《工程材料基础》知识点汇总

1.工程材料按属性分为：金属材料、陶瓷材料、碳材料、高分子材料、复合材料、半导体材料、生物材料。

2.零维材料：是指亚微米级和纳米级（1—100nm）的金属或陶瓷粉末材料，如原子团簇和纳米微粒材料；

一维材料：线性纤维材料，如光导纤维；

二维材料：就是二维薄膜状材料，如金刚石薄膜、高分子分离膜；

三维材料：常见材料绝大多数都是三位材料，如一般的金属材料、陶瓷材料等；

3.工程材料的使用性能就是在服役条件下表现出的性能，包括：强度、塑性、韧性、耐磨性、耐疲劳性等力学性能，耐蚀性、耐热性等化学性能，及声、光、电、磁等功能性能；工程材料按使用性能分为：结构材料和功能材料。

4.金属材料中原子之间主要是金属键，其特点是无方向性、无饱和性；

陶瓷材料中的结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键，离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性；

高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键，其中，组成分子的结合键是共价键和氢键，而分子间的结合键是范德瓦尔斯键。尽管范德瓦尔斯键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能；

半导体材料中主要是共价键和离子键，其中，离子键是无方向性的，而共价键则具有高度的方向性。

5.晶胞：是指从晶格中取出的具有整个晶体全部几何特征的最小几何单元；在三维空间中，用晶胞的三条棱边长a、b、c（晶格常数）和三条棱边的夹角α、β、γ这六个参数来描述晶胞的几何形状和大小。

6.晶体结构主要分为7个晶系、14种晶格；

7.晶向是指晶格中各种原子列的位向，用晶向指数来表示，形式为[uvw]；

晶面是指晶格中不同方位上的原子面，用晶面指数来表示，形式为（hkl）。

8.实际晶体的缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷，其中体缺陷有气孔、裂纹、杂质和其他相。

9.实际金属结晶温度Tn总要偏低理论结晶温度T0一定的温度，结晶方可进行，该温差ΔT=T0—Tn即称为过冷度；过冷度越大，形核速度越快，形成的晶粒就越细。

10.通过向液态金属中添加某些符合非自发成核条件的元素或它们的化合物作为变质剂来细化晶粒，就叫变质处理；如钢水中常添加Ti、V、Al等来细化晶粒。

11.加工硬化是指随着塑性变形增加，金属晶格的位错密度不断增加，位错间的相互作用增强，提高了金属的塑性变形抗力，使金属的强度和硬度明显提高，塑性和韧性明显降低，也即形变强化；加工硬化是一种重要的强化手段，可以提高金属的强度并使金属在冷加工中均匀变形；但金属强度的提高往往给进一步的冷加工带来困难，必须进行退火处理，增加了成本。

12.金属学以再结晶温度区分冷加工和热加工：在再结晶温度以下进行的塑性变形加工是冷加工，在再结晶温度以上进行的塑性变形加工即热加工；热加工可以使金属中的气孔、裂纹、疏松焊合，使金属更加致密，减轻偏析，改善杂质分布，明显提高金属的力学性能。

13.再结晶是指随加热温度的提高，加工硬化现象逐渐消除的阶段；再结晶的晶粒度受加热温度和变形度的影响。

14.相:是指合金中具有相同化学成分、相同晶体结构并由界面与其他部分隔开的均匀组成部分；

合金相图是用图解的方法表示合金在极其缓慢的冷却速度下，合金状态随温度和化学成分的变化关系；

固溶体：是指在固态下，合金组元相互溶解而形成的均匀固相；

金属间化合物：是指俩组元组成合金时，产生的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新固相。

15.固溶强化：是指固溶体的晶格畸变增加了位错运动的阻力，使金属的塑性和韧性略有下降，强度和硬度随溶质原子浓度增加而略有提高的现象；

弥散强化：是指以固溶体为主的合金辅以金属间化合物弥散分布，以提高合金整体的强度、硬度和耐磨性的强化方式。

16.匀晶反应：是指两组元在液态和固态都能无限互溶，随温度的变化，形成成分均匀的液相、固相或满足杠杆定律的中间相的固溶体的反应；

共晶反应：是指由一种液态在恒温下同时结晶析出两种固相的反应；

包晶反应：是指在结晶过程先析出相进行到一定温度后，新产生的固相大多包围在已有的固相周围生成的的反应；

共析反应：一定温度下，由一定成分的固相同时结晶出一定成分的另外两种固相的反应。

17.铁素体（F）：碳溶于α-Fe中形成的体心立方晶格的间隙固溶体；金相在显微镜下为多边形晶粒；铁素体强度和硬度低、塑性好，力学性能与纯铁相似，770℃以下有磁性；

奥氏体（A）:碳溶于γ-Fe中形成的面心立方晶格的间隙固溶体；金相显微镜下为规则的多边形晶粒；奥氏体强度和硬度不高，塑性好，容易压力加工，没有磁性；

渗碳体（Fe3C）：含碳量为6.69%的复杂铁碳间隙化合物；渗碳体硬度很高、强度极低、脆性非常大；

珠光体（P）：铁素体和渗碳体的共析混合物；珠光体强度较高，韧性和塑性在渗碳体和铁素体之间；

莱氏体（Ld）：奥氏体和渗碳体的共晶混合物；莱氏体中渗碳体较多，脆性大、硬度高、塑性很差。

18.包晶反应：1495℃时发生，有δ-Fe（C=0.10%）、γ-Fe（C=0.17%或0.18%，图中J点）、液相（C=0.53%或0.51%，图中B点）三相共存；δ-Fe（固体）+L（液体）=γ-Fe（固体）

共晶反应：1148℃时发生，有A（C=2.11%）、Fe3C（C=6.69%）、液相L（C=4.3%）三相共存；Ld→Ae+Fe3Cf（恒温1148℃）

共析反应：727℃时发生，有A（C=0.77%）、F（C=0.0218%）、Fe3C（C=6.69%）三相共存；As→Fp+Fe3Ck(恒温727℃)

19.碳钢是指含碳量在0.02%—2.11%的铁碳合金；生铁是指含碳量大于2%的铁碳合金；铸铁是指含碳量大于2.11%的铁碳合金，其中碳多以石墨形式存在。

20.刚的热处理：就是将固态金属以一定的升温速度加热到既定的温度，保温一定时间，在以一定的降温速度冷却的工艺方法；

基本类型及其目的：①退火、正火：消除内应力，改善组织，提高性能，为下道工序做准备；②淬火：获得马氏体组织以提高刚的强度和硬度；③回火：稳定组织，减少内应力，降低脆性，调整淬火工件的硬度。

21.铁碳合金相图如右：

C：共晶点

S：共析点

E：碳在γ-Fe中溶解度最大的点

P：碳在铁素体中溶解度最大的点

N：δ-Fe与γ-Fe的同素异构转变点

G：γ-Fe与α-Fe的同素异构转变点

SE线：奥氏体对碳的溶解度曲线

PSK线：共析线，冷却到该线温度是开始发生共析反应生成珠光体。

GS线：铁素体开始析出线

PQ线：铁素体析出渗碳体的开始线

22.Fe-Fe3C加热时相应相点变化如右图:

完全退火：图中Ac3以上30℃左右；原理是通过完全重结晶获得细化晶粒，并降低硬度，改善切削性能消除内应力；

等温退火：图中Ac3以上；原理是加热保温后很快冷却到珠光体区的某温度，保持等温以使奥氏体转变为珠光体；

球化退火：图中Ac1以上30℃左右；原理是通过加热保温后随炉冷却到600℃后出炉冷却，是二次渗碳体和珠光体中的渗碳体球状化；

去应力退火：图中低于Ac1处500-650℃；原理是使钢发生应力松弛，部分弹性变形变为塑性变形，使内应力消除；

扩散退火：图中Ac3以上200℃；原理是通过长时间保温，使碳和合金元素充分扩散，消除偏析，减少组织成分的不均匀；

正火：图中Ac3以上30-50℃（亚共析钢）或Accm以上30-50℃（过共析钢）；原理是通过得到索氏体组织改善钢的组织结构性能。

23.如右图，共析钢等温转变曲线（图中实线）和连续转变曲线（图中虚线）及转变产物；

24.表面淬火的目的是为了在钢件表面得到马氏体组织；常用方法：感应加热淬火、火焰加热淬火。

25.常用的化学热处理方法：渗碳、氮化、碳氮共渗及多元共渗、渗铬、渗硼等。

26.非碳化物元素有Si、Ni、Cu、Al、Co，它们可以增大碳在奥氏体中的扩散速度，加快奥氏体的形成；

27.强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V都显著阻止晶粒长大，对合金起到细化晶粒作用。

28.中等碳化物形成元素W、Mo、Cr具有中等阻止晶粒长大作用。

29.弱碳化物形成元素Mn、Fe少部分溶于渗碳体中，大部分溶于铁素体和奥氏体。

30.渗碳体、合金渗碳体、合金碳化物、特殊碳化物稳定性和硬度依次增高。

31.合金元素Si、Mn对铁素体固溶强化效果最为显著；合金元素Ni可以减少钢的冷脆性，并增加塑性和韧性。

32.奥氏体稳定化元素有Mn、Ni、Co、C、N、Cu，其中Ni、Mn被称为完全扩大γ相区元素。

33.铁素体稳定化元素有Cr、Mo、V、W、Ti、Si、Al、B、Nb，其中Cr、Ti、Si被称为完全封闭γ相区元素。

34.根据钢的化学成分可借助Schaeffler图来近似判别钢的组织类别，可以根据镍当量和铬当量质量分数来查图得出，其中镍当量计算来源于元素Ni、C、N、Mn和Cu 的贡献，铬当量计算来源于元素Cr、Si、Mo、Nb和Ti的贡献。

35.除Co外，几乎所有合金元素都会增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高了钢的淬透性。

36.除Co、Si、Al之外，大多数合金元素会降低Ms和Mf点，使钢中残余奥氏体增加，从而降低了钢的硬度、抗疲劳性和耐磨性。解决的方法是冷处理或多次回火。

37.合金元素会提高回火稳定性，即在同一温度下回火，合金钢的硬度和强度比碳钢高。合金在450°～650°温度范围内容易出现高温回火脆性，可以通过回火快速冷却或加入元素W、Mo避免或消除这类脆性。

38.钢中的杂质主要有Mn、Si、S、P，其中杂质S使钢材产生热脆，杂质P使钢材产生冷脆。

39.碳钢的分类表、40.合金钢的分类表

41.硬度值类：布氏硬度(HBS、HBW)、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV）

42.弹性模量：在弹性变形范围内，当应力低于比例极限时，应力与应变呈线性关系，即σ＝Εε，上式称为虎克定律，式中E被称为弹性模量。材料处于弹必状态下，其应力与应变成正比；这部分应力-应变曲线通常呈直线，E是曲线的斜率。E值反映材料的刚度，E值越大，则刚度越高，即在一定应力下所产生的弹性应变越小。

43.奥氏体不锈钢中加入18％以上的Cr、9％以上的Ni的作用是什么？加Ti的作用是什么，除了加Ti，我们还有别的方法达到同样的甚至更好的目的吗？

答：加Cr的作用是提高钢基体的电极电位，减小合金腐蚀率;Ni和Cr同时加入作为不锈钢的主要合金化元素，使不锈钢既耐氧化性腐蚀，也对不太强的还原性介质具有一定耐蚀性。Ni还可使不锈钢获得具有优良冷热加工性能、可焊性的奥氏体组织;加Ti的作用是优先与碳形成TiC等稳定化合物，取代了Cr的碳化物，从而避免了晶界Cr的碳化物形成带来的Cr的贫化，有效地提高了抗不锈钢晶间腐蚀性能。其他方法:降低碳含量，添加稳定剂（如加Ti、Nb等），进行固溶化处理等。

44.钢号的综合分类和用途。碳钢:①普通碳素结构钢②优质碳素结构钢③碳素工具钢;合金钢：①合金结构钢②合金工具钢③特殊性能钢（详情参见课本P53）

45.屈服点：呈现屈服现象的金属材料，试样在试验过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长的应力，称为屈服点，即σs。

屈服强度：屈服点过后，材料开始明显的塑性变形。常以产生一定残余伸长的条件屈服应力作表征，称为屈服强度。标准名称是规定残余伸长应力。（P58）抗拉强度：表征材料在拉伸条件下所能承受的最大标称应力值，常以σb表示。

屈强比：即σs／σb。可映材料屈服后强化能力的高低。屈服比越小，表示材料屈服强度极限的差距越大，塑性越好，发生脆性破坏的可能性越小。

46.疲劳：材料或构件在长期交变载荷持续作用下产生裂纹，直至失效或断裂的现象。

疲劳极限：材料能长久经受的最大交变应力

蠕变：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服点也会缓慢产生塑性变形，这种现象称为蠕变。

蠕变极限：是表示材料抵抗蠕变能力大小的指标,一般用规定温度下和规定时间内达到一定总变形量的应力值表示.例如σ1/10000和σ1/100000分别代表经历10000小时和100000小时总变形量为1%的蠕变极限,又称为条件蠕变极限.

47.持久强度：在指定的温度下、规定的时间内刚好发生断裂的拉应力。

冲击吸收能(功)：用摆锤冲击试样，试样在冲击试验中一次作用下折断时所吸收的功即为冲击吸收功。Ak反映在冲击载下裂纹的形成，扩展直至断裂全过程所消耗的总能量，即材料抵抗冲击断裂全过程的能力。（p63）

48.无延性转变温度：材料由延性断裂完全转变为脆性断裂时的温度。对于压力容器铁素体钢，长期强中子辐照可使该值升高。温度低于该值时，钢材在破断前无变形，且起始裂纹极易传播，十分危险。（另一种解释：当材料失去韧性，其屈服强度等于断裂强度，没有任何延展性，即无延性时，材料在应力作用下开裂的最高温度，就叫做材料的无延性转变温度）

韧脆转变温度：工程材料的冲击吸收功在不同的温度下有不同的数值，随温度下降而降低。当试验温度低于某一温度值Tk时，Ak值会有明显的降低，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。Tk称为韧脆转变温度。

49.选材时需要考虑的物理性能：弹性模量、密度、熔点、比热容、导热系数、线膨胀系数等。（P69）

50.常用什么指标来估算金属材料的焊接性能：①碳当量②冷裂纹敏感系数。（P67）

51.各种性能指标；

强度：应力应变曲线、比例极限σp、屈服极限σs、抗拉强度（σb和σ0.2）、屈强比σs／σb。

塑性：延伸率δ、断面收缩率Ψ。

硬度：布氏硬度HBS和HBW、洛氏硬度（HRA、HRC和HRB）、维氏硬度及显微硬度HV。

韧性：静力韧度、冲击韧度、断裂韧度

52.常见的腐蚀形态：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂（最常见且最危险的一种）、氢腐蚀、腐蚀疲劳。

53.工程材料的主要失效形式分类及其原因和典型特点：①变形失效：在外力作用下产生开头和尺寸的变化的一种失效形式。变形失效都是逐步进行的，一般属于非空难性的，因此这类失效并不引起人们的关注。但是忽视变形失效的监督和预防，也会导致很大的损失。②断裂失效：断裂是金属材料在的作用下分为互不相连的两上或两个以上部分的现象。断裂是金属材料常见的失效形式之一，又是危害性较大的失效形式。且工程中构件断裂的原因往往又不是单一的，而是几个因素共同作用的结果，因此对断裂失效要足够重视。③表面损伤：分为腐蚀和磨损。腐蚀：是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应使材料发生损坏或变质的现象。随着过程装备的大型化及高压、高温化、高流速开拓，材料的腐蚀更显严重。腐蚀造成的损失是巨大的。磨损：当材料的表面相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时，由于物理或化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程，叫做磨损。由磨损而导致构件功能丧失，称为磨损失效。磨损失效是普遍存在并且引起损失也是巨大的。试分析过程装备及其构件失效的主要原因：设计不合理、选材不当及材料缺陷、制造工艺不合理、操作和维修不当。

54.压力容器对材料性能的要求……答：①压力容器用钢大都低碳钢②良好的冶金质量③优良的综合力学性能④良好的材料组织和组织稳定性⑤良好的加工工艺性能和焊接性能。（P91）

55.常见钢材品种有哪些：碳素钢、低合金高强度钢和低温钢、中温抗氢钢、不锈钢和耐钢，还有复合钢板。

常用压力容器钢材：Q235B Q235C 15MnVR 18MnMoNbR 13MnNiMoNbR 07MnCrMoVR 20R>>>Q245R 16MnR>>>Q345R 15MnNbR>>>Q370R(此三种都是有钢号新旧变化的，符号前后只写一个)

56.高温下钢材现象及常用的高温用钢：①高温下钢会产生蠕变现象。②高温下钢的力学性能随温度及载荷持续时间而变化。③高温下钢的组织结构常会发生转变。珠光体耐热钢15CrMo马氏体耐热钢如4Cr9Si2 铁素体耐热钢1Cr13Si3 奥氏体耐热钢0Cr19Ni9 2Cr25Ni20

57.影响低温韧性的因素及常用的低温用钢：晶体结构、化学成分、晶粒尺寸、热处理与显微组织、缺口效应和应力集中、其他影响金属材料韧度的因素。钢种：低合金低温用钢16Mn 镍钢（3.5％Ni钢）58.高锰奥氏体钢20Mn23Al 铬镍奥氏体不锈钢1Cr18Ni9

59.低合金耐大气腐蚀及耐海水介质腐蚀的机理有何异同：打开课本114页。

60.超级奥氏体不锈钢：一类高钼（约6%）含氮（0.20%-0.40%）的铬镍奥氏体不锈钢。除在还原性介质中有优异的耐蚀性外，并有好的抗应力腐蚀、点腐蚀与缝隙腐蚀的能力。

61.耐蚀高合金钢分类：①马氏体钢1Cr13。②铁素体钢0Cr13。③奥氏体钢1Cr18Ni9。④奥氏体-铁素体双相钢Cr22Ni5MoN。

62.氢腐蚀和氮脆：（1）氨合成、炼油厂催化重整和加氢工艺中。（2）原因：在铁的催化作用下，中温的氢气、氮气、氨气分子都能部分分解成氢原子和氮原子，在高压作用下，这些原子能渗入钢中，造成钢的脆化。这里一方面是氢原子或氢分子与钢中的碳反应生成，使钢脱碳，塑性和强度降低，直至鼓泡和开裂，发生氢腐蚀；另一方面是氮原子进入与铁及各种上合金元素化合生成氮化物，低合金钢的合金元素含量低，在钢材表面形成的氮化层较为疏松，氮化容易往深发展，引起钢的渗氮脆化。（3）机理：耐氢，一是尽量降低钢中的含碳量。二是加入碳化物形成元素，使碳稳定的合金碳化物中。耐氮，加入氮化物形成元素，而且要求所加的元素及其含量足以使钢表面形成由稳定氮化物构成的薄而致密的渗氮层，能阻止氮原子继续向钢内部扩展。(见课本116页)

63.奥氏体钢的固溶处理和稳定化处理：前者是将奥氏体钢加热到1050_1150摄氏度，保温2到4小时，使碳化物溶于高温奥氏体中，再通过快速水冷却至室温获得单一的奥氏体组织。后者是指把钢回执为到850到900摄氏度，保温2至4小时，再水冷快速降至室温。它们的目的在于使奥氏体成分均匀化，抑制高铬碳化物的形成，将明显提高抗腐蚀能力。

64.分析举例如何选择零部件用钢。（P126-127）①工况分析②材料性能要求③选材

65.钛晶体结构：α钛密排六方、β钛体心立方，在β相点882.5℃转变。物理力学特点：比强度高、弹性模量小、膨胀系数小、塑性好、强度低、屈强比大、无低温脆性现象、常温蠕变。

66.钛合金按晶体结构分类：α型、β型、α+β型。举例说明性能差异：α型如TA7相对密度小，热强性好，具有良好的焊接性和优异的耐蚀性，但室温强度低，不可热处理强化；β型如TB2具有高强度、高韧性、相对密度大、焊接切削性能差；α+β型如TC4中等强度、可热处理强化、焊接性能差。

67.变形合金溶质含量少加热至固溶线以上得到均匀的单相固溶体；铸造合金溶质含量高，凝固时有共晶组织。溶质成分小于F点的铝合金为不能热处理强化的铝合金；溶质成分在FD之间的铝合金为可热处理强化的铝合金。

68.铜合金分三类：黄铜（锌为主加元素）、白铜（镍为主加元素）、青铜（其余）。耐蚀特点：铝、镍、钛主要依靠在在表面形成一层惰性附着力强的氧化膜钝化耐蚀；铜靠自身的热力学稳定性耐蚀。

69.轴承合金：为提高轴瓦的强度和耐蚀性，往往在钢制轴瓦的内侧浇铸或轧制成薄而均匀的耐磨合金，用于制造滑动轴承内衬的耐磨合金称为轴承合金。分类：锡基轴承合金、铅基轴承合金、铝基轴承合金、铜基轴承合金。

70.高分子材料：把那些由众多原子或原子团主要以C-C共价键结合而成的相对分子质量在10000以上的高分子化合物作为材料使用即为高分子材料。按性质和用途分：塑料、橡胶、纤维、黏合剂、涂料。按材料热行为及成型工艺特点分：热塑性高分子材料、热固性高分子材料。

71.橡胶：一类具有高弹态的高分子材料。塑料：以树脂为主要成分，添加辅助材料，在一定温度和压力下加工成型而成的。热塑性：在高温下塑化成型而常温下显示正常特性的性质。

72.耐腐蚀：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、氟塑料、氟橡胶、乙丙橡胶；耐磨：聚酰胺、聚甲醛、天然橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶；耐热：聚丙醚、聚苯硫醚、聚砜、聚碳酸酯、氟橡胶、硅橡胶。

73.常用过程装备无机非金属材料：化工陶瓷、特种陶瓷、玻璃、化工搪瓷、隔热耐火材料、石墨材料。

74.玻璃钢：以玻璃纤维作为增强体的树脂基复合材料称为玻璃纤维增强体，又称玻璃钢。