工程材料-(熱能卓越班)

1、工程材料金工教研室 喬志霞 第一章第一章 緒論緒論一一. 材料重要作用及其發(fā)展材料重要作用及其發(fā)展 材料是人類用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)。材料是人類用來制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)。 人類社會的發(fā)展和進步是伴隨著材料的發(fā)明人類社會的發(fā)展和進步是伴隨著材料的發(fā)明和發(fā)展的。和發(fā)展的。根據(jù)人類對材料的使用，人類發(fā)展根據(jù)人類對材料的使用，人類發(fā)展史被劃分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代。史被劃分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代。 陶器新石器時代(公元前6000年公元前5000年) 瓷 器我國在東漢時期發(fā)明了瓷器，成為最早生產(chǎn)瓷器的國家。 青銅器 我國青銅的冶煉在夏朝(公元前2140年始)以前就開始了，到殷、西周時期

2、已發(fā)展到很高的水平。我國從青秋戰(zhàn)國時期(公元前770年公元前221年)已開始大量使用鐵器。黃河鎮(zhèn)河大鐵牛(唐開元12年鑄)武漢長江大橋采用武漢長江大橋采用Q235制造，主跨度制造，主跨度128m;南京長江大橋采用南京長江大橋采用16Mn合金鋼制造，主跨度合金鋼制造，主跨度160m九江長江大橋采用九江長江大橋采用15MnVN制造，主跨度制造，主跨度216m。 當設計人員設計某件產(chǎn)品或零件時，必須當設計人員設計某件產(chǎn)品或零件時，必須首先考慮應選用何種材料。而當選擇材料時，首先考慮應選用何種材料。而當選擇材料時，就必須了解各種材料的性能才能做到正確、合就必須了解各種材料的性能才能做到正確、合理的選材

3、。理的選材。 能源、材料和信息是現(xiàn)代社會和現(xiàn)代科學能源、材料和信息是現(xiàn)代社會和現(xiàn)代科學技術(shù)的三大支柱，技術(shù)的三大支柱，學習并掌握工程材料的基礎學習并掌握工程材料的基礎知識，對于工科院校機械類專業(yè)的學生是十分知識，對于工科院校機械類專業(yè)的學生是十分必要的。必要的。 金屬材料主要以金金屬材料主要以金屬鍵結(jié)合；高分子材料屬鍵結(jié)合；高分子材料以分子鍵和共價鍵結(jié)合；以分子鍵和共價鍵結(jié)合；陶瓷材料以離子鍵、共陶瓷材料以離子鍵、共價鍵結(jié)合；復合材料可價鍵結(jié)合；復合材料可由多種結(jié)合鍵組成。由多種結(jié)合鍵組成。 工程材料工程材料按結(jié)合鍵的性質(zhì)按結(jié)合鍵的性質(zhì)可可分為四類：分為四類：二二. 工程材料分類工程材料分類

4、1. 金屬材料金屬材料 金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金屬材料是最重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工程應用的金屬材料，絕大部分是合金。金屬材料原子間金。工程應用的金屬材料，絕大部分是合金。金屬材料原子間的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵。的結(jié)合鍵基本上為金屬鍵。 工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分工業(yè)上把金屬和其合金分為兩大部分: （1）黑色金屬）黑色金屬 鐵和以鐵為基的合金鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金鋼、鑄鐵和鐵合金)； （2）有色金屬）有色金屬 黑色金屬以外的所有金屬及其合金。黑色金屬以外的所有金屬及其合金。 金屬材料 2.高分子材料高分子材料 高分子材料為有機

5、合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強度，良好的高分子材料為有機合成材料，亦稱聚合物。它具有較高的強度，良好的塑性，較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及重量輕等優(yōu)良性能，塑性，較強的耐腐蝕性能，很好的絕緣性，以及重量輕等優(yōu)良性能，在工程上是發(fā)展最快的一類新型結(jié)構(gòu)材料。 高分子材料由大量相對分子質(zhì)量特別大的大分子化合物組成，每個大分子皆包含有大量結(jié)構(gòu)相同、相互連接的鏈節(jié)。有機物質(zhì)主要以碳元素(通常還有氫)為其結(jié)構(gòu)組成，在大多數(shù)情況下它構(gòu)成大分子的主鏈。大分子內(nèi)的原子之間由很強的共價鍵結(jié)合，而大分子與大分子之間的結(jié)合力為較弱的范特瓦爾斯力。 工程上通常根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為四大類：工程上通常

6、根據(jù)機械性能和使用狀態(tài)將其分為四大類： 塑料、合成纖維、橡膠、膠粘劑塑料、合成纖維、橡膠、膠粘劑 高分子材料制品 3.陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素陶瓷是一種或多種金屬元素同一種非金屬元素(通常為氧通常為氧)的的化合物。非金屬元素原子同金屬原子化合時形成很強的離子鍵?；衔?。非金屬元素原子同金屬原子化合時形成很強的離子鍵。陶瓷的硬度很高，但脆性很大，耐腐蝕性、耐高溫、絕緣性好。陶瓷的硬度很高，但脆性很大，耐腐蝕性、耐高溫、絕緣性好。 陶瓷材料屬于無機非金屬材料，主要為金屬氧化物和金屬非氧化合物。陶瓷材料屬于無機非金屬材料，主要為金屬氧化物和金屬非氧化合物。由于大部分

7、無機非金屬材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸鹽由于大部分無機非金屬材料含有硅和其它元素的化合物，所以又叫做硅酸鹽材料。材料。它一般包括無機玻璃(硅酸鹽玻璃)、玻璃陶瓷(或稱微晶玻璃)和陶瓷等三類。 4.復合材料復合材料 復合材料就是兩種或兩種以上不同材料的組合材料，其性復合材料就是兩種或兩種以上不同材料的組合材料，其性能優(yōu)于它的組成材料。能優(yōu)于它的組成材料。復合材料可以由各種不同種類的材料復合組成，所以它的結(jié)合鍵非常復雜。它在強度、剛度和耐蝕性方面比單純的金屬、陶瓷和聚合物都優(yōu)越，是一類特殊的工程材料，具有廣闊的發(fā)展前景。 玻璃鋼就是由環(huán)氧樹脂與固化劑按一定比例混合后將無機纖維類材料

8、（如纖維布、纖維絲等）粘結(jié)起來的一種復合材料。 三三. 本課程的性質(zhì)、目的、任務本課程的性質(zhì)、目的、任務性質(zhì)：性質(zhì)：本課程是一門技術(shù)基礎課，是必修課。本課程是一門技術(shù)基礎課，是必修課。目的、任務：目的、任務：是使學生獲得有關(guān)材料的基本知是使學生獲得有關(guān)材料的基本知識，了解常用材料的成分、組織、性能之間的識，了解常用材料的成分、組織、性能之間的關(guān)系，以便在學習本課程之后使學生具有合理關(guān)系，以便在學習本課程之后使學生具有合理選用材料，妥善安排工藝路線等方面的初步能選用材料，妥善安排工藝路線等方面的初步能力。力。四四. 關(guān)于學習本課程關(guān)于學習本課程學時、學分學時、學分考核：平時成績考核：平時成績30

9、%（作業(yè)、實驗、上課表現(xiàn)、考勤）（作業(yè)、實驗、上課表現(xiàn)、考勤） 期末考試期末考試70%一一. 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能 鑄造性能鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良鑄件的能力稱為鑄造性能，能，用流動性、收縮性和偏析來衡量用流動性、收縮性和偏析來衡量。 鍛造性能鍛造性能 金屬材料用鍛壓加工方法成形的能力稱鍛造性。金屬材料用鍛壓加工方法成形的能力稱鍛造性。鍛造鍛造性能主要取決于金屬材料的塑性和變形抗力。塑性越好，性能主要取決于金屬材料的塑性和變形抗力。塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。 使用性能使用性

10、能 ：物理、化學、力學性能物理、化學、力學性能工藝性能：工藝性能： 鑄造、鍛、焊、切削等鑄造、鍛、焊、切削等第二章第二章 金屬材料的性能金屬材料的性能焊接性能焊接性能 鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。低碳鋼和低碳鋼和碳的質(zhì)量分數(shù)低于碳的質(zhì)量分數(shù)低于0.18 %的合金鋼有較好的焊接性能。的合金鋼有較好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, 焊接性能越差。焊接性能越差。 切削加工性能切削加工性能 金屬材料具有適當?shù)挠捕冉饘俨牧暇哂羞m當?shù)挠捕?170 HBS230 HBS)和足和足夠的脆性時切削性良好。夠的脆性時切削性良好。改變鋼的化學

11、成分改變鋼的化學成分(如加入少量如加入少量鉛、磷等元素鉛、磷等元素)和進行適當?shù)臒崽幚砗瓦M行適當?shù)臒崽幚?如低碳鋼進行正火，如低碳鋼進行正火，高碳鋼進行球化退火高碳鋼進行球化退火)可提高鋼的切削加工性能?？商岣咪摰那邢骷庸ば阅?。銅有良銅有良好的切削加工性能。好的切削加工性能。 熱處理工藝性能熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性主要考慮其淬透性, 即鋼接受即鋼接受淬火的能力。淬火的能力。 二二. 金屬材料的機械性能金屬材料的機械性能拉伸試驗和拉伸曲線拉伸試驗和拉伸曲線（F）載荷（載荷（F）, 伸長量（伸長量（L）,低碳鋼拉伸過程經(jīng)歷四個階段：低碳鋼拉伸過程經(jīng)歷四個

12、階段：1）彈性變形彈性變形（oe） （oe）直線階段，完全彈直線階段，完全彈性變形；（性變形；（eses）極微量塑）極微量塑性變形性變形彈性變形彈性變形：去除外力后能：去除外力后能完全恢復到原來的形狀。完全恢復到原來的形狀。塑性變形塑性變形：外力消除后仍：外力消除后仍存在的永久變形。存在的永久變形。（F）（l）0bkbksese應力應力:=F/S=F/S0 0 應變應變: = =L/LL/L0 0Ro2）屈服屈服（s s）：）：開始發(fā)生明顯的塑性變形（但不均勻）開始發(fā)生明顯的塑性變形（但不均勻）4）頸縮頸縮（b b點）點）-局部集中塑性變形局部集中塑性變形 3）均勻塑性變形階段均勻塑性變形階段

13、：（：（b b之前）之前）鑄鐵、陶瓷：只有第鑄鐵、陶瓷：只有第1 1階段階段中、高碳鋼：沒有第中、高碳鋼：沒有第2階段階段（F）（l）0bkbksese5）斷裂斷裂（k k點）點）1. 彈性和剛度彈性和剛度 彈性極限彈性極限e ：e e點所對應的應力為材料承受最大彈點所對應的應力為材料承受最大彈性變形時的應力。性變形時的應力。 對于彈簧等不允許產(chǎn)生微量塑性變形的零件，設計時對于彈簧等不允許產(chǎn)生微量塑性變形的零件，設計時以以ReRe為依據(jù)。為依據(jù)。 剛度：材料抵抗彈性變形的難易程度，其指標即剛度：材料抵抗彈性變形的難易程度，其指標即為為彈性模量彈性模量E E。在彈性變形范圍內(nèi)，應力與應變的比在彈

14、性變形范圍內(nèi)，應力與應變的比值，稱為彈性模量值，稱為彈性模量E E ，其主要取決于金屬材料的本，其主要取決于金屬材料的本性。性?？梢酝ㄟ^增加橫截面積或改變截面形狀的方法來提可以通過增加橫截面積或改變截面形狀的方法來提高零件的剛度。高零件的剛度。 2. 強度強度強度：表示抵抗變形強度：表示抵抗變形和斷裂的能力，單位和斷裂的能力，單位: : MPa(MN/mmMPa(MN/mm2 2) )1）屈服強度屈服強度s：材料開材料開始明顯塑性變形的抗力始明顯塑性變形的抗力 ，即產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力即產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的應力s s=F=Fs s/A/Ao o 中高碳鋼無明顯屈服現(xiàn)象，國家標準以產(chǎn)生中高碳鋼無明顯

15、屈服現(xiàn)象，國家標準以產(chǎn)生0.2%0.2%塑性變形的應力塑性變形的應力來表示屈服強度，即來表示屈服強度，即 0.20.2=F=F0.20.2/A/A0 0（F）（l）0bkbksese2）抗拉強度抗拉強度b b：金屬材料被拉斷前所承受的最大應力：金屬材料被拉斷前所承受的最大應力3. 塑性塑性塑性：在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力塑性：在外力作用下，產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力1）延伸率延伸率d d2）斷面收縮率斷面收縮率y y y y =A A/Ao=(Ao-Ak)/Ao 100%d,y,y 越大，塑性愈好越大，塑性愈好 ;5%, ;5%, 脆性材料脆性材料新標準新標準GB/T228200

16、2舊標準舊標準GB/T2281987性能名稱性能名稱符號符號性能名稱性能名稱符號符號彈性極限彈性極限Re彈性極限彈性極限e屈服點屈服點s上屈服強度上屈服強度Reh上屈服強度上屈服強度su下屈服強度下屈服強度Rel下屈服強度下屈服強度sl抗拉強度抗拉強度Rm抗拉強度抗拉強度b斷后伸長率斷后伸長率A斷后伸長率斷后伸長率5斷面收縮率斷面收縮率Z斷面收縮率斷面收縮率y y4. 硬度硬度硬度：抵抗外物壓入的能力，是硬度：抵抗外物壓入的能力，是綜合性能指標綜合性能指標，表，表示金屬材料在一個小的體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、示金屬材料在一個小的體積范圍內(nèi)抵抗彈性變形、塑性變形或斷裂的能力。塑性變形或斷裂的能力。

17、硬度越高，耐磨性越高硬度越高，耐磨性越高。1）布氏硬度）布氏硬度(HB)適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金（以壓痕表面積表示）（以壓痕表面積表示）2）洛氏硬度）洛氏硬度(HR)（以壓痕深度表示）（以壓痕深度表示）根據(jù)壓頭形式和載荷不同有三種標度根據(jù)壓頭形式和載荷不同有三種標度（HRA, HRB,HRC） ，能夠測試從，能夠測試從軟到硬各種硬度的材料，軟到硬各種硬度的材料，HRC應用應用最廣，可用于測硬度很高的材料。最廣，可用于測硬度很高的材料。HRC=100-(h2-h1)/0.002HBS(當用鋼球壓頭時當用鋼球壓頭時

18、) ；HBW(當用硬質(zhì)合金球時當用硬質(zhì)合金球時)硬度一般不標單位，如硬度一般不標單位，如HB200, HRC555. 韌性韌性HB和和HRC的優(yōu)缺點比較：的優(yōu)缺點比較：沖擊韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力沖擊韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力表達指標：沖擊韌度（沖擊值）（表達指標：沖擊韌度（沖擊值）（a ak k）a ak k=A=Ak k/F (J/cm/F (J/cm2 2) )A Ak k-沖擊破壞所消耗的功沖擊破壞所消耗的功F-F- 標準試樣斷口處截面積標準試樣斷口處截面積用一次擺錘沖擊試驗來測定用一次擺錘沖擊試驗來測定實驗方法及步驟：實驗方法及步驟： 1、將沖擊試樣放在

19、載物臺上、將沖擊試樣放在載物臺上。 2、將擺錘升到一定的高度。、將擺錘升到一定的高度。 3、將標尺對零點。、將標尺對零點。4、將擺錘放下沖擊試樣、將擺錘放下沖擊試樣,使擺使擺錘做功。錘做功。5、在標尺上讀出擺錘沖擊破、在標尺上讀出擺錘沖擊破壞所消耗的功壞所消耗的功Ak(J)。6、測量出試樣斷口截面積、測量出試樣斷口截面積F(cm2)。7、用、用ak=Ak/F(J/cm2)公式計算公式計算出沖擊韌性值出沖擊韌性值ak。一次擺錘沖擊試驗一次擺錘沖擊試驗脆性材料：脆性材料：a ak k值低，斷裂時無明顯變形，斷口呈結(jié)晶狀，值低，斷裂時無明顯變形，斷口呈結(jié)晶狀，有金屬光澤有金屬光澤韌性材料：韌性材料：

20、a ak k值高，斷裂時有明顯塑變，斷口呈灰色纖值高，斷裂時有明顯塑變，斷口呈灰色纖維狀，無光澤維狀，無光澤韌性與溫度有關(guān)：脆性轉(zhuǎn)變溫度韌性與溫度有關(guān)：脆性轉(zhuǎn)變溫度T TK K脆性材料脆性材料韌性材料韌性材料6 疲勞強度疲勞強度疲勞破壞：疲勞破壞：在大小和方向作周期性變化的在大小和方向作周期性變化的交變應力交變應力作用下，往往在作用下，往往在遠小于強度極限時遠小于強度極限時發(fā)生的斷裂發(fā)生的斷裂循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù) N疲勞應力疲勞應力疲勞極限疲勞極限：材料經(jīng)無數(shù)次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂材料經(jīng)無數(shù)次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞斷裂的最高應力。的最高應力。原因：原因：材料含有雜質(zhì)、表面劃痕及其它能引起應力集材

21、料含有雜質(zhì)、表面劃痕及其它能引起應力集中的缺陷，導致微裂紋的產(chǎn)生。這種微裂紋隨應力循中的缺陷，導致微裂紋的產(chǎn)生。這種微裂紋隨應力循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，最終突然斷裂。環(huán)次數(shù)的增加而逐漸擴展，最終突然斷裂。 疲勞強度疲勞強度3-1 3-1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1 1晶體與非晶體晶體與非晶體 晶體晶體：材料的原子在三維空間呈規(guī)則，周：材料的原子在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。期性排列。 非晶體非晶體：材料的原子無規(guī)則堆積。：材料的原子無規(guī)則堆積。2 2晶體結(jié)構(gòu)的描述晶體結(jié)構(gòu)的描述晶體結(jié)構(gòu)即晶體中原子（離子、分子）的晶體結(jié)構(gòu)即晶體中原子

22、（離子、分子）的規(guī)則排列方式。規(guī)則排列方式。第三章第三章 金屬學基礎知識金屬學基礎知識 空間規(guī)則排列的原子空間規(guī)則排列的原子球體模型球體模型晶格晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點，構(gòu)成空間格架）（剛球抽象為晶格結(jié)點，構(gòu)成空間格架）晶胞（具有周期性最小組成單元）晶胞（具有周期性最小組成單元）晶胞的描述：晶胞的描述：a,b,ca,b,c（晶格常數(shù)），（晶格常數(shù)），, - Fe（2.866埃）埃） Fe Fe （3.583.58埃）埃） 七個晶系：三斜晶系七個晶系：三斜晶系 單斜晶系單斜晶系 斜方晶系斜方晶系 正正方晶系方晶系 菱方晶系菱方晶系 六方晶系六方晶系 立方晶系立方晶系 3.3.三種常見的金屬晶體結(jié)

23、構(gòu)三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（a)a)體心立方晶胞體心立方晶胞BCC BCC Body-Centered CubeBody-Centered Cube例如：例如： - Fe- Fe ,Cr,W,Mo,V ,Cr,W,Mo,V1 1 分類分類(b)(b)面心立方晶胞面心立方晶胞FCC FCC Face-Centered CubeFace-Centered Cube例如：例如：FeFe, ,Al,Cu,Au,AgAl,Cu,Au,Ag(c)(c)密排六方晶胞密排六方晶胞HCP HCP Hexagonal Close-PackedHexagonal Close-Packed例如：例如：Mg, ZnMg,

24、 Zn 面心立方晶格和密排六方晶格排列最緊密；面心立方晶格和密排六方晶格排列最緊密； 面心立方晶格中的空隙半徑比體心立方晶格中面心立方晶格中的空隙半徑比體心立方晶格中的空隙大。的空隙大。4. 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe -Fe d-Fe912 1394 （體心）（體心）（體心）（體心）（面心）（面心）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是鋼鐵熱處理的理論基礎熱處理的理論基礎同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也稱作同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也稱作重結(jié)晶或二次重結(jié)晶或二次結(jié)晶結(jié)晶也是形核和晶核長大的過程，也是形核和晶核長大的過程，也需要過冷，也有結(jié)晶熱效應也需

25、要過冷，也有結(jié)晶熱效應1結(jié)晶與凝固的區(qū)別結(jié)晶與凝固的區(qū)別凝固：凝固：LS S可以是非晶可以是非晶結(jié)晶結(jié)晶：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡：一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變過程。一次結(jié)晶一次結(jié)晶：LS晶態(tài)晶態(tài)二次結(jié)晶二次結(jié)晶（重結(jié)晶）：（重結(jié)晶）：SS晶態(tài)晶態(tài) 2過冷和過冷度過冷和過冷度 二二. 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶溫度溫度/時間時間/s理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T0實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度T1O冷卻曲線冷卻曲線FSLTT0T1TF自發(fā)過程進行：自發(fā)過程進行： F0FT0TT0時，時，F(xiàn)sFL, FsF

26、L, 液相穩(wěn)定液相穩(wěn)定b. b. 當溫度當溫度TT0TT0時，時，F(xiàn)sFL, FsFL, 固相穩(wěn)定固相穩(wěn)定c. c. 當溫度當溫度T=T0T=T0時，時，F(xiàn)s=FL, Fs=FL, 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)T T0：理論結(jié)晶溫度：理論結(jié)晶溫度T1T1：實際結(jié)晶溫度：實際結(jié)晶溫度過冷：過冷：實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象。過冷度過冷度： T=T0-T1過冷過冷是結(jié)晶的必要條件是結(jié)晶的必要條件冷速越快，冷速越快，過冷度過冷度越大越大3、結(jié)晶的過程、結(jié)晶的過程a.a.形核形核自發(fā)形核、自發(fā)形核、非自發(fā)形核非自發(fā)形核( (為主為主) )b.長大長大平面長大、平面長大、樹

27、枝狀長大（為主）樹枝狀長大（為主）形成晶核與晶核不斷長大形成晶核與晶核不斷長大以樹枝晶方式長大為主以樹枝晶方式長大為主4、晶粒尺寸的控制、晶粒尺寸的控制（1）晶粒尺寸晶粒尺寸對金屬性能的影響對金屬性能的影響晶粒尺寸越小，晶粒越細，機械性能越好晶粒尺寸越小，晶粒越細，機械性能越好（強度越高，塑性、韌性越好）（強度越高，塑性、韌性越好）形核速度大，長大速率慢，晶粒總數(shù)目多，形核速度大，長大速率慢，晶?？倲?shù)目多，晶粒細小。晶粒細小。（2）過冷度對形核）過冷度對形核- -長大的影響長大的影響過冷度過冷度TT提高，提高，N N提高、提高、G G提高提高過冷度過冷度TT太高，太高，D D降低降低NN降低、

28、降低、G G降低降低（3）細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施提高過冷度（提高冷卻速度）提高過冷度（提高冷卻速度）過冷度過冷度TT，N，GN/G增大，增大，細化晶粒細化晶粒變質(zhì)處理（孕育處理）變質(zhì)處理（孕育處理）在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，增加晶核數(shù)目，以細化晶發(fā)晶核的核心，增加晶核數(shù)目，以細化晶粒和改善組織。粒和改善組織。振動，攪拌等振動，攪拌等單晶體與多晶體示意圖單晶體與多晶體示意圖5. 5. 金屬晶體的特性金屬晶體的特性多晶體多晶體各向異性各向異性晶體缺陷晶體缺陷：實際晶體中存在著偏離（破壞）：實際晶體中存在著偏離（破

29、壞） 晶格周期性和規(guī)則性排列的部分晶格周期性和規(guī)則性排列的部分 1.1.點缺陷點缺陷晶格結(jié)點處或間隙處，產(chǎn)生偏晶格結(jié)點處或間隙處，產(chǎn)生偏 離理想晶體的變化離理想晶體的變化 三實際金屬中的晶體缺陷三實際金屬中的晶體缺陷空位空位 晶格結(jié)點處無原子晶格結(jié)點處無原子 置換原子置換原子 晶格結(jié)點處為其它原子占據(jù)晶格結(jié)點處為其它原子占據(jù) 間隙原子間隙原子 原子占據(jù)晶格間隙原子占據(jù)晶格間隙點缺陷導致的晶格畸變點缺陷導致的晶格畸變 空位空位 置換原子置換原子 間隙原子間隙原子點缺陷對性能的影響：點缺陷對性能的影響： 空位的存在有利于金屬內(nèi)部原子的遷移（即空位的存在有利于金屬內(nèi)部原子的遷移（即擴散擴散）；）；

30、點缺陷造成的局部晶格畸變，使金屬點缺陷造成的局部晶格畸變，使金屬電阻率電阻率、屈服強度屈服強度增加增加，密度發(fā)生變化。，密度發(fā)生變化。2. 2. 線缺陷（位錯）線缺陷（位錯）二維尺度很小，另一二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排維尺度很大的原子錯排 （刃型位錯（刃型位錯 螺型位錯螺型位錯 ）刃型位錯模型刃型位錯模型位錯網(wǎng)絡位錯網(wǎng)絡位錯對性能的影響：位錯對性能的影響： 當進行形變加工時，位錯密度增加，屈服強度提高。當進行形變加工時，位錯密度增加，屈服強度提高。位錯能夠在金屬結(jié)晶、塑性變形和相變過程中形成。位錯能夠在金屬結(jié)晶、塑性變形和相變過程中形成。3. 3. 面缺陷面缺陷一維尺度很小，而二維

31、尺度較一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區(qū)域大的原子錯排區(qū)域 晶界、亞晶界、表面等晶界、亞晶界、表面等 晶界及亞晶界示意圖晶界及亞晶界示意圖亞結(jié)構(gòu)與亞晶界亞結(jié)構(gòu)與亞晶界對性能的影響：對性能的影響：晶界或亞晶界均可提高金屬的晶界或亞晶界均可提高金屬的強度。晶界越多，晶粒越細，金屬強度、塑性強度。晶界越多，晶粒越細，金屬強度、塑性越好。越好。合金合金：由兩種或兩種以上元素由兩種或兩種以上元素(其中至少有其中至少有一種是金屬一種是金屬)組成的具有金屬特性的材料。組成的具有金屬特性的材料。如鐵碳合金、如鐵碳合金、銅鋅合金（銅鋅合金（黃銅黃銅）、銅錫合）、銅錫合金（青銅）等。金（青銅）等。 幾個重要

32、的概念：幾個重要的概念：3-2 3-2 合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶1）. 組元組元：組成合金的最基本的、獨立的：組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)。通常組元即為組成合金的各元素，物質(zhì)。通常組元即為組成合金的各元素，但元素間所形成的穩(wěn)定化合物也可為組元。但元素間所形成的穩(wěn)定化合物也可為組元。根據(jù)組元數(shù)目，合金可分為根據(jù)組元數(shù)目，合金可分為二元合金、三二元合金、三元合金等。元合金等。 例如：黃銅（例如：黃銅（Cu-Zn)，鐵碳合金（，鐵碳合金（Fe-Fe3C)2 2）. .相：相：凡是化學成分相同、晶體結(jié)構(gòu)凡是化學成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，與其它部分有明顯分界的均勻相同，與其它部分有明顯分

33、界的均勻組成部分。合金中有兩類基本的相結(jié)組成部分。合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬間化合物。構(gòu)，固溶體和金屬間化合物。（舉例：純金屬，合金）（舉例：純金屬，合金）3）組織）組織：不同的類型、形態(tài)、數(shù)量、大?。翰煌念愋?、形態(tài)、數(shù)量、大小與分布的相的組合狀態(tài)。由于合金的成分及與分布的相的組合狀態(tài)。由于合金的成分及加工、處理等條件不同，其合金相將以不同加工、處理等條件不同，其合金相將以不同的類型、形態(tài)、數(shù)量、大小與分布相結(jié)合，的類型、形態(tài)、數(shù)量、大小與分布相結(jié)合，構(gòu)成不同的組織。構(gòu)成不同的組織。相是組織的基本組成部分相是組織的基本組成部分，而而組織決定性能組織決定性能。 固溶體固溶體合金中的

34、相結(jié)構(gòu)：合金中的相結(jié)構(gòu)： 金屬化合物金屬化合物一合金的晶體結(jié)構(gòu)及組織一合金的晶體結(jié)構(gòu)及組織 1、固溶體、固溶體組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為元之一相同的固相稱為固溶體固溶體A（B）。）。A：溶劑溶劑 B：溶質(zhì)溶質(zhì)置換固溶體置換固溶體 溶劑與溶質(zhì)晶格類型相同溶劑與溶質(zhì)晶格類型相同,原子半徑相差原子半徑相差不不 大大,電化學性質(zhì)相近電化學性質(zhì)相近間隙間隙固溶體固溶體 溶劑溶劑原子半徑較小原子半徑較小 無限固溶體無限固溶體固溶體固溶體性能特點性能特點固溶強化固溶強化: :由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶由于溶質(zhì)原子溶

35、入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。明顯降低。溶質(zhì)原子溶入溶質(zhì)原子溶入晶格畸變晶格畸變位錯遠動阻力上升位錯遠動阻力上升金屬塑性變形困難金屬塑性變形困難強度、硬度升高。強度、硬度升高。固溶強化是一種重要的強化手段固溶強化是一種重要的強化手段 鐵碳合金中的固溶體：鐵碳合金中的固溶體： 鐵素體鐵素體 F （C C 固溶到固溶到 -Fe-Fe中）中） 奧氏體奧氏體 A A （C C 固溶到固溶到-Fe-Fe中）中）溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體晶格產(chǎn)生畸變-Fe-Fe的固溶強化的固溶強化在合金中的地位與作用在合金中的地位與作用 基體相，用

36、以保證合金的塑性與韌性。基體相，用以保證合金的塑性與韌性。2、金屬間化合物、金屬間化合物金屬間化合物是合金的組元相互作用而形成的金屬間化合物是合金的組元相互作用而形成的具有金屬特性，而晶格類型和特性又完全不同具有金屬特性，而晶格類型和特性又完全不同于任一組元的化合物一中間相。于任一組元的化合物一中間相。 性能不同于各組元，一般硬而脆，熔點高性能不同于各組元，一般硬而脆，熔點高在合金中的地位與作用在合金中的地位與作用:是重要的是重要的強化相，強化相，用用以提高合金的強度、硬度、耐磨性以提高合金的強度、硬度、耐磨性。 有一定或大致一定的原子比值，可用有一定或大致一定的原子比值，可用化學式表示其組成

37、化學式表示其組成 新的不同于任一組元的晶格類型新的不同于任一組元的晶格類型 特點：特點：（鐵碳合金中的金屬化合物：滲碳體（鐵碳合金中的金屬化合物：滲碳體Fe3C）具有復雜晶挌的金屬化合物具有復雜晶挌的金屬化合物FeFe3 3C C1. 合金合金結(jié)晶特點結(jié)晶特點（1 1）一般是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的，）一般是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的， 也是一個放熱的過程也是一個放熱的過程（2 2）結(jié)晶過程也包括形核和長大兩個過程。）結(jié)晶過程也包括形核和長大兩個過程。2. 二元合金狀態(tài)圖的建立（以二元合金狀態(tài)圖的建立（以Cu-NiCu-Ni合金為例）合金為例）相圖：描述平衡條件下，合金系中各相之間關(guān)系相圖：描述平衡

38、條件下，合金系中各相之間關(guān)系的溫度、成份坐標圖稱為相圖（平衡圖，狀態(tài)圖）的溫度、成份坐標圖稱為相圖（平衡圖，狀態(tài)圖）步驟：步驟： （1）配置不同成分的合金。）配置不同成分的合金。(：純銅：純銅 ：75%Cu+25%Ni 75%Cu+25%Ni ：50%Cu+50%Ni 50%Cu+50%Ni ：25%Cu+75%Ni ：純：純Ni）二合金的結(jié)晶與相圖二合金的結(jié)晶與相圖（2） 測定各合金的冷卻曲線，找出組織轉(zhuǎn)測定各合金的冷卻曲線，找出組織轉(zhuǎn)變的臨界點，并標到溫度變的臨界點，并標到溫度-成分坐標圖中。成分坐標圖中。（3） 連接具有相同意義的點。連接具有相同意義的點。 相圖分析相圖分析：液相線：液相

39、線 固相線固相線 L L L+ L+ 結(jié)晶過程結(jié)晶過程 （LL+LL+a a a a） 兩平衡相的成分兩平衡相的成分:液相的成分沿著液相線變化，固相的液相的成分沿著液相線變化，固相的成分沿著固相線變化。成分沿著固相線變化。三鐵碳合金相圖及應用三鐵碳合金相圖及應用鐵碳合金相圖鐵碳合金相圖幾點說明：幾點說明：（1）實際是）實際是Fe-Fe3C相圖相圖（2）字母標識固定）字母標識固定（3）是平衡狀態(tài)圖，是在極緩慢條件下測定的。）是平衡狀態(tài)圖，是在極緩慢條件下測定的。1. Fe-Fe3C相圖的組元相圖的組元 1) Fe組元組元 強度低、硬度低、韌性、塑性好強度低、硬度低、韌性、塑性好-Fe -Fe d

40、-Fe912 1394 （體心）（體心）（體心）（體心）（面心）（面心）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線2) Fe3C （ Cem， Cm）熔點高，硬而脆，塑性、韌性為零。熔點高，硬而脆，塑性、韌性為零。網(wǎng)狀網(wǎng)狀層片狀層片狀大片狀大片狀球狀球狀2. Fe-Fe3C相圖中的相相圖中的相T()T()A AG GQ QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F

41、+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖0.450.45四個基本相：液相（四個基本相：液相（L），），鐵素體鐵素體 F，奧氏體奧氏體 A A，滲碳體滲碳體Fe3C 1) 液相液相L2) 鐵素體鐵素體( (F或或）（C C固溶到固溶到-Fe-Fe中）中） 晶格類型：體心立方晶格類型：體心立方溶解度：室溫：溶解度：室溫：C%=0.0008%C%=0.0008%；727727：C%=0.0218%C%=0.0218%）性能：強度、硬度低、塑性好性能：強度、硬度低、塑性好3) 奧氏體（奧氏體（A或或） （C C固溶到固溶到-Fe-Fe中）中）晶格類型：面心立方晶格類型

42、：面心立方溶解度：溶解度：11481148度：度：C%=2.11%C%=2.11%，存在溫度：，存在溫度：727727之上之上性能：強度低，易塑性變形性能：強度低，易塑性變形4) 滲碳體（滲碳體（Fe3C） （C%=6.69%C%=6.69%）片狀、網(wǎng)狀、條狀、粒狀片狀、網(wǎng)狀、條狀、粒狀3 3、相圖分析（重要點和線的意義）、相圖分析（重要點和線的意義） A, G, D液相線（液相線（ACD）固相線（固相線（AECF） C 共晶點，共晶點， ECF 共晶線共晶線共晶反應：共晶反應：L4.3 A2.11+Fe3C1148共晶體共晶體：萊氏體：萊氏體 (Le)T()T()A AG GQ QE EC

43、CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖0.020.02(3) S 共析點，共析點， PSK 共析線共析線共析反應：共析反應：A0.77 F0.02+Fe3C727共析體共析體：珠光體：珠光體 (P)珠光體的強度較高，珠光體的強度較高，塑性、韌性和硬度介塑性、韌性和硬度介于于Fe3C和和F之間之間T()T()

44、A AG GQ QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖0.020.02珠光體珠光體(4)溶解度曲線溶解度曲線： ES，PQES線線: 碳在碳在奧氏體奧氏體中的溶解度曲線。中的溶解度曲線。 隨溫度降低隨溫度降低, 析出二析出二次滲碳體次滲碳體Fe3CIIPQ線線: 碳在鐵素體碳在鐵素體中的溶解度曲

45、線。中的溶解度曲線。隨溫度降低隨溫度降低, 析出三析出三次滲碳體次滲碳體Fe3CIII鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖T()T()A AG GQ QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖0.020.02網(wǎng)狀網(wǎng)狀Fe3CII(5) 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變線：GS A FT()T()A AG GQ

46、QE EC CF FP PK K(Fe)(Fe)(Fe3C)(Fe3C)L LL+AL+AL+Fe3CL+Fe3CA+FA+FA AF FD Dwt% Cwt% C2.112.110.770.774.34.3727 727 1148 1148 S S6.696.69F+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CA+Fe3C鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖0.020.024 4、基于、基于Fe-FeFe-Fe3 3C C相圖的相圖的Fe-CFe-C合金分類合金分類 鋼鋼（0.0218%0.0218%C%C%= 2.11% 2.11%）亞共析鋼亞共析鋼: （0.0218%0.0218% C%C%0.77% %共

47、析鋼共析鋼: C%C% =0.77%過共析鋼過共析鋼: 0.77%C%0.77%C%= 2.11% 2.11% 鑄鐵鑄鐵2.11%C%2.11%C%6.69%6.69% 亞共晶鑄鐵亞共晶鑄鐵: 2.11%C%4.3%2.11%C%4.3% 共晶鑄鐵共晶鑄鐵: C%C% = 4.3%過共晶鑄鐵過共晶鑄鐵: 4.3 %C%6.69%4.3 %C%6.69%工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵 (C%=(C%1%， Fe3CII呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界處，強呈連續(xù)網(wǎng)狀分布在晶界處，強度性能度性能 7、Fe -Fe3C 相圖的應用相圖的應用1) 選材方面選材方面2) 鑄造工藝鑄造工藝3) 鍛壓工藝鍛壓工藝4) 熱處理工藝熱處理工藝1. 碳鋼的分類