机械工程材料第章

第2章材料的制备与相图

Chapter2MaterialsManufacture

andPhaseDiagrams

2.1材料的制备过程2.2二元相图的基本类型2.3典型二元相图的应用——Fe-C相图分析2.4凝固与结晶理论的应用

2.1

材料的制备过程冶炼铸造铸锭铸件铸件铸件铸锭铸件热轧热锻板、型、管、线材机加工零件（机加工）零件焊接机加工冷轧、拔、冲零件

2.1.1材料凝固与结晶的条件（1）熔融液体的粘度（内因）——是材料内部结合键性质和结构情况的宏观表征，其大小表示了液体中发生相对运动的难易程度。

聚合物粘度大，不易结晶；金属粘度小，一般为金属晶体（2）冷却速度（外因）——冷速越大，则在单位时间内逸散的热量越多，熔体温度降得越低，而又直接关系其中原子或分子的扩散能力。

冷速大，金属扩散能力降低，不易结晶，得到非晶合金。2.1.2

金属材料的制备

1.金属的冶炼

2.纯金属的结晶规律

⑴液态金属的结构特点（结晶的充分条件）结构起伏(相起伏)液态金属中存在短程有序原子集团

⑵金属结晶的必要条件过冷度过冷是结晶的必要条件热分析法测定金属结晶温度不同冷速下的冷却曲线示意图

过冷度的影响因素冷速↑↑自由能与温度的关系曲线

金属结晶的能量条件⑶纯金属结晶的普遍规律——不断形成晶核与晶核不断长大的连续过程形核的方式:①自发形核以液态金属中的结构起伏为基础②非自发形核依赖于液体中的固体质点晶核长大方式

①平面方式长大

②以树枝晶方式长大为主单晶晶体体与与多多晶晶体体示示意意图图金属属锑锑锭锭的的组组织织示示意意图图2.2二二元元相相图图的的基基本本类类型型有关关相相图图的的基基本本概概念念：：合金金状状态态一定定条条件件下下合合金金有有哪哪几几个个相相组组成成相变变临界界点点相变变的的温温度度相图图反映映在在平平衡衡条条件件下下，，合合金金的的状状态态同同温温度度、、成成分分之之间间关关系系的的图图形形。。热分分析析法法建建立立Cu-Ni二元元合合金金相相图图的的过过程程2.2.1相图图的的建建立立用热热分分析析法法建建立立Cu-Ni相相图图（a））冷冷却却曲曲线线（（b））测测定定的的相相图图2.2.2匀匀晶晶相图图特点：两组元元在液液态、、固态态下均均可以以任意意比例例互溶溶（无无限固固溶体体）Cu-Ni、Cu-Au、Au-Ag、、Fe-Cr等等1.相图分分析•特性性点••特性性线••相区区•基基本相相2.固固溶溶体合合金的的平衡衡结晶晶过程程分析析Cu-Ni合金金的显显微组组织示示意图图（1））变温温结晶晶（2））在结结晶过过程中中，两两平衡衡相的的成分分和相相对百百分含含量是是不断断变化化的。。液相相的成成分沿沿着液液相线线变化化，固固相的的成分分沿着着固相相线变变化；；此间间的任任一温温度瞬瞬时，，都可可应用用杠杆杆定律律计算算液固固两相相的相相对百百分含含量。。固溶体体合金金的平平衡结结晶规规律(与纯纯金属属相比比)3.杠杠杆杆定律律及及其应应用内容表表述:在合金金相图图的两两相区区内,若温温度一一定,则该该温度度下两两平衡衡相的的成分分及两两平衡衡相的的相对对量是是一定定的,且两两相相相对量量之比比等于于各自自相距距较远远的线线段之之比。。适用条条件：仅适用用于两两相区区，用用来求求两个个平衡衡相的的化学学成分分和相相对百百分含含量。。4.不不平衡衡结晶晶———枝晶晶偏析析（a））不平平衡结结晶；；（（b））不平平衡结结晶的的组织织概念:不平衡衡条件件下,先结结晶出出的固固溶体体和后后结晶晶出的的固溶溶体成成分不不同,这种种在一一个晶晶粒内内出现现的成成分不不均匀匀现象象称为为枝晶晶偏析析。消除办办法:扩散退退火(均匀匀化退退火)2.2.3共共晶晶相图图1.相图分分析（1））共晶晶相图图的形形成形成条条件：固态态为有有限固固溶体体，发发生共共晶反反应。。（2）相相区与与基本本相（3））特性性线与与特性性点MEN水平平线———共共晶线线(三三相区区)2.典典型合合金的的平衡衡结晶晶过程程（1））有限限固溶溶体合合金ⅠⅠ（2））共晶晶成分分的合合金ⅡⅡ（3））亚共共晶成成分合合金ⅢⅢ（4））过共共晶成成分合合金ⅣⅣ（1））有限固固溶体体合金金Ⅰ10%Sn有限限固溶溶体合合金的的冷却却曲线线及组组织123（1））有限固固溶体体合金金Ⅰ杠杆定定律的的应用用在kth温温度下下，计计算α和ββⅡ的百分分含量量（2））共晶晶成分分的合合金ⅡⅡ共晶合合金的的冷却却曲线线及室室温下下的组组织（3））亚共共晶成成分合合金ⅢⅢ亚共晶晶合金金的冷冷却曲曲线及及组织织1122’初晶的的截取取位置置及相相应的的组织织形貌貌（3））亚共共晶成成分合合金ⅢⅢ（4））过共共晶成成分的的合金金过共晶晶合金金的冷冷却曲曲线及及组织织13.两两种填填写相相图的的方法法以相组组分形形式填填写的的相图图3.两两种填填写相相图的的方法法标明组组织组组分的的铅-锡合合金相相图2.2.4包包晶相相图的的特征征Fe-C相相图包包晶部部分4.包包晶相相图的的特征征2.2.5具具有稳稳定化化合物物的相相图2.2.6具具有共共析反反应的的相图图合金的的性能能与相相图的的关系系2.2.7二元合合金相相图与与性能能之间间的关关系1.合合金的的使用用性能能与相相图的的关系系2.合合金的的工艺艺性能能与相相图的的关系系合金铸铸造性性能与与相图图的关关系预习准备“2.3铁铁碳合合金相相图分分析””内容的的课堂堂讨论论参见““学习习指导导”P16~17中中的课堂讨讨论（（铁碳碳合金金相图图）提提纲进行充充分准准备。。2.3铁铁碳碳合金金相图图分析析铁碳相相图讨讨论总总结一、相相、相相组分分、组组织、、组织织组分分的关关系1相相=相相组分分(相相组成成物））2组组织是是由相相组成成的3组组织组组分一一定是是组织织，但组织织不一一定等等于组组织组组分，，组织=各组组织组组分总总和⑴对对平衡衡组织织的影影响⑵对对力学学性能能的影影响Wc不不同，，F和和Fe3C的相相对量量不同同；Fe3C的形形态不不同，，导致致性能能不同同Fe3C的的形形态态对对性性能能的的影影响响：共析Fe3C呈片状状——↑↑强度、、硬度↓↓塑性性、韧性性Fe3CⅡ呈网状———↓↓↓强度度、塑性性、韧性性共晶Fe3C为连续续基体———↑↑硬度↓↓强度度、塑性性、韧性性二、含碳碳量对铁铁碳合金金平衡组组织与性能的影影响2.4凝凝固与与结晶理理论的应应用2.4.1铸铸态晶粒粒度的控控制晶粒度:晶粒大小小用用晶粒的的平均面面积或平平均直径径来表示示晶粒度对对性能的的影响——细晶强化化晶粒度的的影响因因素形核率（（N）N