工程材料总复习

工程总复习 1;屈服强度﹑抗拉强度﹑延伸率﹑断面收缩率﹑超朔性﹑置换固溶体﹑间隙相﹑晶内偏析﹑比重偏析﹑自然(人工)时效﹑固溶处理﹑热脆﹑冷脆﹑材料牌号:碳素钢﹑铸铁﹑低高强度合金钢﹑滚动轴承钢﹑形变铝合金 2. 金属材料中的晶体缺陷种类和特征 3.画出铁碳平衡相图,写出包晶﹑共晶﹑共析反应方程,并说明转变产物组织特点,会分析冷却转变过程. 4.合金元素对TTT曲线影响,为什么多数元素使淬火临界冷却速度VK降低 5.共析钢的奥氏体化过程 6.钢在回火时的转变过程 7.：W18Cr4V的热处理工艺曲线,说明其特点,说明高速钢为什么必须锻造成型. 8. 灰口铸铁﹑麻口铸铁﹑白口铸铁铸的成形条件(根据石墨化程度的二个阶段说明) 9.Al-Cu合金时效强化过程(四个阶段) 10.扩大和缩小奥氏体区域合金元素在钢材生产中的实际意义 11陶瓷中包括那些相 12.高分子化合物的大分子链有那些形态,大分子链结合力包括那些力 答案: 一基本概念: 1．屈服强度:试样发生屈服现象时的应力值，屈服点S的应力值称为屈服强度σS，表征材料开始发生明显的塑性变形。 2．抗拉强度:材料在拉伸载荷作用下破断前所能承受的最大应力值σb称为抗拉强度或强度极限，表征材料的断裂抗力。 3．延伸率:材料在拉伸断裂后，总伸长与原始标距长度的百分比。 4．断面收缩率: 材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。是材料的塑料性指标之一,以ψ表示。单位为%。 5．1塑性：材料在外力作用下，产生塑性变形而不破断的能力称为塑性。指标：工程上常用延伸率δ和断面收缩率ψ作为材料的塑性指标。材料的δ和ψ值越大，塑性越好。 5．2超塑性: 某些合金在特定的条件下进行拉伸时，其伸长率可达到100﹪-1000﹪，而所需的变形应力却很下，这种现象称为超塑性 6．置换固溶体:溶质原子占据溶剂晶格中的结点位置而形成的固溶体称置换固溶体。当溶剂和溶质原子直径相差不大，一般在15％以内时，易于形成置换固溶体。 7．间隙相:当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时,将形成具有简单晶体结构的间隙化合物,称为间隙相. 间隙相具有极高的熔点和硬度,是高合金工具钢及硬质合金的重要组成相. 8．晶内偏析;在一个晶粒内部或一个枝晶的枝干和枝晶间的不同部位间化学成分不均匀的现象, 称为晶内偏析。或称为枝晶偏析,它的存在严重地影响合金的力学性能,使塑性和韧性降低.,可采用均匀化退火,使偏析元素进行充分扩散,以达到成份均匀的目的. 9．比重偏析：合金凝固时析出的初晶与余下的液体存在较大的比重差，最终导致材料出现分层、化学成分不均匀的情况。可采用降低浇温加大冷却速度，加入微量元素形成比重适当等。 比重偏析:合金在结晶时,结晶出来的晶体与剩余液相的比重不同而造成的化学成分不均匀、材料出现分层的现象称为比重偏析.它使铸件各部分的成分组织和性能不同,不能通过热处理减轻和消除, 可采用降低浇温加大冷却速度，加入微量元素形成比重适当等。 9．自然(人工)时效:时效处理可分为自然时效和人工时效两种,自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，便其缓缓地发生变形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底. 10．固溶处理:将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。目的：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体，并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工或成型。 固溶处理:将合金加热到适当温度，保持足够长的时间，使一种或几种相(一般为金属间化合物)溶入固溶体中，然后快速冷却到室温的金属热处理操作，简称固溶处理。 固溶强化：通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为固溶强化。强化材料的方法之一。 11．热脆: 所谓“热脆”，:当含硫量达到一定程度时,硫能和铁化合，形成硫化铁，这样当钢在1100-1200度进行压力加工时，晶界上硫化铁熔化，形成热脆。使钢材变脆的现象。它能显著降低钢在高温下的塑性，使钢在热轧，热锻过程中发生断裂。增加钢中Mn的含量，可消除S的有害作用，避免热脆现象的产生。 12．冷脆：磷在钢中全部溶于铁素体中，能提高钢的硬度和强度，但在室温下使钢的塑性和韧性显著降低，变脆，致使冷加工时容易脆裂，称为“冷脆”。对焊接性能也有不良影响。磷在钢中能改善切削加工性能，增加加工件的光洁度，故易切钢中含磷高 二：金属材料中的晶体缺陷种类和特征 1．晶体缺陷是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。点缺陷是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。主要有四类，即空位；间隙原子；置换原子；复合空位。线缺陷是晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。面缺陷：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。面缺陷的类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。 2．点缺陷。不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是空位、置换原子、间隙原子。2．线缺陷。不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小，主要是位错。3．面缺陷：不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，主要是晶界和亚晶界。 3．晶体缺陷对晶体性能的影响: 点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与位错密度有关。位错密度很低或者很高时，晶体的强度比较高。面缺陷：晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。 三、几种最基本的二元相图 1．匀晶转变和匀晶相图。由液相中直接结晶出单一固相的转变，属于非恒温转变。表示匀晶转变的相图称为匀晶相图，反应表达式为：L＝α（L表示液相，α表示固溶体）。 2．共晶转变和共晶相图。含义：由一定成分的液相在恒温下同时转变成两个一定成分的固相的转变。用反应式表达为：L＝α+β 共晶转变的产物为两个相的机械混合物，称其为共晶体或共晶组织，组织细密。 3．共析转变和共析相图。在恒温下由一定成分的固相同时生成两个成分不同的新固相的转变。其反应表达式为：γ＝＝α+β；共析反应的产物称为共析组织。 4．包晶转变和包晶相图。由一定成分的液相和一定成分的固相生成另一个一定成分新固相地反应---包晶转换反应。反应式为：L+α＝＝β 由于新相β是包围着初生相α生长故称包晶转变。 5．具有稳定化合物的二元相图。稳定化合物是指在熔化前既不分解也不产生任何化学反应的化合物，形成稳定化合物的二元合金时，相图的特征是出现垂直于成分轴的一条垂线。 四：合金元素对TTT曲线影响,为什么多数元素使淬火临界冷却速度VK降低 除Co以外的所有合金元素，当其溶人奥氏体后都能增加过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移。当过冷奥氏体中含有较多的Cr、Mo、W、Ⅴ、Ti等碳化物形成元素时，C曲线的形状还发生变化，甚至C曲线分离成上下两部分，形成两个“鼻子”，中间出现一个过冷奥氏体较为稳定的区域。应当指出，当强碳化物形成元素含量较多时，若在钢中形成稳定的碳化物，在奥氏体化过程中不能全部溶解，而以残留碳化物的形式存在，它们会降低过冷奥氏体的稳定性，使C曲线左移。 钢的淬透性主要取决于临界冷却速度，影响临界冷却速度的因素主要是钢的化学成分，特别是合金成分及含量，除Co以外的所有合金元素，使C曲线右移，降低临界冷却速度，从而显著提高钢的淬透性 什么是临界淬火冷透速度？在连续冷却时，使过冷奥氏体不发生分解，完全转变为马氏体的最低冷却速度为临界淬火速度就是发生马氏体转变的最低冷却速率，临界淬火冷透速率越小则越容易淬火得到马氏体 C曲线应用 1. 用来研究钢热处理后所获得的组织及机械性能,从而合理选用钢材2. 制订合理的热处理工艺,选择等温退火,等温淬火的温度等3. 用来估计钢透性及临界冷却速度,选择适当的淬火介质 五共析钢的奥氏体化过程 共析钢加热时奥氏体的形成过程,奥氏体的形成遵循一般的相变规律，包括形核与长大两个基本过程，可分为四个阶段：（1）奥氏体晶核的形成:将钢加热到Ac1以上时，珠光体转变成奥氏体，奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的相界面形成,因为晶面处的成分和结构对形核有利（2）奥氏体晶核长大:稳定的奥氏体晶核形成后，便通过碳原子的扩散向铁素体和渗碳体方向长大。开始长大生成小晶体，同时又有新的晶核形成。铁素体晶格改组为面心立方的奥氏体晶格来完成。（3）残余渗碳体的溶解。铁素体在成分和结构上比渗碳体更接近于奥氏体，因而先于渗碳体消失，而残余渗碳体则随保温时间延长不断溶解直至消失。（4）奥氏体成分的均匀化。渗碳体溶解后，其所在部位碳的含量仍比其他部位高，需通过较长时间的保温使碳原子充分扩散，获得均匀的单相奥氏体。 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同，只是由于先共析铁素体或二次渗碳体的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应地加热到Ac3或Accm以上。 六:.钢在回火时的转变过程 淬火碳钢在回火过程中的组织转变主要发生在加热阶段。随着回火温度的升高，淬火钢的组织变化大致可以分为四个阶段；1) 马氏体分解;当回火温度超过80℃时，马氏体开始发生分解，从过饱和α固溶体中析出弥散的且与母相保持共格联系的ε碳化物。随着回火温度的升高，马氏体中含碳量不断降低；直到350℃左右，马氏体分解基本结束。α相中的含碳量降至接近平衡浓度。此时的α相仍保持板条或针片状特征。2) 残余奥氏体转变: 淬火碳钢加热到200℃时，残余奥氏体开始分解，转变为ε-碳化物和过饱和α相的混合物，即转变为下贝氏体或回火马氏体。α相中的含碳量与马氏体在相同的温度下分解后的含碳量相近。到300℃时残余奥氏体分解基本完成。3) 碳化物的转变: 当回火温度升至250～400℃时，亚稳定的ε-碳化物转变为稳定的θ碳化物，即从α相中析出渗碳体。这种转变在350℃左右进行较快，结果ε-碳化物被渗碳体所代替，从此碳化物与母相之间已不再有共格联系。4) 渗碳体聚集长大和α相再结晶:当回火温度升至400℃以上时，渗碳体开始聚集长大。淬火碳钢经高于500℃回火后，渗碳体已为粒状；当回火温度超过600℃时，细粒状渗碳体迅速粗化。与此同时，在400℃以上α相发生回复；当回火温度升到600℃以上时，α相发生再结晶，失去板条或针片状形态，成为多边形铁素体。根据回火温度的高低，把回火分为三类：低温回火、中温回火和高温回火。 七:W18Cr4V的热处理工艺曲线,说明其特点,说明高速钢为什么必须锻造成型. 高速钢的热处理：预备热处理：大变形锻造后退火,最终热处理：淬火＋560℃三次回火。 以高速钢(W18Cr4V)制作刀具的工艺路线及热处理工艺:下料→锻造（反复镦粗、三镦三拔）→等温球化退火→ 机加工 → 淬火（12800C） → 回火（5600C三次）→喷砂→磨削→成品 （1）锻造：高速钢的铸态组织为“鱼骨状粗大碳化物+网状莱氏体+M+A残”。粗大碳化物的出现使铸态高速钢的脆性很大，且难以用热处理来消除，必须经过反复锻造。 （2）球化退火：锻造后机加工前进行，860～880℃加热保温，然后冷却到720～750℃等温珠光本转变，炉冷至550℃以下出炉。硬度207～225HBS，组织为S＋细小碳化物。 （3）淬火、回火:高速钢优异的性能必须经正确的淬火、回火才能发挥出来。W18Cr4V钢的淬火、回火工艺示意图。与其它钢的淬火回火工艺相比较，高速钢的淬火、回火可归纳为“两高一多”，即淬火温度高（1250～1300℃），回火温度高（560℃），回火次数多（3次）。 W18Cr4V钢的淬、回火工艺曲线:淬火：W18Cr4V钢的淬火温度为1270～1280℃。由于合金元素多，导热性差，加热时采用分级加热。 高速钢的热硬性取决于马氏体中合金元素的含量，即加热时溶入奥氏体中的合金元素量（图示）。所以，高速钢的淬火加热温度尽量高些，这样可以使较多的W、V溶入奥氏体中，在1000℃以上加热淬火，W、V在奥氏体中的溶解度急速增加；1300℃左右加热，各合金元素在奥氏体中的溶解度也大为增加。但时间稍长，会造成晶粒长大。因此，在不使钢发生过热的前提下，淬火温度越高越好。W18Cr4V一般选择在1270～1280℃，淬火冷却采用油中分级淬火法，组织为M+粒状碳化物+A残。 回火：淬火后及时回火。常用的回火工艺是560℃左右保温1小时，重复三次。采用三次回火是由于高速钢淬火组织中残余奥氏体多，一次回火不能转变完全，三次回火的才能基本转变完。回火后的组织为：回火M+粒状碳化物+少量A残，硬度66～63HRC。 高速钢的铸态组织中有粗大的鱼骨状合金碳化物，使钢的机械性能降低，但不能用热处理来消除，只有采用反复锻击的将其击碎，并均匀分布在基体上。高速钢锻造之后，要进行退火，以消除应力，降低硬度，为以后的淬火作组织上的准备。 高速钢只有通过正确的淬火和回火才能使性能充分发挥出来。W18Cr4V钢的最终热处理工艺曲线如图所示。淬火温度较高的目的是使大量的合金碳化物溶入奥氏体中，以得到良好的红硬性。高速钢淬火后，还保留一部分残余奥氏体，一次回火难以全部消除，影响钢的硬度和耐磨性，故必须经多次回火使其全部转变，一般常采用560℃三次回火，每次保温1小时。 八;灰口铸铁﹑麻口铸铁﹑白口铸铁铸的成形条件(根据石墨化程度的二个阶段说明) 铸铁同钢一样，也是Fe、C元素为主的铁基材料，铸铁中碳元素按主要存在方式不同可分为两大类：一是白口铸铸铁（断口呈现白色），碳的主要存在形式是化合物，如渗碳体，没有石墨；另一是灰口铸铁（断口呈现黑灰色），碳的主要存在形式是碳的单质，即游离状态石墨。介于白口铸铁与灰口铸铁之间为麻口铸铁，其中的碳既有游离石墨又有渗碳体。按Fe-C相图铸铁液冷却过程中，碳溶解于铁素体外均以石墨形成析出。石墨形成（或石墨化）分为如下两个阶段：第一阶段：包括自低于液相线CD以下温度冷却自液体中析出“一次石墨”，低于共晶线ECF（温度1154℃）共晶成分（C点含4.26％C），液体转变为奥氏体与共晶石墨组成的共晶组织；以及低于共晶温度ECF以下冷却沿ES线从奥氏体中析出“二次石墨”。第二阶段：略低于共析温度（738℃）的PSK线以下，共析成分（S点，含0.68%C）奥氏体转变为由铁素体与石墨组成的共析组织。 名称 石墨化程度 显微组织   第一阶段 第二阶段 灰口铸铁 完全石墨化 完全石墨化 铁素体+石墨 完全石墨化 部分石墨化 铁素体+珠光体+石墨 完全石墨化 末石墨化 珠光体+石墨 麻口铸铁 部分石墨化 末石墨化 莱式体+珠光体+石墨 白口铸铁 末石墨化 末石墨化 莱式体+珠光体+渗碳体         碳在铸铁中可能以渗碳体（Fe3C)或石墨(G)形式存在，根据碳的存在形式，铸铁可分为：白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。 白口铸铁中，碳除少量溶入铁素体外，绝大部分以渗碳体的形式存在。因断口呈银白色，故称白口铸铁。 灰口铸铁中，碳主要以石墨的形式存在，断口呈灰色。根据其石墨的存在形式不同，灰口铸铁可分为如下四类性能不同的铸铁件：灰 铸 铁  碳主要以片状石墨形式存在的铸铁。球墨铸铁  碳主要以球状石墨形式存在的铸铁。可锻铸铁  碳麻口铸铁中，碳一部分以石墨存在，另一部分以渗碳体存在，断口呈黑白相间，主要以团絮状石墨形式存在的铸铁。蠕墨铸铁  碳主要以蠕虫状石墨形式存在的铸铁。 铸铁中碳以石墨形态析出的过程叫做铸铁的石墨化。 按Fe-Fe3C双重相图，铸铁在结晶过程中，随着温度的下降，各温度阶段都有石墨析出，石墨化过程是一个原子扩散的过程，温度越低，原子扩散越困难，越不易石墨化。结晶时，若各阶段石墨化能充分或大部分进行，则能获得常用的灰口铸铁，反之将会得到白口铸铁。 2、铸铁的石墨化过程 铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁中的石墨可以 在结晶过程中直接析出，也可以由渗碳体加热时分解得到。 石墨化分两个阶段： 在P’S’K’线以上发生的石墨化称为第一阶段石墨化。 ● 在P’S’K’线以下发生的石墨化称为第二阶段石墨化。包括冷却时共析石墨的析出和加热时共析渗碳体的分解。 ● 石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。 2. 铸铁石墨化过程 铸铁中G的形成过程称为石墨化过程，大致分为两个阶段。 1) 第一阶段：从L相中析出的一次石墨（GⅠ）和共晶转变形成的共晶G，以及Fe3CⅠ和共晶Fe3C分解出的G； 2) 第二阶段：在共晶温度至共析温度之间析出的二次石墨（GⅡ）和共析G以及Fe3CⅡ和共析Fe3C分解出的G。 高温时，石墨化过程进行比较完全；低温时，若冷却速度较快，石墨化过程将部分或全部被抑制。因此，灰口铸铁在室温下将可能得到P+G、F+P+G、F+G等组织。 九:Al-Cu合金时效强化过程(四个阶段) Al-Cu合金时效过程分为四个阶段1.出现GP〔I〕区.2形成. GP〔II〕区.3.生长过渡的θ’相.4.稳定的θ相确的生成与长大. 时效强化的实质是从过饱和固溶体中析出许多非常细小的沉淀物颗粒(一般是金属化合物，也可能是过饱和固溶体中的溶质原子在许多微小地区聚集)，形成一些体积很小的溶质原子富集区。 时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度 时效处理：将过饱和固溶体在室温放置很长时间或者加热至某一温度保温一段时间，随着时间的延长，强度、硬度升高，这种热处理工艺称为时效处理（前者为自然时效，后者为人工时效），这种强化方法称为时效强化。 Al-4%Cu合金的自然时效和人工时效见图8-3，4，其基本过程为：（1）在{100}上形成Cu原子富集区，G. P. 区，FCC，共格；θ″，正方点阵，共格，硬度最大；（3）θ′，正方点阵，半共格，硬度降低；（4）θ（CuAl2），正方点阵，非共格，明显过时效。 十.扩大和缩小奥氏体区域合金元素在钢材生产中的实际意义 2. 合金元素的影响 除Co以外的所有合金元素，当其溶人奥氏体后都能增加过冷奥氏体稳定性，使C曲线右移。当过冷奥氏体中含有较多的Cr、Mo、W、Ⅴ、Ti等碳化物形成元素时，C曲线的形状还发生变化，甚至C曲线分离成上下两部分，形成两个“鼻子”，中间出现一个过冷奥氏体较为稳定的区域，如图5.23所示。应当指出，当强碳化物形成元素含量较多时，若在钢中形成稳定的碳化物，在奥氏体化过程中不能全部溶解，而以残留碳化物的形式存在，它们会降低过冷奥氏体的稳定性，使C曲线左移。 二、合金元素对Fe－C相图的影响 1.合金元素对单相奥氏体相区的影响 合金元素会使奥氏体的单相区扩大或缩小。Mn、Ni、Co、C、N、Cu等元素扩大了奥氏体相区，即使A3点下降，如高锰钢或高镍钢在室温下仍为奥氏体组织，被称为奥氏体钢。而Cr、W、Mo、V、Ti、Si、Al、等元素使A3点上升，即使奥氏体区缩小，为铁素体形成元素。 2.合金元素对S点和E点的影响 扩大奥氏体相区的元素使Fe-Fe3C相图中的共析转变温度(A1) 下降，缩小奥氏体相区的元素则使其上升。几乎所有元素均使S 点和E点左移。 十一:陶瓷中包括那些相 陶瓷材料的显微组织由晶体相、玻璃相和气相组成，而且各相的相对量变化很大，分布也不够均匀。与金属相比，陶瓷相的晶体结构比较复杂。由于这种复杂性以及其原子结合键强度较大，所以使陶瓷反应缓慢。 十二:.高分子化合物的大分子链有那些形态,大分子链结合力包括那些力 大分子链的形状 分子量和聚合度只能表明大分子链有多少重复的结构单元连接在一起，并没有表示出真实的分子链是多大。由于大分子链通常都象随便缠在一起的线团一样，所以大分子链的大小不仅取决于分子量或聚合度，而且也取决于其几何形状。 一般说来，高分子化合物有以下三种形状： （1）线型分子结构 （2）支链型分子结构 （3）体型分子结构 大分子链结合力包括那些力:分子间产生的范特瓦尔斯力(次价力)和链内共价键主价力 4. 指出下列牌号材料的类别和成分（或数字含义）（10分） 4.（10分，每个1分） 牌号 类别 成分或数字含义 Q235A A级碳素结构钢 235表示钢的屈服点值为235MPa Q345 低合金高强度结构钢 345表示钢的屈服点值为345MPa 20Cr 渗碳钢 Wc＝0.2％，Cr < 1.5% HT200 灰铸铁 200表示灰铸铁抗拉强度为200 MPa T10A 高级优质碳素工具钢 Wc＝0.1％ W6Mo5Cr4V2 高速钢 W=6%, Mo＝5％, Cr=4%, V=2% GCr15SiMn 滚动轴承钢 Cr=1.5%, Si、Mn<1.5％, 5CrMnMo 热作模具钢 Wc=0.5%, Cr、Mn、Mo<1.5% Cr12MoV 冷作模具钢 Wc>1.0%, Cr=12%, Mo、V<1.5% 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 Wc=0.1%,Cr=18%, Ni=8%,Ti<1.5%       六、铁碳相图（20分）