工程材料学复习笔记

基本概念

填空

1. 在科学研究和生产实际中常用硬度评价材料的软硬程度，用强度评价材料在外力作用下抵抗变形或断裂的能力，用塑性评价材料在外力作用下产生塑性变形而本身又不被破坏的能力。

2. 机械设计时常用抗拉强度和屈服强度两种强度指标。

3. 金属材料常用的力学性能指标：抗拉强度用 \(\sigma_{b}\) 表示；屈服强度用屈服点\(\sigma_{s}\)表示；硬度常用洛氏硬度和维氏硬度表示；塑性指标用 延伸率\(\delta\)和断面收缩率\(\psi\)表示，其中断面收缩率表示塑性更接近材料的真实变形；冲击韧度用冲击韧性表示。

4. 屈强比是指屈服极限与强度极限之比，其物理意义是屈强比越小，工程构件越可靠。

5. 材料的主要工艺性能有铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能和切削加工性。

6. 金属中常见的三种晶格类型是体心立方结构、面心立方结构和密排立方结构。

7. \(\alpha\)-Fe和\(\gamma\)-Fe的晶格结构分别是体心立方结构和面心立方结构。

8. 按几何形式，实际金属中晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。

   其中，点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子；

   线缺陷的基本类型有刃型位错和螺形位错；

   面缺陷主要指晶界和亚晶界；

   实际晶体的强度比理想晶体的强度低。

9. 为了使金属结晶过程得以进行，必须具有一定的过冷度，它是理论结晶温度与实际结晶温度的差值。

10. 液态金属结晶的基本过程是晶核生长；结晶时常用的细化晶粒方法有降低熔液的浇注温度、变质处理和震动搅拌。

11. 根据组成合金各组元间的相互作用不同，合金的相结构分为两大类：固溶体、金属间化合物。

12. 固溶体的晶格结构与溶质相同， 其强度、硬度比溶剂金属高。

13. 金属的冷加工与热加工是按金属的再结晶温度来划分的， 因此铜(\(T_{m}=1084^{\circ}C\))在室温下变形加工称为冷加工；而锡(\(T_{m}=232^{\circ}C\))在室温下变形加工称为热加工。

14. 变形金属经再结晶后的晶粒度主要取决于加热温度和保温时间。

15. F和A分别是碳在\(\alpha-Fe\)、\(\gamma-Fe\)中所形成的间隙固溶体，它们的晶格结构分别是体心立方晶格和面心立方晶格。

16. 珠光体是铁素体和渗碳体混合在一起形成的机械混合物。

17. 按\(Fe-Fe_{3}C\)相图，铁碳合金可分为三大类，分别是工业纯铁、钢、白口铸铁。

18. 在\(Fe-Fe_{3}C\)相图中，钢与铸铁分界点的含碳量为2.11%。

19. 在\(Fe-Fe_{3}C\)相图中，共晶点的含碳量为4.3%，共析点的含碳量为0.77%。

20. 在\(Fe-Fe_{3}C\)相图中，共晶转变温度是1148℃，共析转变温度是727℃。

21. 在\(Fe-Fe_{3}C\)相图中，碳在奧氏体中的最大溶解度点为2.11%。

22. \(w_{c}\)=0.4%的室温平衡组织为铁素体和珠光体，\(w_{c}\)=1.0%钢的室温平衡组织为珠光体和二次渗碳体。

23. 若退火亚共析钢试样中F占41.6%，P占58.4%，则此钢的含碳量为**58.4%*0.77%=0.45%**。

24. 根据共析钢的C曲线，过冷奥氏体在A线以下转变的产物类型有珠光体P、贝氏体B和马氏体M。

25. 贝氏体的显微组织形态主要有上贝氏体和下贝氏体两种，其中下贝氏体的综合性能好。

26. 马氏体是碳溶于\(\boldsymbol{\alpha-Fe}\)中形成的过饱和固溶体。

27. 碳钢低温回火的温度范围为150℃~250℃，回火后组织为回火马氏体。

28. 碳钢中温回火的温度范围为350℃~500℃，回火后组织为回火屈氏体。

29. 碳钢高温回火的温度范围为500℃~650℃，回火后组织为回火索氏体。

30. 除Co以外，合金元素的加入均使钢的C曲线向右移，淬火临界冷却速度升高，钢的淬透性变好，所以35CrMo钢比35钢的淬透性好。

31. 钢渗碳的目的是为了得到高硬度、耐磨性和疲劳强度的表面，同时心部保持较好的韧性及塑性。

32. 一般表面淬火钢应选高碳钢，渗碳件应选低碳钢。

33. 钢的质量是按硫（S）和磷（P）含量的高低进行分类。

34. 钢中的S元素引起热脆，P元素引起冷脆。

35. Q235A属于碳素结构钢， 其中“A"的含义是A级质量等级。

36. 16Mn属于低合金高强度结构钢，其含碳量约为0.1%-0.25%。

37. 调质件应选用高碳钢，渗碳件应选用低碳钢。

38. 根据合金的成分和生产工艺特点。将铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。

39. 形变铝合金按其主要性能和用途分为防锈铝合金、硬铝合金、超硬铝合金和锻铝合金。其中防锈铝合金强度最低。

40. 铜合金分为青铜、黄铜和白铜三类。

41. 轴承合金用于制造轴承的轴瓦和内衬，常用的轴承合金有锡基、铅基和铜基轴承合金。

42. 常用高分子材料有塑料，橡胶和合成纤维。

43. 玻璃钢是玻璃纤维和树脂组合成的复合材料。

简答

1、硬度与耐磨性关系如何?

材料的硬度越高，耐磨性越好，故常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标之一。但是耐磨性好的材料不一定硬度高。

2、布氏硬度和洛氏硬度主要用来测定哪些材料的硬度?有何优缺点?

一般来说布氏硬度用来检测较软的材料（例如铝合金，退火、正火态钢铁），洛氏硬度用来检测较硬的材料（淬火态钢铁）

• 洛氏硬度计的优点：
  • 因有硬质、软质两种压头，故适于各种不同硬质材料的检验，不存在压头变形问题。
  • 压痕小，不伤工件表面。
  • 操作迅速，立即得出数据，生产效率高，适用于大量生产中的成品检验。
• 洛氏硬度检测仪缺点是：
  • 用不同硬度级测得的硬度值无法统一起来，无法进行比较。
  • 对工件的大小有限制。

3、名词解释：各向异性、位错强化、细晶强化

各向异性：

在单晶体中，不同晶面和晶面上各种性能不同的现象被称为各向异性。

位错强化：

塑性变形时，位错的运动是比较复杂的，位错之间相互反应、位错受到阻碍不断塞积、材料中的溶质原子、第二相等都会阻碍位错运动，从而使材料出现加工硬化。

细晶强化：

通常金属是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可以用单位体积内晶粒的数目来表示，数目越多，晶粒越细。实验表明，在常温(下的细晶粒金属比粗晶粒金属有更高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为细晶粒受到外力发生塑性变形可分散在更多的晶粒内进行，塑性变形较均匀，应力集中较小；此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越不利于裂纹的扩展。故工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法称为细晶强化。

4、试比较下列铸造条件下(其它条件相同)，铸件晶粒的大小

①砂型铸造与金属型铸造；②厚壁铸件与薄壁铸件；③加变质剂与不加变质剂；④浇注时振动与不振动；⑤高温浇注与低温浇注。

①：金属型铸造比砂型铸造晶粒小，金属型过冷度大于砂型;

②：薄壁铸件比厚壁铸件晶粒小，薄壁铸件散热快;

③：正常结晶比加变质剂结晶晶粒大，加变质剂可细化晶粒。

④：正常结晶比附加振动结晶晶粒大，附加振动可细化晶粒。

⑤： 高温浇注的比低温的晶粒要粗大。

5、名词解释：固溶强化

溶质原子使得原固溶体的强度和硬度升高，且塑性和韧性没有明显的降低。这一现象被称为固溶强化。

6、名词解释：加工硬化、再结晶

加工硬化：

随着冷变形程度的增加，金属材料强度和硬度指标都有所提高，但塑性、韧性有所下降的现象。

再结晶：

再结晶就是变形晶粒内通过重新成核和核长大，形成无应变等轴新晶粒的过程。

7、热加工对金属的组织和性能有何影响?钢材在热变形加工(锻造)时，为什么不出现硬化现象?

• 细化晶粒

• 形成纤维组织

• 消除组织缺陷

• 形成带状组织

热加工在塑性变形时产生的加工硬化和组织变化，会被随即而来的再结晶消除，形成缺陷较少的等轴晶粒。

8、用一根冷拉钢丝绳吊装一大型工件进入热处理炉，并随工件一起加热到1000C保温，当出炉后再次吊装工件时，钢丝绳发生断裂，试分析其原因

冷拉钢丝绳是利用加工硬化效应提高其强度的，在这种状态下的钢丝中晶体缺陷密度增大，强度增加，处于加工硬化状态。在1000℃时保温，钢丝将发生回复、再结晶和晶粒长大过程，组织和结构恢复到软化状态。在这一系列变化中，冷拉钢丝的加工硬化效果将消失，强度下降，在再次起吊时，钢丝将被拉长，发生塑性变形，横截面积减小，强度将比保温前低，所以发生断裂。

9、什么是同素异构转变

金属的晶体结构随温度变化而改变的现象称为同素异构转变。

10、名词解释：热处理工艺

热处理工艺：

热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。

11、名词解释：退火、正火、淬火、回火、回火脆性、淬透性、淬硬性、调质处理、表面淬火

退火：

把钢加热到高或低于临界点的某一温度，保温一段时间，然后缓慢冷却以获得接近平衡组织的一项热处理工艺。

正火：

将钢构件加热到Ac3温度以上30〜50℃后，保温一段时间出炉空冷。

淬火：

将钢加热到高于临介点的温度，保温一段时间，以大于临界冷却速度在冷却介质中急速冷却，使过冷奥氏体转变为下贝氏体或马氏体的热处理方法。

回火：

将已经淬火的钢重新加热到温度低于Ac1的某个温度，保温后用一定方式冷却的热处理工艺。

回火脆性：

在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现像。

淬透性：

钢在淬火时获得马氏体的能力。

淬硬性：

钢在淬火时的硬化能力。

调质处理：

通常把淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理。

表面淬火：

对工件表面进行快速加热与淬火冷却相结合的热处理工艺。

12、名词解释：回火稳定性、二次硬化

回火稳定性：

淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。

二次硬化：

含有某些元素的钢在500~600℃回火后，硬度又有所增加的现象。

13、以下20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮工艺路线，说明各热处理工艺的名称和作用

锻造→（热处理1）→加工齿轮→渗碳→（热处理2）→（热处理3）→喷丸→磨齿（精磨）

热处理1：

正火，改善切削加工性能，为后续加工做准备

热处理2、3：

淬火、低温回火，提高材料的硬度强度和耐磨性

14、以下是连杆零件的加工工艺路线，说明各热处理工艺的名称和作用

下料→锻造→（热处理1）→机加工→（热处理2）→检验硬度→加工螺纹→装配

热处理1：

正火，改善切削加工性能

热处理2；

调质处理，提高工件的韧性和结构强度

15、简述常用工程塑料的种类、性能特点和应用

PVC：化学稳定性高，抗老化好，耐热差

PE：化学稳定性好，耐水性好，低温韧性大，强度不高

PP：质轻，耐热性，刚性，抗水性好， 低温脆性高

PA：强度和韧性好，而蚀性好，导热性差

PMMA：透光性好，耐热性和抗老化性好，加工方便， 耐磨

ABS：化学稳定性和绝缘性好，易于加工，长期使用易起层

16、高分子材料的力学性能有哪些？

相饮于金属，高分子材科:

1. 低强度和较高的比强度
2. 高弹性和低弹性模量
3. 粘弹性
4. 高耐害性.

Fe-Fe₃C合金相图

组元

• Fe:
  • 912°C以下，α-Fe，体心立方结构
  • 912°C ~ 1394°C，γ-Fe，面心立方结构
  • 1394°C以上，δ-Fe，体心立方结构
• Fe₃C，渗碳体：含碳量6.69%
• C
• 铁素体：C在α-Fe中的间隙固溶物，记作α或F
• 奥氏体：C在γ-Fe中的间隙固溶物，记作γ或A
• δ相：C在δ-Fe中的间隙固溶物，记又称为高温铁素体
• 石墨：游离的碳，记作G
• 液相：记作L

相图

数值以下面的为准

相区

• 单相区
  • L
  • δ
  • γ（A）
  • α（F）
  • Fe₃C
• 双相区
  • L+δ
  • L+γ（A）
  • L+Fe₃C
  • δ+γ（A）
  • γ（A）+Fe₃C
  • α（F）+Fe₃C
  • γ（A）+α（F）
• 三相区
  • HIB线：包晶反应线，L+δ+γ（A），1495°C
  • ECF线：共晶反应线，L+γ（A）+Fe₃C，1148°C
  • PSK线：共析反应线，γ（A）+α（F）+Fe₃C，727°C
• 三根线
  • PSK：\(A_{1}\)
  • GS：\(A_{3}\)
  • ES：\(A_{cm}\)

恒温转变

\[ L_{0.53}+\delta_{0.09} \stackrel{1495^{\circ} \mathrm{C}}{\longrightarrow} \gamma_{0.17} \]

包晶反应，其中下标为含碳量。 \[ L_{4.3} \stackrel{1148^{\circ} \mathrm{C}}{\longrightarrow} \gamma_{2.11}+F e_{3} C \] 共晶反应，其产物为莱氏体，记为Ld。 \[ \gamma_{0.77} \stackrel{727^{\circ} \mathrm{C}}{\longrightarrow} \alpha_{0.0218}+F e_{3} C \] 共析反应，其产物为珠光体，记为P。

各点的意义

特性点	温度/°C	含碳量/%	含义
A	1538	0	铁的熔点
B	1495	0.53	包晶反应时液体的组成成分
C	1148	4.3	共晶点
D	1227	6.69	Fe3C的熔点
E	1148	2.11	γ（A）中的最大溶碳量
F	1148	6.69	Fe3C的成分
G	912	0	α-Fe和γ-Fe的同素异构转变点
H	1495	0.09	δ固溶体中的最大溶碳量
I	1495	0.17	包晶点
K	727	6.69	Fe3C的成分
N	1349	0	δ-Fe和γ-Fe的同素异构转变点
P	727	0.0218	α（F）中的最大溶碳量
S	727	0.77	共析点
Q	室温	0.0008	室温时α（F）中的溶碳量

计算

1、室温下\(w_{c}=0.2\%\)的钢中珠光体和铁素体相对量

\[ Q_{F}=\frac{0.77-0.2}{0.77-0.0217} \approx 77.02\% \]

\[ Q_{P}=1-Q_{F} \approx 22.98\% \]

2、室温下\(w_{c}=1.2\%\)的钢中珠光体和二次渗碳体的相对量

\[ Q_{Fe_{3}C_{Ⅱ}}=\frac{1.2-0.77}{6.69-0.77} \approx 7.3\% \] \[ Q_{P} = 1- Q_{Fe_{3}C_{Ⅱ}} \approx 92.7\% \]

钢的冷却曲线

共析钢

三种产物转变

• 珠光体型转变

  • \(A_{1}\) ~ 650℃ 珠光体（P） 粗片状珠光体
  • 650℃ ~ 600℃ 索氏体（S） 细片状珠光体
  • 600℃ ~ 550℃ 屈式体（T） 极细片状珠光体

  片间距越小、强度硬度越大、塑性韧性越大

• 贝氏体型转变

  • 550℃ ~ 350 ℃ 上贝氏体（\(B_{上}\)）
  • 350℃ ~ 230℃ 下贝氏体（\(B_{下}\)）

• 马氏体型转变

  • < 230℃ 马氏体（M） 碳在\(\alpha-Fe\)中的过饱和固溶体

亚共析钢和过共析钢的TTT图

• 亚共析钢多一条奥氏体——铁素体转变线
• 过共析钢多一条奥氏体——渗碳体转变线
• 共析钢的连续转变中没有贝氏体转变