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合肥工业大学精品课程 机械工程材料 绪论 1 本课程的性质2 本课程的主要内容3 学习目的与要求 绪论 1 本课程的性质 工程材料 课程是机械设计制造及自动化专业的一门必修课 是一门重要的技术基础课 计划讲课 26学时 实验 6学时 学分 2个 工程材料主要是指机械 船舶 建筑 化工 交通运输 航空航天等各项工程中经常使用的各类材料 工程材料 金属材料 非金属材料 黑色金属材料 钢和铸铁 有色金属材料 高分子材料 铜及铜合金 滑动轴承合金 陶瓷材料 复合材料 铝及铝合金 工程材料的分类 当今社会科学技术突飞猛进 新材料层出不穷 但到目前为止 在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料 其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能 金属材料的性能 使用性能 加工工艺性能 机械性能 强度 硬度 塑性 韧性等 铸造性能 流动性 收缩性等 锻造性能 压力加工成型性等 切削加工性能 车 铣 刨 磨的切削量 光洁度等 物理性能 导电 导热 电磁 膨胀等 化学性能 抗氧化性 耐腐蚀性等 焊接性能 熔焊性 焊缝强度 偏析等 热处理性能 淬透性 回火稳定性等 金属材料具有良好的机械性能 是由它的成分和内部结构与组织所决定的 金属材料的结构是其晶体结构的简称 它指的是构成金属材料的质点 如分子 原子或离子等 的具体组合状态 结合方式和排列情况 金属材料的组织是指用显微镜所观察到的金属材料内部的组成形貌 故也称为显微组织 2 本课程的主要内容 本课程共设12章 可分为五个部分 1 金属学部分 1 4章为金属学基础知识 主要介绍金属材料的基本现象 基本概念和材料的组织与性能的变化基本规律2 热处理部分 5章 主要包括钢的热处理原理与工艺两方面3 金属材料部分 6 8章 这部分主要结合金属学与热处理基本知识4 非金属材料部分 9 11章 这部分主要包括高分子材料 陶瓷材料和复合材料5 材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分 第12章 主要介绍材料的常用机械性能指标 和机械零件的失效形式 原因与分析方法本教材按编者安排全书讲课共需36学时 实验4学时 这与我校实际教学计划相差较大 故在教学过程中只能对各章节进行适当删减和压缩 为了尽量保证课程体系的完整性 我们重点介绍1 8章内容 9 12章内容根据教学进度与时间 只作简单介绍 3 学习目的与要求 1 了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识 2 了解和掌握各类工程材料的牌号 成分 组织与性能之间的相互关系及其变化规律 3 能正确选择常用工程材料 合理制订其生产工艺流程 第1章金属的结构与结晶 1 1基本概念与金属的特征1 2晶体结构1 3实际金属晶体中的晶体缺陷1 4纯金属结晶的基本概念 金属的结构与结晶 1 1基本概念 金属材料是指金属元素与金属元素 或金属元素与少量非金属元素所构成的 具有一般金属特性的材料 统称为金属材料 晶体组成固态物质的最基本的质点 如原子 分子或离子 在三维空间中 作有规则的周期性重复排列 即以长程有序方式排列 这样的物质称为晶体 如 金属 天然金刚石 结晶盐 水晶 冰等非晶体组成固态物质的最基本的质点 在三维空间中无规则堆砌 这样的物质称为非晶体 如 玻璃 松香等 金属键是金属原子之间的结合键 它是大量金属原子结合成固体时 彼此失去最外层子电子 过渡族元素也失去少数次外层电子 成为正离子 而失去的外层电子穿梭于正离子之间 成为公有化的自由电子云或电子气 而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力 库仓引力 这种结合方式称为金属键 如图所示 金属键 金属的特征 金属材料主要以金属键方式结合 从而使金属材料具有以下特征 1 良好的导电 导热性2 正的电阻温度系数3 不透明 有光泽4 具有延展性 1 2晶体结构 不管是金属晶体还是非金属晶体 其晶体结构如何 与组成晶体的物质质点 可以是原子 分子或离子 也可以是原子群 分子群或离子群的中心 的具体排列方式和规律有关 科技工作者一般是用晶体结构模型进行描述 晶体结构模型 按晶体结构模型提出的先后 可将晶体结构模型分为球体模型 晶格模型和晶胞模型 a球体模型b晶格模型c晶胞模型 晶系与空间点阵 晶系是晶体分类的一种方式 具有相同晶胞特征参数的晶体属于同一晶系 根据晶胞特征参数的不同 晶体可分为七大晶系 见表1 1 即三斜 单斜 正交 正方 六方 菱方 立方晶系 空间点阵将组成晶体的物质质点 进一步抽象为几何点 这些几何点在三维空间周期性 规则地排列成的阵列 称为空间点阵或布喇菲点阵 而这些几何点称为阵点或结点 表1 1晶系及空间点阵 晶系与空间点阵 根据每个阵点具有相同的周围环境 距离 位向 空间点阵只能有14种 它分属上述七个晶系 如右图所示 其中有7种为简单晶胞 7种为复杂晶胞或复合晶胞 同一种空间点阵 可以有无限种实际晶体结构 见图 a b c 三种不同的晶体结构都属于 d 这种空间点阵 因此可以说空间点阵是有限的 只能有14种 而晶体结构是无限的可以有很多种 纯金属的三种典型晶体结构 工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构 其中最典型的为体心立方结构 bcc 面心立方结构 fcc 和密排六方结构 hcp 如图 a体心立方b面心立方c密排六方 1 三种典型晶体结构的形貌 体心立方结构即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子 在体中心有一个原子 每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应 属于这种晶体结构的纯金属有 Fe Cr Mo W V等 面心立方结构即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子 每个面的中心各有一个原子 属于这种晶体结构的纯金属有Al Cu Au Ag Ni Pb Fe等 密排六方结构它是在六棱柱体晶胞的十二个顶角上各有一个原子 上下顶面中心各有一个原子 在六棱柱中三个相间的三棱柱中心各有一个原子 属于这种晶体结构的纯金属有Mg Zn Cd等 1 单位晶胞原子数即一个晶胞所含的原子数目 2 原子半径是利用晶格常数 算出晶胞中两相切原子间距离的一半 3 配位数是晶体结构中任何一原子周围最近邻且等距离的原子数目 配位数越大 原子排列的越紧密 4 致密度是单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比 其表达式为K nv V K 致密度 n 单位晶胞原子数 v 每个原子的体积 V 晶胞体积 致密度越大 原子排列越紧密 5 间隙半径指晶格空隙中能容纳的最大球体半径 因为相同尺寸的原子 既使按最紧密方式排也会存在空隙 2 描述金属晶体结构的一些重要参数 三种典型晶体结构的重要参数小结晶格类型单位晶胞原子数原子半径配位数致密度间隙半径体心立方2 3 4a80 680 29 面心立方4 2 4a120 740 41 密排六方61 2a120 740 41 1 3金属晶体中晶面和晶向的表示 晶面 是金属晶体中原子在任何方位所组成的平面 晶向 是金属晶体中原子在任何方向所组成的直线 晶面指数 表示晶面在晶体中方位的符号 晶向指数 表示晶向在晶体中方向的符号 1 晶面指数的确定 a建立坐标 找出所求晶面的截距 坐标原点不可设在所求晶面上 所求晶面与坐标轴平行时 截距为 b取晶面与三个坐标轴截距的倒数 c将所得倒数按比例化为最小整数 放入圆括号内 即得所求晶面的晶面指数 一般用 hkl 表示 对于立方晶系由于其对称性高 所以可将其原子排列情况相同 而空间位向不同的晶面归为同一个晶面族 用 hkl 表示 如 100 010 001 就属于 100 晶面族 而 110 101 011 10 01 0 1 就属于 110 晶面族 111 11 1 1 11 就属于 111 晶面族 对于非立方晶系由于其对称性较差 所以其晶面指数数字相同 而排列次序不同的晶面不属于同一个晶面族 如在正交晶系中 100 010 001 晶面就不属于同一个晶面族 100 因为其晶格常数a b c 2 晶向指数的确定 a建立坐标 将所求晶向的一端放在坐标原点上 或从坐标原点引一条平行所求晶向的直线 b求出所求晶向上任意结点的三个坐标值c将所得坐标值按比例化为最小整数 放入方括号内 即得所求晶向的晶向指数一般用 uvw 表示 对于立方晶系由于其对称性高 也可将其原子排列情况相同 而空间位向不同的晶向归为一个晶向族 用表示 如晶向 100 010 001 属于晶向族 3 金属晶体的各向异性 1 单晶体 由一个晶核所长成的大晶体 它的原子排列方式和位向完全相同 这样的晶体称为单晶体 2 各向异性 是单晶体沿各不同晶面或晶向具有不同性能的现象 3 多晶体 由许多晶核长成的大晶体 因各晶核的原子排列方式相同 而位向不同 因此在各晶核长成的晶粒交界处存在着晶界 所以多晶体由许多晶粒组成 多晶体中各晶粒相当于一个小的单晶体 它具有各向异性 由于各晶粒位向不同 因此它们的各向异性相互抵消 表现为各向同性 多晶体的这种现象称为伪等向性 伪无向性 非晶体由于原子排列无规则 所以沿各不同方向测得的性能相同 表现为各向同性 1 3实际金属晶体中的晶体缺陷 1 理想晶体 是指晶体中原子严格地成 完全规则和完整的排列 在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体 如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体 2 实际晶体 多晶体 晶体缺陷 3 晶体缺陷 是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域 按其几何尺寸特征 可分为点缺陷 线缺陷和面缺陷三类 点缺陷的概念 是晶体中在X Y Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷 点缺陷的类型 主要有四类 即空位间隙原子 有同类和异类之分 置换原子 大小之分 复合空位 点缺陷的概念 线缺陷 线缺陷的概念 是晶体中在一维方向上尺寸很大 而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷 它的主要形式是位错 位错 是晶体中一列或若干列原子 发生某种有规律的错排现象 它的类型很多主要有刃型位错 螺型位错和混合型位错等 1 刃型位错2 螺型位错 面缺陷 是指晶体中在二维方向上尺寸很大 而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷 面缺陷的类型 主要包括晶体的外表面 堆垛层错 晶界 亚晶界 孪晶界和相界面等 晶界 是多晶体中晶粒与晶粒之间的交界面 由于各晶粒中原子排列方式相同 如都是体心立方 只是晶格位向不同 因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层 该过渡层有一定的厚度 为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡 而使过渡层处的原子总是不能规则排列 产生晶格畸变 所以它是晶体中的一种重要的面缺陷 面缺陷 根据晶体中各晶粒之间的位向差 不同 又可将晶界分为大角度晶界 10 和小角度晶界 10 两类 亚晶界 是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界 位向差 一般为几十分到几度 大晶粒中的小晶粒称为亚晶粒 亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界 对称倾側晶界 扭转晶界 1 4纯金属结晶的基本概念 物质由液态 固态的过程称为凝固 由于液态金属凝固后一般都为晶体 所以液态金属 固态金属的过程也称为结晶 液态金属的结构 1 是近程有序远程无序结构 2 存在着能量起伏和结构起伏 结晶过程的宏观现象 研究液态金属结晶的最常用 最简单的方法是热分析法 它是将金属放入坩埚中 加热熔化后切断电源 用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线 该曲线称为冷却曲线或热分析曲线 由该曲线可以看出 液态金属的结晶存在着两个重要的宏观现象 1 4 2 结晶过程的宏观现象 1 结晶过程中存在过冷现象2 结晶过程中要释放出结晶潜热 冷却曲线 T0 Tn 理论结晶温度 开始结晶温度 T 过冷度 T T0 Tn 纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度 克服界面能 冷却速度越大 则过冷度越大 金属结晶的微观基本过程 液态金属 形核 晶核长大 完全结晶 结晶是 形核和晶核长大的过程 1 4 4 金属结晶的热力学条件 结晶只有在系统自由能 G降低的条件下才可以发生只有存在过冷度 T的条件下才可能存在 G 0 1 5形核和长大 两种形核方式 自发形核 均质形核 与非自发形核 异质形核 自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心 自发形核难度大 需要的过冷度达0 2Tm 非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核 非自发形核难度小 需要的过冷度为0 02Tm 2 晶核长大过程 两种长大方式 平面生长与树枝状生长 平面生长 树枝状生长 温度梯度的影响 1 正温度梯度下是平面生长2 负温度梯度下是树枝状生长 细化晶粒的措施 1 提高过冷度2 变质处理3 振动结晶 1 提高过冷度 形核率N 长大速度G与过冷度 T的关系 T G N G N 2 变质处理 在液体金属中加入变质剂 孕育剂 以细化晶粒和改善组织的工艺措施 变质剂的作用 作为非自发形核的核心 或阻碍晶粒长大 3 振动结晶 振动的作用 使树枝晶破碎 晶核数增加 晶粒细化 机械振动 超声振动 或电磁搅拌等 第2章二元合金的相图及结晶 由于纯金属的机械性能比较低 很难满足机械制造业对材料性能的要求 尤其是一些特殊性能如高强度 耐热 耐蚀 导磁 低膨胀等的要求 加上它冶炼困难 价格昂贵 所以在工业生产中广泛使用的金属材料主要是合金 合金的性能比纯金属的优异 主要是因为合金的结构与组织与纯金属不同 而合金的组织是合金结晶后得到的 合金相图就是反映合金结晶过程的重要资料 也是制订各种热加工工艺的重要理论依据 所以本章着重介绍合金的结构与相图 概述 1 在实际工业中 广泛使用的不是前述的单组元材料 而是由二组元及以上组元组成的多元系材料 多组元的加入 使材料的凝固过程和凝固产物趋于复杂 这为材料性能的多变性及其选择提供了可能 2 二元系相图是研究二元体系在热力学平衡条件下 相与温度 成分之间关系的工具 它已在金属 陶瓷 以及高分子材料中得到广泛的应用 3 在多元系中 二元系是最基本的 也是目前研究最充分的体系 组元与相的概念 组元组成合金的独立的最基本单元 例如 元素 稳定化合物 如 Fe C合金中 Fe C均为组元 相 指具有相同结构 相同成分和性能 也可以是连续变化的 并以界面相互分开的均匀组成部分 合金中有两类基本相 固溶体和化合物 组织 指用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像 一般用肉眼观察到的称为宏观组织 用显微镜放大后观察到的组织称为微观组织 合金系 由给定的若干组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金 为一个合金系统 简称为合金系 固溶体 固溶体概念合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的 结构上与组元之一相同的固相 如 Fe C 固溶体 溶解度概念 固溶体类型 固溶体分类 置换固溶体有限互溶 无限互溶有序 无序间隙固溶体 固溶体的性能 固溶强化 物理性能 随溶质原子含量的加 固溶体合金的电阻温度系数减小 导电性 电阻 形成固溶体使属强度和硬度提高的现象 正常晶格 晶格畸变 晶格畸变 小原子置换引起的晶格畸变 间隙原子引起的晶格畸变 金属化合物 化合物类型 合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相 正常价化合物 按化合价规律形成 如 Mg2Si 间隙化合物 过渡金属 小半径非金属元素 电子化合物 按电子浓度规律形成 如 Cu3Al 间隙相r非 r金 0 59 如 WC TiC VC 复杂结构的间隙化合物r非 r金 0 59如 Fe3C Cr23C6 间隙化合物熔点高 硬度高 脆性大 二元合金的相图及结晶 2 1相图的基本知识2 2二元匀晶相图2 3二元共晶相图2 4二元包晶相图2 5组元间形成稳定化合物的相图2 6由二元相图判断合金的性质 本章要求 1 熟悉几种基本相图 匀晶相图 Cu Ni合金相图 共晶相图 Pb Sn合金相图 包晶相图 Pt Ag合金相图 2 相律 杠杆定律及其应用 3 二元合金相图中的几种平衡反应 共晶反应 包晶反应 共析反应4 二元合金相图中合金的结晶转变过程及转变组织 A A B A B L L B L L L L L L 三个不同类型的二元相图 4 相图 描述系统的状态 温度 压力及成分之间关系的图解 5 二元相图用途 在热力学平衡条件下 根据相图可确定不同成分的材料在不同温度下组成相的种类 各相的相对量以及成分和温度变化时可能发生的变化 第二节相图的基本知识 1 相律2 相图的表示与建立3 杠杆定律 1 相律 1 相律 热力学平衡条件下 系统的组元数 相数和自由度数之间的关系 在分析和研究相图时 相律能定量地表示出系统的自由度数与组元数和相数之间的关系 系统的自由度数是它的可变因素 也称变量 温度 压力和相的成分 的数目 这些因素在一定的范围内可以任意改变而不使任何原有的相消失 也不产生任何新相 2 表达式 f c p 2 压力一定时 f c p 1 式中 f为自由度数 C为组元数 P为相数 3 应用 可确定系统中可能存在的最多平衡相数 如单元系2个 二元系3个 可以解释纯金属与二元合金的结晶差别 纯金属结晶恒温进行 二元合金变温进行 1 状态与成分表示法状态表示 温度 成分坐标系 二元相图采用两个坐标轴 纵坐标用来表示温度 横坐标用来表示成分 令A和B代表合金的两个组元 则横坐标的一端代表纯组元A 另一端代表纯组元B 任何一个由A B二组元组成的合金 其成分都可以在横坐标上找到相应的一点 坐标系中的点称表象点 成分表示 合金的成分可以用质量分数或原子百分数表示 一般情况下 如果没有特别的注明 都是指质量分数 2相图的表示与建立 2 相图的建立二元相图是根据各种成分材料的临界点绘制的 临界点表示物质结构状态发生本质变化的相变点 方法 测定材料临界点有动态法和静态法两种方法 如前者有热分析 膨胀法 电阻法等 后者有金相法 X射线结构分析等 相图的精确测定必须由多种方法配合使用 过程 配制合金 测冷却曲线 确定转变温度 填入坐标 绘出曲线 Cu Ni相图测定 下面以热分析法为例说明如何测绘Cu Ni相图 其步骤如下 1 按质量分数先配制一系列具有代表性成分不同的Cu Ni合金 2 测出上述所配合金及纯Cu 纯Ni的冷却曲线 3 求出各冷却曲线上的临界点 纯Cu 纯Ni的冷却曲线上有一平台 表示其在恒温下凝固 合金的冷却曲线上没有平台 而为二次转折 温度较高的折点表示凝固的开始温度 而温度低的转折点对应凝固的终结温度 4 将各临界点分别投到对应的合金成分 温度坐标中 每个临界点在二元相图中对应一个点 5 连接各相同意义的临界点 开始点或终了点 就得到了Cu Ni合金的二元相图 由图可见 纯组元Cu和Ni的冷却曲线相似 都有一个水平台 表示其凝固在恒温下进行 凝固温度分别为1083 和1452 其他3条二元合金曲线不出现水平台 而为二次转折 温度较高的转折点 临界点 表示凝固的开始温度 而温度较低的转折点对应凝固的终结温度 这说明3个合金的凝固与纯金属不同 是在一定温度范围内进行的 由凝固开始温度连接起来的相界线称为液相线 由凝固终结温度连接起来的相界线称为固相线 为了精确测定相变的临界点 用热分析法测定时必须非常缓慢冷却 以达到热力学的平衡条件 一般控制在每分钟0 5 0 15 之内 3杠杆定律 杠杆定律可用来计算处于两相平衡的二元合金中 每个相的质量分数或两个相的质量比 和 两相共存时 可用杠杆法则求出两相的相对量 因为WL Wa W1有 相的相对量为 x1 xa xb xa 相的相对量为 xb x1 xb xa 应用 1 确定两平衡相的成分 浓度 2 确定两平衡相的相对量 注意 只适用于两相区 三点 支点和端点 要选准 第二节二元匀晶相图 1 匀晶相图及其分析2 固溶体合金的平衡结晶3 固溶体的不平衡结晶 1 匀晶相图及其分析 1 匀晶转变 由液相直接结晶出单相固溶体的转变 具有匀晶转变特征的相图称匀晶相图 相图分析 由凝固开始温度连接起来的线成为液相线由凝固终了温度连接起来的线成为固相线相图中由相界线划分出来的区域称为相区 表明在此范围内存在的平衡相类型和数目 在二元合金系中有 单相区 singlephaseregion 单相区内f 2 T和成分都可变两相区 twophaseregion 双相区内 f 1 T和成分只有一个可以独立变化三相区 threephaseregion 若三相共存 f 0 T和成分都不变 属恒温转变 平衡结晶 是指凝固过程是在无限缓慢地冷却 原子 组元 扩散能够充分进行以达到相平衡的成分 这种凝固方式所得到的组织称为平衡组织研究平衡结晶过程包括 1 冷却曲线 温度 时间曲线 2 相 组织 与相变 各温区相的类型 相变反应式 杠杆定律应用 3 组织示意图 2 固溶体合金的平衡结晶 下图是该合金平衡结晶时的组织变化示意图 以 点成分的Cu Ni合金 Ni的质量分数为b 为例分析结晶过程 冷却时遇到液相线开始结晶 遇到固相线结晶终止 形成单相均匀固溶体 随温度下降 固相成分沿固相线变化 液相成分沿液相线变化 且液相成分减少 固相成分增加 直至结晶完毕 在结晶过程中每一温度 其液相 固相成分和相对量可由该温度下作水平线与液相线 固相线的交点及杠杆定理得出 平衡结晶过程分析 在两相区内 温度一定时 两相的质量比是一定的 如在温度T1时 两相的质量比可用下式表达 式中 QL为相的质量 Q 为 相的质量 b1cl a1cl为线段长度 可用其横坐标上的数字来度量 上式亦被称为杠杆定律 由杠杆定律可算出在T1时液相和固相在合金中的质量分数 运用杠杆定律时要注意 它只适用于相图中的两相区 并且只能在平衡状态下使用 杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点 而支点为合金的成分点 1 固溶体合金凝固时结晶出来的固相成分与原液相成分不同 上述结晶出的晶体与母相化学成分不同的结晶称为异分结晶 又称选择结晶 纯金属凝固结晶时结晶出的晶体与母相化学成分完全一样称为同分结晶2 固溶体凝固需要一定的温度范围 在此温度范围内 只能结晶出一定数量的固相 固溶体的凝固与纯金属的凝固相比有两个显著特点 固溶体结晶时成分是变化的 如果冷却较快 原子扩散不能充分进行 则会形成成分不均匀的固溶体 使得一个晶粒中先结晶的树枝晶晶枝含高熔点组元较多 后结晶的树枝晶晶枝含低熔点组元较多 结果造成在一个晶粒内化学成分的分布不均 这种现象称为枝晶偏析 消除枝晶偏析的方法采用扩散退火 3 固溶体的不平衡结晶 1 工业生产中合金溶液浇注后的冷却速度较快 在每一温度下不能保持足够的扩散时间 使凝固过程偏离平衡条件 称为非平衡凝固 结晶 2 非平衡凝固 结晶 得到的组织称为不平衡组织 1 固相 液相的平均成分分别与固相线 液相线不同 有一定的偏离 固相成分按平均成分线变化 其偏离程度与冷却速度有关 冷却速度越大 其偏离程度越严重 冷却速度越小 偏离程度越小 越接近于平衡条件 2 先结晶部分含有较多的高熔点组元 Ni 后结晶部分含有较多的低熔点组元 Cu 3 非平衡结晶条件下 凝固的终结温度低于平衡结晶时的终止温度 通过对非平衡凝固分析得到如下结论 1 固溶体非平衡结晶时 由于从液体中先后结晶出来的固相成分不同 结果使得一个晶粒内部化学成分不均匀 这种现象称为晶内偏析 2 由于固溶体一般都以枝晶状方式结晶 枝晶干含有高熔点组元多 而枝晶间含有低熔点的组元多 导致先结晶的枝干和后结晶的枝间成分不同 故称为枝晶偏析 枝晶偏析属于晶内偏析 枝晶偏析的合金对合金的力学性能影响较大 容易导致合金塑性韧性下降 易引起晶间腐蚀 降低合金的抗蚀性能 枝晶偏析程度大小与铸造时冷却条件 原子的扩散能力 相图形状有密切关系 1 在其它条件不变时 V冷越大 晶内偏析程度严重 但得到枝晶较小 如果冷速极大 致使偏析来不及发生 反而又能够得到成分均匀的铸态组织 2 偏析元素在固溶体中扩散能力越小 相图上液 固相线间距离的间隔愈大 形成树枝晶状偏析的倾向愈大 要消除枝晶偏析采用均匀化退火 扩散退火 2 3二元共晶相图及合金凝固 共晶相图 具有共晶转变特征的相图 共晶转变 由一定成分的液相同时结晶出两个一定成分固相的转变 液态无限互溶 固态有限互溶或完全不溶 且发生共晶反应 共晶转变产物称共晶组织 是两相混合物 1 共晶相图分析 相图中有三个基本相 液相L 固相 固相 相图中有相线 液相线 固相线和共晶转变线 共晶转变线是一条水平线 是L 和 三相共存的温度和各相的成分 成分为E的液相在该温度下发生共晶反应 共晶点 发生共晶转变的液相成分点E称为共晶点或共晶成分相图中相区 三个单相区L相区 相区和 相区 三个双相区L 相区 L 相区 相区 一条三相共存线 MEN L 2 合金的平衡结晶及其组织 合金 的平衡结晶过程Wsn 19 的合金1 凝固过程2 室温组织 3 计算相对量 运用杠杆定律 两相的质量分数为 合金室温组织由 和 组成 和即为组织组成物 组织组成物是指合金组织中那些具有确定本质 一定形成机制的特殊形态的组织部分 合金的室温组织全部为共晶体 即只含一种组织组成物 即共晶体 而其组成相仍为 和 相 合金 的结晶过程 合金的室温组织组成为初生 合金的组成相为 和 合金 的结晶过程 2 4二元包晶相图及合金凝固 包晶转变 由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变 包晶相图 具有包晶转变特征的相图 1 相图分析 线 固相线 液相线 水平线 DPC 为包晶转变线 包晶线仅有DP为固相线 而PC为液相线 固溶度曲线 包晶转变线上的合金在该温度下发生包晶转变 Lb d P相区 三个单相区L相区 相区和 相区 三个双相区L 相区 L 相区 相区 三相共存于dpb线L 包晶线与共晶线不同之处在于 共晶线为固相线 线上的合金在共晶温度全部凝固完毕 其组织为两相混合物 包晶线仅有dp为固相线 而db为液相线 1 包晶合金的结晶 p 结晶过程 L L L 发生包晶反应 Lc D P为恒温反应匀晶反应 包晶反应 脱溶转变室温组织 2平衡结晶过程及其组织 2 包晶点 P 以右合金 p b 结晶过程 L L L L 匀晶反应 包晶反应 匀晶反应 脱溶转变碰到PC发生包晶反应 Lc d p为恒温反应室温组织 3 包晶点 P 以左合金 d p 结晶过程 L L L 匀晶反应 包晶反应 脱溶转变碰到dP发生包晶反应 Lc D P为恒温反应室温组织 1 具有化合物的二元相图2 具有偏晶转变的相图3 具有合晶转变的相图4 具有熔晶转变的相图5 具有固态转变的二元相图 2 5组元间形成稳定化合物的相图 组元间形成稳定化合物的相图 Mg Si相图 具有偏晶转变的相图 Cu Pb相图 具有固态转变的二元相图 2 6由二元相图判断合金的性质 相图与合金硬度 强度及电导率之间的关系 1 根据相图判断合全的使用性能 形成两相机械混合物的合金 其性能是两组成相性能的平均值 即性能与成分呈线性关系 固溶体的性能随合金成分呈曲线变化 当形成稳定化合物 中间相 时 其性能在曲线上出现奇点 另外 在形成机械混合物的合金中 各相的分散度对组织敏感的性能有较大的影响 2 根据相图判别合金的工艺性能 由于共晶合金的熔点低 并且是恒温转变 熔液的流动性好 凝固后容易形成集中缩孔 合金致密 因此 铸造合金宜选择接近共晶成分的合金 固溶体合金的流动性差 不如共晶合金和纯金属 而且液相线与固相线间隔越大 即结晶温度范围越大 树枝晶易粗大 对合金流动性妨碍严重 由此导致分散缩孔多 合金不致密 而且偏析严重 同时先后结晶区域容易形成成分的偏析 阶段思考题 1简述合金相的分类 固溶体与纯金属相比 有何结构 性能特点 2固溶体与纯金属的结晶有何异同 3试述匀晶系不平衡结晶的过程 平均成分线的形成 两种偏析 4分析共晶系合金典型的不平衡结晶组织及其形成原因 5分析两种合金平衡冷却过程 指出其室温组织 第3章铁碳合金和铁碳相图 本章课程目的要求 通过讲授铁碳合金相图 使学生掌握 合金相图是表示在极缓慢冷却 或加热 条件下 不同成分的铁碳合金在不同的温度下所具有的组织或状态的一种图形 从中可以了解碳钢和铸铁的成分 含碳量 组织和性能之间的关系 它不仅是我们选择材料和判定有关热加工工艺的依据 而且是钢和铸铁热处理的理论基础 铁碳合金和铁碳相图 3 1铁碳合金中的组元和基本相3 2Fe Fe3C相图3 3典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织3 4铁碳合金的成分 组织 性能关系3 5铁碳相图在工业中的应用 工业纯铁 塑性较好 强度较低 具有铁磁性 在一般的机器制造中很少应用 常用的是铁碳合金铁素体 F 碳溶于 Fe中的一种间隙固溶体 体心立方晶体结构 组织和性能与工业纯铁相同奥氏体 A 碳溶于 Fe中的一种间隙固溶体 具有面心立方晶体结构 塑性好 变形抗力小 易于锻造成型 铁碳合金中的组元和基本相 渗碳体 铁和碳的金属化合物 即Fe3C 属于复杂结构的间隙化合物 硬而脆 强度很低 耐磨性好 是一个亚稳定的化合物 在一定温度下可分解为铁和石墨 珠光体 P 铁素体和渗碳体的机械混合物 是两者呈层片相间的组织 即层片状组织特征 可以通过热处理得到另一种珠光体的组织形态 五个单相区 ABCD以上 液相区 L AHNA 固溶体区 NJESGN 奥氏体区 A GPQ以上 铁素体区 F DFKL 渗碳体区 Fe Fe3C 七个两相区 两相邻的单相区之间 L L A L Fe3C A F A A Fe3C F Fe3C Fe Fe3C相图 恒温转变线 包晶反应 HJB水平线LB H 1495 AJ包晶反应仅可能在含碳量0 09 0 53 的铁碳合金中 其结果生成生成奥氏体 共晶反应 ECF水平线Ae Fe3C 1148 Lc共晶反应可在含碳量2 11 6 69 的铁碳合金中 形成奥氏体与渗碳体的共晶混合物 称为莱氏体 C点为共晶点 含碳量为4 3 温度1148度 共析反应 PSK线AsFp Fe3C 727 所有含碳量超过0 0218 的铁碳合金均能发生共析反应 其结果形成铁素体和渗碳体的共析和渗碳体的共析混合物 称为珠光体 P 根据杠杆定律可以求出铁素体和渗碳体的相对重量为 F 6 69 0 77 6 69 100 88 Fe3C 1 88 12 主要转变线 GS线 不同含碳量的合金 有奥氏体开始析出铁素体 冷去时 或铁素体全部溶于奥氏体 加热时 的转变线 常用A3表示ES线 碳在奥氏体中的固溶体 常用Acm表示 含碳量大于0 77 的铁碳合金 自1148 冷至727 从奥氏体析出渗碳体 称二次渗碳体PQ线 碳在铁素体中的固溶线 铁碳合金由727 冷却至室温时 将从铁素体析出渗碳体 称为三次渗碳体 典型铁碳合金的平衡结晶过程及组织 1 纯铁 0 0218 C 2 钢 0 0218 2 11 C 亚共析钢 0 0218 0 77 C 共析钢 0 77 C 过共析钢 0 77 C 2 11 C 过共晶白口 4 3 6 69 C 共晶白口铁 4 3 C 亚共晶白口铁 2 11 4 3 C 3 白口铸铁 2 11 6 69 C 3 3 1共析钢 3 3 2亚共析钢 3 3 3过共析钢 3 3 4共晶白口铁 3 3 5亚共晶白口铁 3 3 6过共晶白口铁 3 3 7工业纯铁 F 工业纯铁 F P 亚共析钢 P 片状 共析钢 P 粒状 共析钢 P Fe3C 过共析钢 亚共晶白口铁 P Fe3C Le 共晶白口铁 Le 过共晶白口铁 Le Fe3CI 按组织分区的铁碳合金相图 铁碳合金的成分 组织 性能关系 1 亚共析钢的组织是由铁素体和珠光体组成 随含碳量的增加 其组织中珠光体的数量随之增加 因而强度 硬度也升高 塑性 韧性不断下降 2 过共析钢的组织是由珠光体和网状二次渗碳体组成 随着钢中含碳量的增加 其组织中珠光体的数量不断减少 而网状二次渗碳体的数量相对增加 因因强度 硬度上升 而塑性 韧性值不断下降 但是 当钢中Wc 0 9 时 二次渗碳体将沿晶界形成完整的网状形态 此时虽然硬度继续增高 但因网状二次渗碳体割裂基体 故使钢的强度呈迅速下降趋势 至于塑性和韧性 则随着含碳量的增加而不断降低 含碳量对力学性能的影响 3 5铁碳相图在工业中的应用 1 在选材方面的应用 根据零件的不同性能要求来合理地选择材料 2 在铸造生产上的应用 参照铁碳相图可以确定钢铁的浇注温度 通常浇注温度在液相线以上50 60 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好 3 在锻压生产上的应用 锻扎温度控制在单相奥氏体区 4 在热处理生产上的应用 热处理工艺的加热温度依据铁碳相图确定 第4章金属及合金的塑性变形与再结晶 4 1金属及合金的塑性变形4 2塑性变形对金属组织和性能的影响4 3金属与合金的回复与再结晶4 4金属的热加工 金属及合金的塑性变形与再结晶 金属与合金的塑性变形 金属及合金变形的三个阶段 三个阶段 e 弹性变形阶段 s b 均匀 塑性变形阶段 b 不均匀塑性变形阶段 断裂阶段 力学性能指标 e 弹性极限 s 屈服极限 b 强度极限 断裂方式 根据塑变阶段长短分 脆性断裂 韧性断裂根据断裂路径分 沿晶断裂 穿晶断裂 单晶体金属的塑性变形 1 单晶体的塑变主要是通过滑移实现的 1 滑移的概念切应力作用下原子面之间相对错动一个原子间距 2 滑移线和滑移带滑移留下的痕迹 3 滑移系滑移面数与滑移方向数的乘积 晶体滑移总是沿原子最密集排列的晶面和晶向进行 不同的晶体结构中最密集排列的晶面和晶向是不同的 BCC 是 110 滑移系数6 2 12FCC 是 111 4 3 12HCP 是 0001 1 3 3滑移系数目越多 晶体越容易变形同滑移系数目 则滑移方向越多越容易变形 4 临界分切应力外力在滑移面上分切应力足够大时方能滑移 Fcos A cos F A cos cos cos cos 仅当 临才能产生滑移 5 滑移时的晶体转动 6 滑移是由位错运动造成的 孪生 在切应力作用下 晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面 孪生面 和晶向 孪生方向 发生切变 产生塑性变形 黄铜中的孪晶 多晶体的塑性变形 1 与单晶体塑变的异同同 都主要依靠滑移异 存在不同时性 需相互协调2 塑变过程 软取向的晶粒先滑移 晶界处位错塞积 产生应力集中 相邻晶粒滑移 滑移系数目多越有利塑变3 晶粒细化 强度 且塑韧性 晶界原子排列较不规则 阻碍位错运动 使形抗力增大 晶粒小 晶界多 变形抗力大 强度 硬度 细晶强化 晶粒小 变形分散 应力集中小 塑性 韧性 晶粒大小与屈服强度的关系 s i kyd 1 2 霍尔配奇公式 合金的塑性变形 1 单相固溶体合金 与纯金属相近 有固溶强化 2 两相合金 i 两相性能相近时 变形与多晶相似 ii 第二相硬而脆 除与相对量有关外 还与第二相形态及分布有关网状 层片状 颗粒状 合金的塑性变形 1 单相固溶体的塑性变形 溶质原子的溶入导致晶格畸变 从而产生固容强化2 两相合金的塑性变形 1 脆性相在塑性相界面上分布导致合金强度 塑性下降 网状二次渗碳体 2 脆性相以片层状在塑性相基体上分布导致合金强化 珠光体 3 脆性相以颗粒状在塑性相基体上弥散分布导致合金强化 4 2塑性变形对金属组织和性能的影响 对组织结构的影响 1 组织 晶粒变形 如图所示 可能产生各向异性 2 亚结构 位错密度增加 形成位错胞 加工硬化 可能会产生变形织构 各向异性 对内能的影响 产生残余内应力 1 残余内应力的含义 2 残余内应力的形式 宏观内应力 微观内应力 晶格畸变能3 残余内应力对性能影响 一般有害 变形 开裂 应力腐蚀 有利方面 畸变能 强度表面残留压应力 接触疲劳寿命 对性能的影响 1 加工硬化 利 强化手段 提高塑性成形性 冷拉 提高安全性弊 使进一步加工难 阻力大 开裂 2 各向异性 有利有弊3 物理 化学性能 电阻增加 耐蚀性下降 金属与合金的回复与再结晶 变形金属加热时的组织转变 回复 1 特征 温度低 光学显微组织未变化 亚结构发生了变化 位错 点缺陷密度降低 甚至出现亚晶界 三个阶段 2 性能 力性变化不明显 强硬度到高温回复阶段有所降低 但不大 内应力部分消除导电率升高 再结晶 1 特征 温度较回复更高 纯金属 TR 0 4Tm 重新形核长大 无畸变的新晶粒完全取代旧晶粒2 性能 强硬度显著降低 塑韧性显著提高 变形前水平 内应力完全消除 3 结晶驱动力 塑性变形贮存的能量4 再结晶温度 取决于材料 合金成分 变形度 加热速度等 预变形度的影响 晶粒长大 机制 界面能降低是驱动力类型 均匀长大异常长大 二次再结晶 性能 强硬度进一步降低 塑韧性提高 但若严重粗化则降低控制 通过变形度 温度 时间的控制 防止过分长大 回复退火与再结晶退火 1 温度2 目的3 再结晶退火晶粒度的控制 加热温度和保温时间 冷变形度 一般 变形度 畸变能 细化不能太大或太小 金属的热加工 热加工的概念1 定义 再结晶温度是冷热加工的分界点热加工是指再结晶温度以上进行的变形过程注意冷热的概念 W 1000 Sn 20 2 现象 同时存在硬化和软化现象 动态硬化 动态软化 热加工因再结晶而及时消除了加工硬化 3 应用 热加工对金属组织和性能的影响 1 可改善铸态组织 提高机械性能 焊合气孔 疏松 碎化柱状晶和粗大碳化物 细化晶粒2 可能会出现纤维组织 夹杂物 第二相 偏析沿变形方向被拉长及分布 利弊 3 可能会出现带状组织 热加工金属晶粒组织控制 1 温度范围 始锻 固相线以下100 200 终锻 0 6Tm以上2 变形量3 锻后冷却 第5章钢的热处理 热处理的概念5 1钢在加热时的转变5 2钢在冷却时的转变5 3钢的普通热处理5 4钢的表面热处理5 5钢的化学热处理 钢的热处理 把固态金属材料在一定介质中的加热 保温和冷却 以改变其组织和性能的一种工艺 5 1钢在加热时的转变 临界温度平衡时 A1 A3 Acm加热时 Ac1 Ac3 Accm冷却时 Ar1 Ar3 Arcm 1 奥氏体的形成 Fe C原子扩散和晶格改变的过程 共析钢加热到Ac1以上时 P A共析钢A化过程 形核 长大 Fe3C完全溶解 C的均匀化 亚 过 析钢的A化 P A 首先是先共析F或Fe3C 溶解 影响A转变速度的因素 加热温度和速度 转变快C 或Fe3C片间距 界面多 形核多 转变快合金元素 A化速度 或 A晶粒度 起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度加热温度 保温时间 晶粒尺寸 合金碳化物 C 晶粒尺寸 5 2钢在冷却时的转变 1 过冷A的等温转变2 过冷A的连续冷却转变 1 过冷A的等温转变 过冷A T A1时 A不稳定 A等温转变曲线 TTT或C曲线 共析钢的C曲线 高温转变 A1 550 过冷A P型组织中温转变 550 MS过冷A 贝氏体 B 低温转变 MS Mf过冷A 马氏体 M 高温P转变过程 晶格改变和Fe C原子扩散 P型组织 F 层片状Fe3C 珠光体P索氏体S屈氏体T 层片间距 P S T 珠光体P 3800 索氏体S8000 屈氏体T8000 中温转变 550 MS C原子扩散 Fe原子不扩散 过冷A 贝氏体B 碳化物 含过饱和C的F 上B 550 350 产物 羽毛状 小片状Fe3C分布在F间 上B强度和韧性差 下B 350 MS产物 下B韧性高 综合机械性能好 F针内定向分布着细小Fe2 4C颗粒电子显微照片12000 T8钢 下B 黑色针状光学显微照片 400 马氏体 M 转变特点 1 无扩散Fe和C原子都不进行扩散 M是体心正方的C过饱和的F 固溶强化显著 2 瞬时性M的形成速度很快 温度 则转变量 3 不彻底M转变总要残留少量A A中的C 则MS Mf 残余A含量 4 M形成时体积 造成很大内应力 M的形态 C 0 25 时 为板条M 低碳M 板条M 平行的细板条束组成 针状M 凸透镜状 C 1 0 时 为针状M C 0 25 1 0 时 为混合M M的性能 C M硬度 针状M硬度高 塑韧性差 板条M强度高 塑韧性较好 亚 过 共析钢过冷A的等温转变 与共析钢相比 C曲线左移 多一条过冷A F Fe3C 的转变开始线 且Ms Mf线上 下 移 2 过冷A的连续冷却转变 连续冷却转变 CCT 曲线 Ps A P开始线Pf A P终止线KK P型转变终止线Vk 上临界冷却速度Vk 下临界冷却速度MS A M开始温度Mf A M终止温度 连续冷却转变产物 CCT和TTT曲线的比较CCT位于TTT曲线右下方CCT中没有A B转变 炉冷 P V 空冷 S V Vk 油冷 T M A Vk Vk 水冷 M A V Vk 亚共析钢连续冷却转变 炉冷 F P空冷 F S油冷 T M水冷 M 过共析钢连续冷却转变 炉冷 P Fe3C 空冷 S Fe3C 油冷 T M A 水冷 M A 转变温度对共析钢硬度和韧性的影响 按转变温度的高低 转变产物分别是 P S T 上B 下B M 其硬度依次增加 钢的普通热处理 1 退火2 正火3 淬火4 回火 1 退火 加热 保温后 缓冷 炉冷 近平衡组织P F或Fe3CII 完全退火 亚共析钢 加热温度Ac3 20 30 缓冷 F P目的 细化晶粒 均匀化组织降低硬度 切削性 等温退火 等温转变 F P 再缓冷球化退火 过共析钢 在Ac 20 30 等温 使Fe3C 球化 再缓冷 球状P F 球状Cm 目的 硬度 切削性 韧性 扩散退火加热至略低于固相线目的 使成分 组织均匀再结晶退火 加热温度TR 30 50 目的 消除加工硬化去应力退火加热温度 Ac1 一般为500 650 目的 消除冷热加工后的内应力 正火 应用 1 钢的最终热处理细化晶粒 组织均匀化 增加亚共析钢中P S 强度 韧性 硬度 2 预先热处理 淬火 球化退火前改善组织 3 增加低碳钢的硬度 以改善切削加工性能 加热温度Ac3 Accm 30 50 空冷 S F或Fe3CII 3 淬火 蘸火 加热到Ac3 Ac1以上 保温 快速冷却 M 淬火温度1 亚共析钢Ac3 30 50 2 过共析钢Ac1 30 50 M Fe3CII A 硬度大 A中C M脆性 残余A 淬火温度低 M细小 淬火应力小 冷却介质 冷却速度 盐水 水 盐浴 油 淬火方法单介质淬火 水 油冷双介质淬火 水冷 油冷分级淬火 Ms盐浴中均温 空冷等温淬火 在盐 碱浴中 下B 钢的淬透性 淬火时得到M的能力 取决于临界冷却速度VK 淬透性的应用按负载 选择不同淬透性的材料 淬硬性 淬火后获得的最高硬度 C 淬硬性 影响淬透性的因素除Co外 合金使VK 淬透性 a 完全淬透 b 淬透较大厚度 c 淬透较小厚度淬透性不同的钢调质后机械性能的比较 4 回火 淬火后 加热到Ac1以下 保温 冷却 目的 消除淬火应力 调整性能 低温回火 150 250 回火M 过饱和F 薄片状Fe2 4C A 淬火应力 韧性 保持淬火后的高硬度 用于高C工具钢等 中温回火 350 500 回火T F 细粒状Cm 弹性极限和屈服强度 韧性和硬度中等 用于弹簧等 高温回火 500 650 回火S 等轴状F 粒状Cm 综合机械性能最好 即强度 塑性和韧性都较好 用于重要零件 调质处理 淬火 高温回火 回火产物的组织形态比较 回火M 400 回火T 7500 回火S 7500 M低倍 T 1000 S 1000 回火时性能的变化 回火温度 硬度 强度 塑性 钢的表面热处理表面淬火 不改变心部组织 利用快速加热将表层A化后进行淬火 目的 提高表面硬度 保持心部良好的塑韧性 感应加热表面淬火交变磁场 感应表面电流 表面加热 特点1 加热速度快 晶粒度小 硬度 脆性 2 表层残余压应力 提高疲劳强度3 不易氧化 脱碳 变形小 4 加热温度和淬硬层厚度容易控制 火焰加热表面淬火 乙炔 氧等火焰 设备简单 但生产率低 钢的化学热