工程材料ppt课件

第二篇工程材料 绪论 一 机械制造一般过程 焊接原材料铸造毛坯热处理切削加工热处理切削加工零件锻造产品 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 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 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 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 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 WC 2 11 钢 WC 2 11 Fe C合金 2 同一种材料经过不同热处理 组织性能不同 锤头45 WC 0 45 锻后退火HRC10 组织F P 淬火 回火HRC55 组织M回火 五 内容 要求 工程材料及机械制造基础1 机械工程材料金属材料及热处理2 热加工工艺基础材料成形工艺基础3 机械制造工艺基础机械加工工艺基础 六 课程系列 教材选用1 高为国 机械工程材料 中南大学出版社 2011 72 朱张校 工程材料 第三版 清华大学出版社3 史美堂 金属材料及热处理 上海科技出版社 第一章金属材料的力学性能第一节静态力学性能 一 拉伸试验 刚度 强度 塑性 五点P点 PP为比例极限的负载 E点 Pe为弹性极限的负荷 S点 Ps为屈服点的负荷 b点 Pb为强度极限的负荷k点 Pk为断裂负荷 引入几个概念 A 弹性 金属材料在外力作用下产生变形 当外力去掉后能恢复其原来形状的能力 B 弹性变形 随外力消失而消失的变形 C 塑性 金属材料在外力作用下产生永久变形而不致引起破坏的性能 D 塑性变形 在外力消失后留下来的不可恢复的变形 E 屈服 拉伸图上试样所承受的载荷不再增加 但仍继续产生塑性变形 图上出现水平线段 称为屈服 F 加工硬化 随塑性变形增大 变形抗力不断增加的现象 G 应力 单位横截面积上的外力 用 表示 反映强度 H 应变 试样的绝对伸长 l与原始长度l0的比值 用 表示 I 刚度 抵抗材料弹性变形抗力的大小 以弹性模量E的大小表示 二 强度 材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力 1 比例极限 P Pp F0 应力与应变成比例关系的最大应力 2 弹性极限 e Pe F0 由弹性变形过渡到弹 塑性的应力 3 屈服极限 屈服点 s Ps F0 负荷不增加 甚至有所下降 试样还继续发生明显变形的最小应力 屈服强度 0 2 P0 2 F0 发生0 2 残余伸长的应力 4 抗拉强度 强度极限 b Pb F0 断裂前最大负荷的应力 表征材料最大均匀变形的抗力 表征材料在拉伸条件下所能担负的最大负荷的应力值 5 断裂强度 k Pk F0 材料拉断时的真实应力 6 许用应力 n 问题 选 e s b 一般 脆性材料 选 b 塑性材料选 s 量具选 e 三 塑性 材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的能力 常以延伸率和断面收缩率来表征 1 断后伸长率 lk l02 断面收缩率 F0 Fk Fk 四 硬度 材料抵抗其它更硬物体压入其表面的能力 反映了材料抵抗局部塑性变形的能力 压痕法 布氏硬度 压头 淬火钢球或硬质合金球D 2 5mm 5mm 10mm表示法 HBS 适于硬度 450的较软金属 HBW 适于硬度 650的材料 450 650 优点 直径较大测得平均值 准确缺点 不方便 需计算 查表 压痕大 对零件损坏 有可能成为裂纹源 不能测硬金属 布氏硬度计算公式 HBS HBW 2 洛氏硬度 三种压头 HRC HRA HRB 优点 方便 不需计算 查表 压痕小 对零件损坏小 能测硬的材料金属 缺点 不准确 压痕小 组织不均匀引起 3 维氏硬度 压头 金刚石四方角锥体 测压痕对角线长度的算术平均值dHv F S压 1 8544F d2适宜于测定金属镀层 薄片金属及化学热处理后的表面 4 显微硬度 小负荷的维氏硬度试验 问题 图纸上常标硬度不标强度指标 1 综合性 与E s b 相关如 硬度与强度的关系 低碳钢 b 0 36HBS高碳钢 b 0 36HBS合金调质钢 b 0 36HBS 2 零件本身的性能 其他指标是试件的性能 3 测试方便 第二节动态力学性能 一 韧性 是强度和塑性的综合表现 是材料从塑性变形到断裂全过程中收能量的能力 强度应力 塑性应变 韧性应变能 1 冲击韧性 材料抵抗冲击载荷的能力 ak Ak FAk G H h 从刻盘上读出F 试样缺口处截面积 Ak作用在试样上 有两部分能量 裂纹形成功和裂纹扩展功 2 多冲抗力 在一定冲击能量下 材料断裂前的冲击次数 如 锤杆 凿岩机活塞 103次才断裂 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 应力交变到无数次也不会发生断裂 此为疲劳极限 第二章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 结合键的种类 1 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 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 金属正离子与自由电子间的静电作用 使金属原子结合起来形成金属整体4 分子键 存在于中性原子或分子间的结合力 范德华力 5 氢键 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 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 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排列 具有固定熔点和各向异性 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 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 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 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 3 把它们化为三个最小的简单整数 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 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 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 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 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 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 液态转变成固体晶态二次结晶 固态转变成另一种固体晶态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 T0熔化 T T0结晶熔点 理想结晶温度4 自由能 物质中能够自动向外界释放其多余的或能够对外作功的这一部分能量 5 过冷度 实际结晶温度与理想结晶温度之间的温度差 液态物质和固态物质的能量状态与温度的关系曲线过冷 液态到结晶 就必须冷却到T0温度以下的某一温度 T F 结晶驱动力 只有当驱动力达到一定值时 结晶过程才能进行 6 结晶潜热 结晶过程中伴随的能量释放 7 热分析法 利用结晶的热效应 测定结晶温度的方法 8 冷却曲线 用热分析法测定温度随时间变化的曲线 T T0 液态金属温度均匀下降 当T Tn T0 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 T 二 金属的结晶过程晶核的形成 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 1 过冷度 T F 形核 长大驱动力 T 原子迁移能力 扩散 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 难熔杂质 加速晶核形成 细化金属晶粒3 细化晶粒的措施 1 增大过冷度 提高冷速 提高过冷能力 高温出炉 低温浇注 2 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 有些金属在结晶之后继续冷却时 还会发生结构的变化 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 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 由于塑性差 应避免柱状晶 对于有色金属 则希望得到 第三章金属的塑性变形与再结晶 本章目的 1 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 3 1金属的塑性变形 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 只能在切应力作用下进行 临界切应力 使晶体开始滑动的切应力 cos cos 当P F s时 k scos cos k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 滑移面 原子密排方向 滑移方向 进行滑移系 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 2 滑移理论 现象 cr理论 Cu 6480Mpa cr实测 Cu 0 4080MPaFe 10960MpaFe 2 75MPa cr 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 c p金属较容易发生 二 多晶体的塑性变形 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 3 2塑性变形对金属组织和性能的影响 塑性变形 强度 硬度 塑性 韧性 电阻 抗蚀性 一 塑性变形对金属组织的影响 显微组织的变化 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 70 90 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 对力学性能的影响 强度 硬度 塑性 韧性 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 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 3 3变形金属在加热时组织与性能的变化 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 T T再 2 显微组织没有明显变化 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 变形金属加热到较高温度时 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 70 以上 的金属 在一小时的保温时间内全部完成再结晶所需的最低温度 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 35 0 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 2 10 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 热加工 在再结晶温度以上的加工变形 冷加工 在再结晶温度以下的加工变形 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 45 600 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 100 200 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 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 4 1固态合金中的相结构 晶体结构 一 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 组成合金的元素互相溶解 形成的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 其它元素为溶质 单一均匀相溶剂 固溶体中保留晶体结构的组元 溶质 固溶体中失去晶体结构的组元 置换固溶体 溶质原子占据溶剂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 溶质原子占据晶格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 220Mpa44HBS加入19 Ni的白铜 b 380 400Mpa70HBS 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 金属化合物 具有相当程度金属键结合 并且有明显金属特征的化合物 1 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 高熔点 高硬度 高脆性 2 金属化合物对性能的影响 弥散强化 极细小的金属化合物均匀弥散的分布在固溶体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 a 严格按原子价结合的 b 有固定成分的 c 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 a 按一定的电子浓度规律 b 不同的电子浓度 对应不同的晶体结构 如 C 3 2 体心立方晶格的 相CuZn C 21 13 复杂立方晶格的 相Cu5Zn8 C 7 4 密排六方晶格的 相CuZn3 间隙化合物 a 间隙相 非金属原子半径 金属原子半径 0 59 具有简单晶格的间隙化合物 b 间隙化合物 非金属原子半径 金属原子半径 0 59 形成复杂晶格的间隙化合物 4 2二元合金相图的建立 相组织相图测定 1 配不同合金2 测定冷却曲线T t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 二元合金相图的建立 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE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 使用二元相图的基本方法 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 何种组织 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 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W0 液相合金重量WL 固相 合金重量 公式推导思路 液相中 元素重量 中 元素重量 合金中 元素总重量 液相重量 固相 重量 合金总重量 由此可知 WL W0 三 匀晶相图 WL W0 WL 式与物理中的杠杆定律相似 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 二元匀晶相图 两组元在液态和固态均能以任何比例互溶时构成的相图 有 Cu Ni Fe Cr Au Ag W Mo等 Cu Ni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 枝晶内部化学成分不均匀现象 可以通过加热到T固 100 200 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 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 Pb Sb 其相图为简单共晶相图 相图分析 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE课件 动画驱动 aawin 固态有限互溶的如 Pb Sn 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 共晶反应 一定成分液态合金 冷却到一定温度时 同时结晶生成两种不同的固态物质 其中 一定成分即 共晶成分 一定温度即 共晶温度 aeb为液相线 acedb为固相线 a为铅的熔点 b为锡的熔点 有两种有限固溶体 Pb为溶剂 Sn为溶质的 固溶体 其溶解度曲线cf Sn为溶剂 Pb为溶质的 固溶体 其溶解度曲线dg 合金成分 c点时 液相L在固相线ac以下温度结晶为 固溶体 合金成分 d点时 液相L在固相线bd以下温度结晶为 固溶体 成分在c d之间的合金在结晶温度达到固相线的水平部分ced时都将发生恒温反应 即 共晶反应 反应式 Le c d 合金的结晶过程 含Sn量小于E点的合金结晶过程 合金 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 含Sn量大于F点的合金结晶过程 合金 与含Sn量小于E点的合金结晶过程 合金 相似 组织组成物的Pb Sn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 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 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 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 A B 600 500 300 40 70 90 解 2 20 A合金结晶过程 L L A 45 A合金结晶过程 L L A 80 A合金结晶过程 L L A A 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 A 45 A 80 A L L A L A A A A 第五章铁碳合金 一 纯铁的同素异晶转变 1 当纯铁从高温冷却到1538 开始结晶 并完成结晶过程形成体心立方的 Fe 2 体心立方的 Fe冷却到1394 转变成为面心立方的 Fe 3 面心立方的 Fe冷却912 转变成为体心立方的 Fe 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 固态金属随温度的变化 由一种晶体结构转变成另一种晶体结构的过程 具有同素异晶转变的金属 Fe Co Ti MnSn等 1 铁素体 符号 F 铁素体 碳在体心立方的 Fe或 Fe的晶格间隙中 形成的间隙固溶体 室温铁素体的特点 碳最大的溶解度为0 0218 室温时溶解度0 0008 显微组织为明亮的多边形晶粒 温度 770 有磁性 力学性能 b 180 280Mpa 0 2 100 170Mpa 30 50 70 80 ak 160 200J Cm2 HB 50 80 工业纯铁的组织为铁素体组织 2 奥氏体 符号 A 奥氏体 碳在面心立方的 Fe的晶格间隙中 形成的间隙固溶体 奥氏体的特点 碳最大溶解度为2 11 组织在727 温度以上存在 显微组织为明亮的多边形晶粒 为非磁性组织 力学性能 40 50 HB 170 220 3 渗碳体 符号 Cm或Fe3C 渗碳体 碳与铁形成的复杂晶格的间隙化合物 渗碳体的特点 含碳量为恒定值 6 69 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 4 珠光体 符号 P 为亚稳定状态 当条件适当会发生分解生成Fe与石墨 符号 G 力学性能 b 30Mpa 0 0 ak 0J Cm2 HB 800 组织形态对性能影响极大 珠光体 含碳量0 77 的奥氏体冷却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 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 5 莱氏体 符号 Ld 莱氏体 含碳量4 3 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体组成的机械混合物 低温莱氏体 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和渗碳体组成的机械混合物 符号 Ld 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 三 铁碳合金相图 A 1538 铁的熔点 C 1148 含碳量4 3 共晶点 D 1227 渗碳体的熔点 E 1148 含碳量2 11 碳在奥氏体中最大溶解度点 A C D E S P Q F K B G S 727 含碳量0 77 共析点 P 727 含碳量0 0218 碳在铁素体中最大溶解度点 Q 室温 含碳量0 0008 室温时碳在铁素体中最大溶解度点 1 特性点 G 912 铁的同素异构转变点 2 特性线 ECF 共晶反应线 PSK 共析反应线 符号 A1 ABCD 液相线 ES 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 GS 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 A3 3 铁碳合金的分类 工业纯铁 含碳量0 0 0218 钢 亚共析钢 含碳量0 0218 0 77 共析钢 含碳量0 77 过共析钢 含碳量0 77 2 11 白口铸铁 亚共晶白口铸铁 含碳量2 11 4 3 共晶白口铸铁 含碳量4 3 过共晶白口铸铁 含碳量4 3 6 69 4 典型合金的结晶过程 工业纯铁 L L A A A F F F Fe3C 室温组织 F Fe3C 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE课件 动画驱动 aawin 三次渗碳体 冷却过程从铁素体中析出的渗碳体 形态 颗粒状 共析钢 L L A A P 室温组织 P 共析反应式 A0 77 F0 0218 Fe3C共析 亚共析钢 共析反应 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态物质的反应 新产生的两种固态物质的混合物为共析体 共析渗碳体 共析反应时产生的渗碳体 形态 细片状 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE课件 动画驱动 aawin L L L A A A F P F P F Fe3C 室温组织 P F Fe3C 过共析钢 L L A A A Fe3C P Fe3C 二次渗碳体 冷却过程从奥氏体中析出的渗碳体 形态 网状 室温组织 P Fe3C 共晶白口铸铁 L Ld A Fe3C共晶 Ld P Fe3C共晶 共晶渗碳体 共晶反应时生成的渗碳体 形态 基体 室温组织 Ld P Fe3C共晶 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE课件 动画驱动 aawin 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE课件 动画驱动 aawin 亚共晶白口铸铁 L L A A Ld A Fe3C共晶 A Fe3C Ld A Fe3C共晶 P Fe3C Ld P Fe3C共晶 室温组织 P Fe3C Ld P Fe3C共晶 过共晶白口铸铁 L L Fe3C Ld A Fe3C共晶 Fe3C Ld P Fe3C共晶 Fe3C 一次渗碳体 冷却过程直接从液体结晶出的渗碳体 形态 粗针状 室温组织 Ld P Fe3C共晶 Fe3C 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE课件 动画驱动 aawin 课件 动画驱动 aawin AAWIN EXE课件 动画驱动 aawin 5 铁碳合金成分 组织和性能的关系 6 铁碳相图的应用 在选材方面 在铸造方面 在锻造方面 在热处理方面 四 碳钢 1 常存杂质对钢性能的影响 Mn 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 Si 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 严格限制 硫主要形成FeS Fe FeS形成简单共晶相图 Fe FeS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S 0 050 优质钢含S 0 035 高级优质S 0 020 2 碳钢的分类 编号和用途 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P 0 045 优质钢含P 0 035 高级优质P 0 030 非金属夹杂物和气体 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 按钢的含碳量 a 低碳钢 0 25 b 中碳钢 0 3 0 55 c 高碳钢 0 60 按钢的质量 a 普通碳素钢 S 0 050 P 0 045 b 优质碳素钢 S 0 035 P 0 035 c 高级优质碳素钢 S 0 020 P 0 030 按用途 a 碳素结构钢 b 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 碳钢的编号和用