工程材料复习要点

元素：Cr（铬）、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）、Nb（铌）、Ni（镍）、Al、Cu、Pb（铅）、Au（金）、Ag、Mg、Cd（镉）、Zn、Be（铍）

三种常见晶体结构：

1)体心立方晶格

晶格常数a，原子半径，晶胞所含原子数2个原子，致密度68%。

具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）、Nb （铌）等30余种金属。

2)面心立方晶格

晶格常数a，原子半径，晶胞所含原子数4个原子，致密度74%。

具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni（镍）、Al、Cu、Pb（铅）、Au（金）、Ag等。

3)密排六方晶格

原子半径，晶胞所含原子数6个原子，致密度74%。

具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd（镉）、Zn、Be（铍）、α-Ti等。

多晶体、晶粒晶界概念：由许多晶体结构相同，晶格位向不同的微小区域所构成的晶体称为多晶体。每个微小区域称为晶粒。晶粒间的过渡区称为晶界。

晶体缺陷：

1)点缺陷：空位、间隙原子、置换原子

2)线缺陷：各种类型的位错

位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。

提高位错密度是金属强化的重要途径之一。

金属强化的途径有：

i.细晶强化

ii.固溶强化

iii.冷变形强化

iv.固溶时效强化

3)面缺陷

合金组元的概念：组成合金的最基本独立单元叫做组元。（理解即可）

相与组织的区别：相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。所谓组织是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形态或各相形态之间的组合状态。组织是由组成相的形态所构成的。同一相在不同的条件下可具有不同的形态，因而可形成不同的组织。（理解即可）

固溶体：合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。（理解即可）

固溶体：置换固溶体与间隙固溶体（间隙固溶体强化效果远大于置换固溶体）

化合物硬而脆，作为强化相，固溶体的综合力学性能较好，常作为合金材料的基体相。

高聚物分子链形态：线型结构和体型结构。

材料的力学性能：

强度概念：强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力，单位为MPa。

塑形概念：塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。其大小以伸长率和断面收缩率来表示。

硬度概念：硬度是指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。常用的硬度有布氏硬度（单位为MPa）、洛氏硬度和维氏硬度（单位为MPa）。

冲击韧度概念:材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧度。

断裂韧性的概念：材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力。断裂韧性指标为K IC，单位为MPa.m1/2。

疲劳强度的概念：材料在大小和方向重复偱环变化载荷作用下抵抗破坏的能力，用σ-1来表示，单位为MPa。

过冷度的概念：理论结晶温度T0与开始结晶温度T n之差叫做过冷度，用ΔT表示。ΔT= T0—T n冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。过冷是结晶的必要条件。

金属结晶的过程：形核（自发形核和非自发形核，其中以非自发形核为主）和晶核长大。

细化晶粒的方法：

1)增大过冷度

2)变质处理

同素异构现象存在是热处理的基础。匀晶相图

共晶相图：

1)中间有横线，即有三相区（包括共晶线和共析线）

2)相区之间以线相邻，相数差1。

枝晶偏析：固溶体结晶时成分是变化的，如果冷却较快，原子扩散不能充分进行，则形成成分不均匀的固溶体。（理解即可）

铁碳合金相图：

铁素体：碳在α-Fe中的间隙固溶体。符号为F或α，体心立方晶格。

奥氏体：碳在γ-Fe中的间隙固溶体。符号为A或γ，面心立方晶格。

渗碳体：Fe3C，碳含量为6.69%。硬度高，极脆，塑性几乎为0。作为强化相。

高温莱氏体：Ld，共晶转变产物，是奥氏体和渗碳体的机械混合物。

低温莱氏体：Ld’。

珠光体：P，铁素体和渗碳体的机械混合物。具有良好的综合力学性能。

△亚共析钢和过共析钢的平衡组织相图。

碳含量：0.77%*珠光体相对量。

含碳量对力学性能的影响：

随碳含量的增加，硬度呈直线关系增大。强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加，强度增大。到约w c 0.9%时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。随碳含量的增大，塑性、韧性连续下降。

通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如A C1、A C3、A Ccm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如A r1、A r3、A rcm等。

钢材加热目的：获得均匀的单相奥氏体。

奥氏体晶粒越细，最后得到的组织晶粒越细。

亚共析钢完全奥氏体化，过共析钢不完全奥氏体化。

热处理时常用的冷却方式有两种:

(1)是等温冷却；

(2)是连续冷却。

C曲线各区和各线的含义：

孕育期越短，过冷奥氏体越稳定。

连续冷却转变曲线（CCT曲线）。图中Ps和Pf线分别表示珠光体转变的开始和终了线；KK′线是珠光体转变终止线。共析钢以大于V K的速度冷却时，得到的组织为马氏体，这个冷却速度称为上临界冷却速度。冷却速度小于V K′时，钢将全部转变为珠光体，为下临界冷却速度。

珠光体越细，强度越高，塑性韧性虽有变小，但变化不大。

马氏体概念：马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，具有体心正方结构(a＝b＜c)。具有非常高的强度和硬度。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。

马氏体基本形态：板条马氏体和片状马氏体。w c在0.25%以下时，基本上形成板条状马氏体（也称低碳马氏体），又称为位错马氏体。当w c >1.0%时，奥氏体几乎只形成片状马氏体（针状马氏体），片状马氏体又称为孪晶马氏体。

马氏体硬度随含碳量变化如下图：

高碳马氏体具有高硬度，但塑性和韧性很低，而且马氏体片越粗大脆性也越大。低碳马氏体具有较高的强度和韧性。

下贝氏体不仅强度高，而且韧性也好，表现为具有较好的综合力学性能，是一种很有应用价值的组织。

热处理概念：热处理是将材料在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。

在机械制造中，预备热处理通常用退火与正火。

退火概念：退火是将钢加热到一定温度，保温后炉冷，使之获得接近平衡状态的组织的热处理工艺。（理解即可）

退火的目的是：降低硬度，改善切削加工件；消除残余应力；细化晶粒，消除组织缺陷。正火的应用：

①提高低碳钢硬度，改善切削加工性能。

②消除过共析钢的网状碳化物。

③某些受力不大，性能要求不高的钢件，可作为最终热处理。

正火的目的：调整锻件或者铸件的硬度，细化晶粒，消除网状二次渗碳体，并为淬火做好组织准备。

正火得到铁素体和珠光体，能消除网状渗碳体，正火得到的珠光体多而细，力学性能比退火好。

过共析钢正火得到片状（伪）珠光体。

最终热处理：淬火+回火。

水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。表面淬火的目的：使工件表层得到强化，使它具有较高的硬度，强度，耐磨性和疲劳极限，

而心部为了能承受冲击载荷的作用，仍应具有足够的塑性和韧性。

为保证心部有较好的塑性和韧性，在表面淬火前应进行正火或调质处理。

回火目的：

（1）消除或降低应力，防止变形或开裂。

（2）调整性能（硬度等）

（3）稳定组织，稳定形状和尺寸，保证精度。

低温回火：在150～250℃之间。获得回火马氏体（还有其他组织），使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。用于高硬度和高耐磨性的工件，如工具、滚动轴承等。

中温回火：在400～500℃之间，组织为回火托氏体。具有高的弹性极限，用于各种弹簧件。高温回火：在500～650℃之间，得到回火索氏体。具有高的综合力学性能。用于制作轴、连杆、螺栓及齿轮等重要零件。

淬火+高温回火并且得到的组织为回火索氏体的处理成为调质处理。(由于合金元素的加入，产生二次硬化，使得高淬高回得到的组织为回火马氏体的过程不称为调质处理。)

淬透性的概念：钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火所获得的淬硬层深度来表示。

淬硬性概念：钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。

固溶时效强化的概念：

渗碳的目的：获得表面高硬度、耐磨性，心部良好韧性的配合。渗碳温度。

渗氮目的：提高零件表面硬度、耐磨性、热硬性和耐蚀性等。渗氮温度。

渗碳之后需要进行热处理，即淬火+低温回火。而渗氮之后不需要进行热处理。

钢的质量用S、P含量多少来表示，S、P含量越低，钢的质量越好。

钢的编号（看书）

大多数合金元素会减缓奥氏体化过程。V、Ti等细化奥氏体晶粒长大; Mn、P、C促进奥氏体晶粒长大。

大多数合金元素（除Co外）均增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。产生二次硬化，Mo、W、V、Ti等在500-600℃回火时析出特殊碳化物，此时钢的硬度出现回升。

一般结构钢不需要进行热处理。

优质结构钢：

1)渗碳钢：

保证心部的足够强度和良好的韧性，含碳量为w c 0.10%～0.25%。

合金元素的作用是提高淬透性（Mn、Cr、等）；细化晶粒、提高耐磨性（V、Ti等）。

热处理特点：

渗碳后预冷直接淬火+低温回火；或先正火，再进行淬火+低温回火。

表面为高碳回火马氏体+合金渗碳体+少量残余奥氏体，心部组织取决于淬透性。

常用牌号：20、20Cr、20CrMnTi等

2)要求综合力学性能好的零件用钢（调质钢）：

碳含量为0.25%～0.5%。保证强韧配合。

合金元素的作用是提高淬透性（Mn、Si等），降低回火脆性倾向（Mo、W），细化晶粒（V、Ti）。

最终热处理为调质，得到回火索氏体，具有良好的强韧配合。

常用牌号：45、40Cr、40CrNiMo等用来做轴、杆类等重要零件。

3)要求高弹性极限与屈服强度零件用钢（弹簧钢）

w c 为0.6%～0.9%，保证高强度。

合金元素（Mn、Si、Cr）的作用是提高淬透性、弹性极限和耐回火性。

淬火+中温回火（450～550℃），获得回火托氏体组织。

常用牌号：75、60Si2Mn、50CrVA等制造各种的弹簧和弹性零件。

4)要求硬而耐磨、高接触疲劳强度零件用钢（滚动轴承钢）

碳含量为1.0%左右，以保证高硬度、高耐磨性和高强度。

Cr的作用是提高淬透性，Mn、Si进一步提高淬透性。

淬火+低温回火，得到回火马氏体+碳化物+残余奥氏体。

常用牌号：GCr15、GCr15MnSi等制造各种的滚动轴承和耐磨零件。

工具用钢：

1)要求硬而耐磨、手工或低速切削刃具用钢（碳素工具、低合金工具钢）

含碳量0.65%～1.35%，保证高的硬度。

合金元素为Cr、Mn、Si、W、V。其作用是提高淬透性、耐回火性、硬度和耐磨性。

预备热处理为球化退火。最终热处理是淬火+低温回火，回火马氏体+粒状渗碳体+少量残余奥氏体。

常用钢种与用途：T10A、T12A 9SiCr等制造各种的刃具。

2)要求硬而耐磨、高速切削刃具用钢（高速钢）

锻造及预备热处理：

反复多次的镦拔击碎粗大共晶碳化物，使其尽可能均匀分布。

球化退火，组织为索氏体和其上均匀分布的碳化物。

最终热处理：

淬火温度为1280℃，分级淬火。马氏体+未溶碳化物+残余奥氏体。

采用多次回火。W2C或Mo2C呈细小弥散状从马氏体中析出及残余奥氏体“二次淬火”，产生“二次硬化”。

回火后，其组织为回火马氏体+碳化物+少量奥氏体。

常用牌号与用途：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等制造各种的高速切削刃具

3)要求硬而高耐磨冷模具用钢

w c为1.3%～2.3%，保证极高硬度、耐磨性。

铬提高淬透性、耐回火性和耐磨性。钼和钒提高耐磨性。

锻造及热处理的特点

通过锻造打碎网状共晶碳化物后球化退火。

最终处理：～980℃淬火和低温回火；～1120℃淬火，多次高温回火。

组织为回火马氏体+碳化物+少量奥氏体。

常用牌号与用途：Cr12、Cr12MoV。

4)要求热强性和热硬性的热模具用钢

w c 0.3%～0.6%，保证足够的强度和韧性。

合金元素Cr、Ni、Mn、Mo、W等是提高淬透性，提高耐回火性，防止第二类回火脆性。

热处理的特点淬火+高温回火，得到回火索氏体组织，良好的综合性能。

常用牌号与用途: 5CrMnMo、5CrNiMo、3CrW8V。

石墨化过程可分为两个阶段：第一阶段PSK线以上；第二阶段，PSK线，即共析转变过程中形成的共析石墨。

灰口铸铁: 碳全部或大部分以游离状态的石墨形式存在于铸铁中，断口呈暗灰色，故称灰口铸铁。

白口铸铁: 碳以Fe3C的形式存在于铸铁中，断口呈银白色，组织硬而脆，难以切削加工。（白口铸铁中不含石墨）

灰口铸铁中，根据石墨的形态不同分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁。

铸铁牌号：{书}

灰铸铁的抗拉强度、韧性等都比钢低得多，原因有：①石墨（强度和塑性约为零）等于减小了金属基体的承载面积；②石墨割断了金属基体的连续性，且尖端将导致严重的应力集中。铸铁的抗压强度和钢差不多。团絮状、球状石墨对金属基体的割裂作用大为减弱，使强度、塑性、韧性较灰铸铁都有明显提高。

所有铸铁只能铸造，不能锻造。