金属材料PPT课件2

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1、3-1 3-1 金属材料金属材料3-2 3-2 金属的晶体结构金属的晶体结构 3-3 3-3 合金材料合金材料3-4 3-4 铁碳合金的基本知识铁碳合金的基本知识3-5 3-5 铸铸 铁铁3-6 3-6 非铁金属及合金非铁金属及合金3-7 3-7 非晶态合金非晶态合金3-8 3-8 金属材料的再结晶金属材料的再结晶第三章第三章 金属材料金属材料何处需要金属材料？何处需要金属材料？概述概述高高炉炉大大方方鼎鼎战战 国国 编编 钟钟越越王王宝宝剑剑铁铁 器器青青铜铜器器铁铁 制制 农农 具具蒸汽机蒸汽机钢钢筋筋混混凝凝土土建建筑筑工工地地的的钢钢材材桩桩基基工工程程破破粉粉碎碎设设备备地地 铁铁

2、列列 车车钢钢 塔塔汽车工业汽车工业火箭发射火箭发射磁悬浮列车磁悬浮列车元素周期表元素周期表1. 1. 金属材料的组成金属材料的组成由金属元素或以金属元素为主由金属元素或以金属元素为主形成的，并具有一般金属特性形成的，并具有一般金属特性的材料称为金属材料。的材料称为金属材料。 3.1 3.1 金属材料金属材料（1 1）、金属原子的结构）、金属原子的结构金属键模型金属键模型正离子 自由电子图3-3-1 金属建模型金属材料内部原子间的结合主要依靠金属材料内部原子间的结合主要依靠金属键，它几乎贯穿在所有金属材料金属键，它几乎贯穿在所有金属材料之中，这就是金属材料有别于其它材之中，这就是金属材料有别于

3、其它材料的根本原因。当金属原子凝聚而形料的根本原因。当金属原子凝聚而形成晶体时，其结合键称为金属键。成晶体时，其结合键称为金属键。 （2 2）、金属键）、金属键A、单质金属：自然界、单质金属：自然界72/94/109B、以材料组分的复杂程度分：、以材料组分的复杂程度分：纯金属；金属基合金。纯金属；金属基合金。C、以构成材料的元素种类分：、以构成材料的元素种类分： 黑色金属：黑色金属：铁和以铁为基的合金（碳钢、铸铁、铁合铁和以铁为基的合金（碳钢、铸铁、铁合 金），金），Fe、Cr、Mn，工程中占工程中占90%。 有色金属：有色金属：黑色金属黑色金属(Fe、Cr、Mn)以外的所有金属及其以外的所有

4、金属及其 合金。合金。重金属重金属轻金属轻金属贵金属贵金属稀有金属稀有金属（3）、金属材料的分类）、金属材料的分类109种元素，其种元素，其中中94种金属元种金属元素，素，72种是自种是自然界存在的。然界存在的。根据化学键性，周期表中的金属元素分为：根据化学键性，周期表中的金属元素分为：简单金属：简单金属：内电子层完全填满或完全空内电子层完全填满或完全空 着，结合键着，结合键金属键；金属键； 过渡族金属：过渡族金属：内电子层未完全填满，结内电子层未完全填满，结 合键合键金属键金属键/ /共价键混共价键混 合，以金属键为主。合，以金属键为主。（4 4）、金属材料的物化性质）、金属材料的物化性质A

5、 A、物理性能、物理性能密度密度热性能热性能光性能光性能磁性能磁性能氧化腐蚀性能氧化腐蚀性能B、机械性能强度、弹性、塑性：以拉伸为基本值强度、弹性、塑性：以拉伸为基本值 200/300-2000MPa200/300-2000MPa可调；可调；应变过程：弹性应变过程：弹性-弹塑性弹塑性-断裂；断裂；冲击韧性：好；冲击韧性：好；硬度：较低；硬度：较低；蠕变：好蠕变：好疲劳强度：材料的疲劳强度通常用疲劳极限表疲劳强度：材料的疲劳强度通常用疲劳极限表示，因此在某种程度上疲劳极限即疲劳强度。示，因此在某种程度上疲劳极限即疲劳强度。疲劳极限；在指定的疲劳寿命下，试件所能承疲劳极限；在指定的疲劳寿命下，试件

6、所能承受的上限应力幅值。对于钢疲劳寿命通常取受的上限应力幅值。对于钢疲劳寿命通常取10106 6-10-107 7周、有色金属取周、有色金属取10108 8周周；疲劳寿命：疲劳寿命：在特定的振动条件下，是材料破坏在特定的振动条件下，是材料破坏所必需的周期数。所必需的周期数。疲劳：工程构建在服役过程中，由于承受变动疲劳：工程构建在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承受应力和应变，即使所受的应力载荷或反复承受应力和应变，即使所受的应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩展，以至构件材料断裂而失效，或是其力学性质变坏。至构件材料断裂而失效，或是其力学性质变坏。指

7、循环指循环次数次数不同材料的拉伸应力不同材料的拉伸应力不同材料的拉伸应力不同材料的拉伸应力-应变曲线应变曲线应变曲线应变曲线材料的拉伸应力材料的拉伸应力-应变曲线应变曲线可铸造性：灰口铸铁、锡青铜较好；可铸造性：灰口铸铁、锡青铜较好；压压 加加 性性：（：（热锻和冷冲压时变形能力热锻和冷冲压时变形能力） 低碳钢低碳钢 优于优于 中高碳钢中高碳钢 碳钢碳钢 优于优于 合金钢合金钢 铸铁铸铁 脆脆 不能压加不能压加 可焊接性：低碳钢可焊接性：低碳钢-好；高碳钢、铸铁好；高碳钢、铸铁-差差切削加工性能切削加工性能：（速度、光洁度、刀具寿命、切速度、光洁度、刀具寿命、切 削功耗等削功耗等）灰口铸铁好灰

8、口铸铁好热处理性能：淬硬性、淬透性、变形趋势、表面热处理性能：淬硬性、淬透性、变形趋势、表面 氧化、回火脆性等氧化、回火脆性等C C、工艺性能、工艺性能解释！解释！l纯铁：纯铁：Tm1538，7.87103kg/m3,具有具有铁磁性，模量为铁磁性，模量为2000MPa；l性质：常温晶体结构体心立方，性质：常温晶体结构体心立方， 20点阵点阵常数常数0.288，-Fe；9101390面心立方，面心立方， 915点阵常数点阵常数0.364，-Fe； 1390以上以上体心立方，体心立方，-Fe；l工业纯铁：含少量杂质，强度低、硬度低、塑工业纯铁：含少量杂质，强度低、硬度低、塑性好，主要作为磁性材料使

9、用；性好，主要作为磁性材料使用；l钢：含碳量低于钢：含碳量低于2.11%的铁碳合金叫钢。的铁碳合金叫钢。 l碳钢：以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、碳钢：以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素的钢硫、磷、氧、氮等非特意加入元素的钢。晶格常数，晶胞的轴晶格常数，晶胞的轴长或轴长比值长或轴长比值 碳钢！碳钢！l主要指力学性能取决于钢中的碳含量，而一般不添加大量主要指力学性能取决于钢中的碳含量，而一般不添加大量的合金元素的钢，有时也称为普碳钢或碳素钢。的合金元素的钢，有时也称为普碳钢或碳素钢。l碳钢也叫碳素钢，含炭量碳钢也叫碳素钢，含炭量WC小于小于2%的铁碳合金。碳钢除的

10、铁碳合金。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷氧、氮等。含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷氧、氮等。l按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类。碳素结构钢又分为建筑结构钢和机器制造结结构钢三类。碳素结构钢又分为建筑结构钢和机器制造结构钢两种构钢两种 。l按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（WC 0.25%）,中碳钢中碳钢（WC0.25%0.6%）和高碳钢（）和高碳钢（WC0。6%）。）。l按磷、硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较按磷、硫含量可以把碳素钢分为普通碳素钢（含磷、硫较高）、

11、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、高）、优质碳素钢（含磷、硫较低）和高级优质钢（含磷、硫更低）。硫更低）。l 一般碳钢中含碳量较高则硬度越高，强度也越高，但塑性一般碳钢中含碳量较高则硬度越高，强度也越高，但塑性较低。较低。 共析钢：l碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到到铁中的固溶体叫铁中的固溶体叫铁素体铁素体，溶解到，溶解到铁中的固溶体叫铁中的固溶体叫奥氏体奥氏体。l铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。l当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化奥氏

12、体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物合物碳化铁（碳化铁（Fe3C）这种化合物的晶）这种化合物的晶体组织叫体组织叫渗碳体渗碳体，它的硬度极高，塑性几，它的硬度极高，塑性几乎为零。乎为零。l从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图上可知，当碳的含之间关系的铁碳平衡状态图上可知，当碳的含量正好等于量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体时，即相当于合金中渗碳体（碳化铁）约占（碳化铁）约占12%，铁素体约占，铁素体约占88%时，该时，该合金的相变是在恒温下实现的。合金的相变是在恒温下实现的。l即在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发即

13、在这种特定比例下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失（加热时），生相变时，如果消失两者同时消失（加热时），如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种如果出现则两者又同时出现，在这一点上这种组织与纯金属的相变类似。组织与纯金属的相变类似。l基于这个原因，人们就把这种由特定比例构成基于这个原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为的两相组织当作一种组织来看待，并且命名为珠光体珠光体，这种钢就叫做，这种钢就叫做共析钢共析钢。即含碳量正好。即含碳量正好是是0.77%的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。的钢就叫做共析钢，它的组织是珠光体。 (a) 简单立方晶体

14、；(b) 晶格；(c) 晶胞的示意图 3.2 3.2 金属的晶体结构金属的晶体结构体心立方晶胞示意图体心立方晶胞示意图 (a) (a) 刚球模型；（刚球模型；（b b）质点模型；（质点模型；（c c）晶胞原子数晶胞原子数1 1、体心立方晶格、体心立方晶格面心立方晶胞示意图面心立方晶胞示意图 (a) (a) 刚球模型；（刚球模型；（b b）质点模型；（）质点模型；（c c）晶胞原子数）晶胞原子数2 2、面心立方晶格、面心立方晶格 密排六方晶胞示意图密排六方晶胞示意图(a) (a) 刚球模型；（刚球模型；（b b）质点模型；（）质点模型；（c c）晶胞原子数）晶胞原子数3 3、密排六方晶格、密排六

15、方晶格典型金属的晶格典型金属的晶格(bcc)(bcc)典型金属的晶格典型金属的晶格( (fccfcc) )典型金属的晶格典型金属的晶格( (cphcph) )晶体中的缺陷晶体中的缺陷点缺陷点缺陷晶体中的两种位错（面缺陷）晶体中的两种位错（面缺陷）BSCCO双晶原子分辨TEM图像位错位错起始点起始点由两种或两种以上的金属元素、或由两种或两种以上的金属元素、或金属元素与非金属元素组成的，具金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质称为合金。有金属特性的物质称为合金。相是合金中具有同一聚集状态、同相是合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成部分。一结构和性质的均匀组成部分。在碳钢中特意加

16、入一种或多种合金元在碳钢中特意加入一种或多种合金元素，形成合金钢。素，形成合金钢。3.3 3.3 合金材料合金材料1 1、合、合 金金合金钢 alloy steel在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、

17、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元

18、素，一般以原子铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。状态存在于固溶体中。合金钢的分类：合金钢的分类：按所含合金元素含量多少：分为低合金钢（含按所含合金元素含量多少：分为低合金钢（含量量5），中合金钢（含量），中合金钢（含量510），高），高合金钢（含量合金钢（含量10）；）；按所含主要合金元素的种类：分为铬钢、铬镍按所含主要合金元素的种类：分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等；钢、锰钢、硅锰钢等；按质量分为优质合金钢、特质合金钢；按质量分为优质合金钢、特质合金钢；按用途可分为：合金结构钢、合金工具钢、特按用途可分为：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。殊性能钢。 （

19、1）工程构件、机械零件用钢：合金渗碳钢、）工程构件、机械零件用钢：合金渗碳钢、合金调质钢、弹簧钢、轴承钢；合金调质钢、弹簧钢、轴承钢； （2）加工工具：刃具钢、模具钢、量具钢；）加工工具：刃具钢、模具钢、量具钢； （3）具有特殊物理、化学或力学性能：不锈）具有特殊物理、化学或力学性能：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐酸钢、软磁钢、永磁钢、耐热钢、耐磨钢、耐酸钢、软磁钢、永磁钢、无磁钢等。钢、无磁钢等。合金钢的编号：合金钢的编号：按碳的质量分数、合金元素的种类和数量以及质量级按碳的质量分数、合金元素的种类和数量以及质量级别编号：别编号： （1）首用数字标明碳的质量分数，结构钢以万分之一）首用数字标明碳

20、的质量分数，结构钢以万分之一为单位；工具钢和特殊性能钢以以千分之一为单位；为单位；工具钢和特殊性能钢以以千分之一为单位；如工具钢碳的质量分数超过如工具钢碳的质量分数超过1时，碳的质量分数不标时，碳的质量分数不标出。出。 （2）首用数字后为元素符号，表示钢中的主要合金元）首用数字后为元素符号，表示钢中的主要合金元素，质量分数由后缀数字表明，小于素，质量分数由后缀数字表明，小于1.5不标，不标，1.52.49标标2， 2.53.49标标3，。 例如：例如：40Cr钢（结构钢）；钢（结构钢）；5CrMnMo钢（工具钢）钢（工具钢） （3）专用钢用其用途的汉语拼音自首来标明：）专用钢用其用途的汉语拼音

21、自首来标明：GCr15、Y40Mn. （4）高级优质钢在钢号的末尾加）高级优质钢在钢号的末尾加“A”滚珠钢滚珠钢易切削钢易切削钢合金元素在钢中的作用：合金元素在钢中的作用：合金元素与铁作用合金元素与铁作用首先形成固溶体超首先形成固溶体超过溶解度后则形成碳化体：过溶解度后则形成碳化体： （1）合金元素溶于铁素体使钢的室温强度提高）合金元素溶于铁素体使钢的室温强度提高固溶化作用；固溶化作用； （2）Ni和和Mn的质量分数较高时的质量分数较高时转变温转变温度降低到室温；度降低到室温；Cr、C、N、Cu 会使会使转变转变温度降低，但不如温度降低，但不如Ni和和Mn 严重；严重；Cr、W、Mn、V、Ti

22、、Si质量分数高到一定程度，钢凝质量分数高到一定程度，钢凝固形成的体心立方结构会一直保持到室温固形成的体心立方结构会一直保持到室温这些元素通称为铁素体稳定元素。这些元素通称为铁素体稳定元素。奥氏体奥氏体合金元素在钢中的作用：合金元素在钢中的作用：合金元素与碳的作用合金元素与碳的作用按与钢中碳元素亲合力的大按与钢中碳元素亲合力的大小分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素：小分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素： （1）非碳化物形成元素：）非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B； （2）碳化物形成元素：）碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti（形成碳化物的稳定性由

23、弱到强）。（形成碳化物的稳定性由弱到强）。合金渗碳体是部分铁元素被碳化物形成元素置换后的合金渗碳体是部分铁元素被碳化物形成元素置换后的渗碳体，如（渗碳体，如（Fe，Cr）3C、 （Fe，Mn）3C，晶体结，晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定，硬度也较高些，构与渗碳体相同，但比渗碳体略稳定，硬度也较高些，对提高耐磨性更有利。对提高耐磨性更有利。合金碳化物合金碳化物Mn3C、 Cr7C3、 Mn23C6 、Fe3W3C等，比等，比合金渗碳体的稳定性更高，而合金渗碳体的稳定性更高，而Mn2C、 W2C、VC、 SiC等具有更高的稳定性稳定性越高的碳化物，熔等具有更高的稳定性稳定性越高的碳化物，熔

24、点、硬度越高，加热时也难溶于奥氏体中因此对提高点、硬度越高，加热时也难溶于奥氏体中因此对提高钢的力学性能和工艺性能影响很大。钢的力学性能和工艺性能影响很大。 大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成为均匀的液体，因此，只具有一个液相。在为均匀的液体，因此，只具有一个液相。在凝固以后，由于各组元的原子结构和晶体结凝固以后，由于各组元的原子结构和晶体结构不同，各组元之间相互作用不同，在固态构不同，各组元之间相互作用不同，在固态合金中可能会出现不同的相结构。而合金中合金中可能会出现不同的相结构。而合金中各种相的结构对合金的性能起决定性作用，各种相的结构对合金的性能

25、起决定性作用，合金组织的变化对合金的性能则有很大影响。合金组织的变化对合金的性能则有很大影响。2 2、合金的相结构、合金的相结构根据合金中元素之间相互作用的不同，合金根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相基本上可以分为两类：固溶体和化合中的相基本上可以分为两类：固溶体和化合物。我们主要讨论化合物中的物。我们主要讨论化合物中的正常价化合物；正常价化合物；电子化合物；间隙化合物。电子化合物；间隙化合物。 一些一些材料材料的磁的磁性参性参数数工工 具具 材材 料料工具钢工具钢扳手扳手(wrench)六六 角角 钢钢圆股钢丝绳圆股钢丝绳钢钢 筋筋斜斜 拉拉 桥桥 桥桥三三 角角 架架储储 罐罐不

26、锈钢餐具不锈钢餐具耐热不锈钢纤维耐热不锈钢纤维(stainless fiber)(stainless fiber)不锈钢厨具不锈钢厨具不锈钢护栏不锈钢护栏不锈钢护栏不锈钢护栏不锈钢花板不锈钢花板不锈钢旗杆不锈钢旗杆首都钢铁公司首都钢铁公司新日铁钢铁生产流程转炉炼钢转炉炼钢炼炼 钢钢炼钢车间预热器钢钢 管管 检检 验验不锈钢：不锈钢：在大气和一般腐蚀介质中具有很高的耐腐蚀性的钢种，实在大气和一般腐蚀介质中具有很高的耐腐蚀性的钢种，实际上也会发生腐蚀，但在不同介质中腐蚀行为不同。际上也会发生腐蚀，但在不同介质中腐蚀行为不同。金属腐蚀的概念：物理化学中一详细介绍！金属腐蚀的概念：物理化学中一详细介绍

27、！提高金属耐腐蚀能力措施：减少原电池形成的可能性，使提高金属耐腐蚀能力措施：减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单相组织，并尽可能提高金属的电极电位；金属具有均匀的单相组织，并尽可能提高金属的电极电位；形成原电池时，尽可能减小两极的电极电位差，并提高阳形成原电池时，尽可能减小两极的电极电位差，并提高阳极的电极电位；减小甚至阻断腐蚀电流，使金属钝化，即极的电极电位；减小甚至阻断腐蚀电流，使金属钝化，即在表面形成致密的、稳定的保护膜，将介质与金属分开。在表面形成致密的、稳定的保护膜，将介质与金属分开。钢中：渗碳体的电极电位高钢中：渗碳体的电极电位高 ，为阴极；铁素体的电极电，为阴极；铁素体的电

28、极电位低位低,为阳极为阳极被腐蚀。一般第二相的电极电位往往较高，被腐蚀。一般第二相的电极电位往往较高，使基体作为阳极被腐蚀掉。使基体作为阳极被腐蚀掉。不锈钢：不锈钢：用途和性能要求：例如化工领域，用途和性能要求：例如化工领域，耐腐蚀。耐腐蚀。合金化特点：合金化特点： （1）碳的质量分数：耐腐蚀性要求越高，碳的质）碳的质量分数：耐腐蚀性要求越高，碳的质量分数要求越低。大多数不锈钢的碳含量在量分数要求越低。大多数不锈钢的碳含量在0.10.2%；刃具和工具不锈钢碳含量在；刃具和工具不锈钢碳含量在0.850.95%，此时必须相应提高，此时必须相应提高Cr的质量分数。的质量分数。 （2）加入最主要的合金

29、元素）加入最主要的合金元素Cr: Cr能提高基体的能提高基体的电极电位；电极电位；Cr在氧化性介质中（如水蒸气、大气、在氧化性介质中（如水蒸气、大气、海水、氧化性酸等）极易钝化，生成致密的氧化海水、氧化性酸等）极易钝化，生成致密的氧化层，使钢的耐腐蚀性大大提高。层，使钢的耐腐蚀性大大提高。 （3）同时加入）同时加入Ni:可获得单相的奥式体组织，显可获得单相的奥式体组织，显著提高耐腐蚀性并改善钢的塑性，或形成奥氏体著提高耐腐蚀性并改善钢的塑性，或形成奥氏体-铁素体组织，通过热处理，提高钢的强度。铁素体组织，通过热处理，提高钢的强度。在铁碳合金中共析反应所形成的铁素体和渗碳在铁碳合金中共析反应所形

30、成的铁素体和渗碳体，固态下既不能相互溶解，又不能彼此反应体，固态下既不能相互溶解，又不能彼此反应形成化合物，而构成了机械混合物，叫做珠光形成化合物，而构成了机械混合物，叫做珠光体，通常用体，通常用P表示。因此，珠光体也称为机械表示。因此，珠光体也称为机械混合物。由于珠光体是由硬的渗碳体片和软的混合物。由于珠光体是由硬的渗碳体片和软的铁素体片相间组成的混合物，所以，其机械性铁素体片相间组成的混合物，所以，其机械性能介于渗碳体和铁素体之间。珠光体的布氏硬能介于渗碳体和铁素体之间。珠光体的布氏硬度度HB约为约为180，抗拉强度，抗拉强度b750MPa。 3、机械混合物机械混合物 （1）铁素体）铁素体

31、 （2）奥氏体）奥氏体 （3）渗碳体）渗碳体 （4）马氏体）马氏体 （5）贝氏体（）贝氏体（B）（上、下）（上、下） （6）珠光体（）珠光体（P）、回火）、回火马氏体马氏体 、回、回 火托氏体、回火索氏体等火托氏体、回火索氏体等3.4 铁碳合金的基本知识铁碳合金的基本知识1 1、铁碳合金的基本相、铁碳合金的基本相（a a）铁素体的显微组织）铁素体的显微组织 （b b）奥氏体的显微组织）奥氏体的显微组织 （c c）马氏体的单位晶胞）马氏体的单位晶胞 (a) (b) (c)铁素体：铁素体：(ferrite(ferrite，缩写：，缩写：FN)FN)即碳溶于即碳溶于-Fe中的固溶体，具有体心立方点阵

32、。中的固溶体，具有体心立方点阵。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上体。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。随形成条件不同，先共析铁素自由的铁素体。随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。锯齿形和针状等。铁素体还是珠光体组织的基铁素体还是珠光体组织的基体。体。在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织在碳钢和低合金钢的热轧（正火）和退火组织中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分和组中，铁素体是主要组成相；铁素体的成分

33、和组织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下织对钢的工艺性能有重要影响，在某些场合下对钢的使用性能也有影响。对钢的使用性能也有影响。 碳在碳在-Fe-Fe中溶解度很小。中溶解度很小。727727时最大溶解度为时最大溶解度为0.02%0.02%；室温时，；室温时，碳在碳在-Fe-Fe中溶解度为中溶解度为0.006%0.006%。奥氏体（奥氏体（A A）奥氏体是碳溶解在奥氏体是碳溶解在Fe中的间隙固溶体，中的间隙固溶体，常用符号常用符号A表示。它仍保持表示。它仍保持Fe的面心的面心立方晶格。其溶碳能力较大，在立方晶格。其溶碳能力较大，在727时时溶碳为溶碳为wc 0.77，1148时可溶碳时可溶碳

34、2.11。奥氏体是在大于奥氏体是在大于727高温下才能稳定存高温下才能稳定存在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数在的组织。奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。奥氏体是没有磁性的。组织。奥氏体是没有磁性的。 奥氏体结构奥氏体结构基体基体晶界晶界铬的碳化物铬的碳化物贫铬区贫铬区渗碳体（渗碳体（cementite 分子式：分子式：Fe3C）铁和碳形成的稳定化合物，钢中的碳化铁和碳形成的稳定化合物，钢中的碳化铁（铁（Fe3C）相。）相。具有正交晶体结构，其晶格为复杂的正具有正交晶体结构，其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高交晶格，硬度很高HBW8

35、00，塑性、，塑性、韧性几乎为零，脆性很大，延伸率接近韧性几乎为零，脆性很大，延伸率接近于零。于零。渗碳体的含碳量为渗碳体的含碳量为wc6.67，熔点，熔点1600。热力学稳定性不高，在一定条。热力学稳定性不高，在一定条件下，会发生分解，形成石墨。在件下，会发生分解，形成石墨。在230以下，具有一定的磁性。以下，具有一定的磁性。渗碳体内经常固溶有其他元素。在碳钢渗碳体内经常固溶有其他元素。在碳钢中，一部分铁为锰所置换；在合金钢中中，一部分铁为锰所置换；在合金钢中铁被铬、钨、钼等元素所置换，形成铁被铬、钨、钼等元素所置换，形成合合金渗碳体。金渗碳体。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，渗在铁碳合金中

36、有不同形态的渗碳体，渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、球状或碳体在钢和铸铁中一般呈片状、球状或网状。其数量、形态与分布对铁碳合金网状。其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响，可作为铁碳合金的的性能有直接影响，可作为铁碳合金的重要强化相。重要强化相。 马氏体（马氏体（M M）马氏体马氏体(martensite)最先由德最先由德国冶金学家国冶金学家 Adolf Martens(1850-1914)于于19世纪世纪90年代在一种硬矿物中发现。年代在一种硬矿物中发现。马氏体的三维组织形态通常有马氏体的三维组织形态通常有片状片状(plate)或者板条状或者板条状(lath)，但是在金相观察中（二维），

37、但是在金相观察中（二维）通常表现为针状（通常表现为针状（needle-shaped）。）。马氏体的晶体结构为体心四方马氏体的晶体结构为体心四方结构（结构（BCT）。中、高碳钢中）。中、高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组加速冷却通常能够获得这种组织。高的强度和硬度是钢中马织。高的强度和硬度是钢中马氏体的主要特征之一，马氏体氏体的主要特征之一，马氏体是非平衡组织。钢淬火时之所是非平衡组织。钢淬火时之所以会强化和硬化，就是由于形以会强化和硬化，就是由于形成了马氏体。成了马氏体。当奥氏体的冷却速率大于临界冷当奥氏体的冷却速率大于临界冷却速率时，便过冷到马氏体转变却速率时，便过冷到马氏体转变温度温度Ms

38、以下，就发生马氏体转变以下，就发生马氏体转变而生成马氏体。马氏体与奥氏体而生成马氏体。马氏体与奥氏体具有相同的化学组成，只是结构具有相同的化学组成，只是结构由面心立方晶格转变为体心四方由面心立方晶格转变为体心四方晶格。晶格。铁碳合金的马氏体在铁碳合金的马氏体在100700回火回火1 1小时后小时后的硬度和对应的结构变化的硬度和对应的结构变化贝氏体（贝氏体（B）贝氏体组织原先是对钢中过冷贝氏体组织原先是对钢中过冷奥氏体在中温范围转变成的亚奥氏体在中温范围转变成的亚稳产物而成的。稳产物而成的。贝恩（贝恩（Bain）和戴文博）和戴文博（Davenport）在）在1930年测得钢年测得钢中过冷奥氏体的

39、等温转变动力中过冷奥氏体的等温转变动力学曲线并发现在中温保温会形学曲线并发现在中温保温会形成一种不同于珠光体或马氏体成一种不同于珠光体或马氏体的组织，后人就命名其为贝氏的组织，后人就命名其为贝氏体。体。贝氏体的光学组织形貌与其形贝氏体的光学组织形貌与其形成温度有关，成温度有关，在较高温度形成在较高温度形成的呈羽毛状；温度低时则呈针的呈羽毛状；温度低时则呈针状，于是把前者称为上贝氏体，状，于是把前者称为上贝氏体，后者称为下贝氏体。后者称为下贝氏体。后来发现，后来发现，除了钢中贝氏体组织之外，一除了钢中贝氏体组织之外，一些有色合金中也会发生贝氏体些有色合金中也会发生贝氏体转变，形成类似的贝氏体组织

40、。转变，形成类似的贝氏体组织。珠光体（珠光体（P）珠光体是奥氏体珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在奥氏体是碳溶解在Fe中的间中的间隙固溶体隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为表示，含碳量为wc 0.77。在珠光体中铁素体。在珠光体中铁素体占占88%，渗碳体占，渗碳体占12%，由于铁素体的数量大大，由于铁素体的数量大大多于渗碳体，所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。多于渗碳体，所

41、以铁素体层片要比渗碳体厚得多。在球化退火条件下，珠光体中的渗碳休也可呈粒在球化退火条件下，珠光体中的渗碳休也可呈粒状状,这样的珠光体称为粒状珠光体。这样的珠光体称为粒状珠光体。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间，强韧性较好。其抗拉强度为较好。其抗拉强度为750 900MPa，180 280 HBS，伸长率为，伸长率为20 25%，冲击功为，冲击功为24 32J。力学性。力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好中，塑性和韧性较好b=770MPa，180HBS，=20% 35%，AKU=2

42、432J)。经经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织。当放微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织。当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体；当放大倍数较分布的宽条铁素体和窄条渗碳体；当放大倍数较低时低时,珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线；而当珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线；而当放大倍数继续降低或珠光体变细时，珠光体的层放大倍数继续降低或珠光体变细时，珠光体的层片状结构就不能分辨了，此时珠光体呈黑色的一片状结构就不能分辨了，此时珠光体呈黑色

43、的一团。团。图为光学显微镜图为光学显微镜200倍下薄壁铸件基体。经倍下薄壁铸件基体。经3%硝硝酸酒精溶液浸蚀。可见磷共晶体，片状石墨，珠酸酒精溶液浸蚀。可见磷共晶体，片状石墨，珠光体及少量铁素体。光体及少量铁素体。珠光体区域形成示意图珠光体区域形成示意图铁碳铁碳状态状态图上图上出现出现的碳的碳化物化物 2、铁碳合金状态图铁碳合金状态图Fe-Fe3C相图相图 ABCD为液相线；为液相线；AHJECF为固相线；为固相线；相图中有相图中有5个单相区：个单相区：液相区液相区L；相区；相区；奥式体区奥式体区或或A；铁素体区素体区或或F；渗碳；渗碳体区体区Fe3C。相图中有相图中有7个两相区：个两相区：L

44、+、L+A、L+Fe3C、 +A、F+A、A+Fe3C、+Fe3C。相图中有相图中有3条三相平衡条三相平衡的水平线：的水平线：HJB、ECF、PSK。PSK共析线（共析线（A1线）线）GS（A3线）线）ES（ Acm线）线）铁碳相图铁碳相图根根据据铁铁碳碳合合金金含含碳碳量量和和室室温温组组织织的的不不同同，可可以以将铁碳合金分为三大类：将铁碳合金分为三大类：纯纯铁铁，含含碳碳量量0.0218%，其其显显微微组组织织为为铁铁素素体。体。钢钢，含含碳碳量量在在0.02182.11%之之间间。又又可可以以分分为三种：为三种： 亚共析钢，含碳量亚共析钢，含碳量0.77%。 共析钢，含碳量为共析钢，含

45、碳量为0.77%。 过共析钢，含碳量在过共析钢，含碳量在0.772.11%之间。之间。白白口口铁铁，含含碳碳量量在在2.116.67%之之间间。根根据据室室温时组织的不同，白口铁可以分为三种：温时组织的不同，白口铁可以分为三种： 亚共晶白口铁，含碳量在亚共晶白口铁，含碳量在2.114.3%之间。之间。 共晶白口铁，含碳量为共晶白口铁，含碳量为4.3%。 过共晶白口铁，含碳量在过共晶白口铁，含碳量在4.36.67%之间。之间。 共析钢的结晶过程示意图共析钢的结晶过程示意图 以以45号钢为例，其室温时的平衡组织铁素体珠光体；号钢为例，其室温时的平衡组织铁素体珠光体；温度超过温度超过A1时珠光体转换

46、为奥氏体，且随着温度的升高时珠光体转换为奥氏体，且随着温度的升高铁素体逐渐溶入奥氏体；铁素体逐渐溶入奥氏体；温度超过温度超过A3时铁素体逐渐溶入奥氏体，得到较细的奥氏时铁素体逐渐溶入奥氏体，得到较细的奥氏体晶粒，碳在奥氏体中的质量分数与钢中碳的质量分数相同。体晶粒，碳在奥氏体中的质量分数与钢中碳的质量分数相同。共析钢（共析钢（w(c)=0.77%）加热至）加热至A1以上时单相奥氏体。以上时单相奥氏体。过共析钢（过共析钢（w(c)0.77%）加热至）加热至Acm以上时单相奥氏体，以上时单相奥氏体，温度在温度在Ac1Acm之间时渗碳体奥氏体。之间时渗碳体奥氏体。总结：所有含碳量不同的碳钢在加热温度

47、超过总结：所有含碳量不同的碳钢在加热温度超过GSE显示都可显示都可获得单相奥氏体组织，加热使钢的室温组织转变为奥氏体的获得单相奥氏体组织，加热使钢的室温组织转变为奥氏体的工序统称为奥氏体化。工序统称为奥氏体化。3 3、钢的热处理、钢的热处理钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变加热组织为单相奥氏体的工件以较高的速度冷却，加热组织为单相奥氏体的工件以较高的速度冷却，奥氏体冷却转变温度低于奥氏体冷却转变温度低于A3、A1，差值为过冷度。，差值为过冷度。不同的过冷度，奥氏体的转变产物不同。不同的过冷度，奥氏体的转变产物不同。共析钢：冷却到共析钢：冷却到723500，得到珠光体组织，得到珠光体组织,

48、 ,过冷度不同，片层组织粗细不同，分别可得到珠过冷度不同，片层组织粗细不同，分别可得到珠光体、索氏体、托氏体。过冷奥氏体转变温度越光体、索氏体、托氏体。过冷奥氏体转变温度越高，片层越粗，反之则相反。高，片层越粗，反之则相反。过冷过冷到到230550长期保温，长期保温，过冷奥氏体转变贝过冷奥氏体转变贝氏体类组织。转变温度不同，贝氏体形态不同，氏体类组织。转变温度不同，贝氏体形态不同，550350形成上贝氏体，形成上贝氏体，350230形成下贝形成下贝氏体，前者呈羽毛状，后者呈黑色针状。氏体，前者呈羽毛状，后者呈黑色针状。奥氏体化的工件放入水中快速冷却，奥氏体将在奥氏体化的工件放入水中快速冷却，奥

49、氏体将在更低的温度范围内转变，得到马氏体。更低的温度范围内转变，得到马氏体。钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变退火：将钢加热到适当温度，保温一定时间，退火：将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平然后缓慢冷却（随炉冷却），以获得接近于平衡状态组织的热处理工艺完全退火、等温衡状态组织的热处理工艺完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火；退火、球化退火、扩散退火、去应力退火；正火：钢材或钢件加热到正火：钢材或钢件加热到Ac3(亚共析钢亚共析钢)和和Acm （过共析钢）以上（过共析钢）以上3050 ，保温适当时间后，保温适当时间后，在空气中均匀冷却，

50、得到珠光体类组织（一般在空气中均匀冷却，得到珠光体类组织（一般为索氏体）的热处理工艺；为索氏体）的热处理工艺；正火正火热处理工艺热处理工艺用途：（用途：（1）作为最终热处理；）作为最终热处理；（2）作为预先热处理；（）作为预先热处理；（3）改善切削加工性）改善切削加工性能。能。钢的常规热处理钢的常规热处理淬火：将钢加热至奥氏体化后，快速冷却，是淬火：将钢加热至奥氏体化后，快速冷却，是组织转变为马氏体的热处理工艺；组织转变为马氏体的热处理工艺；回火：钢件淬火后，为了消除内应力并获得所回火：钢件淬火后，为了消除内应力并获得所要求的性能，将其加热到要求的性能，将其加热到Ac1以下的某个温度，以下的某

51、个温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺；保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺；回火的分类：回火的分类：低温回火低温回火150200之间，之间，目的是降低淬火应力，提高工件韧度，保证淬目的是降低淬火应力，提高工件韧度，保证淬火后的高硬度和高耐磨性火后的高硬度和高耐磨性；中温回火中温回火 350500之间，目的是得到回火托氏体组织之间，目的是得到回火托氏体组织；高温回火高温回火 500650之间，目的是得到回之间，目的是得到回火索氏体组织。火索氏体组织。 第一阶段：第一阶段： 200以下，马氏体分解回火马以下，马氏体分解回火马氏体；氏体；第二阶段：第二阶段： 200300，残余奥氏体

52、分解，残余奥氏体分解回火马氏体；回火马氏体；第三阶段：第三阶段： 250400，回火托氏体的形成；，回火托氏体的形成；第四阶段：第四阶段： 400以上，回火索氏体的形成。以上，回火索氏体的形成。 马氏体中的碳马氏体中的碳以以碳化物的碳化物的形式析出，形式析出，过饱和度减少，和度减少，正方度降低。正方度降低。 铁素体和铁素体和细粒状渗细粒状渗碳体的混碳体的混合组织合组织。 铁素体和铁素体和粒状渗碳粒状渗碳体的混合体的混合组织组织。 钢在回火时的组织转变钢在回火时的组织转变1 概论概论 2 灰铸铁灰铸铁 3 可锻铸铁可锻铸铁 4 球墨铸铁球墨铸铁 5 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 6 特殊性能铸铁特殊性能铸铁

53、 碳的质量分数碳的质量分数碳的质量分数碳的质量分数大于大于大于大于2.11%2.11%的的的的铁碳合金，通铁碳合金，通铁碳合金，通铁碳合金，通常含有较高的常含有较高的常含有较高的常含有较高的SiSi、MnMn、S S、P P等元素。等元素。等元素。等元素。3.5 3.5 铸铸 铁铁在铁碳合金中，碳可以间隙固溶于在铁碳合金中，碳可以间隙固溶于铁或以化合态的渗碳体形式和游离铁或以化合态的渗碳体形式和游离态的石墨形式存在。态的石墨形式存在。渗碳体：复杂的斜方结构；渗碳体：复杂的斜方结构；石墨：简单的六方晶格。石墨：简单的六方晶格。渗碳体为亚稳态，在一定条件下能分解渗碳体为亚稳态，在一定条件下能分解为

54、铁和石墨，而石墨则是稳定相。它可为铁和石墨，而石墨则是稳定相。它可以从铸铁溶液中析出也可以从奥氏体中以从铸铁溶液中析出也可以从奥氏体中析出。析出。1.1.铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程石墨化就是在铸铁中碳原子形成石墨的过程。石墨化就是在铸铁中碳原子形成石墨的过程。石墨化就是在铸铁中碳原子形成石墨的过程。石墨化就是在铸铁中碳原子形成石墨的过程。灰口铸铁、球墨铸铁灰口铸铁、球墨铸铁灰口铸铁、球墨铸铁灰口铸铁、球墨铸铁石墨从溶液中析出；可锻石墨从溶液中析出；可锻石墨从溶液中析出；可锻石墨从溶液中析出；可锻铸铁铸铁铸铁铸铁白口铸铁经长时间高温回火，由渗碳体分白口铸铁经长时间高温回火，由渗碳体分白口铸

55、铁经长时间高温回火，由渗碳体分白口铸铁经长时间高温回火，由渗碳体分解得到解得到解得到解得到。石墨化过程：石墨化过程：石墨化过程：石墨化过程： 第一阶段：铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶石第一阶段：铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶石第一阶段：铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶石第一阶段：铸铁液体结晶出一次石墨（过共晶石墨），在墨），在墨），在墨），在1154115411541154石墨与奥氏体同时从液相中析出石墨与奥氏体同时从液相中析出石墨与奥氏体同时从液相中析出石墨与奥氏体同时从液相中析出（共晶石墨）；（共晶石墨）；（共晶石墨）；（共晶石墨）； 第二阶段：第二阶段：第二阶段：第二阶段：1154-738

56、1154-7381154-7381154-738，奥氏体析出二次石墨；，奥氏体析出二次石墨；，奥氏体析出二次石墨；，奥氏体析出二次石墨； 第三阶段：第三阶段：第三阶段：第三阶段：738738738738，石墨与铁素体同时由奥氏体，石墨与铁素体同时由奥氏体，石墨与铁素体同时由奥氏体，石墨与铁素体同时由奥氏体中析出共析石墨。中析出共析石墨。中析出共析石墨。中析出共析石墨。按对石墨化的作用分：按对石墨化的作用分： 促进石墨化元素：促进石墨化元素：C、Si、Al、Cu、Ni、Co 阻碍石墨化元素：阻碍石墨化元素：Cr、W、Mo、V、Mn以及以及P、S S强烈促进铸铁的白口化，是力学性能和铸造性能恶化，

57、强烈促进铸铁的白口化，是力学性能和铸造性能恶化，S 的质量分数控制在的质量分数控制在0.15%以下。以下。 石墨化程度不同，得到的铸铁类型和组织不同：白石墨化程度不同，得到的铸铁类型和组织不同：白口铸铁、麻口铸铁、灰口铸铁。口铸铁、麻口铸铁、灰口铸铁。 灰口铸铁：由石墨和基体（铁素体、珠光体、铁素体加珠光灰口铸铁：由石墨和基体（铁素体、珠光体、铁素体加珠光 体）两部分构成；体）两部分构成； 麻口铸铁：由石墨和珠光体和麻口铸铁：由石墨和珠光体和Ld构成；构成； 白口铸铁：由珠光体、白口铸铁：由珠光体、Fe3C和和Ld构成，不进行石墨化。构成，不进行石墨化。高温莱式体：奥式体和高温莱式体：奥式体和

58、渗碳体组成的混合物。渗碳体组成的混合物。低温莱式体（低温莱式体（ L d ）：）：珠光体、二次渗碳体、共晶珠光体、二次渗碳体、共晶渗碳体组成渗碳体组成2.2.铸铁中的合金元素铸铁中的合金元素3.3.铸铁的组织和分类铸铁的组织和分类灰口铸铁：灰口铸铁：灰口铸铁：灰口铸铁：灰口铸铁具有片状石墨，引起严重应灰口铸铁具有片状石墨，引起严重应灰口铸铁具有片状石墨，引起严重应灰口铸铁具有片状石墨，引起严重应力集中，抗拉强度和塑性较低。但铸铁的压缩强力集中，抗拉强度和塑性较低。但铸铁的压缩强力集中，抗拉强度和塑性较低。但铸铁的压缩强力集中，抗拉强度和塑性较低。但铸铁的压缩强度不受石墨片的影响；度不受石墨片的

59、影响；度不受石墨片的影响；度不受石墨片的影响；蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：相对于相对于相对于相对于灰口铸铁，灰口铸铁，灰口铸铁，灰口铸铁，蠕墨铸铁具有蠕虫蠕墨铸铁具有蠕虫蠕墨铸铁具有蠕虫蠕墨铸铁具有蠕虫状石墨，状石墨，状石墨，状石墨，石墨长厚比减少，端部较钝，石墨长厚比减少，端部较钝，石墨长厚比减少，端部较钝，石墨长厚比减少，端部较钝，抗拉强度抗拉强度抗拉强度抗拉强度和塑性都提高；和塑性都提高；和塑性都提高；和塑性都提高；可锻铸铁：可锻铸铁：可锻铸铁：可锻铸铁：可锻铸铁具有可锻铸铁具有可锻铸铁具有可锻铸铁具有团絮状石墨，应力集中团絮状石墨，应力集中团絮状石墨，应力集中团絮状石墨，应

60、力集中较轻，较轻，较轻，较轻，抗拉强度增大，塑性也明显改善；抗拉强度增大，塑性也明显改善；抗拉强度增大，塑性也明显改善；抗拉强度增大，塑性也明显改善；根据石墨形态对非白口铸铁进行分类：根据石墨形态对非白口铸铁进行分类：灰口铸铁：灰口铸铁：具有片状石墨的铸铁；具有片状石墨的铸铁；可锻铸铁：可锻铸铁：具有具有团絮状石墨的铸铁；团絮状石墨的铸铁；球墨铸铁：球墨铸铁：具有球状石墨的铸具有球状石墨的铸铁；铁；蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：具有蠕虫状石墨的铸铁。具有蠕虫状石墨的铸铁。4.4.铸铁性能特点铸铁性能特点n n球墨铸铁：球墨铸铁：球墨铸铁：球墨铸铁：球墨铸铁具有球墨铸铁具有球墨铸铁具有球墨铸铁具有球状石墨

61、，应力集中最球状石墨，应力集中最球状石墨，应力集中最球状石墨，应力集中最小，小，小，小，抗拉强度和塑性也最大抗拉强度和塑性也最大抗拉强度和塑性也最大抗拉强度和塑性也最大。 A、石墨造成脆性切削，铸铁切削加工性能优异；、石墨造成脆性切削，铸铁切削加工性能优异； B、铸铁的铸造性能良好，铸铁凝固时形成石墨所产生的、铸铁的铸造性能良好，铸铁凝固时形成石墨所产生的膨胀，减少了铸铁件的体积收缩，降低了铸铁件中的内膨胀，减少了铸铁件的体积收缩，降低了铸铁件中的内应力；应力； C、石墨有良好的润滑作用，并能存储润滑油，使铸铁有、石墨有良好的润滑作用，并能存储润滑油，使铸铁有良好的耐磨性；良好的耐磨性； D、

62、石墨对震动的传递起消减作用，使铸铁具有良好的减、石墨对震动的传递起消减作用，使铸铁具有良好的减震作用震作用 ； E、大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。、大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。5.5.铸铁的特殊性能铸铁的特殊性能灰口铸铁的显微组织灰口铸铁的显微组织(a)(a)铁素体灰口铸铁；铁素体灰口铸铁；(b)(b)铁素体铁素体- -珠光体灰口铸铁；珠光体灰口铸铁； (c)(c)珠光体灰口铸铁珠光体灰口铸铁可锻铸铁的显微组织可锻铸铁的显微组织(a)(a)铁素体可锻铸铁；铁素体可锻铸铁；(b)(b)珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁(a) (a) 蠕墨铸铁电子金相蠕墨铸铁电子金相 100010

63、00(b) (b) 蠕墨铸铁光学金相蠕墨铸铁光学金相 100100 蠕墨铸铁是近二十几年来发展起来的一蠕墨铸铁是近二十几年来发展起来的一种新型铸铁，其强度接近于球墨铸铁，种新型铸铁，其强度接近于球墨铸铁，并具有一定韧性和较高的耐磨性。同时并具有一定韧性和较高的耐磨性。同时它还具有灰铸铁良好的铸造性能和导热它还具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。性。 随着工业的发展，对铸铁的性能要求愈随着工业的发展，对铸铁的性能要求愈来愈高，不但要求铸铁具有更高的机械来愈高，不但要求铸铁具有更高的机械性能，而且还要求具有某些特殊性能，性能，而且还要求具有某些特殊性能，如耐磨性、耐热性和耐蚀性等。向铸铁如耐磨性、耐

64、热性和耐蚀性等。向铸铁中加入一定量的合金元素，便获得特殊中加入一定量的合金元素，便获得特殊性能的合金铸铁。性能的合金铸铁。铸铁按结构铸铁按结构( (石墨的形态石墨的形态) )可分为可分为四种类型：四种类型：灰口铸铁灰口铸铁(Gray cast iron)(Gray cast iron)可煅铸铁可煅铸铁(malleable cast iron)(malleable cast iron)球墨铸铁球墨铸铁(Graphite cast iron)(Graphite cast iron)白口铸铁白口铸铁(White cast iron)(White cast iron)Cast IronWhite Ir

65、onGray IronMalleable IronDuctile IronCementiteGraphite0.05%MgGraphitic IronsCast IronSteelCast IronWhy do cast irons have high carbon content?Malleable Iron (1.5% Si, 2.5% C)ferriteGraphiteWhite Iron (Fe3C + a)700 Cg + Fe3C- a + CFe3C + a -Fe3C + g +CFerritic Maleable Iron760 CT(C)1004008001000600Ti

66、me (hr)102030401 2 3 4 5 680010001400T (C)g + Ca + Cg + Fe3C (metastable)% CWhite (0 % Si) and Gray Cast Iron (2% Si)GrayWhiteFe3CGraphiteFlakeStable gray IronMetastable White IronPearliteMetastable L- g + Fe3CStable L- g + CHardBrittleMachinable1 2 3 4 5 660010001400T (C)g + Ca + graphite ora + Fe3

67、Cg + Fe3C%CAlloy Elements Change Phase Diagramg+bg+b5006007008009001000%Ca a + Fe3CMn Alloy Hypereutectoid at 0.6% CAustenite forms at 700C01 %Mn Alloy can be deformed at 700C (g g phase) whereasThe plane carbon steel would be dispersion hardeneda aCarbon SteelMn Alloy Steelg g除了钢铁材料外，其它金属及合金是不除了钢铁材

68、料外，其它金属及合金是不以铁为基的则称为非铁金属及合金。以铁为基的则称为非铁金属及合金。非铁金属及合金的种类很多，其产量和非铁金属及合金的种类很多，其产量和使用量不及钢铁，但由于它们具有某些使用量不及钢铁，但由于它们具有某些独特的性能和优点，因而成为现代工业独特的性能和优点，因而成为现代工业中不可缺少的材料。本节仅对工业中广中不可缺少的材料。本节仅对工业中广泛使用非铁金属及合金中的泛使用非铁金属及合金中的铝、铜、钛铝、铜、钛合金合金做一些简要介绍。做一些简要介绍。 3.6 3.6 非铁金属及合金非铁金属及合金（1 1）纯铜）纯铜( (紫铜紫铜) ) ：紫铜就是工业纯铜，比：紫铜就是工业纯铜，比

69、重为重为8.968.96，熔点为，熔点为10831083。在固态时具有面。在固态时具有面心立方晶格，无同素异构转变。塑性好，容心立方晶格，无同素异构转变。塑性好，容易进行冷易进行冷热加工。热加工。（2 2）黄黄铜铜：Cu-ZnCu-Zn合合金金或或以以ZnZn为为主主要要合合金金元元素素的的铜铜合合金金称称为为黄黄铜铜。它它的的色色泽泽美美观观，加加工工性性能能好好。按按化化学学成成分分的的不不同同，黄黄铜铜可可分分为为普普通黄铜和特殊黄铜两类。通黄铜和特殊黄铜两类。（3）白白铜铜：Cu-NiCu-Ni合合金金，包包括括锌锌白白铜铜（含含ZnZn）、锰白铜（含锰）、鉄白铜（含铁）。）、锰白铜（

70、含锰）、鉄白铜（含铁）。1.1.铜及其合金铜及其合金自自然然铜铜（a a） 单相黄铜的显微组织单相黄铜的显微组织(100(100) ) （b b） + 双相黄铜的显微组织双相黄铜的显微组织(100(100) )（4 4）青铜：）青铜：青铜原指青铜原指Cu-Cu-SnSn合金，是人类应合金，是人类应用最早的一种合金，但工业上习惯称含有用最早的一种合金，但工业上习惯称含有AlAl、SiSi、PbPb、MnMn、BeBe等的铜基合金为青铜。所以，等的铜基合金为青铜。所以，青铜包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。本青铜包括有锡青铜、铝青铜、铍青铜等。本节主要介绍锡青铜。节主要介绍锡青铜。锡青铜锡青铜: :

71、当当锡锡青青铜铜的的含含SnSn量量5 56%6%时时，其其室室温温组组织织是是单单相相固固溶溶体体。固固溶溶体体是是SnSn在在CuCu中中的的固固溶体，具有良好的塑性；溶体，具有良好的塑性；当当锡锡青青铜铜的的含含SnSn量量5 56%6%，锡锡青青铜铜的的室室温温组组织织为为+ +共共析析体体( (+ +) )。相相是是以以电电子子化化合合物物CuCu3131SnSn8 8为基的固溶体，是一个硬脆相。为基的固溶体，是一个硬脆相。铝铝是是地地壳壳中中储储量量最最丰丰富富的的元元素素之之一一，约约占占全全部部金金属属的的三三分分之之一一。由由于于制制取取铝铝的的技技术术不不断断提提高高，使使

72、铝铝成成为为价价廉廉而而应应用用广广泛泛的的金金属属。其其特特点点如如下下：铝铝的的比比重重（2.7）轻轻，约约为为铜铜的的1/3，属属于于轻轻金金属属。熔熔点点是是660。铝铝的的导导电电性性和和导导热热性性都都很很好好，仅仅次次于于银银和和铜铜。因因此此，铝铝被被广广泛泛用用于于制制造造导导电电材材料料和和热热传导器件。传导器件。铝铝在在大大气气中中有有良良好好的的耐耐腐腐蚀蚀性性。由由于于铝铝和和氧氧亲亲和和力力强强，能能生生成成致致密密、坚坚固固的的氧氧化化铝铝(Al2O3)薄薄膜膜，可以保护薄膜下层金属不再继续氧化。可以保护薄膜下层金属不再继续氧化。固固态态铝铝呈呈面面心心立立方方晶

73、晶格格，塑塑性性好好，但但强强度度低低，可可经冷塑性变形使其强化。经冷塑性变形使其强化。纯铝中含有纯铝中含有Fe、Si等杂质。随杂质含量增加，铝等杂质。随杂质含量增加，铝的性能下降。的性能下降。 2. 2. 铝及其合金铝及其合金铝合金铝合金状态图的一般类型状态图的一般类型形形变变铝铝合合金金：成成分分在在D点点以以左左的的合合金金，当当加加热热到到固固溶溶线线以以上上时时，得得到到的的是是均均匀匀的的单单相相固固溶溶体体，适适于于压压力力加加工工，所所以以，称称为为形形变变铝铝合合金金；当当成成份份在在F点点以以左左的的合合金金，其其固固溶溶体体成成分分不不随随温温度度而而变变，不不能能用用热

74、热处处理理使使之之强强化化；成成分分在在DF点点之之间间的的铝铝合合金金，其其固固溶溶体体成成分随温度而变化，可用热处理强化。分随温度而变化，可用热处理强化。+ +铝的冶炼铝的冶炼铝质材料的应用铝质材料的应用铝质材料的应用铝质材料的应用铝合金的应用铝合金的应用铝铝合合金金飞飞机机铝质材料的应用铝质材料的应用形变铝合金：形变铝合金：防锈铝合金（防锈铝合金（LF5、 LF11、 LF21等，主等，主要合金元素是要合金元素是Mn、Mg ）、硬铝合金（）、硬铝合金（LY1、LY11、LY12等，属于等，属于Al-Cu-Mg系合金，另含有少量系合金，另含有少量Mn以及以及Ti和和B）、）、超硬铝合金（超

75、硬铝合金（ Al-Mg-Zn-Cu系合金，并含有少量系合金，并含有少量Cr，LC4、LC6等）、煅铝合金（等）、煅铝合金（ Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金，系合金，LD5、LD7、LD10等）等）铸造铝合金：铸造铝合金：Al-Si、Al-Cu、Al-Mg、Al-Zn等等4中合金。中合金。Al-Si：ZL201、ZL202、ZL105、ZL107等，用于形状复杂等，用于形状复杂的零件；的零件；Al-Cu：ZL201、 ZL202、 ZL203等，用于制造等，用于制造300 以下以下工作的零件；高温下不受冲击的零件；可作为结构材料、铸工作的零件；高温下不受冲击的零件；可作为结构材料、铸造承受中

76、等载荷和形状较简单的零件。造承受中等载荷和形状较简单的零件。Al-Mg：ZL301、 ZL302等，用于制造承受冲击载荷在腐蚀等，用于制造承受冲击载荷在腐蚀性介质中工作的形状并不复杂的零件；性介质中工作的形状并不复杂的零件；Al-Zn： ZL401、 ZL402等，用于制造汽车、拖拉机的发动等，用于制造汽车、拖拉机的发动机零件及形状复杂的仪器原件，也可用于制造日用品。机零件及形状复杂的仪器原件，也可用于制造日用品。Aluminum AlloysHall-Heroult Process8% of earth crust is Al飞机飞机飞机飞机1919世纪中叶，钢时代世纪中叶，钢时代2020世

77、纪初，铝时代世纪初，铝时代2020世纪中叶，镁时代世纪中叶，镁时代2121世纪，钛时代世纪，钛时代3. 3. 钛合金钛合金钛钛曾经被称为曾经被称为“稀有金属稀有金属”地壳外层中含量达地壳外层中含量达0.6%, 0.6%, 总储量总储量7 7亿吨以上亿吨以上金属元素中仅次于铁、铝、镁，位处第四金属元素中仅次于铁、铝、镁，位处第四铜的铜的6060倍，钼的倍，钼的600600倍倍稀有稀有？钛钛不寻常的综合优点！不寻常的综合优点！比钢轻得多：密度只有钢的比钢轻得多：密度只有钢的1/41/4比强度高：比铝、钢更结实（同比强度高：比铝、钢更结实（同等重量）等重量）抗腐蚀：抗腐蚀：耐高温：耐高温：-钛：钛：

78、882.5 以以下，密排六方下，密排六方-钛：钛： 882.5 以以上，体心立方上，体心立方飞机蒙皮的使用温度/摄氏度金红石金红石钛材料的应用钛材料的应用钛材料的应用钛材料的应用 钛材料的应用钛材料的应用钛材料的应用钛材料的应用钛材料的应用钛材料的应用钛钛 钢钢 型型 材材人工器官人工器官钛合金：钛合金：- -钛合金、钛合金、- -钛合金、（钛合金、（+ +）- -钛合金钛合金 合金元素：铝、硼、钼、钒等合金元素：铝、硼、钼、钒等- -钛合金：钛合金：加入铝、硼等加入铝、硼等稳定元素，稳定元素，TA7TA7，Ti-5Al-2.5SnTi-5Al-2.5Sn，用于制造导弹的燃料罐、超音速，用于制

79、造导弹的燃料罐、超音速飞机的涡轮机匣等；飞机的涡轮机匣等；- -钛合金：钛合金：加入钼、铬、钒等，加入钼、铬、钒等，TB1TB1， Ti-Ti-3Al-13V-11Cr3Al-13V-11Cr，用于制造气压机叶片、轴、轮盘，用于制造气压机叶片、轴、轮盘等重载回转件，以及飞机构件；等重载回转件，以及飞机构件；（+ +）- -钛合金：钛合金：TC4TC4，Ti-6Al-4VTi-6Al-4V，用于，用于制造载制造载400400以下长期使用的零件、要求一定高以下长期使用的零件、要求一定高温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭温强度的发动机零件，以及在低温下使用的火箭、导弹的夜氢燃料罐。、导弹的夜

80、氢燃料罐。Al-Li AlloysLithium density 0.54g/ccAircraft skinsModulusDensity1 2 3 4% Li2.5%Rapid solidification required2.5%-4% Li. Age Hardenable.Increase strength x 30Non Ferrous Metals1960年年Duwez等人首先提出用喷枪法使等人首先提出用喷枪法使液态金属高速液态金属高速(106/s)急冷而制成急冷而制成70% Au-30%Si的非晶态合金。的非晶态合金。1970年以后，人们开始采用熔体旋辊急年以后，人们开始采用熔体旋

81、辊急冷方法制备非晶薄带。冷方法制备非晶薄带。非晶态合金又称金属玻璃，具有很多特非晶态合金又称金属玻璃，具有很多特点，主要是高硬度和高强度，延伸率低点，主要是高硬度和高强度，延伸率低但不脆，有很好的软磁铁性和优越的耐但不脆，有很好的软磁铁性和优越的耐腐蚀性能。腐蚀性能。 3.7 3.7 非晶态合金非晶态合金纯纯Ni，Au77.8 Ge13.8Si8.4，Pd82Si18，Pd77.5Cu6Si16.5的的TTT曲线曲线非晶态合金的发展非晶态合金的发展和快速淬火技术的和快速淬火技术的发展密切相关。这发展密切相关。这一技术的发展也促一技术的发展也促进了微晶材料的发进了微晶材料的发展。展。熔体急冷条件

82、下，熔体急冷条件下，有些合金并不能形有些合金并不能形成非晶态，但却可成非晶态，但却可以形成晶粒非常小以形成晶粒非常小的微晶材料，这些的微晶材料，这些微晶材料具有不同微晶材料具有不同于一般晶态材料的于一般晶态材料的若干特若干特 性，成为金性，成为金属材料又一分枝。属材料又一分枝。 所谓再结晶，指的是当变形金属加热到所谓再结晶，指的是当变形金属加热到较高温度，原子的活动能力增大，其显较高温度，原子的活动能力增大，其显微组织会发生明显的变化，由破碎的晶微组织会发生明显的变化，由破碎的晶粒变成完整的晶粒；由拉长的晶粒变成粒变成完整的晶粒；由拉长的晶粒变成等轴晶粒。这个过程也是一个新晶粒的等轴晶粒。这个

83、过程也是一个新晶粒的成核和长大的过程，同时使加工硬化与成核和长大的过程，同时使加工硬化与残余应力也完全消除。残余应力也完全消除。3.8 3.8 金属材料的再结晶金属材料的再结晶1.1.再结晶再结晶(a) 550(a) 550再结晶再结晶 (b) 600(b) 600再结晶再结晶 (c) 850(c) 850再结晶再结晶 再结晶过程的再结晶过程的显微组织显微组织(150(150) ) 变形金属经再结晶后，通常获得细而均变形金属经再结晶后，通常获得细而均匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延匀的等轴晶粒。如果继续升高温度或延长保温时间，晶粒将会互相吞并而长大。长保温时间，晶粒将会互相吞并而长大。晶粒长

84、大是一个自发过程，它可使晶界晶粒长大是一个自发过程，它可使晶界减少，晶界表面能量降低，使组织处于减少，晶界表面能量降低，使组织处于更为稳定的状态，结果使金属的机械性更为稳定的状态，结果使金属的机械性能显著降低。能显著降低。 2. 2. 晶粒长大晶粒长大 （1）加热温度和保温时间的影响）加热温度和保温时间的影响 （2）变形度的影响）变形度的影响 3.3.影响再结晶后晶粒大小的因素影响再结晶后晶粒大小的因素主要金属合金的化学组成种类母相金属材料名称(加入的主要元素/%)钢Fe结构钢(C 0.1-0.6);高速钢(W13-20,Cr3-6,C0.6-0.7);高强钢(C0.2, Mn1.25,S12

85、);铬镍系(Cr17-19,Ni8-16,Mo2.0,Cu2.0), 18-8不锈钢(Cr18,Ni8); 耐腐蚀钢(Cr12,C0.3)耐热钢FeFe-Cr系合金(Cr4-10):Fe-Cr-Ni系合金 (Cr18-20,Ni8-70,Mn0.5-2,S0.5-3,C0.2); Fe-Cr-Al系合金(Cr5-30,Al0.6-5,Mn0.5,Si0.5-1,C0.1-0.12,Co1.5-3)低熔点合金铅-锡合金(Sn39-40); 黄铜焊料(Zn40); 铜合金(Sn60-70,Pb40-30); 银-铜-磷合金(Ag15,Cu80,P5); 磷-铜合金(P4-8)钛合金Ti高强度钛合金(Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al); 高塑性钛合金(Ti-6Al-4V)非晶态合金Fe78Si10B12; Pd40Ni40P20; Fe80P13C7; Ti50Be40Zr10; Co70Fe5Si15B10