中国石油大学48学时工程材料复习提纲

第一章1.材料结合件的名称及特点：原子，离子或分子之间的结合力称为结合键，可分为离子键（硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆性大），共价键（强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高，挥发性低，饱和性），金属键（既无方向性，也无饱和性；良好的导电导热，正电阻系数），分子键（熔点低，硬度低，绝缘性好，是物理键）2.工程材料的分类：金属（钢（碳钢，合金钢），铸铁，有色金属及合金）；高分子；陶瓷；复合材料3.晶体：原子（分子或离子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物体称为晶体4.非晶体：原子（分子或离子）在空间无规则的排列的物体称为非晶体5.晶体结构：晶体中原子（分子或离子）规则排列的方式称为晶体结构6.晶格：假设通过金属原子（离子）的中心画出许多空间直线，这些直线形成空间构架，称为晶格。（晶格的节点为金属原子（离子）的平衡中心位置）7.晶胞：能反映该晶格特征最小组成单元称为晶胞。（晶胞在三维空间的重复排列构成晶格）8.晶格常数（点阵常数）：晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱长a,b,c和三条棱边之间的夹角α,β,γ六个晶格参数来表述，其中a,b,c为晶格常数9.三种常见的金属晶体结构体心立方面心立方密排六方晶格参数a=b=c;α=β=γ=90°a=b=c;α=β=γ=90°a=b=c;α=β=γ=90°晶胞原子数1/8*8+1=21/8*8+1/2*6=41/6*12+1/2*2+3=6原子半径a43a42a21质密度68%74%74%配位数8121210.钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因？答：面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列紧密程度完全一样，是空间最紧密排列的两种形式。体心立方晶格中原子的排列紧密程度要差些，因此当一种金属从面心立方晶格向体心立方转变时，体积将膨胀。11.金属晶体中的晶面和晶向A.晶面的确定1.原点在预定的晶面外，且有截距或截距无穷大2.2.以a为单位，写出截距3.3.截距取倒数4.化为最小整数5.5.放入小括号内注意：无标点符号，负号写在数字之上在立方晶系中,原子排列相同但在空间方向不同的晶面组成晶面族。晶面族用大括号表示,即{hkl}。晶面间距：两相邻平行晶面之间的距离叫晶面间距公式：222lkhadB.晶向的确定1.原点在预定晶向的结点上2.写出另一结点的空间坐标3.化为最小整数4.放入方括号内5.晶向族——原子排列情况相同而在空间位向不同的晶向组成晶向族。晶向族用尖括号表示,即uvw。100=[100]+[010]+[001]注意：在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直12.密排面和密排方向体心六方面心六方密排面：原子密度最大的晶面{110}{111}密排方向：原子密度最大的晶向{111}{110}13.金属晶体的特性①金属晶体具有确定的熔点②各向异性（非晶体和多晶体各项同性）各向异性的原因？在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的密度不同，他们之间的结合力大小也不同，因而晶体不同方向上的性能不同。但是对于实际的金属，由于其内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，使其各向异性显现不出来。14.晶体缺陷（点缺陷，线缺陷，面缺陷）点缺陷：空位间隙原子异类原子点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率，屈服强度增加，密度发生变化。空位的存在有利于金属内部原子的迁移。线缺陷：线缺陷是指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷（称作位错）位错：是晶体中某一列或若干列原子发生错排的现象主要有刃型位错和螺旋位错刃型位错：在金属晶体中，晶体的一部分相对于另一部分出现了一个多余的半原子面，这种线性缺陷称刃型位错。位错线：半原子面与滑移面的交线。位错区域内畸变的大小和方向可以用柏氏矢量来表征实际晶体中往往存在曲线状的位错线或位错环。位错线呈曲线状的位错由刃型位错和螺旋位错混合而成，称为混合位错。位错的特点：①位错导致晶格畸变，产生内应力②刃型位错容易吸纳异类原子③位错具有易动性，在外力作用下，位错能产生移动。位错密度：（定义）是指单位体积中位错线的总长度面缺陷：晶界亚晶界晶界亚晶界的作用：①晶界处的原子平均能量比晶内高，晶粒长大和晶界的平直化可以降低晶界的总能量，因此在高温时，晶粒容易长大②晶界处存在较多的空位，位错，容易吸附异类原子，导致某些元素产生晶界偏聚③发生相变时，新相往往在母相的晶界处形成。母相晶粒越细，晶界越多，新相晶粒数目就越多，晶粒也就越细④晶界和亚晶界均可以提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力就越大，塑性越好。1.1.2合金的晶体结构15.名词解释合金一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物二元合金：由两个组元组成的合金相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分16.固态合金有两种基本相——固溶体和金属化合物固溶体．．．定义：合金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。（了解）溶剂与固溶体晶格相同的组元溶质其他另一组元（含量较少）分类按溶质原子在溶剂晶格中的位置分置换固溶体，间隙固溶体按溶质原子在溶剂中的溶解度分有限固溶体、无限固溶体按溶质原子在固溶体中分布有否规律分无序固溶体，有序固溶体当组元原子半径相差较大时，容易形成间隙固溶体，间隙固溶体一定是有限固溶体并且一定是无序的，无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。性能：固溶强化：通过形成固溶体使金属强度硬度提高的现象叫做固溶强化。引起固溶强化的原因？随着溶质原子的融入，固溶体晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子的浓度的提高而增大，晶格畸变会增大位错运动的阻力，使金属的滑移变得困难，从而提高合金的强度和硬度。金属化合物．．．．．（了解）合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物,或称中间相。金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。1.1.3金属材料的组织定义：材料内部所有的围观组成称为显微组织（组织）组成：由数量，形态，大小和分布方式不同的各种相组成决定因素：化学成分和制造工艺过程1.2.2金属材料的力学性能（重点）强度：1.金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力1.2.弹性极限σe表示材料保持塑性变形，不产生永久变形的最大应力3.屈服极限（屈服强度）σs表示金属开始发生明显塑性变形时的抗力有些金属没有明显的屈服现象，则用明显的条件屈服极限σ0.2（产生0.2%残余应变时的应力值）来表示4.强度极限(抗拉强度σb)：表示金属受拉时所能承受的最大拉力塑性1.定义（了解）：断裂前金属产生永久变形的能力2.断后伸长率：试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。3.断面收缩率：试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。强度洛氏硬度，布氏硬度，维氏硬度？这些概念会考到吗？韧性：材料抵抗冲击载荷作用的能力疲劳强度：当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏，此应力值称为材料的疲劳强度(疲劳极限)断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。第二章1.名词解释结晶过程：金属从一种原子规则状态转变为另一种原子规则排列状态（晶态）的过程称为结晶过程。通常把金属从一种液态转变为固态的过程叫做一次结晶；而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶（重结晶）。2.1.1纯金属的结晶过冷度：理论结晶温度与开始结晶温度之差叫做过冷度。液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度T0，要有一定的过冷度ΔT，使金属在液态和固态之间存在自由能差ΔF=F固—F液2.纯金属的结晶过程：形核（自发形核和非自发形核）和长大（平面长大和树枝状长大）2.1.2同素异构体的转变金属在固态下随温度的转变由一种晶格转变为另一种晶格的现象叫做同素异构转变。同一种金属的不同晶体结构的晶体称为该金属的同素异构晶体。同素异构体转变特点（了解）①同素异构转变时也有过冷现象，放出潜热，有固定的转变温度。新同素异构晶体也有形核和长大两个过程。②导致金属体积发生变化，产生较大内应力。③适当提高冷却速度，可以细化同素异构转变后的晶粒，提高金属的机械性能2.1.4细化铸态金属晶粒（重点）细晶强化：金属的晶粒越小，金属的强度塑性韧性就越好，使晶粒细化，是提高金属力学性能的重要途径之一，这种方法叫做细晶强化1.晶粒度越大，晶粒越细2.细化铸态金属的四种措施：增大金属过冷度；变质处理，振动，电磁搅拌3.单晶的制取：制备单晶的基本要求是液体结晶只存在一个晶核，要严格防止另外结核。主要有尖端形核法和垂直提拉法第二节：合金的结晶2.2.1二元合金的结晶A.匀晶反应图中有两个单相区：L区和α区，还有一个两相区L+α区。匀晶结晶的特点：①与纯金属一样,固溶体结晶也包括形核、长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。②固溶体结晶在一个温度区间内进行,变温结晶③在两相区内,温度一定时,两相的成分(即L相中Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定④在两相区，温度一定时,两相的质量符合杠杆定律。在T1温度时：1111cbQbaQaL杠杆定律：液相的质量分数α相的质量分数杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,支点为合金的成分点。杠杆定律只适用于相图中的两相区；杠杆定律只能在平衡状态下使用。注意杠杆定律的证明过程枝晶偏析：一个晶粒内化学成分分布不均的现象叫做枝晶偏析。固溶体结晶时成分变化。慢冷时原子扩散充分进行，固溶体成分均匀。快冷时原子扩散不充分，固溶体成分不均匀。（先结晶的树枝晶轴含高熔点组元多，后结晶的树枝晶轴含低熔点组员多）处理措施：扩散退火。把合金加热到低于固相线100℃左右,长时间保温,原子充分扩散,获得成分均匀的固溶体。B.共晶反应这种由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应称为共晶反应，生成的两相混合物叫共晶体。Ld→(αc+βe)a.水平线cde为共晶反应线,成分在ce之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。②cf线为Sn在Pb中的溶解度线(α相的固溶线)。Sn含量大于f点的合金从高温冷却到室温时,从α相中析出β相，叫二次β：α→βII。③eg线为Pb在Sn中溶解度线。Sn含量小g点的合金,冷却过程中同样发生二次结晶,析出二次α。组织组成物合金组织中那些具有确定本质,一定形成机制的特殊形态的组成部分。三种合金的共晶反应分析1.合金室温组织为α+βII（在3点之后从α相中析出βII相）。其组成相是：f点成分的α相，g点成分的β相。2.合金的室温组织：共晶体(α+β)组织组成物：(α+β)组成相：α和β相3.合金室温组织：初生α+二次β+(α+β)组织组成物：α、二次β、(α+β)组成相：α、β组成相的质量分数：室温下三种组织组成物的质量分数：（明确来源，(α+β)共晶体是由液相转变过来的，所以其质量分数等于液相；初生α+二次β的质量分数等于共晶反应前固相的质量分数。其后，初生α相中不断析出二次β，所以其要用两次杠杆定律）%100f2)(%1002)α(%1002)β+α(33fgxeddwfggxeddwedewC.包晶反应反应方程式：edcLD.共析反应由一种固相转变为完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。反应方程式：ecd2.2.2合金的使用性能与相图关系示意图（需要掌握什么？）2.2.3铁碳合金的结晶铁碳相图1.A：1538、0%2.B：1495、0.53%3.C：1148、4.30%4.E：1148、2.11%5.F：1148、6.69%6.G：912、0%7.J：1495、0.17%8.N：1394、0%9.P：727、0.02%10.S：727、0.77%11.Q：600、0.0057%12.H：1495、0.09%L相液相L是铁与碳的液溶体δ相δ相又称高温铁素体，是C在δ-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格α相α相也称铁素体，用符号F或α表示，是C在α-Fe中的间隙固溶