工程材料复习课

1、工程材料复习课核心内容材料的成分、制备工艺、组织和性能之间的关系 性能（力学、物理、化学、加工、经济等性能）取决于成分与组织热处理 改变组织 所需性能 第一章 金属材料的力学性能 金属材料的性能是指用来表征材料在给定外界条件下的行为参量，包括使用性能和工艺性能。使用性能：是指金属材料在使用条件下所表现出来 的性能。工艺性能：是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 如：铸造性、锻造性、焊接性、切削加工性 热处理工艺性 如：力学性能、物理性能、化学性能 分析拉伸实验：oe弹性变形阶段csd屈服阶段db强化阶段bk缩颈阶段k试样断裂屈服极限s（屈服强度或屈服点） 金属材料开始发生明显塑性变形的抗力。条

2、件屈服强度0. 2 规定残余伸长率为0. 2%时的应力值。(L=0.2%LO) 用于无屈服点的中高碳钢，脆性材料：灰口铸铁。四四、塑性塑性 （一）伸长率（断后伸长率）（二）断面收缩率布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度冲击韧性（Ak或ak ） 断裂韧度疲劳强度第二章第二章 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构主要内容：晶体和点阵的概念三种常见的金属晶体结构及特征参数： 体心立方、面心立方、密排立方 单胞原子数、致密度晶体的描述 晶向指数和晶面指数晶体缺陷 点缺陷、线缺陷、面缺陷图2-11 确定立方晶格晶面指数的示意图（一）晶面指数确定晶面指数的方法：1.设坐标2.求截距3.取倒数4.化整数5.列括

3、号（二）晶向指数确定晶向指数的方法：1.设坐标2.求坐标值3.化整数4.列括号图2-13 立方晶体中几个晶向及晶向指数合金中有两类基本相 固溶体和化合物固溶体的分类： （1）间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格各结点间的空隙中。 （2）置换固溶体：溶质原子代替一部分溶剂原子，占据着溶剂晶格中的某些结点位置。（一）固溶体 合金在固态下，组元间仍能相互溶解而形成的均匀相。图2-14 固溶体结构示意图a）间隙固溶体 b）置换固溶体图2-15 固溶体中的晶格畸变示意图a）间隙固溶体 b）置换固溶体（2）固溶体的性能 由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增大，使金属的强度硬度升高的现象称为固

4、溶强化 。 当溶质的质量分数适当时，固溶体不仅有着较纯金属高的强度和硬度，而且有着好的塑性和韧性。 固溶强化固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格正常晶格晶格畸变晶格畸变2、金属化合物 金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相，其晶格类型和性能不同于其中任一组元，因此性能也不同于组元。 （1）金属化合物的分类 1）正常价化合物 这类金属化合物通常由金属元素与周期表中第IV、V、族的元素组成的。例如MgS、MnS、Mg2Si等，其分子式符合原子价规律，并且成分是固定不变的。 2) 电子化合物 这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具有一定晶格类型的化合物 。 电子浓度C为化

5、合物中的价电子数与原子数之间的比值，即： C电=价电子数/原子数 3) 间隙化合物 间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）与原子直径较小的非金属元素（H、C、N、B等）组成 。 间隙化合物桑中分为两类，一类是具有简单晶格形式的间隙化合物。如VC、WC、TIC等。 另一类是具有复杂结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等 。 VCVC的晶体结构的晶体结构FeFe3 3C C的晶体结构的晶体结构Fe3C是铁碳合金中的是铁碳合金中的一种重要间隙化合物，一种重要间隙化合物，其碳原子与铁原子的其碳原子与铁原子的半径之比为半径之比为0.6

6、3。 （2）金属化合物的性能 金属化合物的熔点一般较高，具有较高硬度，但脆性较大。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度及耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。因此，金属化合物在合金中作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。实际金属晶体结构特点：单晶体：晶体内部的晶格方位完全一致，这晶体称为单晶体。如单晶Si半导体。多晶体：许多位向不同的晶粒组成的晶体晶粒：外形不规则的颗粒晶粒尺寸很小（一般1mm-1um）晶界：晶粒与晶粒之间的界面晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子线缺陷：位错面缺陷：晶界、亚晶界、相界第三章 金属与合金的

7、结晶主要内容： 金属结晶的热力学条件 金属结晶的一般过程 晶核形成与长大 晶粒大小的控制 合晶的结晶 目的：控制：晶粒形状、大小和分布提高：力学性能（强度、塑性、韧性）和工艺性能（切削加工等） 纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下（即平衡条件下）结晶的温度，称为理论结晶温度，用T0表示，如图3-3a所示。 但在实际生产中，液态金属将在理论结晶温度以下某一温度Tn才开始结晶，如图3-3b所示。 金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象，称为过冷现象。 理论与实际结晶温度的差T，为过冷度，过冷度TT0Tn。 图3-3 纯金属的冷却曲线三、三、 金属结晶后的晶粒大小金属结晶后的晶粒大小 金属晶粒

8、的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示。数目越多，晶体越小。实验表明，晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大的影响。如金属的强度、硬度、塑性和韧性等都随晶粒细化而提高。 结晶后晶粒大小与形核率N和晶核的长大速率G两个因素有关。图3-7 形核率N和长大速率G与过冷度T的关系工业生产中，为了细化铸件的晶粒，以改善其性能，常采用以下方法： （一）增加过冷度 但对于大铸锭或大铸件，要获得大的过冷度不易办到，更不易使整个体积均匀冷却，冷却速度过大往往导致铸件开裂而报废。（二）变质处理 在液态金属结晶前，介入一些细小的编变质剂。（三）附加振动 金属结晶时，如对液态金属加机械振动、超声波振动、

9、电磁振动等。图3-8 纯铁的冷却曲线四、四、 金属的同素异晶转变金属的同素异晶转变 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变。由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异晶体。 图3-8为纯铁的冷却曲线。可知纯铁能够发生同素异晶转变。图3-12 CuNi合金相图及结晶过程分析二、二、 二元匀晶相图二元匀晶相图 凡是在二元合金系中，两组元在液态和固态下以任何比例均可相互溶解，即在固态下能形成无限固溶体时，其相图属匀晶相图。以CuNi合金相图为例，对匀晶相图进行分析。（一）相图分析 线： 液相线、固相线区： 液相（L）区、固相（a）区、液固两相共存（L+

10、a）区液相线固相线液相（L）区固相（a）区固液相（L+a）两区（二）杠杆定律 杠杆定律就是确定两相区内两个组成相（平衡相）以及相的成分和相的相对量的重要法则。 图3-13 杠杆定律示意图a）相图中的杠杆定律 b）杠杆定律的力学比喻2、 两平衡相相对量的确定 1.确定两平衡相的成分：x1、x2以成分为支点，远离该相的线段代表该相。 整个线段为总重量。如ab代表总重量，ca和cb分别带到a相和L相一、相图分析 L单相区单相区+双相区L+双相区L+双相区L+三相共存区(MEN水平线)单相区一个三相区(L+,水平线MEN)三个双相区(L+、+、L+)区：三个单相区 (L、) 共晶线MEN 溶解度曲线M

11、F、NG 固相线AMENB线：液相线AEB点： E-共晶点 共晶相图：凡是二元合金系中两组元在液态能完全互溶，而在固态互相有限溶解，并发生共晶转变的相图。三、二元共晶相图三、二元共晶相图 组织组成物：显微组织中能清楚区分，组成显微组织的独立部分固溶体LL+固溶体L+固溶体固溶体+(+)+(+)+ 组织组成物标注的相图L+ L+ Fe3C +Fe3C +Fe3C L0.77AGQ727 C4.32.111148 CFe 06.69 Fe3CTemperature ( C)Temperature ( C)C, wt%1538 C912 CPSKECFD三相区三相区2个个：两条水平线两条水平线 两相

12、区两相区5个个：L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+Fe3C + 单相区单相区4个：个： 、 L、Fe3C Fe-Fe3C相图分析 相图的液相线是ACD,固相线是AECF 具有三种恒温转变的相图 PQPQ线线：C C在在中的溶解度曲线。冷却时，从中的溶解度曲线。冷却时，从析出析出FeFe3 3C C的开始线或加热时，的开始线或加热时，FeFe3 3C C溶入溶入中的终了线。中的终了线。 2 2）特征曲线特征曲线（3 3条斜线）条斜线） GSGS线（又称线（又称A3A3线）线）：冷却时，从：冷却时，从析出析出的开始线，或加热时的开始线，或加热时溶入溶入中的终了中的终了线。线。 ESES线（又称

13、线（又称AcmAcm线）线）：C C在在中的溶解度曲线。冷却时，从中的溶解度曲线。冷却时，从析出析出FeFe3 3C C的开始线的开始线或加热时，或加热时，FeFe3 3C C溶入溶入中的终了线。中的终了线。727 C 912 CP0.77SKGQE E具有三种恒温转变的相图Fe - Fe3C 相图的分析小结：相图的分析小结： 五个重要的成份点五个重要的成份点: P、S、E、C、K。 五条重要的线五条重要的线: GS、ES、PQ、ECF、PSK。 两个重要转变两个重要转变: 共晶转变、共析转变。共晶转变、共析转变。 二个重要温度二个重要温度: 1148 、727 。 Fe 06.69 Fe3C

14、Temperature ( C)Temperature ( C)PSK0.77727 CECF4.32.111148 CANGQDC, wt% LL+ L+ Fe3C + +Fe3C +Fe3C用用相组成物相组成物标注标注 Fe 06.69 Fe3CTemperature ( C)Temperature ( C)PSK0.77727 CECF4.32.111148 CANGQDC, wt% LL+ L+ Fe3C + Ld+ Fe3CLd + Fe3C +Ld+ Fe3CP+Ld + Fe3CPLdLd P+ + Fe3CP+ Fe3C + Fe3C用用组织组成物组织组成物标注标注亚共析钢的结

15、晶过程LL+ +P（+Fe3C）+亚共析钢结晶过程示意图亚共析钢结晶过程示意图Temperature ( C)ANGQ1234 Fe 0PSC0.77E2.11JB亚共析钢的亚共析钢的室温组织室温组织均由均由( (先共析先共析) )铁素体铁素体和珠光体珠光体组成组成。钢中碳的质量分数越高，则组织中的珠光体量越多钢中碳的质量分数越高，则组织中的珠光体量越多。杠杆定律的应用杠杆定律的应用1.典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算典型合金室温下的组织组成物和相组成物的计算 （1）0.4%C钢：钢： 组织组成物组织组成物(+P) WP= 1- 49.5% = 51. 5% 相组成物（ + Fe3C

16、） W Fe3C= 1-94.3% = 5.7%0.40.770.4100%49.5%0.770.0218SWPS0.46.690.4100%94.3%6.690.0218kWPk含碳量对力学性能的影响 1.钢钢2.白口铁白口铁含碳量对钢性能的影响含碳量对钢性能的影响C%, Fe3C%，b*，HB，ak。 *b出现极大值，原因：出现极大值，原因： C%, P，b；但但Fe3C呈网状呈网状,连成网后，脆断，连成网后，脆断，b。 钢的含碳量一般钢的含碳量一般1.3%。Fe3C%，作基体，作基体，HB， ak，脆，应用不广泛。脆，应用不广泛。解决四个问题：什么是热处理（what）为什么要热处理（wh

17、y）热处理的原理（Mechanism）如何热处理（how）一、什么是热处理？ 热处理是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。 热处理区别与其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。二、为什么要热处理 优化或调整性能工艺目的：消除前工序产生的缺陷，为后工序的顺利进行创造条件使用目的：发挥材料的潜力，赋予工件所需的最终使用性能。经济目的：降低成本例：W18Cr4V车刀：锻造预先热处理（退火）机加工最终热处理（1270加热淬火+560回火三次）磨光热处理为什么能改变性能？材料的性能主要取决于材料的成分和组织结构 热处理

18、能改变它们普通热处理：改变组织结构前提：必须有固态相变发生 珠光体转变 马氏体转变化学热处理：改变化学成分 处理过程中设法引入所需的元素2.奥氏体晶粒大小的影响因素（1）加热温度和保温时间 加热温度高、保温时间长，晶粒粗大 （2）加热速度 速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。 （3）化学成分含碳量：一定范围内，晶粒长大倾向随C%而增大。合金元素：除Mn和P外，都不同程度地阻碍晶粒长大。 阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素C 曲线的分析线：过冷转变开始线 过冷转变终了线 Ms（M转变开始温度） Mf（M转变终了温度）线区：过冷区

19、转变产物区 过渡区（过冷与转变产物共 存区）按转变产物分区：A1“鼻尖”之间为珠光体型转变“鼻尖”Ms之间为贝氏体型转变MsMf 之间为马氏体孕育期，过冷奥氏体稳定性，转变期鼻尖影响C 曲线的因素 成分的影响 含碳量的影响：正常加热条件下：亚共析钢C%，C曲线右移；过共析钢C%，C曲线左移；合金元素的影响 除钴以外，所有溶于的合金元素都使过冷稳定性二、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。二、过冷奥氏体的连续冷却转变（一）共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线的建立图5-20 共析钢过冷奥氏体连续冷却转变曲线建立示意图过冷

20、奥氏体连续冷却转变曲线常用膨胀法测定，如图5-20所示。1、只有C曲线的上半部分，没有贝氏体转变2、Ps 是珠光体的开始线，Pf是珠光体的终了线，AB是珠光体转变的中止线3、vc马氏体临界冷却速度4、随着冷却速度的增加，转变温度区间逐渐移向低温，并随之加宽，而转变时间则缩短。5、可获得混合组织一、退火将钢加热到临界点以上或以下，保温后缓冷，获得以P为主的组织。退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。 球化退火l主要用于共析钢和过共析钢（获得P球-基体上弥散分布着粒状Fe3C）l目的：降低硬度，改善切削加工性，并为淬火做组织准备。l加热温度 Ac1

21、+ 10-20，充分保温使Fe3C球化，然后随炉冷通Ar1,或在略低于Ar1等温，细小Fe3C颗粒成为P相变晶核P球，之后再出炉空冷。l对严重网状Fe3C的钢，球化退火前，应先正火，以消除网状，便于球化球状珠光体球状珠光体 T10钢球化退火工艺曲线4.扩散退火（均匀化退火）消除成分偏析。主要用于高合金钢的钢锭和铸件略低于固相线温度（10501150）加热，长时间保温（1020小时）后缓冷。5.去应力退火消除工件在铸、锻、焊和切削加工过程中产生的内应力，稳定尺寸，减少变形。Ac1（500600）加热，保温后缓冷至300200出炉后空冷。 无组织变化。二、正火 正火是将亚共析钢加热到Ac3+30

22、50，共析钢加热Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+30 50，保温后空冷的工艺。 正火比退火冷却速度大。 1、正火后的组织： 9%Ni9% 或或Mn13%Mn13%时，时， S S点点降到降到00以下，室温下为单相奥以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢，如氏体组织，称奥氏体钢，如 ：1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti、 Mn13Mn13。2 2、对、对E点和点和S点位置的影响点位置的影响所有合金元素均所有合金元素均使使E E点和点和S S点左移，点左移，即这两点的含碳量下降，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织使碳含量比较低的钢出现过共析组织( (如如4Cr

23、134Cr13）或共晶组织）或共晶组织（ 如如W18Cr4VW18Cr4V）（2 2）缩小）缩小区区 A A1 1、 A A3 3、 A A4 4(NJ)(NJ) ，S S点、点、 E E点向左上方移。点向左上方移。 CrCr等作用显著等作用显著， 当当Cr13%Cr13%时，时，奥氏体相区消失，室温下为单奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢，相铁素体组织，称铁素体钢，如：如：Cr17Cr171、对加热转变的影响、对加热转变的影响对奥氏体化影响：除对奥氏体化影响：除NiNi、CoCo外，外，MeMe都都减缓奥氏体化减缓奥氏体化过程过程对奥氏体晶粒长大影响：对奥氏体晶粒长大影响：T

24、iTi、V V、W W、MoMo等等阻碍奥氏体晶粒阻碍奥氏体晶粒长长大，即起大，即起细化晶粒细化晶粒作用对对C C曲线和淬透性的影响：曲线和淬透性的影响：除除Co外，所有溶入奥氏体的合金外，所有溶入奥氏体的合金 元素都使元素都使C曲线右移，淬透性提高曲线右移，淬透性提高（如（如W18Cr4VW18Cr4V在空气中在空气中 即可淬火获得即可淬火获得M M）对对MsMs、MfMf点的影响：点的影响： 除除CoCo、 AlAl外外, ,所有元素都使所有元素都使MsMs、MfMf点点 下降，残余奥氏体量下降，残余奥氏体量A增多增多 。三、合金元素对热处理过程的影响三、合金元素对热处理过程的影响2、对冷

25、却转变的影响、对冷却转变的影响3、回火转变提高回火稳定性提高回火稳定性把回火转变过程向较高温度推移。把回火转变过程向较高温度推移。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高；当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高；如果同温度回火，如果同温度回火， 合金钢硬度比碳钢高。合金钢硬度比碳钢高。产生产生二次硬化二次硬化：(1)(1)含高含高W W、 MoMo、 TiTi、 V V钢淬火后回火（钢淬火后回火（500600500600）时，由）时，由于于析出细小弥散的特殊碳化物析出细小弥散的特殊碳化物（弥散硬化）（弥散硬化）(2)(2)回火冷却时回火冷却时AA转变为转变为M M回回（ 称二

26、次淬火）称二次淬火）, ,使硬度不仅不下使硬度不仅不下降，反而升高的现象称降，反而升高的现象称二次硬化二次硬化。防止第二类回火脆性：防止第二类回火脆性：Mo、W概述概述普通灰铸铁普通灰铸铁 可锻铸铁可锻铸铁球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁 特殊性能铸铁特殊性能铸铁第八章 铸铁灰铸铁：牌号及用途“HT”3位数字位数字 表示最低抗拉强度表示最低抗拉强度 HT100 HT350强度强度，珠光体含量，珠光体含量HT100 (F+G片片)HT200 (P+G片片) 机床床身机床床身HT350 (P+G细片细片）孕育（变质）处理：孕育（变质）处理：孕育（变质）铸铁。孕育（变质）铸铁。可锻铸铁：牌号及用途可

27、锻铸铁：牌号及用途牌号：牌号：“KT”KT”“H”H”或或“Z”+Z”+两组数字两组数字( (抗拉强度、延伸率抗拉强度、延伸率) ) “KT”“KT”表示表示“可铁可铁”，“H”H”表示表示“黑心黑心”( (即铁素体基即铁素体基 体体) )， “Z”Z”表示基体为珠光体。表示基体为珠光体。 如：如：KTH350-10 (F+G团团）汽车后桥壳、汽车后桥壳、 低压阀、低压阀、 管接头等。管接头等。KTZ650-02 (P+G团）团） 柴油机曲轴、连杆、活塞等。柴油机曲轴、连杆、活塞等。低压阀低压阀后桥壳后桥壳曲轴曲轴球墨铸铁：牌号、用途球墨铸铁：牌号、用途牌号：牌号：“QT”(球铁球铁) + 数字数字(最低最低b) - 数字数字(最低伸长率最低伸长率)。 如如: : QT450-10