華科材料復(fù)試工程學(xué)結(jié)

總結(jié)與回顧研究中心：材料的成分、加工工藝對(duì)組織、性能的影響

材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系

材料的成分與加工性能的關(guān)系

加工工藝對(duì)組織的影響

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

材料成分與組織、力學(xué)性能的關(guān)系

相圖表示了材料的成分、溫度與最終平衡相之間的關(guān)系。成分的變化決定了材料中組成相及其相對(duì)數(shù)量。組織取決于材料的組成相，不同的相對(duì)應(yīng)的組織自然不相同，決定材料組織的還有這些組成相的數(shù)量、形狀、大小和分布。

構(gòu)成材料中的組成相的類型有：以純?cè)貫榛墓倘荏w，大多出現(xiàn)在金屬材料中。金屬基的固溶體有好的塑性。化合物，包括正常價(jià)化合物、電子化合物、尺寸因素化合物和拓?fù)涿芏严啵鼈兊男阅苡休^大的差異，但大多為熔點(diǎn)高、硬度高、塑性低的脆性相。以化合物為基的固溶體，溶質(zhì)為構(gòu)成化合物的元素之一的表現(xiàn)為化合物在一定范圍內(nèi)成分可以變化范圍，也有在化合物中溶入第三組元的其它元素。對(duì)力學(xué)性能可以引起少量變化，但對(duì)物理或其它性能可以帶來較大的影響，特別是后者。

材料的成分與加工性能的關(guān)系單相固溶體合金，有利于塑性成形有好的塑性，適應(yīng)冷熱壓力加工，可以進(jìn)行塑性變形來成形，即具有良好的鍛壓性能。

共晶成分合金有利于鑄造①相對(duì)而言，共晶點(diǎn)附近合金的熔點(diǎn)較低，便于熔化；②共晶合金的凝固溫度范圍小，表現(xiàn)為流動(dòng)性好，充型性也好，成分的偏析小，可以鑄造復(fù)雜、精細(xì)的零件。固溶體在一溫度范圍內(nèi)凝固，液固混合物會(huì)阻礙流通，且有成分的偏析。③共晶合金流動(dòng)性好，凝固的縮孔集中，可以置于冒口處而除去，并且熱裂的傾向性小。固溶體凝固在一溫度范圍內(nèi)，特別是樹枝晶凝固，在材料內(nèi)部會(huì)造成大量細(xì)小的疏松孔。④共晶體由兩個(gè)以上組成相，互相強(qiáng)化。特別在冷卻速度較大，共晶體細(xì)化，界面多，若其中一相為較硬，強(qiáng)化效果更明顯。

加工工藝對(duì)組織的影響鑄造將材料熔化為液體，注入型腔凝固，得到零件毛坯的工藝過程。晶粒尺寸大小凝固理論中對(duì)晶粒尺寸的影響專門討論過。偏析成分的不均勻性，①枝晶偏析(晶內(nèi))偏析，由固溶體凝固時(shí)溶質(zhì)的重新分布引起，可以用均勻化退火來消除。②區(qū)域偏析，大范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)固溶體的溶質(zhì)分配可引起，此外大鑄件中先凝固的固體因比容不同造成沉浮而形成比重偏析，區(qū)域偏析不能用均勻化退火來消除。③晶界偏析，晶界是后凝固，排放到液體中的雜質(zhì)最后凝固在晶界而造成，此外，雜質(zhì)原子與晶體缺陷的相互作用也是造成晶界上雜質(zhì)集中的原因之一。共晶體形態(tài)鑄造多用共晶合金，組織為共晶體，不同工藝除改變共晶體的尺寸外，可以改變相界面的結(jié)合力，來改變共晶體的形狀，如灰鑄鐵和球墨鑄鐵。加工工藝對(duì)組織的影響鍛壓壓力加工除剪切斷外，有冷塑性變形加工和熱加工成形。冷塑性變形晶粒外形被拉長(或壓扁)，晶界模糊，內(nèi)部缺陷增加。多相合金會(huì)出現(xiàn)帶狀組織或纖維組織。此外回出現(xiàn)加工硬化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，甚至?xí)霈F(xiàn)織構(gòu)。

熱加工焊合缺陷和疏松，使成分均勻和加大材料的致密度。鍛造后的冷卻對(duì)晶粒尺寸也有明顯得影響。再結(jié)晶退火冷塑性變形后的再結(jié)晶退火，晶粒的重新形成過程，隨工藝的不同對(duì)晶粒尺寸有很大的影響。加工工藝對(duì)組織的影響熱處理通過加熱、保溫、冷卻得方法，改變材料的組織，從而達(dá)到改善材料性能的工藝方法稱為熱處理。在熱處理過程中不改變零件的形狀，不改變材料的成分或在小范圍內(nèi)改變零件表面的成分。無相變過程：均勻化退火――加熱溫度較高，消除晶內(nèi)偏析

去應(yīng)力退火――加熱溫度較低，消除材料的內(nèi)應(yīng)力

再結(jié)晶退火－－冷塑性變形后的再結(jié)晶退火，晶粒的重新形成過程，隨工藝的不同對(duì)晶粒尺寸有很大的影響。

有相變過程：平衡組織――按固態(tài)相變的方式有同素異晶轉(zhuǎn)變、脫溶、共析、包析等不同類型的轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)是完全得到或部分得到平衡組織，可以用相圖來具體分析。

快速冷卻――在快速冷卻時(shí)，隨冷卻速度不同，可能得到的是亞穩(wěn)態(tài)組織，有時(shí)得到的是非平衡組織。

加工工藝對(duì)組織的影響焊接用熔體把材料連接在一起的工藝過程。焊接過程比較復(fù)雜，需要用相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用，結(jié)合具體條件具體分析。熔化區(qū)熔化區(qū)的冷卻為凝固過程，溶體的成分決定于母材和焊料，冷卻過程與零件的材料、尺寸、工藝都有一定的關(guān)系。

熱影響區(qū)熱影響區(qū)的加熱溫度和冷卻速度與焊接工藝有關(guān)，可能發(fā)生有相變或無相變的固態(tài)轉(zhuǎn)變，母材若為冷變形材料，還可能有再結(jié)晶等。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

應(yīng)用的工程材料首先要達(dá)到必需的強(qiáng)度(硬度)，同時(shí)也要考慮相應(yīng)的塑性。以下總結(jié)以提高材料強(qiáng)度的若干途徑所應(yīng)用的原理。提高材料的強(qiáng)度本質(zhì)上是增加材料發(fā)生塑性變形的阻力。

溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑的晶格中，無論是處在晶格的間隙，還是處在晶格節(jié)點(diǎn)的異類原子，都會(huì)造成一定的晶格畸變。利用溶質(zhì)原子造成的晶格畸變，提高強(qiáng)度和硬度。對(duì)金屬材料基體為純金屬，由于固溶體保留溶劑的晶格，溶質(zhì)原子引起的畸變范圍是有限的，所以固溶體保留了較好的塑性，但強(qiáng)化的程度也是有限的。

1、固溶強(qiáng)化材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系2)晶界對(duì)塑性變形的另一貢獻(xiàn)是晶界在外力作用下，可以發(fā)生粘滯性流動(dòng)。少量流動(dòng)有助于晶粒間變形的協(xié)調(diào)，能較大程度流動(dòng)可以構(gòu)成塑性變形的另一方式，且這種流變不會(huì)產(chǎn)生加工硬化。

2、晶界強(qiáng)化

1)常溫下，金屬材料的塑性變形以滑移作為主要方式，位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)是不能穿過晶界，即晶界對(duì)滑移起阻礙作用，可以提高材料的強(qiáng)度。晶粒愈細(xì)，晶界愈多，材料的強(qiáng)度愈高，同時(shí)細(xì)小晶粒有利多晶體變形之間的協(xié)調(diào)，材料的塑性、韌性都會(huì)得到提高。表示屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系的

hell－path公式：

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系

隨著溫度的提高，原子活動(dòng)能力增強(qiáng)，材料的強(qiáng)度下降，塑性有所提高，并且溫度對(duì)晶界流變的作用更為明顯。為了提高材料的強(qiáng)度，在較低溫度下，流動(dòng)困難，塑變以晶內(nèi)滑移為主，細(xì)化晶粒有助于提高材料的強(qiáng)度；在較高溫度下，晶界流動(dòng)成為塑變的主要方式，提高材料的強(qiáng)度應(yīng)粗化晶粒。3)晶界對(duì)溫度的反應(yīng)

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系材料中位錯(cuò)密度對(duì)材料的強(qiáng)度的影響3、加工硬化1、完全無位錯(cuò)存在時(shí),在外力作用下，沒有可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)，材料表現(xiàn)極高的強(qiáng)度。但制造這種材料非常困難，目前只能在很小尺寸的晶體中實(shí)現(xiàn)(晶須),用于研究型的復(fù)合材料中。2、在存在位錯(cuò)的晶體材料中,隨位錯(cuò)密度的提高，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受交割作用影響加大，材料的強(qiáng)度得到提高。經(jīng)過冷變形的金屬材料,發(fā)生了加工硬化，強(qiáng)度可以在相當(dāng)范圍內(nèi)得到提高，常用的冷軋鋼板、冷拔鋼絲就是一例。值得注意的是用加工硬化提高強(qiáng)度的材料只能在較低溫度下使用，否則因高溫發(fā)生了再結(jié)晶，加工硬化的強(qiáng)化效果將全部消失。材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系4、第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化

第二相硬質(zhì)點(diǎn)是指那些在韌性材料中存在的不易發(fā)生塑性變形的化合物，它們一般幾乎不能發(fā)生塑性變形，在大的應(yīng)力下將脆性斷裂。在外力作用下，運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)遇到第二相硬質(zhì)點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式有兩種，切割或繞過，都會(huì)增加運(yùn)動(dòng)阻力，可以提高材料的強(qiáng)度。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系4、第二相硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化

如果第二相硬質(zhì)點(diǎn)的總量(如體積份數(shù)f)一定，單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的尺寸愈小，數(shù)量多，排列密集；反之單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的尺寸愈大，數(shù)量少，排列稀疏。對(duì)位錯(cuò)來說，小質(zhì)點(diǎn)容易切割，稀疏分布時(shí)容易繞過。所以質(zhì)點(diǎn)對(duì)強(qiáng)度的作用表現(xiàn)為尺寸太小或尺寸過大都會(huì)降低其效果，在特定的合適范圍才有最大的強(qiáng)化效果。

此外，對(duì)于不是彌散分布的二相構(gòu)成的材料，在多相合金應(yīng)用中不同相具有不同性能的特點(diǎn)，采用的原則是分別發(fā)揮各相的作用，例如在軸承合金中利用軟相來保證與軸的良好接觸面，其中大塊的硬相來提高其耐磨性。

材料的組織與力學(xué)性能的關(guān)系5、熱處理強(qiáng)化

利用熱處理，得到材料的力學(xué)性能更有利的組織形態(tài)。包括：細(xì)化晶粒，可以用再結(jié)晶退火，