材料原理總復(fù)習(xí)

第一章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)1

液態(tài)金屬：

長(zhǎng)程無序——不具備平移、對(duì)稱性；

短程有序——相對(duì)于完全無序的氣體，液體中存在著許多不停“游蕩”著的局域有序的原子集團(tuán)，液體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局域范圍的有序性

一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2二、由物質(zhì)熔化過程認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)物質(zhì)熔化時(shí)體積變化﹑熵變(及焓變)一般均不大，表明液態(tài)金屬的原子間距接近于固體，在熔點(diǎn)附近其混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)小于氣體的混亂度。金屬熔化潛熱Hm比其氣化潛熱Hb小得多，為1/15~1/30，表明熔化時(shí)其內(nèi)部原子結(jié)合鍵只有部分被破壞。3（四）實(shí)際液態(tài)金屬的微觀特點(diǎn)能量起伏結(jié)構(gòu)（相）起伏成分（濃度）起伏4第三節(jié)液態(tài)合金的性質(zhì)51、表面張力及其產(chǎn)生的原因表面張力是由于物體在表面上的質(zhì)點(diǎn)受力不均所造成。由于液體或固體的表面原子受內(nèi)部的作用力較大，而朝著氣體的方向受力較小，這種受力不均引起表面原子的勢(shì)能比內(nèi)部原子的勢(shì)能高。因此，物體傾向于減小其表面積而產(chǎn)生表面張力。二、液態(tài)合金的表面張力64、影響表面張力的因素1）表面張力與原子間作用力的關(guān)系：原子間結(jié)合力u0↑→表面內(nèi)能↑→表面自由能↑→表面張力↑71、界面張力與潤(rùn)濕角

接觸的兩相質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力越大，界面張力（界面能）就越小，兩相間的界面張力越小時(shí)，潤(rùn)濕角θ越小，稱之為潤(rùn)濕性好。

8第二章液態(tài)成形中的流動(dòng)與傳熱9液態(tài)金屬的流動(dòng)性與充型能力液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的重要依據(jù)之一；充型能力弱，則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。10

液態(tài)金屬的充型能力取決于：內(nèi)因——金屬本身的流動(dòng)性；外因——鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。11固相區(qū)固-液固液相區(qū)液-固液相區(qū)凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖（一）鑄件凝固方式分類12根據(jù)固液兩相區(qū)的寬度，可將凝固過程分為層狀凝固方式與體積凝固方式（或糊狀凝固方式）。當(dāng)固液兩相區(qū)很窄時(shí)稱為層狀凝固方式，反之為糊狀凝固方式，固液兩相區(qū)寬度介于兩者之間的稱為“中間凝固方式”。簡(jiǎn)答題13（三）鑄件凝固方式的影響因素凝固溫度區(qū)間的影響溫度梯度的影響

層狀凝固中間狀凝固體積凝固窄寬陡平14第三章液態(tài)金屬的凝固形核及生長(zhǎng)方式15第一節(jié)凝固熱力學(xué)液-固相變驅(qū)動(dòng)力16一、液-固相變驅(qū)動(dòng)力Tm及L對(duì)一特定金屬或合金為定值，所以過冷度ΔT是影響相變驅(qū)動(dòng)力的決定因素。過冷度ΔT越大，凝固相變驅(qū)動(dòng)力ΔGV

越大。簡(jiǎn)答題17第二節(jié)均質(zhì)形核均質(zhì)形核：形核前液相金屬或合金中無外來固相質(zhì)點(diǎn)而從液相自身發(fā)生形核的過程(方式)，所以也稱“自發(fā)形核”。非均質(zhì)形核：依靠外來質(zhì)點(diǎn)或型壁界面提供的襯底進(jìn)行生核過程，亦稱“異質(zhì)形核”或“非自發(fā)形核”。名詞解釋18一、形核功及臨界半徑晶核形成時(shí)，系統(tǒng)自由能變化由兩部分組成，即作為相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體積自由能之差（負(fù)）和阻礙相變的液-固界面能（正）：

r＜r*時(shí)，r↑→ΔG↑r=r*處時(shí)，ΔG達(dá)到最大值ΔG*r＞r*時(shí)，r↑→ΔG↓液相中形成球形晶胚時(shí)自由能變化19令：

得臨界晶核半徑r*：

r*與ΔT成反比，即過冷度ΔT越大，r*越小；ΔG*與ΔT2成反比，過冷度ΔT越大，ΔG*越小。

綜合分析題20例：設(shè)想液體在凝固時(shí)形成的臨界核心是邊長(zhǎng)為a*的立方體形狀：(1)求均勻形核時(shí)的a*與△G*的關(guān)系式；(2)證明在相同過冷度下均質(zhì)形核時(shí)，球形晶核較立方晶核更易形成。解：(1)21(2)所以，在過冷度相同時(shí)，球形晶核較立方晶核更易形核。22非均質(zhì)形核合金液體中存在的大量高熔點(diǎn)微小雜質(zhì)，可作為非均質(zhì)形核的基底。晶核依附于夾雜物的界面上形成。非均質(zhì)形核過冷度ΔT比均質(zhì)形核臨界過冷度ΔT*小得多時(shí)就大量成核。23一、非均質(zhì)形核形核功非均質(zhì)形核臨界晶核半徑：

與均質(zhì)形核完全相同。非均質(zhì)形核功當(dāng)θ＝0o時(shí)，ΔGhe=0，此時(shí)在無過冷情況下即可形核

當(dāng)θ＝180o時(shí)，ΔGhe=ΔGho0≤f(θ)≤1，而一般θ遠(yuǎn)小于180o，故G異遠(yuǎn)小于ΔG均液相L24一、晶體宏觀長(zhǎng)大方式

—取決于界面前方液體中的溫度分布平面方式長(zhǎng)大——正溫度梯度；樹枝晶方式生長(zhǎng)——負(fù)溫度梯度；液固TL(x)過冷度及過冷區(qū)域界面O距離溫度TmTiO距離固液TL(x)過冷度及過冷區(qū)域TiTm溫度界面25第四章單相及多相合金的結(jié)晶第一節(jié)單相合金的凝固26凝固時(shí)溶質(zhì)分配系數(shù)

是指在給定的溫度下，固-液界面?zhèn)裙滔嗳苜|(zhì)濃度Cs與液相濃度CL之比。

k=Cs/CL

27第二節(jié)合金凝固界面前沿

的成分過冷一、“成分過冷”條件和判據(jù)二、“成分過冷”的過冷度28一、“成分過冷”條件和判據(jù)

“成分過冷”的形成條件分析

（K0＜1情況下)：→

界面前沿形成溶質(zhì)富集層→

平衡液相線溫度TL(x’)隨x’增大上升

出現(xiàn)“成分過冷”。→

當(dāng)GL（界面前沿液相的實(shí)際溫度梯度）小于液相線的斜率時(shí)，即:29液相中只有有限擴(kuò)散時(shí)形成“成分過冷”的判據(jù)30由判據(jù)可見，下列條件有助于形成“成分過冷”：液相中溫度梯度?。℅L?。?；晶體生長(zhǎng)速度快，R大；mL大，即陡的液相線斜率；原始成分濃度高，C0大；液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)DL低；K0＜1時(shí)，K0??；K0＞1時(shí)，K0大工藝因素材料因素31第三節(jié)“成分過冷”對(duì)單相合金固溶體結(jié)晶形態(tài)的影響32二、“成分過冷”對(duì)合金固溶體

晶體形貌的影響規(guī)律隨“成分過冷”程度增大，固溶體生長(zhǎng)方式：

→平面晶

→胞狀晶→胞狀樹枝晶(柱狀樹枝晶)

→內(nèi)部等軸晶(自由樹枝晶)33合金固溶體凝固時(shí)的晶體生長(zhǎng)形態(tài)a)不同的成分過冷情況

b)無成分過冷(G1)

平面晶C)窄成分過冷區(qū)間(G2)

胞狀晶

d)成分過冷區(qū)間較寬(G3)

柱狀樹枝晶

e)寬成分過冷(G4)

內(nèi)部等軸晶34“外生生長(zhǎng)”與“內(nèi)生生長(zhǎng)”的概念晶體自型壁生核，然后由外向內(nèi)單向延伸的生長(zhǎng)方式，稱為“外生生長(zhǎng)”。平面生長(zhǎng)、胞狀生長(zhǎng)和柱狀枝晶生長(zhǎng)皆屬于外生生長(zhǎng)。等軸枝晶在熔體內(nèi)部自由生長(zhǎng)的方式則稱為“內(nèi)生生長(zhǎng)”。35第五章鑄件凝固組織的形成與控制36（1）鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)的晶粒細(xì)小;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大;表層急冷晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)37第二節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化38第八章成型過程的冶金反應(yīng)原理8-1液態(tài)金屬與氣相的相互作用39第一章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)一、金屬氧化還原方向的判據(jù)

在一個(gè)由金屬、金屬氧化物和氧化性氣體組成的系統(tǒng)中，采用金屬氧化物的分解壓

Po2作為金屬是否被氧化的判據(jù)。

2MeO2Me+O2若氧在金屬－氧－氧化物系統(tǒng)中的實(shí)際分壓為{Po2}，則:

{Po2}>Po2時(shí)，金屬被氧化；{Po2}=Po2時(shí)，處于平衡狀態(tài)；{Po2}<

Po2時(shí)，金屬被還原。40第八章成形過程的冶金反應(yīng)原理8-2液態(tài)金屬與熔渣的相互作用埋弧焊過程示意圖1.機(jī)械保護(hù)作用2.冶金處理作用3.改善成形工藝性能作用第一節(jié)渣相的作用與形成二、熔渣的粘度熔渣的粘度是一個(gè)較為重要的性能，過大與過小都不理想。粘度過大的熔渣會(huì)降低金屬與熔渣之間的冶金反應(yīng)速度。粘度過小的熔渣容易流失，影響對(duì)熔池（或焊縫）在全位置焊接時(shí)的成形和保護(hù)效果。熔渣的粘度與它的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)：一般，液態(tài)熔渣的粘度隨溫度下降而上升，這是由于隨溫度下降，熔渣中離子（或粒子）的聚合度增大，粘度隨之增加。藥皮焊條電弧焊時(shí)，根據(jù)熔渣粘度隨溫度變化的速率，將熔渣分為“長(zhǎng)渣”和“短渣”兩類。隨溫度增高粘度急劇下降的渣稱為短渣，而隨溫度增高粘度下降緩慢的渣稱為長(zhǎng)渣。短渣在焊縫凝固后迅速凝固，可保證全位置焊縫外觀成型，長(zhǎng)渣只能用于平焊位置焊接。長(zhǎng)渣?T1

?T2

T

短渣圖8-3熔渣粘度與溫度的關(guān)系渣的粘度(長(zhǎng)短性)與它的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。含SiO2多的渣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，Si-O陰離子聚合程度大，離子尺寸大，粘度大。在溫度升高時(shí)復(fù)雜的Si-O離子逐漸破壞，形成較小的Si-O陰離子，粘度緩慢下降，因此含SiO2多的酸性渣為長(zhǎng)渣。堿性渣中離子尺寸小，粘度低，且隨溫度升高離子濃度增大，粘度迅速下降，因此堿性渣為短渣。表面張力的影響因素溫度T化學(xué)鍵與表面張力原子間鍵能三、熔渣的表面張力及界面張力堿性氧化物（如MgO、CaO、Al2O3、MnO、FeO等）一般為離子鍵化合物，表面張力較大。酸性氧化物（如SiO2、TiO2等）一般為極性鍵化合物，表面張力較小。堿度高的渣表面張力大。熔渣與液態(tài)金屬間的界面張力堿性焊條施焊時(shí)，覆蓋在熔滴表面的熔渣表面張力較大，易造成熔滴粗化，飛濺增多。酸性焊條施焊時(shí)，過渡的熔滴顆粒較小，飛濺少，焊縫魚鱗紋細(xì)密，外觀成形好。第九章成形缺陷的產(chǎn)生機(jī)理及防止措施液態(tài)金屬體積收縮變形縮孔縮松熱裂紋冷裂紋氣體元素雜質(zhì)元素化合物夾渣氣泡氣孔過飽和析出降溫凝固受拘束應(yīng)力滯留成分偏析非平衡凝固低熔點(diǎn)共晶在應(yīng)力與致脆因素的共同作用下，使材料的原子結(jié)合遭到破壞，在形成新界面時(shí)產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。金屬在加工和使用過程中，可能會(huì)出現(xiàn)各種裂紋，如熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋等。第二節(jié)裂紋——熱裂紋一、熱裂紋的分類及特征

凝固裂紋

液化裂紋

高溫失延裂紋1、凝固裂紋金屬凝固結(jié)晶末期，在固相線附近發(fā)生的晶間開裂現(xiàn)象，稱為凝固裂紋或結(jié)晶裂紋。其形成與凝固末期晶間存在的液膜有關(guān)，二、熱裂紋的形成機(jī)理液態(tài)金屬凝固結(jié)晶液固狀態(tài)固液狀態(tài)偏析低熔點(diǎn)共晶液態(tài)薄膜脆性溫度區(qū)間凝固收縮應(yīng)力與應(yīng)變拘束凝固裂紋名詞解釋圖11-48產(chǎn)生凝固裂紋的條件ε－應(yīng)變?chǔ)模苄訲L－液相線TS－固相線TB－脆性溫度區(qū)TH－TB上限TS'－TB下限TBε,δT/℃TLTHTSTS'δmin123ε＝f(T)δ＝Φ(T)脆性溫度區(qū)TB

越大，收縮應(yīng)力的作用時(shí)間就越長(zhǎng)，產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，形成熱裂紋的傾向越大。TB內(nèi)金屬的塑性δmin越低，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。

TB內(nèi)的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率?ε/?T

越大，越容易產(chǎn)生裂紋。線2所對(duì)應(yīng)的?ε/?T為臨界應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率，用“CST”表示。CST越大，材料對(duì)熱裂紋敏感性越小。

三、熱裂紋的影響因素及防止措施

冶金因素

工藝因素

防止熱裂紋的措施

凝固溫度區(qū)的影響

合金元素和雜質(zhì)元素的影響

凝固組織形態(tài)的影響

（一）影響熱裂紋傾向的冶金因素1．凝固溫度區(qū)的影響凝固溫度區(qū)增大脆性溫度區(qū)范圍增大

凝固裂紋的傾向增大

wB

/%wB/%裂紋傾向/%溫度/℃2、合金元素和雜質(zhì)元素的影響合金元素尤其是易形成低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素是影響熱裂紋產(chǎn)生的重要因素。

硫和磷

是鋼中最有害的雜質(zhì)元素，在各種鋼中都會(huì)增加熱裂紋傾向。它們既能增大凝固溫度區(qū)間，與其他元素形成多種低熔點(diǎn)共晶，又是鋼中極易偏析的元素。

冷裂紋是指金屬經(jīng)焊接或鑄造成形后冷卻到較低溫度時(shí)產(chǎn)生的裂紋。第二節(jié)裂紋——冷裂紋60一、冷裂紋的分類及特征按裂紋形成原因，冷裂紋可分為以下三類：

延遲裂紋

淬硬脆化裂紋(淬火裂紋)

低塑性脆化裂紋61延遲裂紋（氫致裂紋）在氫、鋼材淬硬組織和拘束應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生。形成溫度在Ms以下200℃至室溫范圍。具有明顯的延遲特征（故又稱為氫致裂紋）。

62二、冷裂紋的影響因素高強(qiáng)度鋼接頭產(chǎn)生冷裂紋的主要因素是：

（一）接頭中擴(kuò)散氫的含量與分布

（二）鋼材的淬硬傾向

（三）接頭中的拘束應(yīng)力狀態(tài)

63四、冷裂紋的控制對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼焊接冷裂紋的控制，總的原則是控制冷裂紋形成的三大要素，即降低擴(kuò)散氫的含量、控制組織脆化和減小拘束應(yīng)力。64氣體在金屬中的含量超過其溶解度，或侵入的氣體不被金屬溶解時(shí)，會(huì)以分子狀態(tài)的氣泡存在于液態(tài)金屬中。若凝固前氣泡來不及排除，就會(huì)在金屬內(nèi)形成孔洞。這種因氣體分子聚集而產(chǎn)生的孔洞稱為氣孔。第三節(jié)氣孔和夾雜65一、氣孔的分類及形成機(jī)理

析出性氣孔

侵入性氣孔

反應(yīng)性氣孔66液態(tài)收縮階段凝固收縮階段固態(tài)收縮階段三個(gè)階段一、金屬的收縮67二、縮孔與縮松的分類及特征

縮孔

縮松第四節(jié)縮松和縮孔68縮孔特點(diǎn)常出現(xiàn)于純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍較窄的以層狀凝固方式凝固的鑄造合金中；多集中在鑄件的上部和最后凝固的部位；縮孔尺寸較大，形狀不規(guī)則，表面不光滑。69縮松的特點(diǎn)縮松多出現(xiàn)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金中；常分布在縮孔附近70三、縮孔與縮松的形成機(jī)理

縮孔的形成

縮松的形成71縮孔的形成機(jī)理

純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金，在一般鑄造條件下按由表及里逐層凝固的方式凝固。由于金屬或合金在冷卻過程中發(fā)生的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，從而在鑄件最后凝固部位形成尺寸較大的集中縮孔。簡(jiǎn)答題72（二）防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑

順序凝固鑄件各部位由遠(yuǎn)及近，朝著冒口方向順序凝固。用于凝固收縮大、結(jié)晶間隔窄的金屬。

同時(shí)凝固凝固時(shí)產(chǎn)生熱裂紋、變形傾向小。用于凝固收縮小、對(duì)氣密性要求不高的鑄件。

使用冒口、補(bǔ)貼和冷鐵名詞解釋73金屬的塑性塑性：

材料在外力的作用下產(chǎn)生一定的永久變形而不破壞其完整性的能力。塑性成形：

材料成形的基本方法之一，它是利用材料的塑性，在外力作用下獲得所需尺寸和形狀的工件的一種加工方法，又稱為塑性加工。743.塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

延伸率

斷面收縮率

ψ=△A/A0=(A0-Ak)/A0x100%塑性指標(biāo)75第十一章應(yīng)力分析二、直角坐標(biāo)系中一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)761）應(yīng)力分量的符號(hào)帶有兩個(gè)下角標(biāo)：前一個(gè)角標(biāo)表示該應(yīng)力分量所在的坐標(biāo)面（用該面的法線命名）；第二個(gè)角標(biāo)表示應(yīng)力所指的坐標(biāo)方向；正應(yīng)力分量的兩個(gè)下角標(biāo)相同，兩個(gè)下角標(biāo)不同的是切應(yīng)力分量。7711.3主應(yīng)力和主切應(yīng)力一、主應(yīng)力主平面：切應(yīng)力為零的平面稱為主平面；主應(yīng)力：主平面上的正應(yīng)力叫做主應(yīng)力；主方向：主平面的法線方向，亦即主應(yīng)力的方向稱為主方向或應(yīng)力主軸。名詞解釋78二、應(yīng)力張量不變量應(yīng)力張量的三個(gè)不變量I1、I2、I3表示了一個(gè)確定的應(yīng)力狀態(tài)其應(yīng)力分量之間的確定關(guān)系，盡管應(yīng)力張量的各分量隨坐標(biāo)而變，但其函數(shù)值是不變的，稱為應(yīng)力張量第一、第二、第三不變量。79主應(yīng)力表示的應(yīng)力張量不變