工程材料復習資料

材料的性能及應用意義變形：材料在外力作用下產(chǎn)生形狀與尺寸的變化。強度：材料在外力作用下對變形與斷裂的抵抗能力。（對塑性變形的抗力）比例極限（σp）彈性極限（σe）屈服點或屈服強度（σs、σ0.2）抗拉強度（σb）比強度：各種強度指標與材料密度之比。屈強比：材料屈服強度與抗拉強度之比。塑性：指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，即材料斷裂前的塑性變形的能力。硬度：反映材料軟硬程度的一種性能指標，表示材料表面局部區(qū)域內抵抗變形或破裂的能力。韌性：材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。布氏硬度HBW洛氏硬度HR（優(yōu)點：操作迅速簡便，壓痕較小，幾乎不損傷工件表面，故而應用最廣。）維氏硬度HV疲勞斷裂特點：①斷裂時的應力遠低于材料靜載下的抗拉強度甚至屈服強度；②斷裂前無論是韌性材料還是塑性材料均無明顯的塑性變形。疲勞過程的三個基本組成階段：疲勞萌生、疲勞擴展、最后斷裂材料的結構鍵：在固體狀態(tài)下，原子聚集堆積在一起，其間距足夠近，它們之間便產(chǎn)生了相互作用力，即為原子間的結合力或結合鍵。根據(jù)結合力的強弱，可把結合鍵分為兩大類：強鍵（包括離子鍵、共價鍵、金屬鍵）和弱鍵（即分子鍵）。共價鍵晶體和離子鍵晶體結合最強，金屬鍵晶體次之，分子鍵晶體最弱。晶體：原子在三維空間中有規(guī)則的周期性重復排列的物質。各向異性：晶體具有固定熔點且在不同方向上具有不同的性能。晶格：晶體中原子（或離子、分子）在空間呈規(guī)則排列，規(guī)則排列的方式就稱為晶體結構。結點：將構成晶體的實際質點抽象成純粹的幾何點。體心立方晶格：晶胞原子數(shù)2面心立方晶格：晶胞原子數(shù)4密排六方晶格：晶胞原子數(shù)6晶體缺陷：原子的排列不可能像理想晶體那樣規(guī)則完整，而是不可避免地或多或少地存在一些原子偏離規(guī)則排列的區(qū)域，這就是晶體缺陷。晶體缺陷按幾何特征可分為點缺陷、線缺陷（位錯）和面缺陷（如晶界、亞晶界）三類。點缺陷：空位、間隙原子、置換原子線缺陷特征：兩個方向的尺寸很小，在另一個方向的尺寸相對很大。位錯：晶體中有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。實際金屬晶體中存在的位錯等晶體缺陷，晶體的強度值降低了2-3個數(shù)量級。面缺陷：晶界、亞晶界材料的凝固與結晶組織凝固：物質從液態(tài)轉化為固態(tài)的過程。結晶：物質從液態(tài)轉化為固態(tài)后，固態(tài)物質是晶體，這種凝固的過程就是結晶。過冷：金屬的實際結晶溫度低于理論結晶溫度的現(xiàn)象。二者之差稱為過冷度（△T），△T=Tm-Tn。過冷度越大，實際結晶溫度越低。同一種金屬，其純度越高，則過冷度越大；冷卻速度越快，則實際結晶溫度越低，過冷度越大。結晶過程：金屬的結晶過程是形核與長大的過程。形核方式：均質形核（自發(fā)形核）、異質形核（非自發(fā)形核）細晶強化：用細化晶粒來提高材料強度的方法。（晶粒越細，晶界越多，也越曲折，強化作用越顯著。）晶粒大小對金屬性能的影響：細晶粒金屬晶界多，晶界處晶格扭曲畸變，提高了塑性變形的抗力，使其強度、硬度提高。細晶粒金屬晶粒數(shù)目多，變形可均勻分布在許多晶粒上，使其塑性好。因此，在常溫下晶粒越小，金屬的強度、硬度越高，塑性、韌性越好。細化鑄錠和焊縫區(qū)的晶粒方法：①控制過冷度（增加過冷度可提高N/G值，有利于細化晶粒）②變質處理③振動處理同素異構：某些金屬元素和非金屬元素在不同溫度和壓力下，具有不同類型的晶體結構。合金：合金是由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。組元：組成合金的最基本的獨立物質稱為組元，組元可以是元素或穩(wěn)定化合物。工業(yè)上廣泛使用的碳鋼和鑄鐵，就是由鐵和碳兩種組元組成的二元合金。固溶體：溶質原子溶入金屬溶劑中所組成的合金相稱為固溶體。（間隙固溶體、置換固溶體）固溶強化：由于外來原子（溶質原子）溶入基體中形成固溶體而使其強度、硬度升高的現(xiàn)象，此是金屬強化的重要形式。金屬化合物：①正常價化合物②電子化合物③間隙相和間隙化合物二元合金相圖：①勻晶相圖②共晶相圖典型三晶區(qū)組織：①表層細晶區(qū)②柱狀晶區(qū)③中心等軸晶區(qū)等軸晶：由于中心部位的溫度大致均勻，每個晶粒的成長在各方向上也是接近一致的，故形成了等軸晶。冶金缺陷：①縮孔②疏松③氣泡④裂紋⑤偏析材料的變形斷裂與強化機制單晶體塑性變形的主要方式：滑移和孿生（常溫與低溫下）冷塑性變形對金屬組織結構的影響：①顯微組織的變化②亞結構的細化③變形織構④殘留應力變形織構：一是拉拔時形成的織構，稱為絲織構，其主要特征是各個晶粒的某一晶向大致與拉拔方向平行；二是軋制時形成的織構，稱為板織構，其主要特征是各個晶粒的某一晶面與軋制平面平行，而某一晶相與軋制時的主變形方向平行。加工硬化（冷塑性變形對金屬力學性能的影響）：在冷塑性變形過程中，隨著金屬內部組織變化，其力學性能也將發(fā)生明顯變化。隨著變形程度的增加，金屬的強度、硬度顯著升高，而塑性、韌性顯著下降的現(xiàn)象。產(chǎn)生加工硬化的原因與位錯密度增大有關。加工硬化現(xiàn)象實際意義：①它是一種非常重要的強化手段，可用來提高金屬強度，特別是對那些無法熱處理強化的合金尤其重要。②加工硬化是某些工件或半成品能夠拉伸或冷沖壓加工成形的重要基礎，有利于金屬均勻變形。③加工硬化課提高金屬零件在使用過程中的安全性。冷塑性變形后的金屬加熱時，隨加熱溫度升高，會發(fā)生回復、再結晶和晶粒長大等過程?；貜停褐附?jīng)冷塑性變形的金屬材料加熱時，在顯微組織發(fā)生明顯改變前（即再結晶晶粒形成脫碳：鋼在加熱和保溫時，爐氣中含有O2、CO2、H2O、H2等脫碳性氣氛，鋼表層中固溶的碳和這些介質在高溫作用下發(fā)生氧化反應，使表層碳濃度降低，即產(chǎn)生脫碳。過熱：加熱溫度過高或保溫時間過長，得到粗大晶粒組織，稱作過熱。過燒：由于加熱溫度過高，使奧氏體晶界嚴重氧化，甚至發(fā)生了局部熔化，這種現(xiàn)象稱為過燒。珠光體轉變——高溫轉變（A1—550℃）在固態(tài)下形核和長大的結晶過程層片珠光體的性能主要取決于層片間距。珠光體（P）索氏體（S）托氏體（T）貝氏體轉變——中溫轉變（550℃—Ms）半擴散轉變上貝氏體呈羽毛狀下貝氏體呈黑色針片狀馬氏體轉變——低溫轉變（Ms—Mf）無擴散轉變Wc＜0.30%板條馬氏體Wc＞1.0%片狀馬氏體Wc=0.30%—1.0%板條馬氏體和片狀馬氏體的混合組織馬氏體的性能取決于馬氏體的碳含量與組織形態(tài)，隨馬氏體中碳含量的升高，塑性與韌性急劇下降。馬氏體轉變的特點：①無擴散性②轉變速度極快③轉變的不完全性馬氏體點的位置主要取決于奧氏體的成分。殘留奧氏體：當奧氏體中的Wc大于0.5%時，Mf已低于室溫，這時，奧氏體即使冷到室溫也不能完全轉變?yōu)轳R氏體，這部分被殘留下來的奧氏體稱為殘留奧氏體。冷處理：生產(chǎn)中可將淬火工件冷至室溫后，再隨即放到0℃以下溫度的介質中冷卻，以最大限度地消除殘留奧氏體，達到提高硬度、耐磨性與尺寸穩(wěn)定性的目的。過冷奧氏體的連續(xù)轉變：V1爐冷珠光體V2空冷索氏體V3油冷托氏體V4水冷馬氏體退火：將金屬或合金加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡態(tài)組織的熱處理工藝。（高碳）完全退火：將鋼完全奧氏體化后，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。適用于亞共析鋼成分的中碳鋼及中碳合金鋼的鑄件、鍛件、軋制件及焊接件。完全退火目的：細化組織，降低硬度，改善可加工性，去除內應力。等溫退火：目的和加熱過程與完全退火相同。適用于高碳鋼、中碳合金鋼、經(jīng)滲碳處理后的低碳合金鋼和某些高合金鋼的大型鑄、鍛件及沖壓件。球化退火：將工件加熱到Ac1±（10—20）℃，保溫后等溫冷卻或緩慢冷卻，使鋼中未溶碳化物球狀化而進行的熱處理工藝。球化退火目的：降低硬度，提高塑性，改善可加工性，以及獲得均勻的組織，改善熱處理工藝性能，為以后的淬火做準備。球化退火主要適用于共析和過共析成分的碳鋼和合金鋼鍛、軋件。均勻化退火：又稱擴散退火，是為了減輕金屬鑄錠、鑄件或鑄坯的化學成分偏析和組織不均勻性，將其加熱到高溫，長時間保持，然后進行緩慢冷卻，以達到化學成分和組織均勻化的退火工藝。去應力退火：去應力退火是為了去除由于塑型加工、焊接、熱處理及機械加工等造成的及鑄件內存在的殘留應力而進行的退火。正火：將鋼加熱到A3（對于亞共析鋼）或Acm（對于過共析鋼）以上30—50℃，保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝。（低碳）正火的主要目的是調整鍛件和鑄鋼件的硬度，細化晶粒，消除網(wǎng)狀滲碳體并為淬火做好組織準備。正火主要應用于：①改善低碳鋼的切削加工性能②中碳結構鋼件的預備熱處理③普通結構零件的最終熱處理④消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物⑤用于某些碳鋼、低合金鋼的淬火返修件淬火：將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時間后以適當速度冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火后可以得到細小而均勻的馬氏體。常用淬火介質：水尺寸較小的碳鋼零件油合金鋼淬火方法：①單介質淬火②雙介質淬火③分級淬火④等溫淬火分級淬火：將工件奧氏體化后，隨之浸入溫度稍高或稍低于Ms點的液態(tài)介質中，保溫適當時間，使鋼件內外層都達到介質溫度后取出空冷，獲得馬氏體組織的淬火工藝。等溫淬火：將工件奧氏體化后，隨之快冷到貝氏體轉變溫度區(qū)（260—400℃）等溫足夠長時間，使奧氏體轉變?yōu)橄仑愂象w的淬火工藝。淬透性：鋼在淬火后的淬硬層深度，它表征了鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。淬透性的影響因素（冷卻速度必須大于臨界速度Vk）：①合金元素②碳的質量分數(shù)③奧氏體化溫度④鋼中未溶第二相淬硬性：指鋼在理想條件下進行淬火硬化（即得到馬氏體組織）所能達到的最高硬度的能力。淬硬性主要取決于馬氏體中的碳含量，碳含量越高，淬火后硬度越高，合金元素的含量則對它無顯著影響?；鼗穑簩⒋阌埠蟮匿撝匦录訜岬紸c1以下的某一溫度，保溫一定時間后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鸬闹饕康模孩俳档痛嘈?、消除或降低殘留應力②賦予工件所要求的力學性能③穩(wěn)定工件尺寸低溫回火（150—250℃）回火馬氏體中溫回火（350—500℃）回火托氏體高溫回火（500—650℃）回火索氏體低溫下長時間保溫的熱處理稱為穩(wěn)定化處理?；鼗鸫嘈裕孩俚谝活惢鼗鸫嘈寓诘诙惢鼗鸫嘈裕p少鋼中雜質元素的含量，加入Mo等能抑制晶界偏聚的元素，中小型工件可通過回火后快速冷卻來抑制）淬火冷卻變形的原因：變形與開裂的根本原因是淬火時所形成的內應力所致。淬火冷卻變形是淬火冷卻過程中熱應力與相變應力在零件形狀、尺寸的反映。淬火后工件表面局部未被淬硬的區(qū)域稱為軟點。表面淬火：表面淬火是通過快速加熱與立即淬火冷卻相結合的方法來實現(xiàn)的，即利用快速加熱使工件表面很快地加熱到淬火溫度，在不等熱量充分傳到心部時，即迅速冷卻，使表層得到馬氏體而被淬硬，而心部仍保持為未淬火狀態(tài)的組織，即原來的塑性、韌性較好的退火、正火或調質狀態(tài)的組織。（目的：提高硬度）化學熱處理基本過程：加熱、分解、吸收、擴散常用的化學熱處理：滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲與表面淬火相比，化學熱處理的主要特點是：表層不僅有組織變化，而且有成分的變化故性能改變的幅度大。滲碳工件工藝路線：鍛造→正火→機械加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工。滲碳工件經(jīng)淬火+低溫回火后的表面組織為針狀回火馬氏體+碳化物+少量殘留奧氏體滲氮：指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝，也稱氮化。目前應用較多的有氣體滲氮和離子滲氮。滲氮零件工藝路線：鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→去應力→粗磨→滲氮→精磨或研磨。與滲碳相比，氣體滲氮的特點：①變形很小②高硬度、高耐磨性③疲勞極限高④高的耐蝕性能⑤生產(chǎn)周期長，成本高。鋼的碳氮共滲：向鋼的表面同時滲入碳和氮原子的過程，也稱氰化處理。鋼鐵材料合金元素存在的形式主要有三種：固溶態(tài)、化合態(tài)和游離態(tài)。合金元素溶入奧氏體中從而提高鋼的淬透性、溶入馬氏體中從而提高耐回火性等間接作用對鋼的性能影響程度，往往大于其固溶強化這種直接作用。、游離態(tài)元素對鋼的性能產(chǎn)生不利影響，故應盡量避免此種存在形式。合金元素對鋼加熱時奧氏體化的影響：絕大多數(shù)合金元素（尤其是碳化物形成元素）對非奧氏體組織轉變?yōu)閵W氏體形核與長大、殘余碳化物的溶解、奧氏體成分均勻化都有不同程度阻礙與延緩作用。因此大多數(shù)合金鋼熱處理時一般應有較高的加熱溫度和較長的保溫時間，但對一些需要較多未溶碳化物的高碳合金工具鋼，則不應該采用過高加熱溫度和過長的保溫時間。合金元素對淬火鋼回火過程的影響：①提高鋼的耐回火性②產(chǎn)生二次硬化③影響了高溫回火脆性耐回火性：指淬火鋼對回火時所發(fā)生的組織轉變和硬度下降的抗力，絕大多數(shù)合金元素均有此作用。二次硬化：當鋼中含有較多量中強或強碳化物形成元素Cr、W、Mo、V等，并在450—600℃溫度范圍內回火時，因組織析出了細小彌散分布的特殊合金碳化物（如W2C、Mo2C、VC等），這些碳化物硬度極高、熱穩(wěn)定性高且不易長大，此時，鋼的硬度與強度不但不降低，反而會明顯升高（甚至比淬火鋼硬度還高），這就是“二次硬化”現(xiàn)象。不銹鋼性能要求：①優(yōu)良的耐蝕性②合適的力學性能③良好的工藝性能不銹鋼具有高耐蝕性的根本原