机械工程材料

1、机械工程学院、光机工程学院机 械 工 程 材 料（ 讲 义 ）韩志范材料科学与工程学院E-mail: hanzhifan20073绪 论一、 材料和材料科学1、 材料就是构成（制造）物品的原材料再我们的坐活领域、工业领域、科技领域应用了各种材料：陶瓷、金属、高分子及复合材料。特别是一些新材料： 高分子功能材料（有机高分子材料、无机高分子材料） 纳米材料 功能陶瓷材料制造一台机器需要很多种材料，例如：一艘现代化航空母舰使用了2000种材料一辆坦克、200、一辆汽车、100、 、 、 、一支钢笔、6种材料为什么要如此选择（不同的）材料呢？简言之：为了利用材料的不同性能（力学性能、物理性能、化学性能

2、）。那么，是否只要选择相同的材料集合（群体）便得到了相同的性能集合呢？否！例一：我国仿造汽车的历史：材料选择一样（成分化验易做到），另部件几何尺寸一样（精密测绘与精密加工可保证），但寿命低。其原因在于关键另部件的性能差别造成整机使用寿命差别。可见，相同的材料采用不同的加工工艺（非单纯的机加工）其性能不同。* 实例表演：同一根锯条一半脆，一半不脆（经退火处理）。而不同的材料采用不同的加工工艺（非单纯的机加工）其某些性能可相同。例如，不同的材料可处理成硬度相同，以便车床切削、；上述事例说明下列概念：、材料科学是“ 关于材料的一门学问”。或者说，材料科学是以材料为研究对象的学问。、材料科学的研究内容

3、 材料的各种外在性能是其内部结构（积聚状态）的本质反映；所以，材料科学的研究内容就是： 物质的聚集状态与其对应性能关系 化学成分 组织结构 性能（客观规律）A、材料形成机理与制取方法指导生产新材料B、 材料性能的测试方法与技术C、失效分析、材料的合理加工方法和最佳使用方案 贯穿于从认识材料到使用材料的全过程。 、关于材料科学的哲学问题A、 历史学家的观点：材料是人类文明发展水平的重要标志和里程碑。推动和制约人类文明发展的重要因素是材料科学。B、 人类历史划分为：石器、青铜器、铁器时代；、C、 材料科学的发展史从宏观到微观，从初级到高级，层层 深入发展。材料科学的发展推动了科技进步；科技进步又促

4、进了材料科学的发展。观测手段的提高和丰富促进了理论的发展，理论又指导人们制造出各种各样的新材料。有些材料是大自然中不曾有过的。例如：NC、CNB、AlN、TiN、高分子（有机、无机）材料、。材料科学的发展，不仅源自其本身，而且亦源自相关学科的发展。（物理、化学、物理化学、量子力学、医学、坐物工程、等。所以说：材料科学是以材料为研究对象的多学科性科学。（P1）二、 工程材料的分类分类方法多样化，可按用途、状态、性能、化学成分与结合键的特点等方法。有色金属（轻、重、贵、稀散、放射）1、金属材料 黑色金属（铁、锰、铬） 高分子（有机 、无机）工程材料2、非金属材料 无机非金属3、复合材料金属金属 金

5、属非金属三、 机械工程材料的应用和发展机械工业的门类繁多，（医疗、化工、冶金、车辆、军事等），发展方向各有特点。对材料的种类及其性能的要求不断增加。例如：1、医疗设备的坐物性能（抗血凝、） 2、军事装备的隐形 3、金刚石表面金属化 4、化工催化 5、环保（空气及水净化、杀菌等）四、 工程材料课程的任务通过对工程材料的“成分组织结构性能”理论学习，在机械设计中做到“合理选材、合理的性能要求、合理地设计工艺”。第一篇 机械工程材料的基本理论知识第一章、材料的性能设计制造机器与设备时，对材料的选择应首先考虑其使用性能。1、使用性能：力学性能、物理化学性能、工程材料性能2、工艺性能：铸、锻、焊、切削、

6、热处理、烧结、§1、力学性能（机械性能）同学们已学过材料力学，故自己复习之。（不讲）§2、物理和化学性能（阅读）§3、工艺性能（略讲）材料的工艺性能关系到加工工艺设计及其成本的高低。一、 铸造性：流动性、收缩性、偏析倾向是铸造性能的判据。二、 可锻性：可进行压力加工（含轧制）的性能。三、 可焊性：焊接在一起的难易程度及其焊缝质量。四、 切削加工性：切削的难易程度与表面切削质量（光洁度）。钢的硬度在HB220±40 时切削性能好。第二章、材料的结构*结构：分子、原子的空间连结构架，即原子（或分子）的排列位置和空间分布。1、固态（晶态、非晶态）2、液态物质的

7、积聚状态3、气态4、等离子态 5、液晶态§1、材料的结合方式一、 化学键组成物质的质点（原子、分子或离子）相互作用而联系在一起。这种粒子之间的相互作用称为化学键。化学键的性质对物质的性能影响很大。*物质积聚物的性能不仅取决于组成物质整体的质点的种类和数目，同时取决于相互之间化学键的特点及其排列方式。三层意思分述如下：、种类和数目的影响：种类的影响不言而喻，数目减少到纳米级时物化性能产坐突变。例如：纳米材料、化学键的影响：例如，石墨与金刚石。、排列方式的影响：例如，同素异构体的性能不同；有序排列与无序排列（晶体与非晶体）性能不同；特殊的有序排列（超结构）性能不同-超导体、有机磁性材料等

8、。化学键种类：离子键、共价键、金属键、（还有配位键等）1、 离子键电负性相差大的原子间相互靠近时，互有电子得失而成为正负离子，由静电引力结合在一起。例如：NaCl, KCl, GaAs,2、 共价键同类或性质相近类原子间结合，借共用电子对而结合。Cl例如：SiC,金刚石，高分子材料、 Na3、 金属键A、金属原子结构特点 外层电子少，易失去，而成为 图21 NaCl 晶体自由电子；在金属聚合物中成为“电子气”。这种由金属正J离子与自由电子气相互作用而结合的方式称为金属键。B、金属的物化性能取决于金属键 例如：导电、光泽、导热、塑性变形能力、3、 分子键和氢键A、 分子键：范德瓦尔斯键B、 氢键

9、：极性键二、 结合键的性能特点（略讲）见书P10，表21三、 工程材料的键性根据键性，可以估计材料的性能。工程材料中有的是单一种键，更多的是几种键的组合。1、 金属材料金属材料的结合键主要是金属键；但金属材料中的金属间化合物是离子键。书中提及的灰锡（共价键）已不能用做工程材料，此类状态已失去了金属性能。2、 陶瓷材料 离子键为主，亦有共价键。所以，陶瓷材料硬度高，熔点高，脆性大。3、 高分子材料共价键和分子键。高分子材料分子大的特点，决定了其分子之间的作用力大，性能好。链、环及其复合形式的大分子结构，不同的基在不同部位的连接使其性能不同。离子键 硅酸盐陶瓷 半导体黏土高分子 金属键分子键图23

10、 结合键四面体§2金属的晶体结构基本概念：晶体与非晶体：原子或分子的空间有序排列形成晶体；反之为非晶体。有序即按照某种规律排列而成（后面课程中讲），长程有序。（例如：Nacl、糖等）非晶体又称过冷液体，近程有序。（例如：玻璃等）一、 晶体的基本概念（一） 晶格和晶胞（表示方法）：抽象法（抽象晶体）a、 将金属原子视为球形，它们的堆砌(集)可有不同的规律（多样性）。一些坐活常识可知。b、 若视其为空间几何点，则其空间排列（多样性）称为空间点阵。c、 将点阵用假想直线连接（多样性）（类似建筑工程脚手架结构）称为晶格。d、 其中有代表性（最小的空间单元）的几何单元称为晶胞。不同的堆集方式有

11、不同的空间点阵，即各自具有代表性的空间单元亦不同，即晶胞不同。 e、 晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶体常数。晶胞棱间夹角用、表示。见图24zyx(a) 简单立方晶体 （b）晶格 （c）晶胞（二） 晶系不同的金属原子在一定条件下对应某种晶格。当条件变化到另外某种状态（T-P-）时，又可转变成（对应于）另外的晶格。法国晶体学家布拉菲（Brarais）用数学的方法推算出所有已知晶体分属于14种空间点阵。根据晶胞的6个参数（a、b、c、）把14种空间点阵归纳为七大晶系。见表22（P12）(三） 格尺寸和原子半径A、表示晶格尺寸的（晶格尺寸单位）是晶格常数。立方晶系只用一个a即可表示。B、原子半径，现代

12、物理科技仍未达到能精确测定物质原子直径的水平，即“测不准”定理。但用X-Rag衍射法能测出晶体中点阵中心距。可根据点阵类型推算出原子半径Ra（紧靠的原子中心距的一半） 对同种原子而言，晶格类型不同，半径不同。（配位数下降，半径下降）用钢球模型推算。（四） 胞原子数：一个晶胞内包含的原子数目。（钢球模型）（五） 配位数和致密度1. 配位数：在晶体中每一原子周围所具有的是其等距离的最邻近的原子数目叫配位数。2. 致密度：晶胞中原子本身所占的体积的百分数（K）K=n×4/3r3/V二、 常见纯金属的晶格类型（理想纯）（一） 体心立方晶格（bcc boady centerad cube）常见

13、金属30种之多（例如：-Fe 、Cr、Mo、W、V、Nb）（2a）2a2=(4r)22 a2a2=42r23 a2=(4r)2 r=3/4a 晶胞原子数=1/8×8+1=2(个)配位数:8K= 2×4/3r3（图25 bcc） a3(二) 面心立方晶格（FCC face centered cube）晶格常数亦只用一个a表示。显而易见：r=2/4a晶胞的原子数：1/8×8+1/2×6=4(个) 配位数：12可算出致密度为0.74属于这种晶格的金属有： r-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等20种。 （图26 FCC）(三) 密排六方晶格（HCP h

14、exagonal close-packed）r=1/2a c/a=1.633晶胞原子数：1/6×12+1/2×2+3=6配位数：12 致密度：0.74属于该类晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等二十几种。 （图27 HCP）三、 立方晶系的晶面、晶向表示方法（空间解析法）（一） 晶面指数晶体中各种方位的原子面叫晶面，表示晶面的符号称晶面指数。不同的晶面上的原子排列密度不同。晶面指数确定法：（三个步骤）1、 以晶格中某一原子为原点建立笛卡尔坐标系，（三个边，分别作三维坐标轴）。以相应的晶格常数为测量单位，求出所求晶面在三坐标轴上的截距。不能出现零截距！即原点在所求晶面之外。

15、2、 求倒数3、 化简成最简整数，用圆括号括起来，（H、K、L）就成为晶面指数（H、K、L）代表一组相互平行的晶面。在不同的象限会出现负号。见图28。（二） 晶向指数概念：晶向晶体中各个方向上的原子列。晶向指数表示晶向的符号晶向指数求法：（三步骤）1、 在晶格中建立坐标（方法同晶面求法）。过原点引平行于所求晶向的直线。2、 以晶格常数为单位求直线上任一点的三个坐标。3、 化简加一方括号即为所求晶向指数u、v、wu、v、w代表一组平行的晶向。 图29 一些晶向的晶向指数（三） 晶面及晶向的原子密度概念：晶面原子密度单位面积中的原子数。 晶向原子密度单位长度上的原子数。表23，体心立方（bcc）晶

16、格中主要晶面和晶向的原子密度。（注意P14）表中（111）晶面上密度计算有误！同样可以求出FCC（111）原子密度最大，110原子密度最大。原子密度影响晶体性能。（四） 晶面族和晶向族前面讲过：同一个（h、k、l）u、v、w分别代表了一组晶面和晶向。由于晶体的对称性，在不同的位向（解析几何）原子排列分布完全相同的晶面和晶向称为晶面族 h、k、l ，晶向族u、v、w注意：立方晶格中，指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。例如：（111）110，可用解析几何的计算法计算晶体。四、 实际金属的晶体结构（一） 多晶体位向不同的单晶体构成大多数实际金属材料存在晶界缺陷 10-110-3mm晶粒显微镜下才能看

17、到（用腐蚀剂腐蚀后，4%硝酸酒精）（二） 晶体缺陷1、 点缺陷图210 晶体中的点缺陷空位、间隙原子（换辐射等原因造成）和外来原子（用物理或化学的方法引进）都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲称为晶格畸变。它的存在使材料的HB上升，2、 线缺陷位错，dislocation， 见图211 （本书只讲了位错中的一种刃位错） 强度金属中位错数量很多，特别是大量塑变后，位错密度增加。位错少时降低材料强度，但达到一定数量后又提高材料的强度。 位错密度图212 金属强度与位错密度的关系3、 面缺陷1）晶界 510原子宽 见图2132）亚晶界 1015度称为大角度晶粒之间的位向差。五、

18、 晶的晶体结构概念：合金两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。（物理、化学的方法）例如：黄铜：Cu+Zn 钢：Fe+c工程使用的大多数是合金。 相 不同元素相互作用会形成各种不同的积聚状态；合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的，均匀的组成部分。纯金属单一相。 组织各相（相同的或不同的）以不同的数量比和形状的组合。固态合金的相： 固溶体晶体结构与某一组元的晶体结构相同。 金属化合物晶体结构与各组元均不同，新结构。（一） 固溶体溶剂：与合金本结构相同的组元溶质：与合金本结构不相同的组元 如果合金各组元均属同一结构则以多少定为溶质、溶剂。

19、例如：Au-Cu固溶体一般用、表示。1、 置换固溶体特点：溶质原子占据溶剂原子点阵中的某些点。有序固溶体又叫超结构。无序固溶体为常见。（ 见图2-14）原子半径相近，相结构相同的元素之间易形成置换固溶体。 图214 置换固溶体2、 间隙固溶体溶质原子比较小时，例如：C、N等，它们位于晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。 （见图2-15）该图为二维（平面）视图。同学们可根据前述bcc、fcc、hcp立体结构理解。 图215 间隙固溶体3、 固溶体的溶解度有限互溶：浓度常以重量百分比表示。无限互溶：Au、Cu一旦跨越50%界则溶剂变成溶质。影响溶解度的因素：原子大小，晶格类型，电化学性质，电子浓

20、度等。电子浓度：易失去的原子最外层价电子（多少）数目决定了晶（胞）格中的电子浓度。（价电子/原子数目）4、 固溶体的性能溶剂、溶质间原子半径不同（Au、Cu亦然）固溶体有晶格畸变。所以溶质增加、固溶体的、HB上升，塑韧性下降。（结合上一节晶体缺陷（点、线、面）简明阐述强化概念、位错移动阻力。）（二） 金属化合物两种以上的元素原子形成一种不同于任何组元晶体结构的新相叫金属化合物，一般可用化学分子式，大致表示其组成。特点：熔点高、硬度高、脆合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。例如：轴承合金（滑动轴承巴氏合金）常含组元，Sn、Pb、Si、Cu等。可形成的金属化合物有：SnSb,

21、Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca.1、 正常价化合物特点：符合一般化合物原子价规律，成分固定，可用化学式表示。例如：Mg2Si, Mg2Sn , Mg2Pb , MnS2、 电子化合物特点：不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律电子浓度：价电子数目与原子数目的比值。见表2-4，合金常见的电子化合物。3、 间隙化合物特点：过渡族金属元素（元素周期表）与C、N、H、B非金属元素形成的金属化合物。分两类：1）间隙相：当原子半径比0.59时形成简单晶格的间隙化合物称为间隙相。例如：V、VC、FCC、bcc 见图2-16表2-5 ： 间隙相的化学式与晶格类型的关系。M：金属 ，X：非金属。 2）间隙化合

22、物特点：结构复杂 （当原子半径比大于0.59时）例如: 钢中Fe3C，高速钢中：Cr23C6，Fe4W2c，Cr6C3。锰钢中：Mn3C等。见图2-17 ， Fe3C晶格。金属化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属化合物为基的固溶体。在成分复杂的合金中（合金钢）：高速钢：金属化合物为基的固溶体较多归纳总结： A、置换固溶1、 固溶体 B、间隙固溶 合金相组成 A、正常价化合物 间隙相 B、电子化合物 C、间隙化合物 2、 金属 D、金属化合物固溶体 复杂结构 化合物 间隙化合物 §3 陶瓷和聚合物的结构特点（自学）陶瓷是一个材料大范畴。包括粉末、粉末绕结而成的材料、单晶体（ZrO

23、、Si、SiO2） 陶瓷材料：氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物。天然的陶瓷材料：高岭土、粘土、娟云母、石英砂、人工制造的陶瓷材料：ZrO、Ni3Si、SiC 、-Al2O3及单晶、CNB、BN、陶瓷由粉末烧结而成故而有非晶体、晶体、空洞。陶瓷中空洞的规范分布可成为特种材料滤芯。陶瓷晶体结构分类：（一）AB型 NaCl型FCC 例如：MgO 、CaO、TiN TiC、（二）AB2型例如：TIO2、SnO2、Pb O2 Mn O2 W O2 Co O2 MnF2(三) A2B3型（钢玉型） -Al2O3 Cr2O3 Ti2O3 2- Fe2O3 V2O3(四) 其它AB O3 AB2

24、O4 型二、聚合物的结构特点 （高分子）以C、Si为主干。作业：P19第3题。Chapter 3 材料凝固的基本过程概念：材料从液态到固态的过程称为凝固过程。是一种复杂的物理化学过程，组分单一的液体凝固过程较简单；组分复杂的液体凝固过程较复杂。金属、非金属均符合此规律。研究材料的凝固过程就是要研究材料流体的结构，从LS结构转变的基本规律及其影响因素。以至于能动地干预和控制该过程。这便是铸造工艺的基础知识。是粉末冶金、单晶体、非晶体材料制备基础知识。 §1 液体的结构一、 液体的结构特点研究表明，L与S相似前后（LS）只有3-5%的体积变化。见图3-1。1） 长程无序，短程有序（动态）

25、有序的原子团时聚时散的情况叫做结构起伏或相起伏。2） 不同的元素，不同的组分，液态结构亦不同，结构起伏状况不同。特别是那些有结构复杂的相先析出（结晶出）时，凝固前（临界态）的组分起伏，结构起伏便大。宏观成分均匀产生微观不均匀，即成分起伏。结构起伏与成分起伏是相辅相成的。3） 同一组分的液体在不同T下，T越低结构起伏越大。二、 两种类型的凝固C 晶体 L S N-C非晶体（n1015p认为是S，反之是L。§2金属的结晶过程 温度T一、 冷却曲线和过冷度 T0测定液态金属冷却时T与t的变化关系T作出冷却曲线。概念：结晶潜热 只有存在过冷度结晶才能进行。时间*V冷越大，过冷度越大。 图3-

26、2 纯金属的冷却曲线二、 结晶时的能量条件热力学定律指出，在等压条件下（对液体而言， 自由能P的变化对系统影响不大）液相一切自发过程都是朝着F下降的方向进行。F固相（严格讲应用G）F=V-TS V、T、S是状态函数， TF必定是状态函数。温度低于TO时，晶体的F低。 T1 T0 温度T图3-3 液体与晶体自由能与温度的关系曲线三、 结晶的一般过程不断形成晶核和晶核不断长大的过程。这是结晶的普遍规律。见图3-4。液相图34 结晶过程示意图1、 小于TO，L经过孕育期（能量起伏和结构起伏）出现晶核。（晶胚晶核）2、 晶核不断长大，同时新的晶核又不断出现。3、 直到L消耗完为止。至此每个晶核都长大成

27、为一个小晶粒，众多晶粒结合在一起形成多晶体。*尚若只有一个晶核（可人工控制）长大成晶粒便是单晶体，如Si 、Ge 、GaAs 、C 、KCl4、 自发形核与非自发（或人工）形核。5、 晶体长大的方式有很多种，金属晶体一般条件下主要是以树枝状形式长大。见图3-5。§3晶粒大小的控制一、 晶粒度1、 晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。2、 工业上用晶粒等级来表示晶粒大小（放大100倍显微镜）1-8级。1级最粗，8级最细。外扩展级别：015级。有标准图册供对照。二、 晶粒大小对金属性能的影响。P22表3-1 晶粒越细小，力学性能越好。高温下工作的材料，晶粒过大和过小都不好。硅钢片亦求大晶粒。

28、此问题的考虑应从晶界是面缺陷着眼。高温下的面缺陷易造成氧化和腐蚀。而电工用硅钢则应减少面缺陷造成的电磁损失。三、 决定晶粒度的因素形核率：N ， 长大速度：G ，N/G增大则晶粒越细。四、 控制晶粒度的方法（一）T （二）变质处理，外生核剂加入，促进形核。N上升。（三） 振动、搅拌等方法。（特别是有色金属，例如AL）§4同素异构转变物质固态时，在不同的温度、压力条件下，发生晶格类型的转变。该过程是一个形核长大过程。一、 铁的同素异构转变A、直观实验介绍 （如书中图3-7）室温912 1394 1538（熔点）B、若逆过程，从L S1(rFe) S2(rFe) S3(rFe) 室温实际

29、转变温度必须比理论相变点低，出现T特点：固态相变因晶格常数改变和不同步性，故产坐很大的相变应力。应力过大时几何尺寸很大的轴，模具等工件都产坐开裂，并产生大的声响。二、 石英的同素异构转变（阅读）温度C0 1538 1394-FeBCCFCC-Fe图37 铁的同素异构转变912-FeBCC 时间§5非晶态凝固的特点物质结晶是形核和晶核长大的过程，所以凡是影响晶核的形成和长大的因素，均影响结晶。一、 熔体的粘度（决定粘度的是化学成分）二、 冷却速度例如：非晶态带材的生产：铜冷却鼓常用非晶体合金：Co-Si-B, Ni-Fe-Cr-P-B, Cu-Zr, Fe-P-C, Pb-20Si%合

30、金等。作业：P24第1 和第4题Chapter 4相图基本概念：1、 什么叫相图说明（体系）相（组织）与成分和温度的对应状态图。（体系状态函数图）即：相（组织）与其它可变（影响）因素对应关系的图（T，P）对单组分H2O而言有T、P状态图。 *相图表示的是热力学平衡状态，即自由能最低的状态。2、 相图的由来 热分析法、磁性法、热膨胀法等。1） 人类认识自然总是从事物的表面现象到本质，从感性认识到理性认识，通过抽象和推理，通过反复实践认识客观真理。2） 人类在冶金和材料科学发展过程中，首先发现不同成分（配料）的合金，其熔点和力学性能不同的事实现象。A、 中国青铜时代的兵器（例如剑）B、 相图古代文

31、化不利于自然科学技术的研究方法（逻辑抽象思维）的发展。3） 只有在显微镜、热电隅问世后测定相图才成为可能。3、 相图的作用（对金属而言）制定熔炼、铸造、锻压及热处理等工艺的重要依据。§1二元相图的建立在§3-2与§3-4中讲到了同类异构转变中的温度台阶。金属在从L到S到室温冷却过程中，会有一到几个温度台阶。1、 设计一系列合金（不同配比点）然后用缓慢冷却的冷却曲线中的折点（ ）连成对应曲线便成相图。见图4-1。2、 本例是最简单的一种相图（无限互溶的匀晶相图）但多数二元相金相图都不是完全无限互溶。L温度s 时间 Cu 23 46 75 NiNi %(a) 冷却曲线

32、 (b) 合金相图 图41 CuNi 合金相图的测定与绘制而是有限的互溶。且会坐成一些化合物，还有同类异构转变等。这些转变同在相同中表达出来，故相图都复杂。但均可分解为几个典型相图的组合。（就像一辆复杂的汽车是由许多基本的零部件构成一样。）§2二元相图的基本类型与分析a) 二元匀晶相图L、S状态下二组元均无限互溶。例如：AuAg CuNi CuAui. 相图分析 见图4-2 LLL L温度L1L+ 1 L55Cu Ni % Ni时间(a) (b)图42 铜镍合金匀晶相图CuNi二元合金匀晶相图。“相”的概念已在前几节课中建立。ii. 合金的结晶过程。（重点讲解）L中析出固相12345

33、，例如盐水结冰）！L相成分也由L1L2L3L4L5，与之平衡。平衡是指化学位相等。即：cuL=cua, A=f( ) NiL=Nia任意温度下Ti,便有相应的热力学平衡。液固两相的成分平恒通过扩散实现。如果条件不允许充分扩散，便会出现成分偏析。若发生在树枝状晶中便叫枝晶偏析。iii. 枝晶偏析 偏析会影响材料的物化性能和力学性能。可通过高温（Tm200)扩散退火消除成分偏析。使成分均匀化。iv. 杠杆定律（两相图适用）利用物质质量守恒法则求得：某一合金中任一组元总量等于各相中的分量之和。不同条件下的相的成分及其相对量，可通过杠杆定律求得。GL（X） G（X）temperature BXL X

34、Xa TxxlxxxaQL QA xLX Xa Cu Ni %Ni(a) (b)图43 杠杆定律的证明1、 确定两平衡相的成分（浓度）tx时 L相 X1%Ni 相 X2%Ni 温度是水平线，在T一定时便有对应的两相平衡。2、 确定两平衡相的相对量a 设合金的总重量为1L相重量 QL 浓度 X1相重量 Qa 浓度 X1已知合金中平均Ni含量为X，则根据物质守恒定律，列出下列方程组： QL+ Qa=1 QL.X1+ Qa.X2=X 解方程组得: QL= X2- X0 X2- X1 Qa= X- X1 X2- X1b) 二元共晶相图当两个组元液态时L：无限互溶 S：有限互溶（即在某个较小的溶解度范围

35、）且发坐共晶反应（有限互溶固溶体同时从L中结晶出来）所构成的相图称为二元共晶相图（若三组元，便是三元晶相图）.例如：PbSb AlSi PbSn今以PbSn二元合金相图A 327L232BL+EL+ C183D T+ F19.261.997.3SnPbSn %(一) 相图分析相:L、 三T单相区 L L 三个双相区L相线：AEBS相线：ACEDB共晶线：CED LE(c+D ) 恒温反应过程中：L、三相共存，量不断变化，最终L消耗尽。、相的成分（浓度）都是一定的。固溶线：CF DG随温度的变化而变化。共性：T下降，溶解度（浓度）下降。（二）合金1的结晶过程1、 合金的结晶过程T高于1点，L，1

36、2之间匀晶反应 一次晶 ，2点反应结束，23点间单相，3点时，碰到固溶线，随着T下降，相图析出以Sn为基体（溶剂）Pb为溶质的相，称为2（区别于一次结晶L）因为该成分组织中相全是2，在此 两相区中可用杠杆定律计算出2的量。2F4FG100注意：2的析出为固相析出，不容易故细小分散在晶界处为多。晶粒中的缺陷处。例如亚晶界，位错。层错、见图462、 合金2的结晶过程 （见图47合金2成分，E点（61.9%Sn） CED线上共晶反应线LE(c+D ) 两相比：EDCE注意：2、2在原共晶组织中相界面处析出离异析出依附到原（相）片上，不易区分出。但在CED线上求出相的多少重量后，再在FG区求出相，此时

37、各包含2、2相，前后两者相减便得出：2、谋划策相的重量。3、 合金3的结晶过程CE之间为亚共晶合金；12之间为匀晶反应，析出1。同时，沿固相线和液相线各对应成分变化，最后固相成分平衡在C点，L相平衡在E点，两相比同样可用杠杆定律求出。2点（CED共晶线上）L成分变为LE 见图48共晶反应后，随着T下降，相沿CF线析出2；同样D成分沿DG线变化从D右析出2，所以其室温组织为：（）22上述反应包括：匀晶反应共晶二次析出注意：固相的成份平衡靠原子固相扩散（二次析出亦靠扩散）4、 合金4的结晶过程ED之间为过共晶区，合金4的结晶过程与3相似，只不过一次结晶析出的不是1而是1。综上所述，从相的角度来说，

38、PbSn合金只有两相。及（）在金相显微镜下都有一定的组织特征，称为组织组成物。此时，有先析出的1共晶出的（）片层（和其它的颗粒、螺旋等形态）状组织，当然它们之中包含了2及2，离异析同后依附在先析出相组成物上了。按组织组成物填相图如下：这与显微镜下观察到的组织是一致的。c) 二元包晶（反应）相图例如：Fe C CuZn CuSn等均有包晶反应。顾名思义，包晶反应是L+S=的反应。（一） 相图分析：以Fe C相图为例，（部分相图）包晶线：HJB（水平线恒温）B点：0.53% H: 0.09% L J: 0.17%A11特点：1538L+1反应是在L与S2214952B固相界面上形核。温度H 3 J

39、 +A 3L+A图411 包晶相图A1394N 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6Fec%形成的A核对内吃掉，对外扩张消耗L，直到L或单方或双方耗尽为止。 C L ALA（二） 合金的结晶过程合金1自进入L+S匀晶相区到2点时，HJB包晶线上反应开始前的固液相L、S之比为（重量）：L/S=HJ/JB，这样数量比的两相包晶反应完毕完后双相全部耗尽，形成单一的相，进入单相区，其结晶过程（包含）经历了匀晶反应加包晶反应。合金2的成分位于J点左侧，反应前两相比为：L/S=H2/2B显然，S相过剩，所以反应后进入两相区，S+，为新坐（包晶反应）相HJN匀晶区，（固相匀晶区），结晶过程：匀晶+

40、包晶+固相匀晶合晶3的成分位于J点右侧，仅包晶反应后L相过剩，而进入L+两相区（匀晶区）过程：匀+包+匀d) 形成稳定化合物的二元合金相图此类化合物熔化前不分解，无成分变化。Mg2Si可视为一个组元，分割成两个共晶相图。TL Mg2SiL+SiL+Mg L+Mg2Si946.7L+Mg2Si图414638.8Mg+Mg2Si Mg2Si+SiMgSie) 具有共析反应的二元合金相图类似于共晶反应，在一恒定温度（水平线）由一固相同时（析出）两新的固相：c 1D+2E注意：固相反应原子扩散较难，易于在较L大T下进行，从而组L+织细（比共晶），固相比容之差会产坐内应力。（见图4-15）+1C+21

41、D E 21+2ABf) 二元相图的分析步骤相图种类多，但分析二元相图时，由复杂相图都是由上述基本相图组合而成。1. 先分清（划分）基本类型相图组合。2. 稳定化合物可视为分界线，分成几个区域分别进行分析。3. 二元相图中，相邻相区相数差为一（水平）两个单相区之间有两相区。4. 找出三相共存水平线（包晶、共晶、共析）确定相变反应特点5. 分析具体合金的结晶过程和组织单相区：相成分为合金成分.两相区：相成分各沿相界线变化，两相比例可用杠杆定律求出.三相平衡（水平线）：三个相的成分是固定的，但不同位置（成分不同合金）三相相对量不同。g) 相图与合金性能之间的关系合金成分组织性能 关系 见书中P33

42、 略讲。作业：P24第1和第4题。§3 铁碳合金相图（Fe C平衡图）研究和学习Fe C平衡图的意义A、 碳钢和铸铁是工业应用范围最广泛的金属材料。 Fe C合金相图是对碳钢和铸铁理想化的（亦是捉信主要矛盾的对象） 反映化学成分，温度与组织关系的状态图。冶炼（炼铁、炼钢）过程中自然残存下来的复杂元素（S、P、Si、AL、Mn、Cu、V、）没有考滤：S0.04%， P0.04%（GB）B、 Fe C相图是研究Fe C合金的工具，是钢铁成分组织性关系的理论基础。 捉住Fe C二元合金的主要矛盾是科研的重要方法之一。对坐产实践、制定加工工艺有指导意义。学习要求：a.本门课程的核心内容，考试

43、的重点。b.学后达到正确地选材和制定加工工艺。c.合金钢的基础知识.一、 Fe C合金相图的组成1、见图4-18金刚石表面金属化处理有用。2、Fe- Fe3C基本相图类型构成分析： 见图4-21 AL+1538B 1495HJL1394N+AL+AD1148C FAETemperature912G F+AA+Fe3CFS 727 KPF+ Fe3CQUVFe1 2 3 4 5 6 6.69FeC %Fe3C图421 以相组成物表示的铁碳合金相图（1） 、包晶相图 包晶线：HJB 1495度（2） 、共晶相图 共晶线：ECF 1148度（3） 、共析相图 共析线：PSK 727度（4） 、稳定成

44、分化合物线 DFK 6.69% Tm： 1227度进一步细分：（5） 、部分匀晶相图：液相匀晶：L+S L+A L+ Fe3C固相匀晶：S+A F+A3、 五个基本相（5个单相区）：L、S、A、F、Fe3C：高温铁素体：bcc 0.09%C(1495度)H点为最大溶C量点A：奥化体：fcc 2.11%c（1148度）E点为最大溶C量点 塑性好，力学性能与晶粒度有关F：铁素体：bcc 0.0218%（727度）P点为最大溶C量点低硬、低强、高塑性 Fe3C：cm 复杂结构 6.69%c TM：1227度 HB=800亚稳相，其形状和分布对钢铁性能影响很大，主要强化相。4、 相图中的点分析：P35表4-15、 相图中的线分析：a) ABCD：液相线b) AHJECF：固相线c) 三条水平（恒温转变）线： HJB包晶线：LB+H AJ ECF共晶线：LC AE+ Fe3C (F.) (Ledeburite )PSK共析线：AS FP+ Fe3C(K.) (Pearrite)6、 另外三条固态转变线：a) GS（A3）线：F溶入A及从A中析出线b) ES(Acm)线： Fe3C析出溶入线c) PQ线： Fe3C析出溶入线7、 5种Fe3C（）的由来及名称： Fe3C