材料与成形PPT学习教案

1、会计学1材料与成形材料与成形拉伸试验l 0lS 0S拉伸前拉断后b 缩颈点seesbe - 最大弹性变形时的应力s - 开始塑性变形时的应力b - 拉断前所承受的最大应力应力 （MPa）应变（%）刚度- 材料抵抗弹性变形的能力。用弹性 模量E（弹性范围内，应力与应变的比例） 表示（E=tg），E越大刚性越好。拉伸试样拉伸曲线屈服点k 拉断点第1页/共196页 对那些没有明显屈服现象的材料，一般规定以试样产生0.2%残余伸长率时的应力作为其屈服强度，称为条件屈服强度0.2应变（%）应力 （MPa）0.2%0.2第2页/共196页2.塑性 延伸率 - 试样断裂前后的长度变化率。 断面收缩率 - 试

2、样断裂前后的面积变化率。在外力作用下，材料产生塑性变形而不发生断裂的能力。l l 0l 0 = 100 %=S 0 S 100 %S 0第3页/共196页4321例题：图示1-4为四种不同材料的应力-应变曲线， 请比较这四种材料的抗拉强度、屈服强度、 刚度和塑性。应力 应变 12第4页/共196页4321应力 应变 0. 20. 2s3s20. 2b1b2b3b4 抗拉强度：2 1 3 4（根据拉断前的最大应力） 屈服强度：1 3 2 4（根据屈服点或条件屈服点）第5页/共196页4321应力 应变 1423 塑性：3 2 4 1（根据断裂时的应变 ） 刚度：1 3 2 4（根据弹性模量 E）

3、 直线斜率总=弹+塑= 塑此方法为错误的第6页/共196页4321应力 应变 塑性：3 2 4 1（根据试样的延伸率）刚度：1 3 2 4（根据弹性模量 E） 直线斜率总=弹+塑= 塑1234第7页/共196页3.硬度布氏硬度： 用淬火钢球或硬质合金球作压头，以压痕直径来衡量材料硬度。 压痕大，不适宜测薄片或成品，主要用于测较软的原材料、半成品的硬度，如有色合金、软钢、铸铁等。 注意：压头为钢球时表示成数字+ HBS ，如450HBS， 用硬质合金球时表示为数字+ HBW ，如650HBW洛氏硬度： 用金刚石圆锥或淬火钢球作压头，以压痕深度来衡量材料的硬度 。FF材料抵抗更硬物体压入的能力。第

4、8页/共196页 由压头和载荷的不同，洛氏硬度分成 HRA、HRB、HRC三种，以HRC应用最广。 洛氏硬度压痕小，不损伤工件，常用于测硬材料、薄试样及成品零件。标尺标尺压头类型压头类型总载荷总载荷(N)应用范围应用范围HRA120金刚石圆锥体金刚石圆锥体588.4 硬质合金、表面淬火硬质合金、表面淬火层、渗碳钢层、渗碳钢HRB 1.588mm淬火钢球淬火钢球980.7 有色金属、退火钢、有色金属、退火钢、正火钢正火钢HRC120金刚石圆锥体金刚石圆锥体235.4淬火钢、调质钢淬火钢、调质钢三种洛氏硬度的试验规范和应用范围第9页/共196页 维氏硬度： 用136度金刚石四棱锥作压头。 维氏硬度

5、法载荷小、压痕浅，可测量各种软硬程度的材料，但测量过程较麻烦。主要用于测极薄的表面硬化层、金属镀层及薄片金属的硬度。 另外，强度和硬度都能反映材料抵抗塑性变形的能力，两者之间有一定的关系，可近似换算： 低碳钢轧材或锻件：b 0.36 HB； 灰铸铁件： b 0.1 HB； 高碳钢轧材或锻件：b 0.34 HB； 铸铝件： b 0.26 HB； 调质合金钢： b 0.325 HB特别提醒：不同硬度试验法所获得的硬度值是不能直接进行比较的，必须通过换算成同一硬度指标后才能比较。第10页/共196页课堂练习题:1.某工厂欲制造一批钢制拉杆，此拉杆的最大 工作应力为350MPa，且工作时不允许产生明

6、显的塑性变形。工厂仓库中有一种钢材，将 其制成直径为d0 = 10 m m 标准拉伸试样后进行 拉伸试验，测得 Fs = 21500 N，Fb = 35100 N。 试判断该钢材是否适合做拉杆？为什么？2.请判断下列说法是否正确：材料的强度越高就越不容易变形。因此和高 强度材料相比，低强度材料一定会变形。硬度高的材料，其强度和刚度也一定会大。弹性模量大的材料，其弹性极限就高。第11页/共196页4.冲击韧度 通常采用一次摆锤冲击弯曲试验进行测定，用摆锤冲击缺口试样时单位截面所消耗的冲击功k 表示冲击韧度。 材料抵抗一次或数次大能量冲击的能力。k =G（H - h） S其中：G -摆锤质量, K

7、gS -试样缺口处原始截面积, cm2摆锤缺口试样第12页/共196页! ! ! 材料的冲击韧度主要取决于塑性，并与温度 密切相关。 二次世界大战中，美国建造了约5000艘全焊接“自由轮”，然而在1942年1946年之间有1000艘船舶发生破断，1946年1956年之间有200艘发生严重折断。1943年1月美国的一艘T-2y油船停泊在装货码头时断裂成两半截，当时计算的甲板应力水平仅为7 Kgf/mm2，远远低于船板钢的强度极限。为什么会断裂呢？ 通过在不同温度下对材料进行冲击试验，结果表明:材料的冲击韧度值随温度的降低而减小，当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆

8、性状态。第13页/共196页冷脆- 材料在某一低温范围内，冲击韧度急剧下降，由 塑性状态变为脆性状态的现象。冷脆转变温度- 材料发生冷脆现象的温度范围。 其数值愈低，表示材料的低温抗冲击性能愈好。铜、铝、镍等面心立方结构金属不存在“冷脆”。温度k冷脆转变温度第14页/共196页 一般用应力与循环次数曲线（如图） 上应力与横坐标平行时的应力值表示 可经无数次循环而不断裂的疲劳强度。 对不出现水平段的材料，工程上则规 定达到一定循环次数（钢107，有色金 属108）仍不发生断裂的最大应力值为 其疲劳强度。5.疲劳强度 用材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致发生断裂的最大应力 -1表示。 -1NN

9、材料在无数次重复或交变载荷作用下不产生断裂的能力。第15页/共196页6.断裂韧度材料有裂纹存在时抵抗脆性断裂的能力。 断裂韧度通常用材料的应力强度因子KI的临界值KIC来描述。即： KIC = 当材料内部存在宏观裂纹时,往往会由于裂纹的失稳扩展而使制件即使在远低于许用应力的条件下工作，也会产生无明显塑性变形的断裂，即低应力脆断。这是因为裂纹尖端附近的应力集中造成的。KI = 应力强度因子N-2/3 mmmm( N ).23-max第16页/共196页7.高温蠕变 材料在高温环境下，长时间承受恒温、恒应力（远远小于该温度下的屈服强度s ）而产生缓慢塑性变形甚至断裂的现象。 一般而言，材料的强度

10、、刚度、硬度等指标将随温度的升高而降低，只有塑性会变好。因此在对高温下工作的零件选材时应适当提高对强度和硬度的要求。然而许多高温下工作零件的应力松弛甚至断裂却更多地是由于蠕变而造成的，故高温零件应选用高温蠕变性小的材料。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变。第17页/共196页1-3 固体材料的结构材料的宏观性能是由其微观结构所决定的分子是保持物质基本化学性质的最小微粒, 而分子又是由原子组成的组成分子的原子的种类、数目、排列方式 及原子间的相互作用决定了分子的性质第18页/共196页 结合键又称为化学键，是指分子中各原子之间的相互作用。1、几种典型的结合键 离子键 - 金属原子失去价电子

11、成为正离子， 非金属原子获得价电子成为负离子， 这种由正、负离子相互作用而产生 的强大键合力称为离子键。 大多数由金属和非金属结合形成的盐类、碱类和金属氧化物是以离子键结合的。 -一、固体材料的结合键 - - - - - + + + + + +第19页/共196页 共价键 - 原子间通过形成共用电子对而产生 的结合键。是由相同原子或性能相 近的原子组成分子时采用的原子结 合方式，如金刚石、碳化硅等。 金属键 - 金属原子的外层价电子脱离原子， 形成金属正离子和共用电子云。 这种由正离子和电子云的相互吸 引而形成的结合键称为金属键。 分子键 - 分子之间通过一个分子的负电性 部分与另一个分子的正

12、电性部分 相互吸引而产生的结合键。 + + + + + + + + +第20页/共196页2、工程材料的结合键与性能金属材料 -以金属键为主。 高硬度、高强度、高熔点，良好的塑性、导电、导热性及大密度有机高分子材料 -分子内共价键,分子间分子键。 不高的强度和硬度，低的熔点和耐热性，密度小，耐蚀和绝缘性好陶瓷材料（无机材料）-离子键或共价键为主。 硬而脆，高熔点，耐热、耐蚀性好，绝缘好复合材料 -取决于组成物的结合键。第21页/共196页二、金属材料的显微结构 固态物质按原子聚集状态分为晶体和非晶体。 晶体 - 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。 非晶体 - 原子呈现无规律、无次序的堆积

13、。 绝大多数的固态金属和合金都是晶体。 金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；温度升高，正电荷热振动振幅增加，电阻增大，电阻温度系数增大，使金属具有正的温度系数；1、金属键及金属的特性第22页/共196页自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结合，使金属具有良好的塑性。晶格-将晶体中的每一个原子假设成一个几何 点，忽略其尺寸和重量，

14、再用假想线把 这些点连接起来，所得到的一个表示金 属内部原子排列规律的抽象的空间格子。 2、晶格、晶胞和晶格常数晶胞-反映晶格特征的最小几何单元。第23页/共196页 （a）原子排列模型（b）晶格（c）晶胞 晶格常数-反映晶胞大小、形状的参数。 如棱边长度a、b 、c(以 A 为单位，1 A =10-10 米)和棱间夹角、 等。第24页/共196页3、晶向和晶面晶向-晶体中，任意二个原子之间的连线称为 原子列，连线所指方向称为晶向。晶向通常采用晶向指数u v w表示即以晶胞的某个顶点为坐标原点，以晶胞的3条棱边为坐标轴,以棱边长度为单位长度。过原点作一平行于待定晶向的有向线段，其上任一点的座标

15、值化为最简整数后即为晶向指数。 如左图中红色线段的座标值X=1，Y=1/2,Z=0，则其晶向指数为210 而绿色线段的座标值X=0，Y=1,Z= -1,则其晶向指数为011210 110011第25页/共196页晶面-晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即根据 晶面与3个坐标轴的截距来决定晶面指数。通常选晶胞中 不在所求晶面上的某个顶点为坐标原点(不出现零截距)， 以晶胞3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；取晶面的 三坐标截距值的倒数，并化为最简整数即为其晶面指数。 晶面的方位通常采用晶面指数( h k l )表示。 如上图中绿色晶面与3个坐标轴的截距为1

16、、1、1/2，其晶面指数为（112）。第26页/共196页 ! ! ! 需要注意的是： 所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。 如果晶向相反，则它们的晶向指数的数值相同， 符号相反； 所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。 晶面指数的数值相同而符号相反，表示这两个 晶面，如（100）与（100）平行地分布在坐标 原点的两边。 第27页/共196页 体心立方晶格 -晶胞形状为立方体，8个顶点及体 心各有1个原子(1个晶胞2个原子)，晶格常数 = b = , = = =90。属于此类晶格的金属有铬、钼、钒、 钨、-铁等。具有相当高的强度和塑性。4、常见的晶格类型及其致密度ca第28页/共196

17、页 面心立方晶格 -晶胞形状为立方体，8个顶点及6 个表面的中心各有1个原子(1个晶胞4个原子)，晶格常 数 = b = , = = =90。属于此类晶格的金属有金、 银、铜、铝、镍、 -铁等。具有较好的塑性而且低温 下不会发生冷脆。ca第29页/共196页 密排六方晶格 -晶胞形状是一个六方柱体。柱体 的12个顶点及上、下底面中心各有1个原子，柱体中心 还有3个原子(1个晶胞6个原子)。属于这类晶格的金属 有镁、锌、铍、镉等。塑性一般较差。第30页/共196页致密度-晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。 ？体心立方、面心立方及密排六方晶格的 致密度为多少？ 提示: 先按原子排列最紧密的晶向推算

18、出原子半径与 晶格常数的关系，再计算一个晶胞中原子所占 体积以及晶胞的体积。 如体心立方晶格中，原子排列最紧密的晶向为111，可以推出：原子半径 r=343a第31页/共196页理想晶体是单晶体 结晶结构和 位向完全一致的晶体。 单晶体一般性能呈现各向异性，须用特殊手段制取。 实际金属是多晶体 由许多结构相同 但位向不同的小晶体所构成的晶体。 多晶体一般呈现各向同性(又称为伪各向同性，即各晶粒因位向不同而将各向异性抵消，使各向性能趋于相同)晶粒晶界5、实际金属的晶体结构第32页/共196页实际金属有晶格缺陷 原子排列规则受到破坏， 出现与理想结构的偏差点缺陷：间隙原子、 置换原子、 晶格空位

19、晶格缺陷分为点缺陷、线缺陷、面缺陷 所有的晶格缺陷都将导致其周围的晶格发生畸变，从而引起金属的力学性能、化学性能等发生显著的变化。一般而言，晶格缺陷越多，强度、硬度越高。 第33页/共196页线缺陷：位错（一列或多列原子发生错排）面缺陷：晶界或亚晶界上的晶格畸变晶界亚晶界晶粒与晶粒之间的交界面 在同一晶粒内，略有位向差的小晶块之间的边界第34页/共196页 如NaCl是以离子键结合的离子晶体；金刚石是以共价键结合的共价晶体；塑料、橡胶等则是高分子晶体（分子内共价键，分子间分子键）。非金属材料有些是晶体，有些是非晶体。三、非金属材料的结构 而普通玻璃、松香等都是非晶体。由于非晶体的原子或分子的排

20、列状态类似于液体，故又被称为“被冻结的液体”。微晶玻璃（钢化玻璃、晶态玻璃）第35页/共196页1-4 金属的结晶一、有关结晶的几个概念二、金属的结晶过程三、结晶后的晶粒大小五、金属铸锭的组织形态四、金属的同素异构转变第36页/共196页一、有关结晶的几个概念1.结晶-液态金属凝固成为原子有规则排列的 晶体的过程。2.冷却曲线-液态金属从高温冷却至室温的过 程中测得的温度-时间变化曲线。 温度 无限缓慢冷却时 温度 实际冷却时 T0 T 时间 时间第37页/共196页3.理论结晶温度T0-在无限缓慢冷却条件下的 平衡结晶温度。4.过冷现象及过冷度过冷现象-实际冷却条件下，实际结晶温度总 是低于

21、理论（平衡）结晶温度的现象。过冷度-理论结晶温度与实际结晶温度的差值。过冷度与冷却速度的关系： 冷却速度越快，过冷度T越大。第38页/共196页二、金属的结晶过程结晶=晶核形成+晶核长大 通常情况下，晶核形成后的晶核长大方式是呈树枝状的长大，即首先沿散热条件最好的晶核棱角处快速生长形成主干（一次晶轴），同时又不断地生出新的分枝，直至液体全部消耗殆尽。 一般结晶完毕后，这种树枝晶形态并不显露，但在铸锭组织中较为明显。第39页/共196页 根据结晶过程分析，若形核速度快于生长速度，则结晶后的晶体晶粒细密，力学性能较好；而若形核少、生长快，则易得到粗大的晶粒，造成力学性能的下降。三、结晶后的晶粒大小

22、 金属结晶后的晶粒愈细，晶界面积就愈大,意味着晶体缺陷就愈多，则对金属力学性能的影响愈大。一般情况下，细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性都比粗晶粒组织好。第40页/共196页 细化晶粒的方法：1.增大冷却速度以提高过冷度，可细化晶粒。 如铸造时用金属型代替砂型，加快冷却。2.通过变质处理（孕育处理）增加晶核数，可 细化晶粒。匀质晶核（自发晶核）异质晶核（人工晶核） 3.结晶时外加振动（机械、超声波、电磁）破 碎大晶粒，获得细晶组织。第41页/共196页四、金属的同素异构转变 固态物质随温度不同而改变其原子排列方式，得到不同晶体结构的现象称为同素异构转变，又称为重结晶。纯铁的同素异构转变过程：

23、912 1394 -Fe -Fe -Fe (体心立方） （面心立方） （体心立方）具有同素异构转变特性的金属（如Fe、Co、Sn、Mn等）可以通过热处理来改变组织和性能。液态铁1538结晶重结晶重结晶第42页/共196页五、金属铸锭的组织形态 生产中应用的金属材料，无论是板材、棒材，还是线材，其原始的状态一般都为锭材，即将液态金属浇入铸模或铸型中冷却结晶而成的。铸锭的组织形态将直接影响材料的性能。1-表面细晶1232-内层柱状晶 铸锭组织示意图3-中心粗大等轴晶第43页/共196页1-5 二元合金一、有关合金的几个概念二、合金的晶体结构三、二元合金相图第44页/共196页一、有关合金的几个概念

24、合金-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有金属特性的物质。元-组成合金的元素或稳定化合物叫组元，简称元。相-成分相同、结构相同，并与其它部分以界面分开 的均匀物质部分。组织-由一个或多个相按一定方式相互结合所构成的， 具有相同形貌特征的整体。 固态合金的晶格结构按其基本的相属性来分，可以分为固溶体和化合物两大类。第45页/共196页二、合金的晶体结构1.固溶体-(少数)溶质原子溶入(多数)溶剂原子 的晶体结构中所形成的合金相。 固溶体仍将保持溶剂金属的晶体结构，但晶格参数发生改变。 间隙固溶体： 置换固溶体： 固溶强化-固溶体形成时，因溶质原子钻入溶剂原子的间隙或置换溶

25、剂原子而引起晶格畸变，造成合金强度、硬度提高的现象。溶剂原子直径溶质原子直径 0.59 时形成。是有限固溶体溶质和溶剂原子大小接近时形成。有限互溶或无限互溶，温度越高，溶解度越大。第46页/共196页2.金属化合物-两组元都放弃自身的原子排列方 式而形成的一种具有全新晶体结 构的新物质。 化合物一般具有复杂的晶格，熔点高，硬而脆。3.机械混合物-由固溶体和金属化合物均匀混合 而成的物质。 机械混合物可以将固溶体的柔软和化合物的硬脆进行不同程度的中和，从而满足不同的性能要求。所以，工业中使用的合金都希望有相当比例的机械混合物存在。 *另外，固态合金的晶格结构还可按其组织属性来分，将分为固溶体、化

26、合物和机械混合物三大类。第47页/共196页三、二元合金相图1.几个基本概念：二元合金-由两种组元组成的合金。合金系-组元相同但配比不同的系列合金。 如Cu-Ni系、Pb-Sn系等。相平衡-合金系中各相的成分、结构和相对量 趋于稳定，不再发生变化的状态。相图-表达平衡条件下，合金系中温度、成分 和相组织之间关系的图形。又称为合金 状态图。 第48页/共196页自由度-保持相平衡时，合金体系中可独立改 变的因素数目（如温度、压力、相的 成分等）。 如自由度为0，表示温度、压力、相成分都不能独立改变，否则会引起平衡相的改变；自由度为1，表示只能改变三者之一而不影响平衡相；依此类推。在只考虑温度影响

27、时，相律表达式为： FCP 1其中: F 体系的自由度数； C 体系中独立组元数； P 相数； 相律表达式-表示在平衡条件下，独立组元数、 相数和自由度三者之间的关系式。第49页/共196页2.相图的作用：分析各种类型、各种成分的合金在不同温度下 的组织形态，从而比较各自性能的差异。分析某种合金从高温冷却到室温时的组织转变 过程。为研制新材料，或在生产中制定合金熔炼、铸 造、锻压、焊接、热处理等工艺方案提供理论 依据。 应用相律可知体系中最多能共存的平衡相数。如单元系C1，F1P12P，故最多是两个平衡相共存。二元系C2，F2P13P，最多三个平衡相共存。第50页/共196页3.相图的建立方法

28、（以Cu-Ni合金为例）：配制若干组不同成分的合金；（如100% Cu、25% Ni、50% Ni、75% Ni、100% Ni）在极其缓慢的冷却条件下，测出每组合金的冷 却曲线；在冷却曲线上找到临界相变温度（转折点和平 台处的温度）；将不同成分合金的相变温度标注在温度-成分坐 标图上，并将相同意义的点连接起来。第51页/共196页 100% Cu 25% Ni 50% Ni Cu 25% 50% 75% Ni冷却曲线Cu-Ni相图第52页/共196页4.二元合金相图的种类 匀晶相图：两组元在液态、固态均无限互溶 如前面提到的Cu-Ni合金相图以及Cu-Au、 Au-Ag等 L L+ LL+A

29、BB(%)B熔点液相线固相线LLA熔点第53页/共196页 a L b L+ c L+ d e A 共晶相图：两组元在液态无限互溶，固态时有 限溶解，并发生共晶转变。共晶转变-一个液相同时结晶出两个固相的过程。共晶转变式：Lc d + e脱溶转变式：d f + e g + + + 共晶体+ +(+) + +(+)（ +）fgB液相线：ac和bc 固相线：ad和be 共晶线：dce 脱溶线： df和ega点-A熔点b点-B熔点c点-共晶点d点-B在A中的最大溶解度 e点-A在B中的最大溶解度f 点-B在A中的室温溶解度 g点-A在B中的室温溶解度第54页/共196页室温平衡组织和平衡相L亚共晶共

30、晶过共晶共晶合金的室温平衡组织: (+)亚共晶合金的室温平衡组织: + + (+)过共晶合金的室温平衡组织: + + (+) 先共晶相、（又称为初晶、一次晶）是直接从液相中生成的，形成温度较高，故晶粒粗大，一般呈树枝状或颗粒状；共晶体(+)为均匀的层片状；而和是由于固溶体的溶解度降低而从、中析出的，形成温度较低，因而呈细小颗粒状分布在固溶体（或）晶粒内或呈网状分布在固溶体（或）晶界上。相（晶格）： 两相、 组织（形貌）：五个组织 、 、+第55页/共196页LL+L+ABabcdefg合金合金合金冷却曲线和组织转变过程合金 冷却曲线和组织转变过程+ （+） + +(+)LL+LL例1: 利用相

31、图分析合金、的组织转变过程， 并绘制冷却曲线。LL+ L( + )+ +(+)LLL( + )( + )( + )共晶反应组织转变过程第56页/共196页LL+L+ABabcdefg合金合金+ （ +） + +(+)L(+)LLLL + 共晶L( + ) +(+)L LL ( + )( + ) ( + ) L( + )(+)(+)合金 冷却曲线和组织转变过程合金冷却曲线和组织转变过程第57页/共196页共晶相图的几种形式LLL( a ) A、B两组元在液态无限互溶，固态时A有限溶于B、 B也有限溶于A；其间有共晶转变发生。( b ) A、B两组元在液态无限互溶，固态时A不溶于B、 B有限溶于A

32、；其间有共晶转变发生。( c ) A、B两组元在液态无限互溶，固态时A有限溶于B、 B不溶于A；其间有共晶转变发生。( a )( b )( c )第58页/共196页 L L+ a b d c e + A f g B 共析相图：两组元在固态时发生共析转变。共析转变-一个固相同时析出两个新固相的过程。共析转变式：c d + e脱溶转变式：d f + e g + *共析反应是在固态下进行的，原子扩散较困难，易达到较大 的过冷度，形核率高，故共析组织要比共晶组织细得多。第59页/共196页 包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态时有 限溶解，并发生包晶转变。包晶转变-一个液相与一个固相形成另一个固相的

33、 过程。J L+ 包晶转变式： LB + H J+ L+ LBHLL+ L+LLL第60页/共196页5.杠杆定律 合金在某温度时处于两相平衡状态，其两相的相对量（质量百分比）可用杠杆定律求出： A B L L相质量百分比: 相质量百分比: O点-合金成分 A点-此温度下L相成分点 B点-此温度下 相成分点 L =OBAB100% =AOAB100%温度线 0第61页/共196页合金成份(20Kg铜+30Kg镍): Ni= 60 % 或 Cu= 40 % 两相成份(直接在图上读出): 液相L(Ni)= 45 % 固相(Ni)= 80 % 两相的质量比(由杠杆定律求出): 或写成比数L: =(8

34、0-60):(60-45)=4:3L804560例1: 书上77页第9题4580NiCuL=80-6060-45=43第62页/共196页两相的相对质量(由杠杆定律求出) 注意:相对质量也称为质量百分数,一定要用百分数表达 各相的质量 WL =57.14% * 50 = 28.57 Kg W =42.86% * 50 = 21.43 Kg 注意：质量是绝对质量，用代号W或M都可以，结果不要用分数80456080-6080-45=57.14%L=L=60-4580-45=42.86%第63页/共196页例2：请根据教材26页的Pb-Sn相图, 分析在下列温 度时，Sn=30%的合金有哪些相? 哪

35、些组织? 它们的相对质量百分数是否可以用杠杆定律 计算？是多少？（1）冷到300；（2）刚冷到183，共晶转变尚未开始；（3）冷到183，共晶转变正在进行中；（4）共晶转变刚结束，温度仍在183；（5）冷到室温20。第64页/共196页标注相组成物的Pb-Sn相图标注组织组成物的Pb-Sn相图（1）冷到300时，只有1个L相， 也只有1个L组织。不必用 杠杆定律计算，即可知： L=100%（2）刚冷到183，共晶转变尚 未开始时，有2个相，即L 相和相；也有2个组织， 即L组织和组织 。可用 杠杆定律计算： 解答： L613019L30-19100%= 26.2%=61-19 =1- 26.2

36、%=73.8%第65页/共196页标注相组成物的Pb-Sn相图标注组织组成物的Pb-Sn相图（3）冷到183，共晶转变正在 进行中，相是L、 、混存， 组织是L、(+ ) 混存， 无法用杠杆定律计算。（4）在183刚刚完成共晶转变 时，相组成是 、，组织 组成是、 (+ )，都可 用杠杆定律计算： 97301997-30100%= 85.9%=97-19 相= 1-85.9% = 14.1% 613019组织()+ =73.8%61-1961-30=100%(+)= 26.2%，第66页/共196页标注相组成物的Pb-Sn相图标注组织组成物的Pb-Sn相图（5）冷到室温20 时，相组成 是 、

37、 ，组织组成是 、 、 (+ ) 。99302= 71.1% 相， = 28.9%组织301961(+ ) (+ )30-19=61-19100%= 26.2% 19299=99-1999-2(1-26.2%)= 60.9%=19-299-2(1-26.2%)=12.9%第67页/共196页例3:已知A与B二组元在液态时无限互溶，A熔点为650，B熔点为560；在320时，A溶于B的最大溶解度为31%，室温时为12%，但B不溶于A；在320，含42%B的液态合金发生共晶反应，试： 作出A-B的合金相图； 分析 A =25%合金的结晶过程,画出冷却曲线, 指出此合金在室温时的相组成物和组织组成

38、物有哪些？并计算各相、各组织的相对质量 （质量百分数）为多少? 指出 B =20%合金在刚刚完成共晶转变时的 组织组成物，并计算各自的质量百分数。第68页/共196页LL+L+ A + ALL+ AAB31%A12%A42%BA75-0100% A =1-85.23% =14.77% A =25% 合金室温时相组成： 、A ； =88-0= 85.23% A65056032088750 此合金室温时组织组成： 、A =85.23% A =14.77% （杠杆同上, 不必再计算） 合金相图如下A =25%B =75%第69页/共196页6.相图与性能的关系（自学教材29页） B =20% 合金在

39、刚刚完成共晶转变时组织组成： A 、（A+ ）42%BABA （A+） （A+）A4220031%AA42-20100%42-0= 52.38%= （A+）=1- 52.38%=47.62%B =20%第70页/共196页1-6 铁碳合金一、铁碳合金的基本相和基本组织基本相（5个）：L、 、 、 Fe3C (1) L相-铁与碳的液溶体。 (2)相-碳在-Fe中的固溶体,最大溶解度C=0.09% 又称为高温铁素体。(3)相-碳在-Fe中的固溶体,最大溶解度C=2.11% 又称为奥氏体。(4)相-碳在-Fe中的固溶体,最大溶解度C=0.0218% 又称为铁素体。(5) Fe3C相-Fe和C形成的稳

40、定化合物相,其C= 6.69%第71页/共196页（1）铁素体F-碳溶于-Fe中形成的固溶体。 *F中碳的最大溶解度为0.0218%，F塑性、韧性好（2） 奥氏体A-碳溶于-Fe中形成的固溶体。 *A中碳的最大溶解度为2.11%，A硬度低、塑性好 （3） 渗碳体Fe3C-Fe与C形成的间隙化合物。 * Fe3C的 c=6.69%， Fe3C性能硬而脆 * 从L中析出的称为Fe3CI；从A中析出的称为Fe3CII；从F中析出的称为Fe3CIII基本组织（10个)：L、 F、 A 、Fe3CI、 Fe3CII 、Fe3CIII 、 P 、 、 LdLd第72页/共196页（4）珠光体P-由 c=0

41、.77%的A共析生成的F与 Fe3C的机械混合物。 * P中F与Fe3C一般呈片状分布， 经特殊处理后可得到球状P。 P的强度、硬度较好，塑性一般。（5）莱氏体高温莱氏体Ld-由c=4.3%的液体共晶 生成的A和Fe3C的机械混合物。低温莱氏体Ld-c=4.3%的Ld冷到室温 后形成的P和Fe3C的机械混合物。Fe3CF片状P球状P第73页/共196页1.以相组成物标注的Fe-Fe3C相图L Fe3CL+ + +Fe3C L+ Fe3CL+ 11487270 .02180 . 772 . 114 . 36 . 69二、铁碳合金状态图（ Fe-Fe3C相图）FeFe3C +Fe3C 第74页/共

42、196页2.以组织组成物标注的Fe-Fe3C相图LAPLdLdFe3CL+A F+AF+P A + Fe3C P + Fe3CA +Fe3C + LdLd+ Fe3CP +Fe3C + LdLd+ Fe3CL+ Fe3CFF+ Fe3CL+ A 11487270 .02180 . 772 . 114 . 36 . 69第75页/共196页根据含碳量和组织的不同，铁碳合金分为三类：工业纯铁：平衡组织为铁素体及少量三次渗碳体钢白口铸铁亚共析钢：室温平衡组织为铁素体+珠光体共析钢：室温平衡组织为珠光体过共析钢：室温组织为珠光体+二次渗碳体亚共晶白口铸铁：P+ Fe3C +Ld共晶白口铸铁: Ld过共

43、晶白口铸铁: Ld+ Fe3C 工业纯铁钢白口铸铁6 . 692 . 110. 02180第76页/共196页3. Fe-Fe3C相图的学习要求相图的形态会默画特征点线数据要记牢 成分: 0.0218%、 0.77%、 2.11%、 4.3%、 6.69% F的最大碳量 共析成分 钢铁分界 共晶成分 Fe3C的碳量 温度：727、1148 共析温度 共晶温度区域组织会分析（仅记单相区）6种合金冷却曲线和组织转变过程 亚共析、共析、过共析、亚共晶、共晶、过共晶第77页/共196页会用杠杆定律计算两相区的组织相对量，并 比较性能：c1%时，随碳量的增加，硬度；强度 、塑性、韧性会写包晶、共晶、共析

44、转变式 包晶转变式：L 0.53 + 0.09 0.17 共晶转变式：L 4.3 2.11 + Fe3C 共析转变式： 0.77 0.0218 + Fe3C例1 : 根据相图画冷却曲线，分析组织转变（亚共析、共析、过共析、亚共晶、共晶、过共晶）第78页/共196页亚共析钢的平衡冷却曲线及组织转变过程亚共析钢室温平衡组织金相照片F P第79页/共196页a)共析钢的共析钢的平衡冷却曲线及组织转变过程共析钢室温平衡组织金相照片 P第80页/共196页过共析钢的平衡冷却曲线及组织转变过程过共析钢室温平衡组织金相照片 P Fe3C（网状）第81页/共196页a)3211223 31以上1-22-33以

45、下亚共晶白口铸铁的平衡冷却曲线及组织转变过程LFe 1 2 3 4 5 6 6.69温度( )LAALd亚共晶白口铸铁室温平衡组织金相照片 Ld P时间温度PLdc( % )（鱼骨状）第82页/共196页共晶白口铸铁的平衡冷却曲线及组织转变过程共晶白口铸铁室温平衡组织金相照片21 LdLd1以上L1-2Ld122第83页/共196页312过共晶白口铸铁的平衡冷却曲线及组织转变过程过共晶白口铸铁室温平衡组织金相照片 LdFe3CL1以上213 31-2LdFe3C22-3LFe3C3以下LdFe3C第84页/共196页例2.计算珠光体中F与Fe3C的相对百分含量FPFe3C0.02186.690

46、.77FFe3C解: 在珠光体中 =F6.69-0.776.69-0.0218 100 %=88.78%Fe3C=1-F=11.22%反过来,也可验证: =C88.78%0.0218%+11.22%6.69%=0.77%珠光体P中的第85页/共196页例3.说明下列各渗碳体的生成条件： 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、 共晶渗碳体、共析渗碳体。解: 一次渗碳体Fe3C : 液相中析出； 二次渗碳体Fe3C : 奥氏体A中析出； 三次渗碳体Fe3C : 铁素体F中析出； 共晶渗碳体: =4.3%的液相共晶反应产物； 共析渗碳体: =0.77%的A共析反应的产物。 C C第86页/共196页例

47、4.有c=1.15%的A铁块10Kg，缓慢冷却至 727以下，问： F 和 Fe3C 各有多少Kg？ P 和先共析 Fe3C 各有多少Kg？ 画出室温时的显微组织示意图， 并标明组织组成物。解: 可按相组成物计算: 6.69 - 1.156.69 0.0218WF =108.308 KgWFe3C=10 8.308 =-1.692 Kg即 F 有 8.308 Kg，Fe3C 有 1.692 Kg第87页/共196页可按组织组成物计算:WP =6.69 1.156.69 0.7710=9.358 KgWFe3C=10 9.358 =-0.642 Kg即 P 有 9.358 Kg，先共析 Fe3C

48、 有 0.642 Kg 室温时的显微组织 示意图如右所示:PFe3C 第88页/共196页三、碳量对铁碳合金组织和性能的影响 从铁碳相图可以看到，铁与碳形成合金时，含碳量的多少将直接影响Fe与C的原子结合方式，从而获得不同的组织和性能。 C极少时，Fe与C形成间隙固溶体 F 或 A； C超过溶解度后，Fe与C形成化合物 Fe3C，且随着C量的增加，不仅渗碳体的数量在增加，其存在形式也从分布在 F 基上（即 P）逐步变为分布在 A 的晶界上（即网状的Fe3C），最后发展到 Fe3C 作为基体出现在 Ld 中。第89页/共196页 对亚共析和共析钢来说，基体是F， Fe3C是作为强化相出现在P中的

49、。且随C，P，故材料强度、硬度就越高，塑性和韧性则有所下降。 而对过共析钢，分布在晶界上并连成网状的Fe3C使整个材料脆性增加，造成强度、塑性、韧性的下降。 对白口铸铁来说， 硬而脆的Fe3C作为基体出现，从而使整个材料的性能特别硬脆，难以切削加工，因此实际生产中很少应用此类材料。第90页/共196页第91页/共196页1-7 碳钢一、碳钢的分类 低碳钢按碳量分 中碳钢 高碳钢 含碳量小于2.11%的铁碳合金0.25 0.6 %低 中 高按用途分结构钢工具钢第92页/共196页 按质量分 普通钢优质钢高级优质钢按脱氧程度分沸腾钢镇静钢半镇静钢第93页/共196页二、碳钢的牌号 1.（普通）碳素

50、结构钢： Q235 - AF 屈服质量等级（A、B、C、D四级） A最差，D最好脱氧方式（F、Z、bZ、TZ） 碳素结构钢主要用于一般的工程结构（钢窗、钢筋等）和不太重要的机械零件及焊接件。s235MPa第94页/共196页 2.优质碳素结构钢： 45 数字代表碳量（c）的万分之几 优质碳素结构钢主要用于制造重要的机械零件。如 08、08F、10、10F 的冷轧薄板可制造仪表仪器的外壳和汽车、拖拉机的冲压件；15、20、25常制造尺寸小、负荷轻、表面耐磨、心部软韧的零件; 而40、45主要制造重要的受力和传递运动的零件; 55、60、65用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧。*专门用途应标出，如2

51、0g代表锅炉用钢*含锰较高也应注明, 如50Mn第95页/共196页 3.碳素工具钢（优质、高级优质）： T8 T8A 碳素工具钢的红硬性差，只能用于制造手工用的低速运动的刀具、量具、模具等。如T7、T8（T7A、T8A）用于制造受震动和冲击、要求高韧性的工具（凿子、锤子、冲头）； T10、T12（ T10A、T12A）用于制造不受震动但要求极高硬度的工具（锉刀、锯条、丝锥）。数字代表碳量（c）的千分之几工具高级优质第96页/共196页 4.铸造碳钢（铸钢）：ZG200-400 s b 用于制造形状特别复杂且受力较大，须铸造成形的钢质零件。 低碳铸钢具有良好的导磁性，常用于铸造电磁吸盘和电机壳

52、体等；中碳铸钢的综合机械性能好，广泛用于铸造重要的复杂机器零件，如轧钢机机架、机车机架、重型齿轮、减速机壳体等；高碳铸钢因韧性较差，很少应用。要求特别高的零件或工具可采用合金铸钢，如ZGMn13等。第97页/共196页一、铸铁的种类与应用按碳的主要存在形式（或断口颜色）分类: （1）白口铸铁碳主要以渗碳体形式存在于莱氏体中， 断口呈银白色。硬而脆，极少用作结构 材料，主要用作炼钢或生产铸铁的原料。（2）灰铸铁碳主要石墨形式存在，其断口呈暗灰色， 有一定的力学性能和良好的被切削性能， 普遍应用于工业中。（3）麻口铸铁碳以渗碳体+石墨混存。断口呈白+灰， 生产中很少采用。 1-8 铸铁（c2.11

53、%的铁碳合金）第98页/共196页按石墨的形状分类:(1)灰口铸铁在钢的基体（F、F+P、P）上分布 有片状石墨，断口呈暗灰色。力学性能比较低 （经孕育处理可提高），但铸造性能极佳（流 动性好，收缩小），并具有较好的减震性、吸 音性。用于制造机床床身、底座、减速器箱体、 泵体、阀体、气缸体等。（铸后去应力退火） *普通灰口铸铁: 粗片状石墨 *孕育灰口铸铁: 细片状石墨（铁水中加孕育剂）第99页/共196页(2)可锻铸铁在钢的基体（F、F+P、P）上分布 有团絮状石墨。是由白口铸铁经长时间的高温 石墨化退火而形成的，力学性能较好，特别是 韧性较高，并具有一定的耐腐蚀性。常用于制 造棘轮、链条、

54、制动器等承受冲击振动的薄壁 小零件及弯头、三通等管道件和阀门等。(3)球墨铸铁在钢的基体（F、F+P、P）上分布 有球状石墨。是在浇注前向铁水中加入孕育剂 和球化剂而形成的，强度高，是以铁代钢的重 要材料。用于制造载荷大、受力复杂的曲轴、 汽车齿轮等。（铸后退火、正火、调质等）第100页/共196页(4)蠕墨铸铁在钢的基体（F、F+P、P）上分布 有蠕虫状石墨。比灰口铸铁强度高，比球墨铸 铁铸造性、耐热性、抗疲劳性好。（铸后正火、 退火）(2)合金铸铁在铁水中添加某些合金元素，可得 到某种特殊性能，如加硅、铝、铬能提高耐热 性，加硅、铝、铬、铜、镍能提高耐腐蚀性。*耐磨铸铁 *耐热铸铁 *耐蚀

55、铸铁按化学成份分类:(1)普通铸铁: 以铁、碳为主，少量杂质第101页/共196页灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁(片状石墨)(团絮状石墨)(球状石墨)(蠕虫状石墨)第102页/共196页二、铸铁的石墨化过程铸铁中析出碳原子形成石墨的过程铁水中析出A中析出Fe3C分解 铁碳合金中，碳有两种存在形式，即化合态渗碳体和游离态石墨。对渗碳体形式存在的铁碳合金加热和保温，则渗碳体将分解为铁和石墨。所以，渗碳体只是一种亚稳定的相，石墨才是一种稳定的相。 描述铁碳合金的结晶过程一般用Fe-Fe3C与Fe-G（石墨）双重相图。实线为Fe-Fe3C相图；虚线为Fe-G相图第103页/共196页 铁碳合金石墨化

56、过程分高温、中温、低温三个阶段。高温石墨化：是指共晶温度以上结晶出一次石墨G以及 由共晶反应产生共晶石墨G晶的阶段；中温石墨化：是指在共晶温度至共析温度之间，从奥氏 体中析出二次石墨G的阶段；低温石墨化：是指在共析温度析出共析石墨G析的阶段。 在高温、中温阶段，碳原子的扩散能力强，石墨化过程比较容易进行；而在低温阶段，碳原子的扩散能力较弱，石墨化过程进行困难。 如果高温、中温和低温石墨化都没有实现，碳只能以Fe3C形式存在，将获得白口铸铁。如果高温、中温石墨化得以实现，碳将主要以 G 形式存在，获得灰铸铁。若仅仅实现高温石墨化，碳将以 G 和 Fe3C 两种形式存在，获得的铸铁称为麻口铸铁。第

57、104页/共196页1、影响石墨化的因素化学成分：C、Si促进石墨化，Mn、S阻碍石墨化冷速越慢（即铸件壁越厚），越有利于石墨化过程冷却速度：2、石墨化对铸铁基体组织的影响 石墨化越充分，基体中的C量就越少，即基体将从 PF+P F，从而使铸件的力学性能降低。 为获得灰铸铁铸件，同时又避免产生过多的、粗大的片状石墨，通常应将铁水的成分控制在c = 2.54.0，Si = 1.02.0，而将 S 限制在0.15以下。 第105页/共196页F基灰口铸铁F+P基灰口铸铁P基灰口铸铁铁素体可锻铸铁珠光体可锻铸铁F基球墨铸铁F+P基球墨铸铁P基球墨铸铁第106页/共196页举例：根据书中P.38页的图

58、1-47分析：用含碳 2%、硅 3%的铁水浇注图示阶梯形铸件，各部分的性能是否相同？15304050P基F+P基F基（最强硬）（最软）（适中）第107页/共196页10 20 30 40 50 60 70 7654（C+Si）%壁厚（mm）白口麻口P+G（石墨）F+G（石墨）F+P+G（石墨）第108页/共196页三、铸铁的牌号举例HT150灰口铸铁b不低于150MPaKTZ550-04可锻铸铁珠光体基（此处H-黑心，B-白心）b不低于550MPa不低于4%第109页/共196页QT600-3球墨铸铁b不低于600MPa不低于3%RuT380蠕墨铸铁b不低于380MPa第110页/共196页1

59、-9 钢的热处理 将钢在固态下进行不同方式的加热、保温和冷却，从而改变其内部组织，获得所需性能的工艺过程称为钢的热处理。 纯粹利用钢材的原始性能来满足对零件日益趋高的使用要求常常是不经济的，有时甚至是不可能的。 对同一种材料施以不同的热处理工艺获得截然不同的性能，可满足加工和使用要求。第111页/共196页 因此热处理的应用日益广泛，几乎80%的机械零件都要热处理，至于工具（刀具、量具、模具）和轴承则100%都要进行热处理,以延长零件的使用寿命。 一、热处理的基本概念 1.目的改善组织和性能2.机理固态相变（纯金属的同素异构转变、 合金的晶体结构改变）及原子扩散？钢烧红后放入水中急冷会变硬，紫

60、铜却不会第112页/共196页4.分类3.工艺过程加热+保温+冷却加热保温冷却普通热处理（整体热处理）表面热处理化学热处理形变热处理第113页/共196页5.过热和过冷过热-加热时高于平衡转变温度才发生相变过冷-冷却时低于平衡转变温度才发生相变*加热转变温度： Ac1、Ac3、AccmAc1Ac3Accm*平衡转变温度： A1、A3、Acm AcmA3A1*冷却转变温度： Ar1、Ar3、Arcm Ar3Ar1Arcm第114页/共196页二、钢加热时的组织转变（属于平衡转变）奥氏体化+奥氏体长大1.奥氏体的形成过程（=形核+长大）第115页/共196页*完全A化（加热至Ac3或 Accm 以