天职院机械工程材料课件02金属材料组织和性能的控制

2.金属材料组织和性能的控制

单元51第二章金属材料组织和性能的控制2.1纯金属的结晶凝固：液态L→固态S

S可以是非晶体。结晶：一种原子排列状态过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。

一次结晶：L→S晶态二次结晶：S→S晶态一、纯金属结晶的条件1纯金属冷却曲线液态金属在结晶时的温度——时间曲线过冷度——理论结晶温度和实际结晶温度之差。

2.金属材料组织和性能的控制

2.1纯金属的结晶

单元52ΔT=

T0－Tn

冷速越快，过冷度越大过冷—指液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象。2纯金属结晶的条件ΔF

ΔTTFF固F液ΔF=

F固－F液≤0

结晶驱动力

自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力ΔF大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。自由能温度2.金属材料组织和性能的控制

2.1纯金属的结晶

单元533、纯金属的结晶过程2.金属材料组织和性能的控制

2.1纯金属的结晶

单元54①.形核——自发形核非自发形核②.长大——平面长大

树枝状长大结晶过程——

2.金属材料组织和性能的控制

2.1纯金属的结晶

单元552.金属材料组织和性能的控制

2.1纯金属的结晶

单元56二、同素异构转变δ-Fe(bcc)γ-Fe(fcc)a-Fe(bcc)1394℃912℃1394℃1538℃912℃δ-Feγ-Fe(fcc）a-FeT时间770℃居里点以纯铁为例γ-Fe(fcc)a-Fe(bcc)铁的体积会膨胀1％2.金属材料组织和性能的控制

2.1纯金属的结晶

单元57纯铁同素异构转变2.金属材料组织和性能的控制

2.1纯金属的结晶

单元58三、晶粒尺寸的控制（1）晶粒度单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示（2）过冷度对形核一长大的影响过冷度ΔT提高，N提高、G提高过冷ΔT太高，N降低、G降低（3）控制晶粒度的因素①提高过冷度②变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。③振动，搅拌等2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元61一、合金相图类型

相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各项的成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。（一）二元合金的结晶2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元62

根据结晶过程中出现的不同类型的结晶反应，可把二元合金的结晶过程分为下列几种类型。1.发生匀晶反应的合金的结晶2.发生共晶反应的合金的结晶如Pb-Sn合金相图3.发生包晶反应的合金的结晶如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相图4．发生共析反应的合金的结晶2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元63发生匀晶反应的合金的结晶

Cu-Ni相图为典型的匀晶相图，合金发生匀晶反应：L→α,从液相中逐渐结α晶出固溶体。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元642.发生共晶反应的合金的结晶如Pb-Sn合金相图由一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫共晶反应。生成的两相混合物叫共晶体。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元653.发生包晶反应的合金的结晶如Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合晶具有包晶相图包晶反应：Αc+Ldβ

一种固相和液相结晶出另外一种固相，发生包晶反应时三相共存，他们的成分确定，反应在恒温下平衡地进行。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元664．发生共析反应的合金的结晶由一种固相转变成完全不同的两种相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元67（二）合金的性能与相图的关系1.合金的使用性能与相图的关系

固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质的溶入量越多，晶格越大，合金的强度、硬度越高，电阻越大。合金的某些性能可按组成相性能依质量分数的关系叠加的办法求出。例如硬度：HB=HBα·ω(α)+HBβ·ω(β)

对组织较敏感的某些性能如强度等，与组成相或组织成物的形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高。但形成化合物时，则在性能---成分曲线上于化合物成分处出现极大值或极小值。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元682.合金的工艺性能与相图的关系合金的铸造性能与相图的关系：纯组元和共晶成分的合金的流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，对浇注和铸造质量越有利。合金的液、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大；同时先结晶出的树枝晶阻碍为结晶液体的流动，而降低其流动性，增多分散缩孔。所以，铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元69合金的锻造性能与相图的关系：合金为单相组织时变形抗力小，变形均匀，不易开裂，因而变形能力大。双相组织的合金变形能力。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多的化合物相时更是如此，因为他们都很脆。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元71二、铁碳合金组织（一）、Fe-Fe3C相图的组元1．Fe组元性能特点—强度低、硬度低、韧性、塑性好2．Fe3C

（Cem，Cm）性能特点—熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。抗拉强度σb=180～230MPa延伸率δ=30％～50％断面收缩率ψ=70％～80％ak=1.6×10～2×10J/㎡66硬度50HB～80HB抗拉强度σb=30MPa硬度800HBδ=0ψ=0ak=0（二）、Fe-Fe3C相图中的相和组织2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元721．液相L2．δ相高温铁素体（C固溶到δ–Fe中的间隙式固溶体）3．α相铁素体F

（C固溶到α-Fe中的间隙式固溶体）强度、硬度低、塑性好

（室温：C%=0.0008%,

727度：C%=0.0218%）4．γ相、A奥氏体

（C固溶到γ-Fe中的间隙式固溶体）强度低，易塑性变形5．Fe3C性能特点—熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元736．珠光体P（铁素体和渗碳体的共析混合物）抗拉强度σb=770MPa延伸率δ=20％～35％断面收缩率ψ=40％～60％ak=3×10～4×10J/㎡55硬度180HBA0.77

F0.0218+Fe3C或A0.77

P0.77727℃727℃7．莱氏体高温莱氏体Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）L4.31148℃Le4.3低温莱氏体Le′硬而脆，塑性、韧性几乎为零。2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元742.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元75（三）、分析Fe-Fe3C相图2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元792.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元7102.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元81（三）、分析Fe-Fe3C相图2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元822.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元832.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元84基于Fe-Fe3C相图的Fe-C合金分类1．工业纯铁，C%<=0.0218%2．钢0.0218%<C%<=2.11%亚共析钢

0.0218%<C%<0.77%共析钢0.77%过共析钢

0.77%<C%<=2.11%3．白口铸铁2.11%<C%<6.69%亚共晶白口铸铁

2.11%<C%<4.3%共晶白口铸铁

4.3%过共晶白口铸铁4.3%<C%<6.69%2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元852.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元86（四）、Fe-C合金的成分-组织-性能关系1.含碳量——相相对量C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量——组织F-->F+P-->PdP+Fe3CII-->P+Fe3CII+Le’-->Le’->Le’+Fe3CII-->Fe3C2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元87FF+PPP+Fe3CIIP+Fe3CII+Le’Le’Le’+Fe3CIIFe3C2.含碳量——组织HB：取决于相及相对量3.含碳量——性能C%↑→HB↑强度：C%↑→σ↑0.9%↑→σ↓塑性、韧性：C%↑→塑性↓、韧性↓2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元88铁碳合金相图的建立2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元89铁碳合金加热冷却转变2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元810（六）、Fe-Fe3C相图的应用1、在钢铁选材方面的应用2、在铸造工艺方面的应用3、在热锻、热轧工艺方面的应用4、在热处理工艺方面的应用2.金属材料组织和性能的控制

2.2合金的结晶

单元811铁碳合金相图练习题一、名词解释

相图铁素体奥氏体珠光体渗碳体二、间答题1、合金结晶有哪些类型？各自的结晶特征？2、按铁碳相图，铁碳合金如何分类？其中三种钢室温组织是什么？3、含碳量为0.4％、0.77％、1.2％、三种钢在700℃770℃、900℃时分别各为何组织？4、计算一下50钢和T10钢在室温下HBS、σ、

δ数值？b5、随钢中含碳量增加，其机械性能如何变化？其原因？2.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

单元91一、金属材料的塑性变形1、单晶体的塑性变形

单晶体塑性变形的基本方式——滑移和孪生

（1）滑移

在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动滑移的特点：※滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。※滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿

滑移面作整体的滑动。2.3金属的塑性加工2.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

单元922.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

单元93※滑移造成的晶体总变性量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。

※滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。

滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。※滑移时晶体伴随有转动。金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以滑移和孪生两种形式通过位错运动来进行的。2.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

单元94一、金属材料的塑性变形（2）孪生在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。→发生孪生的部分（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生.※※孪生→原子移动的相对位移是原子间距的分数值.FCC金属一般不发生孪生，少数在极低温度下发生，BCC金属仅在室温或受冲击时发生。HCP金属较容易发生孪生。※2.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

单元952、多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。细晶强化通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。强化原理晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。※※晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中

※晶粒越细小，晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。

由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。2.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

单元963、塑性变形对金属组织和性能的影响（1）塑性变形对金属组织的影响※形成纤维组织※形成亚结构※产生形变织构（2）塑性变形对金属性能的影响※

产生加工硬化加工硬化金属发生塑性变形,随变性度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板冷拔钢丝等。※由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。※使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。变性、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度2.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

1

单元10二、塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化1、回复

T回复=（0.25～～０.3）T熔点回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大降低。变化应用工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。2.金属材料组织和性能的控制

2.3金属的塑性加工

单元1022、再结晶

T再=（0.35～～０.4）T熔点

变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶。变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大