材料結(jié)構(gòu)組織與性能帶答案

1、一、什么是材料？三大材料 材料是指具有滿足指定工作條件下使用要求的形態(tài)和各種性能的物質(zhì)，是人們生活及組成生產(chǎn)工具的物質(zhì)基礎(chǔ)。金屬材料、無機非金屬材料和有機高分子材料二、材料的性能分類 使用性能(物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能)，工藝性能（工藝性能是指材料在各種加工和處理中所應(yīng)具備的性能，如鑄造性能、鍛造性能、切削性能、焊接性能和熱處理性能等）三、材料的力學(xué)性能 材料的力學(xué)性能是指材料在外加載荷作用下或載荷與環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)和加載速度）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出來的行為。金屬材料的力學(xué)性質(zhì)決定與材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、冶金質(zhì)量、殘余應(yīng)力及表面和內(nèi)部缺陷等內(nèi)在因素，也決定與載荷性質(zhì)（靜載荷、沖擊載荷、

2、交變載荷）、應(yīng)力狀態(tài)（拉、壓、彎、扭、剪等）、溫度和環(huán)境介質(zhì)等外在因素。1. 強度指標 彈性變形階段的強度指標（彈性極限e =Fe/A0（MPa）式中：e 為e點對應(yīng)的應(yīng)力，F(xiàn)e為e點對應(yīng)的載荷，A0為試樣原始截面積。彈性模量=E，其中比例系數(shù)E即是彈性模量）塑性變形階段的強度指標（屈服極限s=Fs/A0（MPa）屈服強度0.2=F0.2/A0（MPa） 在S點附近，此時應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)一個平臺，表示材料開始產(chǎn)生塑性變形，其對應(yīng)的應(yīng)力叫屈服極限s。但對于大多數(shù)合金鋼或淬火回火材料，應(yīng)力應(yīng)變曲線無屈服平臺出現(xiàn)，此時，規(guī)定以產(chǎn)生試樣原始長度0.2%的塑性變形所對應(yīng)的應(yīng)力作為條件屈服極限，稱為屈服

3、強度0.2?？估瓘姸?b=Fb/A0（MPa）斷裂階段的強度指標（斷裂強度k）2.塑性指標 延伸率（=L/L0×100%=（Lf-L0）/L0×100%） 斷面收縮率=（A0-A1）/A0×100%式中A0為試樣原始橫截面積A1為試樣斷裂后縮頸處的最小橫截面積。3.韌性指標 沖擊韌度(ak=Ak/AN（J/m2）式中AN為試樣缺口根部的原始截面積。) 斷裂韌度 靜力韌度4. 硬度指標 布氏硬度(HB球壓頭測定試樣表面的壓痕直徑d) 洛氏硬度(HR圓錐壓頭測深度) 維氏硬度(HV四棱錐壓頭同布) 肖氏硬度(HS從一定高度處自由落到試樣表面，根據(jù)沖頭的回彈高度來表征材

4、料硬度的大小) 四、應(yīng)力應(yīng)變曲線 設(shè)試樣單位面積的載荷為應(yīng)力，試樣單位原始長度的伸長為應(yīng)變，則得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在拉伸載荷作用下，材料經(jīng)由彈性變形屈服塑性變形斷裂等幾個階段。五、金屬的鍵結(jié)構(gòu) 金屬的原子結(jié)構(gòu)特征是最外層電子少，易于脫落，而形成自由電子自由電子可以在金屬中移動而形成所謂的電子云。電子云帶有負電，另一方面失去電子的金屬原子帶有正電而成為陽離子，因此，電子云和陽離子之間所作用的引力和離子相互間及電子相互間的斥力之間形成平衡而發(fā)生結(jié)合。這種結(jié)合叫做金屬鍵。 金屬晶體因為有自由電子的存在，其導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好，并且結(jié)合力的方向性小，原子會盡量高密度排列，富于延展性，強度的變化范圍大。六、

5、金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.晶體 指其內(nèi)部原子（分子或離子）在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物體。 2.晶體結(jié)構(gòu) 金屬的許多特性都與晶體中原子（分子或離子）的排列方式有關(guān)，因此分析金屬的晶體結(jié)構(gòu)是研究金屬材料的一個重要方面。3. 陣點 把晶體中的原子（分子或離子）抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點。 4.晶格 用一系列平行直線將陣點連接起來，形成一個三維的空間格架三種常見的晶體結(jié)構(gòu) 。 5.晶胞 從晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元來研究晶體結(jié)構(gòu)。 6.晶格常數(shù) 為了描述單位晶胞的大小和形狀，以單位晶胞角上的某一陣點為原點，以該單位晶胞上過原點的三個棱邊為三個坐標軸X、Y、Z（稱為晶軸），

6、則單位晶胞的大小和形狀就由這三條棱邊的長度a、b、c描述，稱為晶格常數(shù)。 7.軸間夾角 通常、和分別表示Y-Z軸、Z-X軸和X-Y軸之間的夾角、。 晶格常數(shù)（a、b、c）和軸間夾角（、）是描述晶體結(jié)構(gòu)的6個參數(shù)。面心立方結(jié)構(gòu) “fcc”， 體心立方結(jié)構(gòu) “bcc”，密排六方結(jié)構(gòu) “hcp”。七、單晶體與多晶體 由很多晶粒組成的，叫多晶體。晶粒之間的界面稱為晶界。每一晶粒相當(dāng)於一個單晶體。晶體有三個特征(1)晶體有一定的幾何外形；(2)晶體有固定的熔點；(3)晶體有各向異性的特點.單晶體是原子排列規(guī)律相同,晶格位相一致的晶體.例如：單晶硅.多晶體是由很多具有相同排列方式但位向不一致的很多小晶粒組

7、成的則稱為多晶體.例如：常用的金屬.單晶體具有晶體的三個特征.多晶體具有前兩項特征,但具有各向同性的特點.多晶體 整個物體是由許多雜亂無章的排列著的小晶體組成的,這樣的物體叫多晶體.例如：常用的金屬.原子在整個晶體中不是按統(tǒng)一的規(guī)則排列的,無一定的外形,其物理性質(zhì)在各個方向都相同.八、實際金屬中的晶體缺陷 1.點缺陷 其特征是三個方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子的尺寸，例如空穴、填隙型原子、置換型原子，不管是哪類點缺陷，都會造成晶格畸變，這將對金屬的性質(zhì)產(chǎn)生影響，如使屈服強度升高、電阻增大、體積膨脹等；2.線缺陷 其特征是在兩個方向上的尺寸很小，另一個方向上的尺寸相對很大。屬于這一類缺陷的主要是

8、位錯；3.面缺陷 其特征是在一個方向上的尺寸很小，另兩個方向上的尺寸相對很大，例如晶界、亞晶界。 九、金屬的塑性變形 單晶體的塑性變形 1.滑移 在切應(yīng)力的作用下，晶體的一部分沿一定晶面（滑移面）的一定晶向（滑移方向）相對于另一部分發(fā)生滑動的現(xiàn)象稱為滑移?；浦饕l(fā)生在原子排列最緊密或較緊密的晶面上，并沿著這些晶面上原子排列最緊密的方向進行?；葡? 晶體中每個滑移面和該面上的一個滑移方向組成系統(tǒng)。晶體中的滑移系越多，意味著其延展性越好。2.孿生 十、金屬冷變形和加熱后組織結(jié)構(gòu)的變化 十一、金屬的熱加工 如前所述，冷塑性變形引起的加工硬化，可以通過加熱發(fā)生再結(jié)晶來加以消除。如果金屬在再結(jié)晶溫度

9、以上進行壓力加工，那么塑性變形所引起的加工硬化就可以立即被再結(jié)晶過程所消除。在再結(jié)晶溫度以上的加工稱為熱加工，在再結(jié)晶溫度以下的加工稱為冷加工。 在熱加工過程中，金屬內(nèi)部同時進行著加工硬化和再結(jié)晶軟化這兩個相反的過程，不過此時的再結(jié)晶是在加工的同時發(fā)生的，稱為動態(tài)再結(jié)晶，它與上一節(jié)介紹的冷加工后退火時發(fā)生的再結(jié)晶是不盡相同的。有時在熱加工過程中硬化和軟化這兩個因素不能剛好全部抵消。十二、合金相的分類 十三、固溶體 如果合金的組元在固態(tài)下能彼此相互溶解，則在液態(tài)合金凝固時，組元的原子將共同地結(jié)晶成一種晶體，晶體內(nèi)包含有各種組元的原子，晶格的形式與其中一組元相同，這樣，這些組元就形成了固溶體。晶格

10、與固溶體相同的組元為固溶體的溶劑，其它組元為溶質(zhì)。由此可見，固溶體是溶質(zhì)原子溶入固態(tài)的溶劑中，并保持溶劑晶格類型而形成的相。十四、固溶強化、形變強化（加工硬化）的概念固溶強化：合金元素加入純鋁中后，形成鋁基固溶體，導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，增加了位錯運動的阻力，由此提高鋁的強度。合金元素的固溶強化能力同其本身的性質(zhì)及固溶度有關(guān)。其中，Zn、 Ag、 Mg的溶解度較高，超過10；其次是Cu、Li、Mn、Si等，溶解度大于1。一般說來，固溶度越高，獲得的固溶強化效果就越好。金屬經(jīng)塑性變形，其機械性質(zhì)將發(fā)生明顯的變化，即隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度增加，而塑性、韌性下降，這一現(xiàn)象稱為加工硬化。十五、

11、鐵碳合金相圖中鋼的室溫平衡組織及鐵素體、奧氏體、滲碳體、珠光體、馬氏體等的概念 FeC相圖是在緩慢冷卻條件下指導(dǎo)分析相變的圖形，其獲得的組織稱為平衡組織，它不能用于分析在不同的冷卻速度下的組織變化。1.碳在鐵中的固溶體(碳在-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，常用符號F或表示，其最大溶解度為0.0218wt%C，發(fā)生于727，碳多存在于體心立方結(jié)構(gòu)的八面體空隙。鐵素體與-Fe在居里點770以下均具有鐵磁性。碳在-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，常用符號A或表示，其最大溶解度為2.11wt%C，發(fā)生于1148，碳多存在于面心立方結(jié)構(gòu)的八面體空隙。奧氏體與-Fe均具有順磁性。)2.鐵碳化合物(F

12、e3C稱為滲碳體，是一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性幾乎為零。)3.在PSK 水平線（727）發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是鐵素體F和滲碳體Fe3C的機械混合物，稱為珠光體，用符號P表示。所有含碳量超過0.0218%的鐵碳合金都發(fā)生這個轉(zhuǎn)變。共析轉(zhuǎn)變溫度通常稱為A1溫度。4.由于馬氏體相變的溫度低，相變速度快，只發(fā)生鐵的晶體結(jié)構(gòu)的變化，而碳原子來不及重新分布，被迫保留在馬氏體中，其碳含量與母相奧氏體相同，因此馬氏體是碳在-Fe中的過飽和固溶體，具有體心正方結(jié)構(gòu)。大量碳原子的過飽和造成原子排列發(fā)生畸變，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，因此馬氏體具有高的硬度和強度。馬氏體中的碳含量

13、越高，其硬度和強度越高，但脆性越大。另外，由于發(fā)生馬氏體相變時伴有體積膨脹，馬氏體相變結(jié)束時總有少量奧氏體被保留下來，這部分奧氏體稱為殘余奧氏體，用或A表示。馬氏體是鋼中組織中的硬度之冠 十六、鋼的非平衡組織及C曲線 碳鋼經(jīng)退火、正火可得到平衡或接近平衡組織，經(jīng)淬火得到的是非平衡組織。奧氏體在臨界點以上為穩(wěn)定相，臨界點以下為不穩(wěn)定相。常把臨界點以下存在且不穩(wěn)定的奧氏體稱為“過冷奧氏體”。描述過冷奧氏體恒溫冷卻時的溫度-時間-相變曲線稱為恒溫冷卻轉(zhuǎn)變曲線，簡稱TTT曲線。因其形狀像英文字母“C”，故又稱C曲線。十七、針狀馬氏體與下貝氏體的區(qū)分針狀馬氏體在一個奧氏體晶粒內(nèi)下貝氏體則不一定;針狀馬氏

14、體針葉之間往往呈60或120度，下貝氏體無一定度數(shù);針狀馬氏體針葉之間往往呈齒狀或垳架狀且針葉不互相穿透,下貝氏體針葉隨機分布象竹葉一樣交叉穿透。不同溫度產(chǎn)生的不同的相變組織，貝氏體是在中溫等溫下轉(zhuǎn)變的亞穩(wěn)態(tài)組織，由鐵素體和彌散的碳化物組成；上貝氏體就是在相對高溫區(qū)相變的；其外觀形貌似羽毛狀，也稱羽毛狀貝氏體。沖擊韌性較差，馬氏體已經(jīng)解釋的很清楚了，就不多說了；二者之間的主要區(qū)別就是不同溫度，不同形態(tài)，上貝氏體是要盡量避免產(chǎn)生的不良組織，而有的馬氏體是我們需要獲得的一種組織。十八、獲得全馬氏體的基本條件及結(jié)構(gòu)鋼中加入合金元素的主要目的 形成馬氏體的條件：冷卻速度大于馬氏體的臨界冷卻速度，即：V

15、>Vk。在結(jié)構(gòu)鋼中，加入合金元素的主要目的是為了提高鋼的淬透性。十九、什么叫回火組織？回火組織有哪些？回火是將淬火鋼重新加熱至A1點以下某一溫度，保溫一定時間后，以適當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s至室溫的熱處理工藝。二十、區(qū)分鋼與鐵的根據(jù)？區(qū)分白口鑄鐵與灰鑄鐵的根據(jù)？鐵和鋼的區(qū)別：鐵分為生鐵和熟鐵。熟鐵、鋼和生鐵都是鐵碳合金，以碳的含量多少來區(qū)別。一般含碳量小于0.2%的叫熟鐵或純鐵，含量在0.2-1.7%的叫鋼，含量在1.7%以上的叫生鐵。熟鐵軟，塑性好，輕易變形，強度和硬度均較低，用途不廣；生鐵含碳很多，硬而脆，幾乎沒有塑性；鋼具有生鐵和熟鐵兩種優(yōu)點，為人類廣泛利用。鑄鐵鋼的基體石墨，與鋼相比成分中含

16、有較多的Si、P、S等。鑄鐵是含碳量大于2.11的鐵碳合金。在工業(yè)生產(chǎn)中，因冶煉、原材料等因素，鑄鐵成分中一般還含有硅、錳、磷、硫等元素，所以實際應(yīng)用的鑄鐵是以鐵、碳、硅為主的多元鐵基合金。通常按有無共晶轉(zhuǎn)變來區(qū)分碳鋼和鑄鐵，即含碳量小于2.11%為碳鋼，大于2.11%為鑄鐵，灰口鑄鐵。含碳量較高（2.74.0），碳主要以片狀石墨形態(tài)存在，斷口呈灰色，簡稱灰鐵。熔點低（11451250），凝固時收縮量小，抗壓強度和硬度接近碳素鋼，減震性好。用于制造機床床身、汽缸、箱體等結(jié)構(gòu)件。 白口鑄鐵。碳、硅含量較低，碳主要以滲碳體形態(tài)存在，斷口呈銀白色。凝固時收縮大，易產(chǎn)生縮孔、裂紋。硬度高，脆

17、性大，不能承受沖擊載荷。多用作可鍛鑄鐵的坯件和制作耐磨損的零部件。二十一、什么叫灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵及它們的組織形貌圖灰鑄鐵是一種斷面呈深灰色，石墨形狀為片狀，應(yīng)用最為廣泛的鑄鐵（見圖）?；诣T鐵的片狀石墨對基體有很大的割裂作用，石墨尖端易形成應(yīng)力集中，在所有鑄鐵中，是石墨形狀最差的一種?；诣T鐵的特性：1.優(yōu)良的鑄造性能， 2.優(yōu)良的耐磨性、消振性和切削加工性。球狀石墨鑄鐵是指石墨形狀為球形的鑄鐵。球狀石墨對基體的割裂和應(yīng)力集中作用都降到了最小程度，從而使基體組織的強度、塑性和韌性的潛力得以發(fā)揮。通過熱處理可獲得各種基體組織，使球墨鑄鐵在力學(xué)性能方面有較大的調(diào)整幅度。正火狀態(tài)時，

18、基體為珠光體加鐵素體，其強度大大超過灰鑄鐵，接近含碳量為0.45%的碳素結(jié)構(gòu)鋼正火狀態(tài)的強度指標，同時保持了相當(dāng)好的塑性和韌性。等溫淬火后，基體組織為貝氏體，雖塑性、韌性有所降低，但強度可比正火狀態(tài)提高約70。球墨鑄鐵不僅強度接近鋼的水平，而且屈強比比鋼高得多。與此同時，球墨鑄鐵保持了灰鑄鐵的某些優(yōu)良特性，如良好的流動性，易于鑄造成形，生產(chǎn)方法和設(shè)備簡單，成本較低，切削加工性能優(yōu)良等，所以球墨鑄鐵是一種以鐵代鋼、以鑄代鍛的材料。目前，球墨鑄鐵大量用來制造曲軸、凸輪軸、連桿、齒輪、蝸輪、軋輥等。球墨鑄鐵的特點:1、化學(xué)成分的特點之一是碳硅含量高，這樣可使其成分接近共晶點，從而提高鐵水的流動性。鎂

19、是主要的球化元素，同時也是強烈的反石墨化元素；較高的硅含量可有效抑制鎂引起的白口傾向；球墨鑄鐵化學(xué)成分的第二個特點是低磷、低硫；2、石墨的球化使得改善基體組織有了意義，因此球墨鑄鐵往往要進行熱處理。球墨鑄鐵常用的熱處理有退火、正火、調(diào)質(zhì)、等溫淬火等；3、具有較高的強韌性，是當(dāng)前“以鑄代煅”的重要材料?？慑戣T鐵：將白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火處理，使其滲碳體分解為團絮狀石墨所得到的鑄鐵叫可鍛鑄鐵,可鍛鑄鐵的石墨形態(tài)見圖。 由于石墨呈團絮狀，與灰鑄鐵的片狀石墨相比，大大減小了對基體的割裂作用。其強度、塑性、韌性都高于灰鑄鐵。雖然球狀石墨鑄鐵的性能優(yōu)良，在許多應(yīng)用領(lǐng)域取代了可鍛鑄鐵，但可鍛鑄鐵的鐵水處理簡單

20、、質(zhì)量穩(wěn)定，尤其是白口鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能，特別適合鑄造薄壁件，所以可鍛鑄鐵被大量用以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的管件，如管接頭、彎頭、水龍頭等。石墨化退火工藝改進后，生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)成本隨之降低，所以可鍛鑄鐵是一種重要的鑄鐵品種。石墨呈蠕蟲狀的鑄鐵叫蠕墨鑄鐵。蠕蟲狀石墨的形態(tài)介于球狀與片狀之間，在光學(xué)顯微鏡下呈短桿狀（見圖），與灰鑄鐵的片狀石墨相近，但長、厚方向尺寸比較小，端部較鈍、較圓,局部又接近球狀。蠕墨鑄鐵是近三十年發(fā)展起來的一種新型鑄鐵，在高溫鐵水中加入蠕化劑即可制得蠕墨鑄鐵。常用的蠕化劑有鎂鈦合金、稀土鎂鈦合金等。蠕墨鑄鐵的性能特點是：強度及塑性高于灰鑄鐵但低于球墨鑄鐵，有較高的耐磨性和一定的韌性，鑄造性能與灰鑄鐵一樣良好。在生產(chǎn)中，只要將球化劑的加入量減少就能得到蠕墨鑄鐵，但其控制比完全球化還難，為此還要加入球化阻礙元素，如Ti等。蠕墨鑄鐵可用于制造曲軸箱、齒輪箱、鏈輪、偏心齒輪、鋼錠模、汽缸頭、飛輪等，由于蠕墨鑄鐵具有較高的熱導(dǎo)率，所以可以制造承受熱疲勞的零件。二十三、石墨形態(tài)對鑄鐵性能的影響 鑄鐵里含有石墨，在灰口鑄鐵和白口鑄鐵里的石墨成片狀分布，對鑄鐵的基體組織，產(chǎn)生切割作用，