《工程材料》復(fù)習(xí)

1、一、晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、理想金屬 晶體：原子呈規(guī)則排列的固體。原子、離子等質(zhì)點在三維空間周期性重復(fù)排列。 晶格：若將這些點用一些假象的連線連接起來，便形成了一個三維的幾何框架，該幾何框架表示晶體中原子排列的幾何形式稱為晶格。 晶胞：在晶格中，能反映晶格特征的最小組成單元稱為晶胞。 三種常見純金屬的晶體結(jié)構(gòu)Mg、Zn -Fe、Ni、Al -Fe、Cr、W常見金屬常見金屬0.740.740.68致密度致密度12 128配位數(shù)配位數(shù)6 42原子個數(shù)原子個數(shù)原子半徑原子半徑a、caa晶格常數(shù)密排六方密排六方面心立方面心立方體心立方體心立方a43a42a21 立方晶系的晶面指數(shù)和晶

2、向指數(shù)晶面指數(shù)：晶面三坐標(biāo)截距值倒數(shù)取整加（ ）晶向指數(shù)：晶向上任一點坐標(biāo)值取整加 立方晶系常見的晶面和晶向 晶面族與晶向族 指數(shù)不同但原子排列完全相同的晶面或晶向。 在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。3a2、實際金屬 多晶體結(jié)構(gòu)：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。 晶粒：外形不規(guī)則的小晶體。 晶界：晶粒與晶粒之間的交界面。 晶體缺陷實際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域統(tǒng)稱為晶體缺陷。晶體缺陷按空間尺寸大小不同分為點缺陷、線缺陷、面缺陷三類缺陷。點缺陷：空位：晶格的結(jié)點未被原子占有。間隙原子：原子不占有晶格結(jié)點位置，處于晶格間隙之間的原子。異類原子：實際金屬中，往往有其它金屬或非金屬原子存在，稱為異類原

3、子。 線缺陷位錯面缺陷晶界和亞晶界 亞晶粒：組成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶塊。亞晶界：亞晶粒之間的交界面。晶界的特點： 原子排列不規(guī)則；阻礙位錯運動；熔點低；耐蝕性低；產(chǎn)生內(nèi)吸附；是相變的優(yōu)先形核部位。 金屬的晶粒越細，晶界總面積越大，位錯障礙越多；需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多，使得金屬塑性變形的抗力越高。 晶粒越細，單位體積內(nèi)同時參與變形的晶粒數(shù)目越多,變形越均勻，在斷裂前將發(fā)生較大塑性變形。強度和塑性同時增加，在斷裂前消耗的功大，因而韌性也好. 細晶強化：通過細化晶粒來提高強度、硬度和塑性、韌性的方法。（二） 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：通過熔煉、燒結(jié)或其它方法，將一種金屬元素或其它元

4、素結(jié)合在一起形成的具有金屬特性的新物質(zhì)稱為合金。如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色合金。 相：金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。1、固溶體：與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固相。 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格結(jié)點位置形成的固溶體。多為金屬元素之間形成的固溶體。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，并隨含碳量增加而提高。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子處于溶劑晶格間隙所形成的固溶體。為過渡族金屬元素與小原子半徑非金屬元素組成。 鐵素體：碳在-Fe中的固溶體。 奧氏體：碳在-Fe中的固溶體。 馬氏體：碳在-Fe中的過飽和固溶體。 固溶強化：隨溶質(zhì)含量增加，固溶體的強度、硬度提高，塑

5、性、韌性下降的現(xiàn)象。2 金屬化合物：與組成元素晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相。 (1)正常價化合物 如Mg2Si (2)電子化合物 如Cu3Sn (3)間隙化合物：由過度族元素與C、N、H、B等小原子半徑的非金屬元素組成。 間隙化合物分為結(jié)構(gòu)簡單的間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。 強碳化物形成元素：Ti、Nb、V 如TiC、VC 中碳化物形成元素：W、Mo、Cr 如Cr23C6 弱碳化物形成元素：Mn、Fe 如Fe3C3. 性能比較：強度：固溶體純金屬硬度：化合物固溶體純金屬塑性：化合物固溶體純金屬4. 金屬化合物形態(tài)對性能的影響 基體、晶界網(wǎng)狀：強韌性低 晶內(nèi)片狀：強硬度提高，塑韌性降低 顆粒狀起彌散

6、強化的作用（第二相顆粒越細，數(shù)量越多，分布越均勻,合金的強度、硬度越高，塑韌性略有下降的現(xiàn)象。 5. 固溶體與化合物的區(qū)別： 結(jié)構(gòu)；性能；表達方式 （三）合金元素在鋼中的作用1、強化鐵素體。 2、形成化合物第二相強化。3、擴大（C,Mn,Ni,Co）或縮小（Cr,Si,W,Mo）A相區(qū)。4、使S、E點左移。5、影響A化。6、溶于A(除Co外), 使C曲線右移, Vk減小, 淬透性提高。7、除Co、Al外，使Ms、Mf點下降。8、提高回火穩(wěn)定性（淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力）。 9、產(chǎn)生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V鋼淬火后回火時，由于析出細小彌散的特殊碳化物及回火冷卻時A轉(zhuǎn)變?yōu)镸回，

7、使硬度不僅不下降，反而升高的現(xiàn)象)。 10、防止第二類回火脆性：W、Mo(回火脆性 ：淬火鋼在某些溫度范圍內(nèi)回火時，出現(xiàn)的沖擊韌性下降的現(xiàn)象。)。二、組織二、組織 純金屬的組織1、結(jié)晶：金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過程 結(jié)晶的條件過冷：在理論結(jié)晶溫度以下發(fā)生結(jié)晶的現(xiàn)象。液態(tài)純金屬的實際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0時，結(jié)晶才能有效地開始進行，這種現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象，過冷是結(jié)晶的必要條件 過冷度：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差。 結(jié)晶的基本過程晶核形成與晶核長大 形核自發(fā)形核與非自發(fā)形核 長大均勻長大與樹枝狀長大 結(jié)晶晶粒度控制方法：增加過冷度；變質(zhì)處理；機械振動、攪拌2、純金屬中的固態(tài)轉(zhuǎn)變同素異

8、構(gòu)轉(zhuǎn)變：物質(zhì)在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度而發(fā)生變化的現(xiàn)象。鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變： -Fe -Fe -Fe -Fe -Fe-Fe13941394 912912 合金的組織合金的組織 1、相圖 勻晶L 共晶L+ 共析 + 二元合金相圖的一些幾何規(guī)律二元合金相圖的一些幾何規(guī)律 在兩個單相區(qū)之間必定存在著一個由兩相所組成的兩相區(qū)隔開。兩個兩相區(qū)必定以單相區(qū)或三相水平線隔開。 在二元合金相圖中，若是三相平衡，則必定是一條水平線，這條水平線上有三個表示平衡相濃度的點，其中兩點應(yīng)在水平線的兩端。這條水平線必定和三個兩相區(qū)相鄰。2、合金中的固態(tài)相變 固溶體轉(zhuǎn)變：AF 共析轉(zhuǎn)變：AP(F+Fe3C) 二次析出：AFe3C

9、 奧氏體化 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變3 3、鐵碳合金相圖、鐵碳合金相圖ACDEFGSPQ1148727LAL+AL+ Fe3C4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe Fe3C T( A+Fe3C )LdLd+Fe3CA+Ld+Fe3CFA+FA+ Fe3C( F+ Fe3C )PP+F0.77%CP+Fe3CLdLd+Fe3CP+Ld+Fe3CK共晶相圖共晶相圖共析相圖共析相圖勻晶相圖勻晶相圖( P+Fe3C )鐵碳合金中的基本相為鐵素體、奧氏體和滲碳體 相：在金屬中或合金中，凡成份相同，結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分，均稱之為相。 組織：是指用肉眼或顯微鏡所觀察到的材料的

10、形貌，包括宏觀組織和微觀組織。合金的組織決定著合金的性能。 相組成物：合金的基本組成相。 組織組成物：合金顯微組織中的獨立組成部分。 相區(qū)標(biāo)注 組織組成物標(biāo)注三、鋼的熱處理三、鋼的熱處理 熱處理原理1、加熱時的轉(zhuǎn)變奧氏體化步驟：A形核；A晶核長大；殘余滲碳體溶解；A成分均勻化。奧氏體化后的晶粒度：初始晶粒度：奧氏體化剛結(jié)束時的晶粒度。實際晶粒度：給定溫度下奧氏體的晶粒度。本質(zhì)晶粒度：加熱時奧氏體晶粒的長大傾向。 2、冷卻時的轉(zhuǎn)變 等溫轉(zhuǎn)變曲線及產(chǎn)物 根據(jù)過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度的不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物可分為珠光體、貝氏體、馬氏體三種。 共析成分碳鋼的過冷奧氏體在A1550之間發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，550MS之間發(fā)

11、生貝氏體轉(zhuǎn)變，MSMf之間發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。P型轉(zhuǎn)變：Fe、C原子進行擴散，晶格重組 轉(zhuǎn)變溫度 名稱 組織 形態(tài) HRCA1-650PF+Fe3C片狀較粗0.4m 500金相顯微鏡下觀察5-20650-600SF+Fe3C細片狀，0.20.4m,8001000金相顯微鏡下觀察20-30600-550TF+Fe3C極細片狀0.2m，在電鏡下觀察30-40 珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細之分。片間距越小，鋼的強度、硬度越高，而塑性和韌性略有改善。光鏡下光鏡下S形貌形貌光鏡下光鏡下P形貌形貌光鏡下光鏡下T形貌形貌B型轉(zhuǎn)變：轉(zhuǎn)變溫度范圍550-Ms(230), 轉(zhuǎn)變溫度較低，

12、C擴散，F(xiàn)e不擴散，僅作很小位移，晶格重組。轉(zhuǎn)變溫度名稱組織形態(tài)HRC550350B上F+Fe3C羽毛狀4050350230B下F+Fe3C黑針狀5060 上貝氏體強度與塑性都較低，無實用價值。 下貝氏體具有較高強度、較高塑性和韌性相配合，較好的機械性能，是生產(chǎn)上希望獲得的組織，一般采用等溫淬火。光鏡下光鏡下B上上光鏡下光鏡下B下下 M型轉(zhuǎn)變 Fe、C原子均不能進行擴散， -Fe-Fe的晶格改變時，奧氏體直接轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚?Fe中的過飽和固溶體，是一種單相的亞穩(wěn)組織，稱為馬氏體，又稱為碳過飽和鐵素體。 馬氏體轉(zhuǎn)變是強化鋼的重要途徑之一。轉(zhuǎn)變溫度名稱組織形態(tài)HRCM230板條M碳過飽和F板條狀606

13、5350230片狀M碳過飽和F片狀65 馬氏體強化的主要原因是過飽和碳引起的固溶強化。此外，馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的組織細化也有強化作用。 針狀馬氏體硬度高、脆性大，板條馬氏體有較高強度、硬度，且具有較好的塑性和韌性。光鏡下板條光鏡下板條M光鏡下針狀光鏡下針狀M 馬氏體轉(zhuǎn)變的特點 無擴散性 在不斷降溫過程中形成的 形成速度快：一般不需要孕育期。 馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性 體積膨脹：含 碳 量 對 馬 氏體轉(zhuǎn) 變 溫 度 的 影響含碳 量對殘余奧氏體 量的影響 隨C%上升，Ms、Mf則殘余奧氏體也越來越多。當(dāng)A中含C量越過0.5%時，由于Mf點已低于室溫，當(dāng)淬火到室溫時，必然會有一部分A殘留下來，且隨C%殘

14、余奧氏體量增加。 用C曲線定性說明連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 根據(jù)與C曲線交點位置判斷轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 3、回火時的轉(zhuǎn)變 碳鋼：馬氏體的分解 ；殘余奧氏體分解 ；碳化物類型的轉(zhuǎn)變 ；Fe3C聚集長大和固溶體的回復(fù)與再結(jié)晶。 W18Cr4V鋼：560三次回火。 析出W、Mo、V的碳化物，彌散硬化。 回火冷卻時，A轉(zhuǎn)變?yōu)镸,每次回火加熱都使前一次的淬火馬氏體回火,產(chǎn)生 二次硬化。 在淬火狀態(tài)約有20-25%的A殘。一次回火難以全部消除，經(jīng)三次回火后，可使A殘減至最低量。在550-570回火硬度最大。 熱處理工藝工藝工藝目的目的加熱溫度加熱溫度組織組織退火退火1.1.調(diào)整硬度調(diào)整硬度, ,便于切削便于切削加工。加工。

15、2.2.細化晶粒細化晶粒, ,為最終熱為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。處理作組織準(zhǔn)備。亞共析鋼亞共析鋼AcAc3 3+30+30 5050共析鋼共析鋼AcAc1 1+30+30 5050過共析鋼過共析鋼AcAc1 1+30+30 5050 F+P F+P P P P P球球正火正火1.1.低中碳鋼同退火。低中碳鋼同退火。2.2.過共析鋼：消除網(wǎng)狀過共析鋼：消除網(wǎng)狀二次滲碳體。二次滲碳體。3.3.普通件最終熱處理普通件最終熱處理亞共析鋼亞共析鋼AcAc3 3+30+30 5050共析鋼共析鋼 AcAc1 1+30+30 5050過共析鋼過共析鋼AcAccmcm+30+30 5050 F+S; F+S;

16、S S S S淬火淬火 獲得馬氏體組織。獲得馬氏體組織。亞共析鋼亞共析鋼AcAc3 3+30+30 5050共析鋼共析鋼 AcAc1 1+30+30 5050過共析鋼過共析鋼AcAc1 1+30+30 5050 M M M+A M+A M+A+ M+A+粒狀粒狀FeFe3 3C C熱處理工藝（續(xù)）熱處理工藝（續(xù)）工工藝藝目的目的加熱溫度加熱溫度組織組織回回火火1.1.消除內(nèi)應(yīng)力，消除內(nèi)應(yīng)力，減少變形。減少變形。2.2.獲得所需要的獲得所需要的性能。性能。低溫回火低溫回火150150 250250中溫回火中溫回火350350 500500高溫回火高溫回火500500 650650 ( (調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)

17、) )亞共析亞共析, ,共析鋼：共析鋼：M M回回過共析鋼過共析鋼:M:M回回+A(+A(少少)+)+粒狀粒狀FeFe3 3C C T T回回 S S回回表表面面淬淬火火表面獲得馬氏體表面獲得馬氏體組織，并獲得表組織，并獲得表硬里韌的性能。硬里韌的性能。預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)或預(yù)備熱處理：調(diào)質(zhì)或正火正火適用于中碳鋼中碳低合金鋼適用于中碳鋼中碳低合金鋼表面：表面：M M回回心部：心部：S S回回( (調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)) ) 或或F+S(F+S(正火正火) )滲滲碳碳提高表面含碳量，提高表面含碳量，獲得表硬里韌的獲得表硬里韌的性能。性能。滲碳溫度滲碳溫度:900:900 950950淬火溫度：淬火溫度：表面表面

18、AcAc1 1+30+30 5050心部心部AcAc3 3+30+30 5050適用于低碳鋼適用于低碳鋼 0.10.1 0.25%C0.25%C表面：表面：M M回回+A(+A(少少)+)+顆粒狀顆粒狀FeFe3 3C C心部心部：M M回回+F+F M M回回四、工業(yè)用金屬材料四、工業(yè)用金屬材料鋼種鋼種C%C%典型牌典型牌號號合金元素作用合金元素作用熱處熱處理理使用狀態(tài)下組使用狀態(tài)下組織織性能性能用途用途碳素結(jié)碳素結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)鋼0.20.2Q195Q195Q235(A3)Q235(A3)熱軋熱軋空冷空冷F+PF+P塑性塑性, ,焊接性焊接性好好建筑結(jié)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)低合金低合金高強度高強度鋼鋼0.20

19、.2Q345Q345(16Mn)(16Mn)Mn:Mn:強化強化F,F,增加增加P,P,降低脆轉(zhuǎn)溫降低脆轉(zhuǎn)溫度度熱軋熱軋空冷空冷F+SF+S塑性塑性, ,焊接性焊接性好好橋梁橋梁, ,船舶船舶, , 容器容器滲碳鋼滲碳鋼0.1-0.1-0.250.25202020Cr20Cr20CrMnT20CrMnTi iCr,Mn:Cr,Mn:提高淬提高淬透性透性, ,強化強化F,Ti:F,Ti:細化晶粒細化晶粒滲碳滲碳+ +淬火淬火+ +低溫低溫回火回火表面：表面：M M回回+ A + A ( (少量少量)+)+顆粒顆粒狀狀FeFe3 3C C心部心部：M M回回+F+F表硬里表硬里韌韌齒輪齒輪調(diào)質(zhì)鋼調(diào)

20、質(zhì)鋼0.250.250.50.5454540Cr40Cr40CrNiM40CrNiMo oCr,Ni:Cr,Ni:提高淬提高淬透性透性, ,強化強化F,F,Mo:Mo:防止第二類防止第二類回火脆性回火脆性調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) S S回回良好綜良好綜合力學(xué)合力學(xué)性能性能軸、齒軸、齒輪輪 工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼工業(yè)用鋼（續(xù)）工業(yè)用鋼（續(xù)）鋼種鋼種C%C%典型牌號典型牌號合金元素作合金元素作用用熱處理熱處理使用狀態(tài)下組使用狀態(tài)下組織織性能性能用途用途滾動軸滾動軸承鋼承鋼0.950.95 1.151.15GCr15GCr15Cr:Cr:提高淬提高淬透性透性, ,耐磨耐磨耐蝕性耐蝕性球退球退+ +淬淬火火+ +低溫低溫回

21、火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+顆粒狀顆粒狀FeFe3 3C C高耐磨高耐磨高高R Rr r足夠足夠a ak k滾動軸滾動軸承承耐磨鋼耐磨鋼1.01.0 1.31.3ZGMn13ZGMn13Mn:Mn:形成形成A A組組織織水韌處水韌處理理表：表：M+M+碳化物碳化物心：心：A A高耐磨高耐磨耐沖擊耐沖擊鏟齒，鏟齒，履帶板履帶板碳素工碳素工具鋼具鋼0.650.65 1.31.3T7-T13T7-T13球退球退+ +淬淬火火+ +低溫低溫回火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+顆粒狀顆粒狀FeFe3 3C C高硬度高硬度高耐磨高耐磨沖子、沖子、絲錐、絲錐、銼刀銼刀低合金低合金工具鋼工具鋼0.750.75 1.51.59SiCr9SiCrSiSi、CrCr：提：提高淬透性高淬透性球退球退+ +淬淬火火+ +低溫低溫回火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+顆粒狀顆粒狀FeFe3 3C C高硬度高硬度高耐磨高耐磨低速刃低速刃具具高速鋼高速鋼0.70.7 1.51.5W18Cr4VW18Cr4VCr:Cr:提高淬提高淬透性；透性；W W、V V：提高熱硬、提高熱硬、耐磨性耐磨性鍛、退鍛、退火、淬火、淬火火+ +三次三次回火回火M M回回+ A(+ A(少少量量)+)+顆粒狀碳顆粒狀碳化物化物高熱硬高熱硬高硬度高硬度高耐磨高耐磨高速刃高速刃具具工業(yè)