L→L+β→β+（α+β）→β+αII+（α+β）
【4】L→L+α→α→α+βII
序号
wSn%
相组成及质量分数
组织组成及质量分数%
wα%
wβ%
1
61.9
39
61
（α+β）;100
2
50
51
49
α+（α+β）+βII;23.1,72,4.9
3
80
20
80
β+（α+β）+αII;12.5,86.5,1
4
15
87
13
α+βII;87,13
（3）
【1】L→L+α→L+α+β→β→β+αII
【2】L→L+α→L+α+β→α+β→α+βII+β+αII
【3】L→L+α→L+α+β→L+β→β→β+αII
序号
wSn%
相组成及质量分数
组织组成及质量分数%
wα%
wβ%
1
42.4
55
45
β+αII;45,55
2
20
80
20
α+βII+β+αII;64.4,7.6,12.6,15.4
3
50
47
53
β+αII;53,47
9、
冷却过程分析略
【0.01】L→L+δ→δ→δ+γ→γ→γ+α→α→α+Fe3C|III
【0.3】L→L+δ→L+δ+γ→L+γ→γ→γ+α→γ+α+P→α+P
【0.77】L→L+γ→γ→γ+α+P→α+P
【1.2】L→L+γ→γ→γ+Fe3C|II→α+P+γ+Fe3C|II→α+P+Fe3C|II
【3.0】L→L+γ→γ+L+Ld→γ+Ld→γ+Fe3C|II+Ld→P+Fe3C|II+L’d
【4.3】L→L+Ld→Ld→Ld+L’d→L’d
【5.0】L→L+Fe3C|I→Ld+Fe3C|I→Ld+L’d+Fe3C|I→L’d+Fe3C|I
材料类型
wC%
相组成及质量分数
组织组成及质量分数%
wα%
wFe3C%
工业纯铁
0.01
99.85
0.15
α+Fe3C|III;99.85,0.15
钢
0.3
4
α+P;63,37
0.77
88
12
P;100
1.2
82
18
P+Fe3C|II;93,7
白口铸铁
3.0
55
45
P+L’d+Fe3C|II;46,41,13
4.3
36
64
L’d;100
5.0
25
75
L’d+Fe3C|I;71,29
10、
（1）0.5％钢为铁素体加珠光体，1.0％钢为二次析出渗碳体加珠光体，因为渗碳体比铁素体更硬，所以1.0％钢比0.5％钢硬度高。
（2）0.77％为珠光体，塑韧性铁素体和硬脆性渗碳体层片状分布，1.2％为二次渗碳体加珠光体，二次渗碳体主要在珠光体晶粒的晶界分布，容易成为断裂的路径，因此强度较差。
（3）钢主要是以珠光体为连续基体，其中分布一些铁素体或渗碳体，基于珠光体的塑性可以进行压力加工成形，而铸铁以硬脆的渗碳体为连续基体，其中分布一些珠光体，整体硬而脆，所以不能进行压力加工，只能铸造；相图上液相线和固相线间的距离越小，铸造性能越好，共晶成分附近的铸铁的的液固相线间的距离一半比钢的小，所以铸造性能好。
11．钢中常存杂质元素有那些？
对钢的性能有何影响？
钢中常存杂质元素有：
硅、锰、硫和磷。
硅对钢性能的影响：
硅可以固溶于铁素体中形成间隙固溶体，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度增加。
但硅与氧亲和力很强，可以形成SiO2。
SiO2是钢中的夹杂物，对钢的性能不利，一般碳钢中规定Wsi<0.5％，使大部分Si都溶于铁素体中，起强化作用。
锰对钢性能的影响：
锰可以固溶于铁素体中形成间隙固溶体，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度增加。
但锰与硫的亲和力很强，可以形成MnS。
MnS是钢中的夹杂物，对钢的性能不利，一般碳钢中规定Wmn<0.8％，使大部分Mn都溶于铁素体中，起强化作用。
硫对钢性能的影响：
硫与铁形成熔点为1190oC的FeS。
FeS常与γ-Fe形成低熔点共晶体（989oC），分布在奥氏体晶界上，当钢在1000-1200oC锻造或轧制时，会导致热脆。
磷对钢性能的影响：
磷在钢中全部固溶于铁素体中，有较强的固溶强化作用，但它剧烈地降低钢的塑性和韧性，特别是低温韧性。
磷还使钢的偏析严重。
此外，硫、磷均降低钢的焊接性能。
12.何谓冷压力加工和热压力加工？
钢经冷压力加工和热压力加工后的组织和性能有何不同？
冷压力加工：
低于材料再结晶温度的压力加工；
热压力加工：
高于材料再结晶温度的压力加工。
热加工对组织的影响：
热加工是在奥氏体状态下进行的，通过变形度、变形温度和时间及冷却速度影响热加工后奥氏体的晶粒大小，从而影响其组织和性能。
亚共析钢：
通过热加工可以得到更加均匀和细小的铁素体和珠光体组织；
共析钢：
可以通过热加工得到细片状珠光体组织。
过共析钢：
可以使网状的二次渗碳体和珠光体组织转变为二次渗碳体均匀分布在细片状珠光体基体上的组织。
热加工对性能的影响：
通过热加工可以获得细小的奥氏体晶粒，并可以消除钢锭中的某些缺陷，如将疏松和气泡焊合，粗大柱状晶打碎，提高钢的力学性能；同时热加工还可以使钢中的夹杂物沿变形方向分布形成流线，使钢的力学性能呈现各向异性。
冷加工对组织的影响：
冷加工过程中，铁素体晶粒被拉长（拉伸时）或压扁（压缩时），当变形量很大时，晶粒被拉长或压扁为细条状或纤维状。
随着钢中渗碳体含量的增多，会对铁素体变形起到阻碍作用。
含碳量越多，阻碍变形的作用愈显著。
如压共析钢当拉伸变形度达到50％时，铁素体明显被拉长，而珠光体仍未变形。
在共析钢中，若渗碳体以层片状分布于铁素体中，渗碳片越细，阻碍作用越大。
若渗碳体呈球状分布时，阻碍作用比片状小。
在过共析钢中渗碳体呈网状，对变形阻力更大。
冷加工对性能的影响：
冷加工可以对金属材料起到加工硬化的作用。
同时还可以使材料具有各项异性。
13.何谓临界变形度？
为什么冷热加工时都要避开临界变形度？
临界变形度是指当变形度增加到某一临界值（大约2％－10％），由于此时只有部分晶粒发生变形，变形极不均匀，再结晶晶核少，再结晶时晶粒极易相互并吞而长大，这个变形度称为“临界变形度”。
当变形度小于临界变形度时，由于晶格畸变很小，加热时物再结晶现象，晶粒仍保持原来大小；而当变形度大于临界变形度后，随着变形度的增加，愈来愈多的晶粒发生变形，变形愈趋均匀，再结晶晶核多，所以再结晶晶粒愈来愈细。
因为粗大晶粒对金属的力学性能不利，因此冷热加工需避免在临界变形度范围内进行，以免再结晶后产生粗大晶粒。
14.何谓加工硬化？
它给生产带来哪些好处和困难？
钢丝在冷拉过程中为什么要进行中间退火？
如何选择中间退火温度？
并以工业纯铁为例，说明中间退火过程中组织和性能的变化。
加工硬化：
金属材料经冷塑性变形后，随变形度的增加，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象称之为加工硬化。
加工硬化是提高金属材料强度的重要方法之一，尤其对纯金属以及不能用热处理方法强化的合金更为重要。
同时加工硬化是各种冷变形成型得以进行的原因。
加工硬化使零件在偶然超载时，不会突然断裂。
加工硬化会导致材料出现各向异性，也会给生产带来不利的影响，如冷轧中出现的制耳现象，以及由于加工硬化导致的材料内部形成残余应力，会引起零件尺寸不稳定和降低零件抗腐蚀性能。
钢丝在冷拔过程中，材料的抗拉强度和屈服强度都提高，多次拉拔后，使得冷加工难以进行，因此为了时冷加工得以进一步进行，中间需经过多次中间再结晶退火除了。
再结晶退火温度与材料的熔点存在如下大致关系“T再＝0.4T熔”，再结晶退火温度必须在T再以上，一般高出150-250oC。
工业纯铁经冷变形后晶粒被拉长或压扁，晶粒破碎，晶格扭曲，晶体缺陷增多，内应力升高，在低温时，由于原子活动能力弱，仍保持不稳定的变形组织，当温度升高时，其组织将随温度升高一次通过回复、再结晶、晶粒长大三个阶段发生变化。
当加热温度较低时，不能引起显微组织变化，但其内部原子排列畸变程度减轻，空位剧烈减少，位错重新排列，内应力明显下降，因而电阻等性能明显降低，强度、硬度略有降低，塑性、韧性略有升高；
当温度继续升高超过再结晶温度时，破碎的、拉长或压扁的变形晶粒变成细小均匀的无变形的等轴晶粒，内应力完全消除。
强度、硬度降低，塑性、韧性提高，消除了加工硬化。
再结晶结束后，若再继续升高温度或延长加热时间，便会出现大晶粒长大的现象。
使强度、塑性、韧性下降，尤其对塑性、韧性影响更为明显。
15.用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧，最后要进行何种退火处理？
为什么？
要进行去应力退火。
因为冷压力加工变形过程中由于材料各部分的变形不均匀或晶粒内部各部分和各晶粒间的变形不均匀，材料内部会形成残余应力，引起零件尺寸不稳定和降低零件抗腐蚀性能，因此，在冷卷成形后要加热至250-300oC保温，以降低内应力使其定形。
16.指出下列钢的类别、主要特点及用途：
1）Q215-A·F：
屈服点为215MPa的A级沸腾钢；
2）Q255-B：
屈服点为255MP的B级镇静钢；
3）10钢：
碳的平均质量分数为0.1％的优质碳素结构钢；
4）45钢：
碳的平均质量分数为0.45％的优质碳素结构钢；
5）65钢：
碳的平均质量分数为0.75％的优质碳素结构钢；
6）T12A：
碳的平均质量分数为1.2％的高级优质碳素工具钢。
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