机械工程材料

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1、机械工程材料机械工程材料贺小涛绪绪论论一、机械制造一般过程一、机械制造一般过程焊接原材料原材料铸造毛坯毛坯热处理切削加工热处理切削加工零件零件锻造产品产品（检验）装配涂装定义：是能为人类制造有用器件的物质。Makeof(发生物理变化)akefrom(发生化学变化)二、材料的概念二、材料的概念历史：把当时使用的材料，作为历史发展的里程碑。天然材料石器时代青铜时代钢铁时代地位：材料、能源、信息，三大技术1、工艺性能：在冷热加工过程中所表现的性能，包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能等；三、材料的性能三、材料的性能2、使用性能：在使用条件下所表现的性能，包括材料的物理、化学和力学性能。1.金属材料：

2、(1)黑色金属：钢、铸铁、铁合金；(2)有色金属：黑色金属以外的所有金属及合金，如Cu、Al等；(重金属、轻金属、贵金属、难熔金属)2、非金属材料：(1)陶瓷材料(无机)；(2)高分子材料(有机)：塑料、橡胶、纤维等；3、复合材料：两种或两种以上不同性质或不同组织结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而构成的；分类依据：化学成分；用途；电工材料、土木材料、机械工程材料实质；结构材料（力学性能）、功能材料（物理性能，光、电、声、磁、热）四、四、材料的分类材料的分类1、了解常用材料的一般特性，学会正确地选用材料；2、了解金属热处理工艺的一般知识，学会正确地制定和执行零件的热处理工艺和掌握一般的加工

3、工艺路线安排；3、掌握材料成分组织结构性能三者之间关系的一般规律，了解金相分析的方法，初步学会合理地进行零件的失效分析。（1）成分不同，性能不同；铸铁(WC2.11%)钢(WC103次才断裂。二、疲劳强度二、疲劳强度： 被测材料抵抗交变载荷的性能 疲劳：在交变载荷作用下，交变应力小于s，材料经较长时间的工作而发生断裂。 一般以材料在无数次的交变载荷作用而不致破坏的最大应力来表示疲劳强度。-1 特点1：无论是脆性材料，还是塑性材料，疲劳断裂均不产生明显的塑性变形；特点2：裂纹产生及扩展区呈“贝壳”花样，最后断裂区呈纤维状或结晶状。疲劳曲线：交变应力与交变次数N的关系 当应力低于某值时，应力交变到

4、无数次也不会发生断裂，此为疲劳极限。 第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶本章目的：阐明金属的特性与金属键间的关系；揭示金属的实际晶体结构；介绍金属结晶的基本概念和基本过程； 阐明实际的结晶组织及其控制。2.1原子间的结合键原子间的结合键结合键的种类结合键的种类：1.离子键：离子键：当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，外层电子的重新分布和正、负子间的静电作用而相互结合。(MgO、Al2O3)2.共价键共价键：当两个相同的原子或性质相差不大的原子相互 接近时，它们的原子间不会有电子转移。此时原 子间借共用电子对所产生的力而结合。3.金属键金属键：金属正离子与自由电子

5、间的静电作用，使金属 原子结合起来形成金属整体 4. 4. 分子键分子键：存在于中性原子或分子间的结合力(范德华力)。 5. 5. 氢氢 键键：当两种电负性大而原子半径较小的原子与氢原 子结合时，氢原子与一种原子之间形成共价键， 与另一种原子间形成氢键。 二、金属特性与金属键的关系二、金属特性与金属键的关系：1.特性：较高的强度，良好的塑性，高的导电性、导热性，正的电阻温度系数，具有金属光泽。 2. 关系： (1)导电：在电势作用下，自由电子作定向移动； (2)正的电阻温度系数：T，离子振动，电子运动阻力， (3)塑性：金属中的离子与电子间能保持一定的相对关系。 2.2金属的晶体结构金属的晶体

6、结构一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识 1.晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则规则排列，具有固定固定熔 点和各向异性各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡) 2.晶格(点阵): 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连接起 来，线与线的交点为节点。 一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识3.晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度(a,b,c)，单位A0(10-10m);轴间夹角(、）(2

7、)晶面、晶向: 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。 晶向：通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向， 用晶向指数表示。 晶向指数的确定方法是晶向指数的确定方法是：(1)通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；(2)求出该直线上任意一点的三个坐标值，(3)将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号， 即为所求的晶向指数，一般形式为uvw。 原子排列相同，位向不同，可统一用表示晶面指数的确定方法是：(1)沿晶胞的三个坐标轴，由原点起取该晶面在各坐标轴上的截矩截矩（以晶格常数值a、b、c分别作为三个相应轴上的度量单位）；(2)取截矩的倒数倒数；(3）把它们化为三个最小的简单整数

8、最小的简单整数，并括在一个圆括 弧中表示。一般形式为(hkl)。 原子排列相同,位向不同，可统一用hkl表示。二、典型的晶体结构：二、典型的晶体结构： 体心立方(b.c.c)面心立方(f.c.c)密排六方(h.c.p)body-centeredcubicface-centeredcubichexagonalclose-packed致密度：晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。配位数：晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。 三、各向异性三、各向异性：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而不同方向上的性能便有所差异(原子间结合力不同)。 硅钢片，不同晶向磁化能力不同，采用

9、轧制，使晶向平行于轧制方向，得到优异的磁导率。2.3实际金属结构实际金属结构一、单晶体与多晶体 单晶体：一块晶体内部的晶粒位向(原子排列的方向)完全一致。 晶粒：外形不规则的晶体颗粒 。 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。 显微组织：在显微镜下所观察到的金属中的各种晶粒的大 小、形态和分布。 伪各向同性：多晶体中，由于各晶粒的位向不同，使其各 向异性受到了抵消，造成各向性能接近相同。 二、晶体缺陷：二、晶体缺陷：1.点缺陷：是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸 范围约为一个或几个原子间距的缺陷。 空位 置换原子 间隙原子 晶格畸变：点缺陷的存在，原子间作用力的

10、平衡被破坏，周 围其原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化 为晶格畸变。2.线缺陷： 是在三维空间两维方向尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。如位错。位错：是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 位错形式：刃型位错、螺型位错 一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移，在晶格的上半部分中挤出了一层多余的原子面，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，其边缘为位错线。(透射电镜下可观察到)位错对材料的强度理论有很大贡献。3.面缺陷： 在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。主要是晶界和亚晶界。 晶界:多晶体中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界 处原子

11、排列不一致，存在一个过渡层，即晶界； 亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。 在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。2.5金属的结晶金属的结晶1.凝固：一切物质从液态到固态的转变过程。2.结晶：物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过渡为另一种原子规规则则排列状态(晶态)的转变过程。 (通过凝固能形成晶体结构) 一次结晶：液态液态转变成固体固体晶态 二次结晶：固态固态转变成另一种固体固体晶态 3.平衡结晶温度：对纯元素而言，液体与晶体共存的温度T0。 T

12、T0熔化 , TT0: 液态金属温度均匀下降；当当T TT Tn nTT0 0 : 结晶开始，放出结晶潜热，保持系统温度不变，出现“平台”；结晶完毕结晶完毕:T。 二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程1.晶核的形成：自发形核：液态金属内部形成的结晶枋心。 非自发形核：晶核在杂质固态点表面形成。2.晶核的长大：实质是原子由液体向固体表面的转移。 长大初期，晶核外形比较规则形成晶体的顶棱边枝晶生长。3.影响形核与长大的因素： 形核率N：单位时间内，单位体积中所产生的晶核数 长大速度G：单位时间内晶核长大的平均速度 与晶粒大小有关，也与过冷度、难熔杂质有关。与晶粒大小有关，也与过冷度、难熔杂质有关。

13、1)1)过冷度：过冷度： TT，FF，形核、形核、长长大大驱动驱动力力； TT，原子迁移能力原子迁移能力( (扩扩散散) ) 二者共同作用，使形核和长大与过冷度关系上出现一个极大值。2)2)难熔杂质难熔杂质： 加速晶核形成；细化金属晶粒 3）细化晶粒的措施：细化晶粒的措施： (1) (1)增大过冷度：提高冷速；提高过冷能力增大过冷度：提高冷速；提高过冷能力( (高温出炉、低温高温出炉、低温 浇注）浇注） (2) (2)变质处理：增加晶核数目，阻碍晶粒长大。变质处理：增加晶核数目，阻碍晶粒长大。三、金属的同素异构性：三、金属的同素异构性： 有些金属在结晶之后结晶之后继续冷却时，还会发生结构的变化

14、，从一种晶格转变为另一种晶格，此转变为同素异构转变。 同素异构转变实质上也是个结晶过程，亦称重结晶重结晶。四、金属铸锭组织：四、金属铸锭组织： 1. 表面细晶粒层：表层金属过冷度大；模壁的人工晶核作用。 2. 柱状晶粒层：铸锭垂直于其模壁散热的影响，晶粒沿此方 向优先长大。 3.中心等轴晶：散热方向性减小，趋于均匀冷却；未熔杂质推 至中心。 柱状晶力学性能具有明显方向性，对于钢锭，由于塑性柱状晶力学性能具有明显方向性，对于钢锭，由于塑性差，应避免柱状晶，对于有色金属，则希望得到。差，应避免柱状晶，对于有色金属，则希望得到。 第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶本章目的：1

15、.阐明金属塑性变形的主要特点及本质；2.指出塑性变形对金属组织和性能的影响；3.揭示形变金属在加热过程中组织和性能变化规律； 4. 说明热加工与冷加工的本质区别以及热加工的特点。单晶体试样拉伸变形单晶体试样拉伸变形33.1金属的塑性变形金属的塑性变形一、单晶体的塑性变形：一、单晶体的塑性变形： 通过滑移和孪生两种主要方式进行。1、滑移：晶体在切应力的作用下，其中一部分相对于另一部分发生滑动的结果。产生滑移的晶面和晶向，分别称为滑移面和滑移方向。 a.未变形 b.弹性变形 c.弹塑性变形 d.塑性变形 （1）特点 只能在切只能在切应应力作用下力作用下进进行；行； 临界切应力：使晶体开始滑动的切应

16、力。coscos当P/F=s时，kscoscosk为临界分切应力。拉力P与滑移方向夹角为，与滑移面法线夹角为 滑移沿原子密排面滑移沿原子密排面( (滑移面滑移面) )、原子密排方向、原子密排方向( (滑移方向滑移方向) )进进行行 滑移系：一个滑移面和其上一个滑移方向构成。 滑移方向对塑性变形的作用要大于滑移面的作用 产生滑移线和滑移带产生滑移线和滑移带 滑移带：在试样表面上的许多平行线条，由滑移线构成；滑移的同时，伴随晶体转动。滑移的同时，伴随晶体转动。（2）)滑移理论：现象：cr理论：Cu：6480Mpa cr实测：Cu：0.4080MPa Fe：10960Mpa Fe：2.75MPa c

17、r单位面积上所有位错产生、运动阻力之和。 刚性滑移理论： 同一瞬间：a.大量原子同时滑移； b.每个原子移动距离为原子间距的整数倍 位错滑移理论：a.在晶体某些部位形成位错； b.位错沿滑移线运动； c.位错运动到晶体表面后消失。 同一瞬间：a.少数原子参与滑移； b.每个原子移动距离为一个原子间距的几分之一。 2、孪生：晶体在切应力作用下，其一部分沿一定的晶面(孪晶面)产生一定角度的切变。孪晶：切变后，变形部分的晶体位向发生了改变，以孪晶面为对称面与未变形部分相互对称，对称的两部分晶体 即为孪晶。 孪生变形较滑移变形所需临界切应力大，一般而言，f.c.c、b.c.c金属很少发生孪生变形，h.

18、c.p金属较容易发生。 二、多晶体的塑性变形：二、多晶体的塑性变形：特点：特点：（1）不同时塑性变形。“软位向”45，“硬位向”/，垂直。（2）每个晶粒变形时受周围不同位向晶粒的牵制。d减小，s增大。 d减小， 塑性、韧性高： d较小，晶粒数增多，变形分散且均匀，无应力集中； d较小，晶界增多，裂纹扩展要走迂回曲折的道路。 （3）晶界有阻碍作用。（4）变形不均匀。33.2塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形对金属组织和性能的影响塑性变形塑性变形强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性，电阻，电阻，抗蚀性，抗蚀性。一、塑性变形对金属组织的影响：一、塑性变形对金属组织的影响： 1.显微组织的

19、变化：形成“纤维组织”； 2.亚结构的细化：位错缠结、晶粒破碎；3. 织构现象的产生： 织构: 在塑性变形过程中，晶粒转动， 当变形量达到一定程度(7090%以上)时， 会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方 向趋于一致。 缺陷： 制耳； 优点： 使硅钢片的特定晶界、晶向平行于磁力线方向，提高导磁率 二、塑性变形对金属性能的影响：二、塑性变形对金属性能的影响：1.对力学性能的影响： 强度、硬度，塑性、韧性 2.残余应力： (1)材料经塑性变形后残存在内部的应力。其产生是由 于金属内部各区域变形不均匀所致； (2)是一种弹性应力，在金属中处于自相平衡的状态；分为三种：a. 宏观残余应力(第一类内应力

20、) 由宏观变形不均匀引起，使工件变形； b. 微观残余应力(第二类内应力) 由晶粒或亚晶粒间变形不均匀引起，使工件内 部产生微裂纹 c. 晶格畸变应力(第三类内应力)； 由晶格畸变引起，使工件强度、硬度，塑性、抗蚀性。 3.对理化性能的影响：(1)电阻率； (2)电阻温度系数； (3)导磁率； (4)导热率； (5)腐蚀。 33.3变形金属在加热时组织与性能的变变形金属在加热时组织与性能的变化化一、回复、再结晶和晶粒长大：一、回复、再结晶和晶粒长大：(一)回复：经过冷变形的金属加热时，在显微组织发生变化前所发生的一些亚结构的改变过程称为回复。特点：(1)温度低。TT再(2)显微组织没有明显变化

21、； (3)力学性能变化不大； (4)残余应力显著降低； (5)理化性能基本恢复到变形前情况。 应用：低温去应力退火(如深冲黄铜弹壳，会自动变形，甚至开裂。 (二)再结晶：变形金属变形金属加热到较高温度较高温度时，由于原子扩散能力增加，在晶格畸变严重处形成一些位向与变形晶粒不同，内部缺陷减少的等轴小晶粒，这些小晶粒不断向外扩展长大，直至金属中的变形金属全部被等轴晶等轴晶取代，即冷变形组织完全消失，这一过程为再结晶。1、性能变化（位错密度），强度、硬度，塑性、韧性，内应力消除。2. 影响再结晶温度的因数： 再结晶温度：工业条件下定义：经大变形量大变形量(70%(70%以上以上) )的金属，在一小时

22、一小时的保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度最低温度。 (1)预先变形程度：程度，T再； (2)加热速度与保温时间：V，t热，T再； t保，扩散，T再； (3)原始晶粒度：d，内能，T再；(4)金属纯度及成分：杂质会使T再，但过量，反而使T再，各种工业纯金属的最低再结晶温度与其熔点间存在以下关系：T再0.350.40T熔 3.再结晶后晶粒度的影响因素： (1)预先变形程度： 临界变形度：金属获得粗大的再结晶晶粒的冷变形量。210% 。 引起粗晶的原因：变形量较小，形成的再结晶核心少，造成晶粒异常长大。当变形量很大时，晶粒又粗大，沿一定方向长大。(2)加热温度与保温时间：T，t，晶粒。 再结晶

23、全图：加热温度、冷变形程度、晶粒大小关系的图。“三度”：加工温度、加工速度、变形程度。 (三)晶粒长大： 再结晶后，形成等轴晶，若T，或t，则d。 （1）是一个自发过程： d ，晶界面积，表面能，是一个能量降低的自发过程。 （2) 实质：晶界迁移。 （3) 正常长大与异常长大： 正常长大：再结晶后的晶粒细而均匀， 长大时均匀；异常长大：再结晶后的晶粒大小不均匀，大晶粒吞并小晶粒，形成异常粗大的晶粒。(二次再结晶) 二、金属的热加工及组织性能的变化：二、金属的热加工及组织性能的变化： 热加工热加工在再结晶温度以上的加工变形。在再结晶温度以上的加工变形。 冷加工冷加工在再结晶温度以下的加工变形。在

24、再结晶温度以下的加工变形。问题：问题： 金属锡Sn的再结晶温度为：-7，在室温27加工变形，金属铁Fe的再结晶温度为：400，在380加工变形，金属钨W的再结晶温度 为：1200，在1100加工变形，上述金属的变形各属于热加工还是 冷加工？ 不能以温度高低区分热、冷加工。1.热加工的特点： (1)容易变形； (2)同时进行着加工硬化和再结晶软化过程(动态再结晶) (3)易发生氧化，表面精度、光洁度低。 2.对组织性能的影响：1)改善铸态金属的组织、性能； a. 气孔闭合，致密度增加； b. 粗大枝晶和柱状晶破碎，细化晶粒，消除偏析。2)纤维组织(锻造流线) a.脆性杂质被打碎，沿金属主要伸长方

25、向呈碎粒状、链状分布； b.塑性杂质沿主要伸长方向呈带状 3)带状组织：经热锻或热轧后，具有明显的层状特性组织。 原因：成分偏析未被消除。 例5、金属铸件是否能通过再结晶退火来细化晶粒？解：不能。金属铸件未进行冷塑性变形，加热后不会发生再结晶。例6、在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间，再弯折铅板又象最初一样柔软，这是何原因？（铅Pd的熔点：327.35）解：Pd的绝对温度为：327.35+273.15=600.5T再=0.45600.5=270.20K换算摄氏温度：T再=270.2-273.15=-2.95故在室温条件下变形,属于热加工,会发生再结晶。再结晶退火工艺参数：T=T再

26、+（100200）。因此变形接近最低再结晶温度,较低。再结晶速度V再与加工硬化速度V加比较：当V再V加无加工硬化现象；反之V加V再会出现加工硬化现象。第四章第四章 合金的结构与相图合金的结构与相图 本章目的： 讨论合金中的相概念及其类型； 介绍各种类型的基本二元相图； 说明相图与合金性能间的对应关系 。合金：通过熔炼、烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。 力学性能比纯金属优良；力学性能比纯金属优良；冶炼方法比金属提纯简单；冶炼方法比金属提纯简单；可生产特殊性能钢。（磁钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢等）可生产特殊性能钢。（磁钢、不锈钢、耐热钢、耐

27、磨钢等）4.4.1固态合金中的相结构固态合金中的相结构(晶体结构晶体结构)一、一、基本概念基本概念组织：内部情景（晶粒类型、形状大小、数量、分布）组元组成合金的最基本的独立物质。相合金材料组织中具有同一化学成分、晶体结构相同并以界面互相分开的的均匀部分。 相的结构类型： 固溶体：相的晶体结构与某一组元的晶体结构相同； 金属化合物：相的晶体结构与组元的晶体结构均不相同。二、固溶体：二、固溶体： 组成合金的元素互相溶解，形成的晶体结构晶体结构与某一元素相同，但包括其它元素的原子，称固溶体。与合金晶体结构相同的元素为溶剂溶剂，其它元素为溶质溶质。单一均匀相单一均匀相溶剂固溶体中保留晶体结构的组元。溶

28、质固溶体中失去晶体结构的组元。置换固溶体置换固溶体溶质原子占据溶剂溶质原子占据溶剂原子晶格结点位置形成的固溶体。原子晶格结点位置形成的固溶体。（有序固溶体、无序固溶体）溶质与溶剂原子大小不一，会发生晶格畸变。 间隙固溶体间隙固溶体溶质原子占据晶格溶质原子占据晶格 某些间隙位置形成的固溶体。某些间隙位置形成的固溶体。固溶体的溶解度：溶质原子溶入固溶体的极限浓度。有限固溶体：溶质在溶剂中的溶解度有限。无限固溶体：元素之间可以以任意比例形成固溶体。固溶体的性能：固溶强化溶质原子的溶入造成晶格畸变，使金属材料的强度、硬度增加的现象。例：纯铜的b=220Mpa 44HBS 加入19%Ni的白铜b=380

29、400Mpa 70HBS =50%如果通过加工硬化塑性则小于5%。由此可见力学性能较好的材料，一定是合金材料。三、金属化合物：三、金属化合物：金属化合物金属化合物具有相当程度金属键结合，并且有明显金具有相当程度金属键结合，并且有明显金 属特征的化合物属特征的化合物。1 1、金属化合物的特性：、金属化合物的特性： 晶体结构不同于组成化合物的任一元素，是一种新相。晶体结构不同于组成化合物的任一元素，是一种新相。 高熔点；高硬度；高脆性。高熔点；高硬度；高脆性。2 2、金属化合物对性能的影响：、金属化合物对性能的影响：弥弥散散强强化化极极细细小小的的金金属属化化合合物物均均匀匀弥弥散散的的分分布布在

30、在固固溶溶体体或纯金属中使其强度、硬度明显提高的现象或纯金属中使其强度、硬度明显提高的现象3、分类：正常价化合物：正常价化合物： a a、严格按原子价结合的；严格按原子价结合的； b b、有固定成分的；有固定成分的； c c、可用化学式表示的可用化学式表示的一般是金属性强的元素与非金属或金属性弱的元素组成的化合物。如：Mg2Si；Mg2Sn；Mg2Pb；MnS等）电子化合物：电子化合物：a a、按一定的电子浓度规律；按一定的电子浓度规律；b b、不同的电子浓度，对应不同的晶体结构。不同的电子浓度，对应不同的晶体结构。如：如：C=3/2C=3/2；体心立方晶格的体心立方晶格的相相CuZnCuZn

31、。 C=21/13 C=21/13；复杂立方晶格的复杂立方晶格的相相CuCu5 5ZnZn8 8。 C=7/4 C=7/4；密排六方晶格的密排六方晶格的相相CuZnCuZn3 3。间隙化合物：间隙化合物：a a、间间隙隙相相：非非金金属属原原子子半半径径/ /金金属属原原子子半半径径0.590.59；具具有有简简单单晶晶格格的间隙化合物。的间隙化合物。b b、间间隙隙化化合合物物：非非金金属属原原子子半半径径/ /金金属属原原子子半半径径0.590.59；形形成成复复杂杂晶格的间隙化合物。晶格的间隙化合物。4.4.2二元合金相图的建立二元合金相图的建立相组织相图测定：1、配不同合金2、测定冷却

32、曲线Tt曲线3、转换T成分曲线相图分析1、按相填图2、分析合金组织转变3、杠杆定理（计算相组成）4、计算组织组成5、按组织填图。一一、二元合金相图的建立：、二元合金相图的建立：F:课件动画驱动aawin一般建立采用的是实验的方法，较简单的有热分析法，配置一系列不同成分的合金，由液态缓慢冷却一直到室温，得到近似平衡状态的冷却曲线，每条曲线都有二个不同状态点。在温度成分二维坐标系中找到对应状态点温度，并同一状态点用曲线连接即得相图。二二、使用二元相图的基本方法：、使用二元相图的基本方法：表象点：表象点：坐标系平面中任一点均称“表象点”，可以知道此点温度成分条件下，合金处于何状态或何种相结构、何种组

33、织。确定某合金的相变温度：确定某合金的相变温度：做某合金成分的垂线与相图曲线交点对应温度为相变温度。杠杆定律：杠杆定律：已知合金有两组元，如图所示K成分的合金，冷却到X温度，该温度下，合金二相共存即：液相L和固相该两相平衡成分为固定值。即：X温度水平线与液相线交点对应的成分，为液相L的成分XL，与固相线交点对应成分，为固相的成分X，合金的成分X。假设：合金总重量为假设：合金总重量为W0；液相合金重量液相合金重量WL；固相固相合金重量合金重量。公式推导思路：公式推导思路：液相中元素重量液相中元素重量中元素重量合金中元素总重量；中元素重量合金中元素总重量；液相重量固相液相重量固相重量合金总重量。重

34、量合金总重量。由此可知：WLW0三、匀晶相图。三、匀晶相图。WLW0WL（）（）式与物理中的杠杆定律相似。式与物理中的杠杆定律相似。使用注意事项：使用注意事项：、在两相区求某温度两相的相对重量；、杠杆的长度与温度有关；、杠杆的支点为合金的成分点；、杠杆的端点为温度水平线与曲线的交点。二二元元匀匀晶晶相相图图两两组组元元在在液液态态和和固固态态均能以任何比例互溶时构成的相图。均能以任何比例互溶时构成的相图。有：CuNi；FeCr；AuAg；WMo等CuNi合金相图分析：Cu熔点1083；Ni熔点1455。液相线，固相线。了解合金的结晶过程。枝晶偏析：枝晶偏析：枝晶偏析枝晶偏析枝晶内部化学成分枝晶

35、内部化学成分不均匀现象。不均匀现象。可以通过加热到T固-（100200），长时间保温，使成分通过扩散达到均匀，称为“扩散退火”。四、共晶相图。四、共晶相图。二元共晶相图两组元在液态完全互溶，在固态不互溶或有限互溶，且发生共晶反应时的相图。固态完全不互溶的如：PbSb，其相图为简单共晶相图；、相图分析：、相图分析：F:课件动画驱动aawin固态有限互溶的如：PbSn，其相图为一般共晶相图。它们的共同点在相图中均有一条水平线，当某合金冷却到与水平线相交时温度，合金将发生共晶反应（或共晶转变）。共共晶晶反反应应一一定定成成分分液液态态合合金金，冷冷却却到到一一定定温温度度时时，同同时时结结晶晶生生成

36、成两两种种不不同的固态物质。同的固态物质。其中：一定成分即：共晶成分；一定温度即；共晶温度。其中：一定成分即：共晶成分；一定温度即；共晶温度。、aeb为液相线；为液相线；、acedb为固相线；为固相线；、a为铅的熔点；为铅的熔点；、b为锡的熔点；为锡的熔点；有两种有限固溶体：有两种有限固溶体：、Pb为溶剂，为溶剂，Sn为溶质的为溶质的固溶体，其溶解度曲线固溶体，其溶解度曲线cf；、Sn为溶剂，为溶剂，Pb为溶质的为溶质的固溶体，其溶解度曲线固溶体，其溶解度曲线dg；、合金成分合金成分c点时，液相点时，液相L在固相线在固相线ac以下温度结晶为以下温度结晶为固溶体；固溶体；、合金成分、合金成分d点

37、时，液相点时，液相L在固相线在固相线bd以下温度结晶为以下温度结晶为固溶体；固溶体；、成分在、成分在cd之间的合金在结晶温度达到固相线的水平部分之间的合金在结晶温度达到固相线的水平部分ced时都将时都将发生恒温反应，即：共晶反应。发生恒温反应，即：共晶反应。、反应式：、反应式：Lec+d、合金的结晶过程：、合金的结晶过程：、含含Sn量小于量小于E点的合金结晶过程点的合金结晶过程（合金（合金）；）；、共晶合金的结晶过程、共晶合金的结晶过程 （合金（合金）；）；、亚共晶合金的结晶过程（合金、亚共晶合金的结晶过程（合金）；）；、过共晶合金的结晶过程（合金、过共晶合金的结晶过程（合金）；）；、含、含S

38、n量大于量大于F点的合金点的合金结晶过程（合金结晶过程（合金）与含含Sn量小于量小于E点的合金结晶点的合金结晶过程过程（合金（合金）相似。）相似。、组织组成物的、组织组成物的PbSn相图：相图：、其他相图：、其他相图：共析相图和具有稳定化合物的相图五、合金性能与相图的关系。五、合金性能与相图的关系。合金的性能取决于合金的化学成分和内部组织，而化学成分与组织的关系又被记录在合金相图之中，因此我们能够通过合金相图对合金的性能特征及其变化规律作出合理的推断。1、合金形成单相固溶体时：、合金形成单相固溶体时：一般强度、硬度提高有限，不能满足工程结构材料对性能的要求。但电阻率（）较高，电阻温度系数（）较

39、小，适合作电阻合金材料。因合金的塑性好，压力加工性能好，但切削加工性不好（切削不易剥落，不易断屑，表面粗糙），铸造性不好。溶质的溶入量越多，合金的强度、硬度越高，电阻率越大、电阻温度系数越小。2、当合金形成两相混合、当合金形成两相混合物时：物时：合金形成机械混合物时，合金的性能主要取决于组织的细密程度，组织越细密，强度、硬度、电阻率提高越多。但通常合金的压力加工性能较差，切屑加工性能较好，铸造性能与共晶体的数量有关，共晶体越多合金的铸造性越好。例8：已知A（熔点600）与B（熔点500）在液态无限互溶，在固态300时A溶于B的最大溶解度为30%，室温时为10%，但B不溶于A，在300时，含40

40、%B的液态合金发生共晶反应。现要求：（1）作出A-B合金相图；（2）分析20%A、45%A、80%A等合金的结晶过程，并确定室温下的组织组成物和相组成物的相对量。AB60050030040%70% 90%解：（2）20%A合金结晶过程：LL+A45%A合金结晶过程：LL+（+A）80%A合金结晶过程：LL+AA+（+A）20%A组织组成物和相组成物的相对量相同。（20-10）=A（100-20）+A=10010=80A=8A9A=100A=11.11%=88.89%20%A45%A80%ALL+AL+A+(+A)+(A+)+A第五章第五章 铁碳合金铁碳合金一、纯铁的同素异晶转变：一、纯铁的同素

41、异晶转变：1 1、当纯铁从高温冷却到、当纯铁从高温冷却到15381538开始结晶，开始结晶，并完成结晶过程形成体心立方的-Fe。2 2、体心立方的、体心立方的-Fe-Fe冷却到冷却到13941394转变成为面心立方的转变成为面心立方的-FeFe。3、面心立方的、面心立方的-Fe冷却冷却912转变成为体心立方的转变成为体心立方的-Fe。二、铁碳合金的基本组织；二、铁碳合金的基本组织；在1394和912合金并未结晶为何也会出现潜热的释放，通过对晶体的研究发现纯铁在此温度发生了晶体的转变称其“同素异晶转变”。同素异晶转变同素异晶转变固态金属随温度的变化，由一种晶体结构转变成另一种晶固态金属随温度的变

42、化，由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程。体结构的过程。具有同素异晶转变的金属：Fe、Co、Ti、MnSn等。1、铁素体：（符号：、铁素体：（符号：F）铁素体铁素体碳在体心立方的碳在体心立方的-Fe或或-Fe的晶格间隙中，形成的间隙固溶体。的晶格间隙中，形成的间隙固溶体。室温铁素体的特点：室温铁素体的特点：、碳最大的溶解度为、碳最大的溶解度为0.0218%,室温时室温时溶解度溶解度0.0008%。、显微组织为明亮的多边形晶粒。、显微组织为明亮的多边形晶粒。、温度、温度770有磁性。有磁性。、力学性能：、力学性能：b=180280Mpa；0.2=100170Mpa；=3050%；=7080%

43、；ak=160200J/Cm2；HB=5080。、工业纯铁的组织为铁素体组织。工业纯铁的组织为铁素体组织。2、奥氏体：（符号：、奥氏体：（符号：A）奥氏体奥氏体碳在面心立方的碳在面心立方的-Fe的晶格间隙中，形成的间隙固溶体。的晶格间隙中，形成的间隙固溶体。奥氏体的特点：奥氏体的特点：、碳最大溶解度为、碳最大溶解度为2.11%。、组织在、组织在727温度以上存在，温度以上存在，显微组织为明亮的多边形晶粒。显微组织为明亮的多边形晶粒。、为非磁性组织。、为非磁性组织。、力学性能：、力学性能：=4050%；HB=170220。3、渗碳体：、渗碳体：(符号符号:Cm或或Fe3C)渗碳体渗碳体碳与铁形成

44、的复杂晶格的碳与铁形成的复杂晶格的间隙化合物。间隙化合物。渗碳体的特点：渗碳体的特点：、含碳量为恒定值，、含碳量为恒定值，6.69%；、一种相结构有多种组织形态，如：颗、一种相结构有多种组织形态，如：颗粒状、细片状、网状、粗针状、基体等；粒状、细片状、网状、粗针状、基体等；4、珠光体：、珠光体：(符号符号:P)、为亚稳定状态，当条件适当会发生分解生成、为亚稳定状态，当条件适当会发生分解生成Fe与石墨（符号：与石墨（符号：G）、力学性能：力学性能：b=30Mpa；=0%；=0%；ak=0J/Cm2；HB=800。、组织形态对性能影响极大。组织形态对性能影响极大。珠光体珠光体含碳量含碳量0.77%

45、的奥氏体冷却的奥氏体冷却到共析温度时分解生成铁素体和渗碳到共析温度时分解生成铁素体和渗碳体组成的机械混合物体组成的机械混合物.组织形态：白色的铁素体片与黑色的组织形态：白色的铁素体片与黑色的渗碳体片组成的层片状组织。渗碳体片组成的层片状组织。5、莱氏体：、莱氏体：(符号符号:Ld)莱氏体莱氏体含碳量含碳量4.3%的液态铁碳合金的液态铁碳合金冷却到共晶温度结晶生成的奥氏体和渗碳冷却到共晶温度结晶生成的奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。体组成的机械混合物。低温莱氏体低温莱氏体莱氏体冷却到共析温度莱氏体冷却到共析温度其中的奥氏体转变成珠光体形成的珠光体其中的奥氏体转变成珠光体形成的珠光体和渗碳体组成的

46、机械混合物。和渗碳体组成的机械混合物。（符号：（符号：Ld）组织形态：白色的渗碳体基体与组织形态：白色的渗碳体基体与黑色树枝的珠光体组成的组织。黑色树枝的珠光体组成的组织。三、铁碳合金相图：三、铁碳合金相图：A、1538，铁的熔点；铁的熔点；C、1148，含碳量含碳量4.3%,共晶点；共晶点；D、1227，渗碳体的熔点；渗碳体的熔点；E、1148，含碳量含碳量2.11%，碳在，碳在奥氏体中最大溶解度点；奥氏体中最大溶解度点；ACDESPQFKBGS、727，含碳量含碳量0.77%,共析点；共析点；P、727，含碳量含碳量0.0218%,碳在铁素体中最大溶解度点；碳在铁素体中最大溶解度点；Q、室

47、温，含碳量室温，含碳量0.0008%,室温时碳在铁素体中最大溶解度点。室温时碳在铁素体中最大溶解度点。1、特性点、特性点G、912，铁的同素异构转变点铁的同素异构转变点2、特性线：、特性线：ECF、共晶反应线；共晶反应线；PSK、共析反应线；（符号：共析反应线；（符号：A1）ABCD、液相线；液相线；ES、碳在奥氏体中的溶解度线；（符号：碳在奥氏体中的溶解度线；（符号：Acm）PQ、碳在铁素体中的溶解度线；碳在铁素体中的溶解度线；GS、冷却时，奥氏体开始析出铁素体，加热时铁素体全部溶入冷却时，奥氏体开始析出铁素体，加热时铁素体全部溶入奥氏体的转变温度线；（符号：奥氏体的转变温度线；（符号：A3

48、）3、铁碳合金的分类：、铁碳合金的分类：、工业纯铁：含碳量、工业纯铁：含碳量00.0218%；、钢：、钢：亚共析钢：含碳量亚共析钢：含碳量0.02180.77%；共析钢：含碳量共析钢：含碳量0.77%；过共析钢：含碳量过共析钢：含碳量0.772.11%；、白口铸铁、白口铸铁:亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁:含碳量含碳量2.114.3%；共晶白口铸铁共晶白口铸铁:含碳量含碳量4.3%；过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁:含碳量含碳量4.36.69%；4、典型合金的结晶过程：、典型合金的结晶过程：、工业纯铁、工业纯铁：LL+AAA+FFF+Fe3C室室温组织：温组织：F+Fe3C；F:课件动画驱动aawi

49、n三次渗碳体三次渗碳体冷却过程从铁冷却过程从铁素体中析出的渗碳体。（形素体中析出的渗碳体。（形态：颗粒状）态：颗粒状）、共析钢、共析钢:LL+AAP；室温组织：室温组织：P；共析反应式：共析反应式：A0.77%F0.0218%+Fe3C共析；共析；、亚共析钢、亚共析钢共析反应共析反应一定成分的固态合金，冷却一定成分的固态合金，冷却到一定温度，同时分解生成两种新的固到一定温度，同时分解生成两种新的固态物质的反应。（新产生的两种固态物态物质的反应。（新产生的两种固态物质的混合物为共析体）质的混合物为共析体）共析渗碳体共析渗碳体共析反应时产生的渗碳体。共析反应时产生的渗碳体。（形态：细片状）（形态：

50、细片状）F:课件动画驱动aawinLL+L+AAA+FP+FP+F+Fe3C；室温组织：室温组织：P+F+Fe3C；、过共析钢、过共析钢：LL+AAA+FeLL+AAA+Fe3 3C CP+ FeP+ Fe3 3C C；二二次次渗渗碳碳体体冷冷却却过过程程从从奥奥氏氏体体中中析析出出的渗碳体。（形态：网状）的渗碳体。（形态：网状）室温组织：室温组织：P+ FeP+ Fe3 3C C；、共晶白口、共晶白口铸铁铸铁：LLdLLd（A+FeA+Fe3 3C C共晶共晶）LdLd（P+ FeP+ Fe3 3C C共晶共晶）；）；共晶渗碳体共晶渗碳体共晶反应时生成的渗碳体。共晶反应时生成的渗碳体。（形态

51、：基体）（形态：基体）室温组织：室温组织：LdLd（P+ FeP+ Fe3 3C C共晶共晶）F:课件动画驱动aawinF:课件动画驱动aawin、亚共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁：LL+AA+ LdLL+AA+ Ld（A+FeA+Fe3 3C C共晶共晶）A+FeA+Fe3 3C C+Ld+Ld（A+FeA+Fe3 3C C共晶共晶）P+ FeP+ Fe3 3C C+ Ld+ Ld（P+ FeP+ Fe3 3C C共共晶晶）；）；室温室温组织组织：P+Fe3C+Ld（P+Fe3C共晶共晶）；）；、过共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁：LL+FeLL+Fe3 3C CLdLd（A+FeA+Fe3 3C

52、 C共晶共晶）+ +FeFe3 3C CLdLd（P+ FeP+ Fe3 3C C共晶共晶）+ + FeFe3 3C C；一次渗碳体一次渗碳体冷却冷却过程直接从液体结晶出的渗碳体。（形态：过程直接从液体结晶出的渗碳体。（形态：粗针状）粗针状） 室温组织：室温组织：LdLd（P+ FeP+ Fe3 3C C共晶共晶）+ +FeFe3 3C C；F:课件动画驱动aawinF:课件动画驱动aawin5、铁碳合金成分、铁碳合金成分、组织和性能的关系：组织和性能的关系：6 6、铁碳相图的应用：、铁碳相图的应用： 、在选材方面：、在选材方面：、在铸造方面：、在铸造方面：、在锻造方面：、在锻造方面：、在热处

53、理方面：、在热处理方面：四、碳钢四、碳钢1、常存杂质对钢性能的影响：、常存杂质对钢性能的影响：MnMn：0.8%为杂质,其作为脱氧剂加入,并可形成MnS进入炉渣,可去硫,可溶入铁素体,含量高时可形成合金渗碳体，为有益杂质。SiSi: : 0.4%为杂质，存在于原料中，或作为脱氧剂加入，可溶入铁素体, 为有益杂质。S:S:严格限制，硫主要形成FeS ，FeFeS形成简单共晶相图，FeFeS易形成低熔点的共晶体，且分布在奥氏体的晶界上，使钢产生热脆性。但可以改善切削加工性能。普通钢含S0.050% ；优质钢含S0,035% ；高级优质S0.020%。2、碳钢的分类、编号和用途：、碳钢的分类、编号和

54、用途：、P:P:严格限制，磷易溶入铁素体中，使室温塑性和韧性急剧降低，使钢在室温变脆，称其为“冷脆”，且焊接性能变坏。普通钢含P0.045% ；优质钢含P0,035% ；高级优质P0.030%。、非非金金属属夹夹杂杂物物和和气气体体：钢在冶炼过程中易产生氧化物、硫化物、氮化物、硅酸盐、气体等缺陷。均使钢的力学性能下降。、碳钢分类：、碳钢分类：、按钢的含碳量：、按钢的含碳量：a a、低碳钢低碳钢0.25%0.25%；b b、中碳钢中碳钢:0.3:0.30.55%0.55%；c、高碳高碳钢钢0.60%。、按钢的质量：、按钢的质量：a a、普通碳素钢：普通碳素钢：S0.050%S0.050%； P0

55、.045% P0.045%； b b、优质碳素钢：优质碳素钢：S0.035%S0.035%； P0.035% P0.035%；c c、高级优质碳素钢：高级优质碳素钢：S0.020%S0.020%；P0.030%P0.030%；按用途按用途: : a a、碳素结构钢；碳素结构钢； b b、碳素工具钢。碳素工具钢。而在实际使用的过程中，经常几种分类交叉使用会觉得更加方便。而在实际使用的过程中，经常几种分类交叉使用会觉得更加方便。、碳钢的编号和用途：、碳钢的编号和用途：、普通碳素结构钢：“Q”“”“-” “A、B、C、D”“F、b、Z、TZ”用于普通结构件，或工程结构件。在此基础上发展的专用钢有：“

56、g”表示锅炉用钢；“R” 表示容器用钢；“C”表示船舶用钢。、优质碳素结构钢：“”“A、F或Mn” 。普通含锰量：0.350.8%；较高含锰量：0.71.2%；主要用于结构零件。、碳素工具钢：“T”“或”“A或Mn” 主要用于各种工具。、铸钢：“ZG”“”“-”“”；如：ZG230-450。力学性能表示。“ZG”“”；如：ZG35。主要化学成分。主要用于各种结构复杂的重要受力零件。从Fe-FesC相图中可知,铸钢的凝固温度区间较宽,故流动性差,化学成分不均匀,易形成分散缩孔。一般采用提高浇注温度来改善流动性,这样会使高温奥氏体晶粒粗大,且冷却速度又比较快,迫使铁素体沿奥氏体一定晶面以针状组织析

57、出,这种组织称为魏氏组织(如图所示)。魏氏组织使钢的塑性、韧性显著降低。但可以采用热处理方法来消除魏氏组织和改善钢的性能。这种组织也常出现在焊缝的熔合区，使焊缝的力学性能显著降低。例9：计算含碳量0.20%、0.45%、0.77%、1.2%的各种合金的相组成物的相对重量。解：0.20%0.2WF=Wcm(6.69-0.2)WF+Wcm=100Wcm=0.2/6.69*100%=2.99%；WF=97.11%0.45%Wcm=0.45/6.69*100%=6.73%；WF=93.27%0.77%Wcm=0.45/6.69*100%=11.51%；WF=88.49%1.2%Wcm=0.45/6.6

58、9*100%=17.94%；WF=82.06%例10：计算含碳量0.45%、1.2%的各种合金的组织组成物的相对重量。解：0.45%WF（0.45-0.0218）=WA(0.77-0.45)WF+WA=100WA=（0.45-0.0218）/(0.77-0.0218)*100%=57.23%；WF=42.77%1.2%WA(1.2-0.77)=Wcm(6.69-1.2)WA+Wcm=100WA=(6.69-1.2)/(6.69-0.77)*100%=92.74%Wcm=7.26%例11：已知某退火钢显微组织有50%的珠光体，50%铁素体，估算此钢的含碳量。解：C=50%*0.77%+50%*0

59、.0218%=0.396%例12：根据FeFe3C相图，说明产生下列现象的原因：、含碳量为1.0%的钢比含碳量0.5%的钢硬度高；、在室温下，含碳量0.8%的钢其强度比含碳量1.2%的钢高；、变态莱氏体的塑性比珠光体的塑性差；、在1100，含碳0.4%的钢能进行锻造，含碳4.0%的生铁不能锻造；、钢锭在9501100正常温度下轧制，有时会造成锭坯开裂；、一般要把钢材加热高温（约10001250）下进行热轧或锻造；、钢铆钉一般用低碳钢制成；、绑扎物件一般用铁丝（镀锌低碳钢丝），而起重机吊重物却用钢丝绳（用60、65、70、75等钢制成）；、钳工锯T8、T10、T12等钢料时比锯10、20钢费力，

60、锯条容易磨钝；、钢适宜于通过压力加工成型，而铸铁适宜于通过铸造成型。45%A组织组成物为+（+A）+A；相组成物为A+。L（60-45）=（45-30）L+=10015L=15L=50%L=50%L=（+A）=50%（30-10）=A（100-30）20=70A=7/2A+A=1007/2A+2/2A=9/2A=100A=200/9A=22.22%100%的析出A=22.22%50%析出A=11.11%相组成物为A+；（45-10）=A（100-45）+A=10035=55A7=11A（18/7）A=100A=38.89%=61.11%80%A组织组成物为A+（+A）；相组成物为A+L（80-60）=A（100-80）L+A=10020L=20AL=AL=50%A=50%L=（+A）=50%相组成物为A+；（80-10）=A（100-80）；+A=10070=20AA=（7/2）（9/2）=100=22.22%A=77.78%