工程材料考点汇总Word文档格式.docx

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（抗拉强度、强度极限）

颈缩：

颈缩处截面积急剧减小，试样所能承受的载荷迅速下降。

断裂强度σk：

材料断裂时最大载荷所对应的强度。

（2）塑性

延伸率δ：

试样拉伸断裂后的相对伸长值：

δ=（l1-l0）/l0

δ10：

l0=10d0δ5：

l0=5d0

断面收缩率：

断裂后试样截面的相对收缩值：

Ψ=（F0-FK）/F0

断面收缩率不受试样尺寸影响，能可靠地反应材料的塑性。

伸长率δ、断面收缩率Ψ越大，材料的塑性越好，在一定的强度要求前提下，零件的安全可靠性越高。

（3）硬度

压入法

静载试验法

布氏硬度HB

1、采用淬火钢球或硬质合金球，测量压痕面积；

2、淬火钢球用以测定硬度<

450的金属材料，其硬度值以HBS表示。

布氏硬度在450～650之间的材料，压头用硬质合金球，其硬度值用HBW表示；

3、具有较高的测量精度。

洛氏硬度

1、采用小淬火钢球或圆锥角120°

的金刚石圆锥体；

2、测量压痕深度；

3、优点：

操作迅速、简便，可由表盘上直接读出硬度值；

缺点：

精度较差，硬度值波动较大。

维氏硬度HV

优点：

维氏硬度可测定从很软到很硬的各种材料，可测定较薄材料和各种表面渗层，且准确度高。

测试手续较繁。

显微硬度

测定金属组成相的硬度

动载试验法

肖氏硬度

锤击布氏硬度

划痕法

莫氏硬度

洛氏硬度：

压头

测量范围

应用

HRC

120°

金刚锥

20-67HRC

淬火钢等硬零件

HRA

70HRA以上

零件表面硬化层、硬质合金等

HRB

1/16寸钢球

25-100HRB

软钢和铜合金

HRF

25-100HRF

铝合金和镁合金等

（4）疲劳强度σ-1：

表征材料经过无限多次应力循环而不断裂的最大应力。

（5）高温力学性能

蠕变强度：

指材料在一定温度下一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。

持久强度：

指材料在一定温度下一定时间内所能承受的最大断裂应力。

3、材料在冲击载荷作用下的力学性能

（1）冲击韧性：

材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力：

αk=Ak/F

（2）冷脆转变温度：

反应温度对材料韧脆性的影响。

随着温度降低，αk值降低，当温度降低至某一数值或一定温度范围时αk值急剧下降，材料由韧性转变为脆性状态，称为冷脆转变，相应温度为冷脆转变温度TK。

第二章材料的微观结构

一、金属晶体结构

1、原子排列分为无序排列、短程有序、长程有序。

类型

概念

特点

短程有序

（非晶态结构）

原子排列规律性只局限在邻近区域原子（一般在分子范围内）的排列方式。

1、结构无序，物理性质表现为各向同性;

；

2、无固定熔点；

3、导热性和热膨胀性均小；

4、塑性形变大；

5、组成的变化范围大。

长程有序

（晶体结构）

整个材料内部原子具有规律性的排列。

1、结构有序，物理性质表现为各向异性；

2、具有固定的熔点；

3、晶体的排列状态是由构成原子或分子的几何学形状和键的形式决定的；

4、一般当晶体的外形发生变化时，晶格类型并不改变。

非晶态材料的质点在三维空间呈无序或短程有序排列；

大多数聚合物具有短程有序的原子排列；

晶体呈长程有序排列。

2、晶体结构与空间点阵

（1）晶体结构：

构成晶体的基元（原子、离子、分子等）在三维空间具体的规律排列方式。

最突出特点为基元排列的周期性。

点阵：

周期性的重复性排列，是几何概念。

三维点阵又称空间点阵。

晶格：

将阵点用一系列平行直线连接起来，即构成一空间格架叫晶格。

晶胞：

从晶格中取出一个能保持点阵几何特征的基本单元叫晶胞。

晶胞作三维堆砌构成晶格。

晶体结构=空间点阵+基元。

（2）常见金属的晶格

原子半径r

原子个数n

配位数

致密度K

常见金属

体心立方bcc

1

8

68%

α-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb

面心立方fcc

4

12

74%

γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au

密排六方

6

Mg、Zn、Be、Cd

3、实际金属的晶体结构

（1）实际金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒构成的多晶体。

晶粒之间的接触部位叫晶界。

（2）单晶体：

晶格排列方位完全一致。

单晶体具有各项异性。

（3）普通金属材料都是多晶体，呈现各向同性。

4、晶向指数与晶面指数

（1）晶面：

在晶体中，由一系列原子所组成的平面；

晶向：

原子在空间排列的方向。

（2）立方晶体的晶面指数

a.确定方法：

建系取截距→取截距倒数→将倒数约成互质整数，加圆括号。

b.选取坐标时要使标定晶面不经过坐标原点；

截距为负值在指数上加横线；

截距越大，指数越小。

c.晶面指数所代表的事一组互相平行的晶面。

d.晶面族：

在晶体内凡晶面间距和晶面上的原子分布完全相同，只是空间位向不同的晶面归结为晶面族，用{hkl}表示，代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和。

（3）立方晶系的晶向指数

以晶胞边长为单位建系→定出该晶向上任意两点的坐标→末点坐标减始点坐标→约成互质整数加方括号

b.某一数为负在上加短线。

c.晶向指数是表示一组互相平行、方向一致的晶向。

d.晶向族：

原子排列情况相同的晶向组成晶向族，一般用<

uvw>

表示。

e.在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。

（4）三种常见晶格的密排面和密排方向

密排面

数量

密排方向

体心立方晶格

{110}

<

111>

2

面心立方晶格

{111}

110>

3

密排六方晶格

六方底面

底面对角线

5、晶体缺陷

（1）晶体缺陷类型

点缺陷

空位

未被原子占据的晶格节点，周围原子朝空位方向稍有移动，形成一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即晶格畸变。

1、点缺陷是热平衡缺陷，在一定温度下有平衡浓度；

2、通过某些处理（高能粒子辐射、高温淬火、冷加工），可使点缺陷浓度处于过饱和状态，当温度升高，其浓度会下降到平衡浓度；

3、增加位错运动阻力，使强度提高，塑性下降。

间隙原子

进入晶格间隙位置的异质原子，存在于间隙固溶体中

使周围临近原子偏离平衡位置，造成晶格畸变

置换原子

占据晶格结点的异质原子，存在于置换固溶体中

线缺陷

刃型位错

1、当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错；

2、有正负之分，额外半原子面位于晶体上部为证，反之为负。

1、线缺陷是各种类型的位错，指晶体中的院子发生了有规律的位错现象；

2、原子发生错排的范围只在一维方向上很大；

3、金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。

螺型位错

过渡地带存在，有左螺型位错和右螺型位错。

面缺陷

外表面

表面上的原子与晶体内部的原子相比配位数较少，使表面原子偏离正常位置，在表面层产生晶格畸变，导致其能量升高。

内表面

晶界

晶粒之间的界面称为晶界。

1、亚晶界属小角度晶界；

2、小角度晶界基本上由位错构成，大角度晶界结构复杂；

3、金属和合金中的晶界大都属于大角度晶界；

4、阻碍位错运动，是强化部位

亚晶界

晶粒内原子排列整体规整，但存在许多位向差很小的亚结构，称亚晶粒。

亚晶粒间的界限称亚晶界。

（2）晶体缺陷≠缺点。

晶体中晶体缺陷的分布与运动，对晶体的某些性能有很大影响。

晶体缺陷在晶体塑性和强度、扩散以及其他结构敏感性问题上起主要作用，完整部分反而处于次要的地位。

（3）细晶强化：

晶粒越细，晶界越多，金属的强度越大，塑性变形能力越大，综合性能好。

（原因：

晶界阻碍位错运动，是强化部分）。

二、合金的相结构

1、基本概念

合金：

由两种或两种以上的元素所组成的金属材料。

合金除具备纯金属基本特征外，兼有优良的力学性能和特殊的物理化学性能。

组元：

组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。

一般指元素，有时稳定化合物也可以作为独立组元。

合金中按组元数目可分为二元合金、三元合金及多元合金。

合金系：

有两个或两个以上组元按不同比例配配制成一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。

Ex：

黄铜是由铜、锌组成的二元合金系。

相：

合金中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。

组织：

组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。

组成合金的基本相：

固溶体、中间相（金属间化合物）。

2、合金中的基本相

（1）固溶体：

在固态下由两种或两种以上的物质互相溶解形成的单一均匀的物质。

固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。

固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

置换固溶体：

溶剂晶格上的原子部分地被溶质原子所代替。

金属元素彼此之间通常形成置换固溶体。

（Cu-Ni合金）

间隙固溶体：

溶质原子处于溶剂晶格中间的某些间隙位置上。

一些原子半径小的非金属元素（C,N）作为溶质原子时，通常处于溶剂晶格的某些间隙位置形成间隙固溶体。

（铁素体）

晶格畸变：

固溶体保持者溶剂的晶格类型，但是与纯溶剂组元相比，结构发生很大变化，即晶格畸变。

固溶强化：

固溶体晶格的畸变使合金强度和硬度升高，塑性下降的现象。

固溶强化是提高合金力学性能的重要途径。

（2）中间相：

两组元A和B组成合金时，除了可形成固溶体外，如果溶质含量超过溶解度便可能形成新相，其成分处于A在B中和B在A中的最大溶解度之间，故称为中间相。

中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体。

结构特点：

晶体结构不同于其任一组元，结合键中常包括金属键，因此中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。

其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，晶格一般比较复杂。

性能特点：

熔点高、硬度高、脆性大：

合金中出现金属化合物时，能提高强度、硬度和耐磨性，降低塑性和韧性。

金属间化合物通常作为合金的强化相。

3、相的辨别：

成分、结构，以铁碳合金为例

三、晶体缺陷对金属材料性能的影响

1、原因：

缺陷导致畸变，产生畸变能，高能状态不稳定，引发材料性能变化。

密度越高，强度越高。

2、几种强化

种类

定义

特点、原理

细晶强化

金属强度、塑性、韧性都随晶粒的细化而提高。

晶粒越细，晶界越多，金属的强度越大、塑性变形能力越大，综合性能好

固溶强化

通过溶入某种溶质原子形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。

溶质原子溶入晶格畸变位错滑移阻力金属塑性变形困难强度、硬度

弥散强化（第二项质点强化）

固溶体的综合机械性能较好，中间相熔点和硬度较高，稳定，脆性大。

固溶体基体上+弥散分布的金属间化合物颗粒使强度、硬度及耐磨性↑

第二相粒子阻碍位错运动，提高变形强度。

加工硬化

沉淀强化

当次生相以细小粒状形式分布在较软的固溶体基体上时，由于次生相对位错运动的阻碍作用，使材料的强度提高

■固溶强化是通过合金化对材料进行的最基本的强化方法。

其强化效果取决于的点缺陷类型（置换式、间隙式）和浓度（合金元素的固溶度）。

■第二相质点强化固溶基体中+大量均匀分布的、细小的第二相粒子，从而产生有效的强化效果。

■细晶强化唯一使，HB，HRC，，同时↑。

■加工硬化冷变形量↑位错数目↑位错运动↓塑变阻力↑，HB，HRC↑↑，↓

第三章金属的结晶、变形与再结晶

一、金属的结晶及铸件晶粒大小的控制

1、金属的结晶：

有液态金属转变为晶体的过程。

2、冷却曲线

（1）存在一个结晶温度Tm，即金属的熔点，此时金属既不结晶也不熔化，液体和晶体处于动态平衡。

（2）只有冷却到低于熔点时才能有效进行结晶，所以金属实际结晶温度Tn总比熔点Tm低，这种现象称为过冷，Tm与Tn差值ΔT称为过冷度。

（3）过冷是金属凝固的必要条件。

不同金属过冷倾向不同，同一金属过冷度与冷却速度有关。

冷却速度越快，过冷度越大。

3、结晶一般过程

形核

均匀形核

晶核在液态金属中均匀的形成

非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属凝固形核基本上都是非均匀形核。

非均匀形核

晶核在液态金属中非均匀的形成

长大

平面状长大

正温度梯度

正温度梯度：

液态金属在铸模中凝固时，液体中过冷度随着离液/固界面的距离增大而减小。

树枝状长大

1、负温度梯度

2、晶轴上会生长出二次晶轴、三次晶轴等。

4、细化晶粒措施（晶粒大小取决于晶核的形成速度和长大速度）

（1）增加冷却速度。

增大过冷度，使晶核形成速率大于晶粒长大速率，从而使晶粒细化。

（2）变质处理。

在液态金属中加入少量变质剂（又称孕育剂）作为人工晶核，以增加晶核数。

（3）搅拌、振动。

增加形核数，同时打碎枝晶。

5、同素异构转变

（1）同素异构性质：

同一种固态金属，在不同的温度区间具有不同晶格类型的性质。

（2）同素异构转变：

金属在固态下晶格类型随温度变化而发生改变的现象。

（3）金属同素异构转变也是一种结晶过程，同样包含形核和长大两个过程，故又叫重结晶。

转变时也有过冷现象。

二、塑性变形与再结晶

1、塑性变形方式与机制

（1）金属变形有两种：

弹性变形、塑性变形。

（2）实际金属为多晶体，多晶体变形以其中各个单晶体变形为基础。

（3）常温和低温下，单晶体塑性变形通过滑移和孪生进行。

滑移是最基本、最重要塑性变形方式。

I.单晶体的塑性变形

（1）滑移

滑移线和滑移带

滑移线说明金属在外力作用下产生塑性变形时，晶体的一部分沿着一定晶面相对另一部分进行滑移

滑移系

1、晶体滑移只能沿一定晶面和该晶面上一定的晶体学方向进行，称为滑移面和滑移方向。

（最密排面的面间距大，原子之间结合力最小）

2、在外力作用下，最容易产生滑移的晶面是原子排列密度最大的晶面。

3、在滑移面上，滑移进行的方向为原子排列密度最大方向。

4、一个滑移面和该面上的一个滑移方向构成一个滑移系。

5、通常情况下，晶体的滑移系数目越多，滑移过程越容易进行，金属塑性越好。

6、滑移系数目与晶格类型有关：

体心立方、面心立方晶格18，密排六方晶格3。

滑移临界分切应力

1、对滑移真正有贡献的是滑移面上沿滑移方向的切应力分量

，只有达到一定值时滑移才能开始。

2、临界分切应力是晶体本身的力学性能，大小取决于不同金属晶体的原子键合强度。

滑移

机制

1、晶体的滑移是通过位错运动实现的。

2、晶体滑移所需的应力比晶体做整体刚性滑移低得多。

3、滑移的结果是产生滑移带，滑移的距离为原子间距的整数倍。

滑移时

晶面的

相对转动

使滑移面趋于与拉伸轴平行，使试样两端的拉力重新作用在一条直线上。

（2）孪生

a.概念：

在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪生面）和一定晶向（孪生方向）做均匀的移动，移动区与未移动区构成晶面堆成，形成孪晶。

b.滑移与孪生比较：

相同点

1、都是在切应力作用下发生的变形；

2、都是塑性变形的基本方式，是晶体一部分沿一定晶面和晶向相对另一部分的移动过程。

3、两者都不会改变晶体结构。

不同点

1、滑移不改变晶体的位向，孪生改变晶体位向；

2、滑移是一种不均匀的切变过程，集中在滑移面上，而孪生是均匀切边过程；

3、孪生所需临界分切应力值远远大于滑移所需，因此，只有在滑移受阻情况下晶体才以孪生方式形变，通过孪生改变晶体位向，使滑移系转到有利位置，继续进行滑移变形；

4、滑移产生的切变较大，而孪生切边较小。

II.多晶体的塑性变形

（1）晶粒位向的作用：

对于同一金属，晶粒多时比晶粒少时的屈服强度高。

（2）晶界作用：

晶界处位错运动阻力增大，金属变形阻力提高。

（3）晶粒尺寸的作用：

晶粒越细小，晶粒数目越多，晶界越多，金属变心困难，变形抗力增加。

III.合金的塑性变形

（1）固溶体的塑性变形

a.单相固溶体的塑性变形过程与多晶体纯金属相似，但随着溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为固溶强化。

b.固溶强化实质：

溶质原子与位错相互作用的结果，溶质原子不仅使晶格发生畸变，而且易被吸附在位错附近，使位错被钉扎住，从而使变形抗力提高。

（2）多相合金的塑性变形

a.单相合金借助固溶强化程度有限，工业上常以第二相或者更多相来强化金属。

b.若第二相尺寸与基体尺寸属于同一数量级，称为聚合型；

若非常细小，称为弥散分布型。

c.第二相在晶界呈网状分布时，对合金的强度和塑性不利；

第二相在晶内呈片状分布时，可提高强度、硬度，但会降低塑性和韧性.

d.第二相在晶内呈弥散质点分布时，可显著提高材料的强度和硬度，且分散的质点越多、越细，这种对材料的强化作用越强。

这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。

2、塑性变形对金属组织与性能的影响

I.塑性变形对金属组织与结构的影响

（1）纤维组织的变化：

晶粒发生变形，沿形变方向被拉长或压扁，形成纤维组织。

（2）亚结构的形成：

金属无塑性变形或塑性变形量很小时，位错分布式均匀的。

但在大量变形后，位错分布不均匀，并使晶粒碎化成许多略有差异的亚晶粒块，称为亚晶粒。

亚晶粒边界上聚集着大量位错，但内部位错很少。

（3）形变织构：

金属塑性变形到很大程度（70%以上）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋近于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。

多数情况下，织构的形成是不利的，它使金属呈现各向异性。

a.丝织构——各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向，主要在拉拔过程中形成。

b.板织构——各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向，主要在轧制过程中形成。

II.塑性变形对金属性能的影响

（1）加工硬化：

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。

a.原因：

塑性变形→位错移动→位错大量增殖→相互作用→运动阻力加大→变形抗力↑

→强度↑、硬度↑、塑性、韧性↓

b.加工硬化是利用塑性变形来强化金属，特别是将金属成形与强化相结合的重要措施，具有较重要实际意义：

1）一种有效的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金尤其重要；

2）均匀塑性变形和压力加工的保证；

3）零件安全的保证：

一旦意外过载，可能导致塑性变形应变，产生加工硬化，使零件变形自动终止。

（2）残余内应力：

去除外力后，残留于金属内部且平衡与金属内部的应力。

a.第一类内应力——宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成；

第二类内应力——微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均；

第三类内应力——超微观，晶格畸变（>

90%）。

b.内应力的存在，使金属耐蚀性下降，引起零件加工、淬火过程中的变形和开裂。

因此，金属在塑性变形后，通常要进行退火处理，以消除或降低内应力

3、变形金属加热时的组织与性能

（1）为消除残余应力和加工硬化，工业上常采用加热方法。

变形金属大体上发生回复、再结晶、经理张大三个过程。

回复

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。

如空位与其他缺陷合并、同一滑移面上的异号位错相遇合并而使缺陷数量减少等。

1、宏观应力基本去除，微观应力仍然残存；

2、力学性能，如硬度和强度稍有降低，塑性稍有提高；

3、又称去应力退火。

再结晶

被拉长（或压扁）、破碎的晶粒沿着高密度位错的原晶粒边界，通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶。

1、不是相变，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同；

是形核与长大的过程；

再结晶没有确定的转变温度，一般为（0.3-0.4）Tm

2、变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显，而塑性和韧性，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，

3、物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。

4、再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。

5、消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。

再结晶退火温度常比再结晶温度高100~200℃。

晶粒长大

再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。

晶粒的长大是通过晶界迁移进行的，是大晶粒吞并小晶粒的过程。

影响再结晶退火后晶粒度的主要因素：

1、加热温度：

加热温度越，原子扩散能力越，则晶界越易迁移，晶粒长大也越。

2、预先变形程度的影响

<

临界变形度：

不足以引起再结晶

=临界变形度：

再结晶晶核，晶粒大小相差极

>

变形度越，再结晶核心越，再结晶后的晶粒越

变形度过大（约≥90%）：

再次出现异常长大（由形变织构造成）

三、金属的热加工

1、热加工与冷加工的区别

冷加工

在再结晶温度以下

组织上伴随着尽力变形、晶粒内和晶界位错数目的增加，产生加工硬化

热加工

在再结晶温度以上

变形产生的变形晶粒及加工硬化由于同时进行再结晶过程被消除，热加工是无变形晶粒和加工硬化的变形加工

2、热加工时组织和性能的变化

（1）可改变金属材料内部夹杂物的形状及分布情况，形成“流线”。

（2）细化晶粒。

（3）焊合气孔、疏松，消除成分不均匀。

（4）热加工可提高金属的塑性。

第四章二元合金相图

一、二元合金相图的建立

二、二元合金相图的基本类型

1、匀晶相图

（1）匀晶相图中两组元在液态、固态下都能无限固溶。

（2）非平衡结晶与枝晶偏析

a.在平衡条件下结晶，冷却速度缓慢，原子充分扩散，得到成分均匀固溶体。

实际生产中，冷却速度快，得到晶体内部化学成分不均匀的树枝状晶体，称为枝晶偏析或晶内偏析。

b.扩散退火（均匀化退火）：

枝晶偏析降低合金性能，将其加热到高温（不超过固相线温度），经长时间保温，是原子扩散充分，达到成分均匀。

2、共晶相图

（1）共