《工程材料》复习

1、一、晶体结构一、晶体结构 纯金属的晶体结构1、理想金属 晶体：原子呈规则排列的固体。原子、离子等质点在三维空间周期性重复排列。 晶格：若将这些点用一些假象的连线连接起来，便形成了一个三维的几何框架，该几何框架表示晶体中原子排列的几何形式称为晶格。 晶胞：在晶格中，能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞。 三种常见纯金属的晶体结构Mg、Zn -Fe、Ni、Al -Fe、Cr、W常见金属常见金属0.740.740.68致密度致密度12 128配位数配位数6 42原子个数原子个数原子半径原子半径a、caa晶格常数密排六方密排六方面心立方面心立方体心立方体心立方a43a42a21 立方晶系的晶面指数和晶

2、向指数晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（ ）晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加 立方晶系常见的晶面和晶向 晶面族与晶向族 指数不同但原子排列完全相同的晶面或晶向。 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。3a2、实际金属 多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。 晶粒：外形不规则的小晶体。 晶界：晶粒与晶粒之间的交界面。 晶体缺陷实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷。晶体缺陷按空间尺寸大小不同分为点缺陷、线缺陷、面缺陷三类缺陷。点缺陷：空位：晶格的结点未被原子占有。间隙原子：原子不占有晶格结点位置，处于晶格间隙之间的原子。异类原子：实际金属中，往往有其它金属或非金属原子存在，称为异类原

3、子。 线缺陷位错面缺陷晶界和亚晶界 亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶块。亚晶界：亚晶粒之间的交界面。晶界的特点： 原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；产生内吸附；是相变的优先形核部位。 金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多；需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性变形的抗力越高。 晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多,变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好. 细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、韧性的方法。（二） 合金的晶体结构合金：通过熔炼、烧结或其它方法，将一种金属元素或其它元

4、素结合在一起形成的具有金属特性的新物质称为合金。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。 相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相。 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶体。马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加而提高。 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成的固溶体。为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。 铁素体：碳在-Fe中的固溶体。 奥氏体：碳在-Fe中的固溶体。 马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。 固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度提高，塑

5、性、韧性下降的现象。2 金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相。 (1)正常价化合物 如Mg2Si (2)电子化合物 如Cu3Sn (3)间隙化合物：由过度族元素与C、N、H、B等小原子半径的非金属元素组成。 间隙化合物分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。 强碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VC 中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6 弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3C3. 性能比较：强度：固溶体纯金属硬度：化合物固溶体纯金属塑性：化合物固溶体纯金属4. 金属化合物形态对性能的影响 基体、晶界网状：强韧性低 晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低 颗粒状起弥散

6、强化的作用（第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。 5. 固溶体与化合物的区别： 结构；性能；表达方式 （三）合金元素在钢中的作用1、强化铁素体。 2、形成化合物第二相强化。3、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区。4、使S、E点左移。5、影响A化。6、溶于A(除Co外), 使C曲线右移, Vk减小, 淬透性提高。7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。8、提高回火稳定性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力）。 9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回，

7、使硬度不仅不下降，反而升高的现象)。 10、防止第二类回火脆性：W、Mo(回火脆性 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的冲击韧性下降的现象。)。二、组织二、组织 纯金属的组织1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程 结晶的条件过冷：在理论结晶温度以下发生结晶的现象。液态纯金属的实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0时，结晶才能有效地开始进行，这种现象称为过冷现象，过冷是结晶的必要条件 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 结晶的基本过程晶核形成与晶核长大 形核自发形核与非自发形核 长大均匀长大与树枝状长大 结晶晶粒度控制方法：增加过冷度；变质处理；机械振动、搅拌2、纯金属中的固态转变同素异

8、构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发生变化的现象。铁的同素异构转变： -Fe -Fe -Fe -Fe -Fe-Fe13941394 912912 合金的组织合金的组织 1、相图 匀晶L 共晶L+ 共析 + 二元合金相图的一些几何规律二元合金相图的一些几何规律 在两个单相区之间必定存在着一个由两相所组成的两相区隔开。两个两相区必定以单相区或三相水平线隔开。 在二元合金相图中，若是三相平衡，则必定是一条水平线，这条水平线上有三个表示平衡相浓度的点，其中两点应在水平线的两端。这条水平线必定和三个两相区相邻。2、合金中的固态相变 固溶体转变：AF 共析转变：AP(F+Fe3C) 二次析出：AFe3C

9、 奥氏体化 过冷奥氏体转变3 3、铁碳合金相图、铁碳合金相图ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相图共晶相图共析相图共析相图匀晶相图匀晶相图( P+Fe3C )铁碳合金中的基本相为铁素体、奥氏体和渗碳体 相：在金属中或合金中，凡成份相同，结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。 组织：是指用肉眼或显微镜所观察到的材料的

10、形貌，包括宏观组织和微观组织。合金的组织决定着合金的性能。 相组成物：合金的基本组成相。 组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。 相区标注 组织组成物标注三、钢的热处理三、钢的热处理 热处理原理1、加热时的转变奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶解；A成分均匀化。奥氏体化后的晶粒度：初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。 2、冷却时的转变 等温转变曲线及产物 根据过冷奥氏体转变温度的不同，转变产物可分为珠光体、贝氏体、马氏体三种。 共析成分碳钢的过冷奥氏体在A1550之间发生珠光体转变，550MS之间发

11、生贝氏体转变，MSMf之间发生马氏体转变。P型转变：Fe、C原子进行扩散，晶格重组 转变温度 名称 组织 形态 HRCA1-650PF+Fe3C片状较粗0.4m 500金相显微镜下观察5-20650-600SF+Fe3C细片状，0.20.4m,8001000金相显微镜下观察20-30600-550TF+Fe3C极细片状0.2m，在电镜下观察30-40 珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。光镜下光镜下S形貌形貌光镜下光镜下P形貌形貌光镜下光镜下T形貌形貌B型转变：转变温度范围550-Ms(230), 转变温度较低，

12、C扩散，Fe不扩散，仅作很小位移，晶格重组。转变温度名称组织形态HRC550350B上F+Fe3C羽毛状4050350230B下F+Fe3C黑针状5060 上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。 下贝氏体具有较高强度、较高塑性和韧性相配合，较好的机械性能，是生产上希望获得的组织，一般采用等温淬火。光镜下光镜下B上上光镜下光镜下B下下 M型转变 Fe、C原子均不能进行扩散， -Fe-Fe的晶格改变时，奥氏体直接转变为碳在-Fe中的过饱和固溶体，是一种单相的亚稳组织，称为马氏体，又称为碳过饱和铁素体。 马氏体转变是强化钢的重要途径之一。转变温度名称组织形态HRCM230板条M碳过饱和F板条状606

13、5350230片状M碳过饱和F片状65 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。 针状马氏体硬度高、脆性大，板条马氏体有较高强度、硬度，且具有较好的塑性和韧性。光镜下板条光镜下板条M光镜下针状光镜下针状M 马氏体转变的特点 无扩散性 在不断降温过程中形成的 形成速度快：一般不需要孕育期。 马氏体转变的不完全性 体积膨胀：含 碳 量 对 马 氏体转 变 温 度 的 影响含碳 量对残余奥氏体 量的影响 随C%上升，Ms、Mf则残余奥氏体也越来越多。当A中含C量越过0.5%时，由于Mf点已低于室温，当淬火到室温时，必然会有一部分A残留下来，且随C%残

14、余奥氏体量增加。 用C曲线定性说明连续冷却转变产物 根据与C曲线交点位置判断转变产物 3、回火时的转变 碳钢：马氏体的分解 ；残余奥氏体分解 ；碳化物类型的转变 ；Fe3C聚集长大和固溶体的回复与再结晶。 W18Cr4V钢：560三次回火。 析出W、Mo、V的碳化物，弥散硬化。 回火冷却时，A转变为M,每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火,产生 二次硬化。 在淬火状态约有20-25%的A残。一次回火难以全部消除，经三次回火后，可使A残减至最低量。在550-570回火硬度最大。 热处理工艺工艺工艺目的目的加热温度加热温度组织组织退火退火1.1.调整硬度调整硬度, ,便于切削便于切削加工。加工。

15、2.2.细化晶粒细化晶粒, ,为最终热为最终热处理作组织准备。处理作组织准备。亚共析钢亚共析钢AcAc3 3+30+30 5050共析钢共析钢AcAc1 1+30+30 5050过共析钢过共析钢AcAc1 1+30+30 5050 F+P F+P P P P P球球正火正火1.1.低中碳钢同退火。低中碳钢同退火。2.2.过共析钢：消除网状过共析钢：消除网状二次渗碳体。二次渗碳体。3.3.普通件最终热处理普通件最终热处理亚共析钢亚共析钢AcAc3 3+30+30 5050共析钢共析钢 AcAc1 1+30+30 5050过共析钢过共析钢AcAccmcm+30+30 5050 F+S; F+S;

16、S S S S淬火淬火 获得马氏体组织。获得马氏体组织。亚共析钢亚共析钢AcAc3 3+30+30 5050共析钢共析钢 AcAc1 1+30+30 5050过共析钢过共析钢AcAc1 1+30+30 5050 M M M+A M+A M+A+ M+A+粒状粒状FeFe3 3C C热处理工艺（续）热处理工艺（续）工工艺艺目的目的加热温度加热温度组织组织回回火火1.1.消除内应力，消除内应力，减少变形。减少变形。2.2.获得所需要的获得所需要的性能。性能。低温回火低温回火150150 250250中温回火中温回火350350 500500高温回火高温回火500500 650650 ( (调质调质

17、) )亚共析亚共析, ,共析钢：共析钢：M M回回过共析钢过共析钢:M:M回回+A(+A(少少)+)+粒状粒状FeFe3 3C C T T回回 S S回回表表面面淬淬火火表面获得马氏体表面获得马氏体组织，并获得表组织，并获得表硬里韧的性能。硬里韧的性能。预备热处理：调质或预备热处理：调质或正火正火适用于中碳钢中碳低合金钢适用于中碳钢中碳低合金钢表面：表面：M M回回心部：心部：S S回回( (调质调质) ) 或或F+S(F+S(正火正火) )渗渗碳碳提高表面含碳量，提高表面含碳量，获得表硬里韧的获得表硬里韧的性能。性能。渗碳温度渗碳温度:900:900 950950淬火温度：淬火温度：表面表面

18、AcAc1 1+30+30 5050心部心部AcAc3 3+30+30 5050适用于低碳钢适用于低碳钢 0.10.1 0.25%C0.25%C表面：表面：M M回回+A(+A(少少)+)+颗粒状颗粒状FeFe3 3C C心部心部：M M回回+F+F M M回回四、工业用金属材料四、工业用金属材料钢种钢种C%C%典型牌典型牌号号合金元素作用合金元素作用热处热处理理使用状态下组使用状态下组织织性能性能用途用途碳素结碳素结构钢构钢0.20.2Q195Q195Q235(A3)Q235(A3)热轧热轧空冷空冷F+PF+P塑性塑性, ,焊接性焊接性好好建筑结建筑结构构低合金低合金高强度高强度钢钢0.20

19、.2Q345Q345(16Mn)(16Mn)Mn:Mn:强化强化F,F,增加增加P,P,降低脆转温降低脆转温度度热轧热轧空冷空冷F+SF+S塑性塑性, ,焊接性焊接性好好桥梁桥梁, ,船舶船舶, , 容器容器渗碳钢渗碳钢0.1-0.1-0.250.25202020Cr20Cr20CrMnT20CrMnTi iCr,Mn:Cr,Mn:提高淬提高淬透性透性, ,强化强化F,Ti:F,Ti:细化晶粒细化晶粒渗碳渗碳+ +淬火淬火+ +低温低温回火回火表面：表面：M M回回+ A + A ( (少量少量)+)+颗粒颗粒状状FeFe3 3C C心部心部：M M回回+F+F表硬里表硬里韧韧齿轮齿轮调质钢调

20、质钢0.250.250.50.5454540Cr40Cr40CrNiM40CrNiMo oCr,Ni:Cr,Ni:提高淬提高淬透性透性, ,强化强化F,F,Mo:Mo:防止第二类防止第二类回火脆性回火脆性调质调质 S S回回良好综良好综合力学合力学性能性能轴、齿轴、齿轮轮 工业用钢工业用钢工业用钢（续）工业用钢（续）钢种钢种C%C%典型牌号典型牌号合金元素作合金元素作用用热处理热处理使用状态下组使用状态下组织织性能性能用途用途滚动轴滚动轴承钢承钢0.950.95 1.151.15GCr15GCr15Cr:Cr:提高淬提高淬透性透性, ,耐磨耐磨耐蚀性耐蚀性球退球退+ +淬淬火火+ +低温低温回

21、火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+颗粒状颗粒状FeFe3 3C C高耐磨高耐磨高高R Rr r足够足够a ak k滚动轴滚动轴承承耐磨钢耐磨钢1.01.0 1.31.3ZGMn13ZGMn13Mn:Mn:形成形成A A组组织织水韧处水韧处理理表：表：M+M+碳化物碳化物心：心：A A高耐磨高耐磨耐冲击耐冲击铲齿，铲齿，履带板履带板碳素工碳素工具钢具钢0.650.65 1.31.3T7-T13T7-T13球退球退+ +淬淬火火+ +低温低温回火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+颗粒状颗粒状FeFe3 3C C高硬度高硬度高耐磨高耐磨冲子、冲子、丝锥、丝锥、锉刀锉刀低合金低合金工具钢工具钢0.750.75 1.51.59SiCr9SiCrSiSi、CrCr：提：提高淬透性高淬透性球退球退+ +淬淬火火+ +低温低温回火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+颗粒状颗粒状FeFe3 3C C高硬度高硬度高耐磨高耐磨低速刃低速刃具具高速钢高速钢0.70.7 1.51.5W18Cr4VW18Cr4VCr:Cr:提高淬提高淬透性；透性；W W、V V：提高热硬、提高热硬、耐磨性耐磨性锻、退锻、退火、淬火、淬火火+ +三次三次回火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+颗粒状碳颗粒状碳化物化物高热硬高热硬高硬度高硬度高耐磨高耐磨高速刃高速刃具具工业