机械工程材料复习整理精简版

金属与合金的晶体结构

晶体：原子在空间规则排列所形成的物体。

非晶体：是指原子在空间不规则排列而形成的固体。

注意：常态下金属主要以晶体形式存在。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体具有各向异性。

晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。

直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵.

单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。

多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。

晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。

晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。

晶体缺陷：晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。

①点缺陷：空间三维尺寸都很小的缺陷。点缺陷分三种:空位、间隙原子、置换原子

晶格畸变:点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲。晶格畸变使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降②线缺陷：在一维尺度上存在的缺陷。如位错。

晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称位错。

③面缺陷：在二维尺度上存在的缺陷。如晶界、亚晶界等。

合金：由两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结，或用其他方法组成而成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元.

相：指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。

固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。

⑴固溶体：合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。

按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。

①置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。典型的置换固溶体：黄铜（铜-锌合金）

②间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。典型的间隙固溶体：钢（碳在铁中的固溶体）。

形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。

③固溶体的溶解度：溶质原子在固溶体中的极限浓度。

溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。

④固溶体的性能：

固溶强化：随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降称为固溶强化。

与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，硬度要低得多，塑性和韧性则要高得多。

⑵金属化合物：合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称为金属化合物。

典型的金属化合物：Fe3C（渗碳体）

金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性。合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。结晶：由液态金属向原子规则排列、形成金属晶体的过程就称为结晶。

注意:结晶是个过程，有形核和核心长大两个阶段；结晶产品可以只是半成品（铸锭），也可以是成品(铸件)

理论结晶温度(T0)：液态金属和固态金属的自由能刚好相等的温度，就是理论结晶温度。

实际结晶温度(Tn)：液态金属真正向固态金属转变的温度(实际结晶温度)。

过冷度：实际凝固温度与理论凝固温度之差。ΔT=T0-Tn

形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。

均匀形核：由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。

非均匀形核：以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。

相图：就是表示合金的组织状态与成分、温度之间的关系图解。也称作平衡图或状态图。

相图是制订熔炼、铸造、热加工工艺的重要依据。

匀晶相图：两元素在液态、固态均能无限互溶时所构成的相图。

相图分为三个相区，液相线以上为液相区L ，固相线以下为α固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+ α）。共晶相图：两元素液态无限互溶、固态有限互溶，并有共晶转变构成的相图。

共晶转变(共晶反应) ：一定温度下，由液相同时结晶出两个成分和结构不相同的新固相(晶体)的转变。

共晶反应的产物是机械混合物，称作共晶体或共晶组织。

共晶温度：发生共晶反应的温度称为共晶温度。

共晶点：代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。

包晶相图：两元素液态无限互溶、固态有限互溶，并有包晶转变构成的相图。

包晶反应：液体和一个固相反应、生成另一个固相的反应。

共析反应：从一个固相中析出另外两个新的固相的反应（转变）。这是一种发生在固态中的反应。

铁碳合金

铁碳合金：以铁为主、加入少量碳而形成的合金。典型铁碳合金：钢、铁。

铁碳合金相图可以为钢的熔炼,铸造,锻造和钢的热处理等工艺规程的重要依据.

铁素体：碳在α-Fe中形成的间隙固溶体。用F表示。是体心立方结构，固溶碳非常有限(0.0218%以下)。

性能：与纯铁相近，强度硬度低(σb=180-280Mpa，50-80HB)，塑性韧性好(δ=30-50%)，易于进行塑性变形。

奥氏体：碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。用A表示。是面心立方结构，溶碳能力强(最大可达2.11%)。

性能：强度硬度比F高，塑性韧性良好，同样易于进行塑性变形。

渗碳体：铁和碳形成的、具有金属特性的金属化合物。碳含量为6.69%。用Fe3C表示。

性能：硬度高(可以划玻璃)，强度低( b~35MPa)，脆性大，塑性几乎为零。

珠光体：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。碳含量为0.77%。用P表示。

性能：介于铁素体和渗碳体之间，强度硬度较高，一定的塑性韧性。

莱氏体：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。碳含量为4.3%。用Ld表示。

性能：与纯渗碳体相近。

碳对铁碳合金力学性能的影响：强度：先升后降、硬度：不断升高、塑性：持续下降、韧性：迅速降低

碳对铁碳合金工艺性能的影响：切削性能: 中碳钢合适、可锻性能: 低碳钢好、

焊接性能: 低碳钢好、铸造性能: 共晶合金好

为什么细化晶粒既可提高金属的强度又可提高金属塑性

强度提高：因为晶界增加，晶界阻碍位错运动，因此强度提高。

塑性提高：因为晶粒细小，有利于协调变形，同时，同样的延伸率，每个晶粒的变形量减小；因而每个小晶粒的变形量与大晶粒时一样的话，合金总体的延伸率就会提高。

此外：当晶粒细化到一定程度，比如纳米量级，毫无疑问，强度增加；但塑性明显降低，因为其晶界面积过大，晶粒过小，内部的位错数量急剧减小，因而加工硬化能力太弱，因而很容易断裂。

热处理的定义:将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。

热处理特点: 热处理只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。

热处理的主要目的:改变钢的性能。

奥氏体形成的四个阶段

1.奥氏体晶核形成：

2.奥氏体晶核长大：

3.残余Fe3C溶解：

4.奥氏体成分均匀化：

过冷奥氏体：指的是处于临界点A1以下的奥氏体。

过冷奥氏体是不稳定的组织，迟早要发生转变。

㈠珠光体转变

过冷奥氏体在A1到550℃间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同,又细分为珠光体、索氏体和托氏体.

⑴珠光体：形成温度为A1-650℃，片层较厚，用符号P表示.

⑵索氏体：形成温度为650-600℃,片层较薄，用符号S 表示。

⑶托氏体：形成温度为600-550℃，片层极薄，用符号T 表示。

珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。

㈡贝氏体转变

过冷奥氏体在550℃- 230℃(Ms)间将转变为贝氏体，用符号B表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体(B下).

⑴上贝氏体(550-350℃)

在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶界向晶内平行生长的铁素体条之间。

⑵下贝氏体(350℃-Ms)

在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60o角。

上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。

下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。㈢马氏体转变：当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。

碳在 -Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中.马氏体的形态分板条和针状两类。

⑴板条马氏体：立体形态为细长的扁棒状。

⑵针状马氏体：立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。

马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。

马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。

一.钢的退火: 把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后随炉冷却。

目的: 消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。

二.钢的正火：把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却。

目的: 消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。

应用范围1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。

2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。

三.钢的淬火: 把零件加温到临界温度以上30 ～50℃,保温一段时间,然后快速冷却( 水冷)。

目的: 为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。

四.钢的回火: 把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温。

目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。

五钢的淬硬性:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。

六钢的淬透性:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处) 的深度。

（一）淬火介质：常用淬火介质是水和油.

水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。

油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，适用于合金钢和小尺寸的碳钢件。

熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。

聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.

碳素钢

有色金属材料

铸铁

铸铁按石墨化程度分成灰口铸铁（断口呈灰色）、白口铸铁（断口呈白亮色）、麻口铸铁（断口呈黑白相间的麻点）。铸铁按石墨结晶形态分成

灰口铸铁（石墨呈片状）、球墨铸铁（石墨呈球状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）。

塑性变形

滑移（一部分相对另外一部分的移动）。孪生（一部分相对另外一部分的转动）。

加工硬化：随塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。

金属经塑性变形后, 组织处于不稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。

加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。

回复：指变形金属由于加热而导致缺陷密度降低、畸变消除的现象, T回=（0.25～0.3）Tm 。

应用：将冷变形金属低温加热，既稳定组织又保留加工硬化，这种热处理方法称去应力退火。

再结晶：变形金属由于加热而重新形成晶核和晶核长大的这个过程。再=（0.35～0.40）Tm

再结晶后的组织复原，使金属的强度、硬度下降，塑性、韧性提高，加工硬化消失。

晶粒长大：一次再结晶后，少数晶粒择优生长成为特大晶粒、其他晶粒被吞食的这种现象。

晶粒粗大会使金属的强度下降，尤其是塑性和韧性降低。

再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。一般取T再=（0.35～0.40）Tm

冷加工：在再结晶温度以下对金属进行的加工。

热加工：在再结晶温度以上对金属进行的加工。

金属热加工的优点：变形时金属塑性好、变形阻力小、产生裂纹危险性低；变形后晶粒细小、组织均匀；产生具有一定方向的流线（金属组织呈现纤维状）、性能体现各向异性。

注意：热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工没有加工硬化效果。