华科材料复试工程学结

总结与回顾研究中心：材料的成分、加工工艺对组织、性能的影响

材料成分与组织、力学性能的关系

材料的成分与加工性能的关系

加工工艺对组织的影响

材料的组织与力学性能的关系

材料成分与组织、力学性能的关系

相图表示了材料的成分、温度与最终平衡相之间的关系。成分的变化决定了材料中组成相及其相对数量。组织取决于材料的组成相，不同的相对应的组织自然不相同，决定材料组织的还有这些组成相的数量、形状、大小和分布。

构成材料中的组成相的类型有：以纯元素为基的固溶体，大多出现在金属材料中。金属基的固溶体有好的塑性。化合物，包括正常价化合物、电子化合物、尺寸因素化合物和拓扑密堆相，它们的性能有较大的差异，但大多为熔点高、硬度高、塑性低的脆性相。以化合物为基的固溶体，溶质为构成化合物的元素之一的表现为化合物在一定范围内成分可以变化范围，也有在化合物中溶入第三组元的其它元素。对力学性能可以引起少量变化，但对物理或其它性能可以带来较大的影响，特别是后者。

材料的成分与加工性能的关系单相固溶体合金，有利于塑性成形有好的塑性，适应冷热压力加工，可以进行塑性变形来成形，即具有良好的锻压性能。

共晶成分合金有利于铸造①相对而言，共晶点附近合金的熔点较低，便于熔化；②共晶合金的凝固温度范围小，表现为流动性好，充型性也好，成分的偏析小，可以铸造复杂、精细的零件。固溶体在一温度范围内凝固，液固混合物会阻碍流通，且有成分的偏析。③共晶合金流动性好，凝固的缩孔集中，可以置于冒口处而除去，并且热裂的倾向性小。固溶体凝固在一温度范围内，特别是树枝晶凝固，在材料内部会造成大量细小的疏松孔。④共晶体由两个以上组成相，互相强化。特别在冷却速度较大，共晶体细化，界面多，若其中一相为较硬，强化效果更明显。

加工工艺对组织的影响铸造将材料熔化为液体，注入型腔凝固，得到零件毛坯的工艺过程。晶粒尺寸大小凝固理论中对晶粒尺寸的影响专门讨论过。偏析成分的不均匀性，①枝晶偏析(晶内)偏析，由固溶体凝固时溶质的重新分布引起，可以用均匀化退火来消除。②区域偏析，大范围内缓慢冷却时固溶体的溶质分配可引起，此外大铸件中先凝固的固体因比容不同造成沉浮而形成比重偏析，区域偏析不能用均匀化退火来消除。③晶界偏析，晶界是后凝固，排放到液体中的杂质最后凝固在晶界而造成，此外，杂质原子与晶体缺陷的相互作用也是造成晶界上杂质集中的原因之一。共晶体形态铸造多用共晶合金，组织为共晶体，不同工艺除改变共晶体的尺寸外，可以改变相界面的结合力，来改变共晶体的形状，如灰铸铁和球墨铸铁。加工工艺对组织的影响锻压压力加工除剪切断外，有冷塑性变形加工和热加工成形。冷塑性变形晶粒外形被拉长(或压扁)，晶界模糊，内部缺陷增加。多相合金会出现带状组织或纤维组织。此外回出现加工硬化，产生内应力，甚至会出现织构。

热加工焊合缺陷和疏松，使成分均匀和加大材料的致密度。锻造后的冷却对晶粒尺寸也有明显得影响。再结晶退火冷塑性变形后的再结晶退火，晶粒的重新形成过程，随工艺的不同对晶粒尺寸有很大的影响。加工工艺对组织的影响热处理通过加热、保温、冷却得方法，改变材料的组织，从而达到改善材料性能的工艺方法称为热处理。在热处理过程中不改变零件的形状，不改变材料的成分或在小范围内改变零件表面的成分。无相变过程：均匀化退火――加热温度较高，消除晶内偏析

去应力退火――加热温度较低，消除材料的内应力

再结晶退火－－冷塑性变形后的再结晶退火，晶粒的重新形成过程，随工艺的不同对晶粒尺寸有很大的影响。

有相变过程：平衡组织――按固态相变的方式有同素异晶转变、脱溶、共析、包析等不同类型的转变，转变结构是完全得到或部分得到平衡组织，可以用相图来具体分析。

快速冷却――在快速冷却时，随冷却速度不同，可能得到的是亚稳态组织，有时得到的是非平衡组织。

加工工艺对组织的影响焊接用熔体把材料连接在一起的工艺过程。焊接过程比较复杂，需要用相关的知识进行综合应用，结合具体条件具体分析。熔化区熔化区的冷却为凝固过程，溶体的成分决定于母材和焊料，冷却过程与零件的材料、尺寸、工艺都有一定的关系。

热影响区热影响区的加热温度和冷却速度与焊接工艺有关，可能发生有相变或无相变的固态转变，母材若为冷变形材料，还可能有再结晶等。

材料的组织与力学性能的关系

应用的工程材料首先要达到必需的强度(硬度)，同时也要考虑相应的塑性。以下总结以提高材料强度的若干途径所应用的原理。提高材料的强度本质上是增加材料发生塑性变形的阻力。

溶质原子进入溶剂的晶格中，无论是处在晶格的间隙，还是处在晶格节点的异类原子，都会造成一定的晶格畸变。利用溶质原子造成的晶格畸变，提高强度和硬度。对金属材料基体为纯金属，由于固溶体保留溶剂的晶格，溶质原子引起的畸变范围是有限的，所以固溶体保留了较好的塑性，但强化的程度也是有限的。

1、固溶强化材料的组织与力学性能的关系2)晶界对塑性变形的另一贡献是晶界在外力作用下，可以发生粘滞性流动。少量流动有助于晶粒间变形的协调，能较大程度流动可以构成塑性变形的另一方式，且这种流变不会产生加工硬化。

2、晶界强化

1)常温下，金属材料的塑性变形以滑移作为主要方式，位错的滑移运动是不能穿过晶界，即晶界对滑移起阻碍作用，可以提高材料的强度。晶粒愈细，晶界愈多，材料的强度愈高，同时细小晶粒有利多晶体变形之间的协调，材料的塑性、韧性都会得到提高。表示屈服强度与晶粒尺寸关系的

hell－path公式：

材料的组织与力学性能的关系

随着温度的提高，原子活动能力增强，材料的强度下降，塑性有所提高，并且温度对晶界流变的作用更为明显。为了提高材料的强度，在较低温度下，流动困难，塑变以晶内滑移为主，细化晶粒有助于提高材料的强度；在较高温度下，晶界流动成为塑变的主要方式，提高材料的强度应粗化晶粒。3)晶界对温度的反应

材料的组织与力学性能的关系材料中位错密度对材料的强度的影响3、加工硬化1、完全无位错存在时,在外力作用下，没有可以发生运动的位错，材料表现极高的强度。但制造这种材料非常困难，目前只能在很小尺寸的晶体中实现(晶须),用于研究型的复合材料中。2、在存在位错的晶体材料中,随位错密度的提高，位错运动受交割作用影响加大，材料的强度得到提高。经过冷变形的金属材料,发生了加工硬化，强度可以在相当范围内得到提高，常用的冷轧钢板、冷拔钢丝就是一例。值得注意的是用加工硬化提高强度的材料只能在较低温度下使用，否则因高温发生了再结晶，加工硬化的强化效果将全部消失。材料的组织与力学性能的关系4、第二相硬质点强化

第二相硬质点是指那些在韧性材料中存在的不易发生塑性变形的化合物，它们一般几乎不能发生塑性变形，在大的应力下将脆性断裂。在外力作用下，运动位错遇到第二相硬质点时的运动方式有两种，切割或绕过，都会增加运动阻力，可以提高材料的强度。

材料的组织与力学性能的关系4、第二相硬质点强化

如果第二相硬质点的总量(如体积份数f)一定，单个质点的尺寸愈小，数量多，排列密集；反之单个质点的尺寸愈大，数量少，排列稀疏。对位错来说，小质点容易切割，稀疏分布时容易绕过。所以质点对强度的作用表现为尺寸太小或尺寸过大都会降低其效果，在特定的合适范围才有最大的强化效果。

此外，对于不是弥散分布的二相构成的材料，在多相合金应用中不同相具有不同性能的特点，采用的原则是分别发挥各相的作用，例如在轴承合金中利用软相来保证与轴的良好接触面，其中大块的硬相来提高其耐磨性。

材料的组织与力学性能的关系5、热处理强化

利用热处理，得到材料的力学性能更有利的组织形态。包括：细化晶粒，可以用再结晶退火，