机械工程材料教程第2章金属材料的组织与性能控制

1、2.12.1 纯纯金属的结晶金属的结晶2.22.2 合金的结晶合金的结晶2.3 2.3 金属的塑性加工金属的塑性加工2.42.4 钢的热处理钢的热处理2.52.5 钢的合金化钢的合金化2.6 2.6 表面技术表面技术第第2 2章章 金属材料的金属材料的 组织与性能控制组织与性能控制1.纯金属的结晶条件2.纯金属的结晶过程3.同素异构转变4.细化铸态金属晶粒的措施2.1 纯金属的结晶纯金属的结晶1.1.纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件晶体液体液体结晶结晶结晶： 液体液体 - - 晶体晶体凝固： 液体液体 - - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度

2、开始结晶温度 TT= 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。冷却速度越大，则过冷度越大。2.2.纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程（1 1）形核过程）形核过程两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核自发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。的结晶核心。非自发形核非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。是依附于外来杂质上生成的晶核。（2

3、 2）晶核长大过程）晶核长大过程两种长大方式 平面生长平面生长 与 树枝状生长树枝状生长。平面生长树枝状生长3 3同素异构转变同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcc -Fe，bcc912 C纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770铁磁性4.细化铸态金属晶粒的措施晶粒度晶粒度 表示晶粒大小，分表示晶粒大小，分8 8级级（p111)p111)。晶粒度晶粒度12345678单位面积晶粒数单

4、位面积晶粒数（个（个/ /mmmm2 2）1632641282565121024 2048晶粒平均直径晶粒平均直径（mm）2501771258862443122细晶强化细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：比较： 细晶强化细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化固溶强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性细化晶粒的措施细化晶粒的措施1.1.提高过冷度提高过冷度2.2.变质处理变质处理3.3.振动结晶振动结晶（1 1）提高过冷度）提高过冷度形核率形核率N 、长大速度长大速度G 与与 过冷度过冷度T 的关系的关系TG，NG

5、N（2 2）变质处理）变质处理在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂( (孕育剂孕育剂) )，以细化晶粒和改善组织，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。的工艺措施。变质剂的作用变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3 3）振动结晶）振动结晶振动的作用振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。：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。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。2.2.1.二元合金的结晶2.2.2合金的性能与相图的关系2.2.3铁碳合金的结晶2.2 合金合金的结晶的结晶1 1匀晶相图匀晶相图2 2

6、共晶相图共晶相图3 3包晶相图包晶相图4 4共析相图共析相图2.2.1二元合金的结晶1 1匀晶相图匀晶相图相图相图（平衡图、状态图）（平衡图、状态图）平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。 CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 铜-镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 纯铜纯铜熔点熔点纯镍纯镍熔点熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相

7、区匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程abcdT,CtL L L匀晶转变 L 冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。杠杆定律杠杆定律CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ 12acba1b1c1T1T21. 1. 在两相区内，对在两相区内，对应每一确定的温度，应每一确定的温

8、度，两相的成分是确定的。两相的成分是确定的。2. 2. 随着温度的降低，随着温度的降低，两相的成分分别沿液两相的成分分别沿液相线和固相线变化。相线和固相线变化。杠杆定律杠杆定律：在两相区内，对应每一确定的温度T1，两相质量的比值是确定的。即QL/Q=b1c1/a1b1杠杆定律推论：杠杆定律推论：在两在两相区内，对应温度相区内，对应温度T1T1时两相在合金时两相在合金b b中的相中的相对质量各为对质量各为Q QL L/Q/QH H=b=b1 1c c1 1/a/a1 1c c1 1Q Q /Q/QH H=a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=1- =1- Q QL L/Q/QH H

9、例：求例：求30%30%NiNi合金在合金在1280 1280 时时 相的相对量相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ ac30a1b1c11280 解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论， Q Q / / Q QH H = = a a1 1b b1 1 /a/a1 1c c1 1 =12/48=1/4=12/48=1/4答：所求合金在1280 时相的相对质量为1/4。2 2共晶相图共晶相图PbSnSn%T, C铅-锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 + L + L + 固溶线固溶线 固溶线

10、固溶线共晶转变分析共晶转变分析PbSnT, CL + L + L + 共晶反应线共晶反应线表示从表示从c点到点到e点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce共晶点共晶点表示表示d点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dLd c + e共晶反应要点共晶反应要点PbSnT, CL + L + L + 183ced 共晶转变在恒温下进行。共晶转变在恒温下进行。 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 存在一个确定的共晶点。在该点

11、凝固温度最低。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。X1合金结晶过程分析合金结晶过程分析cefgX1T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1234PbSnT, CL + L + L + 183cedX1合金结晶特点合金结晶特点T, CtL L LL+ 冷却曲线冷却曲线 + 1.没有共晶反应过程，没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应形成而是经过匀晶反应形成单相单相 固相。固相。2.要经过脱溶反应，要经过脱溶反应，室温室温 组织组成物组织组成物为为 + 组织组成物组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一

12、定形态特征的组成部分。X2合金结晶过程分析合金结晶过程分析（共晶合金共晶合金）X2T, CtL( + )L( + )LL( + ) 共晶体共晶体冷却曲线冷却曲线( + )PbSnT, CL + L + L + 183cedX3合金结晶过程分析合金结晶过程分析（亚共晶合金亚共晶合金）X3T, CtLL+ ( + )+ + 12( + )+ PbSnT, CL + L + L + 183cedL+( + )+ 标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图3 3包晶相图包晶相图包晶转变包晶转变： Ld + c ePtAgAg%T, C铂-银合金包晶相图L + L + L + cedfgT, CtLL

13、 + L + + 4. 4. 共析相图共析相图共析转变共析转变： ( + ) 共析体共析体ABT, C + + + cedL + L2.2.2 相图与性能的关系1.合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系 固溶体中溶质浓度固溶体中溶质浓度 强度、硬度强度、硬度 组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。2. 合金的工艺性能与相图的关系合金的工艺性能与相图的关系 铸造性能铸造性能液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小（如接近共晶成分的合金），则流动性好，不易形成分

14、散缩孔。则流动性好，不易形成分散缩孔。 锻造、轧制性能锻造、轧制性能单相固溶体合金，单相固溶体合金，变形抗力小，变形均匀，变形抗力小，变形均匀，不易开裂。不易开裂。1 1铁碳相图铁碳相图2 2结晶过程结晶过程3 3成分成分- -组织组织- -性能关系性能关系 4 4Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的应用相图的应用2.2.3铁碳合金的结晶1 1铁碳相图铁碳相图 ( (Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图相图) )(1) (1) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的组元相图的组元 Fe Fe FeFe、-Fe (bcc) -Fe (bcc) 和和-Fe (fcc)-Fe (fcc)强度

15、、硬度低，韧性、塑性好。强度、硬度低，韧性、塑性好。 FeFe3 3 C C 熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2) (2) Fe-FeFe-Fe3 3 C C相图的相相图的相 FeFe3 3 C C （ Cem Cem， Cm Cm，渗碳体）渗碳体） 复杂晶体结构复杂晶体结构 液相液相 L L 相相 （高温铁素体（高温铁素体 ） FeFe（C C）固溶体固溶体 相（相（A A ，奥氏体）奥氏体） -Fe-Fe（C C）固溶体固溶体 相相 （F F，铁素体）铁素体） -Fe-Fe（C C）固溶体固溶体(3) (3) 相图中重要的点和线相图中重要的点和线液

16、相线ABCD固相线AHJECF包晶线 HJB，包晶点 J 共晶线 ECF，共晶点CL4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld共析线 PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体, PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线2 2铁碳合金的平衡结晶过程铁碳合金的平衡结晶过程Fe-C 合金分类合金分类工业纯铁工业纯铁 C % 0.0218 %C % 0.0218 %钢钢 0.0218 % 0.0218 % C % 2.11 %C % 2.11 %亚共析钢亚共析钢 0.77 % 0.77 %共析钢共析钢 0.77 % 0.77 % 过共析钢过共析钢 0.77 % 0.

17、77 %白口铸铁白口铸铁 2.11 % 2.11 % C % C % 6.69 % 6.69 %亚共晶白口铁亚共晶白口铁 4.3 % 4.3 % 共晶白口铁共晶白口铁 4.3 % 4.3 % 过共晶白口铁过共晶白口铁 4.3 % 4.3 %类型类型亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢钢号钢号204560T8T10T12碳质量分数碳质量分数0.200.450.600.801.001.20几种几种常见常见碳钢碳钢(1)(1)工业纯铁工业纯铁 ( ( C % 0.0218 % )C % 0.0218 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织F F + + FeFe3 3C C (微量)5005

18、00(2)(2)共析钢共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : 层片状层片状 P P ( ( F F + + 共析共析 FeFe3 3C C ) )500500 P中各相的相对量：Fe3C % = ( 0.77 xF ) / ( 6.69 xF ) 0.77 / 6.69 = 12 %F % 1 12 % = 88 %珠光体珠光体强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C 和 F 之间。(3)(3)亚共析钢亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : F F + + P P，500500各组织组成物的相对量：P % = ( 0

19、.4 0.0218 ) / ( 0.77 0.0218 ) 51 %F % 1 51 % = 49 %各相的相对量：Fe3C % 0.4 / 6.69 = 6 %F % 1 6 % = 94 %(4)(4)过共析钢过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :P P + + FeFe3C CII 4 40000各组织组成物的相对量：Fe3CII % = ( 1.2 0.77 ) / ( 6.69 0.77 ) 7 %P % 1 7 % = 93 %各相的相对量：Fe3CII % 1.2 / 6.69 = 18 %F % 1 18 % = 82 %(5)(5)共晶

20、白口铁共晶白口铁 ( ( C % C % = = 4.3 % 4.3 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: : （低温）（低温）莱氏体莱氏体 LeLe （P P + + FeFe3C CII + + 共晶共晶 FeFe3C C ）, , 5 50000莱氏体莱氏体 LeLe的性能：的性能：硬而脆硬而脆( () )亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( ( C % C % = = 3 % 3 % ) )结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :LeLe+ + P P + + FeFe3C CII 2 20000( () )过共晶白口铁过共晶白口铁 ( ( C % C % = = 3 % 3 % ) )

21、结晶过程结晶过程室温组织室温组织: :LeLe+ + FeFe3C CI 5 50000标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图3 3铁碳合金的铁碳合金的成分成分- -组织组织- -性能关系性能关系含碳量与相的相对量关系含碳量与相的相对量关系：C C %F%F %，FeFe3 3C C %含碳量与组织关系：含碳量与组织关系：图（图（a a）和（和（b b）含碳量与性能关系含碳量与性能关系HBHB：取决于相及相对量取决于相及相对量强度：强度：C%=0.9% C%=0.9% 时最大时最大塑性、韧性：随塑性、韧性：随C%C%而而4 4铁碳相图的应用铁碳相图的应用钢铁选材钢铁选材：相图相图性能性能

22、用途用途局限性局限性 相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。铸件选材和确定浇注温度铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度确定锻造温度( ( 在在 A A 区）区）制定热处理工艺制定热处理工艺小结小结重点要求重点要求 一般要求一般要求 2. 2. 匀晶相图的分析方法。匀晶相图的分析方法。2. 2. 杠杆定律及其应用。杠杆定律及其应用。3. 3. 合金相图与性能的关系。合金相图与性能的关系。1. 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。过冷度的概念，晶粒度的影响因素。1. 1. 同素异构转变。同素异构转变。3. 3. F F、A A、CmCm、P P、

23、Le Le的组织和性能特点。的组织和性能特点。4. 4. Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中共晶、共析区域分析。相图中共晶、共析区域分析。5. 5. 铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。铁碳合金的成分、组织与性能之间的关系。作作 业业 2 2a aP 9 13week5, Sep 282.2. 13)13)3.3. 12),12),13) )4.4. 8),9)8),9) 5.5. 6)6)作作 业业 2 2b bP 9 13week7, Oct 122.2. 14) 14) 17) 17)3.3. 14) 14) 17) 17)4.4. 10) 10) 13) 13) 作作 业业 1

24、1P 3 42.2. 1),2),4) 1),2),4)3.3. 1) 1)4.4. 2),6),7),8) 2),6),7),8)P 9 13week4, Sep 212.2. 1),2),4),11) 1),2),4),11)3.3. 1),2),5) 1),2),5)4.4. 1),2),6),7) 1),2),6),7)5.5. 3),4) 3),4)作作 业业 2 2思考题思考题1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？3. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。4. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金

25、，而压力加工的合金常选用单相固溶体成分的合金? 作业作业1 1 参考答案参考答案 P 32.2. 1) 1) 同非金属相比，金属的主要特性是同非金属相比，金属的主要特性是2) 2) 晶体与非晶体结构上的最根本的区别是晶体与非晶体结构上的最根本的区别是4) 4) -Fe的一个晶胞原子数为3.3. 1) 1)晶体中的位错属于：晶体中的位错属于：a. a. 体缺陷体缺陷 b. b. 面缺陷面缺陷c. c. 线缺陷线缺陷d. d. 点缺陷点缺陷( ( P7 P7 ) ) 热和电的良导体热和电的良导体 正的电阻温度系数正的电阻温度系数 不透明、有金属光泽不透明、有金属光泽 塑性高、强韧性好塑性高、强韧性

26、好晶体内原子排列是有规则、周期性的。晶体内原子排列是有规则、周期性的。4 4 c. c. 线缺陷线缺陷作业作业1 1 参考答案参考答案 P 44.4. 2) 2) -Fe-Fe、AlAl、CuCu、NiNi、V V、MgMg、ZnZn的晶体结构的晶体结构 体心立方：体心立方： -Fe-Fe、V V 面心立方：面心立方： AlAl、CuCu、NiNi 密排六方：密排六方： MgMg、ZnZn6) 6) 实际金属晶体中存在：实际金属晶体中存在：a. a. 点缺陷：点缺陷：点、线、面缺陷，引起晶格畸变。点、线、面缺陷，引起晶格畸变。b. b. 面缺陷：面缺陷：c. c. 线缺陷（位错）：线缺陷（位错

27、）：7) 7) 固溶强化固溶强化：固溶强化原因固溶强化原因：8) 8) 间隙固溶体：间隙固溶体：形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象溶质溶质原子引起晶格畸变，使变形抗力增加。原子引起晶格畸变，使变形抗力增加。间隙相：间隙相：晶格类型与溶剂相同晶格类型与溶剂相同晶格类型与任一组元都不相同晶格类型与任一组元都不相同使电阻率和强度增加。使电阻率和强度增加。使塑性、强度增加。使塑性、强度增加。在冷变形时，使强度增加、塑性降低。在冷变形时，使强度增加、塑性降低。作业作业2 2 参考答案参考答案 P 9-102.2. 1) 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实

28、现的，它们是：结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，它们是：2) 2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是形核形核和和晶核长大晶核长大4) 4) 过冷度是指为过冷度是指为：增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。理论结晶温度理论结晶温度 - - 开始结晶温度开始结晶温度其表示符号为：其表示符号为： T T11) 11) 固溶体的强度和硬度比溶剂：固溶体的强度和硬度比溶剂： 高高3.3. 1) 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ ）NoNo2) 2) 室温下，金属

29、晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ ）NoNo5) 5) 晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（晶粒度级数数值越大，晶粒越细。（ ）YesYes作业作业2 2 参考答案参考答案 P 11-136) 6) 固溶体的晶体结构固溶体的晶体结构：a. a. 与溶剂相同与溶剂相同 b. b. 与溶质相同与溶质相同c. c. 为其它晶格类型为其它晶格类型7) 7) 间隙相的性能特点是：间隙相的性能特点是：a. a. 熔点高、硬度低熔点高、硬度低b. b. 硬度高、熔点低硬度高、熔点低c. c. 硬度高、熔点高硬度高、熔点高2) 2) 为细化晶粒，可采用：为细化晶粒，

30、可采用：a. a. 快速浇注快速浇注b. b. 加加变质剂变质剂c. c. 以砂型代金属型以砂型代金属型4.4. 1) 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：a. a. 越高越高b. b. 越低越低c. c. 越接近理论结晶温度越接近理论结晶温度a.a. 提高过冷度提高过冷度 b. b. 变质处理变质处理 c. c. 振动结晶振动结晶4) 4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小：(1)(1) 金属型与砂型浇注金属型与砂型浇注 (2) (2) 变质处理与不变质处理变质处理

31、与不变质处理(3)(3) 铸成薄件与厚件铸成薄件与厚件 (4) (4) 浇注时振动与不振动浇注时振动与不振动5.5. 3) 3) 在实际应用中，细晶粒在实际应用中，细晶粒金属材料往往具有较好的常温力学性能，金属材料往往具有较好的常温力学性能，细化晶粒提高金属材料使用性能的措施有哪些？细化晶粒提高金属材料使用性能的措施有哪些？ 作业作业2 2a a 参考答案参考答案 P 9-122.2. 13) 13)共晶反应式为：共晶反应式为：共晶反应的特点是：共晶反应的特点是：L ( + )在恒温下进行在恒温下进行3.3. 12) 12) 平衡结晶获得的质量分数为20%Ni的Cu-Ni合金比质量分数为40%

32、Ni的Cu-Ni合金的硬度和强度要高。（ ）NoNo13) 13) 一个合金的室温组织为 + + ( + )， 它由三相组成。（ ）NoNo9) 9) 共析成分的合金在共析反应(+)刚结束时，其组成相为：a. + b. + c. (+)4.4. 8) 8) 在发生 L(+)共晶反应时，三相的成分：a. 相同b. 确定c. 不定作业作业2 2a a 参考答案参考答案 P 13(1)(1)两相的化学成分：两相的化学成分：5.5. 6) 6) 将将2020kgkg纯铜和纯铜和3030kgkg纯镍熔化后慢冷至纯镍熔化后慢冷至T T1 1温度温度，此时：此时：wL(Ni)= 50%w(Ni)= 80% (2)(2)两相的质量比：两相的质量比：QL/Q=(80-60)/(60-50)=2(3)(3)各相的质量分数：各相的质量分数：w(L)=2/(2+1)=2/3w()=1/3(4)(4)各相的质量：各相的质量：QL= 502/3 = 33.3（kg)Q= 50-33.3 = 16.7（kg)w(Ni)=30/(20+30)=60%作业作业2 2b b 参考答案参考答案 P 9-102.2. 14) 14) 珠光体的本质是：珠光体的本质是：15) 15) 一块纯铁在一块纯铁在912912发生发生- FeFe - FeFe 转变时，体积将转变时，体积将层片状的共析体层片状的共析体(