热工工艺及工程材料

1、 机械工程及自动化八班 郭长帅 热工工艺及工程材料绪论：（1） 金属材料品种繁多，工程上常用的金属材料有黑色金属、有色金属及合金、粉末冶金材料等。材料、能源和信息是现在社会和现代科学技术的三大支柱。（2）第一章： 第一节：（1） 在外力作用下金属材料所表现出来的性能称为力学性能，亦称机械性能。金属材料力学性能是评定材料好坏的主要指标，是设计和选用材料的重要依据。它包括弹性塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、断开韧性、疲劳强度、蠕变强度等（2）弹性模量（刚度）在弹性变形范围内，应力与应变的比值（OP的斜率）称为材料的弹性模量，工程上称为刚度，即为：式中： （MPa）（单位截面上的拉力）；（单位长度

2、上的伸长量）。弹性模量E是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E愈大，则使其产生一定量弹性变形的应力也应愈大。金属材料弹性模量E主要决定于金属材料本身的性质，是金属材料最稳定的性能之一。各种加工工艺对其影响甚小，在室温下，钢的弹性模量大都是在1910422104MPa之间，但弹性模量随温度的升高逐渐降低。（3）屈服强度屈服强度是静拉伸过程中开始产生塑性变形时的应力，即为拉伸曲线上S点的载荷大小与试棒原始截面积之比，用b表示：但有些材料没有明显的屈服点S，因此，规定以试样产生0.2%残余变形时的应力值作为该材料的条件屈服强度，以0.2表示。对于有些零件在工作中不允许发生塑性变形，所以S 是设计中

3、材料强度的主要参数，是材料的重要力学性能指标之一。（4）抗拉强度抗拉强度是静拉伸过程中试样被拉断前的最大应力，即材料拉伸曲线上B点时的载荷大小与原始截面之比，用b表示：抗拉强度表示材料在拉力作用下抵抗断裂的能力，是设计和选材的重要力学性能指标之一。合金化、热处理、冷热加工对材料的S、b数值会发生很大的影响。材料在外力作用下，发生不能恢复原状的变形称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。金属的塑性常用伸长率和断面收缩率来表示。（5） 伸长率(伸长率、断面收缩率)伸长率表示拉伸试样被拉断时的相对塑性变形量，用表示：式中：L1试样拉断后标距长度，mm； L0试样原始标距长度，mm。断面收缩

4、率：断面收缩率表示拉伸试样被拉断时的截面积相对减缩量，用表示：式中：A0试样原始截面积，mm；A1试样被拉断后的截面积，mm。、愈大，表示材料的塑性愈好（值与试样尺寸有关，一般规定L0=5d0或L0=10d0，分别以5或10来表示，同一种材料测得的5一般比10要大些）。通常以伸长率的大小来衡量金属材料塑性的好坏，2%5%的材料为塑性材料，2%5%的材料为脆性材料。伸长率和断面收缩率只是材料塑性的标志，一般不作为设计零件的直接依据。第二节：疲劳强度：金属材料承受周期性交变载荷时抵抗断裂的能力称为疲劳强度。实验证明，能承受周期性对称循环交变的载荷的材料，断裂时其循环次数与应力之间有一定的规律，如图

5、1-2所示。（疲劳测试） 即应力愈小，其循环次数愈多。当应力小于某一数值时，可无限循环而不破坏（如图中曲线），此应力称为疲劳强度。疲劳强度常比S小得多，一般零件不必作无限循环工作，但有些材料疲劳曲线无明显的水平线段（如图中曲线2），故工程上规定：钢铁材料循环107、有色金属循环108次不发生断裂的最大应力，作为该材料的疲劳强度，用-1表示。产生疲劳破坏的原因，一般认为由于材料内部有夹杂物，表面划痕及能引起应力集中的缺陷，而导致微裂纹的产生，但为了避免疲劳破坏的产生，除改善其结构形状，避免应力集中外，还可采用表面强化的方法，如降低零件的表面粗糙度等。第三节硬度（洛氏硬度、布氏硬度）生产上,对硬度

6、的测定最为广泛和方便，所以硬度常作为设计零件的技术指标之一，常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等。1布氏硬度（HBS）（硬质合金球用HBW表示）布氏硬度是在布氏硬度计上测定的。其原理是用一定直径D（如10mm）的淬硬钢球，在一定的压力F（如29.42kN,即3000kgf）下,将淬硬钢球垂直地压入金属材料的表面,并在一定的压力下保持一定时间(约10s)后卸载，测得压痕直径，如图3-1所示。然后用压力F与压痕面积A的比值来表示硬度，用HBS表示：（当试验力单位用kgf时）；(当试验力单位用N时)。式中：F为载荷（N）；D为刚球直径（mm）；d为压痕平均直径（mm）。HBS数值一般不需要计算，而

7、用带有刻度盘的放大镜测量出压痕的直径，直接由表中查得HBS的大小。HBS一般只标大小而不标单位。如常用D=10mm，F=3000kgf（29.42kN），t=10s，测得硬度为380，布氏硬度表示为380HBS。如其他条件测得的硬度值，则要在HBS后面注下角标，如D=2.5mm，F=62.5kgf（12.5N）,t=20s，测得硬度为120，则表示为120HBS2.5/62.5/20。布氏硬度常用于测定铸铁、非铁合金及退火钢的硬度。HBS只能测定硬度值小于450HBS以下的金属材料，否则钢球会变形，测得的结果不准确；但也不能测定厚度小于12mm的薄板材料，否则钢球就会压穿试样。布氏硬度计也可采

8、用硬质合金球作为压头，用HBW表示，用于测量硬度较高的材料。在不能用布氏硬度测定时，可用洛氏硬度测定。2洛氏硬度（HRC）图1-4洛氏硬度是在洛氏硬度计上测定的。其原理与布氏硬度一样，如图1-4所示。，利用一定的压力将坚硬的压头压入金属表面，它不是根据压痕直径，而是用压痕的深度来确定硬度值，并直接从硬度盘上读出。它是用金刚石圆锥体压头（锥角120）或直径为1.588mm的淬硬钢球，在一定的压力，如150kgf压入金属表面，并保持一定时间后卸除主载荷以消除弹性变形，根据压痕直径的深度确定硬度值，常用HR来表示。洛氏硬度有3种规范：常用的是HRC，主要用于测量淬火钢的硬度，用途最为广泛；HRA用于

9、测量表面层或高硬度材料，如硬质合金；HRB适用于硬度较低的材料。洛氏硬度3种规范应用值见表1-1。表1-1 洛氏硬度 3 种规范洛氏硬度测试压痕小，直接读数，操作方便，可测低硬度、高硬度的材料，应用广泛，用于测试各种钢铁原材料、非铁合金、经淬火后工件、表面热处理工件及硬质合金等。如用锥角为120的金刚石压头，F=1741N（150Kgf），测得淬火钢硬度为58，洛氏硬度表示为58HRC。3维氏硬度（HV）维氏硬度是在维氏硬度计上测定的。维氏硬度是在一定载荷F的作用下，将顶角为136的金刚石四棱锥压头压入材料表面，保持一定时间后卸除载荷，则在材料表面得到一个四方形的压痕，测量出压痕两条对角线的平

10、均长度d（mm），如图1-5所示。则可根据d计算出压痕面积A（mm2），以F/A的值来表示材料的硬度，用HV表示：式中：d为压痕对角线长度的平均值(mm)；F为试验力（N）。其测试方法与布氏硬度相同。维氏硬度的测试力F有多种，常用的有：49.04N(5kgf)、98.07N（10kgf）、147.1N(15kgf)、294.2N(30kgf)等。测定维氏硬度时可任意选用载荷，可测定硬度高的材料，也可测定硬度低的材料，也可测定较薄的工件的硬度，所以，维氏硬度测试的硬度范围较大，可以从5HV1000HV。布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度之间没有直接的换算公式，一般是查阅有关表格进行换算。但25HRC左

11、右时，与HBS有一定的比例关系，即HRC1/10HBS。硬度测试操作方便，测量时不破坏零件的完整性，硬度值又可直接反映零件的使用要求，故零件图上常标注规定的硬度值。硬度是机械零件最常用的性能指标之一。第四节：冲击韧性：冲击韧性是金属材料抵抗冲击载荷的能力。冲击韧性是在冲击试验机上测定的，如图1-6所示。（冲击试验）它是将摆锤举到一定的高度H1，然后来冲击制成带有U型缺口的标准试样，试样冲断后，摆锤又升至一定的高度H2，如试样断口处的截面积为A（cm2），则冲击韧性aku为（即以试样冲断时消耗的功表示材料的冲击值）：式中：G为摆锤的质量（kg）；H1、H2分别为冲击前、后摆锤的高度（m）；A为试

12、样断口处的截面积（cm2）。对于脆性材料（如铸铁、工、模具钢等），做冲击弯曲试验时，试样不开缺口，因为开缺口的材料冲击值太低，难以比较不同材料冲击韧性的差异。第五节：断裂韧性;断裂韧性是指带微裂纹的材料或零件阻止裂纹扩展的能力。金属材料从冶炼到各种加工过程，都有可能在材料内部产生微裂纹，这种裂纹的存在降低了材料的工作应力，但不是存在微裂纹的零件一概不能使用。当零件承受载荷而在其内部产生应力集中时，裂纹尖端处呈现应力集中，其大小与裂纹长度和裂纹尖端曲率半径有关，在裂纹尖端附近的微小区域内，存在一个很复杂的应力场，其大小用应力强度因子KI表示：式中：Y为形状因子，与构件形状和裂纹形状有关，在特定状

13、态下是一个常量； 为承受载荷时的应力（MPa）；为裂纹长度的一半（mm）。应力强度因子的临界值称为材料的断裂韧性，用KIC表示。当KIKIC时，零件可安全工作，KIKIC时则可能由于裂纹扩展而断裂。各种材料的KIC值可在有关手册中查得，当已知KIC和Y值后，可根据存在的裂纹长度确定许可的应力，也可根据应力的大小确定许可的裂纹。第二章：1.金属材料结构一.纯金属的晶体结构与结晶1晶体的一些重要概念一切固态物质可分为晶体与非晶体两大类。晶体：内部原子有规律排列的物质。如固态金属及合金等，如图2-1（a）所示。(晶体的排列）、(晶格的截取）非晶体：内部原子没有一定的排列，如玻璃、松香等。如果用纯铁做

14、一个试样，对其平面进行研磨和抛光，再选用一定的侵蚀剂（4%硝酸酒精溶液）对其表面稍加腐蚀，然后用水清洗干净并吹干，再放在金相显微镜下进行观察，便可清楚地看到纯铁是由许多外形类似而不规则的多边形颗粒所组成。这种不规则地颗粒则称为“晶粒”，如图2-1（d）所示。在晶粒内，由于各个方向原子排列的情况不同，故而呈现各向异性。在射线下分析，每个晶粒内部的原子排列大都是整齐而有规律的。晶粒与晶粒之间的过渡区称为“晶界”。晶格中最基本的单元称为“晶胞”，如图2-1(c)所示。可以认为晶格是由晶胞在空间重复的堆积而成的。所以，我们分析晶体结构时只要分析晶胞就可以了。晶胞的几何形状用晶格常数来表示其特性。晶格常

15、数即表示晶胞大小及几何特性的参数，通常用晶胞中各棱边的长度a、b、c及各棱边的夹角、来表示。在立方体情况下，其棱边长度相等,则a=b=c,而夹角=90。晶格常数的大小常以为单位各种晶体的晶格类型和晶格常数不同，则其物理、化学及力学性能亦不同。2常用金属的晶格及其主要参数 在金属元素中，目前已知的晶格形式有7种，但常用金属中，主要的晶格形式有3种（约占金属元素的90%以上）。如图2-2-1。(1)体心立方晶格（图2-2）(晶胞-体心立方体）体心立方晶格的晶胞三棱边长度相等（a=b=c），其三棱边之间的夹角均为90（=），从而构成了立方体，立方体八个顶点各有一个原子，立方体中心还有一个原子，所以称

16、为体心立方晶格。晶胞原子数：一个晶胞内含有的原子数目（图2-2-2） 原子半径：晶胞中最近的两原子之间距离的一半（图2-2-3） 致密度：指晶胞内原子实际占有的体积与晶胞体积之比。 式中：n一个晶胞中实际包含的原子数； V晶胞的体积。则 配位数：指晶格中与任一原子最近邻且等距离的原子数。显然，晶体中原子的配位数愈大，晶体中的原子排列愈紧密。体心立方晶格的配位数为：8。属于这类晶格结构的有-Fe、Cr、Mo、W、V等20多种。(2)面心立方晶格（图2-3）(面心立方晶格）面心立方晶格中三棱边长度a=b=c,三棱边夹角=90，从而构成了立方体，在立方体的八个顶点上各有一个原子，且在立方体的六个面的

17、中心各有一个原子，所以称为面心立方晶格。 配位数：12属于这类晶格结构的有-Fe、Cu、Al、Ni、Pb等到20多种。(3)密排六方晶格（图24）(密排立方晶格）密排六方晶格的晶胞为六方柱体，在六方柱体12个顶角上各有1个原子，上、下两个面的中心各有1个原子，且在上、下两个面之间有3个原子，六方柱体边长为a，六方柱体高为c（c=1.633a）。 属于这类晶格的结构有：Bz、Mg、Zn、Cd等30多种（图2-2-4）。以上三种金属晶体结构的特征可看到，面心立方晶格和密排六方晶格中的原子排列紧密程度完全一样，在空间是最紧密排列的两种形式。体心立方晶格中原子排列的紧密程度要差一些。3晶面与晶向的表示

18、方法晶面：晶格中不同方位的原子面。晶向：晶格中不同方向的原子列。不同晶面和不同晶向上原子排列的状态是不同的。为了便于表示各种晶面和晶向，用统一的晶面指数和晶向指数来表示，国际上通用的是密勒（Miller）指数。在金属中，许多性能现象与特定的晶面和晶向关系很大。(1)立方晶系的晶面指数 晶面指数的确定如下：(图2-5a)选定晶胞中的任一结点为坐标系原点，以与该点连接的三条棱边为坐标轴，即ox、oy、oz（反向为负值）。以晶格常数a作为坐标轴上的度量单位，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距（截距为负值时，在指数上方加“”号，如晶面与某平面平行，则截距为）。求出3个截距的倒数并化为最小整数。将3个整数

19、加圆括号，即为所求的晶面指数。可写成（hkl）。如图2-5所示：（100）、（110）、（111）等。(图2-5b)。（hkl）表示特定晶面求得的晶面指数。在晶体中，具有等同条件而只是空间位向不同的各组晶面，可归并为一个晶面族，用hkl表示。在立方晶系中， 上述两两平行的6个等同晶面构成了立方晶胞的立方体表面。 前6个晶面与后6个晶面两两相互平行，共同构成十二面体，所以晶面110又称为十二面体。 前4个晶面与后4个晶面两两平行，共同构成了1个八面体，所以又称111为八面体。（2）立方晶系的晶向指数 晶向指数的确定如下：选定晶胞中的任一结点为坐标原点，并以该点连接的三条棱边作为坐标轴，即ox、o

20、y、oz（反向为负）。 以晶格常数a作为坐标轴上的度量单位,并通过坐标原点作一直线平行于所求的晶向。求出该直线上任一点的三个坐标值。将三个坐标值化为最小整数，并加方括号，即为所求的晶向指数，可写成uvw，如图16所示，100、110、111等。uvw表示特定的原子排列相同的晶向求得的晶向指数。原子排列不同的各组晶向，可归并为一个晶向族，用uvw表示。(图2-5c)在立方晶系中： 同样110包含12个110、111包含8个111。（3）六方晶系的晶面指数与晶向指数六方晶系的坐标系由4个坐标轴组成，如图2-7所示。在底平面上选择3个坐标轴并互成120夹角，三轴交点为原点O，通过原点与三轴垂直的方向

21、为第4坐标轴。晶面指数用（hkil）表示；晶面族用hkil表示。晶面族指数用uvtw表示；晶向族用表示。指数的确定与立方晶系相同。4晶体结构的不完整性前面我们讨论研究的金属都是理想完整而无缺陷的晶体结构，但在实际金属中，原子排列并不可能如此规则，在结构上或多或少地存在着不完整性，这种现象称为晶体结构的不完整性，或称晶体缺陷。 在实际金属晶体中存在有原子、尺寸大小的不完整性称为缺陷。（1）点缺陷点缺陷的特点：是在x、y、z三维方向上尺寸都很小，通常只有几个原子直径的大小，故称三维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等。如图2-8所示。（2）线缺陷线缺陷即晶格中的位错，(位错) 所谓线缺陷可视为晶格

22、中一部分晶体相对另一部分的局部滑移而造成的结果。线缺陷的特征：二维尺度很小，而一维尺度相对很大，故称一维缺陷。刃型位错其特征是在某一晶面的一侧多了一个原子面。多余原子面的底部即为位错线，如图2-9（a）所示。半原子面在上面的称正刃型位错，用符号“”表示；半原子面在下面的称负刃型位错，用符号“”表示。螺型位错其特征相当于从一个面AB切至另一个面CD，然后左右两边沿切开面作综合平移与旋转一个或几个原子面距。这样另一个面CD周围的原子就是螺旋线型排列。CD为位错线。如图2-9（b）所示。位错线周围晶格发生畸变，原子排列不规则。位错密度单位体积晶体中所含位错线的总长度。位错密度的大小对金属性能影响很大

23、，在位错密度很小或很大时，金属的强度较高；当位错密度在某一范围时，则金属的强度最低。实际金属晶粒内存在有大量的位错，位错密度通常在106108cm/cm3之间。二.合金的结构 1合金的概念 合金是以一种金属元素为基础，加入另一种或几种金属或非金属元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的基本单元称为组元。合金中的组元可以是金属元素和非金属元素，也可以是稳定化合物。 两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的合金称为三元合金。三个以上组成的合金称为多元合金。 合金的名称按其最主要的组元的名称命名，如铜合金、铝合金等。也可以按主要合金元素的名称命名，如铁碳合金、铜锌合金等。 合金的力学性能通常要

24、比纯金属好，所以工程上大多选用合金作为结构材料。 合金由于是两种或多种元素组成，因此元素之间的相互关系及存在形式的不同，使合金具有不同的结构。表达合金结构特征两个重要概念相与组织。 相合金中，凡成分相同，结构相同，并与其它部分有界面分开的独立均匀的组成部分。不同的合金具有不同的相，同一合金在不同的条件下可能具有不同的相。用相的特征来表示合金结构时，称为合金的相结构。结构中各种相称为相组成物。 组织合金结构的微观形貌。合金的组织通常用显微镜才能观察清楚，所以称为显微组织。用组织的特征来表示合金时，称为合金的组织结构，合金中的各种组织称为组织组成物。不同的合金呈现不同的组织，有单相也有多相。同一种

25、合金，在不同状态下（如不同的温度或经不同的处理），可得到不同的组织，使合金具有不同的性能。 2合金的基本相 在合金中有各种组织组成物，但在固态合金中的基本相结构为固溶体和金属化合物两种。 （1）固溶体以一种金属元素为基础，其它合金元素（金属或非金属）的原子溶入基础元素的晶格中所形成的结构称为固溶体。通常将基础元素作为溶剂，溶入元素作为溶质，溶质原子溶入溶剂原子即为固溶体。所以，固溶体结构的一个重要特征是保持溶剂的晶格类型。 置换固溶体 溶质原子置换了溶剂原子存在于溶剂晶格的结点上，如图2-15（a）所示。 当溶质原子与溶剂原子的大小相近且晶格类型相同时，则容易形成置换固溶体。置换固溶体可以是有

26、限固溶体和无限固溶体。 间隙固溶体 当溶质原子比溶剂原子尺寸小时，溶剂原子处于溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体。固溶体中由于溶质原子的存在，不论是间隙固溶体或置换固溶体，都使晶格发生畸变（包括正畸变与负畸变），这种由于溶质原子进入溶剂中使得金属材料的强度和硬度上升的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金力学性能的重要途经之一。 （2）金属化合物 在合金中，组元间除能形成固溶体外，在当溶质含量超过一定数量后，还能形成与两组元的晶格结构和性能均不相同的新相，而新相具有金属特性，称为金属化合物。根据金属化合物的相结构不同，可分为三类。 正常价化合物 指符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化

27、合比，成分固定不变，可用化学式表示。金属中常见的有：Mg2Si、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP等。这类化合物性能的特点是硬度高、脆性大。电子化合物 指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的物质。例如，当价电子浓度为3/2时，电子化合物具有体心立方晶格；当电子浓度为7/4时，其具有蜜排六方晶格。金属中常见的有：Cu-Zn、Cu-Si、Cu-Al、Cu-Si等。电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性。它们的熔点和硬度都较高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。 间隙化合物 指过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径很小的非金属元素形成的化合物。根据其结构特点，可分为间隙相和复

28、杂结构的间隙化合物2种。 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，将形成具有简单晶格结构的简单化合物，如图2-17（a）所示。在间隙相晶格中金属原子位于晶格结点位置，而非金属原子则位于晶格的间隙处。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，同时其脆性大，但非常稳定。间隙相分布均匀，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性、耐磨性和耐蚀性，是高合金钢和硬质合金的重要组成相。 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，将形成具有复杂晶格结构的间隙化合物。当在合金中存在适当比例的金属化合物时，能显著地提高合金的强度，所以，金属化合物可作为金属材料的强化相。正常价化合物

29、与电子化合物可作为有色金属的强化相，而间隙化合物可作为各种碳素钢和合金钢的强化相。但强化相必须均匀地分布在固溶体基体上，若分布不均匀则会增加脆性。 3机械混合物 机械混合物是合金中一种特殊的结构，由固溶体与化合物或固溶体与固溶体两相组成。其特点是：两相具有固定的比例，固定的合金，且同时形成。如铁碳合金中的珠光体是一种机械混合物，它是由层片状的铁素体和渗碳体所组成的机械混合物，其性能介于两组成相之间。三.合金状态图 合金状态图是表示合金系中不同成分在不同温度与不同压力时所呈现的状态的图形，是研究分析各种合金结构的重要工具。由于对合金的加工和使用一般都是在常压状态，所以合金状态图实际上只表示合金的

30、成分、温度和组织三者之间的关系。对二元合金，用二维坐标系即可表达这种关系。合金状态图通常以横坐标表示合金的成分，纵坐标表示温度，用来表示各种成分的合金在不同温度下存在不用的平衡组织（或相）之间的关系图。它既可用组织组成物表示也可用相组成物表示。合金状态图都是用实验的方法绘制的，常用热分析法来测定。首先，配制不同成分的合金，然后，作出每一成分合金的冷却曲线，找出冷却曲线上的临界点的温度值，再将不用成分合金的临界点的温度值标注在坐标系的相应位置上，最后，将各种成分线上相同意义的坐标点连接起来，就构成了合金状态图。1 匀晶状态图 两组元在液态和固态均无限互溶所构成的状态图，称为二元匀晶状态图。固态冷

31、缺时不发生相变。匀晶状态图，如图2-18所示。具有这类相图的合金系主要有：Cu-Ni、Cu-Au、Fe-Cr、Fe-Ni等。（1）状态图分析 图2-18中A、B为合金两组元，a、b分别为A、B组元的熔点，a1b线是各种成分合金开始结晶的温度，a4b线是各种成分合金结晶完毕的温度，两条曲线将坐标划分为3个区。a1b以上为液相区，用符号L表示，a1b称为液相线；a4b以下为固相，用相组成物或组织组成物的符号表示，图中为合金的固溶体相，a4b为固相线；液相线与固相线之间为液相与固相共存区，图中为L+。（2）合金冷却过程分析 通过对任一成分合金冷却过程分析，都可以了解合金自液态冷却、结晶、结晶后冷却至

32、室温，合金结构发生哪些变化？现以图2-18所示的合金为例分析如下。结晶过程 这类状态图较简单，只有一条液相线和一条固相线。设有合金K，其成分垂线KK与液相线、固相线分别交于己于1、4两点，这表示合金在a1b以上为液相，缓慢冷却到t1时，合金K开设从液态合金中结晶出相，由于结晶时放出结晶潜热，故冷却曲线较为平坦，随着温度不断下降，相不断增多，L相不断减少，至t4点结晶完毕。从点4至室温为固溶体，不发生相变；在点1至点4之间，合金为L+，随着温度变化，L和的合金成分及相对量是不同的。刚结晶的固相其含B量不是K，而是液、固两相的成分分别为1和1在横坐标上的投影表示。温度为t3时，固相的含B量为3在横

33、坐标上的投影X ，而液相的含B量为3点在横坐标上的投影X；温度降至t4点4点时，固相的含B量为K，液相合金结晶完毕。即为从开始结晶到结晶完毕，固相合金的含B量从1 向K变化，而液相合金的含B量从K点向点4变化。这就出现了结晶过程中心晶粒与外层化学成分的不均匀的现象，称为结晶偏析，也称晶内偏析，如图2-19所示。晶内偏析的存在将使合金的塑性、韧性显著下降。当结晶过程冷却速度很缓慢时，通过原子扩散可使整个晶粒成分均匀，则不出现偏析；若结晶冷却速度较快，则须通过重新加热保温的方法来消除偏析（称为扩散退火）。杠杆定律 欲知结晶过程的某一瞬间合金中固相与液相的相对量，可用杠杆定律来计算求得，如图2-20

34、中温度t3时。设合金的总质量为1，固相质量为Q，液相L的质量为QL。已知：液相中含B量为X，固相质量为X,合金中含B量为K，则这个式子与力学中的杠杆定律相似，因而亦被称作杠杆定律。若t3为已知温度，则X与X都是已知数，即可计算出Q与QL的质量百分数。杠杆定律是分析合金结晶过程的重要工具，但只适用于状态图中两相（或组织）区两者相对量的计算，对于三相区或单相区不适用。2共晶状态图当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应时，所构成的状态图，称为二元状态图，如图2-21所示。如Pb-Sn、Pb-Si、Al-Si、Zn-Sn等合金系的状态图。（1）状态图分析 图中A、B代表合金两组元

35、，a、b分别为A、B组元的熔点。acb液相线，adceb为固相线；为B组元溶于A组元形成的有限固溶体，最大溶解度为d，随着温度的降低，溶解度减少，室温时的溶解度为f，df为B组元在A组元中的溶解度曲线；为A组元溶于B组元形成的有限固溶体，最大溶解度为e，随着温度的降低，溶解度减少，室温时的溶解度为g，eg为A组元在B组元中的溶解度曲线。dce为共晶转变线，c为共晶点。（2）合金冷却过程分析 共晶状态图与匀晶状态图不同，结晶后固态合金冷却至室温时，有的不再发生组织转变，有的则会发生组织转变。下面以4种具有代表性的合金为例，进行冷却过程分析。4种合金的成分，如图2-22所示。1）合金 如图2-22

36、中的所示。合金从1-2点为液态合金自然冷却，至2点时开始从L，随着温度降低，从液体中不断析出，液体不断减少，至3点结晶结束，液体全部结晶为；点3至室温固溶体不断冷却至室温，不再发生组织变化。含B量少于f点的合金，冷却过程的组织为固溶体。2）合金 如图2-22中的所示。合金从1-2点为液体合金自然冷却，至2点时开始从L，随着温度降低，从液体中不断析出，液体不断减少，至3点结晶全部结束；从3-4点固溶体自然冷却。点4以下由于固溶体对B组元的溶解度少于合金中的含B量，故有部分B组元析出，并溶于A组元形成固溶体，随着温度下降，固溶体逐渐増加；为区别于从液态中直接析出的固溶体，所以，这种由固溶体中析出B

37、组元而形成的固溶体，称为二次固溶体，用表示。室温时，合金的组成物为+，如图2-23所示。3）合金 如图2-22中的所示。合金从1-2点为液体合金自然冷却，至2点时液体合金同时结晶出d和e。由于结晶过程放出较多的结晶潜热，故冷却曲线呈现一水平线，由C点成分的合金在C处的温度同时结晶出d和e，可写成Lcd+e，此结晶过程为共晶反应。所产生的产物为共晶体，属机械混合物，是一种两相的组织组成物。含B量为C的合金称为共晶合金。从点2至室温，d和e的溶解度减少而分别析出和，由于二次相只存在于一次相之中，所以表示共晶体结构时常只写+，略去和。室温时，合金的组成物为+，如图2-24所示。4）合金 如图2-22

38、中的所示。合金从12为液体合金自然冷却，至点2时开始从L，随着温度的减低，从液体中不断析出，液体不断减少；固溶体沿ad线变化，液体成分沿ac线变化，至点3时合金为d+Lc；此时Lc则发生共晶反应，反应结束合金为：d+(+)；从点3至室温，固溶体逐渐析出，室温时合金的组织组成物为+（+），如图2-25所示。若以相组成物表示则为+。含B量d至c的合金称为亚共晶合金。含B量大于c至e的合金称为过共晶合金，c点右面合金冷却过程分析与左面相同，不再重复。在dc之间的合金，冷却时均要发生共晶反应；dec线为共晶转变线。共晶状态图也可用杠杆定律计算组成物的质量比。例如，共晶反应结束后d与e的质量比为：3包晶

39、状态图 当两组元在液态时互相互溶，在固态时形成有限互溶，而且发生包晶反应时，所构成的状态图，称为二元包晶反应，如图2-26所示。如Sn-Sb、Pt-Ag、Ag-Sn、Al-Pt等合金系的状态图。A、B代表合金两组元，a、b分别为A、B组元的熔点，acb为液相线，adeb为固相线，、是以A、B分别为溶剂的有限固溶体。这类状态图的主要特点是：在dec温度时由c成分的液体与d成分的固溶体发生包晶反应，形成e成分的固溶体，即,则dec为包晶转变线，e为包晶点。包晶反应时Lc与d的质量比为： 成分在de之间的合金，冷却至dec温度时，一部分固溶体与液体合金将发生包晶反应，另有固溶体剩余，包晶反应后为+；

40、冷却至室温时，从与中分别析出与，即室温时的组成物为+。成分ec之间的合金，冷却时均发生包晶反应，故dec线称为包晶转变线，而含B量小于d及大于c的合金，不再发生包晶反应。包晶反应要求缓慢冷却，使A、B两组元充分扩散，否则易产生成分偏析，若产生成分偏析则可通过退火方法加以消除。4Fe-C合金状态图钢铁是现代机械制造、农业机械、轻工机械、国防工业和建筑工程中应用最为广泛的金属材料，为熟悉钢铁材料，以利合理地选用，首先我们讨论一般铁碳合金材料，然后由铁碳状态图分析其成分、组织和性能之间的关系。铁碳合金中的组元是铁和碳。铁具有同素异构（晶）转变，低于912呈体心立方晶格（-Fe），在9121394呈面

41、心立方晶格（-Fe），在13941538呈体心立方晶格（-Fe）；在770以下有磁性，770以上无磁性。即： 金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构（晶）转变。金属的同素异构转变与液态结晶相似，故称为二次结晶或重结晶。纯铁的冷却曲线及重结晶后的组织示意图，如图2-27所示。(Fe的冷却曲线）碳可进入铁形成固溶体，也可形成化合物，还可呈游离态的石墨形式存在。石墨（G） C为游离态，具有简单密排六方结构，原子排列呈层片状，层间结合弱，受外力作用易发生滑移。其强度、硬度极低，近于零。即b、HBS0。铁素体（F或） C在-Fe中形成间隙固溶体，称为铁素体，用符号F或表

42、示，呈体心立方晶格，是铁碳合金中的基本相。其碳质量分数在727为0.0218%，600为0.0057%，室温约为0.0008%。由于其含碳量较少，则强度、硬度低，塑性好，性能接近于纯铁。奥氏体（A或） C在-Fe中形成间隙固溶体，称为奥氏体，用符号A或表示，呈面心立方晶格，奥氏体是高温区（727）存在的基本相。其最大碳质量分数在1148为2.11%。由于其溶碳能力较大，其性能为b、HBS较低，170220HBS，塑性好，=40%50%。渗碳体（Fe3C） C与Fe的混合物称为滲碳体（Fe3C），呈密排六方晶格。其碳质量分数为6.69%，熔点1227。其性能为：b=30MN/m2、800HBS、

43、ak 0。存在形式：片状、球状、细板条状，其形状、数量和分布状况对钢和铸铁的性能影响很大。渗碳体是一个亚稳定相，可分解为石墨：Fe3C3Fe+G。珠光体（P） F和Fe3C的机械混合物称为珠光体（P），它是铁碳合金中的组织组成物。用高倍金相显微镜观察珠光体可看到渗碳体以片状形式存在于铁素体基体上；用低倍显微镜观察时珠光体呈片状。珠光体碳质量分数为0.77，F和Fe3C质量比为7.81。其性能介于F和Fe3C之间，b=800850MN/m2,0.2=600MN/m2,160280HBS,塑性低，=20%25%，=12%15%，ak=2432J。莱氏体（Ld或Ld） 莱氏体在高温下是Fe3C和A的

44、机械混合物，用Ld表示；在低温下是Fe3C和P的机械混合物，用Ld表示。它是铁碳合金中的组织组成物，其碳质量分数为4.3，室温下，P和Fe3C的质量比为23，其性能介于P和Fe3C之间，接近于Fe3C，700HBS，脆性大。另外,还有碳溶于-Fe中形成的固溶体，用表示，呈体心立方晶格。在1495时，碳在-Fe中的最大溶解度为0.09，但区间很小（0.090.53），对锻造和热处理等热加工工艺影响不大，故不作介绍（1）Fe-C合金状态图分析Fe-C合金状态图是研究铁碳合金的基本图表。但Fe与C能形成一系列不同的碳化物，所以它也由许多个状态图所组成。由于碳质量分数高于6.69的铁碳合金脆性很大，在

45、工程上没有实用价值，因而，我们对铁碳合金只讨论碳质量分数6.69以下的Fe-C状态图，Fe-C合金状态图，如图2-28-1所示。在Fe-C合金状态图中碳质量分数小于2.11的铁碳合金称为铁，大于2.116.69的铁碳合金称为钢。Fe-C合金状态图中包括一个包晶反应，一个共晶反应和一个共析反应，只要把这三部分搞清楚，Fe-C合金状态图就可以了。（一般高温区的包晶部分在实际上应用很少，可忽略不作讨论），所以只要把共晶反应和共析反应搞清楚就可以了。即铁碳状态图可简化为如图2-28-2 。Fe-C合金状图中各临界点的温度、碳质量分数及含义见表21所示。表2-1 Fe-C合金状态图中各临界点碳质量分数、

46、温度及含义在Fe-C合金状态图中有许多直线和曲线，它们分别代表铁碳合金在不同成分和温度下所处状态分界线，分别表示为：ABCD为液相线，其上合金均为液态。冷却时从CD线析出一次渗碳体（FeC）。AHJECF为固相线，其下合金为固态。液相线与固相线之间为液、固两相并存区。水平线HJB为包晶转变线，包晶反应结果为。碳质量分数在0.09%0.53%。水平线ECF为共晶转变线，共晶反应结果为Ld。碳质量分数为2.116.69。水平线PSK为共析转变线，共析反应结果为P。碳质量分数为0.0218%6.69%。ES线为碳在奥氏体中的固溶线，A的最大溶解度是E点1148为2.11，S点为0.77。凡是碳质量分

47、数大于0.77的铁碳合金自1148冷至727的过程中，均会从奥氏体中析出过饱和的碳与铁形成的二次渗碳体（Fe）。gs线为碳质量分数小于0.77的合金在冷却过程中，由奥氏体析出铁素体的转变线。PQ线为碳在铁素体中固溶线，F的最大溶碳量是在P点727为0.0218C，600为0.005，室温仅为0.0008C。故一般铁碳合金自727冷却至室温时，均会从铁素体中析出过饱和的碳和铁形成的三次渗碳体（FeC）。因含量很少，故FeC数量也极少，可忽略。HN线为碳在-Fe中的固溶线。JN线为碳在奥氏体中的固溶线。（2）典型成分合金结晶后的组织转变根据成分不同，铁碳合金可分为三类：1）工业纯铁 碳质量分数小于

48、0.0218.图2-28-3。（点击图显示动态示意图）2）钢 碳质量分数在此期间.02182.11，钢又可分为3类：亚共析钢 碳质量分数在0.02180.77之间；共析钢 碳质量分数在0.77；过共析钢 碳质量分数在0.772.11之间。3)白口铁 碳质量分数在2.116.69之间。白口铁又可分为3类：亚共晶白口铁 碳质量分数在2.114.3之间；共晶白口铁 碳质量分数为4.3；过共晶白口铁 碳质量分数4.36.69之间。下面就6个典型的铁碳合金成分，分析其结晶后的组织转变过程。通过对典型成分合金自液态冷却至室温组织转变分析，就可知道不同成分的合金在不同温度范围内组织转变情况。1）共析合金组织

49、转变过程从一个固相中同时析出成分和晶体结构完全不同的两种新的固相转变过程，称为共析转变。合金自液态冷却至室温，组织转变过程，如图2-29所示。（点击图显示动态示意图）自1点至2点为液态合金的自然冷却。冷却至液相线交于2点时开始结晶出奥氏体，至3点结晶完毕。结晶时放出结晶潜热，故冷却速度减慢。点3至点4为奥氏体自然冷却，在点4（727）发生共析反应，由奥氏体转变为珠光体。共析反应放出的潜热补偿了自然冷却，故冷却曲线出现了一段水平线段，至点4共析反应结构。点4至5珠光体中的铁素体析出Fe3C与共析渗碳体混在一起，室温显微组织为珠光体，如图2-30所示。珠光体的形貌像手指纹似地呈层片状排列，既渗碳体

50、呈片状分布在铁素体基体上，位向基本一致的铁素体渗碳体片称为片状珠光体，另一种形态是渗碳体呈粒状分布在铁素体上，称为粒状珠光体。粒状珠光体硬度为160190HBS，片状珠光体硬度为190240HBS，片状珠光体的硬度略高于粒状珠光体的硬度。共析钢的室温组成物全部为P。室温下珠光体中的铁素体和渗碳体的相组成物相对质量分数可用杠杆定律求得：所以珠光体中铁素体量多而渗碳体量少，其质量分数约为7.8:1。因此，我们称珠光体为铁素体的基体上均匀地分布着硬而脆的渗碳体（强化相）。2）亚共析合金组织转变过程 合金自液态冷却至室温，组织转变过程，如图2-31所示。（点击图显示动态示意图）点1至点2为液体合金自然

51、冷却。点2开始结晶出奥氏体，点3结晶完毕，点3至点4为奥氏自然冷却，点4至点5一部分转变为F，其余奥氏体的含碳量沿gs线变化至S点，而铁素体的含碳量沿GP线变化至P点，这一过程也放出结晶潜热。在点5奥氏体发生共析反应，至5共析反应结束。共析反应放出结晶潜热使冷却曲线呈现水平段。点5至6组织不再发生变化（FeC转变可忽略）。室温的显微组织为珠光体和铁素体，如图2-32所示。如碳质量分数为0.45的亚共析钢的组织组成物(F+P)的相对质量分数为:其相组成物(F+Fe3C)的相对质量分数为:从以上计算结果可看出碳质量分数为0.45的亚共析钢中，铁素体占的比例很大，而渗碳体占的比例很小，这时的渗碳体作

52、为强化相，对提高合金的强度、硬度、塑性和韧性的影响很少。随着含碳量的增加，F减少，而P增多，当达到0.77时,则均为100P。3）过共析合金的组织转变过程 合金自液态冷却至室温，组织转变过程，如图2-33所示。（点击图显示动态示意图）点1至点2为液态合金自然冷却。点2开始结晶出奥氏体，至点3结晶完毕，点3至点4为奥氏体自然冷却。点4至点5奥氏体析出过饱和的碳并形成二次渗碳体，存在于奥氏体的晶界上呈网状结构，此时，奥氏体含碳量沿ES线变化至S点，这一过程也放出结晶潜热。在5点，奥氏体发生共析反应，至点5共析反应结束，冷却曲线呈水平段。点5至点6组织不再发生变化（FeC转变可忽略），室温的显微组织为珠光体和网状渗碳体，如图2-34所示。碳质量分数为1.2的过共析钢，组织组成物（P+FeC）的相对质量分数为：碳质量分数为1.2的过共析钢，相组成物（eC）相对质量分数为:过共析钢由于缓慢冷却后得到网状渗碳体，使珠光体的相互连接被割断，在外力作用下，渗碳体的网易破碎，使合金的强度降低。随着FeC的数量增加，则网状也愈厚，使合金的强度下降愈多。当奥氏体的碳质量分数达到2.11%时，在室温下FeC的含量最多，可用杠杆定律求得：珠光体与二次渗碳体的相对质量分数为77.36比2.64。共晶合金、亚共晶合金、过共晶合金的组织转变过