2017上海理工大学机械工程材料基础B一页开卷材料

材料的性能力学性能:材料受外力作用时所表现的性能(机械性能)应力应

变曲线.A΄:比例极限,A:弹性极限,C:屈服强度,D:强度极限,E:断裂点.弹性模量E为OA段斜率强度:材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力.屈服强度:发生塑形变形而力不增加的应力，反应材料抵抗永久变形的能力,常用塑性延伸率为0.2%时的应力作为规定塑性延伸强度.塑性:材料受力破坏前承受最大塑性变形的能力，指标为断后伸长率A和断面收缩率Z,A 与Z值越大，塑性越好，A>Z无颈缩,脆性材料.反之为塑性材料.硬度:材料抵抗局部塑性变形的能力,布氏硬度HBW: [600HBW1/30/20:直径1mm 的硬质合金球在294.2N试验力下保持20s测定的布氏硬度值为600]测量误差小,数据稳定,压痕大,不能用于太薄件,成品件及硬度大于650HBW 的材料,可用于硬度较低的退火钢,正火钢,调质钢,铸铁及有色金属的原料与半成品的硬度测量(强度与布氏硬度有比例关系)洛氏硬度HR:(ABC标尺) (S钢球压头) (W硬质合金球压头).操作简便,压痕小,适用范围广,可用于成品件的检测,测量结果分散度大,重复性差各标尺的洛氏硬度值不能相互比较.维氏硬度HV:[640HV30/20:在294.2N下保持20s(10-15不标注)测量的维氏硬度值为640]保留了布氏和洛氏的优点,既可以测量由极软到极硬材料的硬度,又能互相比较.既可以测量大块材料,表面硬化层的硬度,又可以测量金相组织中不同相的硬度,需要在显微镜下测量压痕尺寸,操作不如洛氏硬度法简便.冲击韧性:冲击载荷作用下,抵抗破坏的能力,随温度下降而下降.疲劳:交变载荷的作用下在远低于屈服强度的应力下的情况下发生的断裂,疲劳极限:材料经无数次应力循环后仍不发生断裂时的最大应力幅值.断裂韧性:不发生裂纹失稳扩展,材料发生断裂的最大裂纹扩展阻力.材料的结构金属离子通过正离子和自由电子之间的引力而相互结合,这种结合键称为金属键.晶体:原子在三维空间呈规则排列的固体,(金属,食盐,单晶硅)非晶体:原子在三维空间呈无序排列的固体(玻璃,石蜡,松香)晶体长程有序,非晶体短程有序, 长程无序.晶体与非晶体可以相互转化, 晶格:用假想的直线将原子结点连接起来的三维空间格架.晶胞:晶格中选取的一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元.晶面指数:截距为0.5,0.5,1的晶面指数为(221)晶向指数:过原点某晶向上一点坐标为1,1.5,2晶向指数为[234]立方晶系中指数相同的晶面和晶向

互相垂直,体心立方晶格:原子半径:体对角线的一半r=√3

4

a原子

数:n=8*1/8+1=2配位数:8致密度:k=n∗4

3πr3/a3=0.68(a为晶格常数)密

排面:{110}6密排方向:<111>4(α-Fe,Cr,W,Mo,V,Nb,β-Ti,Ta)面心立方晶

格:原子半径:原子间距的一半r=√2

4a原子数:n=8*1/8+6*1/2=4配位

数:12致密度:k=0.74密排面:{111}4.密排方向:<110>6(γ-Fe,Ni,Al,Cu,Pb,Au,Ag)密排六方:原子半径:底面边长的一半r=0.5a原子数:n=12*1/6+2*1/2+3=6配位数:12致密度:k=0.74密排面:六方底面1;密排方向:底面对角线3(α-Ti,Mg,Zn,Be,Cd)晶体缺陷:点:空间三维尺寸都很小的缺陷.空位,间隙原子,置换原子(小置大，大置小),晶格畸变引起性能变化,电阻率增加,强度硬度升高，塑性韧性下降.线:晶体中的位错,螺旋\刃型位错,减少或增加位错密度都可以提高金属的强度.面:一维尺寸很小,另两维尺寸很大的缺陷,包括晶界和亚晶界,晶界对运动的位错有阻碍作用,是金属的强化部位,晶粒越细,晶界面积越大,金属强度越高,金属材料力求获得细晶粒晶界还是固态相变的优先形核部位.合金:指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质.相:金属或合金中,凡成分相近,结构相同,并与其他部分有界面分开的均匀组成部分. 根据结构不同,可将合金中的相分为固溶体和金属化合物固溶体:合金中晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相.固溶体中,与合金晶体结构相同的元素成为溶剂,其他元素为溶质.根据溶质原子在晶格中所处的位置不同,分为置换固溶体,间隙固溶体(间隙固溶体都是无序/有限固溶体).固溶体的溶解度:溶质原子在固溶体重点极限浓度,分为有限固溶体,无限~.合金不一定是单相,固溶体一定是单相.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.原因是溶质原子使溶剂晶格发生畸变及对位错的钉扎作用,阻碍了位错的运动.与纯金属相比,固溶体的强度,硬度高,塑性韧性低,但与金属化合物相比,硬度低得多,塑性韧性高得多.金属化合物:合金中晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相,具有高熔点,高硬度,较大脆性.合金中出现金属化合物时,强度,硬度,耐磨性提高,塑性下降.渗碳体的晶体结构:复杂斜方晶格化学式与碳原子个数比1:3.材料的凝固结晶:形成晶体,突出的特点为材料性能发生突变.结晶的充要条件:足够的自由能差和过冷度.结晶只有在理论结晶温度T0下才能发生.过冷:液态金属实际冷却到结晶温度下而暂不结晶的现象.过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度之差.冷却速度越大,过冷度越大,结晶越容易进行.液体和晶体的自由能随温度升高而降低,且液体自由能下降更快.纯金属结晶是恒温过程.结晶的基本过程:晶核形成和晶核长大(均匀/树枝状长大)同时进行.冷却到理论结晶温度T0以下,晶胚长大,能够继续长大的晶胚成为晶核,晶核最终长为晶粒,两晶粒接触后形成晶界,金属结晶时冷却速度较大.晶核形成方式:自发形核(均匀形核)与非自发形核(非均匀形核)。实际结晶中同时存在,但以非自发形核方式发生结晶更为普遍.晶核长大方式:均匀长大与树枝状长大.过冷度很小时结晶以均匀长大方式进行,实际金属结晶时冷却速度较大,主要以树枝状长大方式进行,这是由于晶核棱角处散热条件好,生长快,先形成枝干,然后枝干间被填充.组元:相图中,组成合金的最简单,最基本,能够独立存在的物质.同素异构转变:物质在固态下,晶格类型会随温度变

化而发生变化.铁的同素异构转变:δ-Fe 1394℃

→γ-Fe

912℃

→α-Fe(体心立方→

面心立方→体心立方)固态转变:又称二次结晶或重结晶①形核一般在某些特定部位发生,因为这些结构或与新相结构相近,或原子扩散容易②固态转变的过冷倾向大,固态相变组织通常要比结晶组织细③往往伴随体积变化,易产生很大内应力,让材料变形或开裂.匀晶转变(匀晶反应)从液相中结晶出单一固相的转变. 为变温转变.随温度降低,固溶体溶解度下

降.在相图中,除水平线和垂直线外其他相线都是成分随温度的变化线.杠

杆定律:合金在某温度下两平衡相的质量比等于该温度下与各自相区距

离较远的成分线段之比.杠杆的支点是合金的成分,端点是所求两平衡相

的成分.(只适用于两相区)枝晶偏析:一个枝晶范围内或一个晶粒范围内,

成分不均匀的现象.枝晶偏析的大小:①与冷速有关.冷速越大,偏析越严重

②与给定成分的液,固相线间距有关.间距越大,偏析越严重.枝晶偏析影响

合金的性能.消除枝晶偏析:扩散退火(均匀化退火).共晶相图:两组元在液

态下完全互溶,在固态下有限互溶并在共晶反应时所构成的相图.常见三

相等温水平线上的反应:共晶反应:一定温度下,由一定成分的液相同时结

晶出两个成分和结构都不同的新固体的转变(L=α+β)(液生固)在共晶线

上,凡成分位于共晶点以左的称为亚共晶合金,以右的称为过共晶合金,共

晶线是一个三项区. 共晶合金的结晶过程:两相相间形核,互相促进,共同

长大，共晶组织较细,呈片针棒或点球等形状.包晶反应:一定温度，一定成

分的液相包着一定成分固相,反应生成另一一定成分新固相的反应(L+α=

β)共析反应:一定温度,一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不

同的新固相的反应(γ=α+β)(固生固)共析转变也是固态相变,由于固态转

变过冷度大,因此其组织比共晶组织细,相图与合金性能之间的关系:组织

为固溶体的合金,随溶质元素含量的增加,产生固溶强化.如果是无限互溶

的合金,则在溶质含量为50%附近强度和硬度最高,共晶合金的结晶温度

低,流动性好,分散缩孔小,偏析倾向小,因而铸造性能最好.铸造合金多选用

共晶合金.固溶体合金固相线间隔大,偏析倾向大,结晶时树枝晶发达,流动

性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加,铸造性能较差.相之间的差别主要体

现在结构和成分上,组织组成物的差别主要体现在形态上.铁碳合金是碳

钢(含碳量0.0218%~2.11)和铸铁(大于2.11%)的统称.铁素体(F或α）:碳在

α-Fe中的固溶体,铁素体为体心立方晶格.其溶碳能力很低.727℃含碳量

最高0.0218%.室温下0.0008%.强度硬度低,塑性韧性好,δ-铁素体(δ):高温

铁素体,碳在δ-Fe中的固溶体,体心立方晶格,1495℃含碳量最高0.09%.奥

氏体(A或γ):碳在γ-Fe中的固溶体,面心立方晶格,溶碳能力比铁素体

高,1148℃含碳量最高2.11%,强度低,塑性好.渗碳体(Fe3C或C m):铁和碳的

间隙化合物,含碳量6.69%,硬度很高,塑\韧性为零.从奥氏体中析出的渗碳

体,称为二次渗碳体,从铁素体中析出为三次渗碳体(铁素合金中根据形成

条件不同可分为一次,二次,三次,共析,共晶渗碳体,它们分别属于不同组织

组成物,区别仅在于形态,分布不同,但都属于一个相)

A 纯铁熔点H 碳在δ-Fe中最大溶解度

B 包晶反应时液相成分J 包晶点

C 共晶点K 渗碳体

D 渗碳体熔点N 同素异构转变点

E 碳在γ-Fe中最大溶解度P 碳在α-Fe中最大溶解度

F 渗碳体S 共析点

G 同素异构转变点Q 室温中碳α-Fe中溶解度

铁碳合金有五个基本相液相L,高温铁素体相δ,铁素体相α,奥氏体相γ和

渗碳体相Fe3C,这5个基本相构成5个单相区,7个两相区,ABCD为液相

线,AHJECF为固相线.铁碳相图有三条水平线(三相区):HJB为包晶线,发生

包晶转变L0.53+δ0.09→γ0.17转变产物为奥氏体.ECF为共晶线,发生共晶转变

L4.3→γ2.11+Fe3C转变产物为奥氏体和渗碳体的机械混合物:莱氏体Le特征

组织为蜂窝状,以Fe3C为基,性能硬而脆.PSK为共析线,发生共析转变γ0.77

→α0.0218+Fe3C转变产物为铁素体和渗碳体的机械混合物:珠光体P组织特

点是两相呈片层相间分布,性能介于两相之间.铁碳相图有六条固态转变

线:GS GP为γ⇌α固溶体转变线,HN JN为δ⇌γ固溶体转变线.ES为碳在γ-Fe

中的固溶线.PQ线为碳在α-Fe中的固溶线.典型铁碳合金的平衡结晶过

程:⑴工业纯铁(<0.0218%)L→L+δ→δ→δ+A→A→A+F→F→F+Fe3CⅢ(相

F+Fe3C)(Fe3CⅢ=0.0218-0.0008/6.69-0.0008=0.31)⑵共析钢(0.77%) L→

L+A→A→A⇌P→P(相F+ Fe3C)(F=6.69-0.77/6.69-0.0008=88.5)⑶0.45%C

亚共析钢(0.0218-2.11%)L→L+δ→L+δ⇌A→A+L→A+F→A⇌P→P+F(相F+

Fe3C)(P=0.45-0.0008/0.77-0.0008=58.4)(Fe3C=0.45-0.0008/6.69-0.0008

=6.7)⑷过共析钢(0.77-2.11%)L→L+A→A→A+Fe3CⅡ→A⇌P→P+ Fe3CⅡ(相

F+Fe3C)(1.2%:Fe3CⅡ=1.2-0.77/6.69-0.77=7.26)(2.11%:Fe3CⅡ=2.11-0.77/

6.69-0.77=22.6)⑸共晶白口铸铁(4.3%)L→Le(γ+Fe3C)→Le΄(P+Fe3C)(相F+

Fe3C)(F=6.69-4.3/6.69-0.0008=35.7)⑹3.0%C亚共晶白口铸铁(2.11-

4.3%)L→L+A→L⇌Le→Le+A+Fe3CⅡ→Le΄+P+ Fe3CⅡ(相F+Fe3C)(Le΄=Le=3.

0-2.11/4.3-2.11=40.64)(Fe3CⅡ=(4.3-3.0/4.3-2.11)*(2.11-0.77/6.69-

0.77)=13.44)(Fe3CⅡ总=(6.69-3.0/6.69-2.11)*(2.11-0.77/6.69-0.77)=18.24)

⑺过共晶白口铸铁(4.3-6.69%)L→L+Fe3C→L⇌Le→Le+Fe3C→Le΄+ Fe3C(相

F+Fe3C) 含碳量对力学性能的影响:铁素体强度硬度低,塑性好.渗碳体硬

而脆含碳量对工艺性能的影响:①切削加工性能:中碳钢切削加工性能较

好,含碳量过低,不易断屑,含碳量过高,硬度大,对刀具磨损严重②可锻性能:

低碳钢的可锻性良好,随含碳量增加可锻性变差③铸造性能:共晶成分附

近的合金结晶温度低,流动性好,铸造性能最好④焊接性能:塑性越好,焊接

性能越好,低碳钢比高碳钢更易于焊接

⑤热处理性能:碳的影响更为明显.晶粒

度:晶粒大小的量度,1级最粗,8级最

细.决定晶粒尺寸的因素:晶核的形成

速度及长大速度.单位时间单位体积

内形成形核的数目为形核率N,单位

时间内形核生长的长度为长大速度

G,N/G越大,晶粒越细.获得细晶粒组

织(控制晶粒尺寸)方法:增加过冷度,

变质处理,振动和搅拌.加入合金元素,

再结晶,正火,退火晶粒越细,晶界面积

越大,位错障碍越多,金属强度硬度越

高,同时塑性韧性越好,称为细晶强化.

高温时,晶粒不易过粗和过细.铸锭的组织(三个晶区)(由外向内):表层

细晶区,柱状晶区,中心等轴晶区.铸锭的缺陷:缩孔和疏松,气孔,偏析.

金属的塑性变形与再结晶塑性变形的形式:滑移和孪生(多数滑移).滑

移:晶体的一部分沿一定晶面和晶向,相对于另一部分发生滑动位移

的现象.只有在切应力的作用下金属才发生塑性变形,滑移常沿晶体

中原子密度最大的晶面和晶相发生,沿发生滑移的晶面和晶相分别

称为滑移面和滑移方向.滑移面和滑移方向通常是晶体中的密排面

和密排方向.一个滑移面和上的一个滑移方向构成一个滑移系体心

立方晶格6*2=12面心立方晶格4*3=12密排六方晶格1*3=3.滑移

系越多,金属发生滑移的可能性越大,塑性越好(滑移方向>滑移面)金

属塑性面心>体心>密排六方孪生:在切应力作用下晶体的一部分沿

一定晶面和一定的晶向相对于另一部分发生的切变.发生切变的部

分称为孪生带或孪晶,沿其发生的晶面称为孪生面,结果是使孪生面

两侧的晶体呈镜面对称,密排六方常以孪生方式变形,体心六方只有

在低温或冲击作用下才发生孪生变形,面心立方一般不发生.金属的

晶粒越细,晶界总面积越大,位错障碍越多,需要协调的具有不同位相

的晶粒越多,金属塑性变形的抗力越高,从而金属强度硬度越高,单位

体积内晶粒数目越多,参与变形的也越多,变形越均匀,推迟裂纹的形

成和扩展,使在断裂前发生较大的塑性变形,金属在断裂前消耗的功

增大,韧性和塑性也越好.通过细化晶粒可同时提高金属的强度,硬度,

塑性和韧性,这种方法称为细晶强化(最好)合金的组织由多相混合物

组成时,合金的塑性变形与第二相有关,工业合金中第二相多为化合

物,当第二相呈网状分布时,对合金的强度和塑性都不利,呈片状分布

时,提高强度硬度降低塑性韧性,弥散分布时,塑性韧性下降,强度硬度

显著提高,且第二相颗粒越细分布越均匀,合金强度硬度也越高,这种

强化方式称为弥散强化(沉淀强化)金属发生冷塑性变形时,随变形量

增加,金属的强度硬度增加,塑性韧性下降,称为加工硬化,冷塑性变形

产生加工硬化的原因是随变形量增加,位错密度增大,由于位错之间

的交互作用,使变形抗力增大,亚结构细化,亚结构对位错有阻碍作用,

空位密度增大,由于晶粒由有利位先转到不利位像而发生几何硬化,

使变形抗力增大.内应力指平衡于金属内部的应力,是由于金属在外

力作用下,内部变形不均匀引起的,分为三类,宏观/微观内应力和畸变

应力(是形变金属中的主要内应力,也是使金属强化的主要原因)而一

二类内应力都使金属强度降低.冷变形金属加热时的组织和性能的

变化①回复:温度较低时,金属中点缺陷及位错近距离迁移引起的变

化.在回复阶段,金属的组织变化不显著,强度,硬度略有下降,塑性提高,

但内应力,电阻率显著下降.利用回复现象将冷变形金属低温加热,既

稳定了组织又保留了加工硬化,这种热处理方法称去应力退火,②再

结晶:冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程.再结晶是晶核形成

和长大的过程,但不是相变过程.其前后新旧晶粒的晶格类型和成分

完全相同.由于再结晶后组织的复原,金属的强度,硬度下降,塑性韧性

提高,加工硬化现象消失,③晶粒长大是一个自发过程,会使金属强度

尤其是塑性韧性降低,再结晶是自某一温度开始,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为再结晶温度影响它的因

素:⑴金属的预先变形度越大,再结晶温度越低,T再≈0.4T熔T为绝对

温度(k)[铁的熔点为1538℃,再结晶温度为0.4*(1538+273)-

273=451℃],⑵金属的纯度:高熔点元素使再结晶温度显著提高⑶加

热速度和保温时间:提高加热速度,再结晶温度提高.延长保温时间,再

结晶温度降低,把消除加工硬化所进行的热处理称为再结晶退火,再

结晶退火温度比再结晶温度高100~200℃,冷热加工的界限是以再

结晶温度来划分的.低于再结晶温度的加工为冷加工,而高于再结晶

温度的加工为热加工.热加工产生的加工硬化被再结晶产生的软化

所抵消,因而热加工不会带来加工硬化效果【打上数码的黄铜铸件,不

慎将数码搓掉,通过再结晶退火可以辨认.金属铸件的晶粒往往粗大,

应先冷加工再结晶退火来细化晶粒.铜只能通过冷加工及随后加热

来细化晶粒是因为铜无同素异构转变.由热轧钢棒墩成圆饼可以控

制铜的纤维素的走向与受力方向一致.用冷拉钢丝运出炉热处理工

件去淬火,发生断裂原因是冷拉钢丝绳经冷塑加工强度提高,强度大

于载荷,吊热工件时温度上升,原子扩散能力提高,发生回复再结晶,晶

粒恢复,强度下降.冷拔钢丝常进行中间退火因为要消除应力,中间退

火可以细化晶粒提高强度硬度,消除应力,选取温度应小于再结晶温

度,用冷拔高碳钢丝缠绕螺旋弹簧，最后应去应力退火,保持稳定,消

除内应力.反复弯折退火钢丝时会越弯越硬,最后断裂,原因是产生加

工硬化,产生内应力与缺陷】钢的热处理热处理是指钢在固态下加热,

保温,冷却,以改变钢的组织结构,从而获得所需性能的一种工艺.特点

是只通过改变工件的组织来改变性能,不改变其形状.热处理只适用

于固态下发生相变的材料,不发生固态相变的材料不能用热处理来

强化.普通热处理:退火,正火,淬火,回火.表面热处理:表面淬火,化学热

处理,其他热处理:真空热处理,形变热处理,控制气氛热处理,激光热处

理,又可分为预备热处理(冷拔,冲压,切削)和最终热处理,共析钢奥氏

体的形成过程:晶核形成,晶核长大,残余渗碳体溶解,奥氏体成分均匀

化,实际晶粒度:给定条件下奥氏体的晶粒度.它决定钢的性能.本质晶

粒度:钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向.晶粒度1-4为本质粗晶粒

钢5-8为本质细晶粒钢,影响奥氏体晶粒大小的因素:加热温度和保

温时间:加热温度高,保温时间长,晶粒粗大.加热速度:速度越快,过热

度越大,形核率越高,晶粒越细合金元素:碳化物形成元素(Ti,V)和氮化

物形成元素Al阻碍奥氏体晶粒长大,Mn P促进奥氏体晶粒长大,原始

组织:接近平衡状态的组织有利于获得细晶粒.处于临界(共析)点A1

以下的奥氏体称为过冷奥氏体,是非稳定组织,将发生三种转变:⑴珠

光体转变(A1-550℃)是铁素体和渗碳体的机械混合物,根据片层厚薄