工程材料第一、二章.ppt

1、第1篇 金属材料基础,第1章 金属学基础,1.1 金属的晶体结构和缺陷,晶体与非晶体 晶体材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。 非晶体材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。,(a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确定的熔点 (d)、是否各向异性,1.1.1纯金属的晶体结构 一、晶体的基本概念 空间规则排列的原子刚球模型晶格(crystal lattice)（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞( unit cell )（组成晶格的最基本的几何单元)。,晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。 晶胞：组

2、成晶格的最基本的几何单元。 晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃(A)为单位，1A=10-10m。通常数值在2.55.0A之间。简单立方晶格 a=b=c,=90。,晶体学参数：a,b,c, 晶格常数：a,b,c 七个晶系：,晶格常数 ( lattice constant ),二、常见金属的晶格类型,属于此类结构的金属有： a-Fe、难溶金属（V、Nb、Cr、Mo、W）等,属于此类结构的金属的有： -Fe、 Al、Cu、Au、Ag、Ni、Pb、等。,属于此类结构的金属有： Mg、Zn、 Be、Cd等。,体心立方晶胞bcc,面心立方晶胞fcc,密排六方晶胞hcp,1、体心立方晶胞BCC Body-C

3、entered Cube,2、面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube,3、密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed,1.1.2 晶体缺陷( crystal defect ) ：,单晶体：内部晶格位向完全一致各自异性 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各自同性,晶体缺陷( crystal defect ) ： 实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分 。,1. 点缺陷( point defect ) 晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化,空位( vacancy ) ： 晶格结点处无原子 置换原子( gap atom ) ： 晶格结

4、点处为其它原子占据 间隙原子( substitutional atom ) ： 原子占据晶格间隙,间隙原子、置换原子示意图,晶格畸变,置换原子 引起的晶格畸变,空位引起的晶格畸变,2. 线缺陷( line defect ) 位错( dislocation ) ： 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排,刃型位错( screw dislocation ) 螺型位错 ( blade dislocation ),3. 面缺陷( surface-defect ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域,晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。 亚晶界( sub-bound

5、ary ):相邻晶粒位向很小(一般12)的小角度晶界。 表面（surface）等,区域：,1.2 金属的结晶,凝固：LS S可以是非晶 物质由液态转变成固态的过程。 结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程 or物质中的原子由近程有序列向长有序排列的过程。 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS晶态 近程有序 长程有序,纯金属结晶时的冷却曲线,1.2.1 纯金属的结晶过程,1. 冷却曲线与过冷度 过冷现象 ( supercooling ) 过冷度 ( degree of supercooling ) T = Tm T 过冷是结晶的必要条件。,结晶驱动力G

6、0,自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能0 体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能,2金属结晶的热力学条件,a 当温度TTm时，FsFL, 液相稳定 b当温度TTm时，FsFL, 固相稳定 c 当温度T=Tm时，Fs=FL, 平衡状态 Tm：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度,液、固两相的自由能 随温度变化示意图,过冷度：T=Tm-Tn, F用来克服界面能,实验证明，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。也就是说，金属要在过冷 (Undercooled)的条件下才能结晶。,可见

7、，过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于0，Gv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。,结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度,过冷度与冷却曲线,冷速越快，过冷度越大,。,3.结晶的过程,结晶动力学,形核 长大,结晶过程,a.形核：自发形核、非自发形核,b.长大：平面长大、树枝状长大,树枝状长大,平面长大,1.2.2 晶粒大小的控制（细晶强化与变质处理）,（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。 形核速度大，长大速率慢，晶粒总数目多，晶粒细小。 （2）过冷度对形核一长大的影响,过冷度T提高，N提高、G提高 过冷度 T太高，D降低N降低、G降低,（3）控制晶粒

8、度的因素,提高过冷度 过冷度 T，N，GN/G增大，晶粒细化 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。 振动，搅拌等,1.3 金属的塑性变形与再结晶,本节要点 塑性变形对金属组织、性能的影响（特别是加工硬化）？,学习思路,以：,化学成分组织结构性能应用,加工工艺,为纲，加深理解本章内容,金属材料的塑性变形,变形是工程材料在外力作用下会发生的最基本的失效方式，变形通常包括弹性变形与塑性变形两种。 抵抗塑性变形是一般工程构件的基本要求，不希望结构件在承载时产生不可恢复的塑性变形； 塑性变形是金属材料的一种重要加工成形方法，在材料加工过程中，人们希望它易于

9、加工变形。,塑性变形还可改变材料内部组织与结构并影响其宏观性能。,晶粒形貌及结构变化,晶粒拉长，纤维组织各同异性,a.纤维组织（组织）,b. 亚结构形成（晶内结构变化）,形变 位错密度（ -）位错缠结 胞壁亚晶,钢的纤维组织（变形度80%,1.3.1塑性变形对金属组织与性能的影响,织构择优取向（组织）,择优取向变形量足够大时，原来处于不同位向的晶粒在空间位向上会呈现出一定程度的一致。,形变织构金属塑性变形到很大程度（70%）时，由于晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，这种有序化的结构叫做形变织构。,. 加工硬化（形变硬化）（冷作硬化）（性能）,加工硬化金属在冷态下进行塑性

10、变形时，随着变形度的增加，其强度、硬度提高，塑性、韧性下降,加工硬化机理,1）一种重要的强化手段，对不能用热处理方法强化的合金尤其重要； 2）冷加工成形得以顺利进行； 3）金属具有较好的变形强化能力，具有防止短时超载断裂能力，保证构件安全性； 4）塑性，切削性能 不利：塑性变形困难中间退火消除,塑性变形位错移动位错大量增殖相互作用运动阻力加大变形抗力弹度、硬度、塑性、韧性,位错强化：位错密度强度、硬度,意义,4残余内应力（性能）,第一类内应力宏观，表面和心部，塑性变形不均匀造成； 第二类内应力微观，晶粒间或晶内不同区域变形不均； 第三类内应力超微观，晶粒畸变（90%）。,去除外力后残留于且平衡

11、于金属内部的应力。,1、塑性变形金属在加热时组织性能变化,1.3.2 塑性变形金属的加热回复与再结晶,2、回复、再结晶和晶粒长大,1）回复 原子扩散能力较小，物理化学性能恢复，内应力显著降低，强度和硬度略有降低去应力退火。 驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）,2）再结晶,新的形核一长大过程，无新相生成 加工硬化消除，力学性能恢复，显微组织发生显著变化等轴晶粒，强度大大下降 再结晶退火：消除加工硬化的热处理工艺 再结晶温度：纯金属 TR=0.4-0.35Tm(K) 合金：TR=0.5-0.7Tm(K) 驱动力：金属变形储存能（晶格畸变能）,3）晶粒长大,性能恶化，特别是塑性明显下降。在工艺处理

12、应注意防止产生。,影响再结晶晶粒度的因素,温度TD晶界迁移长大 预变形度,TR以上加工，不引起加工硬化提高金属致密度、消除枝晶偏析，打碎柱状晶 ，树枝晶，流线分布,4）、热加工对金属组织性能的影响,塑性变形对金属组织和性能的影响,1.4 二元合金的相结构和相图,合金：一种金属元素同另一种或几种其它元素, 通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。 相：合金中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。如均匀的液体称为单相，液相和固相同时存在则称为两相。 组织：由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，纯金属的组织是由一个相组成的，合金的组织可以是一个相或多个

13、相组成。,1.4.1合金的相结构,一、固溶体 固溶体：在固态下，合金的组元相互溶解而形成的均匀的固相，称为固溶体。 固溶体中，保持原有晶体结构的组元叫溶剂，其余组元叫溶质。 固溶体用、等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。,1.固溶体的分类,2.固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。,溶质原子溶入晶格畸变位错远动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。,二、金属间化合物 金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。 熔点、硬度高、脆性大

14、。,1.正常价化合物,严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。 由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。性能特点是硬度高、脆性大。,2.电子化合物 不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度(化合物中价电子数与原子数之比)的化合物叫做电子化合物。它们的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中为重要的强化相。,3.间隙相与间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。,a.间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。 间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度,

15、非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。,b.复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。 钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相, 具有复杂的斜方晶格。其中铁原子可以部分地被 锰、铬、钼、钨等金属原子所置换, 形成以间隙化合物为基的固溶体,如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等。 复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些,在钢中也起强化相作用。 金属

16、化合物一般熔点较高, 硬度高, 脆性大。合金中含有金属化合物时, 强度、硬度和耐磨性提高, 而塑性和韧性降低。,间隙相（VC) 复杂结构的间隙化合物(Fe3C),1.4.2 二元合金相图的类型和分析,相图： 描述平衡条件下，相和相变与温度、成份、压力之间的关系图称为相图平衡图。,一、二元相图的建立,：纯铜 ：75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：纯Ni,二、二元合金相图分析（重点）,1、匀晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系匀晶相图（L），Cu-Ni，Fe-Cr,Au-Ag,（1）相图分析 点：凝固点 线：液相线 固

17、相线 区：L L+ （2）匀晶转变的结晶过程：LL+a a,(3)匀晶转变的特点 a.形核、长大 ，树枝状长大 b.变温过程 c.两相区内，温度一定，两相成分确定 d.两相区内，温度一定，两相相对量一定,QL% ab = Qa % bc,杠杆定律,证明： Q合金，其Ni含量b%，T1温度时：L相中Ni%=a%，a相中Ni%=c%；,Q合金% b%=QL% a%+Qa % c%,又因为：Q合金=QL+Qa 所以（QL+Qa ）% b%=QL% a%+Qa % c%,e. 枝晶偏析,冷速快原子扩散不充分成分不均。,扩散退火消除,2、共晶转变：,两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶转

18、变的合金系构成共晶相图，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu,相图分析,三个单相区： L、（、是有限固溶体） 共晶点：d 共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共同结晶出C、e 。 液相线 adb 固相线 acdeb 共晶反应线 cde 溶解度线：cf，eg T过饱和固溶体析出另一相脱溶转变,f,g,（2）典型合金的结晶过程,合金I：,相组成物：, 组织组成物：,II,析出,合金II：（ 共晶合金）Ld a c+ e,室温下： 相组成物，,组织组成物： （+）共晶体 （+）%=100%,合金III：（ 亚共晶合金）,L-L+a初-L+a初+（ ac+e)- a初+（ ac+e) -a

19、 +II+（ a+）,亚共晶合金组织,f,g,组织标注相图,1.4.3合金性能与相图的关系,1、合金的使用性能与相图的关系,2、合金的工艺性能,第二章 铁碳合金的结构和相图（ Fe-Fe3C相图）,铁碳合金的组元 (1) 纯铁 铁是过渡族元素, 熔点或凝固点为1538, 相对密度是7.87g/cm3。 纯铁从液态结晶为固态后, 继续冷却到1394及912时, 先后发生两次同素异构转变。 工业纯铁的机械性能特点是强度低、硬度低、塑性好。 (2) Fe3C 铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等, 有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图,

20、 此时相图的组元为Fe和Fe3C。,2.1 Fe-Fe3C合金相图分析,2.1.1 铁碳合金相图中的基本相 (1) 铁碳固溶体铁素体和奥氏体 铁素体 用符号 F或 表示, 是碳在 -Fe 中的间隙固溶体, 呈体心立方晶格。铁素体中碳的固溶度极小, 室温时约为0.0008%, 600 时为 0.0057%, 在727 时溶碳量最大, 为0.0218%。铁素体的性能特点是强度低、硬度低、塑性好。其机械性能与工业纯铁大致相同。 奥氏体 用符号 A或 表示, 是碳在 -Fe 中的间隙固溶体, 呈面心立方晶格。奥氏体中碳的固溶度较大, 在1148 时溶碳量最大达2.11%。奥氏体的强度较低, 硬度不高,

21、 易于塑性变形。 （2）铁碳化合物渗碳体 Fe3C是Fe与C的一种具有复杂结构的间隙化合物, 通常称为渗碳体, 含碳量为6.69%。渗碳体的机械性能特点是硬而脆。,2.1.2 Fe-Fe3C合金相图,1.相图中的特性点 表2-1 2. Fe-Fe3C相图中重要的线（相的转变） 水平线HJB（包晶反应线） 碳质量分数为0.09%0.53%的铁碳合金在平衡结晶过程中均发生包晶反应。 水平线ECF（共晶反应线） 碳质量分数在2.11%6.69%之间的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共晶反应。 水平线PSK（共析反应线） 碳质量分数为0.0218%6.69%的铁碳合金, 在平衡结晶过程中均发生共析反

22、应。PSK线亦称A1线。 GS线 是合金冷却时自A中开始析出F的临界温度线, 通常称A3线。,ES线 是碳在A中的固溶线, 通常叫做Acm线。由于在1148 时A中溶碳量最大可达2.11%, 而在727 时仅为0.77%, 因此碳质量分数大于0.77%的铁碳合金自1148冷至727 的过程中, 将从A中析出Fe3C。析出的渗碳体称为二次渗碳体(Fe3CII)。 Acm线亦为从A中开始析出Fe3CII的临界温度线。 PQ线 是碳在F中固溶线。在727 时F中溶碳量最大可达0.0218%, 室温时仅为0.0008%, 因此碳质量分数大于0.0008%的铁碳合金自727 冷至室温的过程中, 将从F中

23、析出Fe3C。析出的渗碳体称为三次渗碳体(Fe3CIII)。PQ线亦为从F中开始析出Fe3CIII的临界温度线。Fe3CIII数量极少, 往往予以忽略。,2.2 典型铁碳合金的结晶过程及组织 根据Fe-Fe3C相图, 铁碳合金可分为三类： (1) 工业纯铁：C0.0218% (2) 钢：0.0218% C2.11% 亚共析钢 0.0218%C0.77% 共析钢 C= 0.77% 过共析钢 0.77%C2.11% (3) 白口铸铁：2.11%C6.69% 亚共晶白口铸铁 2.11% C4.3% 共晶白口铸铁 C= 4.3% 过共晶白口铸铁 4.3%C6.69%,几种碳钢的钢号和碳质量分数,下面分

24、别对图中七种典型铁碳合金的结晶过程进行分析,2. 2.1共析钢 碳质量分数为0.77%的钢为共析钢, 其平衡结晶过程为： 12点 从L中结晶出A, 至2点全部结晶完了。 23点 A冷却不变。 33点 A发生共析反应生成P。 34点 P冷却，不发生转变。 共析钢的室温平衡组织全部为P。P呈层片状。,共析钢的室温组织 共析钢的室温组织组成物全部是P, 而组成相为F和Fe3C, 它们的质量分数为：,2.2.2 亚共析钢 以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例, 平衡结晶过程 ： 12点 L中结晶出 。 22点 发生包晶反应生成 A0.17 。反应结束后尚有多余的 L。 23点 L中不断结晶出A ,至3

25、点合金全部转变为 A。 34点 A冷却不变。 45点 A中析出F。 55点 A发生共析反应, 转变为P, F不变化。 56点 合金组织不发生变化。 室温平衡组织为F+P。F呈白色块状; P呈层片状, 放大倍数不高时呈黑色块状。 碳质量分数大于0.6%的亚共析钢, 室温平衡组织中的F常呈白色网状, 包围在P周围。,亚共析钢的碳质量分数可由其室温平衡组织来估算。 若将F中的碳含量忽略不计, 则钢中的碳含量全部在P中, 由钢中P的质量分数可求出钢的碳质量分数： C%=P%0.77% 式中, C%表示钢的碳质量分数, P%表示钢中P的质量分数。 由于P和F的密度相近, 钢中P和F的质量分数用P和F的面

26、积百分数来估算。,2.2.3 过共析钢 以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例, 其平衡结晶过程为： 12点 L中结晶出A, 至2点全部结晶完了。 23点 A冷却不变。 34点 A中析出Fe3CII, Fe3CII呈网状分布在A晶界上。至4点时A的碳质量分数降为0.77%。 44点 A发生共析反应转变为P, 而Fe3CII不变化。 45点 组织不发生转变。 室温平衡组织为Fe3CII+P。在显微镜下, Fe3CII呈网状分布在层片状P周围。,含1.2%C的过共析钢的组成相为F和Fe3C； 组织组成物为Fe3CII和P, 它们的质量分数为:,2.3.1 合金性能与相图的关系 （1）硬度 随碳含量的

27、增加, 硬度高的Fe3C增多, 硬度低的F减少,合金的硬度呈直线关系增大, 由全部为F的硬度约80 HB增大到全部为Fe3C时的约800 HB。 （2）强度 强度对组织形态很敏感。随碳含量的增加, 亚共析钢中P增多而F减少。P的强度比较高。组织越细密, 则强度值越高。F的强度较低。所以亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大。 当碳质量分数超过共析成分之后, 强度很低的Fe3CII沿晶界出现, 合金强度的增高变慢, 到约0.9%C时, Fe3CII沿晶界形成完整的网, 强度迅速降低, 随着碳质量分数的进一步增加, 强度不断下降, 到2.11%C后, 合金中出现Le时, 强度已降到很低的值。,2.3

28、铁碳合金性能与成分、组织的关系,（3）塑性 铁碳合金中Fe3C是极脆的相, 没有塑性。合金的塑性变形全部由F提供。所以随碳含量的增大, F量不断减少时, 合金的塑性连续下降。到合金成为白口铸铁时, 塑性就降到近于零值了。 亚共析钢的硬度、强度和延伸率可根据成分或组织作如下的估算： 硬度80w（F）+180w（P） (HB) 或硬度80w（F）+800w（Fe3C） (HB) 强度( b)230w（F）+770w（P） (MPa) 延伸率( )50w（F）+20w（P） (%) 式中的数字相应为F、P或Fe3C的大概硬度、强度和延伸率; w（F）、w（P）、w（Fe3C）相应表示组织中F、P或F

29、e3C的质量分数。,2.3.2 Fe- Fe3C合金相图的应用 Fe- Fe3C相图在生产中具有巨大的实际意义, 主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺的制订两个方面。 1. 在钢铁材料选用方面的应用 Fe- Fe3C相图所表明的成分-组织-性能的规律,为钢铁材料的选用提供了根据。 建筑结构和各种型钢需用塑性、韧性好的材料, 选用碳含量较低的钢材。 机械零件需要强度、塑性及韧性都较好的材料, 应选用碳含量适中的中碳钢。 工具要用硬度高和耐磨性好的材料, 则选碳含量高的钢种。 纯铁的强度低, 不宜用做结构材料, 但由于其导磁率高, 矫顽力低, 可作软磁材料使用, 例如做电磁铁的铁芯等。 白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能锻造，但其耐磨性好，铸造性能优良，适用于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，例如拔丝模、冷轧辊、货车轮、犁铧、球磨机的磨球等。,2. 在铸造工艺方面的应用 根据Fe- Fe3C相图可以确定合金的浇注温度。浇注温度一般在液相线以上50 100 。 从相图上可看出, 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好, 它们的凝固温度区间最小, 因而流动性好, 分散缩孔少, 可以获得致密的铸件, 所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近。 在铸钢生产中, 碳