材料工程基础全复习资料全

材料工程基础复习资料

一、绪论

1、概念：

科学：对于现象的观察、描述、确认、实验研究及理论解释。

技术：泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能。

工艺：使各种原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。

工程：将科学原理应用到实际目标，如设计、组装、运转经济而有效的结构、设备或系统。材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。

2、材料科学与工程的任务？

材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们的性能与用途之间有关的知识和应用的科学。

3、传统材料加工包括哪几个方面？

①传统的金属铸造②塑性加工③粉末材料压制、烧结或胶凝固结为制品④材料的焊接与

粘接

材料的切除，材料的成型，材料的改性，材料的连接

二、材料的熔炼

1、钢铁冶金

1）、高炉炼铁生产过程：①还原：矿石中的铁被还原；②造渣：高温下石灰石分解形成的氧化钙与酸性脉石形成炉渣；③传热和渣底反应：被还原的矿石降落使温度升高加速反应将全部氧化铁还原成氧化亚铁，风口区残余的氧化亚铁还原成铁，与炉渣一起进入炉缸。2）、炼钢过程中的理化过程：

①脱碳：碳被氧气直接氧化：

在温度高于1100℃条件下 2C＋O2→2CO

间接氧化:

在温度低于1100℃条件下 2Fe＋O2→2FeO

C＋FeO→Fe＋CO

②硅、锰的氧化：a.直接氧化反应：

Si＋O2 → Si02

2Mn＋O2 → 2MnO

b.间接氧化，但主要是间接反应：

Si＋2FeO → Si02＋2Fe

Mn＋FeO → MnO＋Fe

③脱磷：磷是以磷化铁(Fe2P)形态存在，炼钢利用炉渣中FeO及CaO与其化合生成磷酸

钙渣去除 Fe2P＋5FeO＋4CaO→(CaO)4·P2O5＋9Fe

④脱硫：硫是以FeS形式存在，利用渣中足够的CaO，把其中FeS去除。

反应式为 FeS + CaO-->FeO + CaS

⑤脱氧（再还原）：通常采用的脱氧剂有：锰铁、硅铁和铝等。

Me +FeO-->MeO +Fe

3）、高炉炼铁原料：铁矿石、燃料和熔剂

焦炭：它是把炼焦的煤粉或是几种煤粉的混合物装在炼焦炉，隔绝空气加热到1000~1100度，干馏后留下的多孔块状产物。作用是提供热量和还原剂。4）、直接还原炼铁方法：用煤或天然气等还原剂直接将铁矿石在固态还原成海绵铁熔融还原炼铁方法：用铁矿石和普通烟煤作原料，在汽化炉的流化床中，将直接、

还原得到海绵铁进一步加热熔化，在熔融汽化炉的炉底形

成铁水与炉渣的熔池。

2、铜冶金

造锍熔炼：目的在于首先使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜，部分铁以FeS形式也进入冰铜（Cu2S+FeS此熔体亦称为锍），使大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；其次使冰铜与炉渣分离。为了达到这两个目的，造锍熔炼必须遵循两个原则。一是必须使炉料中有足够的硫来形成冰铜，其次是炉渣中含二氧化硅接近饱和，以便使冰铜炉渣不至混熔。

3、单晶材料制备

熔体中生长单晶应满足那些热力学、动力学条件？

热力学：要使熔体中晶体生长，必须使体系的温度低于平衡温度。体系温度低于平衡温度的状态称为过冷，所以，过冷是熔体中晶体生长的必要条件。△T的绝对值称为过冷度，表示体系过冷程度的大小。过冷度是熔体法晶体生长的驱动力，一般情况下，过冷度越大，晶体生长越快，过冷度为零时，晶体生长速度为零。

动力学：晶体生长速度f与晶体的温度梯度以及熔体的温度梯度有关。远离生长界面的熔体温度最高，越趋近于生长界面，熔体温度趋于降低，这样便形成了由晶体到熔体方向(即Z向)的温度梯度。温度梯度的存在是热量输运的必要条件。要提高晶体生长速度，就要增大晶体的温度梯度和减小熔体的温度梯度，要降低晶体生长速度则采取相反措施。

三、金属的液态成型与半固态成型

1、液态成型

1）、从工艺方面列举如何获得等轴晶：

①适当降低浇注温度：

②合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用：

③孕育处理:

④动态晶粒细化：在合金凝固初期，直接对合金液施以振动、搅拌或旋转，都可以在液相中产生大量的游离晶体，细化等轴晶。

2）、合金的充型能力与流动性的概念极其关系：

充型能力：液态金属充满型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。

流动性：指合金本身的流动能力。

关系：一般流动性好的合金，其充型能力也强，合金的流动性是影响合金充型能力的在因素。流动性是合金本身的性能之一，与合金成分、温度、杂质含量及其物理性能有关。影响合金的充型能力的因素有合金的流动性、浇注条件以及铸型性质及结构。

3）、为什么金属型铸造未能广泛取代砂型铸造？

和砂型铸造相比，金属型铸造有许多优点：

(1)组织致密，力学性能较高。

(2)铸件的尺寸精度高、表面粗糙度低，铝合金铸件的尺寸公差等级可达CT7—CT9，表面粗糙度可达Ra3.2—12.5μm。

(3)浇冒口尺寸较小，金属耗量减少，一般可节约金属15％～30％。

(4)多次浇注、工序简化、生产率高，易于实现机械化、自动化。

而砂型铸造：

（1）可以生产形状复杂的零件，尤其复杂腔的毛坯；

（2）工艺灵活性大，适应性广，工业常用的金属材料均可铸造。几克～几百吨，壁厚0.3mm～1m；

（3）铸造成本较低：原材料来源广泛，价格低廉；

（4）铸件的形状尺寸与零件非常接近,减少切削量，属少无切削加工。

但金属型制造成本高，周期长，工艺要求严，易出现白口。不适合单件、小批生产零件，不适宜铸造形状复杂的薄壁未能广泛取代砂型铸造。铸件，否则易产生浇不足等缺陷。铸造高熔点合金，金属型寿命较低。因此金属型铸造未能广泛取代砂型铸造

4）、简述顺序凝则和同时凝则，并说明各自适用的场合（合金及铸件结构条件）。

顺序凝则：在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固。

顺序凝则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件。

同时凝则：即采用相应工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间凝固。

同时凝固适用于各种合金的薄壁铸件。

5）、了解各种铸造方法的特点及应用

2、半固态成型

流变成型：指利用半固态金属制备器批量制备或连续制备糊状浆料，直接进行加工成型（铸造、挤压、轧制、锻模等）的方法。

触变成型：指将用浆料连续制备器生产的半固态浆料铸成一定形状的铸锭的成型方法。

3、快速凝固成型

实现快速凝固成型的基本条件及三项技术：

基本条件：①金属溶液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；②必须有能带走热量的冷却介质。

三项技术：大冷却速度凝固、大生长速度快速凝固、大过冷度快速凝固

四、金属塑性加工

1、塑性加工的特点并与铸造进行比较：

优点：（1）结构致密、组织改善、性能提高、强、硬、韧↑；

（2）少无切削加工，材料利用率高；

（3）可以获得合理的流线分布；

（4）生产效率高。

缺点：（1）一般工艺表面质量差；

（2）不能成型形状复杂件；

（3）设备庞大、价格昂贵；

（4）劳动条件差。

2、工艺基础：①基本工艺：轧制、挤压、拉拔、锻造、冲压成型

②金属塑性变形的性能变化：加工硬化，回复与再结晶

③金属塑性变形的类型：冷变形、热变形和温变形

④影响塑性变形的因素：材料性质、加工条件、应力状态

3、求任一点的主应力和主方向：解法如下

例:设某点应力状态为：，试求其主应力和主方向.(应力单位:10MPa)

解:将各应力分量代入式:

得：

代入：

分解因式：

为求主方向,可将应力分量代入式:

4、屈服条件及两个屈服准则：

屈服准则（塑性条件、塑性方程）：在复杂应力状态下，只有当各应力分量满足一定的关系时，质点才能进入塑性状态。这种关系称为屈服准则。屈服准则是判断材料从弹性状态进入塑性状态的判据。

两个屈服准则：

Tresca 屈服准则：当材料（质点）中的最大剪应力达到某一临界值时，则材料发生屈服；该临界值取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。

设σ1＞σ2＞σ3, 则τmax 1=（σ1-σ3）/2 = C ， C 可通过实验求得。其值与应力状态无关。

当拉伸试样屈服时，σ2=σ3=0、σ1=σs,代入上式得C=1/2σs 。于是，屈雷斯加屈服准则的数学表达式为σ1-σ3=σs

若不知道主应力大小顺序,屈雷斯加屈服准则:

三个式子只要满足一个,该点即进入塑性状态.

Misses 屈服准则：当材料质点单位体积的弹性形状变化能达到某一临界值；该临界值只取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。

密塞斯屈服准则表达式为： )(2)(222322221xy z zx y yz x zx yz xy z y x zx

yz xy x z z y y x z

y x J J J τστστστττσσστττσσσσσσσσσ++-+=+++++-=++=0)(0)(0)(=-++=+-+=++-n m l n m l n m l z zy xz zx y xy zx yx x σστστσσσττσσ0)5(30

)6(20

32)4(=-++=+-+=++-n m l n m l n m l σσσ()()()2

2132322212s

σσσσσσσ=-+-+-

或

5、应力状态（静水压力）对金属塑形的影响：主应力图中，压应力个数越多，数值越大，即静水压力越大，则金属的塑性越好；拉应力个数越多，数值越大，即静水压力越小，则金属的塑性越低。

五、材料的连接

1、焊接

1）、焊接的概念（实质）：使两个分离的物体通过加热或加压，或两者并用，在用或不用填充材料的条件下借助于原子间或分子间的联系与质点的扩散作用形成一个整体的过程。 2）、焊缝的外延生长：熔池中液态金属开始凝固时，熔池边界未熔的母材晶粒可作为非自发形核的现成基底，在很小的过冷度下，依附于母材晶粒逆热流方向生长，形成方向性很强的柱状晶，这种凝固特征就叫焊缝的外延生长。

3）、焊接热影响区：指受焊接热循环的影响，焊缝附近的母材金属组织或性能发生变化的区域。

4）、焊缝凝固特点：①外延生长（联生结晶）②形成弯曲柱状晶

5）、焊接变形的基本形式：主要有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形等。

6）、常用焊接方法比较：自行查看课件与课本

7）、电阻焊：焊件组合后通过电极施加压力,利用电流流过接头的接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态,使之在压力条件下形成接头的焊接方法。

2、粘接：粘接是借助于物理—化学过程形成两种固态物体永久性连接的一种技术。粘接作用仅发生在表面及薄层，其实质是一种界面现象。

六、金属材料的常规热处理

1、概念及其分类：金属材料的常规热处理是一种在固态下加热、保温和冷却，通过改变金属材料部的组织结构，使其获得所需性能的工艺。普通热处理可分成退火、正火、淬火和回火四种工艺类型。表面热处理分为表面淬火及化学热处理。即金属热处理分为整体处理、表面热处理和化学热处理。

2、基本原理

1）、加热可分为等温加热和连续加热。

2）、加热工艺的基本工艺参数：加热温度、加热速度、保温时间。

3）、冷却可分为等温冷却和连续冷却。

4）、TTT 图：等温冷却转变曲线。（C 曲线）

222222)(6)()()(s zx yz xy x z x y y x στττσσσσσσ=+++-+-+-

C曲线左方是过冷奥氏体区，高温区发生的是珠光体转变，低温区发生的是贝氏体转变。

3、常规热处理工艺

1）、退火：将金属或合金加热到适当温度、保持一定时间，然后缓慢冷却已获得接近平衡状态组织结构的热处理工艺。

目的：使金属材料产生软化，使其易于冷成型和切削加工。还用于改变金属材料的其它性能和改变金属材料的组织。

退火工艺：

①完全退火：钢加热到A3以上完全奥氏体化后退火。为了细化晶粒、均匀组织、消除应力、降低硬度、改善钢的切削加工性。

②球化退火：是将钢加热至Ac1+（20～40℃）之间，经过保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。

③扩散退火（又称均匀化退火）：是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。为了消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。

④中间退火：是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保温适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺，也叫再结晶退火。为了消除加工硬化，降低强度和硬度，使钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。

⑤去应力退火：为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留应力而进行的低温退火。为了减少和消除工件在铸造、锻造、焊接、切削、热处理等加工过程中产生的残余应力，稳定工件的尺寸，防止工件的变形。

2）、正火：将钢加热到A3C以上30~50℃，保温适当时间后，在精致的或轻微搅动的空气中冷却，得到含有珠光体均匀组织的热处理工艺。

目的：1.①改善钢的切削加工性能；②消除工件的热加工缺陷；③消除过共析钢的网状渗碳体，便于球化退火；④代替调质处理作为最终热处理，提高加工效率。

3）、淬火：淬火是将钢件加热到 Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。

目的：等温淬火：目的是获得下贝氏体；普通淬火：目的是获得马氏体。