工程材料总结

第一章 材料的结构与性能特点

一、 二、

三、

四、

金属晶体特性

五、

实际金属中的晶体缺陷

确定的熔点 各向异性

晶面、晶面指数、晶面族 晶向、晶向指数、晶向族

非晶体

三条棱长：a、b、c（晶格常数）

晶格：晶格参数

晶体

晶胞

三棱边夹角：α、β、γ

BCC代表：α-Fe ; FCC代表：γ-Fe

空位

点缺陷 间隙原子

异类原子 刃型位错

线缺陷 螺型位错

晶界

面缺陷亚晶界

六、合金的晶体结构：合金、组元

固态合金 两类基本相

七、金属材料的性能特点

工艺性能

力学性能

塑性断面收缩率

疲劳强度 硬度

布氏硬度HB 洛氏硬度HR 维氏硬度HV 冲击韧性

韧性断裂韧性

1、铸造性能 流动性 收缩性 偏析倾向 2、锻压性能 3、焊接性能 4、切削加工性能

固溶体

1、按溶质原子在溶剂中的溶解度： 有限固溶体 无限固溶体

2、按溶质原子在固溶体中分布是否有规律： 有序固溶体 无序固溶体

固溶强化

1、正常价化合物

2、电子化合物 3、间隙化合物 间隙相

复杂结构的间隙化合物

金属化合物

弹性极限强度

σe

屈服极限（屈服强度）

σs/σ0.2σb

强度极限（抗拉强度）断面伸长率

第二章 金属材料组织和性能的控制

一、

一次结晶： 金属：液态 固体晶态 二次结晶（重结晶）： 金属：一种固体晶态

二、纯金属结晶条件 过冷现象

过冷度 △T=T0-Tn (T0理论结晶温度, Tn开始结晶温度)

(

冷却速度越大,

开始结晶温度越低,

过冷度越大

) 纯铜冷却曲线：冷却

三、

长大

树枝状长大 自发形核

形核

非自发形核 平面长大 另一种固体晶态

四、同素异构转变

五、(书上60页) 细等轴晶区 铸锭结构柱状晶区 粗等轴晶区 缩孔铸锭缺陷疏松书上61页) 气孔 偏析

六、

δγα-Fe BCC FCC BCC

晶粒度

、增大金属的过冷度

N/G（N形核速率，G长大速度） 细化铸态金属晶粒措施、变质处理 孕育剂、变质剂

、振动 三空1、2、34

、电磁搅拌四空1、2、3、4（填空题）

七、二元合金的结晶

（一）发生匀晶反应的合金的结晶

1、Cu-Ni,Fe-Cr,Au-Ag 合金都具有匀晶相图 2、匀晶结晶的特点：

1）与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括形核和长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状长大；

2）固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程； 3）在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的； 4）在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的；

只适用于相图中的两相区；

杠杆定律注意只能在平衡状态下使用；

杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点； 支点为合金的成分点。 5）扩散退火枝晶偏析

（二）发生共晶反应的合金的结晶

1、Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu合金都具有共晶相图 2、共晶相图

（三）发生包晶反应的合金的结晶

包晶相图：当两组元在液态完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图 包晶偏析：在合金结晶过程中，如果冷速过快，包晶反应时原子扩散不能充分进行，则生成的β固溶体中会发生较大的偏析，这种现象称为包晶偏析。可通过扩散退火来消除。

（四）发生共析反应的合金的结晶

共析反应：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 （五）含有稳定化合物的合金的结晶

？？？

总结

（其他看书，有图有真相）

八、铁碳合金的结晶 （一）铁碳相图

1、Fe3C中的碳质量分数6.69%

2、Fe-Fe3C相图由包晶相图 三个基本相图组成共晶相图 共析相图

3、Fe-Fe3C合金的组元Fe（纯Fe冷却曲线56页 ）

Fe3C（复杂结构的间隙化合物， 渗碳体） 4、铁碳合金中的相

1）液相L：Fe与C的液溶体

2）δ相高温铁素体（BCC结构）

1394-1538℃.1495℃溶碳量最大，0.09%

1148℃ 2.11% 5) Fe3C相：化合物相

5、典型铁碳合金的平衡结晶过程（书上75-82页）

注：Fe3CⅠ中Ⅰ可省略

九、如何分析典型的结晶过程

1、作出典型合金冷却曲线示意图 二元合金冷却曲线的特征是：

1） 在单相区和两相区冷却曲线为一斜线

2） 由一个相区进入另一个相区时，冷却曲线出现拐点：

a) 由相数少的相区进入相数多的相区曲线斜率变小 b) 由相数多的相区进入相数少的相区曲线斜率变大 3)发生等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶

十、金属的塑性变形

产生塑性变形的驱动力是切应力

（一）单晶体的塑性变形 1、

单晶体的塑性变形方式滑移：切应力作用下，晶体一部分沿一定晶面（滑移面）上的一

定方向（滑移方向）相对于另一部分发生滑移的过程

孪生：切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪

生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变形过程

2、滑移的特点

1）只能在切应力作用下才会发生，不同金属产生滑移的最小切应力（滑移临界切应力）大 小不同

2）滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面做整 体的相对运动，而是通过位错的运动来实现的

3）晶体发生的总变形量一定是这个方向的原子间距的整数倍

4）a) 滑移一般是在晶体的密排面（滑移面）上并沿其上的密排方向（滑移方向）进行；

b) 一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系；

c) 滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好； d) 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

的塑性好 5)滑移时晶体伴随有转动 3、孪生

发生切变而位向改变的这一部分晶体称为孪晶 孪生变形量小于原子间距的整数倍 （二）多晶体的塑性变形

1、多晶体塑性变形的影响因素（简答题）

1）晶界的影响

当位错运动到晶界附近时，受到境界的作用而堆积起来，称位错的塞积。 要使变形继续进行，则必须增加外力从而使金属的变形抗力提高。

2）晶粒位向的影响

由于各相邻晶粒位向不同，当一个晶粒发生塑性变形时，为了保持金属的连续性，周围 的金属若不发生塑性变形，则必以弹性变形来与之协调。这种弹性变形便成为塑像变形 晶粒的变形阻力。由于晶粒间的这种相互约束，使得多晶体金属的塑性变形抗力提高。 2、晶粒大小对金属力学性能的影响（简答题） 1）金属的晶粒越细，其强度和硬度越高

因为金属晶粒越细，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，使金属塑性变形的抗力越高。 2）金属的晶粒越细，其塑性和韧性越高

因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒数目也越多，变形越均匀，

使在断裂前发生较大的塑性变形。强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而韧性也比较好。 3、塑性变形(冷加工)对金属组织和性能的影响 1)塑性变形对金属组织结构的影响 a)晶粒变形，形成纤维组织

b)亚结构形成，细化晶粒

c)形成形变织构丝织构：各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向 板织构：各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向

形变织构：金属塑性变形很大（变形量达到70%以上）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒

位向趋于一致的结构 4、加工硬化

）金属发生塑性变形，随变形度增大，

金属强度硬度显著提高，塑性韧性明显下降 ）产生加工硬化原因：

金属发生塑性变形时，位错密度增加，位错间

交互作用增强，交互缠结，造成位错运动阻力的增大，引起塑性变形抗力的提高

塑性变形对金属性能的影响晶粒破碎细化（亚晶界增多），使强度得以提高 产生各向异性

原因：纤维组织、形变织构的形成

沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向的，“制耳” 金属的物理、化学性能变化（了解）

产生残余内应力

原因：金属发生塑性变形时，金属内部变形不均匀，

位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生

残余内应力

十一、金属的再结晶 （一） 回复

1、变形后的金属在较低温度下进行加热，会发生回复过程. 2、产生回复的温度T

回复

=（0.25∽0.3）T熔点

T熔点表示该金属的熔点，单位为热力学温度（K）

3、残余应力大大降低 （二）再结晶

1、变形后金属，在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，被拉长（或压扁）、破碎的晶

粒通过重新形核和长大，变成新的均匀、细小的等轴晶的过程 2、加工硬化被消除，内应力全部消失

3、再结晶温度是一个温度范围，并非某一恒定温度，一般所说再结晶温度指最低再结晶温

度T

再

T再=（0.35∽0.4）T熔点

再与下列因素有关：

单位为热力学温度（K）

4、最低再结晶温度T

1）预先变形度：金属再结晶前，塑性变形的相对变形量

预先变形度↑，T

再↓

当预先变形度达到一定大小后，金属的最低再结晶温度趋于某一稳定值

2） 金属的熔点

金属的熔点↑，T

再↑

3） 杂质和合金元素（金属纯度）

杂质和合金元素特别是高熔点元素，T4） 加热速度和保温时间

加热速度↑，T保温时间↑，T

再↑

再↑

再↓

5、再结晶后晶粒度影响因素： 1）加热温度

加热温度↑，晶粒度↑ 3） 预先变形度

预先变形度很小时，晶粒不变化 达到2%-10%，得到极粗大晶粒

临界变形度：再结晶时使晶粒发生异常长大的预先变形度 （二） 晶粒长大

再结晶完成后的晶粒是细小的，但加热温度过高或保温时间过长，晶粒会明显长大（自发过程），最后得到粗大的晶粒 十一、

金属的热加工

1）在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工

2）铅、锡等低熔点金属，再结晶温度低于室温，它们在室温下进行塑性变形已属于热加工 塑性变形和再结晶的工程应用 3）热加工不会带来加工硬化效果 金属的冷加工

在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工 喷丸强化 （了解）

十二、钢的热处理

热处理:固态金属或合金,在一定介质中,加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，

从而获得所需要的性能的工艺.

（一）钢在加热时的转变

1、 奥氏体晶核的形成

共析钢奥氏体化奥氏体晶核的长大 四个基本过程剩余渗碳体的溶解 奥氏体成分的均匀化

亚共析钢、过共析钢 奥氏体化 与共析钢比 特殊处 2、 影响奥氏体转变速度的因素

1） 加热温度↑，奥氏体化速度↑ 2） 加热速度↑，奥氏体化速度↑

3） 钢中碳质量分数↑，奥氏体化速度↑

4） 合金元素：不同合金，影响不同，可能快、慢、不变

5） 原始组织：原始组织中渗碳体为片状时，奥氏体化速度↑； 渗碳体间距越小，奥氏体化速度↑

3、 奥氏体晶粒度及其影响因素

起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度

影响奥氏体晶粒度的因素： 1） 加热温度和保温时间

加热温度↑，晶粒度↑ 保温时间↑，晶粒度↑

2） 钢的化学成分

奥氏体中碳含量↑，晶粒度↑

碳以未溶碳化物的形式存在，晶粒度↓

钢中加入能形成稳定碳化物的元素、能生成氧化物和氮化物的元素，晶粒度↓ （二）钢在冷却时的转变

1、 钢在奥氏体化后冷却方式：等温处理、连续冷却 2、 过冷奥氏体的等温转变

# 共析钢过冷奥氏体的等温转变： 1） 高温转变（扩散型转变）

A1-550℃ 珠光体型组织 珠光体转变区

珠光体（P） A1-650℃珠光体型组织索氏体（S） 650-600℃无本质区别，只是层片粗细不同 屈氏体（T） 600-550℃ 2） 中温转变（半扩散型转变）

550℃-Ms 贝氏体型组织 贝氏体转变区 贝氏体型组织上贝氏体（上B）550-350℃

下贝氏体（下B）350℃-Ms

# 亚共析钢过冷奥氏体的等温转变

# 过共析钢过冷奥氏体的等温转变 3、 过冷奥氏体的连续冷却转变

（1） 共析钢过冷奥氏体的连续冷却转变

CCT曲线

1） 低温转变（非扩散型转变）

（共析钢过冷奥氏体在连续冷却转变时得不到贝氏体组织， 在连续转变曲线中没有奥氏体转变为贝氏体的部分）

马氏体（M）Ms- Mf

a)过冷A转变为马氏体是非扩散型转变

马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体 b)马氏体的形成速度很快 是一个连续冷却的转变过程

c)转变不彻底，有残余奥氏体奥氏体

d)马氏体形成时体积膨胀,在钢中造成很大内应力 3)马氏体形态 4）马氏体的性能特点 书103页

（2）亚、过共析钢过冷奥氏体转变 书104页

（三）钢的普通热处理

2、正火

钢材或钢件加热到Ac3（对于亚共析钢）、Ac1（对于共析钢）、Accm(对于过共析钢)以上30-50℃

正火的目的：

1、作为最终热处理； 2、作为预先热处理； 3、改善切削加工性能.

3、淬火

将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的工艺.

常用的淬火方法：

单介质淬火、双介质淬火、分级淬火； 等温淬火：适用于中碳以上的钢

表征钢淬火后的特性：淬透性：钢接受淬火后形成马氏体的能力，取决于临界冷却速度 淬硬性：钢淬火后能够达到的最高硬度，取决于马氏体的碳质量分数

4、回火

钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺.

淬火+高温回火=调质处理 综合机械性能良好：下B，回火S 合金元素溶于Fe中形成固溶体

常用碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Zr 猛哥木屋烦你太高 除Co以外，几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性 除Co、Al外，多数合金元素都使MS和MF线下降

合金元素对回火转变的影响 1、提高回火稳定性

2、产生二次硬化 3、增大回火脆性

250-400℃，第一类回火脆性，无法消除、只能避开

450-600℃，第二类回火脆性，是一种可逆回火脆性，防止办法：回火后快冷、加入适当的

Mo、W