工程材料知识点(修改版)

材料的结构与性能特点1.（考点）晶体与非晶体：晶体：长程（远程）有序排列非晶体：短程（近程）有序排列固态金属一般情况下都是晶体。2、三种常见金属晶体结构：①体心立方晶格，致密度为0.68（Mo、W、V、α—Fe）密排面：{110}密排方向：111②面心立方晶格，致密度为0.74（Al、Cu、γ—Fe、金、银）密排面：{111}密排方向：110③密排六方晶格，致密度为0.74（Mg、Zn等）3、金属中的晶面和晶向①晶面族：原子排列相同，空间位向不同的晶面②晶向族：原子排列相同，空间位向不同的晶向注意：表示方式相同的晶面和晶向互相垂直，例如：110晶向垂直于{110}晶面③密排面与密排方向：原子密度最大的晶面（晶向）4、（考点）实际金属中的晶体缺陷①点缺陷（空位，间隙原子）②线缺陷（位错）③面缺陷（晶界与亚晶界）5、合金的晶体结构：固溶体、金属化合物6、金属材料的力学性能：①塑性：断后伸长率和断面收缩率越大，塑性越好（考点）②硬度：布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、肖氏硬度HS三者关系：HB≈HV≈10HRCHB≈HV≈6HS7、（考点）扩散的概念及影响因素：概念：原子在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。影响因素：1.温度2.晶体结构3.表面及晶体缺陷金属材料的组织和性能控制1、纯金属的结晶：①过冷：液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象。②冷却曲线中出现平台的原因：由于液态原子的无序状态转变为晶态原子有序状态时放出结晶潜热，抵消了向外界散发的热量，而保持结晶温度不变。③纯金属的结晶过程（形核和长大）形核：非自发形核和自发形核，其中非自发形核占主导地位。长大：平面长大和树枝状长大，其中树枝状长大得到树枝晶。注意：金属容易过冷，一般均以树枝状长大方式结晶③Fe的同素异构转变（二次结晶、重结晶）：体心（1538-1394℃）→面心（1394-912℃）→体心（912℃以下）(此公式为考点)2、合金的结晶：①匀晶反应、共晶反应、包晶反应、共析反应注意：匀晶反应冷却较快会发生枝晶偏析，应用扩散退火消除。（重点，大题）{3、铁碳合金相图：钢类①共析钢（W（C）=0.77%）过程：L→（L+A）→A→A+P（F+Fe3C）→P组织组成物：全为P（珠光体：铁素体与渗碳体的共析混合物）组成相：F+Fe3C典型钢种：T8钢②亚共析钢（0.0218W（C）0.77）过程：L→（L+δ）→（L+δ+A）→（L+A）→A→（A+F）→（A+F+P）→（F+P）组织组成物：F+P组成相：F+Fe3C典型钢种：45钢③过共析钢（0.77W（C）2.11）过程：L→（L+A）→A→（A+Fe3CⅡ）→（A+Fe3CⅡ+P）→（P+Fe3CⅡ）组织组成物：Fe3CⅡ+P组成相：F+Fe3C典型钢种：T10钢白口铸铁类①共晶白口铸铁（W（C）=4.3）过程：L→（L+Le（A+Fe3C））→Le（A+Fe3C+Fe3CⅡ）→Le（A+P+Fe3C+Fe3CⅡ）→Le’(P+Fe3C+Fe3CⅡ)组织组成物：全为Le’组成相：F+Fe3C②亚共晶白口铸铁（2.11W（C）4.3）过程：L→L+A→L+Le→Le+A→Le+A+Fe3CⅡ→Le+A+P+Fe3CⅡ→Le’+P+Fe3CⅡ组织组成物：P+Fe3CⅡ+Le’组成相：F+Fe3C③过共晶白口铸铁（4.3W（C）6.69）过程：L→L+Fe3CⅠ→L+Fe3CⅠ+Le→Fe3CⅠ+Le→Fe3CⅠ+Le（A、P共存）→Fe3CⅠ+Le（有P无A）总结：含碳量小于0.0218%的合金组织全为F；含碳量为0.77%时全为P；含碳量为4.3%时全为Le’；含碳量为6.69%时全为Fe3C。例题：①T12钢加热到A+Fe3CⅡ相区保温，A中碳质量分数小于钢中碳质量分数。②45号钢加热到F+A相区保温，A中碳质量分数大于钢中碳质量分数。附：δ相：又称高温F，是碳在δ-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格α相：铁素体F，是碳在α-Fe中的间隙固溶体，体心立方晶格γ相：奥氏体A，是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，面心立方晶格莱氏体：Le，A与Fe3C的共晶混合物，Le中的渗碳体称为共晶渗碳体珠光体：P，F与Fe3C的共析混合物共晶反应温度：1148℃共析反应温度：727℃}4、金属的塑性加工（考点）①金属的塑性变形：滑移和孪生滑移的本质：晶体内部位错在切应力作用下运动的结果面心立方晶格比体心立方晶格塑性好的原因：滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，虽然滑移系相同，但是面心立方晶格的滑移方向比体心立方晶格的多，所以面心立方晶格的塑性更好。②塑性变形（冷加工）对金属组织和性能的影响：Ⅰ、对组织的影响1）晶粒变形，形成纤维组织；2）亚结构形成，细化晶粒；3）形成形变织构（丝织构和板织构P89）；Ⅱ、对性能的影响1）（考点）加工硬化：随形变度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。也叫形变强化。2）产生各向异性：由于纤维组织和形变织构的形成，使金属的性能产生各向异性。例如：用有织构的板材冲制筒型零件时，由于在不同方向上塑性差别很大，零件的边缘出现“制耳”。3）金属的物理、化学性能发生变化。4）产生残余内应力：金属内部形变不均匀，位错、空位等晶体缺陷增多，导致金属内部产生残余内应力。5、塑性变形和再结晶的工程应用①金属的热加工（钢材的热锻和热轧）在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工。对组织性能的影响：使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹压合，提高金属的致密度，减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相分布等。明显提高金属的强度、韧性和塑性；破碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，使金属的力学性能全面提高。②金属的冷加工（低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲）冷加工会使金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，产生加工硬化现象。注意：钢材的切削加工也属于冷加工，也会产生加工硬化。由于加工硬化而使奥氏体不锈钢的切削较为困难。③喷丸强化④再结晶退火（消除加工硬化现象）为了缩短时间，实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高100~200℃。（考点）Tr=0.4Tm(K)(其中Tr是最低再结晶温度，Tm是金属的熔点)6、钢的热处理钢在加热时的转变①奥氏体化：将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织。共析钢必须加热到727℃（A1）以上时，完全转变成奥氏体；亚共析钢必须加热到GS（A3）以上；过共析钢必须加热到ES（Acm）线以上。②影响奥氏体转变速度的因素：1）加热温度：温度越高，转变越快；2）加热速度：加热速度越快，转变越快；3）钢中碳质量分数：碳质量分数越大，渗碳体越多，相界面增大，奥氏体核心增多，转变速度越快；4）合金元素：钴、镍增大碳在奥氏体中的扩散速度，加快奥氏体化；铬、钼、钒减小碳在奥氏体中的扩散速度，减慢奥氏体化；硅、铝、锰对碳在奥氏体中的扩散速度影响不大，不影响奥氏体化过程。5）原始组织③奥氏体的晶粒度及其影响因素某一具体热处理或热加工条件下的奥氏体的晶粒度叫做实际晶粒度。钢在加热时奥氏体晶粒长大的倾向用本质晶粒度来表示。本质晶粒度：钢加热到（930±10）℃，保温8h，冷却后测得的晶粒度叫做本质晶粒度。如果测得的晶粒细小，则该钢成为本质细晶粒钢，反之为本质粗晶粒钢。影响因素：1）加热温度和保温时间温度越高，晶粒长大越明显，A也越粗大2）钢的化学成分钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有利于获得本质细晶粒钢，因为碳化物、氧化物。氮化物分布在晶界上，阻碍晶粒长大。Mn和P使促进晶粒长大的元素。钢在冷却时的转变①等温处理：将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，在该温度恒温转变。②连续冷却：将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。1）过冷奥氏体的等温转变A、共析钢过冷奥氏体的两个转变区：Ⅰ、高温转变（也称珠光体转变区（A1~550℃））扩散型转变。转变产物：P（ST）。注意：PST均为Fe和Fe3C的机械混合物，只是层片粗细不同，转变温度越低，层间距越小。Ⅱ、中温转变（也称贝氏体转变区（550~Ms℃））半扩散型转变。转变产物：贝氏体组织（铁碳化合物分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物）（考点——简答题）上贝氏体（350~550℃）：羽毛状，小片状渗碳体分布在成排的铁素体之间。强度和韧性较差。下贝氏体（350~Ms℃）：黑色针状，硬度高，韧性好，有较好的综合力学性能。B、亚共析钢过冷奥氏体的等温转变亚共析钢随着碳质量分数的增加，C曲线的位置往右移，Ms、Mf线往下移。Ⅰ、高温转变（与共析钢类似，只是先有一部分转变为F，其余的过冷A再转变为P）转变产物：F+P（ST）例如：45钢过冷A在600~650℃等温转变后，产物为F+S。C、过共析钢过冷奥氏体的等温转变过共析钢随着碳质量分数的增加，C曲线的位置往左移，Ms、Mf线往下移。Ⅰ、高温转变（与共析钢类似，只是先析出二次渗碳体，其余的过冷A在转变为P）例如：T10钢过冷A在A1~650℃等温转变后，产物为Fe3CⅡ+P。2）过冷奥氏体的连续冷却转变（实际生产中较多的情况）A、共析钢（一）转变产物炉冷：过冷A转变为P，粗片状组织，硬度为170~220HB空冷：过冷A转变为S，细片状组织，硬度为25~35HRC油冷：过冷A先有一部分转变为T，剩余的过冷A冷却到Ms以下转变为M，冷却到室温时，残留一部分A。（T+M+剩余A）硬度为45~55HRC。水冷：过冷A将直接转变为M，冷却到室温时，残留一部分A。（M+A）a、过冷A转变为M为低温转变过程（非扩散型转变），转变温度在Ms~Mf之间，该温区称为马氏体转变区。马氏体（M）：碳在α—Fe中的过饱和固溶体b、马氏体形成速度很快c、马氏体转变是不彻底的，总要残留下少量Ad、马氏体形成时体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时将使被处理零件开裂（二）马氏体分类板条状（低碳）马氏体（碳质量分数小于0.25%），由于板条状M内有大量位错缠结的亚结构，所以低碳M也称位错M；针状（高碳）马氏体（碳质量分数大于1.0%），由于针状M内有大量孪晶，因此高碳M也称孪晶M。（三）马氏体性能特点1、硬度很高，碳质量分数越大，硬度越高2、比容比A大，当A转变为M时，体积会膨胀3、M是是一种铁磁相，在磁场中呈现磁性；A是一种顺磁相，在磁场中无磁性4、晶格畸变导致电阻率高B、亚共析钢（一）转变产物（无剩余A）炉冷：F+P；空冷F+S；油冷：T+M；水冷：M与共析钢不同，亚共析钢过冷A在高温时有一部分将转变为F；在中温转变区会有少量贝氏体（上B）产生。如油冷产物为：F+T+上B+M，F和上B量少，有时也忽略不计。C、过共析钢（一）转变产物（有剩余A）炉冷：P+Fe3CⅡ；空冷：S+Fe3CⅡ；油冷：T+M+剩余A；水冷：M+剩余A（考点：死脖子复印的资料P64-72）钢的普通热处理热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。①退火：将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺叫做退火。A、完全退火：1、又称重结晶退火，主要用于亚共析钢。是把钢加热到Ac3以上20~30℃，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。2、产物：F+P3、目的：通过重结晶，使加工造成的粗大、不均匀组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。B、等温退火1、等温退火是把钢件或毛坯加热到Ac3（或Ac1）的温度，保温后，较快的冷却到珠光体转变区的某一温度，并等温保持，奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。2、产物：主要为P3、目的：与完全退火相同，但转变较易控制，能获得均匀组织，对于A较稳定的合金钢可短退火时间。C、球化退火1、球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺。主要用于过共析钢、共析钢，如工具