純手打的工程材料重點(diǎn)

一、晶體與非晶體

（1）晶體固態(tài)下，原子或分子在空間上呈有序排列結(jié)構(gòu)。幾乎所有金屬、大部分的陶瓷以及一些聚合物。特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)有序（排列緊密、高對(duì)稱性）

2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性

3）有固定的熔點(diǎn)4）在一定的條件下有規(guī)則的幾何外形長(zhǎng)程有序金剛石（2）非晶體：原子無(wú)序排列特點(diǎn)：

1）結(jié)構(gòu)無(wú)序

2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性

3）沒有固定的熔點(diǎn)

4）熱導(dǎo)率和熱膨脹性小

5）塑性變形大

6）組成的變化范圍大玻璃短程有序（3）晶體和非晶體間的相互轉(zhuǎn)化兩者在某些條件下可以相互轉(zhuǎn)化。例如：金屬液體在高速冷卻的條件下，可以得到非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）。玻璃經(jīng)過適當(dāng)處理可以形成晶態(tài)玻璃。

（4）晶體和非晶體的兩大性能區(qū)別

晶體非晶體熔點(diǎn)固定熔點(diǎn)熔化范圍方向性各向異性各向同性?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使各原子結(jié)合到一起的方式。金屬鍵與金屬晶體方向性：按照一定的方向形成作用力；飽和性：形成特定數(shù)目的作用力；金屬鍵無(wú)所謂飽和性和方向性。金屬晶體特點(diǎn)：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，正的電阻溫度系數(shù)，熔點(diǎn)較高，有金屬光澤。絕大部分金屬均以金屬鍵結(jié)合共價(jià)鍵與原子晶體原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性；共價(jià)晶體：強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性大、導(dǎo)電性差。如陶瓷材料。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning??2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?離子鍵與離子晶體原子結(jié)合：電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大，無(wú)方向性和飽和性；離子晶體：硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高、熱脹系數(shù)小、導(dǎo)電性差。如NaCl。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?各種結(jié)合鍵比較結(jié)合鍵類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熱力學(xué)性能力學(xué)性能電學(xué)性能結(jié)合能（KJ/mol）金屬鍵無(wú)方向性熔點(diǎn)范圍，導(dǎo)熱性好，結(jié)晶溫度范圍寬硬度、強(qiáng)度范圍，塑性導(dǎo)電性能好113-660共價(jià)鍵有方向性熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小強(qiáng)度高、硬度大絕緣體150-712離子鍵無(wú)方向性熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小強(qiáng)度高、硬度大、劈裂性好絕緣體，溶體為導(dǎo)體586-1047分子鍵有方向性熔點(diǎn)低、熱膨脹系數(shù)大強(qiáng)度、硬度低絕緣體<42本課程主要研究：用于機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件的

機(jī)械工程材料。機(jī)械工程材料金屬材料高分子材料陶瓷材料復(fù)合材料黑色金屬有色金屬鑄鐵碳鋼合金鋼鋁合金銅合金其它有色金屬塑料橡膠合成纖維傳統(tǒng)陶瓷特種陶瓷金屬基復(fù)合材料高分子基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料金屬材料鋼鐵材料非鐵材料鑄鐵(C%>2.11%)鋼(C%<2.11%)普通灰鑄鐵白口鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵特殊性能鑄鐵碳素鋼合金鋼輕金屬(密度小于3.5g/cm3，鋁(Al)、鎂(Mg)、鈉(Na)、鈣(Ga)重金屬(密度大于3.5g/cm3，銅(Cu)、鎳(Ni)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鋅(Zn))貴金屬(金(Au)、銀(Ag)、鉑(Pt))稀有金屬(鎢(W)、鈦(Ti)、鋰(Li)、鈹(Be)、鉭(Ta))稀土金屬(鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La))放射性金屬(鐳(Ra)、鈾(U)、釷(Tb))第三節(jié)工程材料的性能使用性能：材料在使用條件下所表現(xiàn)出來(lái)的性能，包括力學(xué)、物理和化學(xué)性能。工藝性能：制造工藝過程中，材料適應(yīng)加工的能力。

一、力學(xué)性能

材料受力后就會(huì)產(chǎn)生變形，材料力學(xué)性能是指材料在受力時(shí)的行為。描述材料變形行為的指標(biāo)是應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

σ—單位面積上的作用力

ε—單位長(zhǎng)度的變形屈服強(qiáng)度力—伸長(zhǎng)曲線b屈服彈性變形斷裂塑性變形σ（F）(L)εOaefc縮頸抗拉強(qiáng)度彈性極限比例極限εσσeeO低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線oe：彈性變形階段

試樣的應(yīng)力與應(yīng)變成正比。卸去載荷，試樣伸長(zhǎng)量消失，試樣恢復(fù)原狀。

σe：彈性極限1）剛性指標(biāo)：彈性模量E單位GPa(N/mm2)

剛度是指金屬材料受外力作用時(shí)，抵抗彈性變形的能力在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為彈性模量，用符號(hào)E表示a.E的大小與材料的化學(xué)成分及溫度有關(guān)，即E是材料是固有屬性。b.E越大，表示在一定的應(yīng)力作用下彈性變形越小，即剛度越大。c.相同材料的零件，截面尺寸大的不易發(fā)生彈性變形。εσσsσeeOs低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線es：塑性變形階段（屈服階段）

應(yīng)力與應(yīng)變間不再成正比，出現(xiàn)屈服齒。卸去載荷，試樣的變形只能部分恢復(fù)，保留一部分殘余變形。

載荷不增加時(shí)，試樣的變形量仍自動(dòng)增大。εσσsσeeOs低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線es：塑性變形階段（屈服階段）σs：屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）

對(duì)于無(wú)明顯屈服的塑性材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為其屈服極限。σ0.2：名義屈服強(qiáng)度εσσbσsOsb低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線sb：強(qiáng)化階段σb：抗拉強(qiáng)度

表示材料對(duì)最大均勻塑性變形的抗力。

試樣發(fā)生明顯而均勻的塑性變形。2）強(qiáng)性指標(biāo)：屈服強(qiáng)度σs

抗拉強(qiáng)度σb單位：MPa(N/mm2)強(qiáng)度是指金屬材料在外力作用時(shí)，抵抗塑性變形和斷裂的能力屈服強(qiáng)度σs：金屬材料發(fā)生屈服現(xiàn)象時(shí)的屈服極限。表征材料抵抗微量塑性變形的能力?？估瓘?qiáng)度σb：金屬材料拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。

脆性材料拉伸曲線上沒有水平線段，難確定屈服點(diǎn)S，規(guī)定試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變形時(shí)的應(yīng)力值,稱為該材料的條件屈服強(qiáng)度屈強(qiáng)比，其值一般0.65-0.75。屈強(qiáng)比越小，工程構(gòu)件的可靠性越高。屈強(qiáng)比越大，材料強(qiáng)度利用率越高，但可靠性降低。

強(qiáng)度與合金化、熱處理、冷熱加工有關(guān)εσσbOZb低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線bz：縮頸階段σz：條件斷裂強(qiáng)度

表示材料對(duì)塑性的極限抗力。

試樣開始發(fā)生不均勻塑性變形并形成縮頸，應(yīng)力下降，最后斷裂。σz3）塑性指標(biāo)：伸長(zhǎng)率δ、斷面收縮率ψ

δ或ψ越大，表示材料的塑性越好。一般把δ≥5％的材料稱為塑性材料，如鋼材、銅、鋁等；把δ<5％的材料稱為脆性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等應(yīng)用中：δ10——試樣L0=10d0δ5——試樣L0=5d0

金屬材料因具有一定的塑性才能進(jìn)行各種變形加工，并且零件在使用中偶然過載，將產(chǎn)生一定塑性變形，而不致突然斷裂，從而提高了零件使用的可靠性。εσσbσsσeeOszboe：彈性變形階段es：塑性變形階段（屈服階段）sb：強(qiáng)化階段bz：縮頸階段z：斷裂低碳鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.硬度:材料抵抗另一硬物壓入其內(nèi)的能力，即受壓時(shí)抵抗局部變形（特別是塑性變形、壓痕或劃痕）的能力。

洛氏硬度HR維氏硬度HV布氏硬度HB常用硬度指標(biāo)4、斷裂韌性低應(yīng)力脆斷有些零件在工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于屈服點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱為低應(yīng)力脆斷。韌性脆斷的評(píng)定應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子：式中：KI—應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，MPa·m1/2

σ—外加應(yīng)力；

Y--裂紋的幾何形狀因子，Y=1-2；

a--裂紋長(zhǎng)度的一半（mm）；

σσ2a

具有張開型裂紋的試樣K1C為斷裂韌度；當(dāng)K1達(dá)到臨界值K1C時(shí)，零件內(nèi)裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而出現(xiàn)低應(yīng)力脆性斷裂，而K1＜K1C時(shí)，零件安全可靠。5、疲勞強(qiáng)度零件在循環(huán)應(yīng)力的作用，即使工作時(shí)承受的應(yīng)力低于材料的屈服點(diǎn)或規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力，在經(jīng)受一定的交變應(yīng)力后也會(huì)發(fā)生突然斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞極限σ-1:表示金屬材料在無(wú)數(shù)次交變載荷作用而不破壞的最大應(yīng)力。循環(huán)次數(shù)（N）應(yīng)力σ(Mpa)σNσ-1有限壽命無(wú)限壽命鋼材的循環(huán)次數(shù)N=107非鐵金屬的循環(huán)次數(shù)N=108提高疲勞極限的措施：合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的外形；提高構(gòu)件的表面加工質(zhì)量；提高構(gòu)件表面強(qiáng)度；6、耐磨性

磨損：構(gòu)件表面相接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面逐漸有微小顆粒分離出來(lái)形成磨屑，使表面材料逐漸損失、造成表面損傷的過程。耐磨性：材料對(duì)磨損的抵抗能力。主要分類：磨粒磨損；咬合磨損；疲勞磨損；腐蝕磨損。提高耐磨性措施：提高材料硬度、表面強(qiáng)化、降低摩擦系數(shù)二、物理性能

密度熔點(diǎn)熱容熱膨脹性導(dǎo)熱性磁性導(dǎo)電性介電常數(shù)物理性能Def:制造工藝過程中，材料適應(yīng)加工的能力。四、工藝性能鑄造性可鍛性焊接性切削加工性熱處理性能工藝性能金屬的晶體結(jié)構(gòu)最典型、最常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有3種類型：體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。前兩種屬于立方晶系，后一種屬于六方晶系。體心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)晶體中的缺陷實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)總不可避免地存在一些原子偏離規(guī)則排列的不完整區(qū)域,這就是晶體缺陷晶體缺陷分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三大類點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子線缺陷：位錯(cuò)(刃型、螺型)面缺陷：晶界與亞晶界晶體中的缺陷1．點(diǎn)缺陷(a)空位(b)間隙原子(c)置換式異類原子(d)置換式異類原子點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。晶格畸變使材料的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。晶體中的缺陷2．線缺陷

(a)刃型位錯(cuò)立體圖(b)正刃型位錯(cuò)線缺陷(位錯(cuò))—二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排

位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線。晶體中的缺陷2．線缺陷螺形位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)：晶體上部原子相對(duì)于下部的原子向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子的間距，形成的錯(cuò)動(dòng)位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。

=L/V

單位：cm/cm3或1/cm2金屬中的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2

。位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起；塑性變形增加位錯(cuò)密度，繼而阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生加工硬化；減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。晶體中的缺陷3．面缺陷多晶體的晶粒性形貌晶界處原子排列示意圖面缺陷——一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域。晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為5-10個(gè)原子間距，位向差一般為20°-40°。位向差很?。?0’-2°)的小晶塊為亞晶粒。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。晶體中的缺陷3．面缺陷Au-Ni合金中的亞晶粒亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖一般來(lái)說，金屬純度越高則晶界寬度越小，反之則越大。晶界和亞晶界均可以同時(shí)提高金屬的強(qiáng)度和塑性。晶界越多，位錯(cuò)越多，強(qiáng)度越高；—細(xì)晶強(qiáng)化晶界越多，晶粒越細(xì)小，金屬的塑性變形能力越大，塑性越好。刃型位錯(cuò)的滑移缺陷的移動(dòng)缺陷的移動(dòng)單晶體在切應(yīng)力作用下的變形(a)未變形(b)彈性變形(c)彈塑性變形(d)塑性變形單晶體的滑移1.2

液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)：長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序、結(jié)構(gòu)起伏液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)一次結(jié)晶：金屬?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程；液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變二次結(jié)晶或重結(jié)晶：金屬?gòu)囊环N固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程；固態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變結(jié)晶實(shí)質(zhì)上是原子由近程有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變成長(zhǎng)程（遠(yuǎn)程）有序狀態(tài)的過程2.2結(jié)晶過程

金屬的結(jié)晶包括兩個(gè)基本過程：晶核的形成與長(zhǎng)大金屬的結(jié)晶過程（1）形核

液態(tài)金屬中存在著原子排列規(guī)則的小原子團(tuán)，它們時(shí)聚時(shí)散，稱為晶坯。在T0以下，經(jīng)一段時(shí)間后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯將會(huì)長(zhǎng)大，稱為晶核。形核有兩種方式：

自發(fā)形核(均質(zhì)形核)非自發(fā)形核(異質(zhì)形核)1)自發(fā)形核

在液態(tài)金屬中，存在大量尺寸不同的近程有序的原子集團(tuán)。溫度降到結(jié)晶溫度以下時(shí)，近程有序的原子集團(tuán)變得穩(wěn)定，不再消失，成為結(jié)晶核心。這個(gè)過程叫自發(fā)形核。自發(fā)晶核：由液態(tài)金屬內(nèi)部金屬原子自發(fā)形成的晶核。2)非自發(fā)形核

實(shí)際金屬內(nèi)部往往含有許多其它雜質(zhì)。當(dāng)液態(tài)金屬降到一定溫度后，有些雜質(zhì)可附著金屬原子，成為結(jié)晶核心，這個(gè)過程叫非自發(fā)形核。非自發(fā)晶核：依附于雜質(zhì)而形成的晶核。

鐵液中加入硅、鈣表示晶粒大小的尺度單位體積晶粒數(shù)目單位面積晶粒數(shù)目晶粒平均線長(zhǎng)度晶粒度號(hào)越大晶粒越細(xì)

1、晶粒度晶粒度等級(jí)2.3

結(jié)晶后的晶粒大小及控制（3）晶粒大小的控制：

1）增大金屬的過冷度增大過冷度的主要辦法是提高液態(tài)金屬的冷卻速度,采用冷卻能力較強(qiáng)的模子。

超高速急冷技術(shù)可獲得超細(xì)化晶粒的金屬、亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬和非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的金屬。2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑，以細(xì)化晶粒和改善組織。變質(zhì)劑的作用在于增加晶核的數(shù)量或者阻礙晶核的長(zhǎng)大。3）振動(dòng)、電磁攪拌

在金屬結(jié)晶的過程中采用機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)等，或?qū)⒄诮Y(jié)晶的金屬置于一個(gè)交變電磁場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會(huì)翻滾起來(lái)，靠外部能量促進(jìn)形核；另一方面液可以破碎或者沖斷正在生長(zhǎng)中的樹枝狀晶體，形成更多的結(jié)晶核心，獲得細(xì)小的晶粒。第三節(jié)合金的結(jié)晶與結(jié)晶相圖基本概念：合金、組元合金:一種金屬元素同另一種或幾種其他元素，通過熔化或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)叫做合金。組元:組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元叫做組元。合金按組元數(shù)目分：二元合金、三元合金、多元合金等3.1合金的相結(jié)構(gòu)及性能

1．固溶體

合金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固溶體。一般用α、β、γ…來(lái)表示。

相:指合金中晶體結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面與其他部分分開的均勻組成部分叫做相。組織:指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素為溶劑(A)，一般在合金中含量較多；其它元素為溶質(zhì)(B)，含量較少。A(B);分類：按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分置換固溶體、間隙固溶體按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分

有限固溶體、無(wú)限固溶體組成合金的基本相按其晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為兩大類，即固溶體和金屬化合物置換固溶體間隙固溶體

溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中鐵碳合金

溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子Cu-Ni合金固溶體的性能固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度?！倘軓?qiáng)化

金屬化合物

金屬化合物：合金組元間相互作用而形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相(中間相)。離子鍵、共價(jià)鍵；金屬鍵

13.2合金相圖的建立重點(diǎn)內(nèi)容合金系

是指由兩個(gè)或兩個(gè)以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。相

在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。固態(tài)合金中有兩類基本相：固溶體和金屬化合物。1．相圖的相關(guān)概念相圖

表明合金系中各種合金相的平衡條件和相與相之間關(guān)系的一種簡(jiǎn)明示圖，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。描述平衡條件下，相和相變與溫度、成份、壓力之間的關(guān)系圖。平衡在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再變化所達(dá)到一種狀態(tài)。此時(shí)合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時(shí)間而改變。此時(shí)合金中的相稱為平衡相；由平衡相構(gòu)成的組織為平衡組織。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，一般可以認(rèn)為是平衡結(jié)晶過程。相與組織比較相組織概念在金屬或合金中，化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)形同并與其它部分有界面分開的均勻組成部分合金的相組及相的數(shù)量、形態(tài)、大小、分布特征。組織可以由一種或多種相組成例子氣相、液相、固相。鐵碳合金中的α相、γ相、δ相等。亞共晶組織、共晶組織、過共晶組織。鐵碳合金中的珠光體P、奧氏體A等。檢測(cè)X射線衍射分析金相顯微鏡、電鏡等3、杠桿定律當(dāng)合金在某一溫度下處于兩相區(qū)時(shí)，由相圖不僅可以知道兩平衡相的成分，而且還可以用杠桿定律求出兩平衡相的相對(duì)重量百分比?，F(xiàn)以Cu-Ni合金為例推導(dǎo)杠桿定律：⑴確定兩平衡相的成分：設(shè)合金成分為x，過x做成分垂線。在成分垂線相當(dāng)于溫度t的o點(diǎn)作水平線，其與液固相線交點(diǎn)a、b所對(duì)應(yīng)的成分x1、x2即分別為液相和固相的成分。⑵確定兩平衡相的相對(duì)重量設(shè)合金(x)的總重量為1，液相(x1)重量為QL，固相(x2)重量為Q。則：QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程組得：式中的x2-x、x2-x1、x-x1即為相圖中線段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的長(zhǎng)度。因此兩相的相對(duì)重量百分比為：兩相的重量比為：或合金的結(jié)晶只有在緩慢冷卻的條件下才能得到成分均勻的相。但實(shí)際冷速較快，在結(jié)晶過程中固相中的原子來(lái)不及擴(kuò)散，使先結(jié)晶出的枝晶軸含有較多的高熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后結(jié)晶的枝晶間含有較多的低熔點(diǎn)元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。在一個(gè)枝晶范圍內(nèi)或一個(gè)晶粒范圍內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象稱作枝晶偏析。4、枝晶偏析3.3

二元合金的結(jié)晶與相圖二元合金相圖勻晶相圖共晶相圖包晶相圖共析相圖1、二元?jiǎng)蚓鄨D

例如Cu-Ni合金相圖為典型的勻晶相圖勻晶相圖：只發(fā)生勻晶反應(yīng)的相圖。勻晶反應(yīng)：從液相中直接結(jié)晶出固溶體的反應(yīng)。特點(diǎn)：勻晶相圖中兩組元在液態(tài)、固態(tài)下都能無(wú)限互溶。Cu-Ni合金、Au-Ag合金、W-Mo、Fe-Cr合金等aa1c

為液相線，是各種成分的合金在冷卻時(shí)開始結(jié)晶或加熱時(shí)熔化終止的溫度；該線以上合金處于液相區(qū)L。1）

相圖分析Cu-Ni合金相圖ac1c

為固相線，各種成分的合金在加熱時(shí)開始熔化或冷卻時(shí)結(jié)晶終止的溫度。該線以下合金處于固相區(qū)α

。aa1c和ac1c

之間是液相與固溶體兩相共存區(qū)，L+αa：Cu的熔點(diǎn)，c：Ni的熔點(diǎn)。2）勻晶轉(zhuǎn)變的結(jié)晶過程

L→L+α→α

3）勻晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)a.形核、長(zhǎng)大，樹枝狀長(zhǎng)大b.變溫過程c.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，成分確定d.兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定，兩相相對(duì)量一定e.枝晶偏析，冷速快→原子擴(kuò)散不充分→成分不均。擴(kuò)散退火消除。勻晶相圖合金的結(jié)晶過程共晶反應(yīng)（共晶轉(zhuǎn)變）：在一定條件（溫度、成份）下，由均勻液相同時(shí)結(jié)晶出兩種不同固相的轉(zhuǎn)變。所生成的兩相混合物叫共晶體(一種均勻機(jī)械混合物)。機(jī)械混合物：合金的組成物在固態(tài)下按一定重量比混合而成的新物質(zhì)，它的各個(gè)組成物仍保持自己原來(lái)的晶格類型和性能，其性能介于各種組成物之間。共晶相圖：兩組元在液態(tài)無(wú)限互溶，在固態(tài)有限互溶或完全不互溶且發(fā)生共晶反應(yīng)的相圖。Pb-Sn合金，Al-Si合金，Ag-Cu合金2、二元共晶相圖1）共晶相圖分析Pb-Sn合金相圖三個(gè)單相區(qū)：L、α、β（α、β是有限固溶體）三個(gè)兩相區(qū)：L+α，L+β，α+β一個(gè)三相區(qū)(cde水平線)：L+

α+βPb-Sn合金相圖cf線：Sn在Pb中的溶解度線(α相固溶線)，c點(diǎn)：Sn在Pb中最大溶解度，eg線：Pb在Sn中的溶解度線(β相固溶線)，e點(diǎn)：Pb在Sn中最大溶解度a點(diǎn)：Pb的熔點(diǎn)b點(diǎn)：Sn的熔點(diǎn)ced線：共晶反應(yīng)線d點(diǎn)：共晶點(diǎn)(共晶溫度、共晶成分)液相線：adb；固相線：acdeb19.22.5（1）合金Ⅰ的結(jié)晶過程（2）合金Ⅱ的結(jié)晶過程(共晶合金，d點(diǎn))（3）合金Ⅲ的結(jié)晶過程(亞共晶合金，cd段)（4）合金Ⅳ的結(jié)晶過程(過共晶合金，de段)2）典型合金結(jié)晶過程（1）合金I的結(jié)晶過程結(jié)晶過程：相組成物：α相和β相組織組成物：α相和βII相室溫下各相含量：（2）合金II的結(jié)晶過程(共晶合金)

相組成物：α相和β相組織組成物：α相和β相室溫下各相含量：共晶線上兩相相對(duì)量：Pb-Sn共晶合金組織(層片狀)（3）合金Ⅲ的結(jié)晶過程（亞共晶合金）

組織組成物：α初+（α+β）+βII

相組成物：α相和β相亞共晶組織(50%Sn的Pb-Sn合金)（4）合金Ⅳ的結(jié)晶過程(過共晶合金)組織組成物：β初+（α+β）+αII

相組成物：α相和β相過共晶組織(70%Sn的Pb-Sn合金)3、二元包晶相圖及其它相圖包晶反應(yīng)（包晶轉(zhuǎn)變）：結(jié)晶出來(lái)的固溶體與包圍它的液相作用，形成一個(gè)新成分的固溶體，該后生成固溶體包裹先前生成的固溶體。包晶相圖：當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)形成有限固溶體，而且發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖。包晶相圖組成：兩個(gè)局部的勻晶相圖和一條水平線。Pt-Ag、Sn-Ag、Cu-Zn、Cu-Sn（1）包晶相圖3、二元包晶相圖及其它相圖包晶反應(yīng)（包晶轉(zhuǎn)變）：結(jié)晶出來(lái)的固溶體與包圍它的液相作用，形成一個(gè)新成分的固溶體，該后生成固溶體包裹先前生成的固溶體。包晶相圖：當(dāng)兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，在固態(tài)時(shí)形成有限固溶體，而且發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)所構(gòu)成的相圖。包晶相圖組成：兩個(gè)局部的勻晶相圖和一條水平線。Pt-Ag、Sn-Ag、Cu-Zn、Cu-Sn（1）包晶相圖1）相圖分析單相區(qū)：L，，β二相區(qū)：L+，L+，

+；三相區(qū)：L++

（水平線ced）e點(diǎn)：包晶點(diǎn)。e點(diǎn)成分的合金冷卻到該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度(包晶溫度)時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)：ced線:包晶反應(yīng)線。

cf線:Ag在Pt中的溶解度線eg線:Pt在Ag中的溶解度線

Pt-Ag合金相圖合金I的結(jié)晶過程

勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+二次析出（β+αII）合金Ⅱ結(jié)晶過程

勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+二次析出(α+βII+β+αII)2）結(jié)晶過程合金I合金Ⅲ結(jié)晶過程

勻晶反應(yīng)+二次析出(α+βII)合金Ⅳ結(jié)晶過程勻晶反應(yīng)+包晶反應(yīng)+勻晶反應(yīng)+二次析出(β+αII)ⅢⅣ01234012345

一定成分的固相，在一定溫度下，同時(shí)析出兩種化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)完全不同的新固相，這個(gè)轉(zhuǎn)變過程稱為共析反應(yīng)。由一種固相轉(zhuǎn)變成完全不同的兩種相互關(guān)聯(lián)的固相,此兩相混合物稱為共析體。

與共晶反應(yīng)不同的是，共析反應(yīng)的母相是固相，而不是液相。

（2）共析相圖d

點(diǎn)成分(共析成分)的合金從液相經(jīng)過勻晶反應(yīng)生成γ相后,繼續(xù)冷卻到d

點(diǎn)溫度(共析溫度)時(shí),在此恒溫下發(fā)生共析反應(yīng):

由于固態(tài)轉(zhuǎn)變過冷度大，因而共析組織比共晶組織細(xì)。珠光體具有共析反應(yīng)的二元相圖012344、二元相圖的分析步驟二元相圖中的幾何規(guī)律1、相區(qū)接觸法則相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差為1。2、三相區(qū)的形狀是一條直線，其上三點(diǎn)是平衡相的成分點(diǎn)；3、單相區(qū)邊界線的延長(zhǎng)線應(yīng)進(jìn)入相鄰的兩相區(qū)；4、二元相圖的分析步驟分清相圖中包括哪些基本類型相圖確定相區(qū)1、相區(qū)接觸法則相鄰兩個(gè)相區(qū)的相數(shù)差為1(點(diǎn)接觸除外)。2、單相區(qū)的確定⑴液相線以上為液相區(qū)；⑵靠純組元的封閉區(qū)是以該組元為基的單相固溶體區(qū)；⑶相圖中的垂線可能是穩(wěn)定化合物（單相區(qū)），也可能是相區(qū)分界線；⑷相圖中每一條水平線必定與三個(gè)單相區(qū)點(diǎn)接觸；3、兩相區(qū)的確定：兩個(gè)單相區(qū)之間夾有一個(gè)兩相區(qū)，該兩相區(qū)的相由兩相鄰單相區(qū)的相組成。4、三相區(qū)的確定：二元相圖中的水平線是三相區(qū)，其三個(gè)相由與該三相區(qū)點(diǎn)接觸的三個(gè)單相區(qū)的相組成。相變分析(結(jié)晶過程、平衡組織、相及組織組成物之間的質(zhì)量分?jǐn)?shù))3012二元合金相圖總結(jié)勻晶相圖杠桿定律勻晶相圖共晶相圖鐵碳合金相圖共晶相圖鐵碳合金相圖包晶相圖包晶相圖共析相圖鐵碳合金相圖共析相圖恒溫下由一個(gè)固相同時(shí)析出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的固相。共析反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相包著一個(gè)固相生成另一個(gè)新的固相。包晶反應(yīng)恒溫下由一個(gè)液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)成分結(jié)構(gòu)不同的固相。共晶反應(yīng)說明反應(yīng)式圖形特征反應(yīng)名稱常見三相等溫水平線上的反應(yīng)

作業(yè)3-10第四章鐵碳合金☆提示：重點(diǎn)內(nèi)容

4.1鐵碳合金系相圖4.2碳鋼4.3鑄鐵1鐵碳合金的組元及基本相1.1鐵碳合金組元：Fe、Fe3C/Cm

(1)Fe(純鐵)抗拉強(qiáng)度σb

(MPa)180～230屈服強(qiáng)度σ0.2

(MPa)100～170

伸長(zhǎng)率

δ

30%～50%

斷面收縮率ψ70%～80%

沖擊韌度ak

(J/m2)1.6×106～2×106

硬度

(HB)50～80

純鐵具有強(qiáng)度低、塑性高的特點(diǎn)金屬在固態(tài)下由于溫度的改變而發(fā)生晶格類型轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1.2鐵碳合金基本相(2)鐵素體

F或

α

碳溶解在體心立方晶格的α-Fe中形成的間隙固溶體。鐵素體中碳的固溶度極小,因此其性能特點(diǎn)與工業(yè)純鐵大致相同，強(qiáng)度低、硬度低、塑性好。鐵素體(1)液相鐵與碳無(wú)限互溶

(3)

奧氏體

A或γ

碳溶解在面心立方晶格γ-Fe中形成的間隙固溶體。奧氏體A中碳的固溶度較大，在1148℃時(shí)溶碳量最大達(dá)2.11%；強(qiáng)度較低,硬度不高,易于塑性變形。無(wú)磁性。奧氏體

(4)

高溫鐵素體δ

碳溶解在體心立方晶格的δ-Fe中的形成的間隙固溶體。

δ鐵素體在1394℃以上存在；在1495℃時(shí)溶碳量最大，為0.09%。

含碳量6.69%合金中的形態(tài)：片狀、球狀、網(wǎng)狀、條狀在230℃下具有鐵磁性滲碳體是一個(gè)亞穩(wěn)相，高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫會(huì)分解：Fe3C→3Fe+C(石墨)(5)Fe3C/Cm(滲碳體)-具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物滲碳體具有硬而脆的特點(diǎn)抗拉強(qiáng)度σb(MPa)伸長(zhǎng)率δ斷面收縮率ψ

沖擊韌性

ak

硬度(HB)

熔點(diǎn)(℃)30000800

12272鐵碳合金相圖分析Fe-Fe3C合金相圖2.1重要的特性點(diǎn)（0.09）符號(hào)T/℃ω(C)%含義A1538

0純鐵的熔點(diǎn)B14950.53包晶轉(zhuǎn)變時(shí)液態(tài)合金的成分C1148

4.30

共晶點(diǎn)

Lc→AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔點(diǎn)E11482.11

碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120

γ-Fe→α-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點(diǎn)LB+δH

→

AJ

K7276.69

Fe3C的成分N13940

δ-Fe→

γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)AS→FP+Fe3CQ室溫0.0008碳在α-Fe中的最大溶解度2.2重要的特性線特性線含

義ABCD液相線AHJECF固相線GSA3線：冷卻時(shí)奧氏體中開始析出鐵素體的析出線ESAcm線：碳在奧氏體中的固溶線ECF共晶線：

PSKA1線：共析線

PQ碳在鐵素體中的固溶線HJB包晶線：（0.09）Acm線A1線A3線

水平線HJB

包晶轉(zhuǎn)變碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%～0.53%的鐵碳合金在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。

水平線ECF

共晶轉(zhuǎn)變

共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體和滲碳體的混合物，稱為萊氏體，萊氏體是塑形很差的組織碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%～6.69%之間的鐵碳合金,在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。

水平線PSK

共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為珠光體碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218%～6.69%的鐵碳合金,在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線亦稱A1線。

碳在A中的固溶線，Acm線。E點(diǎn)溶解度最大，S點(diǎn)溶解度最小，因此隨著溫度的降低,將從A中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為二次滲碳體(Fe3CII)。Acm線亦為從A中開始析出Fe3CII的臨界溫度線。ES線

PQ線

碳在F中固溶線。隨著溫度的降低，碳在F中的溶解度減小，將從F中析出Fe3C。析出的滲碳體稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。

PQ線亦為從F中開始析出Fe3CIII的臨界溫度線。

Fe3CIII數(shù)量極少,往往予以忽略。

GS線

合金冷卻時(shí)自A中開始析出F的臨界溫度線，通常又稱A3線。此外，CD線是從液體中結(jié)晶出來(lái)滲碳體的開始線。

2.3Fe-Fe3C相圖相區(qū)分析五個(gè)單相區(qū)、七個(gè)雙相區(qū)、三個(gè)三相共存區(qū)FFe3CIIILFe3CⅠAFe3CIIP中的Fe3C

共析滲碳體Ld中的Fe3C共晶滲碳體滲碳體種類滲碳體2.4鐵碳合金基本組織組成物奧氏體(A/γ)鐵素體(F/α)滲碳體(Fe3C)珠光體(P)：鐵素體與滲碳體共析的機(jī)械混合物；萊氏體(Ld)：奧氏體和滲碳體共晶的機(jī)械混合物；室溫下萊氏體(Ld’)的組織是滲碳體、珠光體的

機(jī)械混合物。鐵素體奧氏體珠光體(共析滲碳體)過共晶白口鐵滲碳體共晶白口鐵(共晶滲碳體)純鐵鐵素體Fe3CIII亞共晶白口鐵(Fe3CII)+鐵碳合金組織鐵碳合金狀態(tài)圖2.5鐵碳合金相圖中的合金工業(yè)純鐵

[w(C)<0.0218%](2)鋼

[w(C)=0.0218%~2.11%]

亞共析鋼w(C)<0.77%

共析鋼w(C)=0.77%

過共析鋼w(C)>0.77%(3)白口鑄鐵

[w(C)=2.11%~6.69%]

亞共晶白口鑄鐵w(C)<4.3%

共晶白口鑄鐵w(C)=4.3%

過共晶白口鑄鐵w(C)>4.3%(4)灰鑄鐵

含有大量不同形態(tài)的石墨鐵碳合金狀態(tài)圖3典型鐵碳合金平衡結(jié)晶過程1、工業(yè)純鐵

(Ⅰ)

2、共析鋼

(Ⅱ)3、亞共析鋼(Ⅲ)4、過共析鋼(Ⅳ)5、共晶白口鐵(Ⅴ)6、亞共晶白口鐵(Ⅵ)7、過共晶白口鐵(Ⅶ)3.1工業(yè)純鐵（C%<0.0218%）相組成物：F、Fe3C(

C%>0.0008%);F(C%<0.0008%)結(jié)晶過程：L→L+A→A→A+F→F+Fe3CIII相相對(duì)量：組織組成物：F和Fe3CIII(

C%>0.0008%);F(C%<0.0008%)3.2共析鋼（C%=0.77%）珠光體結(jié)晶過程：L→L+A→A→A+P→P

組織組成物：P相組成物：F和Fe3C相相對(duì)量：3.3亞共析鋼(0.0218%<C%<0.77%)

結(jié)晶過程：L→L+A→A→A+F→A+P+F→P+F相組成物：F，F(xiàn)e3C相相對(duì)量：45#鋼過共析鋼(0.77%<C%<2.11%)

結(jié)晶過程：L→L+A→A→A+Fe3CII→A+P+Fe3CII→P+Fe3CII相組成物：F，F(xiàn)e3C組織組成物：Fe3CII和P3.5共晶白口鑄鐵（C%=4.3%）LdLdLdLd’結(jié)晶過程：L→L+Ld(A+Fe3C共晶)→Ld(A+Fe3C共晶)→Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)→Ld’(A+P+Fe3CII+Fe3C共晶)→Ld’(P+Fe3CII+Fe3C共晶)

3.6亞共晶白口鑄鐵(2.11%<C%<4.3%)

結(jié)晶過程：L→L+A→L+A+

Ld(A+Fe3C共晶)→A+

Ld(A+Fe3C共晶)→A+Fe3CII+

Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)→A+P+Fe3CII+

Ld(A+P+Fe3C共晶+Fe3CII)→P+Fe3CII

+Ld’(P+Fe3CII+Fe3C共晶)LdLdLdLd’Fe3CIIFe3CII組成相：F和Fe3C相相對(duì)量：3.7過共晶白口鑄鐵(4.3%<C%<6.69%)

結(jié)晶過程：L→L+Fe3CI→L+Fe3CI+

Ld(A+Fe3C共晶)→Fe3CI+

Ld(A+Fe3C共晶)→Fe3CI

+Ld(A+Fe3C共晶+Fe3CII)→Fe3CI

+Ld(A+P+Fe3C共晶+Fe3CII)→Fe3CI

+Ld’(P+Fe3CII+Fe3C共晶)LdLdLdLd’Fe3CIFe3CIFe3CIIIII合金名稱Wc（%）組織組成物相組成物工業(yè)純鐵<0.0218FF亞共析鋼0.0218-0.77F+PF+Fe3C共析鋼0.77PF+Fe3C過共析鋼0.77-2.11P+Fe3CIIF+Fe3C亞共晶百口鑄鐵2.11-4.3P+Ld′Fe3CIIF+Fe3C共晶百口鑄鐵4.3Ld′F+Fe3C過共晶百口鑄鐵4.3-6.69Ld′+Fe3CIF+Fe3C鐵碳合金組織小結(jié)：LdLdLd’Ld’Ld’4.2.1碳鋼的分類2.冶金質(zhì)量普通質(zhì)量鋼(P0.045%,S0.05%)優(yōu)質(zhì)鋼(P0.035%,S0.035%)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(P0.030%,S0.030%)3.用途碳素結(jié)構(gòu)鋼：建筑、橋梁、船舶、車輛、壓力容器、機(jī)器零件碳素工具鋼：刃具鋼；模具鋼；量具鋼1.質(zhì)量分?jǐn)?shù)低碳(C<0.25%)；中碳(0.25%<C<0.6%)；高碳(C>0.6%)；4.2.2碳鋼的編號(hào)1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼表示方法：Q+最低屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)；Q表示“屈服強(qiáng)度”；屈服強(qiáng)度值單位是MPa；質(zhì)量等級(jí)符號(hào)為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。脫氧方法符號(hào)：沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ。如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q235AF、Q235BZ。2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼:鋼號(hào)平均碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)表示。45鋼=0.45%（萬(wàn)分之45）3.碳素工具鋼:“T”+平均碳含量的千分?jǐn)?shù)。T8;T10;T8AA表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼4.鑄造碳鋼：ZG代表鑄鋼二字漢語(yǔ)拼音首位字母，后面第一組數(shù)字為屈服強(qiáng)度(單位MPa)，第二組數(shù)字為抗拉強(qiáng)度(單位MPa)。例ZG200-400，表示屈服強(qiáng)度σs(或σ0.2)≥200MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥400MPa的鑄造碳鋼件。*說明：①優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼含Mn量為0.7~1.2%時(shí)，在含碳量數(shù)字后加元素符號(hào)“Mn”，如40Mn。②對(duì)于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號(hào)后分別加字母F和b，如08F、10b。③碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)以上質(zhì)量的④高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)后加字母A，如20A、T8A。1概述

鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。鑄鐵具有許多優(yōu)良的性能及生產(chǎn)簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而是應(yīng)用最廣泛的材料之一。

鑄鐵中的石墨形態(tài)可分為：灰口鑄鐵，球墨鑄鐵，蠕墨鑄鐵，可鍛鑄鐵

鑄鐵曲軸(3)

鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法

鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，單位MPa?！癏T”表示灰鑄鐵代號(hào)。HT100F+PHT150PHT200可鍛鑄鐵團(tuán)絮狀FKTH+兩組數(shù)字KTH、KTB、KTZ分別為黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號(hào)；第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低延伸率值，%KTH300-06表F心PKTB+兩組數(shù)字KTB350-04PKTZ+兩組數(shù)字KTZ450-06鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例球墨鑄鐵球狀FQT+兩組數(shù)字第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低延伸率值，%?！癚T”表示球墨鑄鐵代號(hào)QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值,MPa?！癛uT”表示蠕墨鑄鐵代號(hào)RuT260F+PRuT300PRuT420(3)

鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法

可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線

(3)可鍛鑄鐵石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。組織：基體（F、P）＋團(tuán)絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵、白心可鍛鑄鐵。性能：強(qiáng)度為碳鋼的40~70%，接近于鑄鋼。名為可鍛，實(shí)不可鍛可鍛鑄鐵的牌號(hào)和應(yīng)用種類牌號(hào)試樣直徑/mm力學(xué)性能用途舉例σb/N?mm-2σ0.2/N?mm-2δ/%HBS不小于黑心可鍛鑄鐵KTH300—0612或15300—6≤150彎頭、三通管件、中低壓閥門等KTH330—08330—8扳手、犁刀、犁柱、車輪殼等KTH350—1035020010汽車、拖拉機(jī)前后輪殼、減速器殼、轉(zhuǎn)向節(jié)殼、制動(dòng)器及鐵道零件等KTH370—12370—12珠光體可鍛鑄鐵KTZ450—0612或154502706150~200載荷較高和耐磨損零件，如曲軸、凸輪軸，連桿、齒輪、活塞環(huán)、軸套、耙片、萬(wàn)向接頭、棘輪、扳手、傳動(dòng)鏈條等KTZ550-045503404180~250KTZ650-026504302210~260KTZ700-027005302240~290本章小結(jié)1.二元相圖的基本類型

1）掌握勻晶、共晶、包晶、共析相圖的分析，以及各種二元相圖的代表合金系。

2）熟練應(yīng)用杠桿定律解決問題。2.鐵碳合金相圖熟練掌握Fe-Fe3C相圖。鐵碳合金相分布圖鐵碳合金組織布圖作業(yè)：4-2、4-3熱處理基本要素（1）加熱熱處理的第一道工序。加熱分為兩種，一種是在臨界溫度以下的加熱，此時(shí)不發(fā)生組織變化。另一種是在臨界溫度以上以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。（2）保溫目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。（3）冷卻熱處理的最終工序，也是最重要的工序。冷卻速度不同，得到組織不同?；疽兀?/p>

加熱、保溫和冷卻。分類普通熱處理表面熱處理熱處理化學(xué)熱處理退火正火淬火回火感應(yīng)加熱表面淬火火焰加熱表面淬火激光加熱表面淬火化學(xué)物理氣相沉積滲碳滲氮多元共滲轉(zhuǎn)變溫度-滯后現(xiàn)象由于過熱和過冷現(xiàn)象的影響，加熱時(shí)相變溫度偏向高溫，冷卻時(shí)偏向低溫的現(xiàn)象。注意：

加熱與冷卻速度越大，溫度提高與下降的幅度就越大。1.轉(zhuǎn)變溫度一、熱處理過程中鋼的組織轉(zhuǎn)變1.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體化：在鋼熱處理時(shí)，大多數(shù)情況下都是把鋼加熱到臨界溫度以上，使它的結(jié)構(gòu)組織向奧氏體轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)變過程稱奧氏體化。注意：(1)兩種情況：完全及不完全奧氏體化；(2)目的：獲得成分均勻、晶粒細(xì)小的奧氏體晶粒，為后續(xù)工藝階段做準(zhǔn)備；(3)條件：適當(dāng)?shù)募訜釡囟?、一定的保溫時(shí)間A3AcmA13.影響奧氏體化的因素(1)加熱溫度：溫度越高，原子擴(kuò)散速度越快，奧氏體速度越快；(2)加熱速度：加熱速度越快，過熱度越大，轉(zhuǎn)變溫度越高，轉(zhuǎn)變時(shí)間越短，奧氏體化越快；(3)鋼中碳含量：含碳量增加，F(xiàn)e3C量多，F(xiàn)與Fe3C界面增多，A形核增多；(4)合金元素:Cr、Mo、W、V、Nb、Ti強(qiáng)碳化物形成元素，降低奧氏體

形成速度；Co、Ni非碳化物形成元素，加快奧氏形成速度；Al、Si、Mn影響不大；(5)原始組織：片狀珠光體，片間距小，相界面多，碳彌散度大，碳原子擴(kuò)散距離短，奧氏體形核長(zhǎng)大快；4.A晶粒長(zhǎng)大及影響因素晶粒度表示奧氏體晶粒大小的一種量度。(1)起始晶粒度

加熱時(shí)，奧氏體化剛完成時(shí)的晶粒大??；(2)實(shí)際晶粒度

具體加熱熱處理或者熱加工條件下得到的奧氏體晶粒的大??；(在加熱、保溫時(shí)決定，冷卻過程并不改變奧氏體晶粒大小)(3)本質(zhì)晶粒度

表示鋼在加熱時(shí)，奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向程度；鋼在930℃±10℃下保存8h冷卻后所測(cè)得的晶粒大小作為衡量本質(zhì)晶粒度的標(biāo)準(zhǔn)影響奧氏體晶粒度的因素

(1)加熱溫度和保溫時(shí)間：加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)

奧氏體的晶粒越粗大；(2)加熱速度：加熱速度越快，過熱度越大，形核率越高，晶粒越細(xì)??；(3)鋼的化學(xué)成分：碳全部溶于奧氏體時(shí)，晶粒長(zhǎng)大傾向增大，碳以滲碳體存在于奧氏體時(shí)，阻礙晶粒長(zhǎng)大；Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多為碳化物和氮化物形成元素，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大；Mn、P、N促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大;1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（TTT曲線）過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線是表示奧氏體急速冷卻到臨界點(diǎn)A1以下在各不同溫度下的保溫過程中轉(zhuǎn)變量與轉(zhuǎn)變時(shí)間的關(guān)系曲線。又稱C

曲線或TTT曲線。(Temperature-Time-Transformation)A1-Ms間及轉(zhuǎn)變開始線以左的區(qū)域?yàn)檫^冷奧氏體區(qū)。轉(zhuǎn)變終了線以右及Mf以下為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)。兩線之間及Ms與Mf之間為轉(zhuǎn)變區(qū)。時(shí)間溫度A1MSMfA過冷APBMA→MA→BA→P轉(zhuǎn)變開始線轉(zhuǎn)變終了線共析鋼TTT曲線分析A1～550℃;高溫轉(zhuǎn)變區(qū);擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;珠光體（P）轉(zhuǎn)變區(qū)550～230℃;中溫轉(zhuǎn)變區(qū);半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;貝氏體(B)轉(zhuǎn)變區(qū)230～-50℃;低溫轉(zhuǎn)變區(qū);非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變;馬氏體(M)轉(zhuǎn)變區(qū)550℃230℃⑴轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間的距離為孕育期。孕育期越小，過冷奧氏體穩(wěn)定性越小。孕育期最小處稱C曲線的“鼻尖”。碳鋼鼻尖處的溫度為550℃。在鼻尖以上，溫度較高，相變驅(qū)動(dòng)力小。在鼻尖以下，溫度較低，擴(kuò)散困難。從而使奧氏體穩(wěn)定性增加。⑵C曲線明確表示了過冷奧氏體在不同溫度下的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。爐冷空冷油冷水冷共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線

珠光體類型組織(依據(jù)片層粗細(xì)不同)

注意：P、S、T都是珠光體，差別只是珠光體組織的片層間距不同，形成溫度越低，間距越小。組織名稱表示符號(hào)形成溫度硬度珠光體PA1-650℃170-200HB索氏體S650-600℃25-35HRC屈氏體T600-550℃35-40HRC珠光體索氏體屈氏體片間距bHRC注意：1)珠光體、索氏體、屈氏體三種組織無(wú)本質(zhì)區(qū)別，只是形態(tài)上的粗細(xì)之分，因此其界限也是相對(duì)的。2)片間距越小，鋼的強(qiáng)度、硬度

越高，而塑性和韌性略有改善。中溫貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變(550～230℃):貝氏體的組織形態(tài)及性能過冷奧氏體在550℃-230℃(Ms)間將轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織，貝氏體用符號(hào)B表示。根據(jù)其組織形態(tài)不同，貝氏體又分為上貝氏體(B上：550-350℃)和下貝氏體(B下：350-230℃)。上貝氏體下貝氏體注意：貝氏體轉(zhuǎn)變屬半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變，即只有碳原子擴(kuò)散而鐵原子不擴(kuò)散，晶格類型改變是通過切變實(shí)現(xiàn)的。低溫馬氏體型(M)轉(zhuǎn)變(230℃～-50℃):當(dāng)奧氏體過冷到Ms以下將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體類型組織。馬氏體轉(zhuǎn)變是強(qiáng)化鋼的重要途徑之一。馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)碳在α-Fe中的過飽和固溶體稱馬氏體,用符號(hào)M

表示。馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體中的碳全部保留到馬氏體中。馬氏體組織過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（共析鋼）轉(zhuǎn)變類型轉(zhuǎn)變產(chǎn)物形成溫度，℃轉(zhuǎn)變機(jī)制顯微組織特征HRC獲得工藝珠光體PA1-650擴(kuò)散型粗片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布5-25退火S650-600細(xì)片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布25-36正火T600-550極細(xì)片狀，F(xiàn)、Fe3C相間分布35-40等溫處理貝氏體B上550-350半擴(kuò)散型羽毛狀，短棒狀Fe3C分布于過飽和F條之間40-50等溫處理B下350-MS竹葉狀，細(xì)片狀ε碳化物分布于過飽和F針上50-60等溫淬火馬氏體M板條MS-Mf非擴(kuò)散型板條狀50淬火M針MS-Mf針狀60-65淬火4.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Continuouscoolingtransformation,CCT-曲線通過測(cè)定不同冷速下過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量獲得的。

共析鋼的CCT曲線沒有貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)之下多了一條轉(zhuǎn)變中止線。當(dāng)連續(xù)冷卻曲線碰到轉(zhuǎn)變中止線時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變中止，余下的奧氏體一直保持到Ms以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。Vk為CCT曲線的上臨界冷卻速度，即獲得全部馬氏體組織時(shí)的最小冷卻速度。Vk’為CCT曲線的下臨界冷卻速度。

Vk’1.5Vk。Vk時(shí)間(s)溫度℃A1PfAA+PKMsMf水冷油冷Vk’爐冷空冷PsPM5.共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較爐冷空冷油冷水冷CCT曲線位于TTT曲線右下方。可用TTT曲線定性說明連續(xù)冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變情況。方法是將連續(xù)冷卻曲線繪在C曲線上，依其與C曲線交點(diǎn)的位置來(lái)說明最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。爐冷(V1=5.5℃/s)：A→P;空冷(V2=20℃/s)：A→S;油冷(V4=33℃/s)：A→T+M+A’;水冷(V5≥138℃/s)：A→M+A’;冷卻速度>Vk才能使A全部轉(zhuǎn)變?yōu)镸二、鋼的整體熱處理工藝及其特征熱處理基本工藝退火正火淬火回火

機(jī)械零件的一般加工工藝為：毛坯（鑄、鍛）→預(yù)備熱處理→機(jī)加工→最終熱處理。

退火與正火工藝主要用于預(yù)備熱處理，只有當(dāng)工件性能要求不高時(shí)才作為最終熱處理。

2.1鋼的退火與正火鋼的退火定義:

將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼件加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，?jīng)過一定時(shí)間保溫后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝稱為退火。目的：(1)調(diào)整硬度，便于切削加工。適合加工的硬度為170-250HBS；(2)消除內(nèi)應(yīng)力，防止加工中變形；(3)減小材料化學(xué)成分及組織的不均勻性；(4)細(xì)化晶粒，為最終熱處理作組織準(zhǔn)備；。分類:

完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火、擴(kuò)散退火。1）完全退火Def：將亞共析鋼加熱到Ac3以上30~50℃，經(jīng)完全奧氏體化后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。得到F+P組織；目的：通過完全重結(jié)晶使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細(xì)化；使中碳以上的碳鋼和合金鋼得到接近平衡狀態(tài)的組織，以降低硬度，改善切削加工性。對(duì)象：亞共析鋼（wc=0.3%-0.6%)

合金鋼的鑄、鍛、焊接件2）等溫退火Def：等溫退火是將鋼件或毛坯加熱到高于Ac3(wc=0.3～0.8亞共析鋼)以上30～50℃或Ac1(wc=0.8～1.2過共析鋼)以上10～20℃的溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后較快地冷卻到P區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使A轉(zhuǎn)變?yōu)镻組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。同完全退火相比，節(jié)省時(shí)間完全退火1）完全退火

2）等溫退火

3）球化退火（球化退火前應(yīng)先進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀。）

4）擴(kuò)散退火

5）去應(yīng)力退火對(duì)于有網(wǎng)狀二次滲碳體的過共析鋼，球化退火前應(yīng)先進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀。球狀珠光體球狀滲碳體鋼的正火概念：正火是將亞共析鋼加熱到Ac3以上30~50℃，共析鋼加熱到Ac1以上30~50℃，過共析鋼加熱到Accm以上30~50℃，保溫后空冷的工藝。正火比退火冷卻速度大。1)正火后的組織：<0.6%C時(shí)組織F+S0.6%C時(shí)組織S正火溫度2)正火的目的⑴對(duì)于低、中碳鋼(≤0.6C%)，目的與退火的相同。⑵對(duì)于過共析鋼，用于消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備。⑶普通件最終熱處理。注意：

要改善切削性能：低碳鋼用正火，中碳鋼用退火或正火，高碳鋼用球化退火。熱處理與硬度關(guān)系合適切削加工硬度2.2鋼的淬火定義:

淬火就是把鋼加熱到臨界溫度（Ac3或Ac1）以上，保溫一定時(shí)間使之奧氏體化后，再以大于臨界冷卻速度的冷速急劇冷卻，從而獲得馬氏體的熱處理工藝。目的:

為了獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和耐磨性。真空淬火爐4.常用的淬火方法目的：使工件獲得理想的淬火冷卻速度，使工件既能淬成馬氏體又防止變形和開裂。各種淬火方法示意圖1—單液淬火法2—雙液淬火法3—分級(jí)淬火法4—等溫淬火法1—單液淬火法2—雙液淬火法3—分級(jí)淬火法4—等溫淬火法1）單液淬火

將奧氏體狀態(tài)的工件放入一種淬火介質(zhì)中一直冷卻到室溫的淬火方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，適用于形狀簡(jiǎn)單的碳鋼和合金鋼工件。2）雙液淬火先將奧氏體狀態(tài)的工件在冷卻能力強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻至接近Ms點(diǎn)溫度時(shí)，再立即轉(zhuǎn)入冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)中冷卻，直至完成馬氏體轉(zhuǎn)變。碳鋼(先水冷后油冷)，合金鋼(先油冷后空冷)

3）分級(jí)淬火

將奧氏體狀態(tài)的工件首先淬入略高于鋼的Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴爐中保溫，當(dāng)工件內(nèi)外溫度均勻后，再?gòu)脑t中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉(zhuǎn)變。4）等溫淬火

將奧氏體化后的工件在稍高于Ms溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時(shí)間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。2.3鋼的回火

概念：鋼件淬火后，為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能，將其加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。

目的:（1）降低或消除內(nèi)應(yīng)力，以防止工件開裂和變形。（2）減少或消除殘留A，以穩(wěn)定工件尺寸。（3）調(diào)整工件的內(nèi)部組織和性能。井式回火爐注意：1)未經(jīng)淬火的鋼回火無(wú)意義，而淬火鋼不回火在放置或使用過程中易變形或開裂。2)鋼經(jīng)淬火后應(yīng)立即進(jìn)行回火。1.鋼在回火時(shí)的轉(zhuǎn)變第一階段(200℃以下):馬氏體分解(回火M)馬氏體分解為：低飽和α+ε-Fe2.4C第二階段(200℃～300℃):殘余奧氏體分解(回火M)分解為B下第三階段(250℃～400℃)：碳化物的轉(zhuǎn)變(回火T)ε-Fe2.4C轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3C第四階段(400℃以上)：滲碳體的聚集長(zhǎng)大與α相的再結(jié)晶

(回火S)稱為粒狀Fe3C，600℃以后粗化2.回火的分類及應(yīng)用淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理回火索氏體組織金相圖回火屈氏體組織金相圖回火馬氏體組織金相圖回火回火組織形成溫度(℃)組織特征性能特征應(yīng)用低溫回火回火馬氏體150-350極細(xì)的ε碳化物分布在馬氏體基體上強(qiáng)度、硬度高，耐磨性好，硬度HRC58-64工具、磨具中溫回火回火屈氏體350-500細(xì)粒狀滲碳體分布在針狀鐵素體基體上彈性極限、屈服極限高，具有一定的韌性，硬度HRC35-45彈簧高溫回火回火索氏體500-650粒狀滲碳體分布在多邊形鐵素體基體上綜合機(jī)械性能好，強(qiáng)度、塑性和韌性好。硬度HRC25-35螺栓、齒輪、軸類3.回火脆性淬火鋼硬度隨回火溫度的變化40鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系

回火時(shí)力學(xué)性能變化總的趨勢(shì)是隨回火溫度提高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性提高。200℃以下，由于馬氏體中碳化物的彌散析出，鋼的硬度并不下降，高碳鋼硬度甚至略有提高。200-300℃，由于高碳鋼中A’轉(zhuǎn)變?yōu)镸回，硬度再次升高。大于300℃,由于Fe3C粗化，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，硬度直線下降。淬火鋼的韌性并不總是隨溫度升高而提高。在某些溫度范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的沖擊韌性下降的現(xiàn)象，稱回火脆性。根據(jù)回火脆性出現(xiàn)的溫度范圍，可將其分為低溫回火脆性(250-400℃，第一類、不可逆)和高溫回火脆性(450-650℃,第二類、可逆)兩類。三、鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理概念：僅對(duì)鋼的表面加熱、冷卻而不改變其成分的熱處理工藝稱為表面熱處理。工藝的核心：使零件具有“表硬里韌”

的力學(xué)性能。1、鋼的表面熱處理感應(yīng)加熱表面淬火示意圖感應(yīng)加熱表面淬火機(jī)床表面淬火常用加熱方法1)感應(yīng)