工程材料基礎(chǔ)

1、第二章1、過冷度：理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差。需要：有一定過冷度才能提供結(jié)晶驅(qū)動力FF液F固。過冷度越大，晶核越多，晶粒越細(xì)。2、晶體：原子（離子和分子）在空間呈規(guī)則排列的物體。單晶體：只由一個(gè)晶核長成的一個(gè)晶粒所構(gòu)成的一塊晶體。多晶體：由多個(gè)晶粒構(gòu)成的晶體。晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子和分子）在空間的具體排列。點(diǎn)陣：結(jié)點(diǎn)在空間的排列方式。晶格：把點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)用一系列平行直線連接起來構(gòu)成空間格子。晶胞：構(gòu)成晶格的最基本單元。3常見晶體結(jié)構(gòu)類型：體心立方、面心立方、密排六方。體心：-Fe、-Fe、Cr、Mo、W、V；面心：-Fe、Al、Cu、Ag、Au、Ni、Pb；密排：Be、Mg、Z

2、n、Cd。4、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同一元素在固態(tài)下隨著溫度變化而發(fā)生的晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。三種：體心-Fe、面心-Fe、體心-Fe。5：晶體缺陷類型：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷。對晶體性能影響：點(diǎn)缺陷：周圍晶格發(fā)生畸變，使材料性能發(fā)生變化，如屈服強(qiáng)度和電阻提高；其在晶體中的移動還為原子在晶體中的移動即擴(kuò)散過程創(chuàng)造了條件，對鋼的熱處理具有重要意義。線缺陷：位錯線附近的原子偏離了原來的平衡位置，使晶格發(fā)生畸變，對晶體的性能有顯著影響；位錯密度很低時(shí)，晶體強(qiáng)度很高，位錯密度很高時(shí)，晶體強(qiáng)度也很高。面缺陷：晶界、亞晶界處原子偏離其平衡位置，晶格發(fā)生畸變，因而晶體各種性能發(fā)生變化，如晶界越多晶粒越細(xì)材料強(qiáng)度越高，晶界

3、在高溫下易氧化和流動。6、固溶體：是固體溶液，是溶質(zhì)原子溶入溶劑中所形成的晶體，保持著溶劑元素的晶體結(jié)構(gòu)。化合物：晶體結(jié)構(gòu)和性能都不同于其組成元素，一般具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高、硬而脆。固溶體類型：間隙固溶體、置換固溶體。N、B與Fe形成間隙固溶體，Si、Cr、Mn、Ni、V、Ti、W，與Fe形成置換固溶體；Si-C：SiC，Cr-C：Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6，Mn-C：Mn3C，B-C：B4C，V-C：VC，Ti-C：TiC，W-C：WC、W2C。7、勻晶轉(zhuǎn)變：直接從液相中結(jié)晶除固溶體的轉(zhuǎn)變，L；共晶轉(zhuǎn)變：在恒溫下由一定成分的液相同時(shí)轉(zhuǎn)變成兩種一定成分的固相的轉(zhuǎn)變，L+；包晶轉(zhuǎn)

4、變：在恒溫下由一定成分的固相和一定成分的液相相互作用生成另一個(gè)一定成分的新固相的轉(zhuǎn)變，L+；共析轉(zhuǎn)變：在恒溫下由一定成分的固相同時(shí)轉(zhuǎn)變成兩種一定成分的新固相的轉(zhuǎn)變，+；固溶體的二次析出轉(zhuǎn)變：+ Fe3C II；+ Fe3C IIII勻晶：L0-0.53L+0-0.09（L+L+FeC3（滲碳體）；包晶：L0.53+0.090.17（奧氏體）共晶：L4.32.11+ Fe3C（Ld，萊氏體）共析：0.770.0218+ Fe3C（P，珠光體）固溶體的二次析出：+ Fe3C II；+ Fe3C III8、（1）a共晶，b包晶（2）【1】LL+(+) (+)【2】LL+(+)+II+(+)【3】LL

5、+(+)+II+(+)【4】LL+II序號wSn %相組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)組織組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)%w %w %161.93961(+); 1002505149+(+)+II; 23.1, 72, 4.93802080+(+)+II; 12.5, 86.5, 14158713+II; 87, 13（3）【1】LL+L+II【2】LL+L+II +II【3】LL+L+L+II序號wSn %相組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)組織組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)%w %w %142.45545+II; 45, 552208020+II +II; 64.4, 7.6, 12.6, 15.43504753+II ; 53, 479、冷卻過程分析略【0

6、.01】 LL+ Fe3C|III【0.3 】 LL+L+L+P+P【0.77】 LL+P+P【1.2 】 LL+ Fe3C|II+P+ Fe3C|II+P+ Fe3C|II【3.0 】 LL+L+Ld+Ld+Fe3C|II+LdP+ Fe3C|II+Ld【4.3 】 LL+LdLdLd+Ld Ld【5.0 】 LL+ Fe3C|ILd+ Fe3C|ILd+Ld + Fe3C|I Ld + Fe3C|I材料類型wC %相組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)組織組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)%w %wFe3C %工業(yè)純鐵0.0199.850.15+Fe3C|III; 99.85, 0.15鋼0.34+P; 63, 370.77881

7、2P; 1001.28218P+Fe3C|II; 93, 7白口鑄鐵3.05545P+Ld+ Fe3C|II ; 46, 41, 134.33664Ld; 1005.02575Ld+ Fe3C|I; 71, 2910、（1）0.5鋼為鐵素體加珠光體，1.0鋼為二次析出滲碳體加珠光體，因?yàn)闈B碳體比鐵素體更硬，所以1.0鋼比0.5鋼硬度高。（2）0.77為珠光體，塑韌性鐵素體和硬脆性滲碳體層片狀分布，1.2為二次滲碳體加珠光體，二次滲碳體主要在珠光體晶粒的晶界分布，容易成為斷裂的路徑，因此強(qiáng)度較差。（3）鋼主要是以珠光體為連續(xù)基體，其中分布一些鐵素體或滲碳體，基于珠光體的塑性可以進(jìn)行壓力加工成形，

8、而鑄鐵以硬脆的滲碳體為連續(xù)基體，其中分布一些珠光體，整體硬而脆，所以不能進(jìn)行壓力加工，只能鑄造；相圖上液相線和固相線間的距離越小，鑄造性能越好，共晶成分附近的鑄鐵的的液固相線間的距離一半比鋼的小，所以鑄造性能好。11鋼中常存雜質(zhì)元素有那些？對鋼的性能有何影響？鋼中常存雜質(zhì)元素有：硅、錳、硫和磷。硅對鋼性能的影響：硅可以固溶于鐵素體中形成間隙固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使鐵素體的強(qiáng)度、硬度增加。但硅與氧親和力很強(qiáng)，可以形成SiO2。SiO2是鋼中的夾雜物，對鋼的性能不利，一般碳鋼中規(guī)定Wsi<0.5，使大部分Si都溶于鐵素體中，起強(qiáng)化作用。錳對鋼性能的影響：錳可以固溶于鐵素體中形成間隙固溶體，產(chǎn)

9、生固溶強(qiáng)化，使鐵素體的強(qiáng)度、硬度增加。但錳與硫的親和力很強(qiáng)，可以形成MnS。MnS是鋼中的夾雜物，對鋼的性能不利，一般碳鋼中規(guī)定Wmn<0.8，使大部分Mn都溶于鐵素體中，起強(qiáng)化作用。硫?qū)︿撔阅艿挠绊懀毫蚺c鐵形成熔點(diǎn)為1190oC的FeS。FeS常與-Fe形成低熔點(diǎn)共晶體（989oC），分布在奧氏體晶界上，當(dāng)鋼在1000-1200oC鍛造或軋制時(shí)，會導(dǎo)致熱脆。磷對鋼性能的影響：磷在鋼中全部固溶于鐵素體中，有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，但它劇烈地降低鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性。磷還使鋼的偏析嚴(yán)重。此外，硫、磷均降低鋼的焊接性能。12.何謂冷壓力加工和熱壓力加工？鋼經(jīng)冷壓力加工和熱壓力加工后的組

10、織和性能有何不同？冷壓力加工：低于材料再結(jié)晶溫度的壓力加工；熱壓力加工：高于材料再結(jié)晶溫度的壓力加工。熱加工對組織的影響：熱加工是在奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行的，通過變形度、變形溫度和時(shí)間及冷卻速度影響熱加工后奧氏體的晶粒大小，從而影響其組織和性能。亞共析鋼：通過熱加工可以得到更加均勻和細(xì)小的鐵素體和珠光體組織；共析鋼：可以通過熱加工得到細(xì)片狀珠光體組織。過共析鋼：可以使網(wǎng)狀的二次滲碳體和珠光體組織轉(zhuǎn)變?yōu)槎螡B碳體均勻分布在細(xì)片狀珠光體基體上的組織。熱加工對性能的影響：通過熱加工可以獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，并可以消除鋼錠中的某些缺陷，如將疏松和氣泡焊合，粗大柱狀晶打碎，提高鋼的力學(xué)性能；同時(shí)熱加工還可以使

11、鋼中的夾雜物沿變形方向分布形成流線，使鋼的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性。冷加工對組織的影響：冷加工過程中，鐵素體晶粒被拉長（拉伸時(shí)）或壓扁（壓縮時(shí)），當(dāng)變形量很大時(shí)，晶粒被拉長或壓扁為細(xì)條狀或纖維狀。隨著鋼中滲碳體含量的增多，會對鐵素體變形起到阻礙作用。含碳量越多，阻礙變形的作用愈顯著。如壓共析鋼當(dāng)拉伸變形度達(dá)到50時(shí)，鐵素體明顯被拉長，而珠光體仍未變形。在共析鋼中，若滲碳體以層片狀分布于鐵素體中，滲碳片越細(xì)，阻礙作用越大。若滲碳體呈球狀分布時(shí)，阻礙作用比片狀小。在過共析鋼中滲碳體呈網(wǎng)狀，對變形阻力更大。冷加工對性能的影響：冷加工可以對金屬材料起到加工硬化的作用。同時(shí)還可以使材料具有各項(xiàng)異性。13.何

12、謂臨界變形度？為什么冷熱加工時(shí)都要避開臨界變形度？臨界變形度是指當(dāng)變形度增加到某一臨界值（大約210），由于此時(shí)只有部分晶粒發(fā)生變形，變形極不均勻，再結(jié)晶晶核少，再結(jié)晶時(shí)晶粒極易相互并吞而長大，這個(gè)變形度稱為“臨界變形度”。當(dāng)變形度小于臨界變形度時(shí)，由于晶格畸變很小，加熱時(shí)物再結(jié)晶現(xiàn)象，晶粒仍保持原來大小；而當(dāng)變形度大于臨界變形度后，隨著變形度的增加，愈來愈多的晶粒發(fā)生變形，變形愈趨均勻，再結(jié)晶晶核多，所以再結(jié)晶晶粒愈來愈細(xì)。因?yàn)榇执缶Я饘俚牧W(xué)性能不利，因此冷熱加工需避免在臨界變形度范圍內(nèi)進(jìn)行，以免再結(jié)晶后產(chǎn)生粗大晶粒。14.何謂加工硬化？它給生產(chǎn)帶來哪些好處和困難？鋼絲在冷拉過程中為什

13、么要進(jìn)行中間退火？如何選擇中間退火溫度？并以工業(yè)純鐵為例，說明中間退火過程中組織和性能的變化。加工硬化：金屬材料經(jīng)冷塑性變形后，隨變形度的增加，強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性降低的現(xiàn)象稱之為加工硬化。加工硬化是提高金屬材料強(qiáng)度的重要方法之一，尤其對純金屬以及不能用熱處理方法強(qiáng)化的合金更為重要。同時(shí)加工硬化是各種冷變形成型得以進(jìn)行的原因。加工硬化使零件在偶然超載時(shí)，不會突然斷裂。加工硬化會導(dǎo)致材料出現(xiàn)各向異性，也會給生產(chǎn)帶來不利的影響，如冷軋中出現(xiàn)的制耳現(xiàn)象，以及由于加工硬化導(dǎo)致的材料內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，會引起零件尺寸不穩(wěn)定和降低零件抗腐蝕性能。鋼絲在冷拔過程中，材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都提高，多次拉

14、拔后，使得冷加工難以進(jìn)行，因此為了時(shí)冷加工得以進(jìn)一步進(jìn)行，中間需經(jīng)過多次中間再結(jié)晶退火除了。再結(jié)晶退火溫度與材料的熔點(diǎn)存在如下大致關(guān)系“T再0.4T熔”，再結(jié)晶退火溫度必須在T再以上，一般高出150-250oC。工業(yè)純鐵經(jīng)冷變形后晶粒被拉長或壓扁，晶粒破碎，晶格扭曲，晶體缺陷增多，內(nèi)應(yīng)力升高，在低溫時(shí)，由于原子活動能力弱，仍保持不穩(wěn)定的變形組織，當(dāng)溫度升高時(shí)，其組織將隨溫度升高一次通過回復(fù)、再結(jié)晶、晶粒長大三個(gè)階段發(fā)生變化。當(dāng)加熱溫度較低時(shí)，不能引起顯微組織變化，但其內(nèi)部原子排列畸變程度減輕，空位劇烈減少，位錯重新排列，內(nèi)應(yīng)力明顯下降，因而電阻等性能明顯降低，強(qiáng)度、硬度略有降低，塑性、韌性略有升高；當(dāng)溫度繼續(xù)升高超過再結(jié)晶溫度時(shí)，破碎的、拉長或壓扁的變形晶粒變成細(xì)小均勻的無變形的等軸晶粒，內(nèi)應(yīng)力完全消除。強(qiáng)度、硬度降低，塑性、韌性提高，消除了加工硬化。再結(jié)晶結(jié)束后，若再繼續(xù)升高溫度或延長加熱時(shí)間，便會出現(xiàn)大晶粒長大的現(xiàn)象。使強(qiáng)度、塑性、韌性下降，尤其對塑性、韌性影響更為明顯。15.用冷拔高碳鋼絲纏繞螺旋彈簧，最后要進(jìn)行何種退火處理？為什么？要進(jìn)行去應(yīng)力退火。因?yàn)槔鋲毫庸ぷ冃芜^程中由于材料各部分的變形不均勻或晶粒內(nèi)部各部分和各晶粒間的變形不均勻，材料內(nèi)部會形成殘余應(yīng)力，引起零件尺寸不穩(wěn)定和降低零件抗腐蝕性能