工程材料与焊接技术

仅供参考第一讲-绪论及钢的性能1.按结合键分为金属键（金属材料）、离子键（陶瓷材料）及共价键（高分子材料）；2.按性能划分为结构材料（力学性能为主）和功能材料（物理性能为主）。3.物理性能：熔点、密度、热膨胀性、导热性、导电性和磁性。根据服役条件和用途的不同，选择不同物理性能的材料，成为选择材料的依据4.化学性能：常温或高温下抵抗各种介质侵蚀的能力，也称为化学稳定性（抗氧化性和耐腐蚀性，mm/y）。（抗老化、可降解等性能！）5.耐蚀性：抗大气、海水、酸、碱等腐蚀介质。6.抗氧化性：抵抗高温、强腐蚀燃气或流体介质对材料性能的影响。7.除物理、化学性能外，一般设计与选材时以材料的力学性能做为主要依据。材料的力学性能一般包括：强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。8.强度金属在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。根据外力的不同强度可以分为：抗拉、抗压、抗弯、抗剪和抗扭强度等。9.比例极限：金属材料的伸长量与载荷成正比的最大应力。应力小于比例极限时，符合虎克定律。国标规定：拉伸曲线上稍微偏离弹性直线的某点，该点的切线与载荷轴夹角的正切值较弹性直线与载荷轴间的夹角正切值增加50%时，该点处的应力作为“规定比例极限”。10.弹性极限：材料能够承受，不产生塑性变形的最大应力。国标规定：残余伸长量为标距程度L0的0.01%时的应力作为“规定的弹性极限”。11.屈服强度：金属材料开始屈服时的最小应力。其特点是外力不增加，塑性变形继续显著增加。但是合金钢、铜合金、铝合金等没有明显的屈服点，因此国标规定：残余应变量达到0.2%时的应力称为屈服极限，用0.2表示。12.抗拉强度：由于变形引起强化作用使得变形抗力增加，金属材料能承受的最大应力称为抗拉强度。13.屈强比：金属材料的屈服强度与抗拉强度的比值。屈强比越小，结构的安全性越高，万一突然超载，结构不会立即破断。否则材料强度的利用率很低，不能发挥材料的性能潜力。14.材料在弹性范围内，应力与应变成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）称为弹性模量（即刚度），用来表征材料抵抗弹性变形的能力。其主要取决于材料本身特性，表示金属原子间结合力大小的参数，冷变形、热处理、合金化等手段对弹性模量的提高作用不大。15.金属材料的塑性是指材料断裂前金属产生塑性变形的能力。断裂前金属产生塑性变形的能力。通常用延伸率（%）和断面收缩率（%）表示，表示塑性更能体现材料的真实应变。—试样拉断后标距增加的长度与原标距长度百分比。—试样拉断后断裂处截面积最大缩减量与原试样截面积百分比。16.材料的硬度表示材料软硬程度，表征材料对局部塑性变形抗力的指标。一般来说硬度高，耐磨性好；硬度与强度之间有一定的联系，可由硬度估算强度；测量简便，不必破坏零件。测量硬度的方法主要有布氏法、洛氏法与维氏法。17.冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷的能力。结构服役时要承受冲击载荷，比如飞机起落架、发动机涡轮轴、锻锤锤头、火车挂钩、冲床的连杆和曲轴等。其影响因素有：金属材料缺陷、淬火过热、夹杂、裂纹、温度等都非常敏感。18.金属材料的疲劳是指金属材料在交变载荷作用下，其工作应力小于抗拉强度或屈服强度，零件发生突然断裂的现象。改善材料疲劳强度的措施有：设计方面：避免尖角，保证零件的粗糙度；材料方面：保证冶金质量，减少夹杂疏松；工艺方面：强化零件表面，比如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸、滚压等。表面硬度提高可减少划伤，在表层形成压应力。19.交变载荷形成两类应力，一类是方向不变，大小变化称为重复应力；另一类是方向和大小都发生变化称为交变应力。20.疲劳断口的特征是裂纹以疲劳源为中心逐渐向零件内部扩展的若干弧线光亮区和最后断裂的粗糙区（结晶状或纤维状）组成。21.疲劳强度是试样经过无限次应力循环仍不发生断裂的最大应力，是评定疲劳抗力的指标，以应力做纵坐标，应力循环次数做横坐标，可以绘制一幅S—N曲线。22.低应力脆断的特点是（1）断裂应力低于材料屈服强度；（2）即使是塑性材料，断裂前也没有任何征兆，呈脆性断裂。一般用KIC作为材料防止脆性断裂的强度与韧性综合性指标。23.传统力学假设材料是无缺陷的均匀体，而断裂力学假设材料是由许多宏观裂纹的连续体。24.应力强度因子KI描述裂纹尖端附近应力场程度强弱的力学参数。临界应力强度因子KIC的表达式为𝑲𝑰𝒄=𝒚𝒄√𝒂𝒄。KIC越高表示材料阻止裂纹扩展的能力越大。第二讲-晶体结构25.按原子(或分子)的聚集状态分为晶体和非晶体（可以互相转换）。晶体的特点是基本质点在空间规则排列具有规则的外形；具有一定熔点；各向异性。26.金属键对性能的影响：具有良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数、不透明、塑性好和较高的强度。除了金属键外，其他类型的结合键还有共价键、离子键、分子键和氢键。27为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通常采用配位数和致密度（K）来表示。前者是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。后者是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积（V）的比值。28.常见的晶体结构类型有体心立方、面心立方、密排六方；实际晶体的缺陷有点缺陷、线缺陷和面缺陷。其中线缺陷是指一列或若干列原子发生有规律的错排现象，常见的有刃型位错和螺型位错。29.晶体中原子排列的规律性，可以从晶面和晶向上反映出来。晶面是指晶体中各种方位上的原子面，晶向是指各种方向上的原子列。30.晶体的各向异性是指由于同一晶格中不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因而晶体在不同方向上表现的性能有所不同。31.形变强化是指用产生塑性变形使金属得到强化的方法。第三讲-固溶体及液态金属凝固32.合金是指两种或两种以上金属与金属或与非金属元素组成具有金属性质的物质。33.合金中的相是指形成合金的组元之间相互作用形成具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。相可以分为固溶体和金属化合物。34.固溶体是指相的晶体结构与某一组成元素的晶体结构相同。固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。35.置换固溶体是指溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。间隙固溶体是指溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子不占据晶格的正常位置。36.固溶强化是指通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象。钢中常见的固溶强化元素有锰和硅。37.液固转变时系统的自由能变化由两部分组成，液相与固相的体积自由能之差，它是相变的驱动力；另一部分是出现了界面使系统增加了表面能，它是相变的阻力。第四讲-晶粒度控制及二元相图概述38.晶核形成的两种基本形式是自发形核和非自发形核。一般金属材料的晶粒尺寸大小与性能符合HOLL-PETCH关系，为了控制晶粒大小，通常采用增大过冷度，变质处理，振动搅拌。39.铸锭的组织一般分为表层细晶区，柱状晶区和等轴晶区。40.所有二元相图都是由共晶、偏晶、包晶及匀晶（固溶体）四种基本相图构成的。第五讲-铁碳相图41.碳在铁中的存在形式有三种：溶解于铁形成固溶体；与铁作用形成化合物（Fe3C）；与铁之间无相互作用，以自由态石墨的方式存在。42.铁碳合金中各相的组织和性能特点：相：高温铁素体，碳在-铁中的间隙固溶体，存在于1394~1538C，体心立方晶格。在1495C时溶碳最大（0.09%）。铁素体相（F）：碳在-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格。软而韧的相，溶碳量很小，溶解度在727C最大达到0.0218%。显微组织是等轴状的多边形晶粒。铁素体是铁碳合金室温时的主要基本相和组织之一。奥氏体相（A）：碳在-铁中的间隙固溶体，面心立方晶格。碳在A中的溶解度较大，在727C时为0.77%，在1148C时达到最大，为2.11%。奥氏体在高温状态具有良好的塑性和韧性，低的变形抗力，是热成型时较佳的组织相。奥氏体比容最小，发生相变时体积会发生膨胀，产生内应力。渗碳体（Fe3C）相：具有复杂晶格的间隙化合物。性能特点是硬而脆，具有很高的硬度。塑性、韧性几乎为0。室温下钢中的碳主要以Fe3C形式存在，可以呈片状、网状、球状、粒状、板条状等。Fe3C是钢中的强化相，其数量、形态、大小、分布对钢的性能有很大的影响。43.铁碳相图J、C、S点的意义，亚共析钢/过共析钢的凝固（结晶）过程(ppt17和19)。J为包晶点。合金在平衡结晶过程中冷却到1495C时，B点成分的液相L与H点成分的相发生包晶反应，生成J点成分的奥氏体A。包晶反应在恒温下进行，反应过程中L、、A三相共存。C为共晶点。合金在平衡结晶过程温度冷却到1148C时，C点成分的液相L发生共晶反应，生成E点成分的奥氏体A和F点成分的渗碳体Fe3C。共晶反应在恒温下进行，反应过程中L、A、Fe3C三相共存。S为共析点。合金在平衡结晶过程温度冷却到727C时，S点成分的奥氏体A发生共析反应，生成P点成分的铁素体F和K点成分的渗碳体Fe3C。共析反应在恒温下进行，反应过程中A、F、Fe3C三相共存。44.碳含量对铁碳合金工艺性能的影响：切削加工性：低碳钢中，容易粘刀；高碳钢硬度高容易磨损刀具；中碳钢铁素体和渗碳体比例合适，容易切削加工。锻造工艺性：随碳的增加，可锻性逐渐变差。铸造性：随碳增加，流动性好；收缩率大；偏析严重。焊接性：碳含量越高，焊接性越差。第六讲-钢的冶炼及碳钢45.生铁碳含量高于2%，其制品硬而耐磨，但很脆不易焊接；钢的碳含量低于2%，其制品具有良好的综合性能。炼钢将生铁中的碳量控制在一定范围内，清除有害元素S、P、O2、N2，同时保留或加入有益元素（Si、Mn、Ni、Cr）并调整元素之间的比例，获得最佳性能。46.锰和硅是在炼钢时作为脱氧剂加入钢中的，Mn和Si都能溶入铁素体，有固溶强化作用，可提高钢的强度。Mn还能与钢中的S形成MnS，降低S的有害作用。在合理含量范围内，Mn和Si是有益元素。47.转炉炼钢分为普通转炉炼钢，纯氧顶吹转炉炼钢和电炉炼钢，这三种方法各自具有不同的特点，并且钢中杂志含量不同。含碳量相同时三种钢的强度、伸长率无显著差别，但冲击韧性、冷脆性、焊接性不同，其中普通转炉钢最差。48.根据炼钢时脱氧程度的不同，钢材可分为镇静钢、沸腾钢和半沸腾钢。镇静钢：用锰、硅（或用铝补充），脱氧完全。浇注后析出气体少，钢锭安静凝固，但有集中缩孔，其他部分致密。沸腾钢：只用锰脱氧，脱氧不完全。钢中留下的FeO冷却时与C反应生成CO，在钢锭中呈沸腾状态，凝固后没有集中缩孔，有分散气泡，在轧制与锻造过程中可弥合。半沸腾钢：加入的脱氧剂比镇静钢少，析出的气体比沸腾钢少，浇注后钢锭下部无沸腾，上部有沸腾。49.与46重复50硫是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中的杂质。硫会引起钢的热脆性，含S高的钢，因为有热脆性而难以进行热压力加工。S是钢中的有害杂质．但当钢中含S量增高的同时并含有较多的Mn时，可以改善钢的切削加工性能。51.一般说来，磷是有害杂质元素，它是由矿石和生铁等炼钢原料带入的。P在铁中有较大的溶解度，室温下P在。-Fe中溶解度达1.2％。所以钢中的P一般都溶于铁中。P具有很强的固溶强化作用，但剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，称为冷脆。在一定条件下P也具有一定的有益作用，例如由于它降低铁素体的韧性，可以用来提高钢的切削加工性。它与铜共存时，可以显著提高钢的抗大气腐蚀能。52.普通碳素结构钢排号由代表屈服点的字母、数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。比如：Q235FAQ钢材屈服点汉语拼音首位字母；A、B、C、D为质量等级；F为沸腾钢，B为半镇静钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇静钢。优质碳素结构钢的钢号用两位数字表示，代表平均碳含量的万分之几。如45钢表示钢中平均碳的质量分数为万分之45，即0.45%。碳素工具钢在钢号前加“T”或“碳”表示碳素工具钢，其后跟以表示碳的质量分数的干分之几的数字。例如T8表示平均碳的质量分数为千分之八，即0.8％的碳素工具钢。第七讲（一）-钢在加热时的转变53.54.钢在加热过程中奥氏体的形成过程（机制）：把共析钢加热