工程材料知识点总结全.docx

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工程材料知识点总结全

第二章材料的性能

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。

第三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元称为晶胞。

晶胞的棱边长度、棱边夹角称为晶格常数。

①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1/8×8+1=2（个）。

属于体心立方晶格的金属有铁、钼、铬等。

②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1/8×8+1/2×6=4（个）

典型金属（金、银、铝、铜等）。

③密排六方晶格

每个面心立方晶胞中包含原子数为为12×1/6+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：

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DT称过冷度，T=T0–T1

2、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=（0.25~0.3）熔

2.注:

要消除残余内应力,可采用回复处理,进行一次250~300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。

①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。

②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

①定义：

两组元在液态和固态均能无限互溶。

②杠杆定律

③枝晶偏析：

晶粒的成分不均匀现象。

均匀化退火

2）共晶相图：

①两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解，并发生共晶反应时所构成的相图。

②共晶反应：

Lc共晶温度→αd+βe

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

Q

1538

1148

1227

1148

1148

912

727

727

727

600

0

4.30

6.69

2.11

6.69

0

6.69

0.0218

0.77

0.0057

纯铁溶点

共晶点，LC→AE+Fe3C

渗碳体溶点

碳在γ-Fe中的最大溶解度

渗碳体

α-Fe→γ-Fe同素异构转变点（A3）

渗碳体成分点

碳在α-Fe中的最大溶解度

共析点，AS→FP+Fe3C

600℃时碳在α-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

金属间化合物：

渗碳体Fe3C

1）F:

碳在α-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γ-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%1148℃→A2.11%+Fe3C

Ld莱氏体：

共晶混合物

2）共析反应PSK为共析线A0.77%727℃→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WC＞1.0%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（930℃±10℃保温3h～8h）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