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1、工程材料学知识点第一章材料是有用途的物质。一般将人们去开掘的对象称为“原料”,将经过加工后的原料称为“材料”工程材料:主要利用其力学性能,制造结构件的一类材料。主要有:建筑材料、结构材料力学性能:强度、塑性、硬度功能材料:主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.主要有:半导体材料 (Si)磁性材料 压电材料 光电材料金属材料:纯金属和合金金属材料有两大类:钢铁(黑色金属)非铁金属材料(有色金属)非铁金属材料:轻金属(Ni以前)重金属(Ni以后)贵金属(Ag,Au,Pt,Pd)稀有金属(Zr,Nb,Ta)放射性金属(Ra,U)高分子材料:由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物主要组成:
2、C,H,O,N,S,Cl,F,Si三大类: 塑料(低分子量): 聚丙稀 树脂(中等分子量):酚醛树脂,环氧树脂 橡胶(高分子量): 天然橡胶,合成橡胶陶瓷材料:由一种或多种金属或非金属的氧化物,碳化物,氮化物,硅化物及硅酸盐组成的无机非金属材料。陶瓷:结构陶瓷 Al2O3, Si3N4,SiC等 功能陶瓷 铁电 压电材料的工艺性能:主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。材料可生产性:材料是否易获得或易制备铸造性:将材料加热得到熔体,注入较复杂的型腔后冷却凝固,获得零件的能力锻造性:材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量焊接性:利用部分熔体,将两
3、块材料连接在一起能力第二章(详见课本) 密排面 密排方向 fcc 111 bcc 110 体心立方bcc面心立方fcc 密堆六方cph 点缺陷:在三维空间各方向上尺寸都很小,是原子尺寸大小的晶体缺陷。类型:空位:在晶格结点位置应有原子的地方空缺,这种缺陷称为“空位”。 间隙原子:在晶格非结点位置,往往是晶格的间隙,出现了多余的原子。它们可能是同类原子,也可能是异类原子。 异类原子:在一种类型的原子组成的晶格中,不同种类的原子占据原有的原子位置。线缺陷:在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级),另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错(Dislocat
4、ion)形式:刃型位错 螺型位错 混合型位错位错线附近的晶格有相应的畸变,有高于理想晶体的能量;位错线附近异类原子浓度高于平均水平;位错在晶体中可以发生移动,是材料塑性变形基本原因之一;位错与异类原子的作用,位错之间的相互作用,对材料的力学性能有明显的影响。面缺陷:在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级),另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。形式:晶界面 亚晶界面 相界面第三章过冷: 一般地,熔体自然冷却时,随时间延长,温度不断降低,但当冷却到某一温度Tn时,开始结晶,此时随着时间的延长,出现一个温度平台,这一平台温度通常要低于理想的结晶温度T0,这样在低于理想结晶温度以
5、下才能发生结晶的现象过冷。过冷度:实际结晶温度Tn与理想结晶温度T0之差DTT0Tn 称为过冷度。 过冷度的大小随冷却速度的增加而增加过冷度愈大,G愈大,结晶驱动力愈大结晶过程:形核:符合能量条件和结构条件的短程有序集团(尺寸达到 临界尺寸)将成为结晶核心。长大:金属液体中的晶核一旦形成,由于系统自由能降低,晶核将迅速长大直到液体全部消失形核率(N):单位时间在单位母体(液体)的体积内晶核的形成数目称为形核率。一般合金相图是在常压下(P1atm)获得的,所以对于一个合金体系描述相图的参数有三个:成分,温度,相。即相只与温度和成分相关。若以成分(C)为横坐标,T为纵坐标,那么坐标系任一点即表示某
6、一成分合金在某一温度下对应的相.匀晶相图杠杆定律:设 mL和 ma分别为两相的质量,它们满足以下杠杆定律: 共晶反应 :在某一温度下,从液体中同时析出两种固溶体。即:L+7条线:AE、BE为液相线,温度在液相线上,为单一液态;AC、BD为固相线,温度在此以下为单一固溶体;CED:共晶反应线, 对应L+;CG、DH为,固溶体的溶解度变化线, 即:,固溶体的溶解度随温度变化而发生变化的曲线。6个相区:3个单相区:L、 a 、b 3个两相区: L+a, L+ b 、 a +b 注:两个单相区由一个双相区分隔 (相律)1个点:E:共晶成分点, 液体温度最低点。成分在E点以左,为亚共晶(成分在 CE 范
7、围)成分在E点以右,为过共晶(成分在 ED 范围)包晶反应:两组元在液态下无限互溶,固态下有限溶解,并且发生包晶转变:L+ab。Ac 和 bc为两液相线,与其对应的 ad 和 bp 为两固相线;Df 和pg 固溶体、的溶解度随温度变化线;dpc为包晶转变线。相图含三个单相区L、;三个双相区L、L、; 一个三相区 L,水平线dpc为包晶反应线, P点为包晶点,对应包晶反应: L+ab。共析反应:特点:(1)固态反应。(2)类似于共晶反应。(3)共析反应:gab(4) a、b为交替的片层结构。(5) a、b的相对含量符合杠杆定律。稳定化合物(金属间化合物)在相图中的形式:稳定化合物在相图中表现为一
8、直线,可将其视为独立组元,并以其为界将相图分开进行分析。第四章纯铁:-Fe 在770(居里温度)发生由铁磁性转变为顺磁性,即铁磁性消失。工业纯铁的力学性能特点是:强度、硬度低,塑性、韧性好C在钢铁中存在的三种形式:溶入Fe的晶格形成固溶体(间隙固溶体)钢以游离石墨存在于钢铁中铸铁。与铁成金属间化合物 如Fe3C, Fe2C, FeC)金属间化合物石墨性能:耐高温,可导电,润滑性好,强度、硬度、塑性和韧性低。实线为 FeFe3C 相图虚线为 FeC 相图相 C在-Fe中的间隙固溶体,晶体结构为bcc,仅由相形成的组织称为铁素体,记为 F(Ferrite)。 = F相 C在-Fe中的间隙固溶体,晶
9、体结构为fcc,仅由相形成的组织称为奥氏体,记为 A(Austenite)。 = A 相 C在-Fe中的间隙固溶体,晶体结构也为bcc,相出现的温度较高,组织形貌一般不易观察,也有称高温铁素体。Fe3C相 铁与碳生成的间隙化合物,其中碳的重量百分比为6.69%,晶体结构是复杂正交晶系,仅由Fe3C相构成的组织称为渗碳体,依然记为Fe3C,也有写为 Cm(Cementite)。石墨 在铁碳合金中的游离状态下存在的碳为石墨,组织记G(Graphite)。L相 碳在高温下熔入液体,相图中标记 L(Liquid)。这是一包晶反应(1495 C),发生在高温,并且在随后的冷却过程中组织还会发生变化。共晶
10、反应(1148 C),产物共晶体组织称为莱氏体,记为Ld(Ledeburite)共析反应(727 C),产物为F、Fe3C两相层片交替分布的共析体组织,称为珠光体,记为P(Pearlite)(1) ABCD 液相线(2) AHJECF 固相线(3) HJB 包晶反应线 (1495 C) LB+dHAJ (4) ECF 共晶反应线 (1148 C) LC AE+Fe3CI (称为莱氏体)(5) PSK 共析反应线 (727 C)AsFp+Fe3C (称为珠光体)(6) ACM线(ES线) 从奥氏体析出Fe3C的临界温度线 (7) A3线 (GS线)从奥氏体转变为铁素体线五个单相区:液相区 L 高
11、温固溶体 d;g相 (奥氏体 ,A) ;a相 (铁素体 ,F)Fe3C相 (渗碳体,Cm) 七个双相区:L d, L g, L Fe3C,d g,g Fe3C, a g ;a Fe3C三个三相区:HJB线 Ld g;ECK线 L g Fe3C;PSK线 g a Fe3C工业纯铁 (C%0.02%)碳钢 ( C%= 0.02% 2.11 wt %)依据C含量不同,又分为: 亚共析钢:C0.77 wt%白口铸铁 (生铁) (C%= 2.11 6.69 wt %) 依据C含量不同,又分为:亚共晶白口铸铁 C4.3 wt% 灰口铸铁 (C%= 2.11 6.69 wt %) 亚共晶、共晶、过共晶灰口铸
12、铁工业纯铁(C%0.02%):组织: F相:a (F) 共析钢(C%0.77%):组织: P 相: a (F)Fe3C 亚共析钢(C%=0.020.77%):组织: FP 相:a (F)Fe3C组织转变: LL+AAF+AF+P过共析钢(C%=0.772.11%):组织: PFe3CII 相;a (F) Fe3C组织转变:LLA AAFe3CII PFe3CII共晶白口铁(C%4.3%):组织: Ld 相: a (F) Fe3C组织转变 L Ld(A+Fe3CI)A+Fe3CII+Fe3CI (P + Fe3CI (Fe3C))亚共晶白口铁(C%=2.114.3%):组织: PFe3CIILd
13、 相: a (F) Fe3C组织转变 LLAALdAFe3CIILdPFe3CIILd 过共晶白口铁(C%=4.3 6.69%):组织: Fe3CILd 相: a (F) Fe3C组织转变 LL+Fe3CIFe3CI+LdFe3CI+Ld1、各组成相的力学性质:F:软, 塑 Fe3C:硬,脆 P(F+ Fe3C):介入二者之间2、C对性能的影响:随C含量增加,硬度持续增加 ,持续下降 b先增加(C 2.11)后下降(由于网状Fe3C的出现)按含碳量分:低碳钢 WC 0.25 中碳钢 0.25 0.6按用途分:碳素结构钢(建筑材料,如桥梁,房屋,机器零件等) 碳素工具钢 (刀具, 模具等)根据P
14、, S含量的多少普通碳素钢 WP 0.045 WS 0.055 优质碳素钢 WP 0.040 WS 0.040高级优质碳素钢 WP 0.035 WS 0.030根据含氧量: 沸腾钢镇定钢Q275AF普通碳素结构钢(Q:屈服 数字为强度值 A为等级 F为沸腾钢)特点:这一钢种仅关心材料的力学性能,不考察其成分,大多为轧制的型 材(钢板、圆、管、角)。用途:合适的强度,一定的塑性和韧性,价格较低,大量用于普通简单结构零件。如:桥梁,建筑。优质碳素结构钢(数字表示钢中C的含量(万分之几) F表示沸腾钢)特点:这类钢种要求保证 C 含量。 用途:优质碳素结构钢主要用来制造机器零件。一般都要热处理以提高其力学性能。随着C含量的增加,材料的强度和硬度愈高,塑性相应会降低。T12A碳素工具钢(“T” 表示“碳” 数字表示含碳量(千分之几) 全部为优质钢,后缀A为高级优质钢)