工程材料学知识点

第一章材料是有用途的物质。一般将人们去开掘的对象称为“原料”，将经过加工后的原料称为“材料”工程材料：主要利用其力学性能，制造结构件的一类材料。主要有：建筑材料、结构材料力学性能：强度、塑性、硬度功能材料：主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.主要有：半导体材料（Si）磁性材料压电材料光电材料金属材料：纯金属和合金金属材料有两大类：钢铁（黑色金属）非铁金属材料（有色金属）非铁金属材料：轻金属（Ni以前）重金属（Ni以后）贵金属（Ag，Au，Pt，Pd）稀有金属（Zr，Nb，Ta）放射性金属（Ra，U）高分子材料：由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物主要组成：C，H，O，N，S，Cl，F，Si三大类：塑料（低分子量）：聚丙稀树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂橡胶（高分子量）：天然橡胶，合成橡胶陶瓷材料：由一种或多种金属或非金属的氧化物，碳化物，氮化物，硅化物及硅酸盐组成的无机非金属材料。陶瓷：结构陶瓷Al2O3，Si3N4，SiC等功能陶瓷铁电压电材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。材料可生产性：材料是否易获得或易制备铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的能力锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起能力第二章（详见课本）密排面

fccbcc

{111}{110}

密排方向<110><111>

体心立方bcc面心立方fcc密堆六方cph点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。类型：空位：在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。间隙原子：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。它们可能是同类原子，也可能是异类原子。异类原子：在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错（Dislocation）形式：刃型位错螺型位错混合型位错位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；位错线附近异类原子浓度高于平均水平；位错在晶体中可以发生移动，是材料塑性变形基本原因之一；位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响。面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。形式：晶界面亚晶界面相界面第三章过冷：一般地，熔体自然冷却时，随时间延长，温度不断降低，但当冷却到某一温度Tn时，开始结晶，此时随着时间的延长，出现一个温度平台，这一平台温度通常要低于理想的结晶温度T0，这样在低于理想结晶温度以下才能发生结晶的现象——过冷。过冷度：实际结晶温度Tn与理想结晶温度T0之差T＝T0－Tn称为过冷度。过冷度的大小随冷却速度的增加而增加过冷度愈大，ΔG愈大，结晶驱动力愈大结晶过程：形核：符合能量条件和结构条件的短程有序集团(尺寸达到临界尺寸）将成为结晶核心。长大：金属液体中的晶核一旦形成，由于系统自由能降低，晶核将迅速长大直到液体全部消失形核率(N)：单位时间在单位母体（液体）的体积内晶核的形成数目称为形核率。一般合金相图是在常压下（P＝1atm）获得的，所以对于一个合金体系描述相图的参数有三个：成分，温度，相。即相只与温度和成分相关。若以成分（C）为横坐标，T为纵坐标，那么坐标系任一点即表示某一成分合金在某一温度下对应的相.匀晶相图杠杆定律：设mL和m分别为两相的质量，它们满足以下杠杆定律：共晶反应：在某一温度下，从液体中同时析出两种固溶体。即：L→α+β7条线：AE、BE为液相线，温度在液相线上，为单一液态；AC、BD为固相线，温度在此以下为单一固溶体；CED：共晶反应线，对应L→α+β；CG、DH为α，β固溶体的溶解度变化线，即：α，β固溶体的溶解度随温度变化而发生变化的曲线。6个相区：3个单相区：L、、3个两相区：L+,L+、+注：两个单相区由一个双相区分隔(相律）1个点：E：共晶成分点，液体温度最低点。成分在E点以左，为亚共晶（成分在CE范围）成分在E点以右，为过共晶（成分在ED范围）包晶反应：两组元在液态下无限互溶，固态下有限溶解，并且发生包晶转变：L+。Ac和bc为两液相线，与其对应的ad和bp为两固相线；Df和pg固溶体α、β的溶解度随温度变化线；dpc为包晶转变线。相图含三个单相区L、α、β；三个双相区L＋α、L＋β、α＋β；一个三相区L＋α＋β，水平线dpc为包晶反应线，P点为包晶点，对应包晶反应：L+。共析反应：特点：（1）固态反应。（2）类似于共晶反应。（3）共析反应：＋（4）、为交替的片层结构。（5）、的相对含量符合杠杆定律。稳定化合物（金属间化合物）在相图中的形式：稳定化合物在相图中表现为一直线，可将其视为独立组元，并以其为界将相图分开进行分析。第四章纯铁：α-Fe在770℃（居里温度）发生由铁磁性转变为顺磁性，即铁磁性消失。工业纯铁的力学性能特点是：强度、硬度低，塑性、韧性好C在钢铁中存在的三种形式：溶入Fe的晶格形成固溶体（间隙固溶体）－钢以游离石墨存在于钢铁中－铸铁。与铁成金属间化合物如Fe3C,Fe2C,FeC）－金属间化合物石墨性能：耐高温，可导电，润滑性好，强度、硬度、塑性和韧性低。实线为Fe－Fe3C相图虚线为Fe－C相图α相C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为F(Ferrite)。α=Fγ相C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为A(Austenite)。γ=Aδ相C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ相出现的温度较高，组织形貌一般不易观察，也有称高温铁素体。Fe3C相铁与碳生成的间隙化合物，其中碳的重量百分比为6.69%，晶体结构是复杂正交晶系，仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体，依然记为Fe3C，也有写为Cm(Cementite)。石墨在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨，组织记G(Graphite)。L相碳在高温下熔入液体，相图中标记L(Liquid)。这是一包晶反应(1495C)，发生在高温，并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。共晶反应(1148C)，产物共晶体组织称为莱氏体，记为Ld(Ledeburite)共析反应(727C)，产物为F、Fe3C两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体，记为P(Pearlite)（1）ABCD―液相线（2）AHJECF―固相线（3）HJB―包晶反应线(1495C)LB+HAJ

（4）ECF―共晶反应线(1148C)LCAE+Fe3CI(称为莱氏体)（5）PSK―共析反应线(727C)AsFp+Fe3C(称为珠光体)（6）ACM线（ES线）―从奥氏体析出Fe3CⅡ的临界温度线（7）A3线（GS线）―从奥氏体转变为铁素体线五个单相区：液相区L高温固溶体；相（奥氏体，A)；相（铁素体，F)Fe3C相（渗碳体，Cm）七个双相区：L＋，L＋，L＋Fe3C，＋，＋Fe3C，＋；＋Fe3C＋＋Fe3C三个三相区：HJB线L＋＋；ECK线L＋＋Fe3C；PSK线工业纯铁(C%<0.02%)碳钢(C%=0.02%2.11wt%）依据C含量不同，又分为：亚共析钢：C<0.77wt%共析钢：C=0.77wt%过共析钢：C>0.77wt%白口铸铁(生铁）（C%=2.116.69wt%）依据C含量不同，又分为：亚共晶白口铸铁C<4.3wt%共晶白口铸铁C=4.3wt%过共晶白口铸铁C>4.3wt%灰口铸铁（C%=2.116.69wt%）亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁工业纯铁(C%<0.02%)：组织：F相：(F)共析钢(C%≈0.77%)：组织：P相：(F)＋Fe3C亚共析钢(C%=0.020.77%)：组织：F＋P相：(F)＋Fe3C组织转变：L→L+A→A→F+A→F+P过共析钢(C%=0.772.11%)：组织：P＋Fe3CII相；(F)＋Fe3C组织转变：L→L＋A→A→A＋Fe3CII→P＋Fe3CII

共晶白口铁(C%≈4.3%)：组织：L’d相：(F)＋Fe3C组织转变LLd（A+Fe3CI)A+Fe3CII+Fe3CI(P+Fe3CI（Fe3CⅡ)）亚共晶白口铁(C%=2.114.3%)：组织：P＋Fe3CII＋L’d相：(F)＋Fe3C组织转变LL＋AA＋LdA＋Fe3CII＋LdP＋Fe3CII＋L’d过共晶白口铁(C%=4.36.69%)：组织：Fe3CI＋L’d相：(F)＋Fe3C组织转变L→L+Fe3CI→Fe3CI+Ld→Fe3CI+L’d1、各组成相的力学性质：F：软，塑Fe3C：硬，脆P（F+Fe3C）：介入二者之间2、C对性能的影响：随C含量增加，硬度持续增加δ,ψ持续下降σb先增加（C2.11％）后下降（由于网状Fe3CⅡ的出现）按含碳量分：低碳钢WC0.25％中碳钢0.25％0.6％按用途分：碳素结构钢（建筑材料,如桥梁,房屋，机器零件等）碳素工具钢（刀具，模具等）根据P，S含量的多少普通碳素钢WP0.045％WS0.055％优质碳素钢WP0.040％WS0.040％高级优质碳素钢WP0.035％WS0.030％根据含氧量：沸腾钢镇定钢Q275AF普通碳素结构钢（Q：屈服数字为强度值A为等级F为沸腾钢）特点：这一钢种仅关心材料的力学性能，不考察其成分，大多为轧制的型材(钢板、圆、管、角)。用途：合适的强度，一定的塑性和韧性，价格较低，大量用于普通简单结构零件。如：桥梁，建筑。优质碳素结构钢（数字表示钢中C的含量(万分之几)F表示沸腾钢）特点：这类钢种要求保证C含量。用途：优质碳素结构钢主要用来制造机器零件。一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加，材料的强度和硬度愈高，塑性相应会降低。T12A碳素工具钢（“T”表示“碳”数字表示含碳量(千分之几)全部为优质钢，后缀A为高级优质钢）特点：过共析钢，组织为：颗粒状的碳化物＋球化珠光体（经球化退火），可以直接进行机械加工。用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具，模具。工业铸铁是指Wc>2.11wt％的Fe-C合金为铸铁。当C以Fe3C相似存在：白口铸铁当C以石墨形式存在：灰口铸铁铸铁性质：铸造，切削加工，减震性较好。强度，塑性，韧性低石墨化过程：第一阶段高温石墨化温度:>1154℃，从液体中直接析出初生或共晶石墨。共晶反应：LCAE’＋GI组织：（奥氏体＋石墨）的共晶体。第二阶段中温石墨化温度：1154～738℃之间，从奥氏体中析出石墨，称为二次石墨GII过饱和析出反应：AA＋GII组织：A＋GII第三阶段低温石墨化温度：738℃，奥氏体发生共析反应析出石墨，称为三次石墨GIII。共析反应：ASFp＋GIII。组织：(铁素体＋石墨)共析体注：这一阶段析出的石墨往往在前两阶段出现的石墨基础上长大。按铸铁中石墨的形状分：普通灰铸铁（片状）球墨铸铁（球状）可锻铸铁（团絮状）蠕墨铸铁（蠕虫状）等铸铁性能：1．抗拉强度低、塑性韧性差石墨相当于孔或裂缝，明显降低了材料的力学性能。球状石墨对基体的破坏作用相对较小，故球墨铸铁的力性接近低碳钢，且可以用热处理改善基体组织，提高性能。2。铸造性能好。3。耐磨性好。4。消震性好。5。切削加工性能好。6。缺口敏感性低。普通灰铸铁：如HT150,HT200,HT250……牌号：HTxxx，HT表示灰铁，三个数字表示最低抗拉强度，单位MPa。用途：用于要求消震、耐磨，如机床床身、汽缸、箱体、活塞等。热处理：只进行去应力退火。球墨铸铁：如QT400-15,QT500-05,QT600-03……牌号：QTxxx-xx,数字表示最低抗拉强度和伸长率，单位MPa和%。用途：用于一般机械零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。热处理：可通过热处理改善基体组织和性能。可锻铸铁蠕墨铸铁合金铸铁第五章引起加工硬化：随塑性变形量增加，金属强度、硬度会升高，而塑性、韧性会降低，这种现象称为加工硬化。（折铁丝是一实例）产生加工硬化的原因：变形产生位错，随着变形量增加，位错密度增高，位错发生缠结和在晶界上塞积，导致位错运动困难，从而引起加工硬化。加工硬化的作用：强化材料的一种手段保持材料均匀形变在加热过程中，形变了的材料会发生回复、再结晶和晶粒长大三个过程回复、再结晶和晶粒的长大，他们都是减少或消除结构缺陷的过程。相应地,材料的结构和性能也发生对应变化。回复：经冷加工的材料在在小于0.4Tm（以K表示）以下的温度保温，这时材料发生点缺陷消失，位错重排，应力下降的过程为回复。变化：宏观应力（第一类应力）基本消除，但微观应力（第二、第三类）仍然残存。力学性质，如强度没有明显变化。再结晶：当加热温度达到0.4Tm以上，晶粒形状开始发生变化，在亚晶界或晶界处形成了新的结晶核心，并不断以等轴晶形式生长，取代被拉长及破碎的旧晶粒，这一过程称为再结晶。变化：强度和硬度明显下降，塑韧性提高，加工硬化现象消除。新晶粒形核和长大，替代旧晶粒。位错大量消失。特点：1）再结晶不是一个相变过程。因为在结晶前后的结构和成分没有明显变化。它只是一个形态上的变化。（物理过程）。2）再结晶没有一个确定的温度，当T>0.4Tm即可发生再结晶过程。概念：冷加工：在再结晶温度以下进行塑性变形热加工：在再结晶温度以上进行塑性变形区别：冷加工：加工硬化，晶粒变形热加工：加工硬化和再结晶过程同时发生，加工硬化消失金属材料的强度和硬度会随温度的上升而下降，塑性会随温度的升高而升高，因此在较高的温度下进行塑性变形，材料的抗力小，易成型。热加工的影响：1、提高致密度：热加工可使铸件的缩松和气泡焊合，提高材料的致密度，提高材料性能。2、细化晶粒：热加工可以打碎铸件粗大的枝晶和柱状晶，细化晶粒尺寸。3、形成合理的纤维组织：各种可变形的夹杂物会沿形变方向拉长，呈流线分布，从而造成各向异性。在流线方向，性能较好，而在垂直于流线方向上性能相对较差强化金属的基本原理和方法塑性变形的本质是位错的滑移细晶强化依靠晶界阻止位错运动。晶粒愈小，强度愈高。σs=σ0+Kd-1/2(Hall-patch关系式)固溶强化形成固溶体由于溶质原子与溶剂原子在尺寸和性质上的不同，固溶原子引起晶格畸变，产生应力场阻止位错运动。加工硬化进行冷加工，使材料位错密度增加，发生缠结，阻碍位错运动。弥散强化在基体中形成弥散分布的第二相质点，阻碍位错运动。有时称为沉淀强化。