第3章工程材料的材料化

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1、第3章 工程材料的材料化过程,3.1 工程材料的材料化 3.2 金属材料的材料化过程 3.3 高分子材料的材料化过程 3.4 陶瓷材料的材料化过程,3.1 工程材料的材料化过程,材料化过程：物质或原料转变为具有一定使用性能并可用于某种场合的材料的转变过程 3.1.1 金属材料的材料化过程 一、钢铁材料,二、铜 火法冶炼工艺 采掘铜矿石选矿 铜精矿 冰铜 粗铜阳极铜电解铜 三、铝 烧结法工艺 铝土矿纯碱石灰石高温焙烧铝酸钠 稀碱液溶解脱硅碳酸化分解氢氧化铝焙烧氧化铝高温氧化铝熔盐炭素电解金属原铝。 3.1.2 高分子材料的材料化过程 高分子材料是以聚合物为基体组分的材料 一、加聚反应 一种或几种

2、单体相互加成而连接成聚合物的反应 单体为一种的加聚反应称为均加聚反应 单体为二种或二种以上的加聚反应称为共加聚反应 二、缩聚反应 一种或几种单体相互作用连接成聚合物、并析出（缩去）新的低分子化合物的反应,3.1 工程材料的材料化过程,3.1.3 陶瓷材料的材料化过程 陶瓷的材料化过程包括原料制备、坯料成型和制品烧成或烧结 原料制备 粘土、石英和长石拣选粉粹配料混合磨细粉料 坯料成型 将制备好的粉料加工成一定形状和尺寸、并具有必要机械强度和一定致密度半成品的过程 塑性泥料：可塑成型，如传统陶瓷的生产 浆料型坯料：注浆成型法，如形状复杂、精度高的产品 粉状坯料：压制成型 ，如特种陶瓷和金属陶瓷 制

3、品烧成 将干燥后的坯料高温加热使其进行一系列的物理、化学变化而成瓷的过程,3.1 工程材料的材料化过程,一、结晶：由原子不规则排列的液态金属转变成规则排列的金属晶体的过程。 热分析法。 纯金属结晶是在恒温下进行； 纯金属结晶需要一定过冷度（理论结晶温度与实际结晶温度的差值T） 二、金属结晶的基本过程 液态金属的结构（光衍射） 液态金属中存在许多游动的排列规则的原子集团。 原子集团处于不断消失又不断形成的变化过程中。 温度越高，液态金属中原子集团越小，反之，原子集团越大。,3.2 金属材料的结晶和组织3.2.1 纯金属的结晶和组织,金属结晶的基本过程 形成晶核：形核（生核）有两种方式： 自发形核

4、：液态金属中规则排列的原子集团形成晶核的形核方式。 非自发形核：外来微粒质点作为结晶核心的形核方式。 晶核长大： 晶核的长大方式：树枝状方式长大 晶核像树枝状向前生长，不断分枝发展，形成一次晶 轴、二次晶轴、三次晶轴。 液态金属结晶后的晶粒大小与结晶时晶核形核率、长大速度有关 形核率：单位体积中的晶核数 长大速度：单位时间内晶核的生长量,3.2 金属材料的结晶和组织3.2.1 纯金属的结晶和组织,形核率（N）： 过冷度 ，N ，晶粒细 生长速度（G）： 过冷度 ， G ，晶粒粗,三、结晶对金属材料性能的影响：细晶强化 细晶强化：用细化晶粒的方法来提高材料强度的方法 晶粒大小的控制： .增大冷却

5、速度(增大过冷度降低晶核长大速度) 如：降低铸型温度、采用金属型。 .进行变质处理增加非自发形核率 如：铸铁件：向铁水中加孕育剂（孕育处理） .降低晶核的生长速度： 如：铝合金铸件：向铝水中加变质剂（变质处理） 4.用振动破碎枝晶，增加自发形核率： 如：机械（超声波、电磁）振动。,3.2 金属材料的结晶和组织 3.2.1 纯金属的结晶和组织,一、 合金的结晶特点及相图的概念 1.合金结晶特点 结晶在一定温度范围内完成，非恒温结晶 结晶过程和结晶时形成的相与合金 成份及温度有关 形成多相混合物组织 2. 二元合金相图 表示二元合金系中所有合金的相随温度、成份的变化关系图,3.2 金属材料的结晶与

6、组织 3.2.2 二元合金相图,二、 二元合金相图的建立与读识 1相图的建立：热分析法 步骤： 配制合金并熔化； 用热分析法测定冷却曲线； 将冷却曲线绘制到温度成分坐标图中； 分别将所有结晶开始点与所有终了点连 成光滑曲线； 标上曲线名称和各相区的相（相结构） 或组织。 2相图的读识： 结晶开始线、单相液相区 结晶终了线、单相固相区 液、固两相区。,3.2 金属材料的结晶与组织 3.2.2 二元合金相图,三、 几种典型的二元合金相图: 匀晶相图：两组元在液态无限互溶、结晶时形成无限固 溶体的相图 结晶过程分析（合金成分为X ） 温度高于t1时，合金为液相L； 温度达到t1时，从液相L中析出固溶

7、体； 温度降到t1t2之间，合金进入两相区 析出的固相成分沿结晶终了线变化：12； 剩余液相成分沿结晶开始线变化：L1L2。 温度降至t2时，所有液相全部转化为固相; 温度降到t2至室温，合金进入单相固相区。,3.2 金属材料的结晶与组织 3.2.2 二元合金相图,成分偏析 （枝晶偏析）,结晶过程中相的相对量计算杠杆定律： X0成分合金在温度下，各相相对量为： (Xb-X0)=QL(X0-Xa) 则： L=(Xb-X0)/(Xb-Xa) =(X0-Xa)/(Xb-Xa),2. 共晶相图：具有共晶转变的相图 共晶转变：液态互溶的两组元，一定成分的合金在一定温度下从液态金属中同时结晶出两种晶体的转

8、变。 共晶转变的温度叫共晶温度。 共晶转变的成分叫共晶成分。 共晶转变的产物叫共晶体。,典型合金的结晶过程 共晶合金： 温度高于共晶线时，合金为液相L； 温度降到共晶线时，液相中同时析出固溶体和 相成分为d点，相成分为e点； 温度降到共晶线以下时，合金进入两相区，共晶体中 相成分沿相溶解度曲线变化，并析出二次相 相成分沿相溶解度曲线变化，并析出二次相 温度降至室温时， f、g 室温组织： （基体）（基体） 忽略二次相， 共晶成分合金室温组织：,亚共晶合金： 温度在液相线上方时，合金为液相； 温度降到液相线时，将析出固溶体； 温度在液固相线之间时，中析出相： 成分沿ad变化；剩余沿ac变化 温度

9、接近共晶线时，结晶出的固溶体和 剩余液相相对量为： QL=(X-Xd)/(Xc-Xd)；Q=(Xc-X)/(Xc-Xd) 温度降至共晶温度，液相变成（+）， 共晶转变结束后，合金组织为：、（+） 组织组成物相对量为： Q=(Xc-X)/(Xc-Xd)；Q+(X-Xd)/(Xc-Xd) 合金中的相为：、， 相组成物相对量为： Q=(Xe-X)/(Xe-Xd); Q(X-Xd)/(Xe-Xd) 温度降至室温时，合金中相成分沿df线变化，并从相中析出二次相；相成分沿eg线变化，并从相中析出二次相。 室温组织：（+二次相）（+）； 相组成物：。,3.其它类型的二元合金相图 包晶相图：,共析相图：在一定

10、温度下，由一定成分的固溶体中同时析出两 上种新相的相图。 金属化合物相图 ：,共析转变与共晶转变的异同点： 相同点：由一个单相转变成两种新相；转变产物为机械混合物。 不同点：共析转变比共晶转变需要更大的过冷度：共 析转变在固态下进行，共晶转变在液态下进 行。共析转变的转变产物比共晶转变的转变产物更细密。,四、 二元合金相图与合金的性能 、合金的使用性能与相图的关系： 、合金的工艺性能与相图的关系： 液态金属的工艺性能： 铸造性能：焊接性能： 固态合金的工艺性能： 压力加工性能：单相固溶体组织两相固溶体组织固溶体金属化合物组织 切削加工性能：固溶体金属化合物组织两相固溶体 组织单相固溶体组织 可

11、热处理性能：相图中在固态时从高温冷至室温过程中有相变或某些相中成分有变化的合金才 可以通过热处理强化。,3.2 金属材料的结晶与组织,3.2.3 铁碳合金的结晶 铁碳相图中的组元 铁: 熔点1538，可同素异构转变 性能： ：180230MPa、 5080HB、：3050 ：7080 渗碳体（ Fe3C ）: 复杂晶格间隙化合物，含碳6.69 性能：硬度800HBW。=40MPa，塑韧性为零, 无同素异构转变，但在高温长时间保温下，分解为铁与石墨。,3.2 金属材料的结晶与组织,3.2.3 铁碳合金的结晶 铁碳合金中的基本相 铁素体（F或、）: 碳在-Fe 或- Fe中形成的间隙固溶体 727

12、时最大溶碳量为0.0218；室温时溶碳量约为0.0008。 铁素体的力学性能与纯铁几乎相同 存在于13951538之间 奥氏体（A或者）： 碳在-Fe中形成的间隙固溶体 1148时，碳在奥氏体中的溶解度为2.11 727时，溶解度为0.77。 奥氏体具有良好的塑性和较低变形抗力，适合压力加工。 渗碳体（ Fe3C ）： 其形状、大小、数量及分布对钢性能的影响非常大。渗碳体为亚 稳定相，在高温下： Fe3C3Fe十C(石墨)。,3.2 金属材料的结晶与组织, 铁碳相图,3.2 金属材料的结晶与组织, 铁碳相图 C ：共晶点，1148，4.30% E：碳在-Fe中的最大溶解度， 1148 ，2.1

13、1 % S：共析点， 727 ，0.77 %(A1) P：碳在- Fe中的最大溶解度， 727 ，0.0218% Q：室温时碳在- Fe中的最大溶解度，0.008% 共晶反应：ECF线为共晶线，当含碳量在2.116.69的铁碳合金冷却到此线时，发生共晶反应： 反应产物是奥氏体和渗碳体组成的莱氏体（Le）。 莱氏体冷至共析温度以下，转变为低温莱氏体（Le）。 共析反应：PSK线为共析线。当含碳量在0.776.69的铁碳合金冷却到此线时，发生共析反应： 反应产物是铁素体和渗碳体所组成珠光体（P）。,3.2 金属材料的结晶与组织, 铁碳相图 ES 线：碳在奥氏体中的溶解度线（ Acm ） 11487

14、27：奥氏体中析出渗碳体(Fe3C) PQ 线：碳在铁素体中的固溶线 727室温：铁素体中析出渗碳体(Fe3C )。 GS 线：奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线（ A3 ） 铁碳合金的平衡结晶过程 工业纯铁：(0.0218)，其显微组织为铁素体 钢：(0.0218 2.11) 亚共析钢：(0.02180.77)，平衡组织为铁素体和珠光体 共析钢：(0.77)，平衡组织为珠光体。 过共析钢：(0.77 2.11)，组织为珠光体和二次渗碳体 白口铸铁：(2.11 6.69) 亚共晶白口铸铁：(2.114.3)，组织为珠光体、二次渗碳体和莱氏体 共晶白口铸铁： ( 4.3)，平衡组织为莱氏体 过共

15、晶白口铸铁：(4.3 6.69)，平衡组织为莱氏体和渗碳体,3.2 金属材料的结晶与组织,室温时相组成物为：F、Fe3C，相对量为： F （SK/PK）100（88.7） Fe3C=（PS/PK）100（11.3） 室温时组织组成物为：，相对量为100,共析钢结晶过程 a 液相线以上为液相L； b 温度降至液相线时， L中结晶出固相; c 温度降至液固相线之 间时，固相不断析出， 液相不断减少 d 温度降至固相线时， 所有液相全部结晶成 固相； e 在固相线和共析线 之间，合金成份、相 均不变； f 降到共析温度，发生 共析转变：AP g 共析温度到室温，合 金中的相不再变化。 h 室温下共析钢组织 全都为珠光体,3.2 金属材料的结晶与组织,亚共析钢结晶过程： a 液相线以上为液相L； b 温度降至液相线，L中结晶出; c 液固相线之间，相不断增加， L不断减少； d 温度降至固相线时，所有L全部结晶成； e 固相线和铁素体析出线之间，各相不随温度变化； f 到达铁素体析出线时，将从相中析出相； g 在铁素体析出线和共析线之间，相中不断析出相，相成