工程材料及热加工1~3章基础

第一章工程材料的力学性能1、刚度、强度和塑性是材料承受静载荷的性能，通过静位拉伸试验测定。2、弹性模量（刚度）：在弹性变形范围内，应力与应变的比值。E=弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，只与材料本身有关系。3、屈服强度：静位拉伸过程中开始产生塑性变形时的应力。规定以试样产生0.2％残余变形时的应力值作为该材料的条件屈服强度，以表示。是设计中材料强度的主要参数，是材料的重要力学性能指标之一。4、抗拉强度：静位拉伸过程中试样被拉断前的最大应力。抗拉强度表示材料在拉力作用下抵抗断裂的能力是设计和选材的重要力学性能指标之一。5、伸长率：表示伸拉试样被拉断时的相对塑性变形量。（安全指标，与原始长度有关）6、断面收缩率：表示拉伸试样被拉断时截面积的相对减缩量。（校验指标，与原始长度无关）7、硬度：金属材料抵抗硬物压入的能力，也是材料局部塑性变形的抗力。布氏硬度（HBS）（硬质合金球用HBW）：常用于测定铸铁、非铁合金及退火钢的硬度。HBS只能测定硬度值小于450HBS以下的金属材料，HBW450。（测的硬度为380，则布氏硬度表示为380HBS）洛氏硬度（HRC）：测定硬度范围20~67。维氏硬度（HV）8、冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷的能力。断裂韧性：指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹扩展的能力。第二章工程材料结构1、晶体：原子按一定的规律排列。绝大多数的固体金属都是晶体。晶格：把原子看成空间的几何点，用一些假想的空间直线把这些点连接起来，就构成了三围的空间几何格子。晶胞：从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，就是晶格的结构特征。常见金属的晶格类型：体心立方晶格(bbc晶格）；面心立方晶格（fcc晶格）：塑性最好；密排六方晶格（hcp晶格）：塑性最差2、晶体缺陷：晶体内部存在着大量原子排列的不规则性及不完整性。点缺陷：在三维尺度上都很小而不超过的几个原子直径的缺陷。晶格的某些结点往往未被原子所占据，这种空着的结点位置成为空穴。（点缺陷造成的局部晶格畸变使金属的电阻率、屈服强度增加、金属的密度发生变化。）线缺陷：指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包含各种类型的位错。位错是指晶体中的一部分晶体相对于另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的排错现象。（当金属为理想晶体(无缺陷）或仅含少量位错时，金属屈服点很高，随后随位错密度增加强度降低，当进行冷变形加工时，位错密度大大增加，屈服强度又增高。面缺陷：指二维尺度很大而另一维尺度很小的缺陷，金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。（晶粒与晶粒之间的接触面称为晶界）3、金属的结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个过程，并且这两个过程是同时进行的。晶核的形成：由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。依附于杂志或型壁而形成的晶核，晶核形成时具有择优取向，这种形核方式称为非自发形核。4、固态金属中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。固溶体：合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相。按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体。金属化合物：合金组元互相作用形成的晶格类型和特性完全不同与任一组元的新相即为金属化合物，或中间相。结构特点：与其组元具有完全不同的晶格类型；性能特点：熔点一般高，硬度高，脆性大。5、细化晶粒的几种方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌固溶强化：溶质原子的融入而使晶格畸变增加增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而提高了固溶体的强度与硬度。这种现象称为固溶强化。细晶强化：通过改变金属的铸造条件来提高金属的冷却速度，以加大过冷度，细化组织。弥散强化：以固溶体为基础，辅以金属间化合物呈弥散分布，可以有效的提高合金整体的强度、硬度和耐磨性。冷变形强化：加工硬化是金属的一种非常重要的强化手段，用于提高金属的强度，特别适合某些不能用热处理来强化的金属。6、间隙化合物：有过渡元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。1）间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。2）复杂结构的间隙化合物：当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。机械混合物：两种或两种以上的相按一定质量百分数组合成的物质。7、合金的结晶是在过冷的条件下形成晶核与晶核长大的过程。二元匀晶相图：两组元在液态和固态下均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图二元共晶相图：两组元在也台下完全互溶、在固态下有限互溶，并且有共晶反应的合金相图，称为二元共晶相图。由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶反应。所产生的两种混合物叫共晶体。共析转变：在一定温度下，一定成分的单相固溶体同时结晶出两个固相的转变。包晶转变：在一定温度下，由一种液相和一种固相相互作用生成另一种固相的转变。第三章改变材料性能的主要途径1、单晶体塑性变形的基本形式有滑移和孪生。滑移变形的特点：1）滑移只在切应力作用下发生。2)滑移距离为原子间距的整数倍。3）滑移常沿晶体中原子的密排面和密排方向进行。4）晶体的滑移造成滑移带。5）滑移的同时伴随着晶体的转动。滑移的机理：1）刚性滑移模型；2）位错模型孪生变形的特点：1）变形方式：孪生使晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生整体的均匀切变，而滑移则集中在一些滑移面上。2）变形后的位向：孪生使晶体的两部分沿孪晶面构成了晶面对称关系，而滑移则不改变晶体的位向。3）原子位移距离：孪生时，孪晶带中的原子沿孪生方向的位移量为原子间距的分数值而滑移为原子间距的整数倍。4）孪生变形困难2、多晶体由许多晶粒构成，每个晶粒就是一个单晶体，多晶体的塑性变形是每个晶粒变形的总和。多晶体的塑性变形特点：1）晶界的阻碍作用2)各晶粒变形需要相互协调3）各晶粒变形的不同时塑性变形对金属的组织及性能的影响：1）组织纤维化，性能各向异性2）晶粒饱状化，产生加工硬化3)产生变形组织，性能各向异性3、冷变形金属由于组织变化，导致加工硬化，内应力也很大，金属处于不稳定状态。生产上通常施以去应力退火与再结晶退火来消除或减轻金属的内应力，消除加工硬化，恢复原来的组织与性能。根据金属在加热时的组织与性能的变化，大体可以分为三个阶段，即回复、再结晶和晶粒长大。回复：金属的显微组织并未发生明显变化，变化的只是点缺陷的消失及位错的迁移，晶格畸变减轻，内应力下降，物理化学性能得以恢复。再结晶：继续加热到足够高的温度，由于原子的扩散能力大大增强，金属中会发生新晶粒的形核与长大。结果原来的纤维组织背心的均匀、细小的等轴状晶粒组织代替。宏观上，表现为金属的强度、硬度下降，塑性韧性提高。晶粒长大：随着加热温度的升高和保温时间的延长，晶粒逐渐长大，这是一个自发的过程，因为晶粒的长大可减少晶界面积，使晶界能下降，组织更稳定。5、热加工与冷加工的本质区别：以变形过程中产生的硬化作用能否被再结晶的软化作用所抵消为标准。6、热变形的组织与性能特征：热变形既可用来成形，同时也能改善金属的内部组织结构，提高力学性能。1）消除铸态金属的某些缺陷，提高致密度及力学性能。2）形成热变形的纤维组织，性能趋于各向异性。热变形时，金属中的各种夹杂物，枝晶偏析、第二相等沿着变形方向被拉长，形成热变形的纤维组织，又称为流线。3）出现带状组织，性能呈现各向异性。7、热处理：将金属在固态下加热至一定温度，保温一定时间，以一定的速度冷却至室温，来改变其内部组织结构，以获得所需性能的一种加工工艺。8、钢在加热时的转变（钢奥氏体化过程）的四个阶段：1）奥氏体的形核2）奥氏体晶核的长大3）剩余渗碳体的溶解4）奥氏体的均匀化9、晶粒度：1）起始晶粒度：指珠光体转变为奥氏体刚结束，奥氏体晶粒边界刚刚相互接触时的经历大小。2）实际晶粒度：指在实际热处理条件下所获得的奥氏体晶粒大小。3）本质晶粒度：指根据标准试验方法，加热至930℃±10℃，保温八小时后的奥氏体晶粒的大小。本质晶粒度提供了一种基于同样条件进行晶粒大小比较的方法。10、钢冷却时的转变：一种是将钢由加热温度连续冷却至室温，在临界点Ar1以下所发生的转变，称为连续冷却转变；一种是将钢由加热温度迅速冷却到Ar1以下某一温度进行等温，在等温过程中发生的转变，称为等温冷却转变。三种转变组织及性能特点：a、珠光体型组织为铁素体与渗碳体的机械混合物b、贝氏体组织分为上贝氏体、下贝氏体；上贝氏体不仅强度、硬度较低，而且塑性、韧性较差；下贝氏体的强度硬度塑性韧性均高于上贝氏体，具有优良的综合力学性能。C、马氏体型组织马氏体有片状马氏体和板条状马氏体。马氏体的形态主要取决于马氏体的碳质量分数，碳的质量分数低于0.2%时，马氏体几乎全部为板条状；碳的质量分数大于1.0%时，马氏体基本为针片状。马氏体性能的主要特点是强度硬度高。随着马氏体中碳质量分数的增高，其强度、硬度随之增大，但当碳的质量分数超过0.6%以后，强度硬度的变化趋于平缓。11、C曲线：一方面用它来制定等温转变工艺及分析等温转变过程；一方面用来分析连续冷却转变过程及其热处理工艺的制定；可以利用C曲线判定钢的淬透性，以方便选材。12、热处理工艺：指通过固态下的加热、保温及冷却改变材料的组织，以获得所需性能的方法。热处理工艺有退火、正火、淬火及回火等，还有表面淬火、表面化学热处理等表面处理工艺。