工程材料与热加工基础

1、第一章 工程材料及力学性能1.工程材料分为：金属材料，高分子材料，无机非金属材料，复合材料2.屈服点：在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力，用符号s表示。3.抗拉强度：材料在断裂前所能承受的最大应力， 用符号b表示。4.弹性极限e 是指材料在不产生塑性变形的情况下所能承受的最大应力。弹性模数E是指材料在弹性范围内，应力与应变的比值/（单位GPa）。E = /E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。5塑性指金属材料断裂前发生永久变形的能力。6.硬 度：布氏硬度，洛氏硬度，维氏硬度7冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。试验原理：试样被冲断过程中吸收的能量即

2、冲击吸收功（Ak ）等于摆锤冲击试样前后的势能差。8冷脆转变：当温度降至某一数值或温度范围时，冲击韧性值急剧下降，此转变称为冷脆转变。相应的温度称为冷脆转变温度。9蠕变强度指材料在一定温度下一定时间内产生一定永久变形量所能承受的最大应力。10持久强度指材料在一定温度下一定时间内所能承受的最大断裂应力。11疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。12.在高温条件下，产生了一定初始变形的工件，在总变形不变的条件下，弹性变形会不断转变为塑性变形，从而使应力不断减小，这种现象称为应力松弛。任一时间式样上所保持的应力称为剩余应力。13.裂纹扩展三种形式：张开型，滑开型，撕开型。第二章

3、 材料的微观结构1.结合键：离子键，共价键，金属键，范德瓦尔键2.晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。3.晶体与非晶体区别：(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性4.晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。选取原则：能够充分反映空间点阵的对称性；相等的棱和角的数目最多；具有尽可能多的直角；体积最小。5.晶体的空间点阵14种，分属7个晶系。6.原子半径:原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。 7.晶

4、胞中所含原子数: 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。 8. 配位数:配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。9. 致密度: 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v/ V 。式中，n为晶胞所含原子数、v为单个原子体积、V为晶胞体积。 10.体心立方晶格：原子半径：R=34a, 原子个数：2配位数： 8致密度：0.68;面心立方晶格:原子半径:2/4a, 原子个数：4配位数： 12致密度：0.74;密排六方晶格: 原子半径:0.5a; 原子个数：6配位数： 12致密度：0.74.11.晶面指数：晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平

5、行的晶面； 0的意义：面与对应的轴平行；如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行12.体心立方晶格中：原子密度最大的晶面族为110，称密排面；原子密度最大的晶向族是111，称密排方向。面心立方晶格中：密排面为111；密排方向为110。13.晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为单晶体。14.单晶体在不同的方向上具有不同性能的现象称为各向异性。而多晶体则具有各向同性。15.点缺陷是指在晶体空间中相当于原子尺寸的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子。 16. 线缺陷是指一维缺陷。晶体

6、中最普通的线缺陷就是位错。位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。最简单、最基本的类型：刃型位错和螺型位错。17.面缺陷包括晶体的外表面和内界面两类，内界面又有晶界和亚晶界。晶体的结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界，每个晶粒内的原子排列总体上是规整的，但还存在许多位向差极小的亚结构，称为亚晶界。亚晶界属于小角度晶界。18. 合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是一种元素或一种稳定的化合物）。相： 具有相同化学成分、相同晶体结构和相同的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分有明显分界的均匀组成部

7、分。组织：用金相显微镜观察到的材料的微观形貌。19.合金可分为两类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。20.组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂 B：溶质。固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同分为：置换固溶体和间隙固溶体。21.固溶体晶格的畸变使合金强度和硬度升高，而塑性下降，这种现象称为固溶强化。溶质原子溶入晶格畸变位错远动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。22.金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物-中间相。特点：熔点、

8、硬度高、脆性大。第三章 金属的结晶，变形与再结晶1.凝固：金属由液态转变为固态的过程。结晶：结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。2.过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(T0) 与其实际结晶温度T1之差 T= T0 - T1 注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。 3.结晶的一般过程：形核和长大。形核又分为均匀形核和非均匀形核，非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核。4.晶体的长大：1）平面长大。在冷却速度较小的情况下，正温度梯度，金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。2）树枝状长大。

9、当冷却速度较大，负温度梯度下，金属晶体往往以树枝状的形状长大。5.表示晶粒大小的尺度叫晶粒度，标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。常温下，金属晶粒越细小，晶界面积越大，它的强度、硬度越高；对外应力的分散使塑性和韧性提高，即细晶强化。6.晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。7.细化晶粒的措施：1，增加冷却速度；2，变质处理，3振动，电磁搅拌等8.物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于固态相变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，同样包括形核和长大两过程，故又称为重结晶。9.单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。晶体在受外力作用下产生塑性变形时，晶体

10、的一部分沿着一定晶界面相对于另一部分进行滑动称为滑移。滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面（密排面）和其上密度最大的晶向（密排方向）进行。 滑移只能在切应力的作用下发生。10. 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大， 塑性就越好。滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。面心立方和体心立方晶格的滑移系为12，密排六方只有311.晶体的滑移是通过位错运动来实现的，滑移的结果是产生滑移带，滑移的距离为原子间距的整数倍。12.金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化） 13.晶粒越细，单位体积内的晶界面积越多，对位错的阻

11、碍作用越大，金属的强度越高。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。 14.金属材料获得细小而又均匀的晶粒组织能够使其强度，塑性，韧性均得以改善，称为细晶强化。15.根据组织，合金可分为单相固溶体和多相混合物两种。16.单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。 17.金属发生塑性变形时， 随变形度的增大， 金属的强度和硬度显著提高， 塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化 18残余内应力：去除外力后残留于且平衡

12、于金属内部的应力。19.为消除残余应力和加工硬化，工业上往往采用加热的办法，随着温度升高，变形金属体相继发生：回复，再结晶，晶粒长大三阶段。20.在较低温度下进行回复处理，主要消除内应力，又称去应力退火。21.生产中常用再结晶退火工艺来恢复金属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工。22. 金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。从金属学的角度出发，冷、热变形加工是以再结晶温度为界限的，低于再结晶温度的变形称为冷变形加工；高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。 第四章 二元合金相图1.杠杆定律只适用于相图中两相区并且只能在平衡状态下使用。2.液相L是铁与碳的液溶体。相 常称奥氏体，用符号A或

13、表示，是碳在Fe中 的间隙固溶体，呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度极大，在1148时碳溶量最大达2.11%。奥氏体的强度较低，硬度不高，易于塑性变形。 相 也称铁素体，用符号F 或表示，是碳在Fe 中的间隙固溶体，呈体心立方晶格。强度、硬度低，塑性好（室温：C%=0.0008%, 727 ：C%=0.0218%）；Fe3C相（渗碳体） 是一个化合物相。 含碳量6.69%，塑性韧性几乎为零。3.珠光体是铁素体和渗碳体组成的共析体（机械混合物），平均含碳量0.77%。4.莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的共析体。第五章 金属热处理1.热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却再发生

14、相变的工艺过程。2.热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却3.加热时奥氏体的形成过程：奥氏体形核，奥氏体晶核长大，残留渗碳体的溶解，奥氏体成分均匀化 。4影响奥氏体晶粒度的因素：加热温度与保温时间和钢的化学成分。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。碳全部溶于奥氏体时，随奥氏体中含碳量的增加，晶粒长大倾向增大。Mn和P是促进奥氏体晶粒长大的元素。 5.冷却方式：等温冷却和连续冷却。6.当温度降低至A1温度以下时，奥氏体处于过冷状态，此时尚未发生组织转变的奥氏体称为过冷奥氏体，钢在冷却过程中转变的实质是过冷奥氏体的转变。7.奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。转

15、变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。8.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。9.珠光体型组织按层片间距的大小可分为珠光体（P），索氏体（S），屈氏体（T）。屈氏体因为转变温度低，原子扩散难，层片间距最小。10.奥氏体含碳量越高，快速冷却后残余奥氏体量也越多。11. 马氏体主要有两种组织：板条马氏体（位错马氏体）和针状马氏体（孪晶马氏体）形态主要取决于其含碳量。12. 除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移。除Co 和Al 外，所有合金元素都使Ms 与Mf 点下降。13. 共析钢连续冷却时没有贝氏体形成（无贝

16、氏体转变区）。14.钢的热处理工艺：退火，正火，淬火，回火。15.钢的退火分为第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡状态。第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布。 16.完全退火 主要用于亚共析钢细化晶粒，消除热组织降低硬度。完全退火后得到的组织为珠光体和铁素体。球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。主要用于过共析钢和合金工具钢。再结晶退火冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，这种热处理工艺称为

17、再结晶退火。其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。17.正火在保温后空冷，正火比退火冷却速度大18. 正火后的组织：共析钢组织 S，亚共析钢组织 S + F，过共析钢组织 S +Fe3C。19. 正火的目的： 对于低、中碳钢(0.7C%)，目的与退火的相同。 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。普通结构钢零件最终热处理。 20. 将亚共析钢加热到Ac3以上，共析钢与过共析钢加热到Ac1以上（低于Accm）的温度，保温后以大于Vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火。因此淬火的目的就是为了获得马氏体，提高钢的机械性能。21.淬火过程是冷

18、却非常快的过程。为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vk。常用的淬火冷却介质是水、油和熔盐。22.钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层（也称为淬透层）深度的能力，所谓淬硬性是指钢在淬火后所能达到的最高硬度，即钢在淬火时的硬化能力。 23.钢的淬透性的影响因素：1，碳含量的影响2，合金元素的影响（除Co）3，奥氏体化的影响4，钢中未溶第二相的影响。24.回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺，回火是淬火后再将工件加热到Ac1温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。25.淬火后回火目的在于：降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形； 减少或消除残余奥氏体，以稳定工

19、件尺寸； 调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。 26. 回火可分为四个阶段：1，马氏体的分解2，残余奥氏体的转变（下贝氏体或回火马氏体）3，回火屈氏体形成4，渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶。27.随着回火温度的升高而冲击韧性下降的现象称为钢的回火脆性。28.回火分为三类：低温回火，经淬火并低温回火的工艺主要用于工具、冷作模具，处理后的组织主要为回火马氏体组织。中温回火，淬火钢经中温回火后，获得回火屈氏体组织，具有高的弹性、高的屈服极限、高的强度极限（即高的屈强比）和足够的韧性，适用于弹簧钢的热处理。高温回火，淬火加高温回火的工艺在工程上称为调质，处理后的组织为回火索氏体，具有韧性

20、、强度配合良好的综合机械性能。常需调质处理的零件如轴类、连杆、齿轮等。如果需要氮化处理的零件一般需要先进行调质处理。29.化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。常用的化学热处理有渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗。渗入元素介质可以是固体、液体和气体。第六章 常用工程金属材料1.碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。2.按化学成分分碳素钢可分为：低碳钢 0.25%C。中碳钢0.250.6%C高碳钢 0.6%C3.钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质

21、钢。4.按钢用途分为：1，碳素结构钢，这类钢主要用于制造各种金属结构和机器零件，多数为低碳和中碳钢。2，碳素工具钢包括刃具钢，模具钢，量具钢。为高碳钢。5碳素结构钢命名：Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号。Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。6. 优质碳素结构钢：牌号为两位数字（或加字母Mn），这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。7. 牌号为T+数字 “T”表示-“碳素工具钢”，数字表示钢平均含碳量的千分之几，如T8其平均含碳量为千分之八

22、（0.8%C）8.高级优质钢在钢号后加字母A，如20A、T8A。9.铸钢，在牌号前加“ZG”, 后两数字分别为最低屈服强度和最低抗拉强度。10.铸铁是碳含量大于2.11%、11.铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。12.影响铸铁石墨化的因素可分为内因和外因两个方面，内因是化学成分，外因是冷却速度。C、Si为强烈促进石墨化的元素。在生产过程中，铸铁的冷却速度越缓慢，或在高温下长时间保温，均有利于石墨化。13.按照碳的存在形式，铸铁可分为：碳以渗碳体形式存在的，称为白口铸铁；碳以石墨形式存在的，称为灰口铸铁。按照石墨的形态,灰口铸铁可分为:石墨呈片状铸铁,称灰铸铁；石墨呈团絮状的铸铁称可锻

23、铸铁；石墨呈球状的铸铁称球墨铸铁；石墨呈蠕虫状的铸铁称蠕墨铸铁。14.在浇注前向铁水中加入球化剂和孕育剂进行球化处理和孕育处理，则可获得石墨呈球状分布的铸铁，称为球墨铸铁。球墨铸铁的牌号以“QT数字数字”。牌号中的“QT”表示“球铁” 二字汉语拼音的大写字头，在“QT”后面两组的数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率。 15.蠕墨铸铁的牌号以“RuT数字”表示。牌号中“RuT”表示“蠕铁” 二字汉语拼音的大写字头，在“RuT”后面的数字表示最低抗拉强度。 16.可锻铸铁是由白口铸铁经长时间石墨化退火而获得的一种高强度铸铁，又叫玛钢。可锻铸铁的牌号以“KTH(或Z)数字数字”表示。牌号中的“KT”

24、表示“可铁”二字汉语拼音的大写字头，“H”表示“黑心”，“Z”表示珠光体基体。牌号后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率。 17.铸铁的热处理目的在于两方面：一是改变基体组织，改善铸铁性能;二是消除铸件应力。18合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。 19.低合金钢 合金元素总量 10%。合金钢又分为：合金结构钢，合金工具钢，特殊性能钢。合金工具钢：刃具钢，模具钢，量具钢。特殊性能钢：不锈钢，耐热钢耐磨钢。20. 合金钢编号牌号为：碳含量+合金元素1 + 1元素的百分含量数字+合金元素2 + 2元素的百分含量数字+ 碳含量标注合金结构钢，含碳量以万分之一为单位标出(两位数字)l 如40Cr、60Si2Mn工具钢和特殊性能钢含碳量以千分之一为单位标出(一位数字