材料概论知识点总结

材料概论知识点总结材料学纲要结合键离子键、共价键、金属键（化学键）、分子键和氢键1）几种结合键的区别？离子键是以正负离子间的相互作用力形成的结合。离子键材料由两种以上的电负性相差很大的原子构成。离子晶体的特性：（1）离子晶体是最密堆积的面心立方或六方密填结构，离子晶体的这种结构特征体现了离子键的各向同性。（2）对可见光透明，吸收红外波长。离子震动能级吸收。共价键不易失去价电子的原子倾向于与邻近原子共有价电子、成为8电子稳定结构。共价键以拉手结合。金属键具有方向性，价电子位于共价键附近的几率高于其他处。共价键形成的条件：原子具有相似的电负性、价电子之和为8。共价键材料的特性：（1）高硬度、高熔点、导电性差、低膨胀系数，这体现了共价键是强化和键。性脆，延展性很差，这体现了共价键的方向性。陶瓷和聚合物；或完全、或部分是共价键。金属键金属原子失去价电子成为正离子、价电子成为自由电子，离子骨架浸泡在电子的海洋。本质：是离子、电子间的库仑相互作用。特性：无方向性，不易被破坏。使金属具有良好的延展性和导电性，是良好的导体。分子键由分子之间的作用力（范德华力）而形成的，由于分子键很弱，故结合成的晶体具有低熔点、低沸点、低硬度、易压缩等特性。氢键氢原子与电负性大的原子X以共价键结合，若与电负性大、半径小的原子Y（OFN等）接近，在X与Y之间以氢去为媒介，生成X-H...Y形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，成为氢键。结合键对材料性能的影响。金属材料金属材料的结合键主要是金属键。金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展性；金属光泽等。陶瓷材料陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。高分子材料高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德华键。尽管范德华键较弱，但由高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能。晶体结构（晶体与非晶体的转变，容易转化成晶体的转化成非晶体与冷却速度有关，）固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。所谓晶体，是指原子或原子团、离子或分子以周期性重复方式在三维空间有规则排列形成的固体。晶体的原子排列长程有序，且有整齐规则的几何外形；晶体还具有固定的熔点，在熔化过程中，其温度始终保持不变。单晶体还有各向异性特点。非晶体是指内部质点在三维空间不呈周期性重复排列的固体，具有近程有序排列，但不具有长程有序排列。。非晶体外形为无规则形状的固体，在熔解过程中没有明确的熔点，随着温度的升高，物质首先变软，然后逐渐由稠变稀，如玻璃。1）晶体与非晶体的转变液体在缓慢降温过程中形成晶体。在这一过程中，原子具有足够的时间发生重排，因此形成的晶体中原子的排列成有序状态。液体在急冷过程中形成非晶体。在这一过程中，原子没有足够的时间发生重排，因此形成的晶体中原子的排列呈无序状态。2）晶体与非晶体的本质区别晶态材料具有长程有序的点阵结构，其组成原子或基元处于一定格式空间排列的状态非晶态材料则像液体那样，只有在几个原子间巨量级的短程范围内具有原子有序的状态。（短程有序）晶体的宏观特征规则的几何外形；有固定的熔点；物理性质的各向异性。常见纯金属的晶格类型体心立方晶格：记为BCC配位数：8晶胞原子数：2面心立方晶格：记为FCC配位数：12晶胞原子数：4密排六方晶格：记为HCP晶胞原子数：6密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体。由六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。属于这种晶格类型的金属有MgZn、Be、Cd等晶核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。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。通常使用的金属都是有很多小晶体组成，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体成为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。晶核的形成气相、液相（溶液或熔体）、固相物质通过相变可以形成晶体。相变时，先形成晶核，然后再围绕晶核慢慢长大。自发产生晶核的过程称为均匀成核；从外界某些不均匀处（如容器壁或外来杂质等）产生晶核的过程称非均匀成核。均匀成核均匀成核是指在理想体系中各处有相同的成核几率。实际上某一瞬间由于热气状，局部区域里分子分布可能出现不均匀，一些分子可能聚集成团而形成胚芽，而在另一瞬间这些胚芽也可能消失。据热力学计算，当胚芽半径r大于晶核临界尺寸r0时，就可以稳定的继续长大，不会自行消失。因为当r>>r0时，胚芽的自由能△F的改变就明显降低，且胚芽越大△F越小。这种稳定的胚芽称为晶核。反之，当胚芽r<r0时，胚芽可能自行消失。通常单位表面能小的晶面围绕的晶核出现的几率较大；核化速率随结晶潜热增加而变快；改变生长条件如降低温度、增加过冷度也可以增加核化速率。非均匀成核成核的过冷度和过饱和度并不需要那么大。因为在通常的生长系统中总是存在不均匀的部位（如容器壁、外来的微粒等），它有效降低了成核时的表面壁垒，使晶核优先在这些不均匀部位形成。例如，人工降雨就是在饱和比不大又不能均匀成核的云层中，撒入碘化银细小微粒，就能形成雨滴。晶体生成的方法提拉法（2）坩埚下降法（3）焰熔法晶体缺陷点缺陷★点缺陷是指在晶体空间中，其长宽高尺寸都很小（相对于原子尺寸）的一种缺陷。主要包括三种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子。线缺陷产生：平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等运动：迁移、复合-浓度降低；聚集-浓度升高-塌陷与材料行为：（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减少。）力学性能（屈服强度提高）光学性能（色心）晶体中最普通的线缺陷就是位错。位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。（这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的）意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性作用，对材料的扩散、相变过程有较大的影响。面缺陷晶体中的面缺陷是指在两个方向尺寸很大而第三个方向尺寸很小，呈面状分布的缺陷。这类缺陷主要是晶粒边界和亚晶界。晶界是晶体中的一种重要的缺陷，晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。因此，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强度愈高。细晶强化：通过细化晶粒以提高材料强度的方法。在常温下的细晶金属比粗晶粒金属有更好的强度、硬度、塑性和硬性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。常温下，晶界多，而高温下晶界为薄弱部分，应减少晶界。固溶体（分为置换固溶体和间隙固溶体）固溶体是指固态下以某一合金组元为溶剂，在其晶格中溶入其他组元原子（溶质）后形成的一种合金相，其特点是固溶体具有溶剂组元的晶格类型。固溶强化是指纯金属经过适当的合金化后，强度、硬度提高的现象。其原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变。1）扩散机制扩散：热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程。现象：柯肯达尔效应本质：原子无序跃迁的结果。扩散对于材料的加工过程具有重要的影响。2）固溶体和化合物的区别如果加盟组元原子占据基本组元原子晶体中所占位置的一部分或它们之间的某些空隙而仍保持基本组元的晶体结构，这种晶体便称为固溶体。如果加盟组元与基本组元以一定的比值重新组合形成新的晶体结构，这种晶体便称为化合物。相图什么是相图？相图是描述系统的状态，温度、压力及成分之间的关系的一种图解，又称为状态图或平衡图。表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简示图。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相成分和质量分数不再变化所达到的一种状态。什么是二元相图？二元相图又称二元系相图，是表示系统中两个组元在热力学平衡状态下组份和温度，压力之间的关系的简明图解。从液相中不断结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。二组元在液态、固态时均能无限互溶的二元合金相图就是匀晶相图。共晶与包晶共析与包析L液相/A奥氏体/F铁素体/P珠光体（共析反应产物）/Fe3C渗碳体恒温亚共晶共晶过共晶

αβ1+β2共析恒温Lα+β共晶L+αβ包晶包晶反应：液体+固溶体另种固溶体共晶反应的合金的结晶（相图分析）Pb-Sn合金相图，AEB为液相线，ACEENB为固相线，合金系有三种相，相图中有三个单相区（L、α、β）；三个两相区（L+α、L+β、α+β);一条的三相L++共存线（水平线cde），E点为共晶点。合金的室温组织为初生α+β11+（α+β），合金的组成相为α+β。共析反应的合金的结晶由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。共析产物比共晶产物细密的多。包晶相图一个一定成分的液相与一个一定成分的固相在恒温下生成另一固相的转变称为包晶转变。两组元液态时能相互无限溶解，固态时有限互溶，并发生包晶转变的二元合金系相图称为包晶相图。材料（断裂）1）材料的制备气相法PVD法、CVD法液相法熔融法、溶液法、界面法、液相沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、喷雾法固相法高温烧结法、粉末冶金法、固相缩聚法、自蔓延高温合成法2）材料的成形特性（三类材料成型有哪些区别？有哪些优缺点？）自由流动成形自由流动成形是指成形时无外力作用下，将星流动状态的物料倒入模型型腔，或使其附在模型表面，经改变温度、反应或溶剂挥发等作用，使之固化或凝固，从而形成具有模型形状的产品，最终产品可以是成品，也可以是半成品。受力流动成形受力流动成形是指成形时在受力作用下，将呈流动状态的物料注入模型型腔，或使物料通过一定形状的口模，或附在模型表面，经温度变化、反应或溶剂挥发等作用，使物料冷凝、固化，最终形成产品，产品一般无需后续加工即可直接使用。受力塑性成形受力塑性成形是指在受力条件下，在高温或常温，或塑化条件下，使固态物料产生塑性变形而获得所需尺寸、形状及力学性能的成形方法。3）材料的特性电学性质：导电性、介电性、压电性、铁电性材料的化学性质或化学性能是指材料抵抗各种介质作用的能力，包括溶蚀性、耐蚀性、抗渗入性及抗氧化性等，归结为材料的化学稳定性。此外，同材料的化学性质有关的问题还有催化性及离子交换性等。力学性质：强度、弹性与塑性、韧性与脆性、硬度物理性能：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。4）断裂的分类根据断裂前金属材料产生塑性变形量的大小，断裂可分为韧性断裂和脆性断裂。根据断裂面的取向，断裂可分为正断和切断。根据裂纹扩展的途径，断裂可分为穿晶断裂和晶间断裂。根据裂纹断裂机理，断裂可分为解理断裂、微孔聚集型断裂和纯剪切断裂三类。根据载荷性质不同，断裂可分为静载和冲击载荷下的断裂、交变载荷下的疲劳断裂、高温下的蠕动断裂及腐蚀介质中的腐蚀断裂等。铁碳合金（碳主要以石墨形式存在）1）铁碳合金分为哪几类？工业纯铁：工业纯铁的显微组织为铁素体。钢：钢的特点是高温组织为单相奥氏体，具有良好的塑性，因而能进行锻轧。白口铸铁：白口铸铁因其断口呈白亮色而得名。2）碳钢铁素体：铁素体是碳溶在α-Fe中的间隙固溶体，为体心立方结构，用F或α表示。奥氏体：碳溶解于γ-Fe中形成间隙固溶体称为奥氏体，为面心立方晶格，用A或γ来表示。渗碳体：铁与碳形成稳定化合物Fe3C称为渗碳体。珠光体：珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物（F+Fe3C),用P表示，它是共析反应的产物。因转化的温度较高，也称高温转变。珠光体的组织有两种形态：一种是片状珠光体；另一种是球状或粒状珠光体(粒状珠光体更好）。片状珠光体的片状距离取决于奥氏体分解时的过冷度，过冷度越大，距离越小。珠光体的力学性能（提问：什么是珠光体？）片状珠光体的性能主要取决于珠光体的片层间距。片层间距越小，则强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。形成粒状珠光体，渗碳体的颗粒越细小，则钢的强度硬度越高。莱氏体：莱氏体是奥氏体与渗碳体的机械混合物（A+Fe3C），以Ld表示。（6）很多材料都是由马氏体转变而来的，含碳量高容易形成马氏体。马氏体转变：马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有非常高的硬度和强度。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。（马氏体决定硬度）马氏体分为位错马氏体（低碳）和孪晶马氏体。马氏体的力学性能：马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，通常是随含碳量的增加而升高。主要特点：无扩散性，没有化学成分的改变，马氏体可在很低的温度下以高速形成。转变是在一个温度范围内进行的，其转变量随温度的下降而增加，一旦温度停止下降，转变立即终止。转变不完全，冷却至室温时仍会保留相当数量未转变的奥氏体。3）三种典型碳钢的平衡结晶过程进行分析（共析钢、亚共析钢、过共析钢）（相的变化）4）钢铁材料在选用方面的应用。建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料，因此选用碳含量较低的钢材。各种机械零件需用强度、塑性及韧性都较好的材料。应选用碳含量适中的中碳钢。各种工具需用硬度高和耐磨性好的材料，则选碳含量高的钢种。纯铁磁导率高，矫顽力低，可做软磁材料使用，例如做电磁铁的铁心等。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，使用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。钢的热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保持和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一中热加工工艺，常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和表面热处理（表面淬火和化学热处理）。钢的加热转变使钢加热到临近温度以上，目的是为了获得全部或部分奥氏体组织，即奥氏体化。钢的冷却决定着钢热处理后的组织和性能。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。室温条件下如果有奥氏体，或者马氏体过饱和，都是不稳定的。6）钢的退火和正火钢的退火（缓慢冷却）加热到一定温度后保温适当的时间然后缓慢冷却。种类：完全退火（重结晶退火）其目的是细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除内应力。等温退火目的与完全退火相同，等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能获得均匀的组织和性能。球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢，其目的是降低硬度、均匀组织、、改善切削性能，为淬火做组织准备。获得粒状珠光体。扩散退火（均匀化退火）特点是，加热温度高，保温时间长。因此，扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火和正火处理。去应力退火主要用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。工艺一般是将工件随炉缓慢加热至500~650℃，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300~200℃以下出炉。钢的正火1作为最终处理：细化奥氏体晶粒，提高钢的强度，硬度和韧性，主要针对于性能要求不高时可做最终处理。2作为预先处理：截面较大的合金钢，可为淬火前处理，3改善切削工艺性能：针对硬度太低的钢材，可用正火改善加工工艺。二者区别其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中，低碳钢的胚料一般都采用正火热处理。一般合金钢胚料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。7）钢的淬火和回火钢的淬火（快速冷却）把钢加热到临界点以上，保温一段时间然后急冷，从而得到马氏体组织的工艺过程。钢的淬火（快速冷却），获得马氏体，比较脆，所以需要回火（冷却速度比淬火慢很多）钢的回火就是把淬火后的工艺加热到低于A1的某一温度，并在此温度下保持一段时间，然后以一定的冷却速度冷却到室温。低温回火：降低应力，用于模具，工具钢（有较多的马氏体）中温回火：提高弹性极限，用于弹簧（弹性好）高温回火：得到综合性能高的钢材，应用广泛。（韧性较高，比较常用）钢的淬火后一定要进行回火A淬火后的钢较脆，容易开裂B马氏体和残余奥氏体是不稳定组织，工作中转变后容易引起尺寸变化C需要强度、硬度和塑性、韧性的配合钢的淬火+高温回火=调质处理（有一定的韧性和脆性）用途比较广，特别用于轴，连杆等交变载荷的零件。淬火一定要淬透回火脆性（依旧没有降低）减少杂质或加入Mo等元素表面热处理钢的表面淬火：是将工件的表面层淬透到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部催淬火法。感应加热表面淬火的特点（利用电磁感应原理）：表面电流更高，硬度更大，高于一般的淬火温度，淬火后获得非常细小的阴晶马氏体组织。钢的化学热处理：是将钢置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，进而达到改变表面性能，满足技术要求的热处理工艺。钢的渗碳通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性。钢的渗氮提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐腐蚀性。与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理。为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工件进行调质处理。钢的碳氮共渗钢的分类工程构建用钢（软）：比较大，不适合用热处理，轧制就可。主要用来制作钢架机器零件用钢：综合性能比较好。主要用于制造各种机器结构中的轴类、齿轮、连杆、弹簧等钢种。工具钢（含碳量高）模具钢：韧性，抗疲劳性不太低，耐磨耐高温。量具钢：高的尺寸稳定性特殊性能钢（水韧处理）不锈钢：常用的不锈钢含碳量还是很低的，抗腐蚀性高。耐磨钢：硬度高，失效方法为磨损，主要要求有很高的耐磨性和韧性。含碳量0.9%~1.5%低碳钢：软，耐腐蚀性强高碳钢：硬度高，含碳量高低合金钢：焊接，强度高（含碳量低）主要用来制造桥梁、船舶、大型钢结构等按质量分（普通钢、优质钢、高级优质钢）S\P含量越低，越优质。碳素结构钢：一般以热轧空冷状态供应合金结构钢：数字（含碳量）+元素+数字（元素含量），凡合金元素的质量分数小于1.5%时不标数，如果平均质量分数为1.5%~2.5%，标2.渗碳钢（C0.1%~0.25%，含碳量较低）表面有很强的硬度、耐磨性以及高的疲劳强度，心部有足够的韧性和强度。渗碳后需正火消除过热组织，再进行淬火加低温回火。心部组织为低碳回火马氏体，表面为高碳回火马氏体+合金渗碳体+少量残余奥氏体。调质钢：主要采用调质处理得到回火索氏体组织，综合性较好，主要用于轴、杆类零件。铸铁铸铁分为哪几种？根据碳在铸铁中存在形式的分类：灰口铸铁（重要）：单质石墨形式存在，主要应用、便宜白口铸铁：过硬过脆、应用小、耐磨零件碳的存在形式：Fe3C麻口铸铁：石墨+Fe3C，应用小，脆性大2）根据石墨的形态进行分类：灰口铸铁可分为：灰铸铁（片状）、可锻铸铁（团絮状、并不可锻造）、球墨铸铁（球状）、蠕墨铸铁石墨（提问：球墨、蠕墨归为哪一类？）（虚线）在实线（Fe-Fe3C)上方或左上方，更稳定。球墨铸铁：球径越小，性能越好，因为是球状，强度和塑性有很大的提高。是所有铸铁中力学性能最好的，部分可以代替钢。球化处理（加入球化剂）为什么叫白口铸铁？在结晶过程中没有石墨析出，断口呈银白色的一类铸铁，简称白口铁。铸铁的石墨化过程（都是有石墨析出的）：第一阶段：原子容易扩散第二阶段：扩散困难，进行不完全充分组织：铁素体灰口部分铁素体+珠光体麻口完全被抑制（冷却增大）珠光体+石墨白口影响铸铁石墨化的因素：冷却速度：缓慢冷却有利于石墨化充分进行，易得到灰铸铁，冷却速度过快，不利于石墨化进行，得到白口铸铁。化学成分：碳和硅对铸铁的石墨化有决定性作用，含碳量越高，越容易形成石墨晶核，而硅促进石墨成核。灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性和抗疲劳性都比钢低的原因石墨本身的强度和塑性几乎为零，石墨的存在就等于减少了金属基体的有效承载面积。石墨割断了金属基体的连续性灰铸铁的硬度和抗拉强度决定于基体。压缩载荷时铸铁的抗压强度和钢差不多。有色金属（铝、钢、钛合金）钢铁以外的金属及合金称为有色金属。铝及铝合金纯铝质量轻，具有良好的导电、导热性、耐腐蚀性。铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金，变形铝合金分为可热处理强化（除锈铝合金）和不可热处理强化。什么条件下可以进行热处理？什么样的情况下不可以？铝合金的强化合金元素对铝的强化作用主要表现为固溶强化、时效强化和细化组织强化。对不可热处理强化的铝合金进行冷变形是这类合金强化的主要方式。固溶强化：合金元素加入纯铝后，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。（其原因可归结于溶质原子和位错的交互作用，这些作用起源于溶质引发的局部点阵畸变）时效强化：（沉淀强化）升温降温后强度不变，过一段时间才发生变化。是指DF之间的铝合金经固溶处理（淬火）后在室温或较高温度下，随着停留时间的延长其强度、硬度升高，塑性和韧性下降的现象细化组织强化：晶界多，阻碍位错，细化晶粒（在