工程材料復(fù)習(xí)資料(上)

1、一. 晶胞P10晶體中原子（離子和分子）規(guī)則排列的方式稱為晶體結(jié)構(gòu)。為方便研究，假設(shè)通過金屬原子（離子）的中心畫出許多空間直線，這些直線形成的空間架構(gòu)，稱為晶格。能反映該晶格特征的最小組成單元稱為晶胞。晶胞在三維空間重復(fù)排列構(gòu)成晶格。三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)：1. 體心立方晶胞（格）BCCTi V Cr Mn Fe Mo W2. 面心立方晶胞（格）FCC Al Mn Fe Co Ni Cu Ag Pt Au Pb3. 密排六方晶胞（格）HCP Be Mg Ti Cr Co Zn 二. 晶體缺陷p17按照幾何特征，晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷。（1） 點(diǎn)缺陷p17在三維尺度很小不超過幾個(gè)原子

2、直徑的缺陷。1 空位在晶體晶格中，若某結(jié)點(diǎn)上沒有原子，則此結(jié)點(diǎn)稱為空位。塑性變形、高能粒子輻射、熱處理等會(huì)促進(jìn)空位的形成。2 間隙原子位于晶格間隙中的原子叫間隙原子。間隙原子會(huì)造成其附近晶格的很大畸變。3 異類原子任何純金屬中存在的其他元素原子。當(dāng)異類原子的半徑比金屬原子的半徑接近時(shí)，異類原子可能占據(jù)晶格的一些結(jié)點(diǎn)。當(dāng)異類原子半徑比金屬原子半徑小時(shí)，異類原子位于晶格的空隙中。點(diǎn)缺陷造成局部晶格畸變，使金屬的電阻率、屈服強(qiáng)度增加，密度發(fā)成變化?？瘴坏拇嬖谟欣诮饘賰?nèi)部原子的遷徙（擴(kuò)散）。在純金屬中，主要的缺陷是空位，并非間隙原子。 （2） 線缺陷p181 刃型位錯(cuò)在金屬晶體中，晶體的一部分相對(duì)于

3、另一部分出現(xiàn)一個(gè)多余的原子面，這個(gè)多余的半原子面猶如切入晶體的刀片，刀片的刃口線為位錯(cuò)線。2 螺型位錯(cuò)晶體的錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連接，具有螺旋形特征。螺旋線的中心線是位錯(cuò)線。A 位錯(cuò)導(dǎo)致晶格畸變產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，刃型位錯(cuò)原子排列較密集區(qū)域原子受壓應(yīng)力，原子排列較疏區(qū)域原子受拉應(yīng)力。B 刃型位錯(cuò)容易吸納異類原子。原子排列較密集區(qū)域吸納小直徑的異類原子，原子排列較疏區(qū)域吸納大直徑的異類原子。C 位錯(cuò)具有易動(dòng)性，在外力作用下，位錯(cuò)能產(chǎn)生移動(dòng)。刃型位錯(cuò)移動(dòng)的方向與切應(yīng)力方向相同，螺型位錯(cuò)移動(dòng)方向與切應(yīng)力方向垂直。D 少量位錯(cuò)降低材料性能，大量位錯(cuò)提高材料性能。E 在外力或熱的作用下位錯(cuò)移動(dòng)，正負(fù)型位錯(cuò)能復(fù)合或消

4、失。F 位錯(cuò)能與間隙原子或空位復(fù)合，使人性位錯(cuò)半原子面擴(kuò)大或縮小。（位錯(cuò)攀移）（3） 面缺陷二維尺度很大而三維尺度很小的缺陷。1 晶界晶粒與晶粒之間的接觸面叫晶界。晶界在空中呈網(wǎng)狀，晶界上原子的排列規(guī)則性較差。2 亞晶界晶粒由許多相位差很小的亞晶粒組成，晶粒中的亞晶粒又稱晶塊（鑲嵌塊）。亞晶粒之間的邊界為亞晶界。亞晶界是晶粒內(nèi)的一中面缺陷。在晶界、亞晶界上，晶格畸變較大，原子處于較高的能量狀態(tài)。A 晶界處原子的平均能量比晶內(nèi)高，晶粒長大和晶界的平直化可以降低晶界的總能量。在高溫時(shí)，晶粒容易長大。B 晶界處于存在較多的空位、位錯(cuò)，容易吸附異類原子，導(dǎo)致某些元素產(chǎn)生晶界偏聚。C 發(fā)生相變時(shí)，新相往

5、往在母相的晶界中形成。母相晶粒越細(xì)晶界越多，新相的晶粒就越多越細(xì)。D 晶界和亞晶界均可以提升金屬強(qiáng)度。晶界越多，晶粒越細(xì)，金屬的塑性變形能力越大，塑形越好。三 合金的晶體結(jié)構(gòu)p221. 組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元叫組元。組元可以是金屬元素、非金屬元素穩(wěn)定化合物。2. 合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能比純金屬高。某些合金還有特殊的電、磁、耐熱、耐蝕等物理化學(xué)性能。3.在金屬或合金中，具有一定化學(xué)成分和一定晶體結(jié)構(gòu)的均勻組成部分叫相。液態(tài)物質(zhì)為液相，固態(tài)物質(zhì)為固相。固態(tài)金屬有固溶體和金屬化合物兩類基本相。（1） 固溶體合金組元通過溶解形成一種成分和性能均勻、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相為固溶體

6、。溶質(zhì)在溶劑晶格中的位置 置換固溶體 間隙固溶體置換固溶體中溶質(zhì)原子代替了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)的原子，間隙固溶體中溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中。 溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度 有限固溶體 無限固溶體 溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否規(guī)律 有序固溶體 無序固熔體在一定條件下，一些合金的無序固溶體可以轉(zhuǎn)化為有序固溶體，這種轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚧影霃健㈦娀瘜W(xué)特性接近、晶格類型相同的組元，容易形成置換固溶體，并有可能形成無限固溶體。當(dāng)組元原子半徑相差較大時(shí)，容易形成間隙固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體，并一定是無序的。無限固溶體和有序固溶體一定是置換固溶體。固溶體的性能隨溶質(zhì)原子的溶入，固溶體晶格發(fā)生畸變。晶格畸變隨溶

7、質(zhì)原子濃度的增高而增大。晶格畸變會(huì)增大位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變得困難，從而提高合金的硬度和強(qiáng)度。這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱之為固溶強(qiáng)化。四 金屬材料的組織p24金屬材料的組織取決于它的化學(xué)成分和制造工藝過程。不同的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金在平衡結(jié)晶后獲得的室溫組織不同。五 金屬材料的性能特點(diǎn)p26金屬材料的性能 工藝性能 制造工藝過程中材料適應(yīng)加工的性能 使用性能 金屬材料在使用條件下所表現(xiàn)的性能 力學(xué) 物理 化學(xué)1 金屬的工藝性能 流動(dòng)性 熔融金屬的流動(dòng)能力（1） 鑄造性能 收縮性 鑄件在凝固冷卻過程中體積和尺寸減少的現(xiàn)象 偏析傾向 凝固后 鑄件化學(xué)成分和組織不均勻現(xiàn)象

8、（2） 鍛造性能 塑形越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。（3） 焊接性能 碳含量和合金元素含量越高，焊接性能越差。（4） 切削加工性能 2 金屬材料的力學(xué)性能p28（1） 強(qiáng)度 金屬材料抵抗塑形變形或斷裂的能力（2） 塑形 斷裂前金屬材料產(chǎn)生永久變形能力，用斷后伸長率和斷面收縮率來表示。P30（3） 硬度 受壓時(shí)抵抗局部塑形變形的能力。 布氏硬度 洛氏硬度（4） 韌性 （5） 疲勞強(qiáng)度（6） 斷裂韌性3 金屬材料的理化性能p33(1) 密度 =m/v(2) 熔點(diǎn)(3) 導(dǎo)熱性(4) 導(dǎo)電性(5) 熱膨脹性 溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，鐵磁性材料磁疇被破壞，可變?yōu)轫槾朋w，這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點(diǎn)，

9、鐵的居里點(diǎn)是770度。4 金屬的化學(xué)性能（1） 耐腐蝕性（2） 抗氧化性六 高分子材料的力學(xué)性能特點(diǎn)線性非晶態(tài)高聚物的力學(xué)狀態(tài)p42A 玻璃態(tài)B 高彈態(tài)C 粘流態(tài) 七 純金屬的結(jié)晶p581. 過冷度理論結(jié)晶溫度T0與開始結(jié)晶溫度Tn之差為過冷度，用T表示 T=T0-Tn 在恒溫條件下，只有引起體能自由度（即對(duì)外做功的那部分能量）降低的過程才能自發(fā)進(jìn)行。2. 純金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬結(jié)晶是由形核和長大兩個(gè)密切聯(lián)系的基本過程來實(shí)現(xiàn)的。晶核的形成有自發(fā)形核和非自發(fā)形核兩種方式。（1） 自發(fā)形核液態(tài)中，大于臨界晶核尺寸的短程有序原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，形成結(jié)晶核心（在一定過冷度下能形成結(jié)晶核心的短程有序原子

10、集團(tuán)的最小半徑叫臨界晶核尺寸。過冷度越大，臨界晶核尺寸越小。）（2）非自發(fā)形核 實(shí)際金屬往往含有雜質(zhì)。雜質(zhì)的存在能促進(jìn)晶核的形成。依附雜質(zhì)而生成的晶核叫非自發(fā)晶核。自發(fā)晶核和非自發(fā)晶核是同時(shí)存在的，在實(shí)際金屬和合金中，非自發(fā)形核比自發(fā)形核更重要，往往起優(yōu)先主導(dǎo)的作用。 3.晶體的長大 平面長大 樹枝狀長大八.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變p59在固態(tài)存在兩種及兩種以上的晶格形式的金屬在冷卻或加熱過程中，晶格形式發(fā)生變化的。金屬在固態(tài)下隨溫度的改變，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象。液態(tài)純鐵在1538時(shí)進(jìn)行結(jié)晶，得到具有體心立方晶格的-Fe。繼續(xù)冷卻到1394時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱為面心立方晶格的-Fe。再冷卻到

11、912時(shí)又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，成為體心立方晶格-Fe。九.鑄錠p60 細(xì)等軸晶區(qū) 柱狀晶區(qū) 粗等軸晶區(qū)十.細(xì)晶強(qiáng)化p61 金屬的晶粒越小，金屬的強(qiáng)度、塑形和韌性越好。使細(xì)晶強(qiáng)化，是提高金屬力學(xué)性能的重要途徑之一。1.細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施 過冷度 變質(zhì)處理 震動(dòng) 電磁攪拌 2.定向結(jié)晶3.單晶的制取根據(jù)結(jié)晶理論，制備單晶的基本要求是只存在一個(gè)晶核，要嚴(yán)格防止另外形核。制取方法 尖端形核法 垂直提拉法十一.鐵三相圖 p73十二.加工硬化p891.金屬發(fā)生塑形變形，隨變形度的增大，金屬強(qiáng)度和硬度顯著提高，塑性和韌性明顯下降的現(xiàn)象為加工硬化（形變強(qiáng)化）。2.由于纖維組織和形變織構(gòu)的形成，使金屬的性能產(chǎn)

12、生各向異性。（如沿纖維方向的強(qiáng)度和塑形明顯高于垂直方向的）用有織構(gòu)的板材沖制桶形零件時(shí)，由于在不同方向上塑形差別很大，零件的邊緣出現(xiàn)“制耳”。3.產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力由于金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，金屬內(nèi)部變形不均勻，位錯(cuò)、空位等晶體缺陷增多，金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余內(nèi)應(yīng)力，即外力去除后，金屬內(nèi)部會(huì)殘留下來應(yīng)力。十三.金屬的再結(jié)晶p90金屬經(jīng)塑形變形后，組織結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生很大的變化。如果對(duì)變形后金屬進(jìn)行加熱，金屬的組織結(jié)構(gòu)和性能又會(huì)發(fā)生變化。隨加熱溫度的提高，變形金屬將相繼發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大的過程。1.回復(fù)變形后的金屬在較低溫度進(jìn)行加熱，會(huì)發(fā)生回復(fù)過程。產(chǎn)生回復(fù)的溫度是T回復(fù)=（0.250.3）T熔點(diǎn) 式

13、中T熔點(diǎn)表示該金屬的熔點(diǎn)。由于加熱溫度不高，原子擴(kuò)散能力不大，只是晶粒內(nèi)部位錯(cuò)、空位、間隙原子等缺陷通過移動(dòng)、復(fù)合消失而大大減少。而晶粒仍保持變形后的形態(tài)，變形金屬的顯微組織不再發(fā)生明顯變化。此時(shí)材料的強(qiáng)度和硬度略微降低、塑性有增高，但是殘余應(yīng)力大大降低。工業(yè)上常利用回復(fù)過程對(duì)變形金屬進(jìn)行去應(yīng)力退火，以降低殘余內(nèi)應(yīng)力，保證加工硬化效果。2.再結(jié)晶變形后的金屬在較高溫度加熱時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增大，被拉長（壓扁）、破粹的晶粒通過重新形核和長大變成均勻、細(xì)小的等軸晶，這個(gè)過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶生成的新晶粒的晶格類型與變形前、后的晶格類型均相同。變形金屬進(jìn)行再結(jié)晶后，金屬的強(qiáng)度和硬度明顯降低，而韌性和塑形大大提高，加工硬化現(xiàn)象消除，此時(shí)內(nèi)應(yīng)力