机械工程材料学总复习

40.6%
QFe3C
(1 40.6%) 6.69 0.77
13.4%
QFe3C 100% 55.2% 44.8% QP 100% 40.6%13.4% 46%
四、钢的热处理
㈠ 热处理原理 1、加热时的转变 奥氏体化步骤：A形核；A晶核长大；残余渗碳体溶
8、提高耐回火性（淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降 的能力）
9、产生二次硬化(含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火 时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’ 转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象)
10、防止第二类回火脆性：W、Mo (回火脆性 ：淬火钢在某些温度范围内回火时，出现的
QP

0.45 0.0008 0.77 0.0008
100%

58.4%
QF 100% 6.7% 93.3% QF 100% 58.4% 41.6%
1.0 0.77
QFe3C

1.0 0.0008 100% 14.9%QFe3C
6.69 0.0008
产生内吸附；是相变的优先形核部位。
金属的晶粒越细，晶界总面积越大，位错障碍越多； 需要协调的具有不同位向的晶粒越多，使得金属塑性 变形的抗力越高。
晶粒越细，单位体积内同时参与变形的晶粒数目越多, 变形越均匀，在断裂前将发生较大塑性变形。强度和 塑性同时增加，在断裂前消耗的功大，因而韧性也好.
成的固溶体。多为金属元素之间形成的固溶体。
⑵ 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格间隙所形成 的固溶体。
为过渡族金属元素与小原子半径非金属元素组成。 铁素体：碳在-Fe中的固溶体。 奥氏体：碳在-Fe中的固溶体。 马氏体：碳在-Fe中的过饱和固溶体。 固溶强化：随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度
提高，塑性、韧性下降的现象。
马氏体的硬度主要取决于其含碳量，并随含碳量增加 而提高。
⑵ 金属化合物：与组成元素晶体结构均不相同的固相. ① 正常价化合物 如Mg2Si ② 电子化合物 如Cu3Sn ③ 间隙化合物：由过度族元素与C、N、H、B等小原
子半径的非金属元素组成。 分为结构简单的间隙相和复杂结构的间隙化合物。
② 线缺陷——位错 晶格中一部分晶体相对另一部分晶体沿某一晶面发生局
部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交接线。 ③ 面缺陷——晶界和亚晶界 亚晶粒：组成晶粒的尺寸很小、位向差也很小的小晶。
亚晶界：亚晶粒之间的交界面。 ④ 晶界的特点： 原子排列不规则；阻碍位错运动；熔点低；耐蚀性低；
杠杆定律：只适用于两相区。 枝晶偏析：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分
不均匀的现象。 2、合金中的固态相变 ⑴ 固溶体转变：AF ⑵ 共析转变：AP(F+Fe3C) ⑶ 二次析出：AFe3CⅡ
⑷ 奥氏体化 ⑸ 过冷奥氏体转变 ⑹ 固溶处理+时效： 固溶处理是指将合金加热到固溶线以上，保温并淬

100% 6.69 0.77
3.9%
QF 100%14.9% 85.1% QP 100% 3.9% 96.1%
3.0 2.11
QF

6.69 3.0 100% 6.69 0.0008

55.2%QLe '

4.3
100% 2.11
2.11 0.77

温 度
A N
L+
HB J
A+
L D
相区标注
L+A AE
C L+ Fe3C F
组织组成物标注
A+ Fe3C
复相组织组成物： 珠光体P(F+ Fe3C)
G F
A+F
P
A+
Le
S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Le Le+ Fe3CⅠ
P
F+ Fe3C
K
莱氏体Le(A+ Fe3C)
P+
Le’
Q P+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ
冲击韧性下降的现象。)
三、组织
㈠ 纯金属的组织 1、结晶：金属由液态转变为晶体的过程 ⑴ 结晶的条件——过冷：在理论结晶温度以下发生
结晶的现象。 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。 ⑵ 结晶的基本过程——晶核形成与晶核长大 形核——自发形核与非自发形核 长大——均匀长大与树枝状长大
合金的强度、硬度越高，塑韧性略有下降的现象。 ⑸ 固溶体与化合物的区别：①结构；②性能；③表达
方式
合金元素在钢中的作用
1、强化铁素体； 2、形成化合物——第二相强化 3、扩大（C,Mn,Ni,Co）或缩小（Cr,Si,W,Mo）A相区 4、使S、E点左移 5、影响A化 6、溶于A(除Co外), 使C曲线右移, Vk减小, 淬透性提高。 7、除Co、Al外，使Ms、Mf点下降。
回火脆性。
二、晶体结构
㈠ 纯金属的晶体结构 1、理想金属 ⑴ 晶体：原子呈规则排列的固体。 晶格：表示原子排列规律的空间格架。 晶胞：晶格中代表原子排列规律的最小几何单元。
⑵ 三种常见纯金属的晶体结构
晶格常数
体心立方 a
面心立方 a
密排六方
a、c
原子半径 原子个数
3a 4
2
2a 4
1a 2
4
6
配位数
8
12
12
致密度
0.68
0.74
0.74
滑移面 {110}×6
{111} ×4 六方底面×1
滑移方向 <111> ×2 <110> ×3 底面对角×3
滑移系
12
12
3
常见金属 -Fe、Cr、W -Fe、Ni、Al Mg、Zn
⑶ 立方晶系的晶面指数和晶向指数
①晶面指数：晶面三坐标截距值倒数取整加（ ）
②晶向指数：晶向上任一点坐标值取整加 [ ]
立方晶系常见的晶面和晶向
⑷ 晶面族与晶向族
指数不同但原子排列完全相同的
a
晶面或晶向。
3
⑸密排面和密排方向 ——同滑移面与滑移方向
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在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。
2、实际金属 ⑴ 多晶体结构：由多晶粒组成的晶体结构。 晶粒：组成金属的方位不同、外形不规则的小晶体. 晶界：晶粒之间的交界面。 ⑵ 晶体缺陷—晶格不完整的部位 ① 点缺陷 空位：晶格中的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子。
⑹ 断裂韧性：材料抵抗内部裂纹扩展的能力。指标 为K1C。
2、化学性能 ⑴ 耐蚀性：材料在介质中抵抗腐蚀的能力。 ⑵ 抗氧化性：材料在高温下抵抗氧化作用的能力。 3、耐磨性：材料抵抗磨损的能力。
㈡ 工艺性能 1、铸造性能：液态金属的流动性、填充性、收缩
率、偏析倾向。 2、锻造性能：成型性与变形抗力。 3、切削性能：对刀具的磨损、断屑能力及导热性. 4、焊接性能：产生焊接缺陷的倾向。 5、热处理性能：淬透性、耐回火性、二次硬化、
3、再结晶 ⑴再结晶条件：冷塑性变形 ⑵加热时的变化：回复→再结晶→晶粒长大 再结晶：冷变形组织在加热时重新彻底改组的过程.
再结晶不是相变过程。 ⑶ 再结晶温度：发生再结晶的最低温度。 纯金属的最低再结晶温度T再0.4T熔 ⑷ 影响再结晶晶粒度的因素：①加热温度和时间； ②预先变形程度
火后获得过饱和的单相固溶体组织的处理。 时效是指将过饱和的固溶体加热到固溶线以下某温
度保温，以析出弥散强化相的热处理。
3、铁碳合金相图 点：符号、成分、温度
线：液固相线、水
A 1538℃ D 1227℃
N 1394℃ G 912℃
HJB 1495℃ ECF 1148℃ PSK 727℃
平线、固溶线、固 溶体转变线
MS Mf
P
? M+A’
M回
M+A’
T+M+A’
?
T+B下+M+A’
S
PP B下
时间
3、回火时的转变 碳钢：马氏体的分解 ；残余奥氏体分解 ；-碳化物转
4、塑性变形： 金属塑性变形方式：滑移和孪生 ⑴ 滑移的特点： ①只能在切应力的作用下发生； ②沿密排面和密排方向发生； ③位移量是原子间距整数倍； ④伴随着转动 滑移的机理：通过位错运动实现。
孪生特点： ①孪生使晶格位向发生改变；②所需切应力比滑移大
得多，变形速度极快，接近于声速；③孪生时相邻原 子面的相对位移量小于一个原子间距。 ⑵ 冷热加工：以再结晶温度划分 ① 冷加工组织：晶粒被拉长压扁、亚结构细化、 织构：变形量大时，大部分晶粒的某一位向与外力趋 于一致的现象。
强碳化物形成元素：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Fe3C
⑶ 性能比较：强度：固溶体纯金属

硬度：化合物固溶体纯金属

塑性：化合物固溶体纯金属
⑷ 金属化合物形态对性能的影响 ① 基体、晶界网状：强韧性低 ② 晶内片状：强硬度提高，塑韧性降低 ③ 颗粒状： 弥散强化：第二相颗粒越细，数量越多，分布越均匀,
解；A成分均匀化。 奥氏体化后的晶粒度： 初始晶粒度：奥氏体化刚结束时的晶粒度。 实际晶粒度：给定温度下奥氏体的晶粒度。 本质晶粒度：加热时奥氏体晶粒的长大倾向。
2、冷却时的转变 ⑴ 等温转变曲线及产物
A1
650℃
600℃ 550℃
过冷A 过冷A 过冷A A→T
A→S
350℃
MS Mf
加工硬化： 随冷塑性变形量增加，金属的强度、 硬度提高，塑性、韧性下降的现象。
冷加工使内应力增加，耐蚀性下降，提高。 ② 热加工：形成纤维组织、带状组织 纤维组织使热加工金属产生各向异性，加工零件时
应考虑使流线方向与拉应力方向一致。
㈡ 合金的组织 1、相图
匀晶L 共晶L+ 共析 + 包晶L+
⑶ 结晶晶粒度控制方法：①增加过冷度；②变质处 理；③机械振动、搅拌
2、纯金属中的固态转变 同素异构转变：物质在固态下晶体结构随温度而发
生变化的现象。 固态转变的特点：①形核部位特殊；②过冷倾向大;
③伴随着体积变化。 铁的同素异构转变：-Fe13⇄94℃-Fe9⇄12℃-Fe
过冷A
A→B上
过冷A A→M
A→P
A→B下
P S T
B上
B下 M+A’ M
时间
⑵ 用C曲线定性说明连续冷却转变产物
根据与C曲线交点位置判断转变产物
细A 均匀A
A1
等温退火
退火
500-650℃
正火
(炉冷)
(空冷)
350-500℃S回
淬火 (油冷)
? T+S回
?
淬火
分级淬T回火
等温淬火
S
P
(水冷) 150-250℃
Le’(P+Fe3C) Fe F+ Fe3CⅢ
C%
Fe3C
典型合金的结晶过程（以共析钢为例）
温 度
时间
杠杆定律的应用
合金 相的相对重量百分比 组织组成物的相对重 量百分比
45钢
T10钢
含碳 3.0%亚 共晶白
口铁
QFe3C

0.45 0.0008 100% 6.69 0.0008

6.7%
细晶强化：通过细化晶粒来提高强度、硬度和塑性、 韧性的方法。
㈡ 合金的晶体结构 合金：由两种或两种以上元素组成的具有金属特性
的物质。如碳钢、合金钢、铸铁、有色合金。 相：金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其
他部分有界面分开的均匀组成部分。 1、固溶体：与组成元素之一的晶体结构相同的固相. ⑴ 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点位置形
条件屈服强度 0.2—残余塑变为0.2%时的应力。 疲劳强度 -1—无数次交变应力作用下不发生破坏
的最大应力。 ⑶ 塑性：材料断裂前承受最大塑性变形的能力。
指标为、。 ⑷ 硬度：材料抵抗局部塑性变形的能力。指标为
HB、HRC。
⑸ 冲击韧性：材料抵抗冲击破坏的能力。指标为αk. 材料的使用温度应在冷脆转变温度以上。
《机械工程材料》
总复习
结晶 塑性变形
热处理
工业用钢 铸铁
有色金属及其合金
纯金属 合金
使用性能 工艺性能
一、性能
㈠ 使用性能 1、力学性能 ⑴ 刚度：材料抵抗弹性变形的能力。 指标为弹性模量：E=/ ⑵ 强度：材料抵抗变形和破坏的能力。指标： 抗拉强度 b—材料断裂前承受的最大应力。 屈服强度 s—材料产生微量塑性变形时的应力。