《工程材料》復(fù)習(xí)

一、晶體結(jié)構(gòu)㈠純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、理想金屬⑴晶體：原子呈規(guī)則排列的固體。原子、離子等質(zhì)點(diǎn)在三維空間周期性重復(fù)排列。晶格：若將這些點(diǎn)用一些假象的連線連接起來(lái)，便形成了一個(gè)三維的幾何框架，該幾何框架表示晶體中原子排列的幾何形式稱為晶格。晶胞：在晶格中，能反映晶格特征的最小組成單元稱為晶胞。

⑵三種常見(jiàn)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)Mg、Zn-Fe、Ni、Al-Fe、Cr、W常見(jiàn)金屬0.740.740.68致密度12

128配位數(shù)6

42原子個(gè)數(shù)原子半徑a、caa晶格常數(shù)密排六方面心立方體心立方⑶立方晶系的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)①晶面指數(shù)：晶面三坐標(biāo)截距值倒數(shù)取整加（）②晶向指數(shù)：晶向上任一點(diǎn)坐標(biāo)值取整加[]立方晶系常見(jiàn)的晶面和晶向⑷晶面族與晶向族指數(shù)不同但原子排列完全相同的晶面或晶向。在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。2、實(shí)際金屬

⑴多晶體結(jié)構(gòu)：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。晶粒：外形不規(guī)則的小晶體。晶界：晶粒與晶粒之間的交界面。⑵晶體缺陷—實(shí)際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域統(tǒng)稱為晶體缺陷。晶體缺陷按空間尺寸大小不同分為點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷三類缺陷。點(diǎn)缺陷：①空位：晶格的結(jié)點(diǎn)未被原子占有。②間隙原子：原子不占有晶格結(jié)點(diǎn)位置，處于晶格間隙之間的原子。③異類原子：實(shí)際金屬中，往往有其它金屬或非金屬原子存在，稱為異類原子。線缺陷——位錯(cuò)面缺陷——晶界和亞晶界亞晶粒：組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶塊。亞晶界：亞晶粒之間的交界面。晶界的特點(diǎn)：原子排列不規(guī)則；阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；熔點(diǎn)低；耐蝕性低；產(chǎn)生內(nèi)吸附；是相變的優(yōu)先形核部位。金屬的晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，位錯(cuò)障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使得金屬塑性變形的抗力越高。晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)同時(shí)參與變形的晶粒數(shù)目越多,變形越均勻，在斷裂前將發(fā)生較大塑性變形。強(qiáng)度和塑性同時(shí)增加，在斷裂前消耗的功大，因而韌性也好.細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)細(xì)化晶粒來(lái)提高強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性的方法。（二）合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：通過(guò)熔煉、燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素或其它元素結(jié)合在一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)稱為合金。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。相：金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。1、固溶體：與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相。⑴置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，并隨含碳量增加而提高。⑵間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。為過(guò)渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。馬氏體：碳在-Fe中的過(guò)飽和固溶體。固溶強(qiáng)化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降的現(xiàn)象。2金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相。

(1)正常價(jià)化合物如Mg2Si(2)電子化合物如Cu3Sn(3)間隙化合物：由過(guò)度族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。間隙化合物分為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。強(qiáng)碳化物形成元素：Ti、Nb、V如TiC、VC

中碳化物形成元素：W、Mo、Cr如Cr23C6

弱碳化物形成元素：Mn、Fe如Fe3C3.性能比較：強(qiáng)度：固溶體純金屬硬度：化合物固溶體純金屬塑性：化合物固溶體純金屬4.金屬化合物形態(tài)對(duì)性能的影響①基體、晶界網(wǎng)狀：強(qiáng)韌性低②晶內(nèi)片狀：強(qiáng)硬度提高，塑韌性降低③顆粒狀起彌散強(qiáng)化的作用（第二相顆粒越細(xì)，數(shù)量越多，分布越均勻,合金的強(qiáng)度、硬度越高，塑韌性略有下降的現(xiàn)象。5.固溶體與化合物的區(qū)別：①結(jié)構(gòu)；②性能；③表達(dá)方式（三）合金元素在鋼中的作用1、強(qiáng)化鐵素體。2、形成化合物—第二相強(qiáng)化。3、擴(kuò)大（C,Mn,Ni,Co）或縮小（Cr,Si,W,Mo）A相區(qū)。4、使S、E點(diǎn)左移。5、影響A化。6、溶于A(除Co外),使C曲線右移,Vk減小,淬透性提高。7、除Co、Al外，使Ms、Mf點(diǎn)下降。8、提高回火穩(wěn)定性（淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗硬度下降的能力）。9、產(chǎn)生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時(shí)，由于析出細(xì)小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時(shí)A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸回，使硬度不僅不下降，反而升高的現(xiàn)象)。

10、防止第二類回火脆性：W、Mo(回火脆性：淬火鋼在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，出現(xiàn)的沖擊韌性下降的現(xiàn)象。)。二、組織㈠純金屬的組織1、結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過(guò)程⑴結(jié)晶的條件——過(guò)冷：在理論結(jié)晶溫度以下發(fā)生結(jié)晶的現(xiàn)象。液態(tài)純金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0時(shí)，結(jié)晶才能有效地開(kāi)始進(jìn)行，這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷現(xiàn)象，過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差。⑵結(jié)晶的基本過(guò)程——晶核形成與晶核長(zhǎng)大形核——自發(fā)形核與非自發(fā)形核長(zhǎng)大——均勻長(zhǎng)大與樹(shù)枝狀長(zhǎng)大⑶結(jié)晶晶粒度控制方法：①增加過(guò)冷度；②變質(zhì)處理；③機(jī)械振動(dòng)、攪拌2、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：-Fe?-Fe?-Fe1394℃

912℃

㈡合金的組織

1、相圖勻晶L共晶L+共析+

二元合金相圖的一些幾何規(guī)律

⑴

在兩個(gè)單相區(qū)之間必定存在著一個(gè)由兩相所組成的兩相區(qū)隔開(kāi)。兩個(gè)兩相區(qū)必定以單相區(qū)或三相水平線隔開(kāi)。⑵在二元合金相圖中，若是三相平衡，則必定是一條水平線，這條水平線上有三個(gè)表示平衡相濃度的點(diǎn)，其中兩點(diǎn)應(yīng)在水平線的兩端。這條水平線必定和三個(gè)兩相區(qū)相鄰。2、合金中的固態(tài)相變⑴固溶體轉(zhuǎn)變：AF⑵共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C)⑶二次析出：AFe3CⅡ⑷奧氏體化⑸過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變3、鐵碳合金相圖ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFeFe3C

T°(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相圖共析相圖勻晶相圖(P+Fe3C)鐵碳合金中的基本相為鐵素體、奧氏體和滲碳體相：在金屬中或合金中，凡成份相同，結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分，均稱之為相。組織：是指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的形貌，包括宏觀組織和微觀組織。合金的組織決定著合金的性能。相組成物：合金的基本組成相。組織組成物：合金顯微組織中的獨(dú)立組成部分。相區(qū)標(biāo)注組織組成物標(biāo)注三、鋼的熱處理㈠熱處理原理1、加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變奧氏體化步驟：A形核；A晶核長(zhǎng)大；殘余滲碳體溶解；A成分均勻化。奧氏體化后的晶粒度：初始晶粒度：奧氏體化剛結(jié)束時(shí)的晶粒度。實(shí)際晶粒度：給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質(zhì)晶粒度：加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向。

2、冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變⑴等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物

根據(jù)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物可分為珠光體、貝氏體、馬氏體三種。共析成分碳鋼的過(guò)冷奧氏體在A1～550℃之間發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，550℃～MS之間發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，MS～Mf之間發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。P型轉(zhuǎn)變：Fe、C原子進(jìn)行擴(kuò)散，晶格重組轉(zhuǎn)變溫度名稱組織形態(tài)

HRCA1-650℃PF+Fe3C片狀較粗>0.4μm500×金相顯微鏡下觀察5-20650-600℃SF+Fe3C細(xì)片狀，0.2~0.4μm,800~1000金相顯微鏡下觀察20-30600-550℃TF+Fe3C極細(xì)片狀<0.2μm，在電鏡下觀察30-40

珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細(xì)之分。片間距越小，鋼的強(qiáng)度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。光鏡下S形貌光鏡下P形貌光鏡下T形貌B型轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變溫度范圍550℃-Ms(230℃),轉(zhuǎn)變溫度較低，C擴(kuò)散，F(xiàn)e不擴(kuò)散，僅作很小位移，晶格重組。轉(zhuǎn)變溫度名稱組織形態(tài)HRC550~350℃B上F+Fe3C羽毛狀40~50350~230℃B下F+Fe3C黑針狀50~60上貝氏體強(qiáng)度與塑性都較低，無(wú)實(shí)用價(jià)值。

下貝氏體具有較高強(qiáng)度、較高塑性和韌性相配合，較好的機(jī)械性能，是生產(chǎn)上希望獲得的組織，一般采用等溫淬火。光鏡下B上光鏡下B下

M型轉(zhuǎn)變Fe、C原子均不能進(jìn)行擴(kuò)散，γ-Fe→α-Fe的晶格改變時(shí)，奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚讦?Fe中的過(guò)飽和固溶體，是一種單相的亞穩(wěn)組織，稱為馬氏體，又稱為碳過(guò)飽和鐵素體。馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化鋼的重要途徑之一。轉(zhuǎn)變溫度名稱組織形態(tài)HRCM~230℃板條M碳過(guò)飽和F板條狀60~65350~230℃片狀M碳過(guò)飽和F片狀65馬氏體強(qiáng)化的主要原因是過(guò)飽和碳引起的固溶強(qiáng)化。此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細(xì)化也有強(qiáng)化作用。針狀馬氏體硬度高、脆性大，板條馬氏體有較高強(qiáng)度、硬度，且具有較好的塑性和韌性。光鏡下板條M光鏡下針狀M

馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)⑴無(wú)擴(kuò)散性

⑵在不斷降溫過(guò)程中形成的⑶形成速度快：一般不需要孕育期。

⑷馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性

⑸體積膨脹：含碳量對(duì)馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的影響含碳量對(duì)殘余奧氏體量的影響

隨C%上升，Ms、Mf↓則殘余奧氏體也越來(lái)越多。當(dāng)A中含C量越過(guò)0.5%時(shí)，由于Mf點(diǎn)已低于室溫，當(dāng)淬火到室溫時(shí)，必然會(huì)有一部分A殘留下來(lái)，且隨C%↑殘余奧氏體量增加。

⑵用C曲線定性說(shuō)明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物根據(jù)與C曲線交點(diǎn)位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物3、回火時(shí)的轉(zhuǎn)變碳鋼：馬氏體的分解；殘余奧氏體分解；碳化物類型的轉(zhuǎn)變；Fe3C聚集長(zhǎng)大和α固溶體的回復(fù)與再結(jié)晶。W18Cr4V鋼：560℃三次回火。析出W、Mo、V的碳化物，彌散硬化。回火冷卻時(shí)，A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸,每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火,產(chǎn)生二次硬化。在淬火狀態(tài)約有20-25%的A殘。一次回火難以全部消除，經(jīng)三次回火后，可使A殘減至最低量。在550-570℃回火硬度最大。㈡熱處理工藝工藝目的加熱溫度組織退火1.調(diào)整硬度,便于切削加工。2.細(xì)化晶粒,為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Ac1+30~50℃

F+PPP球正火1.低中碳鋼同退火。2.過(guò)共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體。3.普通件最終熱處理亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Accm+30~50℃F+S;SS淬火獲得馬氏體組織。亞共析鋼Ac3+30~50℃共析鋼Ac1+30~50℃過(guò)共析鋼Ac1+30~50℃

MM+A’M+A’+粒狀Fe3C熱處理工藝（續(xù)）工藝目的加熱溫度組織回火1.消除內(nèi)應(yīng)力，減少變形。2.獲得所需要的性能。低溫回火150~250℃中溫回火350~500℃高溫回火500~650℃(調(diào)質(zhì))亞共析,共析鋼：M回過(guò)共析鋼:M回+A’(少)+粒狀Fe3CT回

S回表面淬火表面獲得馬氏體組織，并獲得表硬里韌的性能。預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)或正火適用于中碳鋼中碳低合金鋼表面：M回心部：S回(調(diào)質(zhì))或F+S(正火)滲碳提高表面含碳量，獲得表硬里韌的性能。滲碳溫度:900~950℃淬火溫度：表面Ac1+30~50℃心部Ac3+30~50℃適用于低碳鋼0.1~0.25%C表面：M回+A’(少)+顆粒狀Fe3C心部：M回+FM回四、工業(yè)用金屬材料鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途碳素結(jié)構(gòu)鋼<0.2Q195Q235(A3)熱軋空冷F+P塑性,焊接性好建筑結(jié)構(gòu)低合金高強(qiáng)度鋼<0.2Q345(16Mn)Mn:強(qiáng)化F,增加P,降低脆轉(zhuǎn)溫度熱軋空冷F+S塑性,焊接性好橋梁,船舶,容器滲碳鋼0.1-0.252020Cr20CrMnTiCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F,Ti:細(xì)化晶粒滲碳+淬火+低溫回火表面：M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C心部：M回+F表硬里韌齒輪調(diào)質(zhì)鋼0.25—0.54540Cr40CrNiMoCr,Ni:提高淬透性,強(qiáng)化F,Mo:防止第二類回火脆性調(diào)質(zhì)S回良好綜合力學(xué)性能軸、齒輪彈簧鋼0.5~-0.765Mn60Si2MnCr,Mn:提高淬透性,強(qiáng)化F；Si:提高屈強(qiáng)比淬火+中溫回火T回高ReL/Rm高Rr彈簧㈠工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼（續(xù)）鋼種C%典型牌號(hào)合金元素作用熱處理使用狀態(tài)下組織性能用途滾動(dòng)軸承鋼0.95~1.15GCr15Cr:提高淬透性,耐磨耐蝕性球退+淬火+低溫回火M回+A’(少量)+顆粒狀Fe3C高耐磨高Rr足夠ak滾動(dòng)軸承耐磨鋼1.0~1.3ZGMn13Mn:形成A組織水韌處理表：M+碳化物心：A高耐磨耐沖擊鏟齒，履帶板碳素工具鋼0.65~1.3T7-T