金属材料与热加工基础 课件 第1、2章 认识金属材料的性能、金属晶体结构及结晶分析

金属材料与热加工基础

第一章

认识金属材料的性能知识目标:1）掌握力学性能各项指标的概念、测试方法及应用2）了解金属材料的物理性能、化学性能对选材的意义3）了解金属材料的工艺性能能力目标:具有测试金属材料力学性能指标的能力育人目标:培养学生具有质量意识案例导入1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难，如图所示。

火车脱轨

从上述案例看到，造成这场事故的原因是车轮的“内部疲劳断裂”，致使车轮失效。研究金属材料的性能，发挥其性能潜力，是合理选择金属材料的基础。

不同的金属材料具有不同的性能。金属材料的性能，主要包括使用性能和工艺性能两方面。案例引入使用性能化学性能工艺性能力学性能（重点）物理性能铸造性能金属材料性能锻压性能焊接性能热处理性能切削加工性能金属材料的性能实例导读你听说过趁热打铁吗？“趁热打铁”一词比喻抓紧时机，加速进行。这个词的原义，是指锻造，如图所示，即趁着金属材料烧红的时候锻打，使其产生永久变形以获得具有一定性能、形状和尺寸锻件的加工方法。应用原理即来源于金属材料的使用性能——塑性。那什么是材料的使用性能？使用性能又包括哪些性能？

锻造金属材料的使用性能是金属材料在使用过程中所表现出来的性能；包括:力学性能、物理性能、化学性能等；返回第一节金属材料的使用性能一、力学性能主要指标及测试金属材料在有外力（载荷）作用时所表现出来的性能，通常表现为形状和尺寸上的变形以及断裂。

金属材料的力学性能抗拉强度屈服强度弹性极限里氏硬度维氏硬度洛氏硬度布氏硬度静载力学性能非静载力学性能硬度强度塑性冲击韧度疲劳强度主要力学性能指标断后伸长率断面收缩率实例导读如图所示，为某企业现新进一批15钢材，如果让你检查这批钢材的力学性能是否达到国家标准，你有办法吗？下面我们来学习检测金属材料力学性能的常用方法。

某企业现新进一批15钢材1.强度及测定（1）拉伸试验

拉伸试验是指用静拉伸力对标准拉伸试样进行缓慢的轴向拉伸，直至试样被拉断为止的一种试验方法。标准拉伸试样

拉伸试样a)拉伸前b)拉伸后a)b)1）拉伸试样注意：长试样L0=10d0,短试样L0=5d02）拉伸试验方法3）拉伸曲线

数字式万能拉伸试验机低碳钢的拉伸曲线与试样拉断前的变形过程1.强度及测定（2）拉伸曲线分析1）弹性变形阶段（oe）2）微量塑性变形阶段（es）3）屈服阶段(s点附近的平台)4）强化阶段（sm）5）缩颈阶段（mz）低碳钢的拉伸曲线与试样拉断前的变形过程1.强度及测定（3）强度指标及意义1）屈服强度

屈服强度——试样产生屈服现象时的最小应力。

ReL=FeL/S0（MPa）

式中

FeL——试样发生屈服时承受的最小载荷（N）；

S0

——试样原始横截面积（mm2）。1.强度及测定

脆性材料的屈服强度表示为：Rp0.2

Rp0.2=Fp0.2/S0MPa）式中Fp0.2——塑性变形量为试样长度的0.2%时的载荷（N）；

S0——试样原始横截面积（mm2）。1）屈服强度

1.强度及测定条件屈服强度测定提示：有些零件，如精密弹簧、发动机气缸螺栓，工作时不允许产生微量的塑性变形，设计时应根据弹性极限作为选材的依据。弹性极限用发生弹性变形时的最大载荷与原始横截面积的比值来求得；生产中，一般不允许零件产生明显的塑性变形时，屈服强度是机械零件设计和选材的主要依据。1）屈服强度

1.强度及测定

材料在断裂前所能承受的最大应力值，用Rm（旧标准用σb）表示。即Rm=Fm/S0（MPa）

式中Fm——拉断试样所需的最大力（N）；

S0——试样原始横截面积（mm2）。

2）抗拉强度

提示：抗拉强度是设计和选材的主要依据之一。一般情况下，在静载荷作用下，只要工作应力不超过材料的抗拉强度，零件就不会发生断裂。1.强度及测定

塑性：金属材料在外力作用下，断裂前产生塑性变形（永久变形）的能力。

断后伸长率

断面收缩率

塑性指标断后伸长率A是指试样拉断后试样伸长量（ΔL）与原始标距（L0）的百分比A=缩颈现象断面收缩率Z是指试样拉断处横截面积的最大缩减量（ΔS）与与原始面积（S0）的百分比。

Z=2.塑性及测试意义——塑性好的材料A.万一超载，有一定的安全储备，避免突然断裂、安全；B.能通过塑变实现成型加工。汽车车身覆盖件、油箱等大多是采用塑性好的冷轧钢板冲压而成。车身油箱2.塑性及测试3.硬度及测试如图所示，在钢板和铝板之间放一个硬质合金球，然后在台虎钳上夹紧。在夹紧力的作用下，两块板料的表面会留下浅坑压痕。您能根据压痕来判断钢板、铝板和硬质合金球哪个最硬，哪个最软吗？如果在这三种材料中选一种材料做刀具，你认为哪个更适合呢？测试三种材料的软硬实例导读

硬度是材料抵抗其他更硬物体压入其表面的能力。概念测试可用硬度计测定，常用的硬度指标有布氏硬度（HBW)、洛氏硬度（HR）、维氏硬度(HV)及里氏硬度(HL)。硬度布氏硬度洛氏硬度里氏硬度维氏硬度3.硬度及测试1）布氏硬度测试原理表示方法特点、应用仪器、步骤3.硬度及测试测试原理F—试验力（N）；d—压痕平均直径（mm）；D—硬质合金球直径（mm）测试压痕直径通过查压痕直径与布氏硬度对照表即可得到硬度值。(附录A)压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D2压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D2压痕直径d/㎜HBWD=10F=30D22.402.422.442.462.482.502.522.542.562.582.602.622.642.662.682.702.722.742.762.782.802.822.842.862.882.902.922.942.962.983.003.023.043.063.083.103.123.143.166536436326216116015925825735645555475385305225145074994924854774714644574514444384324264204154094043983933883833783733.183.203.223.243.263.283.303.323.343.363.383.403.423.44.3.463.483.503.523.543.563.583.603.623.643.663.683.703.723.743.763.783.803.823.843.863.883.903.923.943683633593543503453413373333293253213173133093063022982952922882852822782752722692662632602572552522492462442412392363.963.984.004.024.044.064.084.104.124.144.164.184.204.224.244.264.284.304.324.344.364.384.404.424.444.464.484.504.524.544.564.584.604.624.644.664.684.704.72234231229226224222219217215213211209207204202200198197195193191189187185184182180179177175174172170169167166164163161附录A压痕直径与布氏硬度对照表仪器、步骤压头工作台时间转换手柄投影屏按钮手轮步骤：设置参数放置工件旋转手轮加载卸载测量压痕查表换算测量目镜

数字式布氏硬度计

液压便携式布氏硬度计

剪销式布氏硬度计

表示方法举例：190HBW10/1000/30表示用直径10mm的硬质合金球压头，在1000kgf（9807N）的试验力作用下，保持30s（试验力持续时间在10～15s时，可以不标出）时测得的布氏硬度值为190。一般在零件图样和工艺文件上标注材料要求的布氏硬度值时，不规定试验条件，只需标出要求的硬度值范围和硬度符号，如200～220HBW。表示方法为：布氏硬度值+硬度符号+试验条件。

特点及应用应用：布氏硬度试验主要用来测定原材料，如铸铁、有色金属及经退火、正火或调质处理的钢材及半成品的硬度。特点：布氏硬度试验方法的优点是测定结果较准确，数据稳定、重复性好。缺点是由于其压痕较大，对试件表面的损伤也较大，不宜测量成品或太小、太薄的试件。

测试原理2）洛氏硬度

检测仪器

洛氏标尺

特点应用

表示方法3.硬度及测试测试原理

洛氏标尺硬度符号

所用压头

总试验力F/N适用范围/HR应用范围HRA金刚石圆锥588.420～88碳化物、硬质合金、淬火工具钢、浅层表、面硬化钢HRBφ1.588mm硬质合金球980.720～100软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁HRC金刚石圆锥147120～70淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢表1-2常用洛氏硬度标尺、试验条件、测值范围及应用检测仪器测试步骤：加初试验力——加主试验力——卸主试验力——读取硬度值——卸初试验力手动洛氏硬度计

数字洛氏硬度计

磁力式洛氏硬度计

便携式洛氏硬度计

表示方法洛氏硬度的表示方法为：硬度值+硬度符号。举例：25HRC表示用C标尺测出的硬度值为25。应用特点特点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，可直接测量成品或较薄工件的硬度。缺点是测得的硬度值不够准确，数据重复性差。

3）维氏硬度测试原理表示方法特点、应用检测仪器3.硬度及测试测试原理检测仪器普通维氏硬度计

数字维氏硬度计

维氏硬度试验系统

表示方法维氏硬度值表示方法:与布氏硬度值相同，硬度值写在HV的前面，试验条件写在HV的后面，若试验力的保持时间为10～15s时，可以不标出。举例：600HV30/20表示在30kgf（294.2N）试验力作用下，保持20s所得的维氏硬度值为600。特点、应用优点:与布氏、洛氏硬度试验比较，维氏硬度试验不存在试验力与压头直径有一定比例关系的约束；也不存在压头变形问题，压痕轮廓清晰，采用对角线长度计量，精确可靠，硬度值误差较小。缺点:其硬度值需要先测量对角线长度，经计算或查表确定，故效率不如洛氏硬度试验高。

应用：维氏硬度试验适用范围宽，尤其适用测定金属镀层、薄片金属及化学热处理的表面层（渗碳层、渗氮层等）硬度。

测试原理

4）里氏硬度

检测仪器

特点应用

表示方法3.硬度及测试里氏硬度试验原理是：用规定质量的冲击体在弹力作用下以一定速度冲击试样表面，用冲头在距离试样表面1mm处的回弹速度与冲击速度之比计算出的数值。

测试原理注：按载荷分类方法区分，里氏硬度试验所使用的载荷为冲击载荷，因此里氏硬度为非静载力学性能指标。

检测仪器多功能里氏硬度计笔式里氏硬度计

表示方法里氏硬度用符号HL表示。其硬度值表示方法为：硬度值+HL+冲击装置型号，常用的冲击装置有D、DC、G、C等四种。举例：如660HLD表示用D型冲击装置测定的里氏硬度值为660。

特点应用里氏硬度测值范围大，适用于所有金属的硬度检测，可直接输出所需的布氏、洛氏、维氏等硬度值，操作方便，测试时由主观因素造成的误差小，且对试件损伤极小，适合各类工件的各个方位的测试，特别是现场测试是其他硬度计无法比拟的。缺点是物理意义不够明确。4.冲击韧性及测试

概念：冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。概念冲击试验计算冲击韧性冲击试验：夏比摆锤冲击试验机上进行。

夏比摆锤式冲击实验机夏比摆锤式冲击实验机实例导读号称“永不沉没”的泰坦尼克号，首航与冰山相撞造成20世纪最为惨重的一次海难，如图所示。材料科学家回答了这一未解之谜——泰坦尼克号采用了含硫、磷高的钢板，韧性很差，特别是磷在低温呈现脆性。所以，当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生了很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。

泰坦尼克号电影的剧照23十一月2023韧脆转变温度越低，材料的低温抗冲击性能越好。碳素钢：韧脆转变温度约为-20℃。在寒冷地区使用碳素钢制造车辆、桥梁、输油管道等，在冬天易发生脆断现象。低合金高强钢（16Mn）：韧脆转变温度约为-40℃，适合在较低温度下工作。冲击吸收功—温度关系曲线韧脆转变温度示意图

4.冲击韧性及测试

在交变载荷作用下经过长时间工作发生的破坏象。金属的疲劳大小和方向随时间作用期性变化的载荷。

交变载荷

疲劳强度材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力，疲劳强度亦称疲劳极限。5.疲劳强度及测试

疲劳试验如图所示,应力越小，材料所能承受的循环次数越多，当应力小到某一值后，材料就能承受无限次应力循环而不断裂。这个应力被称为疲劳强度St

疲劳曲线示意图二、物理性能主要指标及应用物理性能主要指标密度

热膨胀性

磁性

熔点

导热性

导电性

金属在固态下所表现出的一系列物理现象概念：密度是单位体积物质的质量，用符号ρ表示，单位g/cm³或kg/m³。

应用：生产中，常用金属的密度来计算毛坯或零件的质量；也是机械设备选择材料的依据，如飞机、航天器等，为了减轻自重，需要选择密度小而强度高的金属制造。

1.密度及应用二、物理性能主要指标及应用概念：金属的熔点是指金属由固态转变（熔化）为液态的温度，一般用Tm表示。进行相反动作（即由液态转为固态）的温度，称之为凝固点。应用：熔点是金属和合金进行冶炼、铸造、焊接时的重要参数。工业上利用易熔金属熔点低的特点，制造电器熔断器和防火安全阀等；利用难熔金属制造锅炉、加热炉燃烧室及发动机排气口等在高温下工作的构件，在火箭、导弹等方面也有广泛应用。

2.熔点及应用二、物理性能主要指标及应用概念：金属的导热性是指在金属内部或相互接触的金属之间的热量传递能力，用导热率λ表示，单位为W/（mK）。应用：导热性是金属材料重要性能之一，在制定铸造、锻造、焊接、热处理等热加工工艺时，必须考虑材料的导热性，防止金属材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力而产生变形或开裂。不同金属的导热能力不同，纯金属的导热能力一般大于合金。3.导热性及应用二、物理性能主要指标及应用概念：导电性是指金属传导电流的能力，通常用电导率γ表示，单位为S/m。

应用：金属的电导率是电阻率的倒数。电导率越大，金属的导电能力越强。工业上常用电导率高的材料制造电器零件，如电线、电缆、电器元件等；用电导率低的金属如镍铬合金和铁铬铝合金制造电阻器或电热元件。

4.导电性及应用二、物理性能主要指标及应用概念：热膨胀性是指固态金属在温度变化时热胀冷缩的能力。工程上常用线膨胀系数来表示，符号为α1，其物理意义是：从温度T0加热T1，每升高1K时物体单位长度的变化率。应用：熔焊时，由于热源对焊件进行局部加热，使焊件上的温度分布极不均匀，不均匀的加热温度造成焊件上出现不均匀的热膨胀，从而导致不均匀的变形和焊接应力，被焊材料的线膨胀系数越大，引发的焊接应力和变形越大。5.热膨胀性及应用二、物理性能主要指标及应用概念：金属能够吸引铁、钴、镍等物质的性质称为磁性。应用：

铁磁性材料可用于制造变压器、电机、测量仪器等。无磁性材料可用于制造要求避免电磁干扰的零件或构件。6.磁性及应用返回二、物理性能主要指标及应用三、金属的化学性能化学性能耐腐蚀性

抗氧化性

化学稳定性

金属在化学作用下所表现的性能

概念：金属材料抵抗周围介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。耐腐蚀性由材料的成分、化学性能、组织形态等决定。预防：对于钢铁类材料，加入可以形成保护膜的铬、镍、铝、钛；改变电极电位的铜以及改善晶间腐蚀的钛、铌等，可以提高其耐腐蚀性。1.耐腐蚀性危害：它不仅使金属材料本身受到损伤，严重时还会使金属构件遭到破坏，引起重大事故。三、金属的化学性能概念：金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。预防：避免金属氧化的措施，一是在工件周围施加保护气体，二是将工件周围的空气抽出，使工件处于近似真空状态。2.抗氧化性危害：氧化不仅造成材料过量的损耗，也会形成各种缺陷。

3.化学稳定性概念：化学稳定性是金属材料耐腐蚀性和抗氧化性的总称。

三、金属的化学性能金属材料的加工过程一般如下：

第二节金属材料的工艺性能工艺性能是指材料在加工成零件或构件过程中材料应具备的适应加工的性能。工艺性能铸造性能

焊接性能

切削加工性能锻压性能热处理性能第二节金属材料的工艺性能金属材料与热加工基础

第二章

金属晶体结构及结晶分析知识目标:1)掌握晶体结构的基本概念及常见的金属晶格类型。2)掌握合金的基本概念及基本组织。3)了解纯金属及合金的结晶过程。4)掌握铁碳合金基本相及基本组织。5)掌握典型的铁碳合金结晶过程和室温组织。6）掌握碳的质量分数对铁碳合金性能的影响7）学会利用光学显微镜观察铁碳合金组织。1）培养客观全面认识事物的科学态度2）培养精益求精、迎难而上的探索精神。能力目标:1）能根据碳的质量分数判断铁碳合金力学性能2)具有分析和应用铁碳合金相图的能力。3）具有应用光学显微镜观察铁碳合金显微组织的能力。素养目标：案例导入你是否相信价值连城的钻石和价格低廉的石墨都是由碳元素组成的？如图2-1所示，同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度最高的物质，而石墨却很软？

钻石

石墨第一节认识金属的晶体结构

钻石

石墨

石蜡

沥青你知道哪种物质是晶体？哪种物质是非晶体？一、纯金属晶体结构

晶体：原子具有规则排列的物质。如金刚石、石墨、及一切固态金属等都是晶体。

非晶体：原子无规则堆积。如松香、沥青、玻璃、石蜡等是非晶体。

两者区别：晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体则没有固定的熔点，且各向同性。

1.晶体结构基本知识（1）晶格为了便于分析，把金属晶体中的原子近似看做固定不动的刚性小球，用一些假想的线条将各点中心连接起来，形成一个空间格子，简称晶格。一、纯金属晶体结构

1.晶体结构基本知识

（2）晶胞能充分反映晶体特征的最小几何单元，这个最小几何单元称为晶胞。

1.晶体结构基本知识

（3）晶格常数晶胞的大小用晶胞各棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ来表示。

2.金属中常见的晶格类型

（1）体心立方晶格

2.金属中常见的晶格类型

（2）面心立方晶格2.金属中常见的晶格类型

（3）密排六方晶格3.实际金属的晶体结构

多晶体：每一个小的单晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

3.实际金属的晶体结构

晶体缺陷

（1）点缺陷指长、宽、高尺寸都很小的缺陷，常见的点缺陷包括空位、间隙原子和置换原子。

3.实际金属的晶体结构

（2）线缺陷是指空间二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。在晶体内部呈线状分布。

3.实际金属的晶体结构

（3）面缺陷：指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷，晶体中最常见的面缺陷主要有晶界和亚晶界。

二、合金的晶体结构

在工业上大量使用的不是纯金属而是合金。1.合金基本知识(1)合金所谓合金，是由两种或两种以上的金属与金属或非金属组成的具有金属特性的物质。例如，工业上广泛应用的钢铁材料就是主要由铁和碳两种元素组成的合金。

(2)组元组成合金的独立的、最基本的单元称为组元。组元可以是组成合金的元素或稳定的化合物。根据合金组元的数目，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。如黄铜是由铜和锌组成的二元合金。

1.合金基本知识（3）相合金中凡是成分、结构和性能相同并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。如在铁碳合金中α-Fe为一个相，Fe3C为一个相。（4）组织组织是指借助金相显微镜观察到的具有某种形态特征的合金组成物。实质上它是一种或多种相按一定的方式相互结合所构成的整体的总称，它直接决定着合金的性能。1.合金基本知识（1）固溶体定义：固溶体是指合金在液态下相互溶解，固态下也相互溶解，即一种组元的晶格溶解了另一组元的原子而形成的均匀相。

2.合金的相结构分类

根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。

（1）固溶体性能固溶强化：当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化提示：适当控制溶质含量，可明显提高合金的强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体使合金一般具有较好的综合力学性能。（1）固溶体定义：合金组元间发生相互作用而形成一种新的具有金属特性的物质。注：晶体结构与性能和原组元都不同。如：铁碳合金中的渗碳体就是铁和碳所组成的金属化合物。其晶体结构与性能和铁、碳都不同。性能：熔点较高，性能硬而脆。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

（2）金属化合物第二节金属结晶分析

实例导读金属结晶的概念

金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。结晶：液体-->晶体凝固：液体-->固体（晶体或非晶体）晶体液体结晶一、纯金属的结晶

纯金属结晶时的冷却曲线a）以非常缓慢速度冷却b）在实际冷却条件下的冷却1.纯金属结晶的基本规律

（1）冷却曲线（2）过冷现象金属液的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0。两者温度之差称为过冷度，以ΔT表示，即ΔT=T0－Tn。

1.纯金属结晶的基本规律过冷是结晶的必要条件冷速越快，过冷度越大结晶潜热的释放维持温度不变，即出现平台。形核晶核长大液固2.纯金属的结晶过程讨论金属结晶的基本过程是什么？

（1）晶核的形成1）自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。２)非自发形核——晶核依附金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核。晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。（2）晶核的长大

（1）晶粒大小对金属力学性能的影响一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。所以在实际生产中，总是希望获得细小的晶粒。

（2）细化晶粒常用的方法1）增加过冷度2）变质处理此外，还可采用机械振动、电磁振动和超声波振动等措施3.晶粒大小及控制V冷△TN晶粒细小变质处理起外来晶核的作用或机械阻碍作用增加过冷度,既是提高冷却速度4.金属的同素异构转变定义：金属在固态下，随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。如：铁、钛、锡、锰等

合金相图：合金相图是表示在十分缓慢的加热或冷却条件（平衡条件）下，合金的成分、温度和组织之间关系的图形，也称状态图或平衡图。二元合金相图的测定1）配制一系列成分不同的Cu-Ni合金；2）用热分析法测出各合金冷却曲线；3）找出图中各冷却曲线上的相变点；4）将各相变点分别标注在温度-成分坐标图中；5）连接各相同意义的相变点。二、合金的结晶1.合金相图的建立铜镍合金相图测定流程

1.合金相图的建立提示：与纯金属不同的是，一般合金有两个临界点，说明合金的结晶过程是在一个温度范围内进行的。相图上的每个点、线、区都具有一点的物理意义。讨论：二元相图上的红线代表的含义，绿线代表的含义

（1）匀晶相图

Cu-Ni合金相图及合金的结晶过程a）Cu-Ni合金相图b）合金结晶过程2.二元合金的结晶过程匀晶相图是两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图。液相线以上为液相区，用表示；固相线以下为固相区，用表示；中间固液两相共存区，用表示。L+

LCuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

纯铜熔点纯镍熔点液相线固相线液相区固相区液固两相区（2）二元合金的结晶过程abcdTCtL

L

L匀晶转变L

冷却曲线CuNiNi%TC2040608010010001100120013001400150010831455L

L+

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。匀晶合金的结晶过程枝晶（晶内）偏析

形成原因：冷却速度快，固溶体的化学成分来不及扩散均匀。定义：在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产中用“扩散退火”（均匀化退火）加以消除（2）共晶相图定义：两组元在液态无限互溶，在固态下有限互溶，并发生共晶反应，形成共晶组织的相图。Pb-Sn合金相图2.二元合金的结晶过程Pb-Sn合金的结晶过程Pb第三节铁碳合金相图分析一、基本相及基本组织1.铁素体

铁素体的显微组织定义：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，用F表示。力学性能：与纯铁接近，即强度、硬度较低，但塑性、韧性良好。显微组织：与纯铁近似，呈明亮白色的等轴多边形晶粒。它在770℃以下具有铁磁性。溶碳能力：在727℃时溶碳量最大，为0.0218%，在室温下只有约0.0008%。晶体结构：体心晶格2.奥氏体定义：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，用A表示。晶格结构：面心立方结构。溶碳能力：在1148℃时溶碳量为2.11%，在727℃时溶碳量为0.77%。性能：强度、硬度较低，塑性、韧性好，易于压力加工。显微组织：明亮的多边形晶粒。一、基本相及基本组织奥氏体的显微组织3.渗碳体定义：铁和碳形成的金属化合物，用其分子式Fe3C表示。碳的质量分数为6.69%，熔点为1227℃，具有复杂的晶体结构。性能：硬而脆，是铁碳合金的主要强化相。形态：可呈片状、网状、粒状、板条状。它的数量和形态对铁碳合金的力学性能有很大影响。通常，渗碳体越细小，在固溶体基体中分布越均匀，合金的力学性能越好；反之，越粗大或呈网状分布则脆性越大。一、基本相及基本组织4.珠光体珠光体是铁素体和渗碳体相间排列而成的层片状的机械混合物，用P表示。珠光体中碳的质量分数为0.77%，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性。珠光体的显微组织一、基本相及基本组织5.莱氏体奥氏体和渗碳体的机械混合物，用Ld表示。珠光体和渗碳体组成，这种混合物叫低温莱氏体，用L/d表示。莱氏体以渗碳体为基体，性能有渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。一、基本相及基本组织表示在缓慢加热（冷却）条件下（即平衡状态），铁碳合金的成分、温度和组织之间关系的图形。

简化后的Fe-Fe3C相图二、铁碳合金相图的分析（1）铁碳合金相图的主要特征点特性点温度/℃Wc（%）含义A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点。发生共晶反应(LC⇄AE+Fe3C)D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度，碳钢与白口铸铁的分界点G9120纯铁的同素异构转变点（α-Fe⇄γ-Fe）P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点。发生共析转变（AS⇄Fp+Fe3C）1.铁碳合金相图的主要特征点与特征线（2）铁碳合金相图的主要特征线特性线名称含义ACD液相线此线以上合金全部为液相（L）。金属液冷却到AC线以下和CD线以下从液相中分别结晶出奥氏体和一次渗碳体Fe3CⅠAECF固相线金属液冷却到此线全部结晶为固态，此线以下为固态区。液相线与固相线之间为金属液的结晶区。这个区域内金属液相与固相并存，AEC区域内为金属液相与奥氏体，CDF区域内为金属液相与渗碳体ECF共晶线Wc＞2.11%的铁碳合金，缓冷却到此线时（1148℃），液相将发生共晶转变而生成莱氏体（Ld）PSK共析线又称A1线，Wc＞0.0218%的铁碳合金，缓冷至此线（727℃），均将发生共析转变，即奥氏体将生成铁素体和渗碳体组成的机械混合物珠光体（P）GSA3线也称奥氏体和铁素体相互转变线。冷却时从奥氏体中析出铁素体的开始线；加热时，铁素体全部转变成奥氏体的结束线ESAcm线碳在奥氏体中的溶解度曲线。碳在奥氏体中的最大溶解度是E点（Wc=2.11%）。随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出渗碳体。为和直接从液相中结晶出来的渗碳体（Fe3CⅠ）相区别，将奥氏体中析出的渗碳体成为二次渗碳体（Fe3CⅡ）。1.铁碳合金相图的主要特征点与特征线2.铁碳合金的分类铁碳合金类别含碳量WC（%）显微组织工业纯铁＜0.0218F钢亚共析钢0.0218-2.110.0218～0.77F+P共析钢0.77P过共析钢0.77～2.11P+Fe3CⅡ白口铸铁亚共晶白口铸铁2.11-6.692.11～4.3L′d+P+Fe3CⅡ共晶白口铸铁4.3L′d过共晶白口铸铁4.3～6.69L′d+Fe3CⅠ（1）共析钢

共析钢的结晶过程示意图3.典型铁碳合金平衡结晶过程分析共析钢结晶过程

珠光体的显微组织（2）亚共析钢

亚共析钢结晶过程示意图3.典型铁碳合金平衡结晶过程分析亚共析钢结晶过程亚共析钢显微组织（含碳量越高，铁素体的量

而珠光体的量

）

a)b)

c)