華科材料復試工程學結

總結與回顧研究中心：材料的成分、加工工藝對組織、性能的影響

材料成分與組織、力學性能的關系

材料的成分與加工性能的關系

加工工藝對組織的影響

材料的組織與力學性能的關系

材料成分與組織、力學性能的關系

相圖表示了材料的成分、溫度與最終平衡相之間的關系。成分的變化決定了材料中組成相及其相對數(shù)量。組織取決于材料的組成相，不同的相對應的組織自然不相同，決定材料組織的還有這些組成相的數(shù)量、形狀、大小和分布。

構成材料中的組成相的類型有：以純元素為基的固溶體，大多出現(xiàn)在金屬材料中。金屬基的固溶體有好的塑性?；衔?，包括正常價化合物、電子化合物、尺寸因素化合物和拓撲密堆相，它們的性能有較大的差異，但大多為熔點高、硬度高、塑性低的脆性相。以化合物為基的固溶體，溶質為構成化合物的元素之一的表現(xiàn)為化合物在一定范圍內成分可以變化范圍，也有在化合物中溶入第三組元的其它元素。對力學性能可以引起少量變化，但對物理或其它性能可以帶來較大的影響，特別是后者。

材料的成分與加工性能的關系單相固溶體合金，有利于塑性成形有好的塑性，適應冷熱壓力加工，可以進行塑性變形來成形，即具有良好的鍛壓性能。

共晶成分合金有利于鑄造①相對而言，共晶點附近合金的熔點較低，便于熔化；②共晶合金的凝固溫度范圍小，表現(xiàn)為流動性好，充型性也好，成分的偏析小，可以鑄造復雜、精細的零件。固溶體在一溫度范圍內凝固，液固混合物會阻礙流通，且有成分的偏析。③共晶合金流動性好，凝固的縮孔集中，可以置于冒口處而除去，并且熱裂的傾向性小。固溶體凝固在一溫度范圍內，特別是樹枝晶凝固，在材料內部會造成大量細小的疏松孔。④共晶體由兩個以上組成相，互相強化。特別在冷卻速度較大，共晶體細化，界面多，若其中一相為較硬，強化效果更明顯。

加工工藝對組織的影響鑄造將材料熔化為液體，注入型腔凝固，得到零件毛坯的工藝過程。晶粒尺寸大小凝固理論中對晶粒尺寸的影響專門討論過。偏析成分的不均勻性，①枝晶偏析(晶內)偏析，由固溶體凝固時溶質的重新分布引起，可以用均勻化退火來消除。②區(qū)域偏析，大范圍內緩慢冷卻時固溶體的溶質分配可引起，此外大鑄件中先凝固的固體因比容不同造成沉浮而形成比重偏析，區(qū)域偏析不能用均勻化退火來消除。③晶界偏析，晶界是后凝固，排放到液體中的雜質最后凝固在晶界而造成，此外，雜質原子與晶體缺陷的相互作用也是造成晶界上雜質集中的原因之一。共晶體形態(tài)鑄造多用共晶合金，組織為共晶體，不同工藝除改變共晶體的尺寸外，可以改變相界面的結合力，來改變共晶體的形狀，如灰鑄鐵和球墨鑄鐵。加工工藝對組織的影響鍛壓壓力加工除剪切斷外，有冷塑性變形加工和熱加工成形。冷塑性變形晶粒外形被拉長(或壓扁)，晶界模糊，內部缺陷增加。多相合金會出現(xiàn)帶狀組織或纖維組織。此外回出現(xiàn)加工硬化，產(chǎn)生內應力，甚至會出現(xiàn)織構。

熱加工焊合缺陷和疏松，使成分均勻和加大材料的致密度。鍛造后的冷卻對晶粒尺寸也有明顯得影響。再結晶退火冷塑性變形后的再結晶退火，晶粒的重新形成過程，隨工藝的不同對晶粒尺寸有很大的影響。加工工藝對組織的影響熱處理通過加熱、保溫、冷卻得方法，改變材料的組織，從而達到改善材料性能的工藝方法稱為熱處理。在熱處理過程中不改變零件的形狀，不改變材料的成分或在小范圍內改變零件表面的成分。無相變過程：均勻化退火――加熱溫度較高，消除晶內偏析

去應力退火――加熱溫度較低，消除材料的內應力

再結晶退火－－冷塑性變形后的再結晶退火，晶粒的重新形成過程，隨工藝的不同對晶粒尺寸有很大的影響。

有相變過程：平衡組織――按固態(tài)相變的方式有同素異晶轉變、脫溶、共析、包析等不同類型的轉變，轉變結構是完全得到或部分得到平衡組織，可以用相圖來具體分析。

快速冷卻――在快速冷卻時，隨冷卻速度不同，可能得到的是亞穩(wěn)態(tài)組織，有時得到的是非平衡組織。

加工工藝對組織的影響焊接用熔體把材料連接在一起的工藝過程。焊接過程比較復雜，需要用相關的知識進行綜合應用，結合具體條件具體分析。熔化區(qū)熔化區(qū)的冷卻為凝固過程，溶體的成分決定于母材和焊料，冷卻過程與零件的材料、尺寸、工藝都有一定的關系。

熱影響區(qū)熱影響區(qū)的加熱溫度和冷卻速度與焊接工藝有關，可能發(fā)生有相變或無相變的固態(tài)轉變，母材若為冷變形材料，還可能有再結晶等。

材料的組織與力學性能的關系

應用的工程材料首先要達到必需的強度(硬度)，同時也要考慮相應的塑性。以下總結以提高材料強度的若干途徑所應用的原理。提高材料的強度本質上是增加材料發(fā)生塑性變形的阻力。

溶質原子進入溶劑的晶格中，無論是處在晶格的間隙，還是處在晶格節(jié)點的異類原子，都會造成一定的晶格畸變。利用溶質原子造成的晶格畸變，提高強度和硬度。對金屬材料基體為純金屬，由于固溶體保留溶劑的晶格，溶質原子引起的畸變范圍是有限的，所以固溶體保留了較好的塑性，但強化的程度也是有限的。

1、固溶強化材料的組織與力學性能的關系2)晶界對塑性變形的另一貢獻是晶界在外力作用下，可以發(fā)生粘滯性流動。少量流動有助于晶粒間變形的協(xié)調，能較大程度流動可以構成塑性變形的另一方式，且這種流變不會產(chǎn)生加工硬化。

2、晶界強化

1)常溫下，金屬材料的塑性變形以滑移作為主要方式，位錯的滑移運動是不能穿過晶界，即晶界對滑移起阻礙作用，可以提高材料的強度。晶粒愈細，晶界愈多，材料的強度愈高，同時細小晶粒有利多晶體變形之間的協(xié)調，材料的塑性、韌性都會得到提高。表示屈服強度與晶粒尺寸關系的

hell－path公式：

材料的組織與力學性能的關系

隨著溫度的提高，原子活動能力增強，材料的強度下降，塑性有所提高，并且溫度對晶界流變的作用更為明顯。為了提高材料的強度，在較低溫度下，流動困難，塑變以晶內滑移為主，細化晶粒有助于提高材料的強度；在較高溫度下，晶界流動成為塑變的主要方式，提高材料的強度應粗化晶粒。3)晶界對溫度的反應

材料的組織與力學性能的關系材料中位錯密度對材料的強度的影響3、加工硬化1、完全無位錯存在時,在外力作用下，沒有可以發(fā)生運動的位錯，材料表現(xiàn)極高的強度。但制造這種材料非常困難，目前只能在很小尺寸的晶體中實現(xiàn)(晶須),用于研究型的復合材料中。2、在存在位錯的晶體材料中,隨位錯密度的提高，位錯運動受交割作用影響加大，材料的強度得到提高。經(jīng)過冷變形的金屬材料,發(fā)生了加工硬化，強度可以在相當范圍內得到提高，常用的冷軋鋼板、冷拔鋼絲就是一例。值得注意的是用加工硬化提高強度的材料只能在較低溫度下使用，否則因高溫發(fā)生了再結晶，加工硬化的強化效果將全部消失。材料的組織與力學性能的關系4、第二相硬質點強化

第二相硬質點是指那些在韌性材料中存在的不易發(fā)生塑性變形的化合物，它們一般幾乎不能發(fā)生塑性變形，在大的應力下將脆性斷裂。在外力作用下，運動位錯遇到第二相硬質點時的運動方式有兩種，切割或繞過，都會增加運動阻力，可以提高材料的強度。

材料的組織與力學性能的關系4、第二相硬質點強化

如果第二相硬質點的總量(如體積份數(shù)f)一定，單個質點的尺寸愈小，數(shù)量多，排列密集；反之單個質點的尺寸愈大，數(shù)量少，排列稀疏。對位錯來說，小質點容易切割，稀疏分布時容易繞過。所以質點對強度的作用表現(xiàn)為尺寸太小或尺寸過大都會降低其效果，在特定的合適范圍才有最大的強化效果。

此外，對于不是彌散分布的二相構成的材料，在多相合金應用中不同相具有不同性能的特點，采用的原則是分別發(fā)揮各相的作用，例如在軸承合金中利用軟相來保證與軸的良好接觸面，其中大塊的硬相來提高其耐磨性。

材料的組織與力學性能的關系5、熱處理強化

利用熱處理，得到材料的力學性能更有利的組織形態(tài)。包括：細化晶粒，可以用再結晶退火，