工程材料课程辅导重点难点Word文档下载推荐.docx
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(σs代表材料开始明显塑性变形的抗力,是设计和选材的主要依据之一。
σ0.02条件屈服强度——中高碳钢、无屈服点,国家标准,以产生一定的微量塑性变形的抗力的极限应力值来表示。
脆性材料:
σb=σs灰口铸铁
⏹疲劳强度σ-1
(80%的断裂由疲劳造成)——(难点)
疲劳:
承受载荷的大小和方同随时间作周期性变化,交变应力作用下,往往在远小于强度极限,甚至小于屈服极限的应力下发生断裂。
◆疲劳极限:
材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。
◆条件疲劳极限:
经受107应力循环而不致断裂的最大应力值。
◆影响因素:
循环应力特征、温度、材料成分和组织、夹杂物、表面状态、残余应力等。
6.韧性:
断裂前吸收变形能量的能力----韧度(掌握)
⏹冲击韧性:
冲击载荷下材料抵抗变形和断裂的能力。
◆ak=Ak/F
(J/cm2)
Ø
脆性材料——ak值低,断裂时无明显变形,金属光泽,呈结晶状。
韧性材料——ak值高,明显塑变,断口呈灰色纤维状,无光泽。
韧性与温度有关——脆性转变温度TK
⏹断裂韧性——(难点)
◆KIC表明了材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。
当KI>
KIC时,裂纹失稳扩展,发生脆断。
当KI=KIC时,裂纹处于临界状态
当KI<
KIC时,裂纹扩展很慢或不扩展,不发生脆断。
◆KIC可通过实验测得,它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。
是材料的一种固有特性,与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关,而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。
◆断裂韧性问题的提出(了解)
7.硬度:
材料抵抗外力压入的能力(掌握)
⏹布氏硬度HB
◆
压头为一定直径D(mm)的淬火钢(或硬质合金)球,载荷P一般3000kg,测量压痕平均直径d(mm)
一般用于较软材料,HB≤450
⏹洛氏硬度HRC
◆由压痕的深度求出材料的硬度。
以0.002毫米作为一个硬度单位。
压头为顶角120°
的金刚石圆锥体,载荷一般为150kg,
一般用于硬度较高的材料,适用范围HRC20-67
第3章金属晶体结构、结晶及合金相图
●有关晶体结构的基本概念:
金属键、晶体、晶格、三种常见的金属晶格、实际晶体的缺陷(重点掌握)
●金属结晶的概念、过冷度、结晶的过程——晶核的形成和长大规律及其影响因素(掌握)
●合金相结构的基本类型及其结构特点/性能特点(掌握)
●二元合金相图的基本概念:
组元、合金、合金系、相、相图、组织等(掌握)
●二元合金相图的分析方法,熟悉并分析几种典型相图(匀晶相图、共晶相图)的结晶过程(重点掌握)
●杠杆定律及其应用(重点掌握)
●包晶相图和形成稳定化合物的相图(了解)
●合金相图与性能的关系(了解)
●匀晶相图、共晶相图中典型合金的结晶过程
●应用杠杆定理分析典型合金的室温相及室温组织的比例
1.晶体与非晶体的概念(掌握)
⏹晶体:
材料的原子(离子、分子)在三维空间呈规则,周期性排列。
⏹非晶体:
材料的原子(离子、分子)无规则堆积,和液体相似,亦称为“过冷液体”或“无定形体”。
⏹区别
◆是否具有周期性、对称性
◆是否长程有序
◆是否有确定的熔点
◆是否各向异性
2.理想晶体的晶体学抽象(理解)
⏹空间规则排列的原子→刚球模型→晶格(刚球抽象为晶格结点,构成空间格架)→晶胞(具有周期性最小组成单元)
3.三种常见的金属晶格的重要参数(重点掌握)
晶胞
晶体学参数
原子半径
晶胞原子数
配位数
致密度
FCC
a=b=c,α=β=γ=90o
面对角线/4
2
8
68%
BCC
体对角线/4
4
12
74%
HCP
a=b
c,c/a=1.633,α=β=90o,γ=120o
棱边a/2
6
4.晶体缺陷:
实际晶体中存在着偏离(破坏)晶格周期性和规则性的部分(重点掌握)
⏹点缺陷——晶格结点处或间隙处,产生偏离理想晶体的变化
◆空位
晶格结点处无原子
◆置换原子
晶格结点处为其它原子占据
◆间隙原子
原子占据晶格间隙
⏹线缺陷(位错)——二维尺度很小,另一维尺度很大的原子错排
◆刃型位错
◆螺型位错
⏹面缺陷——一维尺度很小,而二维尺度较大的原子错排区域
◆晶界、亚晶界、表面等
5.结晶与凝固的区别(掌握)
凝固:
L→S(S可以是非晶)
⏹结晶:
一种原子排列状态(晶态或晶态)过渡为另一种原子规则排列状态(晶态)的转变过程
◆一次结晶:
L→S(晶态)
◆二次结晶:
S→S(晶态)
6.过冷度(重点掌握)
⏹结晶的驱动力(了解)
◆自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0
当温度T>
Tm时,Fs>
FL,液相稳定
当温度T<
Tm时,Fs<
FL,固相稳定
当温度T=Tm时,Fs=FL,平衡状态
⏹过冷度ΔT=Tm-Tn(克服界面能)
◆Tm:
理论结晶温度
◆Tn:
实际结晶温度
◆冷速越快,过冷度越大
7.结晶的过程——形核、长大(掌握)
⏹形核——自发形核、非自发形核
⏹长大——平面长大、树枝状长大
8.晶粒尺寸的控制(重点掌握)
⏹形核速度大,长大速率慢,晶粒总数目多,晶粒细小。
◆提高过冷度——ΔT↑,N↑↑,G↑——N/G增大,晶粒细化
◆变质处理——在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心
◆振动、搅拌等等
9.合金相结构的基本类型(掌握)
相:
凡是化学成分相同、晶体结构相同,与其它部分有明显分界的均匀组成部分。
合金中有两类基本的相结构,固溶体和金属间化合物。
⏹固溶体——组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A(B)。
A:
溶剂B:
溶质
◆分类
溶质原子的位置
置换固溶体
间隙固溶体
溶解度
有限固溶体
无限固溶体
分布有序度
有序固溶体
无序固溶体
◆固溶强化——溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高,塑性和韧性没有明显降低。
⏹金属间化合物——合金的组元相互作用而形成的具有金属特性,而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。
◆熔点、硬度高、脆性大。
⏹机械混合物——不是一种单一相
10.典型相图(重点掌握)
⏹匀晶相图——两组元在液态无限互溶,在固态也无限互溶,冷却时发生匀晶转变(L→α)
⏹共晶相图——两组元在液态无限互溶,在固态有限互溶,冷却时可以发生共晶转变(L→α+β)
◆典型合金的室温组织
◆典型合金的结晶过程(难点)
◆应用杠杆定理分析典型合金的室温相及室温组织的比例(难点)
11.合金性能与相图的关系(了解)
⏹固溶体:
溶质元素→晶格畸变大→强度、硬度↑,(50%↑最大)
⏹复相组织区域内(如共晶转变范围内),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。
HB=HBα×
α%+HBβ×
β%
⏹对组织较敏感的性能——强度,与组成相或组织组成物的形态有很大关系。
组成相或组织组成物越细密,强度越高(共晶点处,共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织,强度可达最高值。
第4章金属的塑性变形与再结晶
●金属的变形方式及其本质——滑移(重点掌握),孪生(了解)
●多晶体塑性变形(掌握)
●塑性变形对金属材料的的组织和性能的影响(重点掌握)
●经冷变形的金属,在加热时的组织和性能的变化(重点掌握)
难点
●金属的两种变形方式的比较
●影响多晶体塑性变形的因素,细晶强化的机理及性能影响
●加工硬化的机理及性能影响
●影响再结晶及再结晶晶粒度的因素
1.金属材料的塑性变形
有以下2种机制:
⏹滑移:
在外加切应力作用下,晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面(滑移面)的一定方向(滑移方向)发生相对的滑动。
(重点、掌握)
◆滑移的本质:
滑移的实现→借助于位错运动(重点、掌握)
◆滑移系:
滑移面和该面上的一个滑移方向(重点、掌握)
滑移系数目↑,材料塑性↑;
滑移方向↑,材料塑性↑
如FCC和BCC的滑移系为12个,HCP为3个,FCC的滑移方向多于BCC,金属塑性如Cu(FCC)>Fe(BCC)>Zn(HCP)。
◆晶体的转动(掌握)
外力错动→力偶使滑移面转动→滑移面∥拉伸轴
以滑移面的法线为转轴的转动→滑移方向∥最大切应力方向
⏹孪生:
晶体的一切分相对于另一部分沿一定晶面(孪生面)和晶向(孪生方向)发生切变。
→金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。
⏹两者异同(难点)
◆滑移和孪生均在切应力作用下,沿一定晶面的一定晶向进行,产生塑性变形。
◆孪生借助于切变进行,所需切应力大,速度快,在滑移较难进行时发生
→ⅰ.FCC金属一般不发生孪生,少数在极低温度下发生。
→ⅱ.BCC金属仅在室温或受冲击时发生。
→ⅲ.HCP金属较容易发生孪生。
◆滑移→原子移动的相对位移是原子间距的整数值→不引起晶格位向的变化。
孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值→孪晶晶格位向改变→促进滑移
◆孪生产生的塑性变形量小(≤滑移变形量的10%)←孪生变形引起的晶格畸变大
2.多晶体的塑性变形(掌握)
加载时,各晶粒的滑移面和滑移方向相对于受力方向是不相同的,晶粒的变形分批、逐步的进行,从软位向到硬位向,从少数晶粒到多数晶粒,从不均匀变形到均匀变形
⏹影响多晶体塑性变形的因素(难点)
◆晶粒位向不一致
◆晶界:
ⅰ.滑移的主要障碍:
晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大→变形抗力大。
ⅱ.协调变形:
晶界自身变形→处于不同变形量的相邻晶粒保持连续。
⏹细晶强化——晶粒细化→强度提高、塑性提高、韧性提高,硬度提高。
(重点、难点)
◆Hall-Pitch关系:
σs=σ0+Kyd-1/2
晶粒小→晶界面积大→变形抗力大→强度大
晶粒小→单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中
晶粒小→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形
3.冷塑性变形对金属组织性能的影响(重点、掌握)
⏹金属组织的变化(掌握)
◆晶粒形貌变化(压扁或拉长)——如:
纤维组织
◆亚结构形成:
位错密度↑(106→1011-12)→位错缠结→胞壁→亚晶
◆形成形变织构(特殊的择优取向):
变形量足够大时(70%),由于晶粒发生转动,原来处于不同位向的晶粒在空间位向上会呈现出一定程度的一致。
⏹加工硬化(形变硬化)(冷作硬化)——金属在冷态下进行塑性变形时,随着变形度的增加,其强度、硬度提高,塑性、韧性下降的现象(重点掌握)
◆机理:
位错强化:
位错密度↑→强度、硬度↑(难点)
塑性变形→位错开动→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↓
◆意义:
一种强化手段
冷加工成形得以顺利进行
防止短时超载断裂能力,保证构件安全性
下降塑性,提高切削性能
不利:
塑性变形困难→中间退火→消除
⏹内应力——去除外力后残留于且平衡于金属内部的应力(一般掌握)
◆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,晶粒畸变(>
90%)。
4.塑性变形金属在加热时组织性能变化(重点、掌握)
⏹回复:
物理化学性能恢复,内应力显著降低,强度和硬度略有降低
◆——去应力退大。
⏹再结晶:
强度大大下降,加工硬化消除,力学性能恢复,显微组织发生显著变化→等轴晶粒。
◆结晶过程:
经历形核一长大过程,但无新相生成
◆再结晶退火——消除加工硬化的热处理工艺
◆影响再结晶晶粒度的因素(难点)
温度:
T↑—D↑—↑晶界迁移—晶粒长大↑
预变形度:
✓多数情形:
预变形度↑—晶粒长大↓
✓晶粒异常粗大:
临界变形度、大变形
⏹晶粒长大(了解)
5.热加工对金属组织和性能的影响(掌握)
⏹TR以上加工,不引起加工硬化
◆提高金属致密度、消除枝晶偏析,打碎柱状晶、树枝晶,形成流线分布的塑性变形
第5章铁碳合金相图
●铁碳合金相图的组元、基本相及性能特点(掌握)
●铁碳合金相图的建立,相图中各点、线、区的含义(掌握),相图中的重要转变(共晶转变、共析转变)(重点)
●典型铁碳合金的结晶过程(掌握)
⏹钢的典型结晶过程(重点)
⏹白口铁的典型结晶过程
●典型铁碳合金的室温组织及杠杆定理的应用(掌握)
⏹钢的室温组织及杠杆定理在钢中的应用(重点)
⏹白口铁的室温组织及杠杆定理的应用(了解)
●铁碳合金相图的应用
⏹铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系(重点)
●复线铁碳合金相图(了解)
●铁碳合金相图中的重要转变(共晶转变、共析转变)
●钢的典型结晶过程及杠杆定理的应用
1.纯铁的同素异构转变(掌握)
δ-Fe(bcc)—1394℃—γ-Fe(fcc)—912℃—α-Fe(bcc)
2.Fe-Fe3C相图中的相(掌握)
⏹液相L
⏹δ相——高温铁素体(C固溶到δ-Fe中——δ相)
⏹α相——铁素体F(C固溶到α-Fe中——α相)
◆强度、硬度低、塑性好
⏹γ相——奥氏体A(C固溶到γ-Fe中——γ相)
◆强度低,易塑性变形
⏹Fe3C——化合物Cem,Cm
◆熔点高,硬而脆,塑性、韧性几乎为零
3.相图分析:
(重点掌握)
⏹重要转变(重点、难点)
◆共晶转变:
L4.3→A2.11+Fe3C(高温莱氏体Ld)
共晶点:
1148˚C,4.3%
共晶线:
2.11~6.69%
低温莱氏体Ld’:
Ld→P+Fe3CII+Fe3C共晶→Ld’
◆共析转变:
A0.77→F0.0218+Fe3C(珠光体P)
共析点:
727˚C,0.77%
共析线:
0.0218~6.69%
珠光体的强度较高,塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间
⏹Fe-Fe3C合金平衡结晶(重点、难点)
◆工业纯铁:
L→L+A→A→A+F→F+Fe3CIII
◆共析钢:
L→L+A→A→P
◆亚共析钢:
L→L+A→A→A+F→P+F→P+F(+Fe3CIII)
◆过共析钢:
L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII
◆共晶白口铸铁:
L→Ld→Ld’
◆亚共晶白口铁:
L→L+A→Ld+A→Ld’+P+Fe3CII
◆过共晶白口铁:
L→Fe3CI+L→Fe3CI+Ld→Fe3CI+Ld’
⏹Fe-Fe3C合金分类及典型合金室温组织组成(重点、难点)
Fe-C合金分类
成分范围
室温组织
工业纯铁
C%≤0.0218%
F+Fe3CIII
钢
0.0218%<
C%≤2.11%
亚共析钢
C%<
0.77%
P+F+Fe3CIII
共析钢
P
过共析钢
0.77%<
P+Fe3CII
白口铸铁2.11%<
6.69%
亚共晶白口铁
2.11%<
4.3%
Ld’+P+Fe3CII
共晶白口铸铁
Ld’
过共晶白口铁
4.3%<
Ld’+Fe3CI
相组成
F%
Fe3C%
[(6.69-X)/(6.69-0.0008)]×
100%
1-F%
组织组成
P%
F%或Fe3CII%
100%
0%
[(X-0.0218)/(0.77-0.0218)]×
1-P%
[(6.69-X)/(6.69-0.77)]×
4.石墨化的三个阶段与铸铁分类(了解)
⏹第I阶段:
(1154℃)
◆过共晶成分:
L→L+GI(>
1154℃)→AE’+G(共晶)+GI
◆共晶成分:
L→AE’+G(共晶)(1154℃)
◆亚共晶成分:
L→AE’+G(共晶)+A初生(1154℃)
⏹第II阶段——析出二次石墨:
A→A+GII(1154℃→738℃)
⏹第III阶段——共析石墨:
AS'
→FP+G(共析)(738℃)
第6章钢的热处理
●钢的奥氏体化(掌握)
●过冷奥氏体转变(重点掌握)
⏹TTT图
⏹CCT图
⏹影响C曲线的因素
⏹钢的非平衡组织与性能
●钢的常规热处理:
退火、正火、淬火、退火(重点掌握)
●钢的表面热处理:
感应加热表面淬火(掌握)
●钢的化学热处理:
渗碳、氮化(掌握)
●影响奥氏体化及奥氏体晶粒度的因素
●等温转变产物的组织和性能特征
●影响C曲线的因素及淬透性
●回火时的组织转变及回火脆性
●热处理的应用与选择:
常规热处理,表面热处理/化学热处理
1.钢的奥氏体化(掌握)
⏹
⏹过程:
◆形核——长大——渗碳体溶解——碳的均匀化
⏹加热温度:
◆共析钢——AC1;
亚共析钢——完全AC3,不完全AC1;
过共析钢——完全ACCM,不完全AC1
⏹奥氏体化及奥氏体晶粒度的影响因素
⏹影响因素:
(重点)
◆加热工艺:
(1)温度:
T↑→A化↑;
加热速度:
V↑→形核↑→A化↑;
◆合金元素:
W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素→奥氏体形成速度↓;
Mn、P→奥氏体形成速度↑
2.过冷奥氏体的等温转变(重点掌握)
◆高温转变区(A1——鼻尖550℃):
珠光体型转变A过冷→P(S,T)——扩散型相变
◆中温区转变(550℃——Ms230℃):
贝氏体转变A过冷→B——半扩散型相变
◆低温区转变(Ms-Mf):
马氏体转变A过冷→M+A’(残余奥氏体)——非扩散型相变
⏹等温转变产物的组织和性能特征(难点)
◆高温转变产物:
珠光体型组织P、S、T,综合性能好,HB较低,韧性好。
P、S、T层间距↓→HB↑,强度↑
◆中温转变产物:
贝氏体B:
碳化物+过饱和碳的F——两相机械混合物。
B上:
强度、韧性差
B下:
硬度高,韧性好,具有优良的综合机械性能
◆低温转变产物:
马氏体M:
碳在α-Fe中的过饱和固溶体,硬度高。
C%↑→HRC↑
C%<
0.23%,板条状M:
强度高,塑性,韧性较好
C%>
1.0%,针状M:
硬而脆,塑、韧性差
⏹影响C曲线的因素(难点)
◆奥氏体成分(含碳量、合金元素)
含碳量:
奥氏体中C%↑→C曲线右移
✓亚共析钢:
钢中C%↑,A中C%↑→C曲线右移
✓过共析钢:
(1)Ac1以上A化:
钢中C%↑,未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移;
(2)Accm以上A化:
钢中C%↑,A中C%↑→C曲线右移
合金元素
✓除Co以外,所有合金元素溶入A中,增大过冷A稳定性——右移
✓非碳化物形成元素Si、Ni、Cu,不改变C曲线形状;
强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Nb、Ti,改变C曲线形状
✓除Co、Al外,均使Ms、Mf下降,残余A↑
◆奥氏体化条件(加热温度和时间):
A化温度↑,时间↑成分均匀,晶粒大,未溶碳化物少,形核率降低→A稳定性↑,C曲线右移
3.过冷奥氏体的连续冷却转变(掌握)
◆K:
珠光体型转变终止线
◆Vk:
下临界冷却速度(马氏体临界冷却速度)→形成M的最小冷速
◆Vk’:
上临界冷却速度→形成完全P的最大冷速
⏹CCT图与TTT图的比较
◆CCT位于TTT曲线右下方
◆CCT无A→B转变
(碳钢)炉冷:
P;
空冷:
S,T;
油冷:
T+M+A'
;
水冷:
M+A'
◆CCT测定困难,常用TTT曲线定性分析
4.钢的正火与退火(重点掌握)
加热规范
目的
应用
正火
Ac3或Accm+30-50℃
使组织正常化:
→为淬火、调质作准备
→碎化网状渗碳体,为球化退火作准备
改善性能:
减少亚共析钢中F%,P细化→强度,韧性、硬度↑
1.作最终热处理,普通结构钢零件
2.预先热处理
3.改善切削加工性能(低碳钢)
完全退火
Ac3以上20-30℃
消除缺陷细化晶粒,
消除内应力
预先热处理
亚共折钢
球化退火
Ac1以上20-40℃
使Cem球化→硬度↓→切削性↑,
为淬火作准备(正火+球化退火)
过共析钢,共析钢
扩散退火
1050-1150℃,10-20h
消除枝晶偏析
再结晶退火
T再+30-50℃
消除加工硬化
去应力退火
Ac1以下
5.钢的淬火(重点掌握)
⏹淬火
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