内蒙古工业大学机械工程材料_总复习

1、Engineering Material 材料的性能是指材料的性质和功能。性质是材料的性能是指材料的性质和功能。性质是本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的本身所具有的特质或本性；功能是人们对材料的某种期待与要求中可以承担功效，以及承担该功某种期待与要求中可以承担功效，以及承担该功效下的表现或能力。效下的表现或能力。第一章第一章 金属材料的机械（力学）性能金属材料的机械（力学）性能铸造性能铸造性能可锻性可锻性可焊性可焊性切削加工性切削加工性热处理性能热处理性能 使用性能使用性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能 工艺性能工艺性能 材料的性能材料的性能第二章第二章 材料结构与金属结晶材

2、料结构与金属结晶 晶体学基础知识晶体学基础知识立方晶系晶向与晶面立方晶系晶向与晶面纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构金属的结晶与铸锭组织金属的结晶与铸锭组织第三节第三节 纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构结构特点结构特点: :金属金属失去外层电子形成金属离子与自由电子，以金属失去外层电子形成金属离子与自由电子，以金属键结合，呈规则排列。绝大多数呈体心立方、面心立方、密键结合，呈规则排列。绝大多数呈体心立方、面心立方、密排六方这样三种晶体结构。排六方这样三种晶体结构。体心立方晶格体心立方晶格bccbcc面心立方晶格面心立方晶格fccfcc密排六方晶

3、格密排六方晶格hcphcp铁（铁（ - -FeFe）、）、W,W,铬铬CrCr、MoMo、V V等等AlAl、CuCu、金、金(Au)(Au)、NiNi、PbPb、（ Fe)等等钛钛TiTi、锆锆ZrZr、MgMg、ZnZn等等一、一、体心立方晶格体心立方晶格（原子在体心位置排列最紧）（原子在体心位置排列最紧）3、原子个数：、原子个数：24、配位数：、配位数： 85、致密度：、致密度：0.686、常见金属：、常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等1、晶格常数：、晶格常数：a(a=b=c)ar43 2、原子半径：原子半径：特征：原子位于立方体的特征：原子位于立方体的八个顶角和体心位置，

4、晶八个顶角和体心位置，晶胞的三个棱边相等，轴间胞的三个棱边相等，轴间夹角为夹角为9090钢球模型钢球模型晶格模型晶格模型晶胞模型晶胞模型 a42r ：2 2、原子半径、原子半径（在每个面上原子排列最紧）（在每个面上原子排列最紧）3、原子个数：、原子个数：44、配位数：、配位数： 125、致密度：、致密度：0.746、常见金属：、常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等1、晶格常数：、晶格常数：a二、面心立方晶格二、面心立方晶格特征：原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心位特征：原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心位置，晶胞的三个棱边相等，轴间夹角为置，晶胞的三个棱边相等，轴间夹角

5、为90a21r ：2 2、原子半径、原子半径3、原子个数：、原子个数：64、配位数：、配位数： 125、致密度：、致密度：0.746、常见金属：、常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等1、晶格常数、晶格常数： ，三、三、密排六方晶格密排六方晶格晶胞呈六方柱体，十二个顶角各有一个原子，上下底晶胞呈六方柱体，十二个顶角各有一个原子，上下底面有一个原子。晶胞内有三个原子，面有一个原子。晶胞内有三个原子，。底面边长底面边长 a 和高和高 c， 二、晶体中的缺陷二、晶体中的缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构 实际金属中存在着大量的晶实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，体

6、缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。即点、线、面缺陷。 晶体缺陷：即使在每个晶晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的晶体学中论述的( (理想晶体理想晶体) )那样，原子完全呈现周期那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺想晶体的差别称为晶体缺陷。陷。 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷(原子原子大小大小)。1、空位、空位原因：原因：由于结晶或变形使金属原由于结晶或变形使金属原子获得能量，脱离开平衡位置跑子获得能量，脱离开平衡位置跑

7、到间隙位置或晶体的外表面，在到间隙位置或晶体的外表面，在晶体内部便形成空位和间隙原子。晶体内部便形成空位和间隙原子。离开平衡位置的原子，有两种去离开平衡位置的原子，有两种去处：一种可能是跑到表面，此时处：一种可能是跑到表面，此时产生的空位叫肖脱基空位，另一产生的空位叫肖脱基空位，另一种可能跑到点阵间隙中，形成弗种可能跑到点阵间隙中，形成弗兰克尔空位。兰克尔空位。晶体中的两种空位晶体中的两种空位a)肖脱基空位肖脱基空位 b)弗兰克尔空位弗兰克尔空位 点缺陷点缺陷b. 间隙原子：位于晶格间隙间隙原子：位于晶格间隙中的原子。可以是基体金属中的原子。可以是基体金属原子（自间隙原子），也可原子（自间隙原

8、子），也可以是外来杂质间隙原子（杂以是外来杂质间隙原子（杂质间隙原子）。质间隙原子）。 C.置换原子：占据在原来基置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原体原子平衡位置上的异类原子。子。间隙原子、置换原子示意图间隙原子、置换原子示意图 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外两个方向，另外两个方向上的尺寸很小上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷。的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错。其具体形式就是晶体中的位错。位错：位错：由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分

9、相对滑移便产生由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便产生位错。位错。 位错可以理解为已滑移区和未滑移区的边界位错可以理解为已滑移区和未滑移区的边界分为刃型位错、螺型位错、混合型位错。分为刃型位错、螺型位错、混合型位错。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 （1）刃型位错：）刃型位错：HG刃型位错（2 2）螺旋位错）螺旋位错: :在在切应力的作用下，切应力的作用下，位错线附近的原子位错线附近的原子按照螺旋形排列的按照螺旋形排列的位错形式。位错形式。1 1、滑移面：、滑移面：ABCDABCD2 2、位错线：、位错线：bbbb，是已，是已滑移区滑移区AB bbAB bb与未滑移与未滑

10、移区区CD bbCD bb在滑移面上的在滑移面上的边界线。边界线。3 3、位错线附近的原子：、位错线附近的原子：上下层原子不吻合，按照上下层原子不吻合，按照螺旋形排列。螺旋形排列。4 4、螺旋型位错无多余半、螺旋型位错无多余半原子面。原子面。3 3、面缺陷、面缺陷第四节第四节 材料的实际晶体结构材料的实际晶体结构面缺陷：面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大在三维空间的两个方向上的尺寸很大( (晶粒数量级晶粒数量级) )，另外一个方向上的，另外一个方向上的尺寸很小尺寸很小( (原子尺寸大小原子尺寸大小) )的晶体缺陷。的晶体缺陷。面缺陷的形式面缺陷的形式 ： 1 1、晶界面、晶界面: :位向

11、不同的相邻晶粒之间的接触界面,随相邻晶粒位向的不同，晶界宽度为510个原子间距。2 2、亚晶界面、亚晶界面: : 3 3、相界面、相界面:(:(两个不同类型晶体的分界面两个不同类型晶体的分界面) )晶界晶界亚晶界亚晶界ABCD工业纯铁的晶界T0时间时间温度温度理论冷却曲线理论冷却曲线实际冷却曲实际冷却曲线线Tn结晶平台结晶平台( (是由结晶潜热导致是由结晶潜热导致) )纯金属结晶时的冷却曲线四、结晶时的宏观现象：四、结晶时的宏观现象：过冷现象过冷现象：熔体材料冷却到理论结：熔体材料冷却到理论结晶温度时，并不是立即就形成晶体，晶温度时，并不是立即就形成晶体，而是实际结晶温度要低于理论结晶温而是实

12、际结晶温度要低于理论结晶温度，这种现象称为过冷。度，这种现象称为过冷。过冷度过冷度 T = TT = T0 0 T Tn n平台现象平台现象-由于结晶时会释放结晶由于结晶时会释放结晶潜热，弥补了金属向四周散发的热量，潜热，弥补了金属向四周散发的热量，使液态金属在结晶过程中保持温度不使液态金属在结晶过程中保持温度不变，出现水平变，出现水平“平台平台”，结晶结束，结晶结束，温度继续均匀下降。温度继续均匀下降。（3 3）过冷度的大小取决于冷却速度，）过冷度的大小取决于冷却速度，冷却速度越大，过冷度越大，即实际冷却速度越大，过冷度越大，即实际结晶温度越低。结晶温度越低。 理理实实金属结晶微观过程金属结

13、晶微观过程形核长大形成多晶体两个过程重叠交织两个过程重叠交织第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 塑性是金属的重要特性，利用金属的塑性可以把金属加塑性是金属的重要特性，利用金属的塑性可以把金属加工成各种制品，工成各种制品，锻造、挤压、轧制、拉拔成各种零件成型锻造、挤压、轧制、拉拔成各种零件成型过程都是塑性变形过程都是塑性变形, ,而且车铣刨磨等各种切削加工中都发生而且车铣刨磨等各种切削加工中都发生塑性变形。塑性变形。例：自行车链条，用例：自行车链条，用16Mn16Mn钢板制成，钢板制成， 原材料是原材料是3.5mm3.5mm厚板材，厚板材，150HBS, 150HBS,

14、b b 520Mpa520Mpa ； 经冷轧（塑变）后为经冷轧（塑变）后为1.2mm1.2mm厚板材厚板材, ,275HBS,275HBS,b b 1000Mpa1000Mpa 硬度、强度提高一倍，寿命也提高一倍。硬度、强度提高一倍，寿命也提高一倍。 学习本章的目的和意义：学习本章的目的和意义： 我们研究金属的塑性变形及塑变后组织与性能的变化，我们研究金属的塑性变形及塑变后组织与性能的变化，可为我们合理选择和使用材料及制订工艺规程提供理论依可为我们合理选择和使用材料及制订工艺规程提供理论依据。据。 第一节第一节 纯金属的塑性变形纯金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形一、单晶体金属的塑性变形（

15、1 1）塑性变形的受力：）塑性变形的受力： 切应力切应力（2 2）塑性变形的方式：）塑性变形的方式： 滑移和孪生。滑移和孪生。 常以滑移方式发生。常以滑移方式发生。（3 3）滑移：指晶体的一部分沿）滑移：指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。分发生滑动位移的现象。 实质：是由位错的移动来实现的。实质：是由位错的移动来实现的。铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带引入：一般情况下，金属都是多晶体，多晶体的变形与其中各个晶粒引入：一般情况下，金属都是多晶体，多晶体的变形与其中各个晶粒的变形行为有关，因而要了解单晶体的塑性变形的变形行为有关，

16、因而要了解单晶体的塑性变形。二、滑移二、滑移过程过程正应力能使晶格的距离加大，引起晶格弹性伸长；当正应正应力能使晶格的距离加大，引起晶格弹性伸长；当正应力足够大时，达到破坏原子间的吸引力，引起晶格分离，力足够大时，达到破坏原子间的吸引力，引起晶格分离，材料则出现断裂。材料则出现断裂。 （a a）在正应力作用下的变形）在正应力作用下的变形abc单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力（垂直于晶面）和切应力（平行于晶面）。应力（垂直于晶面）和切应力（平行于晶面）。a 单晶体b 弹性变形c 滑移变形（b b）在切应力作用下的变形）在切应力作用下的变形在

17、切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使在切应力的作用下，先使晶格发生弹性外扭，进一步将使晶格发生滑移变形。外力去除后，由于原子到了一新的平晶格发生滑移变形。外力去除后，由于原子到了一新的平衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。衡位置，晶体不能恢复到原来的形状，而保留永久的变形。大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出大量晶面的滑移将得到宏观变形效果，在晶体的表面将出现滑移产生的台阶。现滑移产生的台阶。三、滑移变形的特点三、滑移变形的特点 ： 滑移只能在切应力的滑移只能在切应力的作用下发生。作用下发生。 滑移开始时，并不是所有滑移开始时，并不是所有的面同时滑动，

18、而取决于的面同时滑动，而取决于面上的切应力的大小。面上的切应力的大小。产生滑移的最小切应力称产生滑移的最小切应力称临界切应力临界切应力. 滑移常沿晶体中原子密度滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。最大的晶面和晶向发生。 对于面心立方晶格来说，对于面心立方晶格来说，A晶面是原子排列最紧的面，与晶面是原子排列最紧的面，与相邻晶面的间距最大。晶面之相邻晶面的间距最大。晶面之间结合力最弱，再切应力的作间结合力最弱，再切应力的作用下，容易发生滑移。用下，容易发生滑移。B晶面晶面是原子排列疏松的晶面，面与是原子排列疏松的晶面，面与面的间距较小，面间的结合力面的间距较小，面间的结合力较强，不容易发生

19、滑移。较强，不容易发生滑移。同理，可以解释为什么滑移同理，可以解释为什么滑移发生在原子密度最大的晶向上。发生在原子密度最大的晶向上。a aa/2a/2a/a/2 2AABB 滑移的结果在晶体滑移的结果在晶体表面形成台阶。表面形成台阶。 滑移的过程首先出现滑移的过程首先出现滑移线，后来发展为滑移线，后来发展为滑移带。滑移带。 滑移时，晶体两部分滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子的相对位移量是原子间距的整数倍间距的整数倍.外力在晶面上的分解外力在晶面上的分解切应力作用下的变形切应力作用下的变形锌单晶的拉伸照片锌单晶的拉伸照片 滑移的同时伴随着晶体的转动滑移的同时伴随着晶体的转动 因为晶体的两部分

20、沿滑移面和滑移线移动后，使作用在滑移因为晶体的两部分沿滑移面和滑移线移动后，使作用在滑移面上的正应力不在同一轴线上而形成力偶，从而使晶体发生面上的正应力不在同一轴线上而形成力偶，从而使晶体发生转动。转动。多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行（5）滑移是由位错运动造成）滑移是由位错运动造成 如果把滑移设想为刚性整体移动，滑动所需的理论临界如果把滑移设想为刚性整体移动，滑动所需的理论临界切应力值（刚性移动）比实际测量临界切应力值大切应力值（刚性移动）比实际测量临界切应力值大3-4个个数量级，因此滑移不能理解为原子的刚性移动。数量级，因此滑移不能理解为原子的刚性移动。滑移是滑移是通过滑移面上位错的运动

21、来实现的，位错线从一端移动通过滑移面上位错的运动来实现的，位错线从一端移动到另一端。位错在运动时，只是位错附近的一部分原子到另一端。位错在运动时，只是位错附近的一部分原子移动。移动。第二节第二节 塑性变形对组织和性能的影响塑性变形对组织和性能的影响 一、塑性变形对组织结构的影响一、塑性变形对组织结构的影响 金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶金属发生塑性变形时，不仅外形发生变化，而且其内部的晶粒也相应地被拉长或压扁。粒也相应地被拉长或压扁。 1、形成纤维组织：当变形量很大时，晶粒会沿着变形量最大、形成纤维组织：当变形量很大时，晶粒会沿着变形量最大的方向上将被拉长为纤维状，晶界变

22、得模糊不清，形成纤维的方向上将被拉长为纤维状，晶界变得模糊不清，形成纤维组织。组织。2、亚结构细化：塑性变形中，位、亚结构细化：塑性变形中，位错不断运动和增殖，位错聚集错不断运动和增殖，位错聚集并不断发生交互作用，使晶粒并不断发生交互作用，使晶粒碎化成许多位向略有差异的小碎化成许多位向略有差异的小晶块，称为亚晶粒。晶块，称为亚晶粒。轧制轧制3、产生形变织构：由于晶粒的转动，、产生形变织构：由于晶粒的转动，当塑性变形达到一定程度时，会使当塑性变形达到一定程度时，会使绝大绝大部分晶粒部分晶粒的的滑移面和滑移方向与形变方滑移面和滑移方向与形变方向趋于一致向趋于一致，从而使多晶体中原来空间，从而使多晶

23、体中原来空间取向互不相同的各个晶粒在空间位向上取向互不相同的各个晶粒在空间位向上呈现一定程度的一致性，这种现象称择呈现一定程度的一致性，这种现象称择优取向。这种组织状态称为形变织构。优取向。这种组织状态称为形变织构。l根据加工方式分类：根据加工方式分类：l丝织构：拉拔变形过程中，丝织构：拉拔变形过程中，晶粒取向与变形方向平行。晶粒取向与变形方向平行。l板织构：轧制时晶粒的晶面板织构：轧制时晶粒的晶面与轧制面大致平行。与轧制面大致平行。l形变织构使金属呈现形变织构使金属呈现各向异性，导致各方向变形能力不同，在深各向异性，导致各方向变形能力不同，在深冲零件时，易产生冲零件时，易产生“制耳制耳”现象

24、，使零件边缘不现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。齐，厚薄不匀。板织构板织构丝织构丝织构形变织构示意图形变织构示意图各向异性导致的铜板各向异性导致的铜板 “制耳制耳”有有无无二、塑性变形对力学性能的影响二、塑性变形对力学性能的影响 1、加工硬化：金属材料随冷塑性变形量增加，金属的、加工硬化：金属材料随冷塑性变形量增加，金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。强度、硬度提高，塑性、韧性下降的现象称加工硬化。 根本原因：位错密度增加。根本原因：位错密度增加。冷塑性变形量，%屈服强度s，MPa1040钢(0.4%C)黄铜铜冷塑性变形量，%伸长率，%1040钢(0.4%C)黄铜铜第三节第三节

25、 回复与再结晶回复与再结晶一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化一、冷变形金属在加热时的组织和性能变化 Why？：？：金属经冷变形后金属经冷变形后, 由于内应力的存在，组织处于不由于内应力的存在，组织处于不稳定状态稳定状态, 有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。生产上，如有要不稳定状态可长时间维持。生产上，如有要求其组织结构和性能恢复到原始状态，并消除残余应力，求其组织结构和性能恢复到原始状态，并消除残余应力，就必须进行相应的热处理。就必须进行相应的热处理。 How?:一般采用退火加热，一般采用退

26、火加热，使原子扩散能力增加，金属将依使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大次发生回复、再结晶和晶粒长大。 加热温度加热温度 黄铜黄铜 再结晶过程再结晶过程1、定义：当变形金属加热到一定温度时、定义：当变形金属加热到一定温度时，原来的变形组织中重新生成并最，原来的变形组织中重新生成并最终被无畸变晶粒取代，终被无畸变晶粒取代，而且性能发生明显变化并恢复到变形前的变化过程。而且性能发生明显变化并恢复到变形前的变化过程。2、过程：首先在材料中变形严重处（即位错或其他缺陷集中处）形成新的、过程：首先在材料中变形严重处（即位错或其他缺陷集中处）形成新的晶核（亚晶长大说和晶界突出形核说），

27、这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶核（亚晶长大说和晶界突出形核说），这些小晶粒消耗周围发生过变形的晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过晶体而不断长大，同时也有新的小晶粒形成，直到新的晶粒全部代替变形过的晶体。这个过程也是一形核和核心长大。的晶体。这个过程也是一形核和核心长大。3、结果、结果 材料发生了再结晶后，由于材料发生了再结晶后，由于全部用新生成的晶粒替换了原全部用新生成的晶粒替换了原发生过塑性变形的晶粒，所以发生过塑性变形的晶粒，所以材料经过再结晶后，由冷塑性材料经过再结晶后，由冷塑性变形带来的所有性能变化就全变形带来的所有性能变化就全部消失，材料的组织发生了

28、变部消失，材料的组织发生了变化，性能完全彻底回到变形前化，性能完全彻底回到变形前的状态的状态。（1）再结晶再结晶不是相变过程，不是相变过程，再结晶再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。完全相同。（区别于重结晶）（区别于重结晶）（2）再结晶没有确定的转变温度，）再结晶没有确定的转变温度，再结晶是在温度达到一定程度后，再结晶是在温度达到一定程度后，原子活动能力增强发生迁移进行原子活动能力增强发生迁移进行晶格位置的重排，温度愈高，完晶格位置的重排，温度愈高，完成愈快，没有固定温度，但有一成愈快，没有固定温度，但有一温度下限，这个温度称为温度下限，这个温度称为再结晶再

29、结晶开始温度开始温度。冷变形黄铜组织性能随温度的变化冷变形黄铜组织性能随温度的变化 4、再结晶的特点、再结晶的特点5、再结晶温度、再结晶温度 定义：定义：经过严重变形（变形度经过严重变形（变形度70%以上）的金属，在约以上）的金属，在约保温保温1小时内能够完成再结晶的温度。小时内能够完成再结晶的温度。纯金属再结晶温度与熔点的关系：纯金属再结晶温度与熔点的关系： T T再再0.4T0.4T熔熔 其中其中T T再再、T T熔熔为热力学温度，即绝对温度。为热力学温度，即绝对温度。 （+273+273） 金属熔点越高金属熔点越高, T, T再再也越高。也越高。T T再再 = (T= (T熔熔+273)

30、+273)0.42730.4273如：如：FeFe的的T T再再=(1538+273)=(1538+273)0.4273=4510.4273=451第四节第四节 金属的热加工金属的热加工 冷加工与热加工冷加工与热加工 在金属学中，冷热加工的界限是以在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度再结晶温度来划分的。来划分的。 低于再结晶温度的加工称为冷加工，低于再结晶温度的加工称为冷加工， 高于再结晶温度的加工称为热加工。高于再结晶温度的加工称为热加工。轧制轧制模模锻锻拉拔拉拔第四章第四章 结晶相图结晶相图合金的相结构与组织合金的相结构与组织相图知识相图知识二元相图的基本类型与分析二元相图的基本类型与

31、分析相图与合金性能之间的关系相图与合金性能之间的关系一、概念一、概念黄铜（黄铜（Cu+Zn），铁（），铁（Fe+C），碳钢，合金钢），碳钢，合金钢组元：组成合金最基本、独立的物质称为组元。组元：组成合金最基本、独立的物质称为组元。组元可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组元组元可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组元可以是纯元素，也可以是化合物（在研究的范围内不可以是纯元素，也可以是化合物（在研究的范围内不发生分解）发生分解）根据组元数目的多少，分为二元合金、三元合金等。根据组元数目的多少，分为二元合金、三元合金等。给定组元，可以不同比例配制出一系列成分不同的合给定组元，可以不同比例配制出

32、一系列成分不同的合金，这一系列合金构成合金系。金，这一系列合金构成合金系。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜第一节第一节 合金的相结构合金的相结构引入：前面我们研究了金属的空间结构，金属的塑性变形，由于纯金属种类有限，一些性能无法满足人们对材料的性能需求，在工程中，我们通常用到的是合金。（2）相：是指金属或合金中，凡成分相同、结构）相：是指金属或合金中，凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。分。 a、具有同一化学成分。、具有同一化学成分。 b、结构相同。、结构相同。 c、合金中相与相有明显的界面。、合金中相与相有明显的界面。 例：纯

33、金属熔点以上为单相液体。合金固体，例：纯金属熔点以上为单相液体。合金固体，由一个相组成时为单相合金，有两个以上相组由一个相组成时为单相合金，有两个以上相组成的为多相合金。成的为多相合金。合金的相（晶格结构基本属性）分类：合金的相（晶格结构基本属性）分类：固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物单相单相合金合金两相两相合金合金第一节第一节 合金的相结构合金的相结构固溶体：合金组元相互溶解形成固溶体：合金组元相互溶解形成固相固相的晶体结构的晶体结构与组成合金的与组成合金的某一组元相同，某一组元相同，这类固相称为固溶体。这类固相称为固溶体。特点：特点：1 1）两种组元能够相互溶解。）两种组元能够相互溶解

34、。 溶解度：溶解度：在一定条件（温度）下，溶质组元在固溶体中的极限浓度。在一定条件（温度）下，溶质组元在固溶体中的极限浓度。2 2 ）形成固相晶体结构与其中一个组元相同。）形成固相晶体结构与其中一个组元相同。3 3 ）与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般含量较多；另一组元）与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般含量较多；另一组元为溶质，含量较少。为溶质，含量较少。1 1、定义、定义2 2、表示方法、表示方法 (1) (1) 按溶质原子在溶剂晶格中的位置分按溶质原子在溶剂晶格中的位置分间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体二、二、固态合金中的相固态合金中的相固溶体固溶体( (一一) )置换固溶体置换

35、固溶体溶质原子置换了溶剂晶格上某些结点位置溶质原子置换了溶剂晶格上某些结点位置上的原子形成的固溶体。上的原子形成的固溶体。（1 1）保持溶剂结构）保持溶剂结构 （2 2）溶质原子占据溶剂阵点位）溶质原子占据溶剂阵点位置置例：例：1Cr18Ni9 （奥氏体不锈钢），Cr和和Ni代替了部分铁原子，形成置换固溶体。代替了部分铁原子，形成置换固溶体。( (二二) ) 间隙固溶体间隙固溶体原子半径较小的溶质原子（原子半径较小的溶质原子（X X）占据溶剂）占据溶剂( (过渡族元素过渡族元素M)M)间隙位置形成的固溶体。间隙位置形成的固溶体。1 1）保持溶剂结构）保持溶剂结构2 2）溶质原子占据溶剂间隙位置

36、）溶质原子占据溶剂间隙位置3 3）溶质原子无序分布，故间隙固溶体永远）溶质原子无序分布，故间隙固溶体永远是无序固溶体。是无序固溶体。 r r质质/r/r剂剂0.59 AC )- A bcc, bcc, 复杂斜方复杂斜方 fccfcc-晶格改组晶格改组 0.0218% 6.69% 0.77% -0.0218% 6.69% 0.77% -FeFe、C C原子的扩散过程原子的扩散过程要获得全部奥氏体组织，必须要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到相应加热到A Ac3c3或或AcAccmcm以上以上。非共析钢的非共析钢的A化分两步：化分两步：1）首先完成）首先完成P的的A化；化；2）然后发生先共析相的）

37、然后发生先共析相的A化。（亚共析钢先化。（亚共析钢先析出相析出相F，过共析钢先共析，过共析钢先共析Fe3C）2、亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程、亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程钢种钢种加热温度加热温度组织组织亚共析钢Ac3以上A共析钢Ac1 以上A过共析钢Accm 以上A完全奥氏体化过程：钢种钢种加热温度加热温度组织组织亚共析钢Ac1 Ac3A F共析钢Ac1 稍上A Fe3C过共析钢Ac1Acc mA Fe3C非完全奥氏体化过程：第三节第三节 钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变冷却方式通常有三种：冷却方式通常有三种：（1 1）极其缓慢的冷却）极其缓慢的冷却 平衡结晶过平衡结晶过程。程。（2

38、2）等温冷却）等温冷却 将钢迅速冷却到临将钢迅速冷却到临界点（界点（A Ar1r1）以下的某一温度进行保）以下的某一温度进行保温，使其发生恒温转变；温，使其发生恒温转变；（3 3）连续冷却）连续冷却 即将钢以一定的速即将钢以一定的速度连续冷却，使其在临界点以下发度连续冷却，使其在临界点以下发生变温转变。生变温转变。连续冷却时 间保 温 时 间保 温温度等温冷却临界点加热引子：引子：热处理两个重要环节：加热和冷却。加热的目的是为了获得均匀细小热处理两个重要环节：加热和冷却。加热的目的是为了获得均匀细小的奥氏体晶粒。冷却也是热处理的关键工序，因为大多数零构件在室温下工的奥氏体晶粒。冷却也是热处理的

39、关键工序，因为大多数零构件在室温下工作，钢的性能取决于奥氏体冷却转变后的组织，因此研究不同冷却条件下钢作，钢的性能取决于奥氏体冷却转变后的组织，因此研究不同冷却条件下钢的奥氏体转变规律，对正确制定热处理工艺，获得预期性能具有重要意义。的奥氏体转变规律，对正确制定热处理工艺，获得预期性能具有重要意义。过冷奥氏体：过冷奥氏体：钢奥氏体化后，从高温冷却到钢奥氏体化后，从高温冷却到A1以下，此时奥氏体并不立即转以下，此时奥氏体并不立即转变，而处于热力学不稳定状态，把变，而处于热力学不稳定状态，把这种存在于这种存在于A1温度以下暂未发生转变的不温度以下暂未发生转变的不稳定奥氏体称为过冷奥氏体稳定奥氏体称

40、为过冷奥氏体。热处理工艺曲线热处理工艺曲线孕育期孕育期（1 1） 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。（2 2）孕育期最小处称）孕育期最小处称C C 曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。孕育期。孕育期最短处过冷奥氏体最不稳定，过冷奥氏体最容易转最短处过冷奥氏体最不稳定，过冷奥氏体最容易转变。变。（3 3）鼻尖以上、）鼻尖以上、A1A1以下，随着过冷度增大，孕育以下，随着过冷度增大，孕育期缩短，过冷期缩短，过冷A A稳定性降低。鼻尖以下稳定性降低。鼻尖以下MsMs以上，以上，随着过冷度增大，孕育期增大，过冷随着过冷度增大，孕育期增大，过冷A A的稳定性增的稳定性增加

41、。加。原因：原因：过冷过冷A A的稳定性取决于相变驱动力和原子扩的稳定性取决于相变驱动力和原子扩散能力，散能力，当温度较高时，过冷度小，相变驱动力小，当温度较高时，过冷度小，相变驱动力小，因而温度越高，反而稳定。鼻尖以下，温度较低，因而温度越高，反而稳定。鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。因而出现了扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。因而出现了先稳定性降低后稳定性增加的先稳定性降低后稳定性增加的“C”C”形状。形状。 转变产物：转变产物：C C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。变产物。3 3、C C 曲线的分析曲线

42、的分析4、影响、影响C 曲线的因素曲线的因素奥氏体的成分和奥氏体化的条件是影响曲线的主要因素。奥氏体的成分和奥氏体化的条件是影响曲线的主要因素。 成分的影响成分的影响 （包括含碳量和合金元素的影响）（包括含碳量和合金元素的影响） 含碳量的影响：含碳量的影响： A、亚共析钢中随着含碳量的增加、亚共析钢中随着含碳量的增加C曲线向右移，说明稳定性曲线向右移，说明稳定性，孕育期，孕育期 。（在相。（在相同的转变条件下，同的转变条件下，C的质量分数增加，铁素体形核几率减小，铁素体的长大需要扩散的质量分数增加，铁素体形核几率减小，铁素体的长大需要扩散离去的离去的c原子的量增大，故减慢铁素体析出，故右移），

43、共析钢原子的量增大，故减慢铁素体析出，故右移），共析钢C曲线最靠右。曲线最靠右。B、过共析钢随着含碳量的增加、过共析钢随着含碳量的增加C曲线左移，说明稳定性曲线左移，说明稳定性，孕育期，孕育期。 一般对过共析一般对过共析碳钢不进行全奥氏体化（正常加热温度是在碳钢不进行全奥氏体化（正常加热温度是在Ac1Accm之间），未溶二次渗碳体增之间），未溶二次渗碳体增加了过冷奥氏体的形核率，反而使孕育期缩短，加了过冷奥氏体的形核率，反而使孕育期缩短，C曲线又向左移动。曲线又向左移动。C、随着含碳量增加，要碳原子充分扩散，需要更大过冷度，因而、随着含碳量增加，要碳原子充分扩散，需要更大过冷度，因而Ms 与与

44、Mf 点下降。点下降。亚共析钢等温转变图亚共析钢等温转变图共析钢等温转变图共析钢等温转变图过共析钢等温转变图过共析钢等温转变图CrCr对对C C曲线的曲线的影响影响 合金元素的影响合金元素的影响（1 1）除除CoCo外外, , 凡溶入奥氏体的合金元素都凡溶入奥氏体的合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，增大过冷奥氏体的稳定性，使使C C曲线右曲线右移。移。 a a、非碳化物形成元素或弱碳化物形成、非碳化物形成元素或弱碳化物形成元素（如元素（如NiNi、 SiSi、CuCu、MnMn等）只改等）只改变变C C曲线的位置，不改变形状。曲线的位置，不改变形状。 b b、碳化物形成元素（如、碳化物形成元素

45、（如Cr Cr 、 MoMo、 WW、V V、TiTi等）不仅使等）不仅使C C曲线的位置发生变曲线的位置发生变化，还改变化，还改变C C曲线的形状，可使整个曲线的形状，可使整个C C曲线在鼻尖处分开形成上下两个曲线在鼻尖处分开形成上下两个C C曲线曲线（分别为珠光体和贝氏体转变区）。（分别为珠光体和贝氏体转变区）。（2 2）除）除CoCo和和Al Al 外外, ,所有合金元素都使所有合金元素都使Ms Ms 与与MMf f 点下降。点下降。4、影响、影响C 曲线的因素曲线的因素 奥氏体化条件的影响奥氏体化条件的影响奥氏体化条件主要是奥氏体化条件主要是奥氏体化温度和保温时间奥氏体化温度和保温时间

46、的影响。的影响。奥氏体化的温度提高和保温时间延长，会使奥氏体化的温度提高和保温时间延长，会使C C 曲线右移。曲线右移。 因为随着奥氏体化因为随着奥氏体化温度提高和保温时间的延长温度提高和保温时间的延长，奥氏体成分趋于均，奥氏体成分趋于均匀化，未溶碳化物减少，匀化，未溶碳化物减少，晶粒长大，晶界面积减少，从而降低了过晶粒长大，晶界面积减少，从而降低了过A A的的形核率和可能性，增加了过冷奥氏体的稳定性，形核率和可能性，增加了过冷奥氏体的稳定性，从而使从而使C C右移。但要注右移。但要注意奥氏体化晶粒度的影响。意奥氏体化晶粒度的影响。4、影响、影响C 曲线的因素曲线的因素小结：影响小结：影响C曲

47、线的因素，可以理解为凡是不利于转变形核曲线的因素，可以理解为凡是不利于转变形核的都要会使的都要会使C曲线右移，相反会左移。曲线右移，相反会左移。如：如：C%(亚亚 、过、过)右移； 合金元素合金元素(除除Co、Al)右移； 加加、t保保,C曲线向右移。曲线向右移。V V1 1，5.5/s，相当于炉冷（退火），转相当于炉冷（退火），转变产物为变产物为P P；v v2 2 ，20/s，相当于空冷（正火），转相当于空冷（正火），转变产物为变产物为S S或或T T；v v3 3 ，33/s，相当于油冷，转变产物为相当于油冷，转变产物为T+M+AT+M+A；V V4 4， 138/s，相当于水冷，转变产

48、物相当于水冷，转变产物为为M+AM+A。共析钢的共析钢的CCT曲线曲线3-3.33-3.3不同冷却速度得到的产物不同冷却速度得到的产物V1V2V3V41、冷却速度、冷却速度V1V2V3V4，冷却速度不，冷却速度不同，发生的转变及室温组织亦不同。同，发生的转变及室温组织亦不同。2、冷速很慢时，发生转变的温度较高，转、冷速很慢时，发生转变的温度较高，转变开始和转变终了的时间较长。冷速增大，变开始和转变终了的时间较长。冷速增大，发生转变的温度降低，时间缩短，而转变发生转变的温度降低，时间缩短，而转变经历的温度区间增大。经历的温度区间增大。3、冷却曲线遇终止线，、冷却曲线遇终止线，P转变停止，继续转变

49、停止，继续冷却，还要进行冷却，还要进行M转变。转变。如果将如果将CCTCCT曲线用虚线画在同一图中，曲线用虚线画在同一图中，比较后发现：比较后发现：珠光体型转变珠光体型转变对应转变曲线没有明显对应转变曲线没有明显的差别，开始和结束点滞后，的差别，开始和结束点滞后，CCTCCT曲线曲线在在TTTTTT曲线曲线的右下方的右下方，说明连续转变孕说明连续转变孕育期要长，转变温度要低一些。育期要长，转变温度要低一些。贝氏体转变被抑制不能发生。贝氏体转变被抑制不能发生。在在CCTCCT曲线上有一奥氏体转变中止线，只有部曲线上有一奥氏体转变中止线，只有部分奥氏体分解，随后的一段时间内，剩分奥氏体分解，随后的

50、一段时间内，剩余的奥氏体并不发生转变，直到马氏体余的奥氏体并不发生转变，直到马氏体点后，发生马氏体转变，所得组织为点后，发生马氏体转变，所得组织为T TMMAA；马氏体点及以下状态马氏体点及以下状态，连续冷却曲线，连续冷却曲线和等温冷却转变曲线没有明显的差别。和等温冷却转变曲线没有明显的差别。用用TTT曲线定性说明共析钢连续冷却时曲线定性说明共析钢连续冷却时的组织转变的组织转变炉炉冷冷空空冷冷油油冷冷水水冷冷PST+M+AM+A3-3.53-3.5共析钢共析钢CCTCCT曲线和曲线和TTTTTT曲线异同曲线异同第四节第四节 钢的退火与正火钢的退火与正火 机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）

51、机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预预 备热处理备热处理机加工机加工最终最终热处理。热处理。 预备热处理预备热处理 : 退火退火 ; 正火；调质。正火；调质。 最终热处理最终热处理 : 淬火淬火 ; 不同的回火。不同的回火。4.1 退火退火 退火：将偏离平衡组织的钢加退火：将偏离平衡组织的钢加热至热至Ac1Ac1以上或以下温度，保温以上或以下温度，保温一定时间，然后缓慢冷却一定时间，然后缓慢冷却 ( (炉冷、炉冷、坑冷、砂冷、灰冷坑冷、砂冷、灰冷) ) ，获得近似，获得近似于平衡组织的热处理工艺。于平衡组织的热处理工艺。1、退火目的、退火目的l调整硬度，便于切削加工。（中碳以上及合金钢）

52、调整硬度，便于切削加工。（中碳以上及合金钢）l 消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。l 均匀组织，细化晶粒，为最终热处理作组织准备。均匀组织，细化晶粒，为最终热处理作组织准备。 真空退火炉真空退火炉 退火的种类很多，按照加退火的种类很多，按照加热温度划分：热温度划分： （1）完全退火）完全退火 （2）等温退火）等温退火 （3）球化退火）球化退火 （4）扩散退火）扩散退火 （5）去应力退火）去应力退火 （6）再结晶退火）再结晶退火2、退火种类、退火种类加热温度范围加热温度范围定义：定义：完全退火是将钢件加热到完全退火是将钢件加热到AcAc3 3以上以上30

53、503050，经完全奥氏体化后进行缓慢冷，经完全奥氏体化后进行缓慢冷却却( (随炉冷却或埋入石灰、干沙中自然冷却随炉冷却或埋入石灰、干沙中自然冷却) )，至至600600空冷，以获得近似于平衡组织的热空冷，以获得近似于平衡组织的热处理工艺。处理工艺。目的：目的：细化晶粒、均匀组织，消除内应力，细化晶粒、均匀组织，消除内应力，降低硬度，便于加工。降低硬度，便于加工。用途：用途：适用于亚共析钢（适用于亚共析钢（w wc c=0.30.6%=0.30.6%）。）。不适用于低碳钢和过共析钢（低碳钢冷却不适用于低碳钢和过共析钢（低碳钢冷却后硬度不足，不利于切削加工，过共析钢后硬度不足，不利于切削加工，过

54、共析钢析出二次渗碳体，强度塑性韧性析出二次渗碳体，强度塑性韧性）。）。 室温组织：室温组织：P+FP+F，可认为是平衡组织。，可认为是平衡组织。 完全退火完全退火加热速度：加热速度：100-200/h保温时间：保温时间：=KD其中：其中：K为加热系数，为加热系数，1.5-2.0min/mm。D为工件厚度。为工件厚度。（1）保证工件要烧透。）保证工件要烧透。（2）保证全部奥氏体化。）保证全部奥氏体化。冷却速度：冷却速度：30-120/h 定义：定义：将将亚共析钢加热亚共析钢加热到到Ac3+3050, 共析、过共析钢加热共析、过共析钢加热到到Ac1+3050，保温，保温后，快冷到后，快冷到Ar1以

55、下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷，使奥氏体转变为以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷，使奥氏体转变为珠光体的热处理工艺。珠光体的热处理工艺。 目的：目的：等温退火与完全退火的目的一致，不但可缩短工件在炉内停留时间，提高生等温退火与完全退火的目的一致，不但可缩短工件在炉内停留时间，提高生产效率，而且在同一温度下发生的转变，获得的组织和性能均匀。产效率，而且在同一温度下发生的转变，获得的组织和性能均匀。 组织：球状组织：球状P或或F+P 用途：用途：等温退火主要用于亚、共、过共析钢。等温退火主要用于亚、共、过共析钢。高速钢等温退火与普通退火的高速钢等温退火与普通退火的比较比较 等温退

56、火等温退火 高速钢等温退火工艺曲线高速钢等温退火工艺曲线（3 3）球化退火（不完全退火）球化退火（不完全退火） （1 1）定义：）定义：将将过共析钢过共析钢加热到加热到AcAc1 1以上以上10201020，充分保温，充分保温，使二次渗碳体球化，使二次渗碳体球化，然后随炉缓冷的热处理工艺。然后随炉缓冷的热处理工艺。（2 2）特点：低温短时间加热和缓慢冷却。）特点：低温短时间加热和缓慢冷却。当当加热温度超过加热温度超过AcAc1 1时，渗碳体刚开始溶解，又时，渗碳体刚开始溶解，又未完全溶解，层片状的渗碳体逐渐断开，形成未完全溶解，层片状的渗碳体逐渐断开，形成小的链状或点状，分散在铁素体基体上。在

57、随小的链状或点状，分散在铁素体基体上。在随后的缓冷过程中，以原有的渗碳体或碳原子浓后的缓冷过程中，以原有的渗碳体或碳原子浓度高的地方为核心，形成颗粒状渗碳体。度高的地方为核心，形成颗粒状渗碳体。（3 3）目的：）目的：降低材料的硬度，保证足够的韧降低材料的硬度，保证足够的韧性，便于进行机械加工，均匀组织为以后淬火性，便于进行机械加工，均匀组织为以后淬火作好组织准备。作好组织准备。（4 4）组织：）组织：球状球状P P （5 5）适用：主要用于共析或过共析成分的碳）适用：主要用于共析或过共析成分的碳钢或者合金钢。钢或者合金钢。加热温度范围加热温度范围（4）扩散退火扩散退火 （均匀化退火）（均匀化

58、退火）（1 1）定义：）定义：将钢加热到略低于固相线的温将钢加热到略低于固相线的温度，长时间保温（度，长时间保温（1020 h1020 h），缓慢冷），缓慢冷却以消除成分偏析的热处理工艺。却以消除成分偏析的热处理工艺。 （2 2）加热温度：）加热温度：略低于固相线温度。略低于固相线温度。亚共析钢亚共析钢：T TAcAc3 3 + + （150150300)300)过共析钢：过共析钢：T TAcAccmcm+ +（150150300)300)（3 3）目的：）目的：为了消除晶内偏析，使成分均为了消除晶内偏析，使成分均匀化，实质是使合金元素的原子充分扩匀化，实质是使合金元素的原子充分扩散。散。(4

59、)(4)适用适用：合金铸铁和铸锭。：合金铸铁和铸锭。(5)(5)后续处理：后续处理：保温保温10102020小时退火后晶粒小时退火后晶粒较粗大，一般还须进行完全退火或正火较粗大，一般还须进行完全退火或正火处理。处理。（5 5）去应力退火）去应力退火 （1 1）方法：）方法：将钢较慢加热到将钢较慢加热到500500600(600(低于低于A A1 1) )，保温一定保温一定时间，后随炉慢冷时间，后随炉慢冷到到200300200300以下出炉。以下出炉。 （2 2）目的：由于）目的：由于温度低于温度低于A A1 1，钢，钢中无相变发生，组织没有明显中无相变发生，组织没有明显变化，可完全消除残余内应

60、力。变化，可完全消除残余内应力。（3 3）用途：）用途： 主要用于消除锻件、主要用于消除锻件、铸件、焊接构件存在残余内应，铸件、焊接构件存在残余内应，或拉、拔、挤压等冷加工或机或拉、拔、挤压等冷加工或机加工的变形或其它原因产生的加工的变形或其它原因产生的内应力。内应力。 （6 6）再结晶退火）再结晶退火 （1 1）定义：将冷变形后的金属加）定义：将冷变形后的金属加热到在结晶温度以上，保持一热到在结晶温度以上，保持一定时间，使变形晶粒重新转变定时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬为均匀等轴晶粒而消除加工硬化现象的热处理工艺。化现象的热处理工艺。 （2 2）工艺：）工艺： T T再再