工程材料复习课-2016

1、工程材料复习课工程材料复习课课程主线课程主线:结构结构-组织组织-性能性能-应用应用 金属材料金属材料 高分子材料高分子材料 陶瓷材料陶瓷材料 复合材料复合材料结构结构(第一章第一章)组织组织(第二章第二章)应用（第三章、第八章、第九章）应用（第三章、第八章、第九章）结构与性能（结构与性能（1.3）应用（第四章）应用（第四章）结构与性能（结构与性能（1.4）应用（第五章）应用（第五章）工工程程材材料料 根据根据结合键结合键可将可将工程材料分为四类工程材料分为四类： 金属材料金属材料主要以主要以金属键金属键结合，其强韧性好，结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工塑性变形能力

2、强，导电、导热性好，为主要的工程材料。程材料。 高分子材料高分子材料以以分子键和共价键分子键和共价键结合，耐蚀性、结合，耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、硬度较低，耐热性较差。硬度较低，耐热性较差。 陶瓷材料陶瓷材料以以离子键、共价键离子键、共价键结合，熔点高，结合，熔点高，硬度高，耐热，耐磨，脆性大，难以加工。硬度高，耐热，耐磨，脆性大，难以加工。 复合材料复合材料可由可由多种结合键多种结合键组成，强韧性好，组成，强韧性好，比强度、比刚度高，抗疲劳性好。比强度、比刚度高，抗疲劳性好。 重点概念：重点概念：相、组织、固溶体、固溶强化、金

3、属相、组织、固溶体、固溶强化、金属化合物、。化合物、。 重点内容：重点内容：三种典型晶体结构（体心立方、面心三种典型晶体结构（体心立方、面心立方和密排六方）的原子排列规律及基本参数；立方和密排六方）的原子排列规律及基本参数；立方晶系中晶面指数和晶向指数的确定方法；实立方晶系中晶面指数和晶向指数的确定方法；实际金属中的三类晶体缺陷；固溶体的分类及金属际金属中的三类晶体缺陷；固溶体的分类及金属间化合物的性能。间化合物的性能。 三种常见金属的晶体结构三种常见金属的晶体结构 体心立方晶格（胞）体心立方晶格（胞）：晶格常数：晶格常数a、90，晶胞原子数，晶胞原子数为为2个，原子半径：个，原子半径： ，致

4、密度为，致密度为68%，最大空隙半，最大空隙半径径 r四四=0.29r原子原子，配位数为，配位数为8 。 面心立方晶格（胞）面心立方晶格（胞）：晶格常数：晶格常数a、90，晶胞原子数，晶胞原子数为为4个，原子半径：个，原子半径： ，致密度为，致密度为74%，最大空隙半，最大空隙半径径r八八=0.414r原子原子，配位数为，配位数为12。 密排六方晶格（胞）密排六方晶格（胞）：晶格常数：晶格常数a、c、90、120，晶胞原子数为晶胞原子数为6个，原子半径：个，原子半径： ，致密度为，致密度为74%，最大空隙半径最大空隙半径 r八八=0.414r原子原子 ，配位数为，配位数为12。1 1、晶格、晶

5、胞和晶格常数、晶格、晶胞和晶格常数2 2、三种晶格类型、三种晶格类型7Mg、Zn -Fe、Ni、Al -Fe、Cr、W常见金属常见金属31212滑移系滑移系底面对角底面对角3 3 2滑移方向滑移方向六方底面六方底面1111 41106滑移面滑移面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晶面指数一般标记为晶面指数一般标记为(hkl)，实际表示一组原子排列相同的平行晶面，实际表示一组原子排列相同的平行晶面在立方晶系中，在立方晶系中， 由于原子的排列

6、具有高度的对称性，往往存在许多原子排列完全相同由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同但在空间位向不同(即不平行即不平行)的晶面，这些晶面总称为晶面族，用大括号表示，即的晶面，这些晶面总称为晶面族，用大括号表示，即hkl。晶向指数的一般标记为晶向指数的一般标记为u v w，实际表示一组原子排列相同的平行晶向，实际表示一组原子排列相同的平行晶向原子排列情况相同而在空间位向不同原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行即不平行)的晶向统称为晶向族，用尖括的晶向统称为晶向族，用尖括号表示，即号表示，即。 取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，uvw即

7、为晶向指数。 取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入圆括号（hkl）内，即为该晶面的晶面指数。8晶体缺陷晶体缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷空位、置换原子、间隙原子空位、置换原子、间隙原子刃型刃型位错位错、螺型位错、螺型位错晶界、亚晶界晶界、亚晶界实际金属中的三类晶体缺陷实际金属中的三类晶体缺陷 合金固溶体金属间化合物 第二章第二章 金属材料组织和性能的控金属材料组织和性能的控制制2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2 合金的结晶合金的结晶2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工2.4 钢的热处理钢的热处理2.5 钢的合金化钢的合金化2.6 表面技术表面技术2.1纯金属的结晶

8、纯金属的结晶重要概念：重要概念：过冷度、自发形核、非自发形核、变质处理。过冷度、自发形核、非自发形核、变质处理。 重点掌握内容：重点掌握内容：过冷度对结晶过程的影响规律；纯铁的同素异构转变过冷度对结晶过程的影响规律；纯铁的同素异构转变; 细化晶粒的措施。细化晶粒的措施。2.2合金的结晶合金的结晶重要概念：重要概念：相图、枝晶偏析、共晶反应、包晶反应、共析反应、铁素相图、枝晶偏析、共晶反应、包晶反应、共析反应、铁素体、珠光体、马氏体、渗碳体、奥氏体、莱式体。体、珠光体、马氏体、渗碳体、奥氏体、莱式体。重点掌握内容：重点掌握内容：杠杆定律及其应用；杠杆定律及其应用；共晶相图中典型合金的结晶过程；共

9、晶相图中典型合金的结晶过程；弄清相组成物、组织组成物的概念区别；弄清相组成物、组织组成物的概念区别；深入理解和熟练掌握铁碳合金相图部分的全部内容深入理解和熟练掌握铁碳合金相图部分的全部内容(教材教材pp8699)。2.3金属的塑性加工金属的塑性加工重点掌握的概念：重点掌握的概念：滑移、纤维组织（流线）、加工硬滑移、纤维组织（流线）、加工硬化（形变强化）、再结晶、热加工、冷加工化（形变强化）、再结晶、热加工、冷加工重点掌握内容：重点掌握内容：塑性变形的特点；塑性变形的特点；塑性变形对金属组织与性能的影响；塑性变形对金属组织与性能的影响；塑性变形后的金属在加热时组织和性能的变化。塑性变形后的金属在

10、加热时组织和性能的变化。2.4钢的热处理钢的热处理重要概念：重要概念：热处理、索氏体、屈式体、贝氏体、马氏体、残余热处理、索氏体、屈式体、贝氏体、马氏体、残余A、退火、退火、正火、淬火、回火、调质处理、淬透性、淬硬性正火、淬火、回火、调质处理、淬透性、淬硬性重点掌握内容：重点掌握内容：过冷奥氏体转变曲线过冷奥氏体转变曲线(C曲线和曲线和CCT曲线曲线)；三个转变区（具体划分）及转变产物的形态、性能等特点；三个转变区（具体划分）及转变产物的形态、性能等特点；M转变的特点；转变的特点；M的形态及性能特点；的形态及性能特点；普通热处理；普通热处理；淬火温度的选定及原因；淬火温度的选定及原因；影响淬透

11、性的因素；影响淬透性的因素；回火的目的；回火的目的；三种回火温度及回火转变产物的组织性能特点三种回火温度及回火转变产物的组织性能特点;表面淬火及渗碳。表面淬火及渗碳。2.5 钢的合金化钢的合金化重点掌握内容：重点掌握内容：扩大扩大A相区的元素；相区的元素；碳化物形成元素碳化物形成元素;合金元素对过冷奥氏体分解转变（合金元素对过冷奥氏体分解转变（ C曲线）的影响；曲线）的影响；合金元素对淬火钢回火转变的影响；合金元素对淬火钢回火转变的影响；掌握四种强化机制（固溶强化、位错强化、细晶强化、掌握四种强化机制（固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化）；第二相强化）；合金元素在钢中的作用。合金元素在钢

12、中的作用。 Fe-C合金合金 Fe-Fe3C相图相图 重要点、线的字母、温度、成分和意义。重要点、线的字母、温度、成分和意义。 各种相和组织的本质和特征。各种相和组织的本质和特征。 典型成分的铁碳合金的结晶过程。典型成分的铁碳合金的结晶过程。 杠杆定律计算典型成分铁碳合金组成相及组织组成杠杆定律计算典型成分铁碳合金组成相及组织组成物的百分含量。物的百分含量。 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + Fe-Fe3C相图相图 + Fe3C + Fe3C 莱氏体莱氏体Ld (A+ Fe3C) Ld(P+Fe3C)珠光体珠光体P(F+ Fe3C)；复相组织组成物：复相组织组成物：%7 .

13、 6%1000008. 069. 60008. 045. 03 CFeQ%3 .93%7 . 6%100 FQ%4 .58%1000008. 077. 00008. 045. 0 PQ%6 .41%4 .58%100 FQ%9 .14%1000008. 069. 60008. 00 . 13 CFeQ%1.85%9.14%100 FQ%9 . 3%10077. 069. 677. 00 . 13 CFeQ%1.96%9.3%100 PQ只能在切应力的作用下发生只能在切应力的作用下发生沿密排面和密排方向发生沿密排面和密排方向发生位移量是原子间距整数倍位移量是原子间距整数倍伴随着转动伴随着转动n

14、回复回复 加热温度低，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高；加热温度低，其强度、硬度略有下降，塑性略有提高； 宏观内应力消失，微观应力仍然存在（保留加工硬化，宏观内应力消失，微观应力仍然存在（保留加工硬化， 去应力退火）去应力退火）n 再结晶（形核和长大过程，非相变）再结晶（形核和长大过程，非相变） 形成等轴晶形成等轴晶 内应力全部消失，金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提内应力全部消失，金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提 高，加工硬化高，加工硬化消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平n 晶粒长大晶粒长大 强度、塑性、韧性略有降低强度、塑性、韧

15、性略有降低金属经塑性变形（冷加工）后，组织结构和性能发生很大变化，对变形后金属经塑性变形（冷加工）后，组织结构和性能发生很大变化，对变形后的金属进行加热，可以使组织和性能得以恢复。随着加热温度的升高，变的金属进行加热，可以使组织和性能得以恢复。随着加热温度的升高，变形金属将相继发生回复、再结晶、晶粒长大。形金属将相继发生回复、再结晶、晶粒长大。n 再结晶温度及其影响因素再结晶温度及其影响因素预变形程度：越大，预变形程度：越大，T再再越低越低原始晶粒大小：越小，原始晶粒大小：越小，T再再越低越低金属的熔点：越高，金属的熔点：越高， T再再越高越高金属纯度：含高熔点元素金属纯度：含高熔点元素, 显

16、著提高显著提高T再再加热速度和保温时间：提高加热速度提高加热速度和保温时间：提高加热速度提高T再，再，延长保温时间，降低延长保温时间，降低T再再n再结晶后的晶粒度及影响因素再结晶后的晶粒度及影响因素加热温度越高、保温时间越长，晶粒度越大加热温度越高、保温时间越长，晶粒度越大n 冷热加工的区别？冷热加工的区别？ （共析钢）（共析钢）650600550350A1MSMfPSTB上上B下下M+AM+AAPASATAB上上AB下下AM过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A使珠光体中的片状使珠光体中的片状渗碳体和网状二次渗碳体和网状二次渗碳体球化，以降渗碳体球化，以降低硬度、改善切削低硬度、

17、改善切削加工性能；获得均加工性能；获得均匀组织，改善热处匀组织，改善热处理工艺性能，为以理工艺性能，为以后的淬火作组织准后的淬火作组织准备备用于共析钢、用于共析钢、过共析钢和合过共析钢和合金工具钢金工具钢铁素体基铁素体基体上均匀体上均匀分布的粒分布的粒状渗碳体状渗碳体组织组织-球状珠光球状珠光体体将过共析碳钢加热到将过共析碳钢加热到A Ac c1 1以上以上20203030，保温，保温2 24h4h，使片，使片状渗碳体发生不完全溶解断开状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分成细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上，在随后的布在奥氏体基体上，在随后的缓冷过程中，或以原有的细小缓冷

18、过程中，或以原有的细小的渗碳体质点为核心，或在奥的渗碳体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀的颗粒状渗碳体形成均匀的颗粒状渗碳体球化球化退火退火与完全退火相同，与完全退火相同，但所需时间可缩短但所需时间可缩短一半，且组织也较一半，且组织也较均匀均匀用于奥氏体比用于奥氏体比较稳定的合金较稳定的合金钢钢珠光体珠光体将奥氏体化后的钢快冷至珠光将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度等温保温，使过冷体形成温度等温保温，使过冷奥氏体转变为珠光体，空冷至奥氏体转变为珠光体，空冷至室温室温等温等温退火退火细化晶粒，消除内细化晶粒，消除内应力，降低硬度以应力，降低硬度

19、以便于随后的切削加便于随后的切削加工工用于亚共析碳用于亚共析碳钢和合金钢的钢和合金钢的铸、锻件铸、锻件平衡组织平衡组织铁素珠铁素珠光体光体将亚共析碳钢加热到将亚共析碳钢加热到A Ac c3 3以上以上30305050，保温，随炉缓冷到，保温，随炉缓冷到600600以下，出炉空冷以下，出炉空冷完全完全退火退火目的目的应用场合应用场合组织组织热处理工艺热处理工艺名称名称57对于低碳钢、低碳对于低碳钢、低碳低合金钢，细化晶低合金钢，细化晶粒，提高硬度粒，提高硬度（140140190HBS190HBS），），改善切削加工性能；改善切削加工性能；对于过共析钢，消对于过共析钢，消除二次网状渗碳体，除二次网

20、状渗碳体，有利于球化退火的有利于球化退火的进行进行适用于碳素钢及中、适用于碳素钢及中、低合金钢，因为高低合金钢，因为高合金钢的奥氏体非合金钢的奥氏体非常稳定，即使在空常稳定，即使在空气中冷却也会获得气中冷却也会获得马氏体组织马氏体组织亚共析亚共析F+PF+P共析共析P P过共析过共析P+Fe3cP+Fe3c将亚共析碳钢加热到将亚共析碳钢加热到A Ac c3 3以以上上30305050，过共析碳钢，过共析碳钢加热到加热到A Ac ccmcm以上以上30305050，保温，空气中冷却保温，空气中冷却正火正火消除残余内应力，消除残余内应力，提高工件的尺寸稳提高工件的尺寸稳定性，防止变形和定性，防止变

21、形和开裂开裂用于铸件、锻件、用于铸件、锻件、焊接件、冷冲压件焊接件、冷冲压件及机加工件及机加工件组织不组织不变变将工件随炉缓慢加热到将工件随炉缓慢加热到500500650650，保温，随炉，保温，随炉缓慢冷却至缓慢冷却至200200出炉空冷出炉空冷去应力去应力退火退火高温长时间保温，高温长时间保温，使原子充分扩散，使原子充分扩散，消除晶内偏析，使消除晶内偏析，使成分均匀化成分均匀化用于高质量要求的用于高质量要求的优质高合金钢的铸优质高合金钢的铸锭和成分偏析严重锭和成分偏析严重的合金钢铸件的合金钢铸件粗大晶粗大晶粒粒加热到加热到11001100左右，保温左右，保温101015h15h，随炉缓冷到

22、，随炉缓冷到350350，再出炉空冷。工件，再出炉空冷。工件经均匀化退火后，奥氏体经均匀化退火后，奥氏体晶粒十分粗大，必须进行晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细一次完全退火或正火来细化晶粒，消除过热缺陷化晶粒，消除过热缺陷均匀化均匀化退火退火( (扩扩散）散）目的目的应用场合应用场合组织组织热处理工艺热处理工艺名称名称58淬透性和淬硬性淬透性和淬硬性淬透性淬透性表示钢淬火时获得马氏体的能力，它反映钢的过表示钢淬火时获得马氏体的能力，它反映钢的过冷冷A的稳定性，即与钢的临界冷却速度有关。过冷的稳定性，即与钢的临界冷却速度有关。过冷A越越稳定（稳定（C曲线越靠右），临界淬火速度越小，则钢

23、的淬曲线越靠右），临界淬火速度越小，则钢的淬透性越好。主要取决于合金元素。透性越好。主要取决于合金元素。淬硬性淬硬性表示钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得表示钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。它主要取决于到的最高硬度表示。它主要取决于M中的含碳量。中的含碳量。M中中含碳量越高，钢的淬硬性越高。含碳量越高，钢的淬硬性越高。1 1）合金元素在钢中的分布形式合金元素在钢中的分布形式：固溶体溶质、合金渗碳体、非：固溶体溶质、合金渗碳体、非金属夹杂物、游离态金属夹杂物、游离态2 2）合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响扩大扩大A 相区的元素如相区的元素如Mn、Ni、

24、Co、C、N、Cu等均使等均使S点、点、E点左下移、点左下移、A1、A3线下降线下降缩小缩小A 相区的元素如相区的元素如Cr、Mo、W、V、Ti、A1、Si、B、Nb、Zr等均使等均使S点、点、E点左上移、点左上移、A1、A3线上升线上升所有合金元素匀使所有合金元素匀使S、E点左移点左移3 3）合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响除除Ni、Mn外，大多数合金元素使钢的热处理温度和保温时间延长；外，大多数合金元素使钢的热处理温度和保温时间延长；除除Co外，所有合金元素都使外，所有合金元素都使C曲线右移，即提高钢的淬透性曲线右移，即提高钢的淬透性除除Co、Al外，多数合金元素都使外

25、，多数合金元素都使Ms和和Mf点下降，使淬火后钢中残余奥使体量增多。点下降，使淬火后钢中残余奥使体量增多。634 4）合金元素对钢的回火转变的影响合金元素对钢的回火转变的影响：提高回火稳定性，产生二：提高回火稳定性，产生二次硬化，增大回火脆性次硬化，增大回火脆性两种回火脆性两种回火脆性5 5）合金元素对钢机械性能的影响合金元素对钢机械性能的影响利用四种强化机制提高钢的强度：固溶强化、位错强化、细晶利用四种强化机制提高钢的强度：固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化强化、第二相强化633.1 碳钢碳钢3.2 合金钢合金钢第三章第三章 金属材料金属材料典型钢号，热处理及组织等典型钢号，热处理及组织等1. 1. 碳钢可按成份、质量、用途和冶炼方法来分类。碳钢通常分为碳钢可按成份、质量、用途和冶炼方法来分类。碳钢通常分为 普通碳素结构钢普通碳素结构钢 Q215Q215、Q235Q235等等 优质碳素结构钢优质碳素结构钢 2020、4545、6060等等 碳素工具钢碳素工具钢 T8T8、T10T10、T12T12等等 不同牌号的钢材其应用领域不同。不同牌号的钢材其应用领域不同。2. 2. 合金钢按用途分为合金钢按用途分为合