1、材料结构与组织复习资料1. 金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料。金属材料通常是指由金属元素、金属与金属或金属与非金属元素构成的材料, 分为黑色金属材料和有色金属材料两类。金属材料具有如下基本特性： 1、结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构； 2、在常温下一般为固体，熔点较高； 3、具有金属光泽； 4、纯金属具有良好的延展性(塑性）； 5、金属合金具有高的强度和韧性； 6、具有良好的导热和导电性； 7、多数金属在空气中易被氧化。 无机非金属材料主要是硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四类。它们的主要原料是天然的硅酸盐矿物和人工合成的氧化物及其他少数化合物。它们的生产过程与传
2、统的陶瓷的生产过程相同，需经过原料处理成型煅烧三个阶段。在这四类材料中，陶瓷是最早使用的无机材料，因此无机非金属材料又常常被统称为“陶瓷”（Ceramics）。无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性：1、化学键主要是离子键、共价键以及它们的混合键；2、硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；3、熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能；4、自由电子数目少、导热性和导电性较小；5、耐化学腐蚀性好；6、耐磨损；7、成型方式为粉未制坯、烧结成型。高分子化合物是以C、H、N、O等元素为基础，由许多结构相同的小单位（链节）重复连接组成的，含有成千上万个原子，分子量很大，并在某一范围内变化着的材料。高分子材
3、料的基本特性： 1、结合键主要为共价键； 2、分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度。并有热塑性和热固性两类； 3、力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高； 4、质量轻； 5、良好的绝缘性； 6、优越的化学稳定性； 7、成型方法较多。1、根据来源：分为天然和人工合成的两类；2、根据使用性质：分为塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等类；3、根据高分子化合物的主链结构：分为碳链、杂链、元素高聚物三类；4、根据其对热的性质：分为热塑性、热固性及热稳定性高聚物三类；5、根据材料的用途：分为高分子结构材料、高分子电绝缘材料、耐高温高分子材料、导电高分子材料、高分子建筑材料、生物医学用高分子材
4、料、高分子催化剂、包装材料等多种品种。 2、材料的性能分类使用性能：指材料在特定服役条件下保证能 安全地工作所必需的性能，包括物理性能、化学性能、力学性能三种，其中力学性能是金属材料最基本最常用的性能工艺性能：工艺性能是指材料在各种加工和处理中所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、切削性能、焊接性能和热处理性能等材料的物理性能（physical property）包括热性能、电性能、磁性能和光学性能等。金属及合金的主要物理性能有密度、熔点、膨胀系数、导电性、导热性、和电磁性等。材料的化学性能指材料抵抗腐蚀及氧化等性能。腐蚀（corrosion）是指材料在周围介质的作用下，由于化学反应、电化学反
5、应而产生的破坏，并将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。3、材料的力学性能材料的力学性能（Mechanical property）是指材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下所表现出来的行为。 强度指标b、s、 0.2 、-1； 塑性指标、 韧性指标 ak、KIC硬度指标 HRC金属材料的力学性质决定与材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素，也决定与载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪等）、温度和环境介质等外在因素。4、应力应变曲线弹性极限e 即e点对应的应力，表征材料产生最大弹性变形的应力，超过此点
6、，材料开始产生塑性变形。屈服极限s 屈服强度0.2 在S点附近，此时应力应变曲线上出现一个平台，表示材料开始产生塑性变形，其对应的应力叫屈服极限s。但对于大多数合金钢或淬火回火材料，应力应变曲线无屈服平台出现，此时，规定以产生试样原始长度0.2%的塑性变形所对应的应力作为条件屈服极限，称为屈服强度0.2。疲劳极限-1 材料常用的疲劳性能指标是疲劳极限，表征材料在交变载荷作用下无限循环而不发生疲劳断裂的最大应力。抗拉强度b 抗拉强度是应力应变曲线上b点对应的应力，表征材料所能承受的最大应力延伸率延伸率是试样拉断后的标距绝对伸长与原始标距长度之比，用表示断面收缩率断面收缩率是试样拉断后缩颈处横截面
7、的最大缩减量与原始横截面积的百分比冲击韧度ak 冲击韧度是材料抵抗冲击破坏能力的韧性指标，用试样冲击断裂时单位面积所吸收的能量来表示断裂韧度 断裂韧度（fracture toughness ）是用来反映材料抵抗裂纹失稳扩展能力的指标。HRC 由于洛氏硬度采用不同的压头和主载荷，因此可以搭配出多种不同的组合，称为洛氏硬度的标尺，其中使用最多的是C标尺，HRC广泛用于热处理车间对淬火钢的硬度测定。5、金属的键结构金属的原子结构特征是最外层电子少，易于脱落，而形成自由电子（free electron）自由电子可以在金属中移动而形成所谓的电子云（cloud of electrons）。电子云带有负电，
8、另一方面失去电子的金属原子带有正电而成为阳离子，因此，电子云和阳离子之间所作用的引力和离子相互间及电子相互间的斥力之间形成平衡而发生结合。这种结合叫做金属键（metallic bond）。 金属晶体因为有自由电子的存在，其导电性、导热性好，并且结合力的方向性小，原子会尽量高密度排列，富于延展性，强度的变化范围大。6、金属的晶体结构晶体结构的基本概念金属在固态下通常都是晶体。晶体 指其内部原子（分子或离子）在三维空间作有规则的周期性重复排列的物体。晶体结构（crystal structure） 金属的许多特性都与晶体中原子（分子或离子）的排列方式有关，因此分析金属的晶体结构是研究金属材料的一个重
9、要方面。三种常见的晶体结构 面心立方结构（face-centered cubic，简写为“fcc”）面心立方结构的单位晶胞如图所示，除单位晶胞的八个角上各有一个原子外，在各个面的中心还有一个原子。具有面心立方晶格的金属有-Fe，Al，Cu，Ni，Au，Ag，-Co，Pb等体心立方结构（body-centered cubic，简写为“bcc”）体心立方结构的单位晶胞如图所示，除单位晶胞的八个角上各有一个原子外，在中心还有一个原子。具有体心立方晶格的金属有-Fe，Cr，W，V，-Ti，Mo等密排六方结构（hexagonal closed-packed，简写为“hcp”）密排六方结构的单位晶胞如图所
10、示，在六方单位晶胞的十二个角上以及上下底面的中心各有一个原子，单位晶胞内部还有三个原子。具有密排六方晶格的金属有-Ti，-Co，Mg，Zn，Be，Cd等。7、单晶体与多晶体实际应用的金属材料通常都是由很多晶粒组成的，叫多晶体。因为纯铁的显微镜组织，是由许多类似多角形的颗粒组成，这些小颗粒称为晶粒（crystal grain）。晶粒之间的界面称为晶界（grain boundary），每一晶粒相当于一个单晶体。在这样的多晶体中，金属中各晶粒的原子排列虽然相同，但每个晶粒原子排列的位向是不相同的8、实际金属中的晶体缺陷(1)点缺陷（point defect） 其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当于原
11、子的尺寸，例如空穴（vacancy）、填隙型原子（interstitial atom）、置换型原子（substation atom）等；(2)线缺陷（line defect） 其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。属于这一类缺陷的主要是位错（dislocation）；(3)面缺陷（interfacial defect） 其特征是在一个方向上的尺寸很小，另两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界（sub grain boundary）等。 9、金属的塑性变形金属的塑性变形方式 ：滑移（slip ）在切应力的作用下，晶体的一部分沿一定晶面（滑移面（slip plane）的一
12、定晶向（滑移方向（slip direction）相对于另一部分发生滑动的现象称为滑移。滑移主要发生在原子排列最紧密或较紧密的晶面上，并沿着这些晶面上原子排列最紧密的方向进行。注：实际金属的滑移过程就是位错运动的过程，因此凡是阻碍位错运动的因素都阻碍滑移的进行，从而使金属的塑性下降，强度升高；孪生（twinning)10、金属冷变形和加热后组织结构的变化金属经过冷塑性变形，会发生：（1）加工硬化现象；（2）纤维组织和织构；（3）产生残余内应力。将冷变形金属加热后的变化回复、再结晶和晶粒长大由于变形金属内部存在严重的晶格畸变，原子处于不稳定状态，本身就有向稳定状态转变的倾向。加热时，原子的活动扩散
13、能力提高了，促使其向稳定状态转变，并使金属的组织结构和性质发生变化。这种变化可分为回复（recovery）、再结晶（recrystallization）和晶粒长大（grain growth）这三个阶段11、金 属 的 热 加 工如前所述，冷塑性变形引起的加工硬化，可以通过加热发生再结晶来加以消除。如果金属在再结晶温度以上进行压力加工，那么塑性变形所引起的加工硬化就可以立即被再结晶过程所消除。在再结晶温度以上的加工称为热加工，在再结晶温度以下的加工称为冷加工。在热加工过程中，金属内部同时进行着加工硬化和再结晶软化这两个相反的过程，不过此时的再结晶是在加工的同时发生的，称为动态再结晶，它与上一节介
14、绍的冷加工后退火时发生的再结晶是不尽相同的。有时在热加工过程中硬化和软化这两个因素不能刚好全部抵消12、合金相的分类13、 固 溶 体如果合金的组元在固态下能彼此相互溶解，则在液态合金凝固时，组元的原子将共同地结晶成一种晶体，晶体内包含有各种组元的原子，晶格的形式与其中一组元相同，这样，这些组元就形成了固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂（solvent），其它组元为溶质（solute）。由此可见，固溶体是溶质原子溶入固态的溶剂中，并保持溶剂晶格类型而形成的相。14、固溶强化、形变强化（加工硬化）的概念固溶强化合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。形变
15、强化（加工硬化）在金属的整个形变过程中当外力超过屈服强度后，要塑性变性继续进行必须不断增加外力，从而在真实的应力-应变曲线上表现为应力不断上升。15、铁碳合金相图中钢的室温平衡组织及铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、马氏体等的概念碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体（ferrite），碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体（austenite），Fe3C称为渗碳体，是一种具有复杂结构的间隙化合物，其中含碳6.69wt%，其硬度很高，塑性几乎为零。在PSK 水平线（727）发生共析转变，转变产物是铁素体F和渗碳体Fe3C的机械混合物，称为珠光体（Pearlite）马氏体(martensite)是
16、黑色金属材料的一种组织名称。 马氏体（M）是碳溶于-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。其比容大于奥氏体、珠光体等组织，这是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。16、刚的非平衡组织及C线图奥氏体在临界点以上为稳定相，临界点以下为不稳定相。常把临界点以下存在且不稳定的奥氏体称为“过冷奥氏体”。描述过冷奥氏体恒温冷却时的温度-时间-相变曲线称为恒温冷却转变曲线（time-temperature-transformation curve），简称TTT曲线。因其形状像英文字母“C”，故又称C曲线，17、针状马氏体与上贝氏体的区分针状马氏体与下贝氏体的区分（可做参考）针状马
17、氏体在一个奥氏体晶粒内下贝氏体则不一定;针状马氏体针叶之间往往呈60或120度，下贝氏体无一定度数;针状马氏体针叶之间往往呈齿状或垳架状且针叶不互相穿透,下贝氏体针叶随机分布象竹叶一样交叉穿透.高碳钢多为针状马氏体，在电镜下每一针片上可看到大量微细孪晶，故又叫孪晶马氏体；贝氏体是由过饱和铁素体和渗碳体组成的混合物。恒温温度不同，贝氏体形态不同。在560350范围内，贝氏体呈羽毛状，它是由许多互相平行的过饱和铁素体片和分布在片间的断续细小的渗碳体组成的混合物，称之为“上贝氏体”，用B上表示。上贝氏体硬度很高，可达4045HRC，但由于铁素体片较粗，且呈平行排列，故延展性、韧性较差，在工程上应用较
18、少。在350Ms范围内，贝氏体呈针叶状，它是由针叶状的过饱和铁素体和分布在其中的极细小的渗碳体粒子组成的混合物，称之为“下贝氏体”，用B下表示。下贝氏体的硬度更高，可达5060HRC，因其铁素体针叶较细，故在硬度高的同时其延展性、韧性也较好。因此，实际工程应用中有时对中碳合金钢和高碳合金钢采用恒温淬火方法获得下贝氏体以提高钢的强度、硬度，同时可以保持一定的延展性和韧性。18、获得全马氏体的基本条件（临界冷却速度）及结构钢中加入合金元素的主要目的形成马氏体的条件冷却速度大于马氏体的临界冷却速度在结构钢中，加入合金元素的主要目的是为了提高钢的淬透性19、什么叫回火组织？回火组织有哪些？回火是将淬火
19、钢重新加热至A1点以下某一温度，保温一定时间后，以适当的方式冷却至室温的热处理工艺根据回火温度范围的不同，钢的回火可分为三类： (1)低温回火回火温度范围为150250，通常保温13小时后空冷，得到回火马氏体。回火后，钢的硬度高、耐磨性好，内应力有所降低，韧性有所改善。主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刀具、量具和模具、轴承零件以及表面经渗碳的零件。(2)中温回火回火温度范围为350500，保温后空冷，得到回火屈氏体。回火后，钢的弹性限和降伏强度较高，内应力基本消除，有一定的韧性。主要用于弹簧钢制造的弹性零件，也用于有相应硬度要求的构造用钢制造的零件。(3)高温回火回火温度范围为500600，保
20、温后空冷（有些合金钢油冷或水冷），得到回火索氏体。回火后，钢的内应力彻底消除，韧性显著提高，综合机械性质良好。主要用于中碳钢制造的受力结构件，如轴、连杆和螺栓等。 由以上分析可知,回火温度不同，钢的组织也不同。在300以下回火时，得到由具有一定过饱和度的与碳化物组成的回火马氏体组织，可用M回表示。回火马氏体易腐蚀为黑色针叶状，但其硬度与淬火马氏体相近。在300500范围内回火时，得到由针叶状铁素体与极细小的颗粒状渗碳体组成的回火屈氏体组织，可用T回表示。回火屈氏体的硬度虽比回火马氏体低，但因渗碳体极细小，铁素体只发生回复过程而未再结晶，仍保持针叶状，故仍具有较高的硬度和强度，特别是具有较高的弹
21、性极限和屈服强度以及一定的延展性和韧性。在500600范围内回火时，得到由等轴状铁素体与球状渗碳体组成的回火索氏体组织，可用S回表示。由于渗碳体颗粒聚集长大并球化及铁素体再结晶，故与回火屈氏体相比，S回的硬度和强度较低，而延展性和韧性较高。20、区分钢与铁的根据？区分白口铸铁与灰口铸铁的根据？铸铁钢的基体石墨,与钢相比成分中含有较多的Si、P、S等白口铸铁断口表面呈银白色，很硬，用锉刀锉的话打滑。灰口铸铁断口表面呈灰色，用锉刀锉的话不打滑。白口铸铁是几乎全部的碳都与铁形成碳化三铁。具有很大的硬度和脆性。不能承受冷加工，也不能承受热加工，只能直接用于铸造状态。灰口铸铁是第一阶段石墨化过程充分进行
22、而得到的铸铁，全部或大部分碳以片状石墨形态存在，断口呈灰暗色，因此得名。21、什么叫灰铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁及它们的组织形貌？灰铸铁（gray cast-iron）是一种断面呈深灰色，石墨形状为片状，应用最为广泛的铸铁（见图）。灰铸铁的片状石墨对基体有很大的割裂作用，石墨尖端易形成应力集中，在所有铸铁中，是石墨形状最差的一种。将白口铸铁经石墨化退火处理，使其渗碳体分解为团絮状石墨所得到的铸铁叫可锻铸铁（ductile cast iron）,可锻铸铁的石墨形态见图。 由于石墨呈团絮状，与灰铸铁的片状石墨相比，大大减小了对基体的割裂作用。其强度、塑性、韧性都高于灰铸铁。虽然球状石墨铸铁
23、的性能优良，在许多应用领域取代了可锻铸铁，但可锻铸铁的铁水处理简单、质量稳定，尤其是白口铸铁具有优良的铸造性能，特别适合铸造薄壁件，所以可锻铸铁被大量用以生产形状复杂的管件，如管接头、弯头、水龙头等。石墨化退火工艺改进后，生产周期大大缩短，生产成本随之降低，所以可锻铸铁是一种重要的铸铁品种。石墨呈蠕虫状的铸铁叫蠕墨铸铁（vermicular cast iron）。蠕虫状石墨的形态介于球状与片状之间，在光学显微镜下呈短杆状, 与灰铸铁的片状石墨相近，但长、厚方向尺寸比较小，端部较钝、较圆,局部又接近球状。蠕墨铸铁是近三十年发展起来的一种新型铸铁，在高温铁水中加入蠕化剂即可制得蠕墨铸铁。常用的蠕化
24、剂有镁钛合金、稀土镁钛合金等。球状石墨铸铁(spheroidal graphite iron)是指石墨形状为球形的铸铁球状石墨对基体的割裂和应力集中作用都降到了最小程度，从而使基体组织的强度、塑性和韧性的潜力得以发挥。通过热处理可获得各种基体组织，使球墨铸铁在力学性能方面有较大的调整幅度。正火状态时，基体为珠光体加铁素体，其强度大大超过灰铸铁，接近含碳量为0.45%的碳素结构钢正火状态的强度指标，同时保持了相当好的塑性和韧性。等温淬火后，基体组织为贝氏体，虽塑性、韧性有所降低，但强度可比正火状态提高约70。球墨铸铁不仅强度接近钢的水平，而且屈强比比钢高得多。与此同时，球墨铸铁保持了灰铸铁的某些
25、优良特性，如良好的流动性，易于铸造成形，生产方法和设备简单，成本较低，切削加工性能优良等，所以球墨铸铁是一种以铁代钢、以铸代锻的材料。目前，球墨铸铁大量用来制造曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、蜗轮、轧辊等。22、影响铸铁性能的因素铸铁的性能化学成分碳的存在形式（石墨、渗碳体）基体类型石墨的形态、数量、大小及空间分布渗碳体具有复杂的晶体结构，而石墨的强度、硬度、塑性都很低，在铸铁中可视为空洞，与渗碳体的性能相去甚远。因此，碳在铸铁中是以化合态的Fe3C形式存在还是以游离态的G形式存在以及二者的相对比例大小，对铸铁的性能都会产生重大影响。23、石墨形态对铸铁性能的影响。塑性、强度、韧性24、铝合金的主要
26、强化手段（1）固溶强化合金元素加入纯铝中后，形成铝基固溶体，导致晶格发生畸变，增加了位错运动的阻力，由此提高铝的强度。合金元素的固溶强化能力同其本身的性质及固溶度有关。其中，Zn、 Ag、 Mg的溶解度较高，超过10；其次是Cu、Li、Mn、Si等，溶解度大于1。一般说来，固溶度越高，获得的固溶强化效果就越好。（2）沉淀强化单纯的固溶强化效果毕竟是有限的，铝合金要想获得较高的强度，还得配合其它强化手段，沉淀强化便是其中的主要方法。这种方法也称时效强化。沈淀强化是利用合金元素在铝中具有较大固溶度且固溶度随温度降低而急剧减小的特点，将铝合金加热到某一温度后急冷（通称淬火），得到过饱和固溶体，再将这
27、种过饱和铝基固溶体放置在室温或加热到某一温度，基体中可沉淀出弥散强化相，使合金的强度和硬度随时间的延长而增高而塑性和韧性降低。（3）过剩相强化当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，合金在淬火加热时便有一部分不能溶入固溶体而以第二相出现，称为过剩相。这些过剩相多为硬而脆的金属间化合物，它们在铝合金中起阻碍位错滑移和运动的作用，使合金的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低。铝合金中的过剩相在一定限度内，数量越多，其强化效果越好，但当过剩相超过该限度时，合金由于过脆反而导致其强度急剧降低。（4）细晶强化在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合金机械性质的另一种手段。细化组织可以是细化铝合金固溶
28、体基体（包括细化晶粒、亚结构及增加位错密度），也可以是细化过剩相。对于不能沉淀强化或沉淀效果不大的铝合金，常采用变质处理的方法来细化组织，从而提高合金的强度和塑性。25、什么叫黄铜、白铜、青铜？黄铜是以锌为主要合金元素的铜合金。黄铜具有良好的机械性质、耐蚀性质、导电和导热性质以及加工工艺性质。与纯铜和许多铜合金相比，黄铜还具有价格较低、色泽美丽等特点，是重有色金属中应用最广泛的金属材料。黄铜又分为普通黄铜和特殊黄铜两类，铜锌二元合金称为普通黄铜；若再加入其它某些元素，则称为特殊黄铜。白铜以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜青铜以除锌及镍以外的元素为主要合金元素的铜合金统称为青铜，根据主要合金元素如Sn、Al、Si、Be等，分别称为锡青铜、铝青铜、硅青铜、铍青铜等。26、理想的轴承合金组织是什么？几种典型轴承合金的组织形貌图理想的轴承合金组织应是在软基体上均匀分布着硬质点，或是在硬基体上均匀分布软质点的多相组织为宜。硬的组织对轴起支承作用和抗磨作用，而软的组织易被磨损后形成凹凸，可储存润滑油，有利于形成连续的油路，保证良好的润滑条件和低的摩擦系数。这样的合金组织使轴承工作时会很快磨合保证机械设备安全、平稳地运转。轴承合金主要是有色金属合金，常用的有锡基、铅基、铜基、铝基和锌基轴承合金。
