工程材料知识点总结材料全.docx

1、工程材料知识点总结材料全第2章 材料的性能1、布氏硬度布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,铸铁及有色金属的硬度（硬度少于450HB）。2、洛氏硬度HRA用于测量高硬度材料, 如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料, 如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。3、维氏硬度维氏硬度所用载荷小，压痕浅，适用于测量零件表面的薄硬化层、镀层及薄片材料的硬度，载荷可调范围大，对软硬材料都适用。4、耐磨性是

2、材料抵抗磨损的性能，用磨损量来表示。分类有黏着磨损（咬合磨损）、磨粒磨损、腐蚀磨损。5、接触疲劳：（滚动轴承、齿轮）经接触压应力的反复长期作用后引起的一种表面疲劳剥落损坏的现象。6、蠕变：恒温、恒应力下，随着时间的延长，材料发生缓慢塑变的现象。7、应力强度因子：描述裂纹尖端附近应力场强度的指标。第3章 金属的结构与结晶1、晶体中原子（分子或离子）在空间的规则排列的方式为晶体结构。为便于描述晶体结构，把每个原子抽象成一个点，把这些点用假想直线连接起来，构成空间格架，称为晶格。晶格中每个点称为结点，由一系列原子所组成的平面成为晶面。由任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。组成晶格的最小几何组成单

3、元称为晶胞。晶胞的棱边长度、棱边夹角称为晶格常数。体心立方晶格晶格常数用边长a表示，原子半径为3a/4，每个晶胞包含的原子数为1/88+1=2（个）。属于体心立方晶格的金属有 铁、钼、铬等。面心立方晶格原子半径为2a/4，每个面心立方晶胞中包含原子数为1/88+1/26=4（个）典型金属（金、银、铝、铜等）。密排六方晶格每个面心立方晶胞中包含原子数为为121/6+2*1/2+3=6（个）。典型金属 锌 等。2、各向异性：晶体中不同晶向上的原子排列紧密程度及不同晶面间距是不同的，所以不同方向上原子结合力也不同，晶体在不同方向上的物理、化学、力学间的性能也有一定的差异，此特性称为各向异性。晶体中的

4、缺陷1）点缺陷包括 空位、间隙原子、置换原子。点缺陷的形成主要是由于原子在以各自的平衡位置为中心不停的作热振动的结果。2)线缺陷：在三维空间中两维方向尺寸较小，另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。 位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。 位错的基本形式：刃型位错、螺型位错。 提高位错密度是金属强化对重要途径之一。1） 面缺陷：尺寸在一维很小，另两维较大的缺陷。常见的是：晶界和亚晶界1.2 凝固1） 晶体的结晶自由能的减少量等于在变化过程中所研究的物质可对外界做功的能量。一个变化的自由能减少，则自发；自由能增加，则非自发。结晶的温度条件：在该温度下固态自由能液态自由能过冷度

5、：理论结晶温度与实际结晶温度之差。过冷度越大，液固之间能量状态差越大，促使液体结晶的驱动力越大。驱动力达到一定值时，结晶才能进行。冷却速度越快，过冷度越大。2） 非晶体的结晶 非晶体是一种长程无序，短程有序的混合结构；性质上表现为各向同性。 非晶体的凝固是在一个温度范围内逐渐完成的。1.2.2金属的结晶1、液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称过冷度， T= T0 T12、金属的结晶过程 金属是由许多外形不规则，位向不同，大小不同的晶粒组成的多晶体。 金属结晶过程中，晶核形成有两种形式：均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形

6、核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。3、影响形核和长大的因素及晶粒大小控制 影响形核和长大的重要因素：冷却速度（或过冷度）和难熔杂质。过冷度较小时，形核率变化低于长大速度，晶核长大速度快，得粗晶粒。过冷度较大时，形核率的增长快些，得细晶粒。改变过冷度可控制结晶后晶粒的大小，过冷度可通过冷却速度来控制。冷却速度越快，过冷度越大，晶粒越细，金属的性能越好（强度、塑性、韧性）。4、细化晶粒是提高金属材料性能的重要途径之一。（细晶强化）（1） 增大过冷度 1、金属型代替砂型2、增大金属型厚度3、降低金属型预热温度4、提高液态金属的冷却能力。（2） 变质处理，在金属浇注前添加变质剂来改变晶

7、粒的形状或大小的处理方法。 作用：1.增大形核率；2.降低长大速率。附加振动法（机械振动、超声波振动、电磁振动等）。5、金属塑性变形后的加热三个阶段: 回复-再结晶-晶粒长大（1）、回复:1.温度:回=(0.250.3)熔2.注:要消除残余内应力,可采用回复处理,进行一次250300摄氏度的低温回火 （2）、再结晶:1.再结晶:固态下,晶粒外形变化,但晶格类型不变2.影响:冷变形强化现象消失,残余内应力完全消失3.温度:T再=0.4T熔4.冷加工-在T再以下的加工过程热加工-在T再以上的加工过程第四章 二元合金合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质。组

8、元：组成合金的、最基本的单元。（组成合金的元素或稳定的化合物）相： 合金中具有相同的物理、化学性能并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分。组织：用金相观察法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。相变：在一定条件下一种相转变成另一称相。二、1、固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。固溶体：合金在固态下，组元间会相互溶解，形成在某一组元晶格中包含其他组元的固相。溶剂:基础金属 溶质：合金元素 固溶体一般具有与溶质金属相同的晶体结构a） 置换固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格中某些结点的位置。b） 间隙固溶体：溶质原子嵌入各结点间

9、的间隙中。固溶强化：由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增大，合金的强度、硬度升高。金属间化合物：合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相。 表达式：AmBn 特点：熔点较高，硬度很高，脆性高。 例如：渗碳体 Fe3C弥散强化：金属间化合物作为强化相弥散分布在固溶体基础上，以提高其强度、硬度及耐磨性。二元合金相图一、相图：表达温度、成分和相之间的关系，表明合金系中不同成分合金在不同温度下，由哪些相组成以及这些相之间平衡关系的图形。二、类型1）匀晶相图定义：两组元在液态和固态均能无限互溶。杠杆定律枝晶偏析：晶粒的成分不均匀现象。 均匀化退火2）共晶相图：两组元在液态无限互溶，

10、在固态有限溶解，并发生共晶反应时所构成的相图。共晶反应：Lcd +e产物是由两个固相组成的机械混合物，称为共晶体。共晶体 显微组织：两相交替分布，细小分散。3）包晶相图及其他相图包晶相图：两组元在液态下无限互溶，在固态有限溶解，并发生包晶反应时的相图。铁碳合金相变基础知识 铁碳平衡相图1.主要特性点 书上图4-19 简化的Fe-Fe3C相图中各特性点的温度、碳质量分数及含义 点的符号 温度/碳质量分数/% 说 明 A C D E F G K P S Q153811481227114811489127277277276000 4.306.692.116.690 6.690.02180.770.0

11、057纯铁溶点共晶点，LCAE+Fe3C渗碳体溶点碳在-Fe中的最大溶解度渗碳体-Fe-Fe同素异构转变点(A3) 渗碳体成分点碳在-Fe中的最大溶解度共析点，ASFP+ Fe3C600时碳在-Fe中的溶解度 2主要特性线a、ACD线和AECF线 ACD线是液相线，AECF线是固相线。b、ECF线 共晶线温度1148。c、PSK线 共析线温度727，又称A1线。d、GS线 A3线。e、ES线 Acm线。f、PQ线 碳在铁素体中的溶解度线。3相区 单相区 F、A、L和Fe3C四个。两相区 L+A、L+Fe3C、A+F、F+Fe3C和A+Fe3C五个。 一、基本相固溶体：铁素体F 奥氏体A金属间化

12、合物：渗碳体 Fe3C1)F:碳在-Fe中形成的间隙固溶体（体心立方） 特性：强度、硬度不高，塑性和韧性良好。2）A：碳在-Fe中形成的间隙固溶体（体心立方） 特性：良好的塑性和较低的变形抗力，适于压力加工。3）Fe3C：碳浓度超过固溶体溶解度后，多余的碳与铁形成金属间化合物，含碳量为6.69%。 特性：硬度高、脆性大，作为强化相存在。二、相图分析1）共晶反应 ECF为共晶线 L4.30%A2.11% + Fe3C Ld莱氏体：共晶混合物2）共析反应 PSK为共析线 A0.77%F0.02185 + Fe3C P珠光体：共析混合物四、含碳量对铁碳合金组织性能的影响1铁碳含金的组织随着含碳量的增

13、加，其铁素体相对量减少，珠光体相对量增多，渗碳体与莱氏体相对量增多；2铁碳合金的力学性能随着含碳量的增加，其强度、硬度增高，而塑性、韧性降低。但当WC1.0%时，因为有网状Fe3C存在，所以强度下降。 五、钢在加热时的转变1. 奥氏体形成过程钢在加热时珠光体向奥氏体的转变过程称为奥氏体化。该过程遵循形核和长大的相变基本规律，它通过以下四个基本阶段来完成，如图3.33所示。1) 奥氏体形核2) 奥氏体晶核长大3) 残余渗碳体溶解4) 奥氏体成分均匀化(a) 形核 (b) 长大 (c) 残余Fe3C溶解 (d) A均匀化 图3.33 共析钢的奥氏体形成过程示意图2. 奥氏体晶粒度及其影响因素钢加热

14、时所获得的奥氏体晶粒大小，对冷却转变后钢的性能影响很大。晶粒细小均匀，冷却后钢的组织则弥散，强度与塑性、韧性较高。a)起始晶粒度：奥氏体化刚刚完成时的晶粒大小特点: 难以测量，在实际生产中意义不大b) 实际晶粒度: 钢在某一具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小（直接影响钢冷却后的力学性能） 特点：细小均匀，但提高温度或延长保温时间会使晶粒长大。c) 本质晶粒度: 钢在规定加热条件下(93010保温3h8h)加热时奥氏体晶粒长大的倾向，可分为两类：本质细晶粒钢：晶粒长大倾向小本质粗晶粒钢：晶粒长大倾向大钢中加入合金元素对奥氏体化主要有下列影响：1）延缓钢的奥氏体化过程 2）细化奥氏体晶粒2、合金的

15、结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。3、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。4、冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。5、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。6、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。7、共晶组织，固态金属自高温冷却时，从同一母相中同时析出，紧密

16、相邻的两种或多种不同的相构成的组织。8、共晶组织中的相称共晶相。9、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。10、固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大, 树枝晶发达, 流动性降低, 补缩能力下降, 分散缩孔增加. 11、共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中， 偏析小， 铸造性能好。12、直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。13、由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。14、组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。【注意组织组成物和相组成物的区别】15、含碳量为0.0218% 2.11%的称钢16、含碳量为 2.11% 6.

17、69%的称铸铁。17、亚共析钢随含碳量增加，P 量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。18、含碳量对工艺性能的影响 切削性能: 中碳钢合适 可锻性能: 低碳钢好 焊接性能: 低碳钢好 铸造性能: 共晶合金好 热处理性能: 以后章节介绍第五章 金属的塑性变形与再结晶1、滑移的定义和现象；（采用挂图和幻灯讲解），这里有五个问题：滑移线、滑移带、滑移距离、滑移面和滑移方向；2、 滑移系：一个滑移面和一个滑移方向构成一个滑移系，滑移系的数目决定了金属的塑性好坏，其数目越多，塑性越好；体心立方晶格：62=12个滑移系；塑性较低好；如铁、铬等；面心立方晶格：43=12个滑移系；塑性最好；如金、银、铜

18、、铝等；密排六方晶格：13=3个滑移系；塑性最差；如锌、镉等；3、滑移的机理：非刚性滑动，而是由位错的移动实现的。1） 只有位错线附近的少数原子移动；2） 原子移动的距离小于一个原子间距；总结：金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过这种机理实现的。4、滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分移动了原子间距的整数倍5、滑移部位：滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。因原子密度最大

19、的晶面和晶向之间原子间距最大，结合力最弱，产生滑移所需切应力最小。6、滑移系：滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性也越好，其中滑移方向对塑性的贡献比滑移面更大。7、孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。8、随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。1、加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大2、回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化3、最低再结晶温度：T再0.4T熔4、加热温度越高，保温时间越长，金属的晶粒越粗大，加热温度的影响尤为显著。5、当变形度很小时，晶格畸变小

20、，不足以引起再结晶.6、当超过临界变形度后，随变形程度增加，变形越来越均匀，再结晶时形核量大而均匀，使再结晶后晶粒细而均匀，达到一定变形量之后，晶粒度基本不变。7、金属经冷变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。8、回复是指在加热温度较低时，由于金属中的点缺陷及位错近距离迁移而引起的晶内某些变化。在回复阶段，金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。9、去应力退火：（也是回复的过程）将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化的热处理方法。金属组织变化不明显，其强度、硬度略有下降

21、，塑性略有提高，但内应力、电阻率等显著下降。10、再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程。金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。晶粒的形状开始发生变化，由破碎拉长的晶粒变为新的完整的等轴晶粒。再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程。11、把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火12、晶粒粗大会使金属的强度下降，尤其是塑性和韧性降低 。13、低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。14、提高塑性变形抗力的途径：1）细化晶粒2）形成固溶体3）形成第二相4）采用冷加工变形二、提高塑性变形抗力的途径（1）细化晶粒 s = 0+Kd-1/2 d晶粒尺

22、寸， 0、K材料常数（2）形成固溶体 固溶后，基体晶格畸变，滑移面变得“粗糙”，位错运动阻力，如淬火（3）形成第二相 弥散分布的第二相可以阻碍位错运动，第二相粒径0.1-0.2时，这种阻挡效果最好（4）采用冷加工变形 冷加工造成加工硬化，即位错密度，位错运动受阻。第六章 金属热处理及材料改性1、在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。 2、奥氏体的形成过程 第一步 奥氏体晶核形成：首先在 与Fe3C相界形核。 第二步 奥氏体晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大。 第三步 残余Fe3C溶解: 铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C 随保温

23、时间延长继续溶解直至消失。 第四步 奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。3、处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。4、退火：（完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火）将工件加热到临界点（Ac1、Ac3）以上或以下某一温度经过适当保温后缓慢冷却，一般是随炉冷却的一种工艺操作过程。 目的：（1）改善组织和使成分均匀化，以提高钢的性能。 （2）消除不平衡的强化状态。 （3）经过重结晶以细化晶粒、改善组织，为最终热处理做好组

24、织上的准备。5、正火：将钢加热到Ac3或Accm以上3050，经适当保温后在空气中冷却的一种操作工艺。 目的：（1）普通构件的最终热处理，正火可使粗大组织细化、均匀化。 （2）重要零件的预先热处理。 （3）对于过共析钢、轴承钢和工具钢等用正火消除钢状Fe3C，以利于球化退火，同时细化晶粒，并为淬火做组织准备。 正火和退火的选择：低碳钢（正火），中、高碳钢（退火）6、淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，经保温烧透后快冷，使A向M转变的一种操作工艺过程。 目的：提高钢的强度和硬度，得到的组织是M（淬火温度不能过低和太高）冷却介质的确定： 水：用于形状简单和大截面碳钢零件的淬火。 盐水：用于

25、形状简单和截面尺寸较大的碳钢工件的淬火。油：用于合金钢和小尺寸碳钢工件的淬火。 熔融盐碱：用于形状复杂、尺寸较小和变形要求较严格的零件，经常用于分级淬火和等温淬火的工艺。 淬硬性：钢淬火时的硬化能力。 淬透性:：以在规定条件下钢试样淬硬温度和改变分布表征的材料特性称为淬透性。7、回火：将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，经适当保温后冷却到室温的一种操作工艺过程。目的：（1）使淬火后的M和A残转变为稳定的组织，防止零件在使用过程中发生尺寸和形状的变化，特别是精密零件。 （2）防止变形和开裂，降低脆性。 （3）通过回火调整零件的强度、硬度、塑性和韧性，以满足对零件设计和使用的要求。 回火时性能的变化

26、：随回火温度升高，强度和硬度下降，塑性和韧性增加。 低温回火（100250摄氏度） 回火马氏体 中温回火（250500摄氏度） 回火托氏体 高温回火（500650摄氏度） 回火索氏体调质处理=淬火+高温回火注：退火和正火为预备热处理，淬火和回火为最终热处理。8、合金元素对钢回火的影响（三方面）： 提高回火稳定性 产生二次硬化 回火脆性9、表面热处理： a.表面化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗及其它） b.表面淬火（感应加热表面淬火、激光加热表面淬火） c.化学气相沉积 d.物理气相沉积 e.离子注入10、金属的合金化：1. 合金强化：a. 固溶强化：强化效果的影响因素：1.与溶质原子引起的畸变

27、程度有关 2.与溶质原子的数量有关注：固溶强化在提高强度、硬度的同时，仍然保持相当好的塑性、韧性b. 第二相强化：相界面的晶格畸变程度越大或第二相的弥散度越大，强度、硬度越高，对位错运动的阻力作用越大，强化效果也越显著。 第二相的强化效果除了与其本身的性能有关外，还与其形状、分布及大小密度相关c. 细晶强化 第七章 合金钢 钢的分类和编号（一） 钢的分类 低碳钢（C= 0.25%） 碳素钢 中碳钢（C= 0.30%0.60%） 高碳钢（C= 0.60%） 锰 钢按化学成分分 铬 钢 按合金元素种类分 硼 钢 铬镍钢 合金钢 硅锰刚 低合金钢（合金元素含量 10%） 普 通 钢（S 0.05%

28、，P = 0.045%） 优 质 钢（S = 0.030 %，P = 0.035%）按质量分 高级优质钢（S = 0.020 %，P = 0.030%） 特级优质钢（S = 0.015 %，P = 0.025%） 建筑工程用钢 工程用钢 桥梁工程用钢 船舶工程用钢结构钢 车辆工程用钢 调质钢 机器用钢 渗碳钢按用途分 弹簧钢 轴承钢 刃具钢 工具钢 模具钢 量具钢 不锈钢 特殊钢 耐热钢 耐磨钢 结构钢普通结构钢（包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢）冶炼简单，成本低，具有相当的力学性能（即马马虎虎的性能），能满足工程用刚的良好焊接性，冷成型性（锻压），和较高强度的要求，顾用量很大、1. 成分特

29、点：碳含量通常在0.4%以下，当强度要求高时，含碳量就去上限（最大值）。在含碳量小于0.2%的低碳钢的基础上，加入少量合金元素（总量小于3%）而形成低合金高强度合金钢。Mn是强化的基本元素，即古榕强化，又降低了A3点，即提高强度又改善塑性和韧性。2. 热处理特点：这类钢一半不进行而处理，大多在热轧状态下火热轧后正火状态下使用。组织为铁素体和少量珠光体。当然，如有需要，也可以进行相应的热处理。优质结构钢（包括优质碳素结构钢和合金结构钢）非金属夹杂物少，质量级别高，一半在热处理后使用。1. 性能要求：良好的塑性和焊接性能。适用于制造冷冲压和焊接件。表面硬而耐磨，具有较高韧性和足够强度。适用于在冲击和磨损条件下的零件，如汽车上的变速齿轮，内燃机上的凸轮，活塞销。高屈服点，屈强比，高疲劳强度，足够的塑性韧性。综合性能好。适用于齿轮，轴类件，连杆。2. 成分特点：含碳量： 低碳：含碳量一半在0.25%以下。中碳：一般在0.25%-0.55%，这类钢通常经过调制处理，故也称调制刚。（综合性能好） 中高碳：一般为0.45%-0.85%。主要用于制造弹性元件。 高碳：一般为0.95%-1.15%，保证高硬度和耐磨度。主要用于制造滚动轴承。合金化特点：（主要是Cr , Ni , Si , Mn 等元素）3. 热处理特点：机器零件的制造工艺流程一般为：下料毛坯成型（锻造等）预备热处