工程材料学知识要点

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：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} <110>bcc {110} <111>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（Dislocation）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T＝T0－Tn 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，ΔG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（P＝1atm）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→α+β7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→α+β；CG、DH为α，β固溶体的溶解度变化线，即：α，β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、α、β 3个两相区： L+α, L+ β、α +β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+α→β。

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α、β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、α、β；三个双相区L＋α、L＋β、α＋β；一个三相区 L＋α＋β，水平线dpc为包晶反应线， P点为包晶点，对应包晶反应： L+α→β。

共析反应：特点：（1）固态反应。

（2）类似于共晶反应。

（3）共析反应：γ→α＋β（4）α、β为交替的片层结构。

（5）α、β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：α-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 Fe－Fe3C 相图虚线为 Fe－C 相图α相 C在α-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为bcc，仅由α相形成的组织称为铁素体，记为 F(Ferrite)。

α= Fγ相 C在γ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构为fcc，仅由γ相形成的组织称为奥氏体，记为 A(Austenite)。

γ= Aδ相 C在δ-Fe中的间隙固溶体，晶体结构也为bcc，δ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)。

的冷却过程中组织还会发生变化。

Ld(Ledeburite)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) L B+δH←→A J（4） ECF ―共晶反应线 (1148 C) L C←→ A E+Fe3C I (称为莱氏体)（5） PSK ―共析反应线 (727 C)As←→Fp+Fe3C (称为珠光体)（6） A CM线（ES线）―从奥氏体析出Fe3CⅡ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 高温固溶体δ；γ相（奥氏体，A) ；α相（铁素体，F) Fe3C相（渗碳体，Cm）七个双相区：L＋δ， L＋γ， L＋ Fe3C，δ＋γ，γ＋ Fe3C，α＋γ；α＋Fe3C三个三相区：HJB线 L＋δ＋γ；ECK线 L ＋γ＋ Fe3C；PSK线γ＋α＋Fe3C工业纯铁 (C%<0.02%)碳钢）依据C含量不同，又分为：亚共析钢：C<0.77 wt% 共析钢： C=0.77 wt% 过共析钢：C>0.77 wt%白口铸铁 (生铁）（）依据C含量不同，又分为：亚共晶白口铸铁 C<4.3 wt% 共晶白口铸铁 C=4.3 wt% 过共晶白口铸铁 C>4.3 wt% 灰口铸铁（）亚共晶、共晶、过共晶灰口铸铁工业纯铁(C%<0.02%)：组织：F相：α (F)共析钢(C%≈0.77%)：组织：P 相：α(F)＋Fe3C亚共析钢：组织：F＋P 相：α (F)＋Fe 3C组织转变： L→L+A→A→F+A→F+P过共析钢：组织：P＋Fe 3C II相；α (F) ＋Fe3C组织转变：L→L＋A →A→A＋Fe3C II→P＋Fe3C II共晶白口铁(C%≈4.3%)：组织：L’d 相：α (F) ＋Fe3C组织转变 L → Ld（A+Fe3C I)→A+Fe3C II+Fe3C I → (P + Fe3C I（Fe3CⅡ)）亚共晶白口铁(C%=2.11~4.3%)：组织：P＋Fe3C II＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C组织转变L→L＋A→A＋Ld→A＋Fe3C II＋Ld→P＋Fe3C II＋L’d过共晶白口铁(C%=4.3 ~ 6.69%)：组织：Fe3C I＋L’d 相：α (F) ＋Fe3C组织转变 L→L+Fe3C I→Fe3C I+Ld→Fe3C I+L’d1、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δ,ψ持续下降σb先增加（C 2.11％）后下降（由于网状Fe3CⅡ的出现）按含碳量分：低碳钢 W C≤ 0.25％中碳钢 0.25％ < W C≤ 0.6％高碳钢 W C>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， S含量的多少普通碳素钢 W P≤ 0.045％ W S≤ 0.055％优质碳素钢 W P≤ 0.040％ W S≤ 0.040％高级优质碳素钢 W P≤ 0.035％ W S≤ 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）特点：过共析钢，组织为：颗粒状的碳化物＋球化珠光体（经球化退火），可以直接进行机械加工。

用途：碳素工具钢的硬度高、变形量小，适合用于量具，刃具，模具。