工程材料及其材料成型技术.ppt

工程材料及材料成型技术基础教学专业：教学专业：机械类教教材：材：工程材料及成形技术基础 吕广庶、张远明主编 东南大学出版社学学时：时：56学时南京林业大学机电学院1绪论材料毛坯的三大类成型方法：铸造 焊接 锻造2绪论绪论第一篇第一篇工程材料工程材料第二篇第二篇材料成形技术材料成形技术目 录3绪绪论论第一章第一章 工程材料的结构与性能第二章第二章 金属材料的凝固与固态相变第四章第四章 金属材料热处理第五章第五章 金属材料表面改性第六章第六章 金属材料工 程 材 料本篇内容4绪论绪论一、材料的发展史一、材料的发展史 材料材料(metals)是人类用来制作各种产品的物质，是是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。反映人类社会文明的水平。反映人类社会文明的水平。1.石器时代石器时代：古猿到原始人的漫长进化过程。原料：古猿到原始人的漫长进化过程。原料：燧石和石英石。燧石和石英石。2.新石器时代新石器时代：原始社会末期开始用火烧制陶器原始社会末期开始用火烧制陶器。3.青铜器时代：青铜器时代：夏夏(公元前公元前2140年始年始)以前就开始了以前就开始了4.铁器时代：铁器时代：春秋战国时期春秋战国时期(公元前公元前770221年年)开开始大量使用铁器始大量使用铁器5二、工程材料学的任务二、工程材料学的任务工程材料：工程材料：制造工程结构和机器零件使用的材料制造工程结构和机器零件使用的材料工程材料学工程材料学：是材料学的实用部分是材料学的实用部分,主要阐述结构材料的成主要阐述结构材料的成分、组织、性能及应用等方面的一般规律。分、组织、性能及应用等方面的一般规律。8学习工程材料课程基本要求（教学目标）：学习工程材料课程基本要求（教学目标）：1.了解常用工程材料的成分、结构、组织和性能了解常用工程材料的成分、结构、组织和性能的关系及变化规律。的关系及变化规律。2.掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。对典型的机器零件和工具等会合理正确地选用对典型的机器零件和工具等会合理正确地选用工程材料。工程材料。3.具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定热处理工序位置的初步能力。热处理工序位置的初步能力。4.对不同材料零件的失效，具有一定的分析问题对不同材料零件的失效，具有一定的分析问题和解决问题的能力。和解决问题的能力。9 三材料的分类材料的分类1、金属材料、金属材料黑色金属黑色金属铁和以铁为基的合金铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等钢、铸铁等)有色金属有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。黑色金属以外的所有金属及其合金。2、高分子材料、高分子材料 塑料塑料主要指工程塑料。又分热塑性和热固性塑主要指工程塑料。又分热塑性和热固性塑料。料。合成纤维合成纤维由单体聚合而成再经过机械处理成纤由单体聚合而成再经过机械处理成纤维材料。维材料。橡胶橡胶经硫化处理，弹性优良的聚合物。经硫化处理，弹性优良的聚合物。分通用分通用和特种橡胶和特种橡胶胶粘剂胶粘剂分树脂型、橡胶型和混合型。分树脂型、橡胶型和混合型。103陶瓷材料陶瓷材料 普通陶瓷普通陶瓷主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料.特种陶瓷特种陶瓷高熔点的氧化物、碳化物、氮化物高熔点的氧化物、碳化物、氮化物 等烧结材料。等烧结材料。金属陶瓷金属陶瓷用生产陶瓷的工艺来制取的金属与用生产陶瓷的工艺来制取的金属与 碳化物或其它化合物的粉末制品。碳化物或其它化合物的粉末制品。4复合材料复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。按基体相种类分：聚合物基、金属基、按基体相种类分：聚合物基、金属基、陶瓷基、陶瓷基、石墨基等。石墨基等。按用途分：结构、功能、智能复合材料。按用途分：结构、功能、智能复合材料。11本部分重点1)工程材料的概念 制造工程结构和机器零件使用的材料制造工程结构和机器零件使用的材料2)工程材料的分类金属材料金属材料 钢铁材料 有色金属及其合金有机高分子材料有机高分子材料塑料橡胶等陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料12第一章 工程材料的结构与性能1-1 材料原子(或分子)的相互作用当大量原子当大量原子(或分子或分子)处于聚集状态时，处于聚集状态时，它们之间以键合方式相互作用。由于组成它们之间以键合方式相互作用。由于组成不同物质的原子结构各不相同，原子间的不同物质的原子结构各不相同，原子间的结合键性质和状态存在很大区别。结合键性质和状态存在很大区别。131-1 材料原子(或分子)的相互作用1、离子键、离子键当正电性金属原子与负电性非金属当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，通过外层电子的重原子形成化合物时，通过外层电子的重新分布和正、负离子间的静电作用而相新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，故称这种结合键为离子键。互结合，故称这种结合键为离子键。离子晶体硬度高，强度大，脆性大。离子晶体硬度高，强度大，脆性大。如氯化钠，陶瓷。如氯化钠，陶瓷。142、共价键、共价键当两个相同的原子或性质相差不大的当两个相同的原子或性质相差不大的原子相互接近时，它们的原子间不会有电原子相互接近时，它们的原子间不会有电子转移。此时原子间借共用电子对所产生子转移。此时原子间借共用电子对所产生的力而结合，这种结合方式称为共价键。的力而结合，这种结合方式称为共价键。结合力很大，硬度高，强度大，脆性结合力很大，硬度高，强度大，脆性大，熔点高，沸点高，挥发性低。如金刚大，熔点高，沸点高，挥发性低。如金刚石、石、SiC、BN等等153、金属键、金属键金属自由原子结构的特点是具有较少金属自由原子结构的特点是具有较少的外层电子，并且电离能很小。这就决定了的外层电子，并且电离能很小。这就决定了它们与其它元素结合时，易失去外层价电子它们与其它元素结合时，易失去外层价电子而成为阳离子的倾向较大。金属正离子与自而成为阳离子的倾向较大。金属正离子与自由电子间的静电作用，使金属原子结合起来由电子间的静电作用，使金属原子结合起来形成金属整体，这种结合方式称为金属键。形成金属整体，这种结合方式称为金属键。有良好的导电性和导热性，正的电阻温有良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数，不透明，有特有的金属光泽，有良度系数，不透明，有特有的金属光泽，有良好的塑性变形能力，强韧性好好的塑性变形能力，强韧性好。164分子键、分子键自由原子状态已经形成稳定电子壳层自由原子状态已经形成稳定电子壳层的惰性气体的惰性气体He、Ne、Ar等和分子状态的等和分子状态的H2、N2、02等在低温时都能结合成液态或等在低温时都能结合成液态或固态，在此结合过程中，并不给出或接受固态，在此结合过程中，并不给出或接受电子。这种存在于中性的原子或分子之间电子。这种存在于中性的原子或分子之间的结合力称为分子键。的结合力称为分子键。硬度低，熔点低，良好的绝缘性。如硬度低，熔点低，良好的绝缘性。如高分子材料塑料。高分子材料塑料。175、氢键、氢键氢键是一种特殊的分子间作用力。当氢键是一种特殊的分子间作用力。当两种负电性大而原子半径较小的原子与氢两种负电性大而原子半径较小的原子与氢原子结合时，氢原子与一种原子之间形成原子结合时，氢原子与一种原子之间形成共价键，与另一种原子之间形成氢键。如共价键，与另一种原子之间形成氢键。如FHF，OHO，NHO等。氢等。氢键的本质是静电吸引力，具有饱和性和方键的本质是静电吸引力，具有饱和性和方向性。向性。18 晶体结合的强度用晶体结合的强度用结合能结合能表示，是指晶表示，是指晶体分解为单个原子体分解为单个原子(或分子或分子)所作的功，或单所作的功，或单个原子凝聚形成晶体所放出的能量，用个原子凝聚形成晶体所放出的能量，用Jmol表示。表示。共价键晶体和离子键晶体的结合能约为共价键晶体和离子键晶体的结合能约为105(Jmol)数量级；金属键晶体的结合能约数量级；金属键晶体的结合能约为为104(Jmol)数量级；分子键晶体的结合数量级；分子键晶体的结合能约为能约为103(Jmol)数量级。数量级。因此，共价键晶体和离子键晶体结合最因此，共价键晶体和离子键晶体结合最强，金属键晶体次之，分子键晶体最弱。强，金属键晶体次之，分子键晶体最弱。19晶体晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。间呈规则、周期性排列。非晶体非晶体原子无规则堆积，也称为原子无规则堆积，也称为“过冷液体过冷液体”。非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃等。蜂蜡、玻璃等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰等。、冰等。液体液体1-2 晶体材料的原子排列20121 金属的晶体结构1)晶体(从宏观上看）晶体的特点：其原子在空间作有规律的排列。晶体的性能：具有一定的熔点和凝固点，呈各向异性。21原子（离子）的刚球模型原子（离子）的刚球模型原子中心位置原子中心位置 晶体结构晶体结构22晶胞晶胞点阵（晶格）模型点阵（晶格）模型23晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 24 金属晶体中的晶面和晶向金属晶体中的晶面和晶向XYZabc晶面晶面通过原子中心的平面通过原子中心的平面晶向晶向通过原子中心的直线所指的通过原子中心的直线所指的方向方向XYZabc252）晶格和晶胞（从微观上看）晶格：用些假想的几何线条将晶体中原子的振动中心连接起来所构成的空间格子。晶胞：晶格的一个基本单元。263）常见金属晶格形式）常见金属晶格形式体心立方晶格体心立方晶格 特点：具有相当高的强度和较好的塑性。这种晶格的金属有：铬、钼、钨、钒和铁（0 912，Fe）等。27晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va/Vc=Va/Vc，其中，其中Vc:Vc:晶胞体积晶胞体积a a3 3Va:Va:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r r3 3/3/3XYZabc2r2raa2 228面心立方晶格面心立方晶格 特点：塑性良好。这种晶格的金属有：铝、钢、镍和铁（912 1394，Fe)等。29晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.74XYZabc密排方向密排方向4 430密排六方晶格密排六方晶格 属于密排六方晶格的金属有C（石石墨墨）Be、Mg、Zn、Cd、-Co、Ti等。31晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长a a 底面间距底面间距c c 侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：6 6原子半径：原子半径：a/2致密度：致密度：0740.74321.2.2 实际晶体结构1)单晶体和多晶体 单晶体结晶方位完全一致的晶体，如单晶如单晶Si半导体。半导体。多晶体由许多外形不规则的晶体颗粒(简称晶粒)所组成。这些晶粒内仍保持整齐的晶胞堆积。各晶粒之间的界面晶界。33 晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，其直径一般在10.001mm之间。在多晶体中，由于各晶粒的位向不同，使其各向异性受到了抵消，造成各向性能接近相同的现象，称为各向同性 晶粒体积越大，强度、韧性等综合力学性能越差。晶粒体积越小，强度、韧性等综合力学性能越好。342)晶体缺陷 (1)点缺陷 是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。空位 包括：间隙原子 置换原子等35（2）线缺陷 是指在三维空间两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。属于这类缺陷的主要是各种类型的位错。位错是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。位错最基本的形式有：刃型位错 螺型位错36（3）面缺陷 是指在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。最常见的面缺陷是金属中的晶界和亚晶界。37实际金属中的缺陷对材料力学性能的影响:点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性，增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低;面缺陷能提高金属材料的强度和塑性;细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段;38本节重点晶体、晶格和晶胞三种典型晶格类型晶粒大小和性能的关系晶体缺陷类型391-4 合金的晶体结构 合金由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素通过熔炼、烧结或其他结合生成的具有金属特性的物质。如：铁碳合金、铜合金、铝合金等。40 合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、强磁性、耐蚀性等。组成合金的元素或稳定化合物组元。由几种元素构成即为几元合金41相具有相同化学成分、相同晶体结构，并由明显分界面隔开的各个均匀组成部分。1.4.1 合金的相、组织及其关系组织用金相显微镜观察法,在金属及合金内部看到的涉及各相(晶体或晶粒)大小、方向、形状排列状况等组成关系和构造情况的微观形貌的微观形貌。42合金的组织是由数量、大小、形状和分布合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。方式不同的各种相所组成的。不同组织具有不同的性能。不同组织具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能。的组织，从而获得不同的性能。43 1.4.2 固溶体固溶体分类 置换固溶体 间隙固溶体 固溶体有些合金组元在凝固后溶质原子溶入溶剂晶格而形成的单一均匀的晶体44溶质与溶剂以任何比例都能互溶，溶质与溶剂以任何比例都能互溶，固溶度达固溶度达100，则称为，则称为无限固溶体无限固溶体，否则为否则为有限固溶体有限固溶体。溶质原子有规则地占据溶剂结构溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为比为一定值时，所形成的固溶体称为有序固溶体有序固溶体。否则为。否则为无序固溶体无序固溶体。-1845间隙固溶间隙固溶体体溶质原子与溶剂原子直径之溶质原子与溶剂原子直径之比应小于比应小于059方可。方可。直径较大的原子所组成的晶格，直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大。其空隙的尺寸也较大。过渡族元素过渡族元素溶剂溶剂)与尺寸较小的元素与尺寸较小的元素C、N、H、B等易形成间隙固溶体。等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小小,所以间隙固溶体都是所以间隙固溶体都是有限固溶体。有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。其浓度越大，畸变越大。间隙固溶体都是间隙固溶体都是无无序固溶体序固溶体。46置换置换固溶体固溶体无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。置换固溶体也可以是有限固溶体和无序固溶体。置换固溶体也可以是有限固溶体和无序固溶体。两组元晶体结构相同原子半径和电化两组元晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。学特性接近，则容易形成置换固溶体。无限固无限固溶体形溶体形成条件成条件两组元晶体结构相同是必要条件两组元晶体结构相同是必要条件。溶剂原子半径溶剂原子半径rA与溶质原子半径与溶质原子半径rB的的相对差相对差(rArB)rA小于小于8%左右时。左右时。两元素间的电负性两元素间的电负性相差越小越好。相差越小越好。471.4.3 金属化合物金属化合物合金各组元相互化合而形成的一种新的物质。性能特点：性能特点：具有明显的金属的性质。具有自己特殊的晶格，与各组元不同。具有较高的熔点、较大的脆性和较高的硬度。481.4.4 合金性能1、固溶强化 溶剂的晶格发生畸变，使固溶体的强度和硬度升高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径之一。2、第二相强化 化合物作为第二相可以提高合金材料强度的现象。性能特点：性能特点：取决于化合物的数量、形状、大小与分布状况等。49本节重点合金、相、组织的基本概念。合金、相、组织的基本概念。固溶体和金属化合物的概念及其类型。固溶体和金属化合物的概念及其类型。固溶体和金属化合物对合金性能的影响。固溶体和金属化合物对合金性能的影响。固溶强化概念及其强化原理。固溶强化概念及其强化原理。501-5 高聚物的结构 高聚物分子中含原子数很多、分子量很大的物质。是由一种或几种简单的低分子聚合而成的大分子链结构。又称高分子化合物。在长链中结构相同的重复单元链节 如：在聚乙烯中，CH2CH2即为一个链节。链节的重复数量称为聚合度聚合度。由若干个链节所组成的具有独立运动能力的最小运动单元链段链段。511.5.1 大分子链的形态高聚物的结构形式，按其大分子链的几何形状，可分为：线型结构是由许多链节联成一条长链。体型结构是分子链与分子链之间有许多链节相互交联在一起，形成网状或立体结构。521.5.2 大分子链的构象及柔顺性由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象，称为大分子链的构象。由于大分子链构象的频繁变化，使得大分子链既可扩张伸长，又可卷曲收缩。大分子这种能由构象变化获得不同卷曲程度的特性称为大分子链的柔顺性。影响大分子链柔顺性的因素主要有主链结构和取代基两个方面。531.5.3 高聚物的聚集态结构 是指高分子材料内部大分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构。高聚物按照大分子排列是否有序，分为结晶型和无定型两类。结晶型高聚物的分子排列规整有序，无定型高聚物的分子排列杂乱不规则。541-6 陶瓷的结构 陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶固体物质。它实际上是各种无机非金属材料的统称。在室温下，陶瓷的典型组织是由：晶相 组成 玻璃相 气相 各相的结构、数量、形状与分布，都对陶瓷的性能有直接的影响。551-7 工程材料的性能金属材料的性能包括:力学性能物理性能化学性能工艺性能如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。如铸造性、锻压性、焊接性、热处理性和切削加工性等。561.7.1 力学性能 力学性能 指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。作用：材料检验、零件设计计算、材料选择、评定工艺质量的重要依据。内容：强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。571、强度1）强度的概念 指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。2）强度的分类：抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。3）强度测定方法 拉伸试验4）试验设备安装拉伸试棒绘制拉伸曲线585）标准试样GB22887试样形状（圆、板、管）试样标距6）拉伸曲线597）常用的强度指标(1)弹性极限 材料能保持弹性变形的最大应力 ePe/Fo (MPa)Pe试样保持弹性变形的最大拉力，N；Fo 试样的最初截面积，mm2。60(2)屈服点 材料开始产生屈服时的应力 sPs/Fo (MPa)Ps试样产生屈服时的拉力，N；Fo 试样的最初截面积，mm2。屈服强度0.2 大多数金属材料没有明显的屈服点，规定以产生02塑性变形时的应力作为屈服点。脆性材料的情况拉伸时几乎不发生塑性变形，无屈服现象。61(3)抗拉强度 材料能承受最大载荷时的应力 b Pb/Fo (MPa)Pb试样在拉断前的最大拉力，N。颈缩现象62 8）疲劳强度 概念材料在无数次交变应力作用下不发生疲劳断裂所能承受的最大应力。用-1表示 材料规定应力循环基数钢铁材料，应力循环次数为106107有色金属，应力循环次数为107 108632、塑性 1）概念塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。2）塑性指标 延伸率（伸长率)端面收缩率 64伸长率（伸长率（）l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距试样的原始标距,mm。65断面收缩率（断面收缩率（）S0-S1S0=100%S0试样原始横截面积试样原始横截面积,mm2；S1颈缩处的横截面积颈缩处的横截面积,mm2。663、硬度 1）概念 材料抵抗硬物体压入其表面的能力。衡量金属材料软硬程度的指标。2）常用方法 布氏硬度法 洛氏硬度法 维氏硬度法3）试验方法原理 压痕法67(1)布氏硬度布氏硬度试验机硬度表示方法以符号HB表示测量特点：先测得压痕的直径d，根据d查表确定HB的值。HBS压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值在450以下的材料。HBW压头为硬质合金球，适用于布氏硬度值在650以下的材料。68 特点测出硬度值准确、可靠；压痕大，不宜成品检验；测量过程速度慢。布氏硬度值与抗拉强度的关系（低碳钢）b 3.53HBS69(2)洛氏硬度洛氏硬度试验机洛氏硬度三种标尺 表示方法60HRC 特点试验简便、方便。压痕小，适用成检。测出硬度值不很准确。数字：硬度值HR：洛氏硬度C：标尺70（3）维氏硬度为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。测定维氏硬度的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头采用锥面夹角为1360的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形。71特点：所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层、表面镀层及薄片金属的硬度。对软、硬材料均适用，测定范围01000HV。72两点结论三种硬度值不能直接进行比较，但可以采用特制的表格进行换算。硬度也是材料重要的力学性能指标，它影响到材料的耐磨性。一般说来，硬度高，耐磨性也好。734、冲击韧度(韧性)1）概念 材料抵抗冲击载荷的能力。2）试验方法一次性摆锤弯曲冲击试验。3）冲击韧度指标 以材料受冲击断裂时单位面积上所消耗的能量来表示的。ak Ak/F (J/mm2)ak值越小,表明材料的韧性越低，脆性越大。741.7.2 物理性能和化学性能物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。机械零件用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。化学性能指在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力。主要有耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。751.7.3 工艺性能工艺性能是指金属材料适应这些加工工艺要求的能力。内容铸造性锻压性焊接性热处理性和切削加工性等良好的工艺性能有利于保证质量和降低成本。76第二章 金属材料的凝固与固态相变2.1纯金属的结晶2.1.1 凝固的基本概念 一切物质从液态到固态的转变过程 1、晶体的结晶 通过凝固能形成晶体结构 1）平衡结晶温度平衡结晶温度 772）过冷与过冷度 必须冷却到低于Tm以下的某一个温度T1才能结晶。这种现象称为过冷。理论结晶温度Tm与实际结晶温度T1之差称为过冷度。78冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。792、非晶体的凝固 在非晶体的凝固中熔体实质是粘滞系数连续加大的过程，非晶固态可以看作粘滞系数很大的“熔体”。所以，非晶体的凝固是在个温度范围内逐渐完成的。802.1.2 纯金属的结晶 1、结晶及结晶过程结晶 金属从液体状态转变成晶体状态(固态)的过程。结晶过程 分为两个阶段：晶核(结晶核心)的形成 晶核的成长81液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程82（1 1）形核过程）形核过程自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核非自发形核 是依附于外来杂质上生成的是依附于外来杂质上生成的晶核。晶核。83（2 2）晶核长大过程）晶核长大过程两种长大方式 平面生长 树枝状生长。平面生长树枝状生长842、影响形核和长大的因素（1）过冷度的影响（2）难熔杂质的影响 853、晶粒大小及控制（1）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目Z。或单位面积上晶粒的数目ZJ表示。也可以用晶粒的平均线长度(或直径)表示。86晶粒度分晶粒度分8 8级级晶粒度晶粒度12345678单位面积晶粒数单位面积晶粒数（个（个/mm/mm2 2）16326412825651210242048晶粒平均直径晶粒平均直径（mm）2501771258862443122细晶强化细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：比较：细晶强化细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化固溶强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性872）晶粒大小的控制（1）增大过冷度（2）变质处理 变质剂的作用变质剂的作用：作为非自发形核的核心，：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。或阻碍晶粒长大。（3）振动，搅拌机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。晶粒细化。882.1.3 同素异构转变1）概念）概念 少数金属由于温度改变而晶格也改变的现象称为同素异构转变。纯铁的冷却曲线 t015381394912768液体无磁性有磁性FeFeFe2）转变过程）转变过程 与液态金属的结晶很相似。3）有关结论）有关结论 转变时，体积也发生变化。是钢铁材料能够通过各种热处理工艺改变其组织和性能的内因和根据。89小结小结重点要求重点要求1.过冷度的概念，晶粒度的影响因素。过冷度的概念，晶粒度的影响因素。2.晶粒大小的控制方法。晶粒大小的控制方法。一般要求一般要求1.同素异构转变。同素异构转变。902.2 合金的凝固2.2.1 二元合金相图与凝固相图的概念 是表达温度、成分和相之间的关系，表明合金系中不同合金在不同温度下，由哪些相组成以及这些相之间平衡关系的图形（又称平衡图或状态图）91平衡平衡是指在一定条件下合金系中参与相变是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各的相成分和相对质量不再变化过程的各的相成分和相对质量不再变化所达到的一种状态。此时合金系的状态所达到的一种状态。此时合金系的状态稳定，不随时间而改变。稳定，不随时间而改变。相图建立的步骤：（以CuNi合金为例）92（1）配置不同成分的CuNi合金（2）作出各合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点（转折点和平台）的温度值；（3）画出温度成分坐标系，在相应成分垂直线上标出临界点温度；（4）将物理意义相同的点连成曲线。931、匀晶相图匀晶相图 两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图。(1)结晶过程94（2）杠杆定律9596例：求例：求30%Ni30%Ni合金在合金在12801280 时时 相的相对量相的相对量CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+ac30a1b1c11280 C解：作成分线和温度线如图。6618根据杠杆定律推论，Q Q =a=a1 1b b1 1/a/a1 1c c1 1=12/48=1/4=12/48=1/4答：所求合金在1280 时相的相对质量为1/4。97(3)枝晶偏析 晶粒成分不均匀的现象，又称晶内偏析。枝晶偏析的存在，会使合金的塑性、韧性显著下降，对压力加工性能也有损害，故应设法消除与改善。982 共晶相图共晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解，并发生共晶转变时所构成的相图。共晶转变在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程。（1）相图分析99（2）典型合金的平衡结晶过程亚共晶合金结晶过程共晶合金结晶过程过共晶合金结晶过程1001013、共析相图共析相图是二元合金中具有固态转变 的相图，这种相图可以看成是双层相图，上层为匀晶相图，下层类似共晶相图。共析转变在高温时的某一成 分的单相固溶体在冷至某一温 度时，又发生分解而形成两个 与母相不同的固相，这种由某 一固相同时析出两种新固相的 转变，称为共析转变。1022.3 铁碳合金平衡态的相变基础 铁碳合金由铁和碳两种主要元素组成的合金。如：碳钢、铸铁231 Fe-Fe3C相图1031、铁碳合金的基本组织与性能1）铁素体 F碳溶于Fe中形成的间隙固溶体。性能特点 性能近似于纯铁，即强度硬度低（b=180280Mpa），塑性、韧性（=30%50%）好。1042)奥氏体 A 碳溶于Fe 中形成的固溶体。性能特点：强度、硬度并不高，但塑性很好。1053）渗碳体 Fe3C概念 铁和碳结合成的化合物(具有复杂晶格)。性能特点 渗碳体的硬度很高，为800HB，塑性、韧性很差，几乎等于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。硬度很高，很耐磨，但又很脆，塑性、韧性几乎为零。1064)珠光体 P 概念 铁素体和渗碳体的机械混合物。性能特点 其含碳量为0.77%。珠光体由渗碳体片和铁素体片相间组成，其性能介于铁素体和渗碳体之间，强度、硬度较好、脆性不大，具有较好的综合力学性能。1075）莱氏体Ld和低温莱氏体 Ld概念 奥氏体（珠光体）和渗碳体的机械混合物。性能特点 含有大量硬而脆的渗碳体，所以硬度很高，但很脆。1081091101)FeFe3C状态图中的主要特性点的说明状态图中的主要特性点的说明特性点特性点温度温度WC含含义义A15380纯铁熔点纯铁熔点C11484.30共晶点共晶点D12276.69渗碳体熔点渗碳体熔点E11482.11碳在碳在-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度G9120-Fe与与-Fe同素异构转变点同素异构转变点P72700218碳在碳在-Fe中最大溶解度中最大溶解度S727077共析点共析点1112)FeFe3C状态图中的主要特性线的说明状态图中的主要特性线的说明特性线特性线含含义义说说明明ACD线线液相线液相线在此线以上的区域是液相区。在此线以上的区域是液相区。AECF线线固相线固相线在此线以下的区域是固相区。在此线以下的区域是固相区。ECF线线共晶线共晶线合金在该线上发生共晶转变，合金在该线上发生共晶转变，形成莱氏体。形成莱氏体。PSK线线(Al)共析线共析线合金在该线上发生共析转变，合金在该线上发生共析转变，形成珠光体。形成珠光体。ES线线(Acm)析出渗碳体开始线析出渗碳体开始线从奥氏体中析出的渗碳体称从奥氏体中析出的渗碳体称为二次渗碳体为二次渗碳体GS线线(A3)从奥氏体中析出铁从奥氏体中析出铁素体的开始线素体的开始线112PFe3CPFe3CLd0FeLAL ALFe3C A Fe3CF A A Fe3CLdLdLd Fe3CLd P Fe3CLd Fe3CLd P Fe3CP FWc()FP15389121132.3.2铁碳合金在状态图下的相变分成下面三类：白口铁(WC 002)工业纯铁(WC 002)钢 (WC=002-211)亚共析钢(WC 077)共析钢(WC 077)过共析钢(WC 077)亚共晶白口铁(WC 43)共晶白口铁(WC 43)过共晶白口铁(WC 43)114共析钢的结晶过程和室温组织共析钢的结晶过程：室温组织：P(F+Fe3C)FeLAL A A Fe3CF A P Fe3CF P P115亚共析钢的结晶过程和室温组织亚共析钢的结晶过程:室温组织:F+P，500FeLAL A A Fe3CF A P Fe3CP AFeLAL A A Fe3CF A P Fe3CF P P116过共析钢的结晶过程和室温组织过共析钢的结晶过程:室温组织:P+Fe3CFeLAL A A Fe3CF A P Fe3CFPP1171181191202.3.3含碳量对铁碳合金组织性能的影响1、含碳量对平衡组织的影响2、含碳量对力学性能的影响1211222.3.4 Fe-Fe3C相图的应用1、在选材上的应用2、在铸造工艺制订上的应用3、在塑性加工工艺制订上的应用4、在热处理工艺制订上的应用123小结小结重点要求重点要求1F、A、Cm、P、Le的组织和性能特点。的组织和性能特点。2.默绘默绘Fe-Fe3C相图相图3.Fe-Fe3C相图中共晶、共析区域分析相图中共晶、共析区域分析4.杠杆定理在状态图上的应用杠杆定理在状态图上的应用5.一般要求一般要求6.Fe-Fe3C成分、组织和性能的关系成分、组织和性能的关系124 改善金属材料的性能的方法：细晶强化 合金化 进行热处理 冷变形强化1250t加热保温冷却2.4 钢在加热时的转变2.4.1钢在实际加热时的转变点A1AcmA3Ar1Ac1AccmArcmAr3Ac3铁碳合金状态图组织转变临界点：A1、A3和Acm线实际加热时组织转变临界点：Ac1、Ac3和Accm实际冷却时组织转变临界点：Ar1、Ar3和Arcm1262.4.2奥氏体的形成过程及影响因素1、奥氏体的形成过程 共析钢加热到共析钢加热到Ac1以上时，以上时，PA共析钢共析钢A化过程化过程形核形核、长大、长大、Fe3C完全溶完全溶解、解、C的均匀化。的均匀化。127亚（过）析钢的亚（过）析钢的A化化:PA后，先共后，先共析析F或或Fe3C溶解。溶解。亚共析钢加热到Ac1以上时，组织中的珠光体先转变为奥氏体，而组织中的铁素体只有在加热到Ac3以上时才能全部转变为奥氏体。同样，过共析钢只有加热到Accm以上时才能得到均匀的单相奥氏体组织。1282、奥氏体形成的影响因素加热温度和速度 转变快C%或 Fe3 C片间距 界面多，形核多 转变快合金元素 A化速度或129钢的奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后所得的组织和性能。奥氏体的晶粒越细，冷却后的组织也越细，其强度、塑性和韧性愈好。1302.4.3奥氏体晶粒的长大及影响因素奥氏体晶粒的长大及影响因素加热温度，保温时间加热温度，保温时间晶粒尺寸晶粒尺寸合金元素除合金元素除Mn、P外外晶粒尺寸晶粒尺寸合金碳化物合金碳化物，C%晶粒尺寸晶粒尺寸131奥氏体晶粒度 晶粒度是表示晶粒大小的一种指标，奥氏体晶粒度是表示晶粒大小的一种指标，奥氏体晶粒度有三种不同的概念晶粒度有三种不同的概念起始晶粒度起始晶粒度 是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时 其晶粒的大小其晶粒的大小实际晶粒度实际晶粒度 是指钢在某个具体热处理或热加工是指钢在某个具体热处理或热加工 下所获得的奥氏体晶粒的大小下所获得的奥氏体晶粒的大小本质晶粒度本质晶粒度 表示钢在规定条件下奥氏体晶粒的长表示钢在规定条件下奥氏体晶粒的长 大倾向大倾向132根据奥氏体晶粒在加热时长大的倾向性不同，将钢分为两类一类是晶粒长大倾向小的钢，称本质细晶粒钢另一类是晶粒长大倾向大的，称本质粗晶粒钢133小结小结重点要求重点要求1.奥氏体的晶粒越细，冷却后的组织也越细奥氏体的晶粒越细，冷却后的组织也越细2.奥氏体晶粒的长大及影响因素奥氏体晶粒的长大及影响因素3.一般要求一般要求4.1.奥氏体晶粒度的概念1342.5 钢在冷却时的转变热处理的冷却方式可分为两种热处理的冷却方式可分为两种：一种是将奥氏体迅速冷至Ar1以下某个温度，等温停留一段时间，再继续冷却，通常称之为“等温冷却”，图曲线1 另一种是将奥氏体以一定的速度冷却，如水冷、油冷、空冷、炉冷等，称为“连续冷却”,图中曲线2135钢在高温时形成的奥氏体，过冷至Ar1以下，成为热力学上不稳定状态的过冷奥过冷奥氏体氏体。下面以共析钢为例，讨论过冷奥氏体在不同冷却条件下的转变形式及其转变产物的组织和性能。136过冷奥氏体转变的三种基本类型 （1）珠光体型转变（扩散型转变）（2）贝氏体型转变（过渡型或半扩散型转变）（3马氏体型转变（无扩散型转变）1372.5.1过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）1）过冷奥氏体等温转变曲线（TTT图）的建立 共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法金相法配合测量硬度硬度的方法建立，有时需用磁性法和膨胀法给予补充和校核。138步骤：1）将一系列共析碳钢薄片试样加热到奥氏体化。2）分别迅速投入Ar1以下不同温度的等温槽中，使之在等温条件下进行转变，每隔一定时间取出一块，立即在水中冷却。1394）对各试样进行金相观察，并测定硬度，由此得出在不同温度、不同恒温时间下奥氏体的转变量。5)分别测定出过冷奥氏体的转变开始转变开始和转转变终了时间变终了时间，将所得结果标注在温度与时间的坐标系中，