工程材料-(热能卓越班)

1、工程材料金工教研室 乔志霞 第一章第一章 绪论绪论一一. 材料重要作用及其发展材料重要作用及其发展 材料是人类用来制造各种产品的物质。材料是人类用来制造各种产品的物质。 人类社会的发展和进步是伴随着材料的发明人类社会的发展和进步是伴随着材料的发明和发展的。和发展的。根据人类对材料的使用，人类发展根据人类对材料的使用，人类发展史被划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。史被划分为石器时代、青铜器时代、铁器时代。 陶器新石器时代(公元前6000年公元前5000年) 瓷 器我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。 青铜器 我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期

2、已发展到很高的水平。我国从青秋战国时期(公元前770年公元前221年)已开始大量使用铁器。黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)武汉长江大桥采用武汉长江大桥采用Q235制造，主跨度制造，主跨度128m;南京长江大桥采用南京长江大桥采用16Mn合金钢制造，主跨度合金钢制造，主跨度160m九江长江大桥采用九江长江大桥采用15MnVN制造，主跨度制造，主跨度216m。 当设计人员设计某件产品或零件时，必须当设计人员设计某件产品或零件时，必须首先考虑应选用何种材料。而当选择材料时，首先考虑应选用何种材料。而当选择材料时，就必须了解各种材料的性能才能做到正确、合就必须了解各种材料的性能才能做到正确、合理的选材

3、。理的选材。 能源、材料和信息是现代社会和现代科学能源、材料和信息是现代社会和现代科学技术的三大支柱，技术的三大支柱，学习并掌握工程材料的基础学习并掌握工程材料的基础知识，对于工科院校机械类专业的学生是十分知识，对于工科院校机械类专业的学生是十分必要的。必要的。 金属材料主要以金金属材料主要以金属键结合；高分子材料属键结合；高分子材料以分子键和共价键结合；以分子键和共价键结合；陶瓷材料以离子键、共陶瓷材料以离子键、共价键结合；复合材料可价键结合；复合材料可由多种结合键组成。由多种结合键组成。 工程材料工程材料按结合键的性质按结合键的性质可可分为四类：分为四类：二二. 工程材料分类工程材料分类

4、1. 金属材料金属材料 金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金属材料是最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工程应用的金属材料，绝大部分是合金。金属材料原子间金。工程应用的金属材料，绝大部分是合金。金属材料原子间的结合键基本上为金属键。的结合键基本上为金属键。 工业上把金属和其合金分为两大部分工业上把金属和其合金分为两大部分: （1）黑色金属）黑色金属 铁和以铁为基的合金铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金钢、铸铁和铁合金)； （2）有色金属）有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。黑色金属以外的所有金属及其合金。 金属材料 2.高分子材料高分子材料 高分子材料为有机

5、合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。它具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能，塑性，较强的耐腐蚀性能，很好的绝缘性，以及重量轻等优良性能，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。 高分子材料由大量相对分子质量特别大的大分子化合物组成，每个大分子皆包含有大量结构相同、相互连接的链节。有机物质主要以碳元素(通常还有氢)为其结构组成，在大多数情况下它构成大分子的主链。大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子与大分子之间的结合力为较弱的范特瓦尔斯力。 工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类：工程上通常

6、根据机械性能和使用状态将其分为四大类： 塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂塑料、合成纤维、橡胶、胶粘剂 高分子材料制品 3.陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属元素(通常为氧通常为氧)的的化合物。非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键。化合物。非金属元素原子同金属原子化合时形成很强的离子键。陶瓷的硬度很高，但脆性很大，耐腐蚀性、耐高温、绝缘性好。陶瓷的硬度很高，但脆性很大，耐腐蚀性、耐高温、绝缘性好。 陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和金属非氧化合物。陶瓷材料属于无机非金属材料，主要为金属氧化物和金属非氧化合物。由于大部分

7、无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸盐由于大部分无机非金属材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸盐材料。材料。它一般包括无机玻璃(硅酸盐玻璃)、玻璃陶瓷(或称微晶玻璃)和陶瓷等三类。 4.复合材料复合材料 复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。能优于它的组成材料。复合材料可以由各种不同种类的材料复合组成，所以它的结合键非常复杂。它在强度、刚度和耐蚀性方面比单纯的金属、陶瓷和聚合物都优越，是一类特殊的工程材料，具有广阔的发展前景。 玻璃钢就是由环氧树脂与固化剂按一定比例混合后将无机纤维类材料

8、（如纤维布、纤维丝等）粘结起来的一种复合材料。 三三. 本课程的性质、目的、任务本课程的性质、目的、任务性质：性质：本课程是一门技术基础课，是必修课。本课程是一门技术基础课，是必修课。目的、任务：目的、任务：是使学生获得有关材料的基本知是使学生获得有关材料的基本知识，了解常用材料的成分、组织、性能之间的识，了解常用材料的成分、组织、性能之间的关系，以便在学习本课程之后使学生具有合理关系，以便在学习本课程之后使学生具有合理选用材料，妥善安排工艺路线等方面的初步能选用材料，妥善安排工艺路线等方面的初步能力。力。四四. 关于学习本课程关于学习本课程学时、学分学时、学分考核：平时成绩考核：平时成绩30

9、%（作业、实验、上课表现、考勤）（作业、实验、上课表现、考勤） 期末考试期末考试70%一一. 金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能 铸造性能铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，能，用流动性、收缩性和偏析来衡量用流动性、收缩性和偏析来衡量。 锻造性能锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的能力称锻造性。金属材料用锻压加工方法成形的能力称锻造性。锻造锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。变形抗力越小，金属的锻造性能越好。 使用性能使用性

10、能 ：物理、化学、力学性能物理、化学、力学性能工艺性能：工艺性能： 铸造、锻、焊、切削等铸造、锻、焊、切削等第二章第二章 金属材料的性能金属材料的性能焊接性能焊接性能 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和低碳钢和碳的质量分数低于碳的质量分数低于0.18 %的合金钢有较好的焊接性能。的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。焊接性能越差。 切削加工性能切削加工性能 金属材料具有适当的硬度金属材料具有适当的硬度(170 HBS230 HBS)和足和足够的脆性时切削性良好。够的脆性时切削性良好。改变钢的化学

11、成分改变钢的化学成分(如加入少量如加入少量铅、磷等元素铅、磷等元素)和进行适当的热处理和进行适当的热处理(如低碳钢进行正火，如低碳钢进行正火，高碳钢进行球化退火高碳钢进行球化退火)可提高钢的切削加工性能。可提高钢的切削加工性能。铜有良铜有良好的切削加工性能。好的切削加工性能。 热处理工艺性能热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性主要考虑其淬透性, 即钢接受即钢接受淬火的能力。淬火的能力。 二二. 金属材料的机械性能金属材料的机械性能拉伸试验和拉伸曲线拉伸试验和拉伸曲线（F）载荷（载荷（F）, 伸长量（伸长量（L）,低碳钢拉伸过程经历四个阶段：低碳钢拉伸过程经历四个

12、阶段：1）弹性变形弹性变形（oe） （oe）直线阶段，完全弹直线阶段，完全弹性变形；（性变形；（eses）极微量塑）极微量塑性变形性变形弹性变形弹性变形：去除外力后能：去除外力后能完全恢复到原来的形状。完全恢复到原来的形状。塑性变形塑性变形：外力消除后仍：外力消除后仍存在的永久变形。存在的永久变形。（F）（l）0bkbksese应力应力:=F/S=F/S0 0 应变应变: = =L/LL/L0 0Ro2）屈服屈服（s s）：）：开始发生明显的塑性变形（但不均匀）开始发生明显的塑性变形（但不均匀）4）颈缩颈缩（b b点）点）-局部集中塑性变形局部集中塑性变形 3）均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段

13、：（：（b b之前）之前）铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第1 1阶段阶段中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第2阶段阶段（F）（l）0bkbksese5）断裂断裂（k k点）点）1. 弹性和刚度弹性和刚度 弹性极限弹性极限e ：e e点所对应的应力为材料承受最大弹点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力。性变形时的应力。 对于弹簧等不允许产生微量塑性变形的零件，设计时对于弹簧等不允许产生微量塑性变形的零件，设计时以以ReRe为依据。为依据。 刚度：材料抵抗弹性变形的难易程度，其指标即刚度：材料抵抗弹性变形的难易程度，其指标即为为弹性模量弹性模量E E。在弹性变形范围内，应力与应变的比在弹

14、性变形范围内，应力与应变的比值，称为弹性模量值，称为弹性模量E E ，其主要取决于金属材料的本，其主要取决于金属材料的本性。性。可以通过增加横截面积或改变截面形状的方法来提可以通过增加横截面积或改变截面形状的方法来提高零件的刚度。高零件的刚度。 2. 强度强度强度：表示抵抗变形强度：表示抵抗变形和断裂的能力，单位和断裂的能力，单位: : MPa(MN/mmMPa(MN/mm2 2) )1）屈服强度屈服强度s：材料开材料开始明显塑性变形的抗力始明显塑性变形的抗力 ，即产生屈服现象时的应力即产生屈服现象时的应力s s=F=Fs s/A/Ao o 中高碳钢无明显屈服现象，国家标准以产生中高碳钢无明显

15、屈服现象，国家标准以产生0.2%0.2%塑性变形的应力塑性变形的应力来表示屈服强度，即来表示屈服强度，即 0.20.2=F=F0.20.2/A/A0 0（F）（l）0bkbksese2）抗拉强度抗拉强度b b：金属材料被拉断前所承受的最大应力：金属材料被拉断前所承受的最大应力3. 塑性塑性塑性：在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力塑性：在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力1）延伸率延伸率d d2）断面收缩率断面收缩率y y y y =A A/Ao=(Ao-Ak)/Ao 100%d,y,y 越大，塑性愈好越大，塑性愈好 ;5%, ;5%, 脆性材料脆性材料新标准新标准GB/T228200

16、2旧标准旧标准GB/T2281987性能名称性能名称符号符号性能名称性能名称符号符号弹性极限弹性极限Re弹性极限弹性极限e屈服点屈服点s上屈服强度上屈服强度Reh上屈服强度上屈服强度su下屈服强度下屈服强度Rel下屈服强度下屈服强度sl抗拉强度抗拉强度Rm抗拉强度抗拉强度b断后伸长率断后伸长率A断后伸长率断后伸长率5断面收缩率断面收缩率Z断面收缩率断面收缩率y y4. 硬度硬度硬度：抵抗外物压入的能力，是硬度：抵抗外物压入的能力，是综合性能指标综合性能指标，表，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能力。塑性变形或断裂的能力。

17、硬度越高，耐磨性越高硬度越高，耐磨性越高。1）布氏硬度）布氏硬度(HB)适用于未经淬火的钢、铸铁、有适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金色金属或质地轻软的轴承合金（以压痕表面积表示）（以压痕表面积表示）2）洛氏硬度）洛氏硬度(HR)（以压痕深度表示）（以压痕深度表示）根据压头形式和载荷不同有三种标度根据压头形式和载荷不同有三种标度（HRA, HRB,HRC） ，能够测试从，能够测试从软到硬各种硬度的材料，软到硬各种硬度的材料，HRC应用应用最广，可用于测硬度很高的材料。最广，可用于测硬度很高的材料。HRC=100-(h2-h1)/0.002HBS(当用钢球压头时当用钢球压头时

18、) ；HBW(当用硬质合金球时当用硬质合金球时)硬度一般不标单位，如硬度一般不标单位，如HB200, HRC555. 韧性韧性HB和和HRC的优缺点比较：的优缺点比较：冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力冲击韧性：金属材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力表达指标：冲击韧度（冲击值）（表达指标：冲击韧度（冲击值）（a ak k）a ak k=A=Ak k/F (J/cm/F (J/cm2 2) )A Ak k-冲击破坏所消耗的功冲击破坏所消耗的功F-F- 标准试样断口处截面积标准试样断口处截面积用一次摆锤冲击试验来测定用一次摆锤冲击试验来测定实验方法及步骤：实验方法及步骤： 1、将冲击试样放在

19、载物台上、将冲击试样放在载物台上。 2、将摆锤升到一定的高度。、将摆锤升到一定的高度。 3、将标尺对零点。、将标尺对零点。4、将摆锤放下冲击试样、将摆锤放下冲击试样,使摆使摆锤做功。锤做功。5、在标尺上读出摆锤冲击破、在标尺上读出摆锤冲击破坏所消耗的功坏所消耗的功Ak(J)。6、测量出试样断口截面积、测量出试样断口截面积F(cm2)。7、用、用ak=Ak/F(J/cm2)公式计算公式计算出冲击韧性值出冲击韧性值ak。一次摆锤冲击试验一次摆锤冲击试验脆性材料：脆性材料：a ak k值低，断裂时无明显变形，断口呈结晶状，值低，断裂时无明显变形，断口呈结晶状，有金属光泽有金属光泽韧性材料：韧性材料：

20、a ak k值高，断裂时有明显塑变，断口呈灰色纤值高，断裂时有明显塑变，断口呈灰色纤维状，无光泽维状，无光泽韧性与温度有关：脆性转变温度韧性与温度有关：脆性转变温度T TK K脆性材料脆性材料韧性材料韧性材料6 疲劳强度疲劳强度疲劳破坏：疲劳破坏：在大小和方向作周期性变化的在大小和方向作周期性变化的交变应力交变应力作用下，往往在作用下，往往在远小于强度极限时远小于强度极限时发生的断裂发生的断裂循环次数循环次数 N疲劳应力疲劳应力疲劳极限疲劳极限：材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力。的最高应力。原因：原因：材料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集材

21、料含有杂质、表面划痕及其它能引起应力集中的缺陷，导致微裂纹的产生。这种微裂纹随应力循中的缺陷，导致微裂纹的产生。这种微裂纹随应力循环次数的增加而逐渐扩展，最终突然断裂。环次数的增加而逐渐扩展，最终突然断裂。 疲劳强度疲劳强度3-1 3-1 纯金属的晶体结构与结晶纯金属的晶体结构与结晶一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构1 1晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体晶体：材料的原子在三维空间呈规则，周：材料的原子在三维空间呈规则，周期性排列。期性排列。 非晶体非晶体：材料的原子无规则堆积。：材料的原子无规则堆积。2 2晶体结构的描述晶体结构的描述晶体结构即晶体中原子（离子、分子）的晶体结构即晶体中原子

22、（离子、分子）的规则排列方式。规则排列方式。第三章第三章 金属学基础知识金属学基础知识 空间规则排列的原子空间规则排列的原子球体模型球体模型晶格晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小组成单元）晶胞（具有周期性最小组成单元）晶胞的描述：晶胞的描述：a,b,ca,b,c（晶格常数），（晶格常数），, - Fe（2.866埃）埃） Fe Fe （3.583.58埃）埃） 七个晶系：三斜晶系七个晶系：三斜晶系 单斜晶系单斜晶系 斜方晶系斜方晶系 正正方晶系方晶系 菱方晶系菱方晶系 六方晶系六方晶系 立方晶系立方晶系 3.3.三种常见的金属晶体结

23、构三种常见的金属晶体结构（a)a)体心立方晶胞体心立方晶胞BCC BCC Body-Centered CubeBody-Centered Cube例如：例如： - Fe- Fe ,Cr,W,Mo,V ,Cr,W,Mo,V1 1 分类分类(b)(b)面心立方晶胞面心立方晶胞FCC FCC Face-Centered CubeFace-Centered Cube例如：例如：FeFe, ,Al,Cu,Au,AgAl,Cu,Au,Ag(c)(c)密排六方晶胞密排六方晶胞HCP HCP Hexagonal Close-PackedHexagonal Close-Packed例如：例如：Mg, ZnMg,

24、 Zn 面心立方晶格和密排六方晶格排列最紧密；面心立方晶格和密排六方晶格排列最紧密； 面心立方晶格中的空隙半径比体心立方晶格中面心立方晶格中的空隙半径比体心立方晶格中的空隙大。的空隙大。4. 纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe -Fe d-Fe912 1394 （体心）（体心）（体心）（体心）（面心）（面心）同素异构转变同素异构转变纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线纯铁的同素异构转变是钢铁纯铁的同素异构转变是钢铁热处理的理论基础热处理的理论基础同素异构转变也称作同素异构转变也称作重结晶或二次重结晶或二次结晶结晶也是形核和晶核长大的过程，也是形核和晶核长大的过程，也需要过冷，也有结晶热效应也需

25、要过冷，也有结晶热效应1结晶与凝固的区别结晶与凝固的区别凝固：凝固：LS S可以是非晶可以是非晶结晶结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡：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。为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一次结晶一次结晶：LS晶态晶态二次结晶二次结晶（重结晶）：（重结晶）：SS晶态晶态 2过冷和过冷度过冷和过冷度 二二. 纯金属的结晶纯金属的结晶温度温度/时间时间/s理论结晶温度理论结晶温度T0实际结晶温度实际结晶温度T1O冷却曲线冷却曲线FSLTT0T1TF自发过程进行：自发过程进行： F0FT0TT0时，时，FsFL, FsF

26、L, 液相稳定液相稳定b. b. 当温度当温度TT0TT0时，时，FsFL, FsFL, 固相稳定固相稳定c. c. 当温度当温度T=T0T=T0时，时，Fs=FL, Fs=FL, 平衡状态平衡状态T T0：理论结晶温度：理论结晶温度T1T1：实际结晶温度：实际结晶温度过冷：过冷：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。过冷度过冷度： T=T0-T1过冷过冷是结晶的必要条件是结晶的必要条件冷速越快，冷速越快，过冷度过冷度越大越大3、结晶的过程、结晶的过程a.a.形核形核自发形核、自发形核、非自发形核非自发形核( (为主为主) )b.长大长大平面长大、平面长大、树

27、枝状长大（为主）树枝状长大（为主）形成晶核与晶核不断长大形成晶核与晶核不断长大以树枝晶方式长大为主以树枝晶方式长大为主4、晶粒尺寸的控制、晶粒尺寸的控制（1）晶粒尺寸晶粒尺寸对金属性能的影响对金属性能的影响晶粒尺寸越小，晶粒越细，机械性能越好晶粒尺寸越小，晶粒越细，机械性能越好（强度越高，塑性、韧性越好）（强度越高，塑性、韧性越好）形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。晶粒细小。（2）过冷度对形核）过冷度对形核- -长大的影响长大的影响过冷度过冷度TT提高，提高，N N提高、提高、G G提高提高过冷度过冷度TT太高，太高，D D降低降低NN降低、

28、降低、G G降低降低（3）细化铸态金属晶粒的措施细化铸态金属晶粒的措施提高过冷度（提高冷却速度）提高过冷度（提高冷却速度）过冷度过冷度TT，N，GN/G增大，增大，细化晶粒细化晶粒变质处理（孕育处理）变质处理（孕育处理）在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，增加晶核数目，以细化晶发晶核的核心，增加晶核数目，以细化晶粒和改善组织。粒和改善组织。振动，搅拌等振动，搅拌等单晶体与多晶体示意图单晶体与多晶体示意图5. 5. 金属晶体的特性金属晶体的特性多晶体多晶体各向异性各向异性晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）：实际晶体中存在着偏离（破

29、坏） 晶格周期性和规则性排列的部分晶格周期性和规则性排列的部分 1.1.点缺陷点缺陷晶格结点处或间隙处，产生偏晶格结点处或间隙处，产生偏 离理想晶体的变化离理想晶体的变化 三实际金属中的晶体缺陷三实际金属中的晶体缺陷空位空位 晶格结点处无原子晶格结点处无原子 置换原子置换原子 晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据 间隙原子间隙原子 原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙点缺陷导致的晶格畸变点缺陷导致的晶格畸变 空位空位 置换原子置换原子 间隙原子间隙原子点缺陷对性能的影响：点缺陷对性能的影响： 空位的存在有利于金属内部原子的迁移（即空位的存在有利于金属内部原子的迁移（即扩散扩散）；）；

30、点缺陷造成的局部晶格畸变，使金属点缺陷造成的局部晶格畸变，使金属电阻率电阻率、屈服强度屈服强度增加增加，密度发生变化。，密度发生变化。2. 2. 线缺陷（位错）线缺陷（位错）二维尺度很小，另一二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排维尺度很大的原子错排 （刃型位错（刃型位错 螺型位错螺型位错 ）刃型位错模型刃型位错模型位错网络位错网络位错对性能的影响：位错对性能的影响： 当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度提高。当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度提高。位错能够在金属结晶、塑性变形和相变过程中形成。位错能够在金属结晶、塑性变形和相变过程中形成。3. 3. 面缺陷面缺陷一维尺度很小，而二维

31、尺度较一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域大的原子错排区域 晶界、亚晶界、表面等晶界、亚晶界、表面等 晶界及亚晶界示意图晶界及亚晶界示意图亚结构与亚晶界亚结构与亚晶界对性能的影响：对性能的影响：晶界或亚晶界均可提高金属的晶界或亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属强度、塑性强度。晶界越多，晶粒越细，金属强度、塑性越好。越好。合金合金：由两种或两种以上元素由两种或两种以上元素(其中至少有其中至少有一种是金属一种是金属)组成的具有金属特性的材料。组成的具有金属特性的材料。如铁碳合金、如铁碳合金、铜锌合金（铜锌合金（黄铜黄铜）、铜锡合）、铜锡合金（青铜）等。金（青铜）等。 几个重要

32、的概念：几个重要的概念：3-2 3-2 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶1）. 组元组元：组成合金的最基本的、独立的：组成合金的最基本的、独立的物质。通常组元即为组成合金的各元素，物质。通常组元即为组成合金的各元素，但元素间所形成的稳定化合物也可为组元。但元素间所形成的稳定化合物也可为组元。根据组元数目，合金可分为根据组元数目，合金可分为二元合金、三二元合金、三元合金等。元合金等。 例如：黄铜（例如：黄铜（Cu-Zn)，铁碳合金（，铁碳合金（Fe-Fe3C)2 2）. .相：相：凡是化学成分相同、晶体结构凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀相同，与其它部分有明显分

33、界的均匀组成部分。合金中有两类基本的相结组成部分。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。构，固溶体和金属间化合物。（举例：纯金属，合金）（举例：纯金属，合金）3）组织）组织：不同的类型、形态、数量、大小：不同的类型、形态、数量、大小与分布的相的组合状态。由于合金的成分及与分布的相的组合状态。由于合金的成分及加工、处理等条件不同，其合金相将以不同加工、处理等条件不同，其合金相将以不同的类型、形态、数量、大小与分布相结合，的类型、形态、数量、大小与分布相结合，构成不同的组织。构成不同的组织。相是组织的基本组成部分相是组织的基本组成部分，而而组织决定性能组织决定性能。 固溶体固溶体合金中的

34、相结构：合金中的相结构： 金属化合物金属化合物一合金的晶体结构及组织一合金的晶体结构及组织 1、固溶体、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为元之一相同的固相称为固溶体固溶体A（B）。）。A：溶剂溶剂 B：溶质溶质置换固溶体置换固溶体 溶剂与溶质晶格类型相同溶剂与溶质晶格类型相同,原子半径相差原子半径相差不不 大大,电化学性质相近电化学性质相近间隙间隙固溶体固溶体 溶剂溶剂原子半径较小原子半径较小 无限固溶体无限固溶体固溶体固溶体性能特点性能特点固溶强化固溶强化: :由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶由于溶质原子溶

35、入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。明显降低。溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错远动阻力上升位错远动阻力上升金属塑性变形困难金属塑性变形困难强度、硬度升高。强度、硬度升高。固溶强化是一种重要的强化手段固溶强化是一种重要的强化手段 铁碳合金中的固溶体：铁碳合金中的固溶体： 铁素体铁素体 F （C C 固溶到固溶到 -Fe-Fe中）中） 奥氏体奥氏体 A A （C C 固溶到固溶到-Fe-Fe中）中）溶质原子的溶入，使固溶体晶格产生畸变-Fe-Fe的固溶强化的固溶强化在合金中的地位与作用在合金中的地位与作用 基体相，用

36、以保证合金的塑性与韧性。基体相，用以保证合金的塑性与韧性。2、金属间化合物、金属间化合物金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。于任一组元的化合物一中间相。 性能不同于各组元，一般硬而脆，熔点高性能不同于各组元，一般硬而脆，熔点高在合金中的地位与作用在合金中的地位与作用:是重要的是重要的强化相，强化相，用用以提高合金的强度、硬度、耐磨性以提高合金的强度、硬度、耐磨性。 有一定或大致一定的原子比值，可用有一定或大致一定的原子比值，可用化学式表示其组成

37、化学式表示其组成 新的不同于任一组元的晶格类型新的不同于任一组元的晶格类型 特点：特点：（铁碳合金中的金属化合物：渗碳体（铁碳合金中的金属化合物：渗碳体Fe3C）具有复杂晶挌的金属化合物具有复杂晶挌的金属化合物FeFe3 3C C1. 合金合金结晶特点结晶特点（1 1）一般是在一定温度范围内结晶的，）一般是在一定温度范围内结晶的， 也是一个放热的过程也是一个放热的过程（2 2）结晶过程也包括形核和长大两个过程。）结晶过程也包括形核和长大两个过程。2. 二元合金状态图的建立（以二元合金状态图的建立（以Cu-NiCu-Ni合金为例）合金为例）相图：描述平衡条件下，合金系中各相之间关系相图：描述平衡

38、条件下，合金系中各相之间关系的温度、成份坐标图称为相图（平衡图，状态图）的温度、成份坐标图称为相图（平衡图，状态图）步骤：步骤： （1）配置不同成分的合金。）配置不同成分的合金。(：纯铜：纯铜 ：75%Cu+25%Ni 75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni 50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯：纯Ni）二合金的结晶与相图二合金的结晶与相图（2） 测定各合金的冷却曲线，找出组织转测定各合金的冷却曲线，找出组织转变的临界点，并标到温度变的临界点，并标到温度-成分坐标图中。成分坐标图中。（3） 连接具有相同意义的点。连接具有相同意义的点。 相图分析相图分析：液相线：液相

39、线 固相线固相线 L L L+ L+ 结晶过程结晶过程 （LL+LL+a a a a） 两平衡相的成分两平衡相的成分:液相的成分沿着液相线变化，固相的液相的成分沿着液相线变化，固相的成分沿着固相线变化。成分沿着固相线变化。三铁碳合金相图及应用三铁碳合金相图及应用铁碳合金相图铁碳合金相图几点说明：几点说明：（1）实际是）实际是Fe-Fe3C相图相图（2）字母标识固定）字母标识固定（3）是平衡状态图，是在极缓慢条件下测定的。）是平衡状态图，是在极缓慢条件下测定的。1. Fe-Fe3C相图的组元相图的组元 1) Fe组元组元 强度低、硬度低、韧性、塑性好强度低、硬度低、韧性、塑性好-Fe -Fe d

40、-Fe912 1394 （体心）（体心）（体心）（体心）（面心）（面心）同素异构转变同素异构转变纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线2) Fe3C （ Cem， Cm）熔点高，硬而脆，塑性、韧性为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性为零。网状网状层片状层片状大片状大片状球状球状2. Fe-Fe3C相图中的相相图中的相T()T()A AG GQ QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F

41、+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C铁碳合金状态图铁碳合金状态图0.450.45四个基本相：液相（四个基本相：液相（L），），铁素体铁素体 F，奥氏体奥氏体 A A，渗碳体渗碳体Fe3C 1) 液相液相L2) 铁素体铁素体( (F或或）（C C固溶到固溶到-Fe-Fe中）中） 晶格类型：体心立方晶格类型：体心立方溶解度：室温：溶解度：室温：C%=0.0008%C%=0.0008%；727727：C%=0.0218%C%=0.0218%）性能：强度、硬度低、塑性好性能：强度、硬度低、塑性好3) 奥氏体（奥氏体（A或或） （C C固溶到固溶到-Fe-Fe中）中）晶格类型：面心立方晶格类型

42、：面心立方溶解度：溶解度：11481148度：度：C%=2.11%C%=2.11%，存在温度：，存在温度：727727之上之上性能：强度低，易塑性变形性能：强度低，易塑性变形4) 渗碳体（渗碳体（Fe3C） （C%=6.69%C%=6.69%）片状、网状、条状、粒状片状、网状、条状、粒状3 3、相图分析（重要点和线的意义）、相图分析（重要点和线的意义） A, G, D液相线（液相线（ACD）固相线（固相线（AECF） C 共晶点，共晶点， ECF 共晶线共晶线共晶反应：共晶反应：L4.3 A2.11+Fe3C1148共晶体共晶体：莱氏体：莱氏体 (Le)T()T()A AG GQ QE EC

43、CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C铁碳合金状态图铁碳合金状态图0.020.02(3) S 共析点，共析点， PSK 共析线共析线共析反应：共析反应：A0.77 F0.02+Fe3C727共析体共析体：珠光体：珠光体 (P)珠光体的强度较高，珠光体的强度较高，塑性、韧性和硬度介塑性、韧性和硬度介于于Fe3C和和F之间之间T()T()

44、A AG GQ QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C铁碳合金状态图铁碳合金状态图0.020.02珠光体珠光体(4)溶解度曲线溶解度曲线： ES，PQES线线: 碳在碳在奥氏体奥氏体中的溶解度曲线。中的溶解度曲线。 随温度降低随温度降低, 析出二析出二次渗碳体次渗碳体Fe3CIIPQ线线: 碳在铁素体碳在铁素体中的溶解度曲

45、线。中的溶解度曲线。随温度降低随温度降低, 析出三析出三次渗碳体次渗碳体Fe3CIII铁碳合金状态图铁碳合金状态图T()T()A AG GQ QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C铁碳合金状态图铁碳合金状态图0.020.02网状网状Fe3CII(5) 同素异构转变线：同素异构转变线：GS A FT()T()A AG GQ

46、QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C铁碳合金状态图铁碳合金状态图0.020.024 4、基于、基于Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的相图的Fe-CFe-C合金分类合金分类 钢钢（0.0218%0.0218%C%C%= 2.11% 2.11%）亚共析钢亚共析钢: （0.0218%0.0218% C%C%0.77% %共

47、析钢共析钢: C%C% =0.77%过共析钢过共析钢: 0.77%C%0.77%C%= 2.11% 2.11% 铸铁铸铁2.11%C%2.11%C%6.69%6.69% 亚共晶铸铁亚共晶铸铁: 2.11%C%4.3%2.11%C%4.3% 共晶铸铁共晶铸铁: C%C% = 4.3%过共晶铸铁过共晶铸铁: 4.3 %C%6.69%4.3 %C%6.69%工业纯铁工业纯铁 (C%=(C%1%， Fe3CII呈连续网状分布在晶界处，强呈连续网状分布在晶界处，强度性能度性能 7、Fe -Fe3C 相图的应用相图的应用1) 选材方面选材方面2) 铸造工艺铸造工艺3) 锻压工艺锻压工艺4) 热处理工艺热处理工艺1. 碳钢的分类