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1、1Mechanical Engineering Materials2 3 图1-1 晶体中的原子堆垛刚球模型（a）、晶格（b）和晶胞（c）示意图4 图1-2 晶格参数5 及(a)体心立方（b）面心立方（c）密排六方621818n4216818n632126112n7ar43ar42ar218（3）配位数和致密度）配位数和致密度9（3）配位数和致密度）配位数和致密度33334342234U30.68arnKVaa33334244434U30.74arnKVaa333241466U3230.743 383 223arnKVaaa10晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方280.68面心

2、立方4120.74密排六方6120.7443a42a2a1112131415161718结晶概述：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。结晶概述：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。 结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的能量状态趋向较低的能量状态。能量状态趋向较低的能量状态

3、。通常在凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体，故通常在凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体，故也称其为结晶。金属材料的成形，除粉末冶金材料外，也称其为结晶。金属材料的成形，除粉末冶金材料外，一般要经过熔炼和浇注，即经过一个结晶过程。金属结一般要经过熔炼和浇注，即经过一个结晶过程。金属结晶时形成的组织晶时形成的组织铸态组织，不仅影响其铸态的性能，铸态组织，不仅影响其铸态的性能，而且也影响其经冷、热加工后材料的组织与性能。而且也影响其经冷、热加工后材料的组织与性能。 1.4 1.4 凝固的基本概念凝固的基本概念 19结晶是一个自发过程，结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即但必须具备一定条

4、件，即需要驱动力。需要驱动力。理论结晶温度理论结晶温度T0T0与实际与实际结晶温度结晶温度TnTn之差称为过冷之差称为过冷度，即度，即T=T0TnT=T0Tn。只有当驱动力达到一定只有当驱动力达到一定程度时，液态金属才能开程度时，液态金属才能开始结晶。可见结晶的必要始结晶。可见结晶的必要充分条件是液态金属具有充分条件是液态金属具有一定的过冷度。一定的过冷度。20凝固产物凝固产物液态物质凝固成固态时，凝固的产物并非都是液态物质凝固成固态时，凝固的产物并非都是晶晶 体，也可能是非晶体。体，也可能是非晶体。凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融液体的黏度和凝

5、固的速度。液体的黏度和凝固的速度。冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素从冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素从能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，它将转变成晶体；若部分释放内能，则转化成非它将转变成晶体；若部分释放内能，则转化成非晶体。所以，非晶体是处于亚稳定状态的物质。晶体。所以，非晶体是处于亚稳定状态的物质。21 金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。 （1 1）晶核的形成：在过冷液体中形成固态晶核，有两种）晶核的形成：在过冷液体中形成固态晶核，有两种形核方式：一种是均匀形核，

6、又称为均质形核；另一种称为形核方式：一种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为非均匀形核，又称为异质形核（也称杂质形核）。非均匀形核，又称为异质形核（也称杂质形核）。1.5 1.5 金属的结晶金属的结晶22u均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。u异质形核是液态金属原子，依附于模壁或液相中异质形核

7、是液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核的过程。未熔固相质点表面，优先形成晶核的过程。u由形核的讨论可知过冷是结晶的必要条件，但过由形核的讨论可知过冷是结晶的必要条件，但过冷后还需通过能量起伏和结构起伏，使近程有序的冷后还需通过能量起伏和结构起伏，使近程有序的原子集团达到某一临界尺寸后才能形成晶核。原子集团达到某一临界尺寸后才能形成晶核。23 （2 2）晶核的长大）晶核的长大 一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液固固相界

8、面向液相不断推进的过程。晶体的生长有相界面向液相不断推进的过程。晶体的生长有2 2种常见的形种常见的形态。一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长。态。一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长。24 通常把实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过通常把实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。只有当温度降到只有当温度降到T T0 0以下某一温度以下某一温度T1T1时，固态原子的自由能时，固态原子的自由能低于保持液态原子的自由能低，结晶才能有效进行。低于保持液态原子的自由能低，结晶才能有效进行。金属

9、的冷却曲线金属的冷却曲线25 结晶后的晶粒大小及其结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来表示，的大小可用晶粒度来表示，晶粒的大小是形核率晶粒的大小是形核率N N和长和长大速度的函数，影响形核率大速度的函数，影响形核率和长大速度的重要因素是冷和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。却速度和难熔杂质。结晶后的晶粒大小及其控制结晶后的晶粒大小及其控制26 晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒度越细小，强度和硬度则在常温下，金属的晶粒度越细小，强

10、度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。越高，同时塑性韧性也越好。 通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。称为细晶强化。 细化晶粒的方法主要有如下几种：细化晶粒的方法主要有如下几种： （1 1）增大过冷度）增大过冷度 （2 2）变质处理）变质处理 （3 3）振动和搅拌）振动和搅拌影响晶粒大小的因素和细化晶粒的措施影响晶粒大小的因素和细化晶粒的措施27金属铸锭的组织特点金属铸锭的组织特点：（1 1）表层细晶区；）表层细晶区；（2 2）柱状晶区；）柱状晶区；（3 3）中心等轴晶区。）中心等轴晶区。金属铸锭的结晶组织金属铸锭的结晶组织28u金属晶体的同

11、素异构金属晶体的同素异构 金属的晶格因温度改变而发生晶格类型变化的现象称为金属的晶格因温度改变而发生晶格类型变化的现象称为同素异构转变。同素异构转变。 金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。1.6 1.6 材料的同素异构现象材料的同素异构现象29u有机高分子的同分异构有机高分子的同分异构 化学上具有同一种相同化学式，同样的化学键化学上具有同一种相同化学式，同样的化学键但原子排列不同的现象，称为同分异构现象；有但原子排列不同的现象，称为同分异构现象；有机物

12、中的同分异构体有旋光异构、几何异构和键机物中的同分异构体有旋光异构、几何异构和键接异构三种。接异构三种。u无机非金属晶体的同素异构无机非金属晶体的同素异构 无机非金属的同素异构又称为同质异构，是无机非金属的同素异构又称为同质异构，是指同一种化学成分而具有不同的晶体结构的现象。指同一种化学成分而具有不同的晶体结构的现象。 相同成分的物质，常常可能有一种以上的原子相同成分的物质，常常可能有一种以上的原子排列。成分相同而结构不同的物质称为异构体。排列。成分相同而结构不同的物质称为异构体。结构不同会使材料的性能不同。结构不同会使材料的性能不同。30有机高分子的旋光异构有机高分子的旋光异构 正四面体的中

13、心原子（如正四面体的中心原子（如C C、Si Si、P P、N N）上）上四个取代基或原子如果是不对称的，则可能产生四个取代基或原子如果是不对称的，则可能产生异构体，常称为旋光异构异构体，常称为旋光异构 。 31有机高分子的旋光异构有机高分子的旋光异构 由旋光异构体的中心原子链接而成的高分子就有三种键由旋光异构体的中心原子链接而成的高分子就有三种键接方式。以接方式。以CCCC链为例，若取代基全部处于主链一侧时，称链为例，若取代基全部处于主链一侧时，称为全同立构；当取代基交替位于主链两侧时称为间同立构；为全同立构；当取代基交替位于主链两侧时称为间同立构；当取代基在主链两侧作不规则分布时，则称为无

14、规立构。当取代基在主链两侧作不规则分布时，则称为无规立构。 32有机高分子的几何异构有机高分子的几何异构 组成双键的两个碳原子同时被两个不同原子或基团组成双键的两个碳原子同时被两个不同原子或基团取代时，由于内双键上的基团在双键两侧排列方式不同取代时，由于内双键上的基团在双键两侧排列方式不同而形成顺式和反式构型之分，称为几何异构。而形成顺式和反式构型之分，称为几何异构。 不同的制备方法或不同催化体系得到不同的几何异不同的制备方法或不同催化体系得到不同的几何异构体，对该聚合物的性能起决定性作用。构体，对该聚合物的性能起决定性作用。 33有机高分子的键接异构有机高分子的键接异构 键接异构是指结构单元

15、在高分子中的连接方键接异构是指结构单元在高分子中的连接方式，有头式，有头头键接、头头键接、头尾键接、尾尾键接、尾尾键接三尾键接三种方式。种方式。 单体单元的键合方式不同，对聚合物的性能单体单元的键合方式不同，对聚合物的性能特别是化学性能有很大的影响。例如，用作合成特别是化学性能有很大的影响。例如，用作合成纤维的聚合物，一般都要求分子链中单体单元排纤维的聚合物，一般都要求分子链中单体单元排列规整，以提高聚合物的结晶性能。列规整，以提高聚合物的结晶性能。 34Materials For Mechanical Engineering 3536373839拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样

16、的颈缩现象40L Fopes bk()（） 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线（外力（外力F-变形量变形量L曲线曲线及应力及应力 -应变应变曲线）曲线）41424344布氏硬度试验原理示意图布氏硬度试验原理示意图 4546洛氏硬度试验原理示意图洛氏硬度试验原理示意图4748维氏硬度试验原理示意图维氏硬度试验原理示意图 49维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度原理维氏硬度原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕50摆锤式冲击试验原理示意图摆锤式冲击试验原理示意图 5152韧脆转变温度曲线示意图韧脆转变温度曲线示意图解理断口解理断口韧窝断口韧窝断口53。54一个一个疲劳疲劳源源两个两个疲劳疲劳源源断口示意图断口示意图5

17、5 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 565758595万吨水压机万吨水压机606162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63 64 6566滑移面滑移面滑移方向滑移方向FF67体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格1106111110111晶格晶格滑滑移移面面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系21114362=1243=12六方六方底面底面1底面底面对角线对角线313=3六方底面六方底面底面底面对角线对角线 68（面心立方）（面心立方）（密排六方）（密

18、排六方） 69铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带 707172l当滑移面、滑移方向与外力方向都呈当滑移面、滑移方向与外力方向都呈45角时，滑移角时，滑移方向上方向上切应力最大，因而最容易发生滑移切应力最大，因而最容易发生滑移.A0AA1FF滑移面滑移面滑移方向滑移方向最大切应力方向最大切应力方向7374多多 脚脚 虫虫 的的 爬爬 行行75767778孪晶组织孪晶组织孪生示意图孪生示意图7980奥氏体不锈钢中退火孪晶奥氏体不锈钢中退火孪晶钛合金六方相中的形变孪晶钛合金六方相中的形变孪晶8182Cu-4.5Al合金晶合金晶界的位错塞积界的位错塞积838485晶粒大小与金属强度关系晶粒大小与

19、金属强度关系Cu-Zn合金86应变应变应力应力塑性材料塑性材料脆性脆性材料材料8788珠光体珠光体奥氏体奥氏体8990Cu-Ni合金成分与性能关系合金成分与性能关系91 + 钛合金中的固溶体第二相钛合金中的固溶体第二相DD398高温合金中的化合物第二相高温合金中的化合物第二相92珠光体珠光体93l弥散强化的弥散强化的原因原因：硬的颗粒不易被：硬的颗粒不易被切变，阻碍了位错的运动，提高了切变，阻碍了位错的运动，提高了变形抗力。变形抗力。颗粒钉扎作用的电镜照片颗粒钉扎作用的电镜照片94电镜观察电镜观察切割进入第二相粒子的位错切割进入第二相粒子的位错示意图示意图95l塑性变形还使晶粒破塑性变形还使晶

20、粒破碎为亚晶粒。碎为亚晶粒。变形前变形前变形后变形后965%冷变形纯铝中的位错网冷变形纯铝中的位错网(a) 正火态正火态(c) 变形变形80%(b) 变形变形40%97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9899冷塑性变形量，冷塑性变形量，%屈服强度，屈服强度，MPa1040钢钢(0.4%C)黄铜黄铜铜铜冷塑性变形量，冷塑性变形量，%伸长率，伸长率，%1040钢钢(0.4%C)黄铜黄铜铜铜100101102变形变形20%纯铁中的位错纯铁中的位错未变形纯铁未变形纯铁103曲轴中内应力的模拟曲轴中内应力的模拟104晶界位错塞

21、积所晶界位错塞积所引起的应力集中引起的应力集中105加热温度加热温度 黄铜黄铜106 10780%冷变形冷变形Al合金回合金回复后的复后的TEM明场像明场像 108铁素体变形铁素体变形80%670加热加热650加热加热109Al合金再结晶晶粒在原合金再结晶晶粒在原变形组织晶界上形核变形组织晶界上形核冷变形奥氏体不锈钢冷变形奥氏体不锈钢加加热时热时再结晶晶粒形核于再结晶晶粒形核于高密度位错基体上高密度位错基体上110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 冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜黄铜580C保温保温15分后的的再结晶组织分后的的再结晶组织111580C保温

22、保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织冷变形冷变形(变形量为变形量为38%)黄铜的再结晶黄铜的再结晶112T再再与与的关系的关系113合金元素对工业纯铁再结晶温度的合金元素对工业纯铁再结晶温度的影响影响纯度对铝再结晶温度的纯度对铝再结晶温度的影响影响114黄铜黄铜580C保温保温8秒后的组织秒后的组织黄铜黄铜580C保温保温15分后的组织分后的组织115黄铜再结晶后晶粒的长大黄铜再结晶后晶粒的长大580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580580C C保温保温1515分后的组织分后的组织700700C C保温保温1010分后的组织

23、分后的组织 116原子穿过原子穿过晶界扩散晶界扩散晶界迁晶界迁移方向移方向117冷变形量为冷变形量为38的组织的组织580C保温保温3秒后的组织秒后的组织580C保温保温4秒后的组织秒后的组织580C保温保温8秒后的组织秒后的组织580C保温保温15分后的组织分后的组织 700C保温保温10分后的组织分后的组织118再结晶退火温度对晶粒度的影响再结晶退火温度对晶粒度的影响119预先变形度对再结晶晶粒度的影响预先变形度对再结晶晶粒度的影响120121系系关关的的间间之之度度温温及及度度形形变变预预与与度度粒粒晶晶晶晶结结再再 122轧制轧制模锻模锻拉拔拉拔123巨型自由锻件巨型自由锻件12412

24、5模锻模锻自由锻自由锻轧制轧制正挤压正挤压反挤压反挤压拉拔拉拔冲压冲压126127锻压锻压热轧热轧粗晶粒材料粗晶粒材料变形拉长变形拉长的晶粒的晶粒再结晶晶再结晶晶粒形核粒形核再结晶晶再结晶晶粒长大粒长大再结晶完成再结晶完成晶粒细而晶粒细而均匀材料均匀材料热加工动态再结晶示意图热加工动态再结晶示意图128滚压成型后螺纹内部的纤维分布滚压成型后螺纹内部的纤维分布吊钩中的纤维组织吊钩中的纤维组织129正火组织正火组织带状组织带状组织130蒸汽蒸汽- -空气锤空气锤131132 133 因因 素素 控制途径及其行为控制途径及其行为 晶粒细化晶粒细化 发生发生 的动态再结晶和静态再结晶；的动态再结晶和静

25、态再结晶；在未再结晶区轧制变形，使晶内产生变形带，促使相变细化；在未再结晶区轧制变形，使晶内产生变形带，促使相变细化；控制轧后相变时的冷却速度，防止晶粒长大控制轧后相变时的冷却速度，防止晶粒长大析出强化析出强化 铌、钒、钛元素碳氮化物应变诱导析出铌、钒、钛元素碳氮化物应变诱导析出 加工硬化加工硬化 在（）两相区轧制变形时变形铁素体的回复和再结晶在（）两相区轧制变形时变形铁素体的回复和再结晶 相变强化相变强化 针状铁素体钢、贝氏体钢的单相强化；二相分离型相变针状铁素体钢、贝氏体钢的单相强化；二相分离型相变 134 135136 137图图2-38 2-38 线型无定型高聚物温度线型无定型高聚物温

26、度形变曲线形变曲线138139140图图2-39 2-39 温度对高聚物的力学状态的影响温度对高聚物的力学状态的影响141高度结晶高度结晶轻度结晶轻度结晶非晶态非晶态21MM gTfmTTfT温度温度变形变形142143图图2-41 2-41 体型高分子的网状结构示意图体型高分子的网状结构示意图 144145146147图图2-42 2-42 高分子应力一应变曲线高分子应力一应变曲线148Mechanical Engineering Materials149 150 。151图3-1 纯铜的冷却曲线及相图图3-2 Cu-Ni合金相图152153图3-3 用热分析法测定Cu-Ni合金相图1541

27、PCf1PCf2PCf2PCf155 图3-4 杠杆定律的证明图3-5 杠杆定律的力学比喻1561wwLCCwCwLL1abrbCCCCwLLabarCCCCwLLarrbwwL157rbwarwL%100abrbwL%100abarw158159160图3-6 Cu-Ni合金相图及典型合金平衡结晶过程分析161162图3-7 Cu-Ni合金固溶体的显微组织163%100122xxxxwL%100121xxxxwwwL1或图3-8 杠杆定律的应用164165 图3-9 简单共晶相图Lc A + Bt166图3-12 Pb-Sn合金相图167图3-14 19.2%Sn的Sn-Pb组织 (200)

28、图3-13 合金I的冷却曲线及结晶过程168%1004FGF%1004FGG169 图3-15 合金的冷却曲线及结晶过程图3-16 Pb-Sn共晶合金的室温组织(100)170Lc D+Et%4 .45%1002 .195 .979 .615 .97%100DECED171图3-17 合金的冷却曲线及结晶过程图3-18 Pb-Sn亚共晶合金的室温组织(100)172图3-20 Pb-Sn过共晶合金的室温组织(100)图3-19 合金的冷却曲线及结晶过程173图3-21 以组织组成物填写的Pb-Sn合金相图174%1002DEED%1001）（DE%1002DCCD%1001）（）（DED175

29、 图3-22 Pt-Ag合金相图176tD177图3-23 合金的平衡结晶过程178%17.57%1005 .103 .665 .104 .42%100PCPDLC%83.425 .103 .664 .423 .66%100PCDCP179 图3-24 合金的平衡结晶过程180%100PCPHLC%100PCHCP181图3-25 合金的平衡结晶过程182727183图3-26 Mg-Si合金相图184185图3-28相图与合金的硬度、强度及电导率之间的关系3.3.2 合金的工艺性能与相图之间的关系合金的工艺性能与相图之间的关系3.3.2 合金的工艺性能与相图之间的关系合金的工艺性能与相图之间

30、的关系186图3-29 相图与合金铸造性能之间的关系3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 由于钢铁材料的基本组元是铁和碳，故统称为铁碳由于钢铁材料的基本组元是铁和碳，故统称为铁碳合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体合金。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。、珠光体和莱氏体。 (1)(1)铁素体铁素体 概念：碳溶入概念：碳溶入-e e中形成的间隙固溶体称为铁素中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号体，用符号F F表示。表示。 晶格：铁素体仍具有晶格：铁素体仍具有-Fe-Fe的体心立方晶格。的体心立方晶格。 溶解度：碳在溶解度：碳在-Fe-Fe中的溶解度小

31、，中的溶解度小，727727时溶解度时溶解度最大为最大为0.0218%0.0218%，室温时几乎位零。，室温时几乎位零。1873.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。性能：铁素体的性能与纯铁相似，塑性、韧性好，而强度、硬度低。 组织：多边形晶粒。组织：多边形晶粒。 （2 2）奥氏体）奥氏体 概念：碳溶入概念：碳溶入-Fe-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A A表示。奥氏体存在于表示。奥氏体存在于727727以上。以上。 晶格：奥氏体具有晶格：奥氏体具有-Fe-Fe的面心立方晶格。的面心立

32、方晶格。 1883.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 溶解度：溶解度：-Fe-Fe的溶碳能力比的溶碳能力比-Fe-Fe大，大，727727时溶时溶解度为解度为0.77%0.77%，随着温度的升高，溶碳量增多，随着温度的升高，溶碳量增多，11481148时其溶解度最大为时其溶解度最大为2.11%2.11%。 性能：性能：奥氏体的强度和硬度奥氏体的强度和硬度 不高，塑性和韧性很好，易不高，塑性和韧性很好，易 锻压成形。锻压成形。 组织：组织：多边形晶粒，多边形晶粒， 晶粒内有孪晶。晶粒内有孪晶。1893.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 （3 3）渗碳体）渗碳体 概

33、念：渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金概念：渗碳体是铁和碳形成的一种具有复杂晶体结构的金属化合物，用化学式属化合物，用化学式FeFeC C表示。表示。 性能：渗碳体中碳的质量分数性能：渗碳体中碳的质量分数 为为6.69%6.69%，熔点为，熔点为12271227，硬度很，硬度很 高高(800HBW)(800HBW)，塑性和韧性很低，脆，塑性和韧性很低，脆 性大。性大。 作用：渗碳体是钢中主要的强作用：渗碳体是钢中主要的强 化相，它的数量、形状、大小及分化相，它的数量、形状、大小及分 布状况对钢的性能影响很大。布状况对钢的性能影响很大。1903.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的

34、基本组织 （4 4）珠光体）珠光体 概念：珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符概念：珠光体由铁素体和渗碳体组成的多相组织，用符号号P P表示。表示。 成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为成分与性能：珠光体中碳的质量分数平均为0.77%0.77%，其性，其性能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬能介于铁素体和渗碳体之间，即具有较高的强度和塑性，硬度适中。度适中。 组织：在显微镜放大倍数较组织：在显微镜放大倍数较 高时，能清楚地看到铁素体和渗高时，能清楚地看到铁素体和渗 碳体呈片层状交替排列的情况。碳体呈片层状交替排列的情况。 由于珠光体中渗碳体量较铁素体由于珠光体中渗碳体量

35、较铁素体 少，因此渗碳体层片较铁素体层少，因此渗碳体层片较铁素体层 片薄。片薄。1913.4 3.4 铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织 （5 5）莱氏体）莱氏体 概念：碳含量为概念：碳含量为4.3%4.3%的液态铁碳合金冷却到的液态铁碳合金冷却到11481148时时，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用，同时结晶出奥氏体和渗碳体的多相组织称为莱氏体，用符号符号LdLd表示。在表示。在727727以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组以下莱氏体变成由珠光体和渗碳体组成，称为变态莱氏体，用符号成，称为变态莱氏体，用符号LdLd表示。表示。 性能：莱氏体的性能性能：莱氏体的性能 与渗碳体相

36、似，硬度很高，与渗碳体相似，硬度很高， 塑性很差。塑性很差。1923.5 3.5 Fe-FeFe-Fe3 3C C相图相图 铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，铁碳合金相图是指在极其缓慢的加热或冷却的条件下，不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的不同成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的状态或组织的图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基图形，是研究铁碳合金成分、组织和性能之间关系的理论基础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。础，也是选材、制定热加工工艺及热处理工艺的重要依据。1933.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图 3.

37、5.1 3.5.1 相图分析相图分析 （1 1）相图中的主要特性点）相图中的主要特性点 A A点：点：纯铁的熔点纯铁的熔点 C C点：点：共晶点共晶点 D D点：点：渗碳体的熔点渗碳体的熔点 E E点：点：碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 G G点：纯铁的同素异晶转变点点：纯铁的同素异晶转变点 P P点：点：碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度 S S点：点：共析点共析点 Q Q点：点：碳在碳在-Fe中的溶解度中的溶解度1943.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图 （2 2）相图中的主要特性线）相图中的主要特性线 ACDACD线：液相线，在线：液相线，在ACD

38、ACD线以上合金为液态，用符号线以上合金为液态，用符号L L表示表示。液态合金冷却到此线时开始结晶，在。液态合金冷却到此线时开始结晶，在ACAC线以下结晶出奥氏体线以下结晶出奥氏体，在，在CDCD线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体（线以下结晶出渗碳体，称为一次渗碳体（FeFeC C）。）。 AECFAECF线：固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线：固相线，在此线以下合金为固态。液相线与固相线之间为合金的结晶区域，这个区域内液体和固体共存。线之间为合金的结晶区域，这个区域内液体和固体共存。 ECF线：共晶线，温度为线：共晶线，温度为1148。液态合金冷却到该线温。液态合金冷却到该线温度时

39、发生共晶转变度时发生共晶转变,即即C点成分的液态合金缓慢冷却到共晶温度点成分的液态合金缓慢冷却到共晶温度(1148)时，从液体中同时结晶出时，从液体中同时结晶出E点成分的奥氏体和渗碳体。点成分的奥氏体和渗碳体。共晶转变后的产物称为莱氏体共晶转变后的产物称为莱氏体，C点称为共晶点。凡是碳的质点称为共晶点。凡是碳的质量分数为量分数为2.11%6.69%的铁碳合金均会发生共晶转变。的铁碳合金均会发生共晶转变。1953.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图 PSKPSK线：共析线，又称线：共析线，又称A A线，温度为线，温度为727727。铁碳合金冷。铁碳合金冷却到该线温度时发生共析转

40、变，即却到该线温度时发生共析转变，即S S点成分的奥氏体缓慢冷点成分的奥氏体缓慢冷却到共析温度时，同时析出却到共析温度时，同时析出P P点成分的铁素体和渗碳体。转点成分的铁素体和渗碳体。转变后的产物称为珠光体，变后的产物称为珠光体，S S点称为共析点。凡是碳的质量分点称为共析点。凡是碳的质量分数为数为0.0218%0.0218%6.69%6.69%的铁碳合金均会发生共析转变。的铁碳合金均会发生共析转变。 ESES线：碳在线：碳在FeFe中的溶解度曲线，又称中的溶解度曲线，又称AcmAcm线。溶解线。溶解度随温度的下降而减小，在度随温度的下降而减小，在11481148时溶解度为时溶解度为2.11

41、%(E2.11%(E点点) )，到到727727时降为时降为0.77%(S0.77%(S点点) )。因此，凡碳的质量分数在。因此，凡碳的质量分数在0.77%0.77%以上的铁碳合金由以上的铁碳合金由11481148冷却到冷却到727727的过程中，都有渗碳的过程中，都有渗碳体从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（体从奥氏体中析出，称为二次渗碳体（FeFeC C）。）。 GSGS线：又称线：又称A A3 3线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开线。是冷却时由奥氏体中析出铁素体的开始线。始线。1963.5 Fe-Fe3.5 Fe-Fe3 3C C相图相图 PQPQ线：碳在线：碳在-Fe-Fe中的溶解度曲线

42、。碳在中的溶解度曲线。碳在-Fe-Fe中的溶解中的溶解度随温度的下降而减小，在度随温度的下降而减小，在727727时溶解度为时溶解度为0.0218%(P0.0218%(P点点) )，到，到600600时降为时降为0.008%(Q0.008%(Q点点) )。因此，铁碳合金从。因此，铁碳合金从727727向向下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗碳体的形式析出，这下冷却时，多余的碳从铁素体中以渗碳体的形式析出，这种渗碳体称为三次渗碳体。用符号种渗碳体称为三次渗碳体。用符号FeFeC C表示。因其数量极表示。因其数量极少，常予以忽略。少，常予以忽略。 （3 3）相图中的相区）相图中的相区 单相区：单相区：

43、L L、F F、A A、FeFe3 3C C。 两相区：两相区：L+AL+A、L+FeL+Fe3 3C C、F+AF+A、A+FeA+Fe3 3C C、F+FeF+Fe3 3C C。 三相区（三相平衡线）：三相区（三相平衡线）：ECFECF、PSKPSK。1973.5.2 3.5.2 铁碳合金的分类铁碳合金的分类工 业 纯 铁亚 共 析 钢共 析 钢过 共 析 钢钢亚 共 晶 白 口 铁共 晶 白 口 铁过 共 晶 白 口 铁白 口 铁铁 碳 合 金1983.5.3 3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 （1）共析钢：）共析钢：室温组织为珠光体室温组织为珠光体(

44、P)。 （2）亚共析钢：）亚共析钢：室温组织为铁素体和珠光体室温组织为铁素体和珠光体(F+P)。随着含碳量的增加。随着含碳量的增加，珠光体量增多，而铁素体量减少。，珠光体量增多，而铁素体量减少。 1993.5.3 3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 （3）过共析钢：）过共析钢：室温组织为珠光体和网状二次渗碳体室温组织为珠光体和网状二次渗碳体(P+Fe3C)。随着。随着合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。合金中含碳量的增加，组织中网状二次渗碳体的量增多。 （4）共晶白口铁：）共晶白口铁：共晶白口铁的室温组织为变态莱氏体共晶白口铁的室温组织为变态莱氏

45、体(Ld)。 2003.5.3 3.5.3 典型铁碳合金的结晶过程及组织典型铁碳合金的结晶过程及组织 （5）亚共晶白口铁：）亚共晶白口铁：室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体室温组织为珠光体、二次渗碳体和变态莱氏体(P+Fe3C+Ld)。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。随着含碳量的增加，组织中变态莱氏体量增多。 （6）过共晶白口铁：）过共晶白口铁：室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体室温组织为一次渗碳体和变态莱氏体(Ld+Fe3C)。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。随着含碳量的增加，组织中一次渗碳体量增多。2013.5.4 3.5.4 碳含量对铁碳合金室温平衡组织碳含量对铁

46、碳合金室温平衡组织及力学性能的影响及力学性能的影响 （1 1）碳含量对室温平衡组织的影响：）碳含量对室温平衡组织的影响：不同成分的铁碳不同成分的铁碳合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的合金室温下均由铁素体和渗碳体两相组成。随着含碳量的增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态增加，渗碳体量增加，铁素体量减小，而且渗碳体的形态和分布情况也发生变化。和分布情况也发生变化。 （2 2）含碳量对力学性能的）含碳量对力学性能的 影响：影响：钢中渗碳体量愈多，其钢中渗碳体量愈多，其 强度、硬度愈高，而塑性、韧强度、硬度愈高，而塑性、韧 性相应降低。当钢中碳的质量性相应降低。当钢中碳的

47、质量 分数小于分数小于0.9%0.9%时，强度达到最时，强度达到最 大值，当钢中碳的质量分数大大值，当钢中碳的质量分数大 于于0.9%0.9%时，强度也明显下降。时，强度也明显下降。2023.5.5 3.5.5 铁碳相图的应用铁碳相图的应用 （1 1）选材）选材 需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢需要塑性、韧性好材料，应选用低碳钢；需要强度、塑需要强度、塑性及韧性及韧性都较好的材料，应选用中碳钢；需要硬度高、耐磨性都较好的材料，应选用中碳钢；需要硬度高、耐磨性好的材料，应选用高碳钢。性好的材料，应选用高碳钢。 （2）制订热加工工艺）制订热加工工艺 铁碳相图可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热

48、加铁碳相图可作为制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定锻造温度范围及工工艺的重要依据，如确定浇注温度、确定锻造温度范围及热处理的加热温度等。热处理的加热温度等。2033.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代钢铁材料是工程实践中应用最广泛的金属材料，是现代工业特别是机械制造业的重要支柱。钢铁材料的生产过程，工业特别是机械制造业的重要支柱。钢铁材料的生产过程，一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料经过高炉冶炼成生铁，再一般是由钢铁厂先用铁矿石等原料经过高炉冶炼成生铁，再用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液

49、浇注成用生铁或加入废钢等在炼钢炉内冶炼成钢液，将钢液浇注成钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。钢锭，最后通过轧制等压力加工方法制成各种钢材。 （1） 炼铁炼铁 铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素铁是组成铁碳合金的组元，是钢铁材料的基本组成元素。自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的。自然界中的铁以各种化合物的形式存在，并同其他元素的化合物混合在一起形成矿石，炼铁的过程实质上就是将铁从化合物混合在一起形成矿石，炼铁的过程实质上就是将铁从其化合物中还原出来，并同其他元素相分离的过程。其化合物中还原出来，并同其他元素相分离的过程。 2043.6 3.6 钢铁材料生

50、产简介钢铁材料生产简介 炼铁的基本过程：炼铁的基本过程： 炼铁的主要原料是铁矿炼铁的主要原料是铁矿石、燃料和熔剂。铁矿石主石、燃料和熔剂。铁矿石主要有赤铁矿、褐铁矿、菱铁要有赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等；熔剂燃料主要是焦炭矿等；熔剂燃料主要是焦炭；熔剂主要是富含碱性氧化；熔剂主要是富含碱性氧化物的石灰石等。在炼铁过程物的石灰石等。在炼铁过程中要将铁矿石、燃料和熔剂中要将铁矿石、燃料和熔剂等炉料按照一定的比例加入等炉料按照一定的比例加入到炼铁高炉中，经过一系列到炼铁高炉中，经过一系列的冶炼过程即可得到铁的系的冶炼过程即可得到铁的系列产品。列产品。 2053.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简

51、介 炼铁过程中所采用的燃料主要是焦炭。焦炭燃烧所产生的炼铁过程中所采用的燃料主要是焦炭。焦炭燃烧所产生的热量为鉄的冶炼提供了所需的热量；同时，高温下的焦炭热量为鉄的冶炼提供了所需的热量；同时，高温下的焦炭及其燃烧后生成的及其燃烧后生成的CO气体还起到还原剂的作用，前者称为气体还起到还原剂的作用，前者称为直接还原，后者称为间接还原。直接还原，后者称为间接还原。高炉炼铁时，高温焦炭和高炉炼铁时，高温焦炭和CO不断地把铁从铁矿石中还原出不断地把铁从铁矿石中还原出来，并将碳渗入铁中，同时炉料中的来，并将碳渗入铁中，同时炉料中的Si、Mn、S、P等杂质等杂质元素也会溶入铁中，形成的最终产品称为生铁。元素

52、也会溶入铁中，形成的最终产品称为生铁。高炉炼铁的主要产品为生铁，根据生铁中硅的质量分数的高炉炼铁的主要产品为生铁，根据生铁中硅的质量分数的不同可将其分为炼钢生铁和铸造生铁两类。不同可将其分为炼钢生铁和铸造生铁两类。高炉冶炼的副产品主要有炉渣和高炉煤气。炉渣是制造水高炉冶炼的副产品主要有炉渣和高炉煤气。炉渣是制造水泥的主要原料；高炉煤气经过净化处理后可作为气体燃料泥的主要原料；高炉煤气经过净化处理后可作为气体燃料使用。使用。 2063.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （2）炼钢）炼钢 炼钢的实质就是利用氧化和脱氧的方法，清除生铁中炼钢的实质就是利用氧化和脱氧的方法，清除生铁中多余的

53、多余的C以及以及Si、Mn、S、P等杂质元素，使化学成分达到等杂质元素，使化学成分达到钢标准规定的基本要求，从而获得所需的性能。钢标准规定的基本要求，从而获得所需的性能。 目前，主要的炼钢方法有转炉炼钢法和电炉炼钢法。目前，主要的炼钢方法有转炉炼钢法和电炉炼钢法。 在炼钢的脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入在炼钢的脱氧过程中，通过控制脱氧剂的种类和加入量可以控制钢的脱氧程度，通常根据钢的脱氧程度不同可量可以控制钢的脱氧程度，通常根据钢的脱氧程度不同可将其分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种。将其分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种。 在炼钢过程完成后，通常将其浇注成钢锭或钢坯，以在炼钢过程完成后，

54、通常将其浇注成钢锭或钢坯，以便进行加工和使用。便进行加工和使用。 2073.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （3）钢材生产）钢材生产 型材和板材：型材和板材：在实际生产中，通常是将钢锭通过一系在实际生产中，通常是将钢锭通过一系列轧机轧制成型材和板材进行使用。若轧机的轧辊设计为列轧机轧制成型材和板材进行使用。若轧机的轧辊设计为光滑的表面，轧制出的产品为钢板或钢带；若轧机的轧辊光滑的表面，轧制出的产品为钢板或钢带；若轧机的轧辊上存在各种孔型，则轧制出的产品即为各种型材。上存在各种孔型，则轧制出的产品即为各种型材。 2083.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （3）钢材生产

55、）钢材生产 管材管材 ：根据管材的形成方法不同，可将其分为有缝管根据管材的形成方法不同，可将其分为有缝管材和无缝管材两种。通过成型辊将钢带弯成管形，再通过材和无缝管材两种。通过成型辊将钢带弯成管形，再通过焊接辊焊接成形的管材称为有缝管材或焊缝管材；先用斜焊接辊焊接成形的管材称为有缝管材或焊缝管材；先用斜轧穿孔机在实心管坯上进行穿孔，再通过后期的特殊轧制轧穿孔机在实心管坯上进行穿孔，再通过后期的特殊轧制形成所需尺寸的管材称为无缝管材。形成所需尺寸的管材称为无缝管材。2093.6 3.6 钢铁材料生产简介钢铁材料生产简介 （3）钢材生产）钢材生产 线材线材 ：直径在直径在6mm以下的线材多采用拉丝

56、机进行生产以下的线材多采用拉丝机进行生产，使坯料通过一个带漏斗形模孔的拉丝模具，在拉力作用，使坯料通过一个带漏斗形模孔的拉丝模具，在拉力作用下拉拔成所需尺寸的线材。在拉拔过程中金属材料会产生下拉拔成所需尺寸的线材。在拉拔过程中金属材料会产生加工硬化现象，通常采用中间的再结晶退火使之软化，以加工硬化现象，通常采用中间的再结晶退火使之软化，以便进行下次的拉拔加工。便进行下次的拉拔加工。 2103.7 3.7 碳钢碳钢 碳的质量分数小于碳的质量分数小于2.11%,2.11%,并且含有少量的锰、硅、硫并且含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。其中，、磷等杂质元素的铁碳合金称

57、为碳素钢，简称碳钢。其中，硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。硅和锰是有益元素，而硫和磷是有害元素。 （1）碳钢的分类碳钢的分类 根据钢中碳的质量分数不同可分为：低碳钢根据钢中碳的质量分数不同可分为：低碳钢、 中碳钢中碳钢和高碳钢三类。和高碳钢三类。低碳钢：碳的质量分数小于或等于低碳钢：碳的质量分数小于或等于0.25%；中碳钢：碳的质量分数为中碳钢：碳的质量分数为0.250.60%；高碳钢：碳的质量分数大于高碳钢：碳的质量分数大于0.60%。 根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的多少可分根据钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的多少可分为三类：普通质量钢；优质钢；高级优质钢。为三类：普通质量钢

58、；优质钢；高级优质钢。2113.7 3.7 碳钢碳钢 根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢根据钢的用途不同可分为：碳素结构钢、碳素工具钢和碳素铸钢三类。和碳素铸钢三类。 碳素结构钢：碳素结构钢：主要用于制造工程结构和各种机械零件。主要用于制造工程结构和各种机械零件。 碳素工具钢：碳素工具钢：主要用于制造各种刃具、模具和量具。主要用于制造各种刃具、模具和量具。 碳素铸钢：碳素铸钢：主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法主要用于制作形状复杂、难以用锻压等方法成形的铸钢件。成形的铸钢件。 2123.7 3.7 碳钢碳钢 (2)(2)碳钢的牌号、性能及用途碳钢的牌号、性能及用途 碳素结构钢：

59、碳素结构钢：碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的碳素结构钢的牌号由代表钢材屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分按顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用顺序组成。其中质量等级共有四级，分别用A、B、C、D表表示。示。“F”表示沸腾钢；表示沸腾钢；“b”表示半镇静钢；表示半镇静钢；“Z”表示镇静表示镇静钢；钢；“TZ”表示特殊镇静钢，在钢号中表示特殊镇静钢，在钢号中“Z”和和“TZ”符号可符号可省略。例如：省略。例如：Q235-AF，牌号中，牌号中“Q”代表屈服点代表屈服点“屈屈”字字的汉语拼音首位字母，的汉语拼音首位字母，“

60、235”表示屈服点表示屈服点S235MPa，“A”表示质量等级为表示质量等级为A级，级，“F”表示沸腾钢表示沸腾钢(冶炼时脱氧不冶炼时脱氧不完全完全)。2133.7 3.7 碳钢碳钢 常用钢及应用：常用钢及应用： Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235属低碳钢，有良好的塑性和焊接性属低碳钢，有良好的塑性和焊接性能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢能，并具有一定的强度，通常轧制成型材、板材和焊接钢管等用于桥梁、建筑工程结构，在机械制造中用作受力不管等用于桥梁、建筑工程结构，在机械制造中用作受力不大的零件，如螺钉、螺帽、垫圈、地脚螺钉、法兰以及不大的零件，如螺钉、螺帽、