工程材料及成形技术 - 电子教材0(2)

性能指标工程意义：结合材料的拉伸试验引出材料的抗拉强度和屈服强度的概念，这两个指标在工程设计中的意义。一个是设计机械零件的强度指标，一个是安全性指标（配合延伸率）。硬度是材料局部强度的指标。疲劳是材料在循环作用下的安全指标。断裂韧性也是材料安全性指标，这一指标更注重材料缺陷方面的安全性。

第二章 金属材料的凝固与固态相变

2.1 纯金属的结晶

2.1.1 凝固的基本概念

结晶：原子由近程有序状态转变为长程有序状态的过程。 过冷度概念: 理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用ΔT表示。 结晶的必要和充分条件是具有一定的过冷度

2.1.2 金属的结晶

金属的结晶过程：形核和长大两个过程。

自发形核（均质形核）、非自发形核（异质形核）影响形核和长大的因素：(1)过冷度的影响 (2)难熔杂质的影响晶粒大小及控制方法。 1) 增大过冷度

2)变质处理2.1.3 材料的同素异构现象

晶体的同素异构：有些晶体随着外界条件(如温度、压力)的变化而具有不同类型的晶体结构，称为同素异构现象。

铁发生同素异构转变，不仅晶体结构发生变化，而且体积也发生改变，这是钢铁可进行热处理主要原因。

2.2 合金的凝固

2.2.1 二元合金相图与凝固

1． 匀晶相图；

两组元在液态和固态均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。 杠杆定律：

设合金的质量为Q合金 , 其中 Ni质量分数为b%, 在 T1温度时, L相中的 Ni质量分数为a%, α相中的Ni质量分数为c%。

则合金中含Ni的总质量=L相中含Ni的质量+ α相中含Ni的质量

即 因为 所以

化简后得

c-b为线段 bc的长度; b-a为线段 ab的长度。 故得：

或

这个式子与力学中的杠杆定律相似, 因而亦被称作杠杆定律。由杠杆定律不难算出合金中液相和固相在合金中所占的质量分数（即相对质量）分别为：

运用杠杆定律时要注意, 它只适用于相图中的两相区, 并且只能在平衡状态下使用。杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点, 而支点为合金的成分点。 2.共晶相图：

两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解(或不溶)，并在结晶时发生共晶转变所构成的相图称为二元共晶相图

恒温LE?????C??N共晶反应式

2.2.2 合金的性能与相图的关系

1．合金的使用性能与相图的关系；2．合金的工艺性能与相图的关系 2.2.3 铸锭(件)的凝固

2.3 铁碳合金平衡态的相变基础

2.3.1 Fe—Fe3C相图 1．铁碳合金的相结构与性能 2．相图分析

3.相图中重要三条水平线

2.3.2 铁碳合金在平衡状态下的相变；

2.4 钢在加热时的转变

2.4.1 钢在实际加热时的转变点 2.4.2 奥氏体的形成过程及影响因素

1．奥氏体的形成过程；2．奥氏体形成的影响因素

2.5 钢在冷却时的转变

钢在奥氏体化后的冷却过程决定了冷却后钢的组织类型和性能。 热处理时常用的冷却方式有两种：

一是等温冷却；二是连续冷却。

过冷奥氏体的转变可分为三种基本类型，即珠光体型转变(扩散型转变)、贝氏体型转变(过渡型或半扩散型转变)和马氏体型转变(无扩散型转变)。

2.5.1 过冷奥氏体等温转变图

C曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线，右边一条线为过冷奥氏体转变终了线。该曲线下部还有两条水平

线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。 1．含碳量的影响 2．合金元素的影响

3 奥氏体化温度和保温时间的影响 2.5.2 过冷奥氏体连续冷却转变图 2.5.3 过冷奥氏体的转变产物及性能

珠光体类型组织、贝氏体类型组织和马氏体类型

第三章 金属材料的塑性变形

3.1 单晶体和多晶体的塑性变形

3.1.1单晶体的塑性变形

单晶体的塑性变形有两种,即滑移和孪生。

滑移是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分发生的滑动。

滑移是通过位错的运动来实现的。

孪生是指在切应力作用下，晶体的一部分沿一定的晶面（孪晶面）和晶向（挛晶方向）相对于另一部分所发生的切变表现为各向同性特性 3.1.2 多晶体金属塑性变形的特点

1.晶粒取向对塑性变形的影响2．晶界对塑性变形的影响

细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。表现为各向异性特性。大量的图标见讲稿。

3.2 金属的形变强化

3.2.1 形变强化现象

金属经过冷态下的塑性变形后其性能发生很大的变化，最明显的特点强度随塑性变形的增加而大为提高，其塑性却随之有较大的降低：这种现象称为“形变强化”，也称为加工硬化或冷作硬化。

3.2.2 塑性变形后金属的组织结构变化 3.2.3 塑性变形产生的残余应力

3.3 塑性变形金属在加热时组织和性能的变化

3.3.1 回复

加工硬化后的金属，在加热到一定温度后．原子获得热能，使原子得以恢复正常排列，消除了晶格扭曲．可使加工硬化得到部分消除。这一过程称为“回复”，这时的温度称为回复温度。 3.3.2 再结晶

当温度继续升高到该金属熔点热力学温度的0.4倍时，金属原子获得更多的热能，则开始以某些碎晶或杂质为核心结晶成新晶粒，从而消除了残余应力和加工硬化现象。这个过程称为再结晶，这时的温度称为最低再结晶温度

利用金属的形变强化可提高金属的强度，这是工业生产中强化金属材料的一种手段。在塑性加工生产中，加工硬化给金属继续进行塑性变形带来困难，应加以消除。常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性。 3.3.3 晶粒长大 3.3.4 冷变形和热变形

凡在金属的再结晶温度以下进行的塑性变形称为冷加工；而在再结晶温度以上进行的塑性变形称为热加工。热加工通常不会带来强化效果。

3.5 金属纤维组织及其应用

为了获得具有最好力学性能的零件，在设计和制造零件时，都应使零件在工作中产生的最大正应力方向与纤维方向一致，最大切应力方向与纤维方向垂直，并使纤维分布与零件的轮廓相符合，尽量使纤维组织不被切断。

3.4 塑性加工性能及影响因素

3.4.1 塑性加工性能及其指标

塑性加工性能常用金属的塑性和变形抗力来综合衡量。 3.4.2 塑性加工性能的影响因素 1．金属的本质：2．加工条件：

第四章金属材料热处理

金属材料的热处理是金属材料在固态下，通过适当的方式进行加热、保温和冷却．改变材料内部组织结构，从而改善材料性能的一种工艺方法，也称之为金属材料的改性处理。

4.1 退火与正火

在机械零件或工具的加工制造过程中，退火与正火常作为预备热处理。 4.1.1 退火

退火是将钢加热到预定温度，保温一定时问后缓慢冷却(通常随炉冷却)，获得接近于平衡组织的热处理工艺。 1．完全退火 2.球化退火

3.扩散退火（均匀化退火） 4.去应力退火 4.1.2 正火

正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(共析和过共析钢)

以上30—50 ℃ ，保温适当时间后在静止空气中冷却的热处理工艺。

4.2 钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50度，经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处理工艺。

目的：淬火可以使钢件获得马氏体和贝氏体组织，以提高钢的力学性能。 淬火是强化钢件的最主要的而且是最常用的热处理方法。

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