工程材料知识点总结

1/191、晶格：描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵。2、晶胞：晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元致密度=原子所占的总体积÷晶胞的体积属于面心立方晶格的常用金属：γ铁、铝、铜、镍等。属于体心立方晶格的常用金属：α铬、钨、钼、钒、α铁、β钛、铌等。属于密排六方晶格的常用金属：镁、锌、铍、α钛、镉等。晶面：晶体中由物质质点所组成的平面。晶向：由物质质点所决定的直线。每一组平行的晶面和晶向都可用一组数字来标定其位向。这组数字分别称为晶面指数和晶向指数。晶面指数的确定：晶面及三个坐标轴截距的倒数取最小整数，用圆括号表示。如（111）、（112）。晶向指数的确定：通过坐标原点直线上某一点的坐标，用方括号表示。如[111]晶面族：晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面。这些晶面上的原子排列规律相同，具有相同的原子密度和性质。如{110}=（110）+（101）+（011）+（101）+（110）+（011）晶向族：原子排列密度完全相同的晶向。如111=[111]+[111]+[111]+[111]由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性。晶粒——金属晶体中，晶格位向基本一致，并有边界及邻区分开的区域。亚晶粒——晶粒内部晶格位向差小于2°、3°的更小的晶块。实际金属晶粒大小除取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。晶界——晶粒之间原子排列不规则的区域。亚晶界——亚晶粒间的过渡区。晶体缺陷：是指晶体中原子排列不规则的区域。1、点缺陷2、线缺陷3、面缺陷点缺陷类型主要有三种：（1）间隙原子（2）晶格空位（3）置换原子间隙原子：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体缺陷。☆晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体缺陷线缺陷·位错：指晶体中若干列原子发生有规律的错排现象。位错密度：单位体积内位错线的长度，（cm-2）面缺陷主要是指晶界和亚晶界。它是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。合金：由一种金属元素及另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。两类基本的相结构：固溶体和金属化合物。合金系：是指具有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。如各种碳素钢。相：指在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面及其它部分分隔开来的一个均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。2/19组元：组成合金的最基本的、能独立存在的物质。组成合金的各个化学元素及稳定的化合物都是组元。合金中有几种组元就称之为几元合金。合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的，这些相称为合金组织的相组成物；也可以看作是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金组织的组织组成物。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。固溶体：合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种及溶剂有相同晶格的相。固溶体及溶剂具有相同晶体结构。固溶体的类型：1、间隙固溶体；2、置换固溶体有限固溶体:固溶体的溶解度是有限的。无限固溶体：固溶体的溶解度是无限的。（组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。）形成无限固溶体的必要条件：溶剂及溶质的晶体结构相同。无序固溶体:溶质原子的分布是无序的。有序固溶体:溶质原子的分布是有序的。固溶体的有序化:无序固溶体向有序固溶体的转变过程。硬度和脆性增加，塑性下降。影响溶解度的主要因素:1)温度2)原子直径因素3)晶体结构因素固溶强化：溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。这个新相可能是一种新的固溶体，也可能是一种化合物。如：Fe3C、FeS。金属化合物:具有金属性质的化合物。（其晶体结构不同于任一组元）金属化合物性能:一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。结晶——是指晶体材料的凝固，或者说是原子由不规则排列状态（液态）过渡到规则排列状态（固态）的过程。相图：表示在平衡状态下合金的化学成分、相、组织及温度的关系图。理论结晶温度T0:又称平衡结晶温度。（冷速极慢）也就是金属的熔点Tm。实际结晶温度Tn:在某一实际冷却速度下的结晶温度。☆纯金属通常在恒温下结晶；☆多数合金通常在一个温度区间内结晶。过冷度（△T）:理论结晶温度及实际结晶温度之差。对于纯金属：△T=T0－Tn影响过冷度大小的主要因素:金属液的冷却速度；金属液中杂质含量。金属结晶的两个条件:1）动力学条件:△T＞0（△F＜0）2）热力学条件:一定的扩散能力。金属的结晶过程：成核和长大晶核:作为结晶核心的极细小的固相晶体。均匀（自发）成核：在均匀的液态母相中自发形成新相晶核的过程。γc=（2σTm）/（LΔT）γc—临界晶核半径；σ表面能；L—熔化潜热；Tm熔点非均匀成核：依附于母相中某些现成界面而成核的过程。细晶强化：通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法，一种很重要的强韧化手段。晶粒越细小，晶界越多，变形抗力越大，材料的强度、硬度越3/19高，塑性越好。（这是其它强化方法所不能的）增加过冷度，成核率N及长大率G均会增加，但成核率N的增加速度更快些。所以增加过冷度会细化晶粒。增加冷却速度虽然可以细化晶粒，但同时使结晶时的铸造应力增加；对于较大体积的铸锭及铸件提高冷却速度是困难的。变质处理——即在浇铸之前向金属液中加入某些物质（变质剂）来促进晶粒细化。细化晶粒的主要方法（总结）1、增加过冷度:例如：由砂型铸造改为金属模铸造，可以提高铸件的力学性能。2、变质处理:例如铸铁和铝硅合金（前者加Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合盐)3、物理方法:振动、搅拌等匀晶转变——由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变共晶转变——一定化学成分的合金在一定的温度下（恒温），同时由液相中结晶出两种不同成分和不同晶体结构的固相包晶相图——具有液固两相共同转变成为另一固相的合金相图晶内偏析:在一个晶粒内，各处成分的不均匀现象。金属通常以枝晶方式结晶，先形成的主干和后形成的支干就会有化学成分之差，所以也称枝晶偏析均匀化退火（扩散退火）:把有枝晶偏析的合金放在低于固相线100~200℃的温度下进行较长时间的加热，通过原子的相互扩散而使成分趋于均匀1、当合金形成单相固溶体时，由于溶质原子使基体晶格畸变，溶质元素浓度越高，引起晶格畸变越大，则合金的强度、硬度越高。2、当合金形成为两相机械混合物的组织时，合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。铸态组织：是指结晶之后得到的金属材料的显微组织。铸件的合理浇注温度一般选在液相线。铸造性能主要表现在流动性、偏析、缩孔等方面，主要决定及液相线及固相线之间的温度间隔。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小→合金的流动性好→有利于浇注；液固相线距离大→枝晶偏析倾向愈大，流动性也愈差，分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化。所以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择结晶温度区间较小的合金。单晶体的塑性变形方式主要有两种：滑移和孪生滑移。它主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。滑移系越多，塑性越好。滑移是由位错的移动来实现的。孪生及滑移的主要区别是：发生滑移后，晶体已变形区和未变形区位向没有发生变化，而孪生就使晶体两部分位向发生了变化。4/19金属发生塑性变形,随变形度的增大,金属的强度和硬度显著提高,塑性和韧性明显下降。这种现象称为加工硬化,也叫形变强化。产生加工硬化的原因：塑性变形时,位错密度增加,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。晶格畸变降低的原因：1）空位和间隙原子相互作用而减少；2）位错交互作用或按一定规律排列。回复后性能变化：1）变形残余应力大幅度下降2力学性能仍保留着加工硬化效果。再结晶的特点:只是晶粒形态和大小发生了变化，晶体结构没有改变，以别于重结晶。再结晶后性能变化:残余应力全部消除；加工硬化全部消失，力学性能恢复到变形前的水平再结晶温度:T再=(0.35～0.4)T熔点★温度单位为绝对温度(K)。影响再结晶温度的因素：1）变形量的影响：变形度越大,再结晶温度越低。2）原始晶粒度的影响:变形前的晶粒越粗大，再结晶温度越高。3）化学成分的影响:杂质和合金元素特别是高熔点元素,阻碍原子扩散和晶界迁移,可显著提高最低再结晶温度。4）加热速度和保温时间：提高加热速度会提高再结晶温度；增加保温时间可以降低再结晶温度。3、再结晶退火：把变形金属加热到再结晶温度以上的温度保温，使变形金属完成再结晶过程的热处理工艺。主要目的是消除加工硬化现象。☆为缩短退火周期并且不使晶粒粗大，一般情况下把退火工艺温度取为最低再结晶温度以上100～200℃。钢的再结晶退火温度可选680～720℃。再结晶完成后的晶粒是细小的,但如果加热温度过高或保温时间过长时,晶粒会明显长大,最后得到粗大晶粒的组织,使金属的强度、硬度、塑性、韧性等机械性能都显著降低。某些因素（如：细小杂质粒子、变形机构）阻碍晶粒正常长大，但一旦这种阻碍失效，常会出现晶粒突然长大，这种晶粒不均匀地急剧长大现象称为二次再结晶。影响再结晶后晶粒大小的因素：1.加热温度越高,再结晶晶粒也越大。2.变形度的影响:金属变形越不均匀,再结晶退火后的晶粒越大。冷变形加工：再结晶温度以下的变形。可以达到较高精度和较低的表面粗糙度，有加工硬化的效果，变形抗力大，一次变形量有限。热变形加工：再结晶温度以上的变形。良好的塑性状态。铁素体（F或α）：碳原子固溶到α-Fe中形成的间隙固溶体室温相——常作基本相（基体相）铁素体强度、硬度不高、塑性、韧性很好奥氏体（A或γ）：碳原子固溶到γ-Fe中形成的间隙固溶体；高温相，存在于727℃以上，一般不存在于室温；奥氏体强度不高，塑性很好。渗碳体具有高硬度、高脆性、低强度和低塑性；一次渗碳体Fe3CI：从液相直接结晶出来。5/19二次渗碳体Fe3CII：从A中析出。三次渗碳体Fe3CIII：从F中析出。1、珠光体（P）：共析转变：恒温下，一种固相同时析出两种不同成分固相的机械混合物（共析体）。A0.77→(F+Fe3C)≡P珠光体的力学性能介于F和Fe3C之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。2、高温莱氏体（Ld）：共晶转变：L4.3→(A+Fe3C)≡Ld高温莱氏体是存在于727℃以上的一种基本组织，硬度很高，塑性很差。3、低温莱氏体（Ld’）在727℃以下高温莱氏体中的奥氏体又发生共析转变成珠光体，这时的莱氏体就变成由P和Fe3C组成，成为低温莱氏体。低温莱氏体是室温下的一个基本组织相组成:L、A、F、Fe3C、G；组织组成:F、A、Fe3CI、Fe3CII、Fe3CIII、P、Ld、Ld’相图中的相区：1）单相区5个：L、δ、A、F、Fe3C2）双相区7个：δ+L、δ+A、A+L、L+Fe3C、Fe3C、A+F、F+Fe3C3）三相区3个：L+δ+A、L+A+Fe3C、A+F+Fe3C包晶线共晶线共析线1、工业纯铁Wc≤0.02%2、碳素钢0.02%＜Wc≤2.11%1）共析钢Wc=0.07%2）亚共析钢0.02%＜Wc＜0.77%3）过共析钢0.77%＜Wc≤2.11%3、白口铸铁2.11%＜Wc＜6.69%1）共晶白口铸铁Wc=4.3%2）亚共晶白口铸铁2.11%＜Wc＜4.3%3）过共晶白口铸铁4.3%＜Wc＜6.69%WC≦2.11%时（纯铁及碳素