材料结构组织与性能带答案

1、一、什么是材料？三大材料 材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和各种性能的物质，是人们生活及组成生产工具的物质基础。金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料二、材料的性能分类 使用性能(物理性能、化学性能、力学性能)，工艺性能（工艺性能是指材料在各种加工和处理中所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、切削性能、焊接性能和热处理性能等）三、材料的力学性能 材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下所表现出来的行为。金属材料的力学性质决定与材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素，也决定与载荷性质（静载荷、冲击载荷、

2、交变载荷）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪等）、温度和环境介质等外在因素。1. 强度指标 弹性变形阶段的强度指标（弹性极限e =Fe/A0（MPa）式中：e 为e点对应的应力，Fe为e点对应的载荷，A0为试样原始截面积。弹性模量=E，其中比例系数E即是弹性模量）塑性变形阶段的强度指标（屈服极限s=Fs/A0（MPa）屈服强度0.2=F0.2/A0（MPa） 在S点附近，此时应力应变曲线上出现一个平台，表示材料开始产生塑性变形，其对应的应力叫屈服极限s。但对于大多数合金钢或淬火回火材料，应力应变曲线无屈服平台出现，此时，规定以产生试样原始长度0.2%的塑性变形所对应的应力作为条件屈服极限，称为屈服

3、强度0.2。抗拉强度 b=Fb/A0（MPa）断裂阶段的强度指标（断裂强度k）2.塑性指标 延伸率（=L/L0×100%=（Lf-L0）/L0×100%） 断面收缩率=（A0-A1）/A0×100%式中A0为试样原始横截面积A1为试样断裂后缩颈处的最小横截面积。3.韧性指标 冲击韧度(ak=Ak/AN（J/m2）式中AN为试样缺口根部的原始截面积。) 断裂韧度 静力韧度4. 硬度指标 布氏硬度(HB球压头测定试样表面的压痕直径d) 洛氏硬度(HR圆锥压头测深度) 维氏硬度(HV四棱锥压头同布) 肖氏硬度(HS从一定高度处自由落到试样表面，根据冲头的回弹高度来表征材

4、料硬度的大小) 四、应力应变曲线 设试样单位面积的载荷为应力，试样单位原始长度的伸长为应变，则得到应力-应变曲线。在拉伸载荷作用下，材料经由弹性变形屈服塑性变形断裂等几个阶段。五、金属的键结构 金属的原子结构特征是最外层电子少，易于脱落，而形成自由电子自由电子可以在金属中移动而形成所谓的电子云。电子云带有负电，另一方面失去电子的金属原子带有正电而成为阳离子，因此，电子云和阳离子之间所作用的引力和离子相互间及电子相互间的斥力之间形成平衡而发生结合。这种结合叫做金属键。 金属晶体因为有自由电子的存在，其导电性、导热性好，并且结合力的方向性小，原子会尽量高密度排列，富于延展性，强度的变化范围大。六、

5、金属的晶体结构 1.晶体 指其内部原子（分子或离子）在三维空间作有规则的周期性重复排列的物体。 2.晶体结构 金属的许多特性都与晶体中原子（分子或离子）的排列方式有关，因此分析金属的晶体结构是研究金属材料的一个重要方面。3. 阵点 把晶体中的原子（分子或离子）抽象为规则排列于空间的几何点。 4.晶格 用一系列平行直线将阵点连接起来，形成一个三维的空间格架三种常见的晶体结构 。 5.晶胞 从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来研究晶体结构。 6.晶格常数 为了描述单位晶胞的大小和形状，以单位晶胞角上的某一阵点为原点，以该单位晶胞上过原点的三个棱边为三个坐标轴X、Y、Z（称为晶轴），

6、则单位晶胞的大小和形状就由这三条棱边的长度a、b、c描述，称为晶格常数。 7.轴间夹角 通常、和分别表示Y-Z轴、Z-X轴和X-Y轴之间的夹角、。 晶格常数（a、b、c）和轴间夹角（、）是描述晶体结构的6个参数。面心立方结构 “fcc”， 体心立方结构 “bcc”，密排六方结构 “hcp”。七、单晶体与多晶体 由很多晶粒组成的，叫多晶体。晶粒之间的界面称为晶界。每一晶粒相当於一个单晶体。晶体有三个特征(1)晶体有一定的几何外形；(2)晶体有固定的熔点；(3)晶体有各向异性的特点.单晶体是原子排列规律相同,晶格位相一致的晶体.例如：单晶硅.多晶体是由很多具有相同排列方式但位向不一致的很多小晶粒组

7、成的则称为多晶体.例如：常用的金属.单晶体具有晶体的三个特征.多晶体具有前两项特征,但具有各向同性的特点.多晶体 整个物体是由许多杂乱无章的排列着的小晶体组成的,这样的物体叫多晶体.例如：常用的金属.原子在整个晶体中不是按统一的规则排列的,无一定的外形,其物理性质在各个方向都相同.八、实际金属中的晶体缺陷 1.点缺陷 其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原子的尺寸，例如空穴、填隙型原子、置换型原子，不管是哪类点缺陷，都会造成晶格畸变，这将对金属的性质产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等；2.线缺陷 其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。属于这一类缺陷的主要是

8、位错；3.面缺陷 其特征是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界。 九、金属的塑性变形 单晶体的塑性变形 1.滑移 在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面）的一定晶向（滑移方向）相对于另一部分发生滑动的现象称为滑移。滑移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: 晶体中每个滑移面和该面上的一个滑移方向组成系统。晶体中的滑移系越多，意味着其延展性越好。2.孪生 十、金属冷变形和加热后组织结构的变化 十一、金属的热加工 如前所述，冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶来加以消除。如果金属在再结晶温度

9、以上进行压力加工，那么塑性变形所引起的加工硬化就可以立即被再结晶过程所消除。在再结晶温度以上的加工称为热加工，在再结晶温度以下的加工称为冷加工。 在热加工过程中，金属内部同时进行着加工硬化和再结晶软化这两个相反的过程，不过此时的再结晶是在加工的同时发生的，称为动态再结晶，它与上一节介绍的冷加工后退火时发生的再结晶是不尽相同的。有时在热加工过程中硬化和软化这两个因素不能刚好全部抵消。十二、合金相的分类 十三、固溶体 如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解，则在液态合金凝固时，组元的原子将共同地结晶成一种晶体，晶体内包含有各种组元的原子，晶格的形式与其中一组元相同，这样，这些组元就形成了固溶体。晶格

10、与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂，其它组元为溶质。由此可见，固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。十四、固溶强化、形变强化（加工硬化）的概念固溶强化：合金元素加入纯铝中后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高铝的强度。合金元素的固溶强化能力同其本身的性质及固溶度有关。其中，Zn、 Ag、 Mg的溶解度较高，超过10；其次是Cu、Li、Mn、Si等，溶解度大于1。一般说来，固溶度越高，获得的固溶强化效果就越好。金属经塑性变形，其机械性质将发生明显的变化，即随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，这一现象称为加工硬化。十五、

11、铁碳合金相图中钢的室温平衡组织及铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体等的概念 FeC相图是在缓慢冷却条件下指导分析相变的图形，其获得的组织称为平衡组织，它不能用于分析在不同的冷却速度下的组织变化。1.碳在铁中的固溶体(碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号F或表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727，碳多存在于体心立方结构的八面体空隙。铁素体与-Fe在居里点770以下均具有铁磁性。碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，常用符号A或表示，其最大溶解度为2.11wt%C，发生于1148，碳多存在于面心立方结构的八面体空隙。奥氏体与-Fe均具有顺磁性。)2.铁碳化合物(F

12、e3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。)3.在PSK 水平线（727）发生共析转变，转变产物是铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物，称为珠光体，用符号P表示。所有含碳量超过0.0218%的铁碳合金都发生这个转变。共析转变温度通常称为A1温度。4.由于马氏体相变的温度低，相变速度快，只发生铁的晶体结构的变化，而碳原子来不及重新分布，被迫保留在马氏体中，其碳含量与母相奥氏体相同，因此马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方结构。大量碳原子的过饱和造成原子排列发生畸变，产生较大内应力，因此马氏体具有高的硬度和强度。马氏体中的碳含量

13、越高，其硬度和强度越高，但脆性越大。另外，由于发生马氏体相变时伴有体积膨胀，马氏体相变结束时总有少量奥氏体被保留下来，这部分奥氏体称为残余奥氏体，用或A表示。马氏体是钢中组织中的硬度之冠 十六、钢的非平衡组织及C曲线 碳钢经退火、正火可得到平衡或接近平衡组织，经淬火得到的是非平衡组织。奥氏体在临界点以上为稳定相，临界点以下为不稳定相。常把临界点以下存在且不稳定的奥氏体称为“过冷奥氏体”。描述过冷奥氏体恒温冷却时的温度-时间-相变曲线称为恒温冷却转变曲线，简称TTT曲线。因其形状像英文字母“C”，故又称C曲线。十七、针状马氏体与下贝氏体的区分针状马氏体在一个奥氏体晶粒内下贝氏体则不一定;针状马氏

14、体针叶之间往往呈60或120度，下贝氏体无一定度数;针状马氏体针叶之间往往呈齿状或垳架状且针叶不互相穿透,下贝氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透。不同温度产生的不同的相变组织，贝氏体是在中温等温下转变的亚稳态组织，由铁素体和弥散的碳化物组成；上贝氏体就是在相对高温区相变的；其外观形貌似羽毛状，也称羽毛状贝氏体。冲击韧性较差，马氏体已经解释的很清楚了，就不多说了；二者之间的主要区别就是不同温度，不同形态，上贝氏体是要尽量避免产生的不良组织，而有的马氏体是我们需要获得的一种组织。十八、获得全马氏体的基本条件及结构钢中加入合金元素的主要目的 形成马氏体的条件：冷却速度大于马氏体的临界冷却速度，即：V

15、>Vk。在结构钢中，加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性。十九、什么叫回火组织？回火组织有哪些？回火是将淬火钢重新加热至A1点以下某一温度，保温一定时间后，以适当的方式冷却至室温的热处理工艺。二十、区分钢与铁的根据？区分白口铸铁与灰铸铁的根据？铁和钢的区别：铁分为生铁和熟铁。熟铁、钢和生铁都是铁碳合金，以碳的含量多少来区别。一般含碳量小于0.2%的叫熟铁或纯铁，含量在0.2-1.7%的叫钢，含量在1.7%以上的叫生铁。熟铁软，塑性好，轻易变形，强度和硬度均较低，用途不广；生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性；钢具有生铁和熟铁两种优点，为人类广泛利用。铸铁钢的基体石墨，与钢相比成分中含

16、有较多的Si、P、S等。铸铁是含碳量大于2.11的铁碳合金。在工业生产中，因冶炼、原材料等因素，铸铁成分中一般还含有硅、锰、磷、硫等元素，所以实际应用的铸铁是以铁、碳、硅为主的多元铁基合金。通常按有无共晶转变来区分碳钢和铸铁，即含碳量小于2.11%为碳钢，大于2.11%为铸铁，灰口铸铁。含碳量较高（2.74.0），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。 白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆

17、性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。二十一、什么叫灰铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁及它们的组织形貌图灰铸铁是一种断面呈深灰色，石墨形状为片状，应用最为广泛的铸铁（见图）。灰铸铁的片状石墨对基体有很大的割裂作用，石墨尖端易形成应力集中，在所有铸铁中，是石墨形状最差的一种。灰铸铁的特性：1.优良的铸造性能， 2.优良的耐磨性、消振性和切削加工性。球状石墨铸铁是指石墨形状为球形的铸铁。球状石墨对基体的割裂和应力集中作用都降到了最小程度，从而使基体组织的强度、塑性和韧性的潜力得以发挥。通过热处理可获得各种基体组织，使球墨铸铁在力学性能方面有较大的调整幅度。正火状态时，

18、基体为珠光体加铁素体，其强度大大超过灰铸铁，接近含碳量为0.45%的碳素结构钢正火状态的强度指标，同时保持了相当好的塑性和韧性。等温淬火后，基体组织为贝氏体，虽塑性、韧性有所降低，但强度可比正火状态提高约70。球墨铸铁不仅强度接近钢的水平，而且屈强比比钢高得多。与此同时，球墨铸铁保持了灰铸铁的某些优良特性，如良好的流动性，易于铸造成形，生产方法和设备简单，成本较低，切削加工性能优良等，所以球墨铸铁是一种以铁代钢、以铸代锻的材料。目前，球墨铸铁大量用来制造曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、蜗轮、轧辊等。球墨铸铁的特点:1、化学成分的特点之一是碳硅含量高，这样可使其成分接近共晶点，从而提高铁水的流动性。镁

19、是主要的球化元素，同时也是强烈的反石墨化元素；较高的硅含量可有效抑制镁引起的白口倾向；球墨铸铁化学成分的第二个特点是低磷、低硫；2、石墨的球化使得改善基体组织有了意义，因此球墨铸铁往往要进行热处理。球墨铸铁常用的热处理有退火、正火、调质、等温淬火等；3、具有较高的强韧性，是当前“以铸代煅”的重要材料。可锻铸铁：将白口铸铁经石墨化退火处理，使其渗碳体分解为团絮状石墨所得到的铸铁叫可锻铸铁,可锻铸铁的石墨形态见图。 由于石墨呈团絮状，与灰铸铁的片状石墨相比，大大减小了对基体的割裂作用。其强度、塑性、韧性都高于灰铸铁。虽然球状石墨铸铁的性能优良，在许多应用领域取代了可锻铸铁，但可锻铸铁的铁水处理简单

20、、质量稳定，尤其是白口铸铁具有优良的铸造性能，特别适合铸造薄壁件，所以可锻铸铁被大量用以生产形状复杂的管件，如管接头、弯头、水龙头等。石墨化退火工艺改进后，生产周期大大缩短，生产成本随之降低，所以可锻铸铁是一种重要的铸铁品种。石墨呈蠕虫状的铸铁叫蠕墨铸铁。蠕虫状石墨的形态介于球状与片状之间，在光学显微镜下呈短杆状（见图），与灰铸铁的片状石墨相近，但长、厚方向尺寸比较小，端部较钝、较圆,局部又接近球状。蠕墨铸铁是近三十年发展起来的一种新型铸铁，在高温铁水中加入蠕化剂即可制得蠕墨铸铁。常用的蠕化剂有镁钛合金、稀土镁钛合金等。蠕墨铸铁的性能特点是：强度及塑性高于灰铸铁但低于球墨铸铁，有较高的耐磨性和一定的韧性，铸造性能与灰铸铁一样良好。在生产中，只要将球化剂的加入量减少就能得到蠕墨铸铁，但其控制比完全球化还难，为此还要加入球化阻碍元素，如Ti等。蠕墨铸铁可用于制造曲轴箱、齿轮箱、链轮、偏心齿轮、钢锭模、汽缸头、飞轮等，由于蠕墨铸铁具有较高的热导率，所以可以制造承受热疲劳的零件。二十三、石墨形态对铸铁性能的影响 铸铁里含有石墨，在灰口铸铁和白口铸铁里的石墨成片状分布，对铸铁的基体组织，产生切割作用，