1、机械工程材料Mechanical Engineering Materialsl物质由液态转变为固物质由液态转变为固态的过程称为态的过程称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶物质由液态转变为晶态的过程称为态的过程称为结晶结晶。l物质由一个相转变为物质由一个相转变为另一个相的过程称为另一个相的过程称为相变相变。因而结晶过程因而结晶过程是相变过程。是相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶l（一）过冷现象和过冷度（一）过冷现象和过冷度l金属结晶时温度与时间的关系曲金属结晶时温度与时间的关系曲线称线称冷却曲线。冷却曲线。曲线上水平阶段曲线上水平阶段所对应的温度称所对应的温度称实际结晶温度实际结晶温度T1。l曲线
2、上水平阶段是由于结晶时放曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的出结晶潜热引起的. 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线l过冷与过冷度过冷与过冷度l纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0(熔点熔点或或平衡结晶平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下, 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。l结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。雾凇雾凇l液态金属在理论结晶温液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象度以下开始结晶的现象称称过冷过冷。l理论结晶温度与实际结理论结晶温度与实际结晶温度的差晶温度的差 T称称过冷度过冷度 T
3、= T0 T1l过冷度大小与冷却速度过冷度大小与冷却速度有关，有关，冷速越大，过冷冷速越大，过冷度越大度越大。l1、结晶的基本过程、结晶的基本过程l结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核的长大的长大两个基本过程组成两个基本过程组成.l液态金属中存在着原子排液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们列规则的小原子团，它们时聚时散，称为时聚时散，称为晶坯晶坯。在。在T0以下以下, 经一段时间后经一段时间后(即即孕育期孕育期), 一些大尺寸的晶一些大尺寸的晶坯将会长大，称为坯将会长大，称为晶核晶核。T0T1T液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化晶核半径与晶核半径与G关系关系l
4、晶核形成后便向各方向生长，同晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。时又有新的晶核产生。晶核不断晶核不断形成，不断长大，直到液体完全形成，不断长大，直到液体完全消失。消失。每个晶核最终长成一个晶每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。粒，两晶粒接触后形成晶界。金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶（一）晶体结构的基本概念 晶体结构晶体结构: 晶体中原子（或分子）在三维空间晶体中原子（或分子）在三维空间呈规则排列的具体方式。呈规则排列的具体方式。在晶体学中，原子（或分子）常被抽象为刚性小球，晶体就是由这些小球堆砌而成的。为了表
5、示小球的排列规律，将小球中心用平行的直线连接起来，形成的空间格子，称为晶格。直线间的交点称为结点（阵点）。l晶格中结点所组成的平面称晶面晶面l连接结点所表示的方向称晶向晶向能够完全反映晶格特性的最小、最基本的几何单元称晶胞。abc晶胞的棱边长度: a, b, c。确定了晶胞的大小。晶胞棱边夹角：, , 确定了晶胞的形状。a, b, c及, , 称为晶格参数 体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方90%的金属具有下述三种晶体结的金属具有下述三种晶体结构之一构之一铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、钼(Mo)、钒(V)等BCCFCC铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍
6、(Ni)、铅(Pb)、铁(Fe)等HCP钛(Ti)、锆(Zr)、镁（Mg)、锌(Zn)等晶体结构与材料性能：晶体结构与材料性能： （一般规律）面心立方的金属塑性（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。l晶体不同晶面及晶向上原子的排列情况不同，所以，不同方向上晶体的性能是不同的。纯铁E290GPa 111-体对角线方向135GPa 110-面对角线方向晶粒晶粒晶界晶界晶粒的位向彼此不同，其性能是各晶粒的统计平均值，故是大致相同的。EFe210GPa实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷
7、按空间尺寸大小不同分为点、线、面三类缺陷。按空间尺寸大小不同分为点、线、面三类缺陷。在三维空间上，其长、宽、高的尺寸均很小在三维空间上，其长、宽、高的尺寸均很小（不超过几个原子直径）的缺陷。（不超过几个原子直径）的缺陷。点缺陷点缺陷空位空位置换原子置换原子间隙原子间隙原子不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小。向的尺寸都很小。线缺陷线缺陷钛合金中的钛合金中的位错线位错线不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。向的尺寸很小，例如晶界、亚晶界。面缺陷面缺陷
8、晶界亚晶界点缺陷点缺陷点缺陷周围晶格发生畸变，材点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。下降，电阻增加。线缺陷线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度的变化与著。强度的变化与位错密度位错密度有关。有关。位错密度位错密度强强度度s理论值理论值金属须金属须退火态退火态106108cm-2加工硬化加工硬化10111012cm-2位错密度很低或者很高时，位错密度很低或者很高时，晶体的强度比较高。晶体的强度比较高。晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性
9、，但是容易发度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。生高温氧化，耐腐蚀性能降低。面缺陷面缺陷细晶强化细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化。方法称为细晶强化。强化材料的方法强化材料的方法之一之一 构转变构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一固态相变固态相变。l1、纯铁的同素异构转变、纯铁的同素异构转变l铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：1394912 -Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变
10、化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变l -Fe、 -Fe为为体心立方结构体心立方结构(BCC)， -Fe为为面心立面心立方结构方结构(FCC)。都是铁的。都是铁的同素异构体同素异构体。 -Fe -Fel2、固态转变的特点、固态转变的特点l形核一般在某些特定部形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。陷、特定晶面等）。l由于固态下扩散困难，由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。因而过冷倾向大。l固态转变伴随着体积变固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力。化，易造成很大内应力。固态相变的晶界形核固态相变的晶界形核(Sn-0.5%Cu铸态
11、，铸态，255K)锡疫锡疫纯铁塑性、韧性好，但强度、硬度低。s (MPa)100170b (MPa)180230 (%)3050 (%)7080ak (J/cm2)160200HB5080纯铁的力学性能因纯度及晶粒大小不同有较大差别。晶粒度级别越高，晶粒越细。我国将细晶粒度分为晶粒度级别越高，晶粒越细。我国将细晶粒度分为8级级晶粒度级别晶粒度级别sokdHall-Petch equationl铁与碳的相互作用 固溶体 化合物l铁碳合金中的相和组织组成物 相 组织固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成固体溶液，是溶质原子溶入溶剂中所形成的晶体，保持溶剂元素的晶体结构。的晶体，保持溶剂元素的晶体结构
12、。固溶体固溶体固溶体的分类固溶体的分类置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，溶质原子和溶剂原子尺寸相差较小，形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格形成固溶体时溶质原子替换了溶剂晶格中的一部分原子，就形成了置换固溶体。中的一部分原子，就形成了置换固溶体。置换固溶体置换固溶体如：如：Fe与与Mn、Si 、Al 、Cr 、Ti 、Nb等形成置换固溶体等形成置换固溶体溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶溶质原子和溶剂原子直径相差较大，溶质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则质原子处于溶剂晶体结构的间隙位置上，则形成间隙固溶体。形成间隙固溶体。间隙固溶体间隙固溶体如：如：Fe
13、 Fe 与与 C ,N ,O ,H C ,N ,O ,H 形成间隙形成间隙固溶体固溶体 溶剂原子溶质原子置换固溶体间隙固溶体铁素体碳溶于碳溶于-Fe中形成的固溶体称为铁素中形成的固溶体称为铁素体，用体，用或者或者F表示。表示。BCC奥氏体碳溶于碳溶于 -Fe中形成的固溶体称为铁素中形成的固溶体称为铁素体，用体，用 或者或者A表示。表示。FCC铁素体铁素体奥氏奥氏体体由于FCC的间隙比BCC大，所以的溶的溶碳能力比比大。大。l2.11 l0.0218热处理基础之一固溶体的晶体结构与溶剂相同，但溶质原子的溶入会使溶剂的晶格产生畸变l强度硬度增加，塑性韧性降低；l电阻、矫顽力增加，导电性降低。通过溶
14、入某种合金元素形成固溶通过溶入某种合金元素形成固溶体而使材料强度增加的现象称为体而使材料强度增加的现象称为强化材料的方法之一强化材料的方法之一固溶强化固溶强化如，钢中加入如，钢中加入Mn, Si可置换可置换F中的中的Fe形形成合金铁素体，使其强度提高成合金铁素体，使其强度提高当碳在铁中的含量超过了其溶解度极限时，便会形成化合物。Fe3C，渗碳体。化合物的性能特点化合物的性能特点晶体结构和性能不同于其组成元素，晶晶体结构和性能不同于其组成元素，晶体结构复杂，熔点高、硬而脆。体结构复杂，熔点高、硬而脆。l渗碳体具有一种复杂的正交晶体结构，熔点高1227，wc=6.69%；l渗碳体能提高合金的硬度、
15、耐磨性，会降低合金的塑性和韧性。l渗碳体中的Fe可以被Mn, Cr, W, Mo等金属原子置换而形成合金渗碳体以层片状或者球形均匀分布在组织中，能提高合金的强度；以连续网状、粗大的片状或者作为基体出现时，急剧降低材料的强度、塑韧性。渗碳体对铁碳合金性能的影响取决于其形态系统中具有同一聚集状态、同一化学成系统中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并以界面相互隔开的均匀分、同一结构并以界面相互隔开的均匀组成部分。组成部分。相相铁碳合金中铁碳合金中：铁素体、奥氏体和渗碳体铁素体、奥氏体和渗碳体是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可是构成显微组织的独立部分，可以是单相，也可一是两相或者多相混合
16、物。一是两相或者多相混合物。组织组成物组织组成物l铁素体铁素体l奥氏体奥氏体l渗碳体渗碳体l珠光体：珠光体：F与与Fe3C片层相间的两相混合片层相间的两相混合物物l莱氏体：莱氏体：A与与Fe3C两相混合物两相混合物铁碳合金中的组织组成物铁碳合金中的组织组成物FP二、 l合金的结晶过程比纯金属复杂，常用合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图相图进行分析进行分析.l相图相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。过程的简明图解。又称又称状态图状态图或或平衡图平衡图。l合金系合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的是指由两个或两个以上元素按
17、不同比例配制的一系列不同成分的合金。一系列不同成分的合金。l组元组元是指组成合金的最简是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存单、最基本、能够独立存在的物质。在的物质。l多数情况下多数情况下组元是指组成组元是指组成合金的元素合金的元素。但对于。但对于既不既不发生分解、又不发生任何发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组反应的化合物也可看作组元元, 如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图合金相图L 成分（成分（wt %Ni）温度（温度（）CuNil相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，度变化的规律，是制订熔炼、
18、铸造、热加工及热处是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据理工艺的重要依据。l根据组元数根据组元数, , 分为二元相图、三元相图和多元相图。分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图二元相图三元相图三元相图l几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法热分析法。l二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：以以Cu-Ni合金合金(白铜白铜)为例为例l1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。l2. 将临界点
19、标在温度将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。成分坐标中的成分垂线上。l3. 将垂线将垂线上相同意上相同意义的点连义的点连接起来，接起来，并标上相并标上相应的数字应的数字和字母。和字母。l相图中，结晶开始点的连线叫相图中，结晶开始点的连线叫液相线液相线。结晶终了结晶终了点的连线叫点的连线叫固相线固相线。l（二）杠杆定律（二）杠杆定律l处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用成分，还可用杠杆定律杠杆定律求出两平衡相的相对重量。求出两平衡相的相对重量。l现以现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：合金为例推导杠杆定律：l 确定两平衡相的成
20、分：确定两平衡相的成分：设合金成分为设合金成分为x，过，过x做成做成分垂线。在成分垂线相当分垂线。在成分垂线相当于温度于温度t 的的o点作水平线，点作水平线，其与液固相线交点其与液固相线交点a、b所所对应的成分对应的成分x1、x2即分别即分别为液相和固相的成分。为液相和固相的成分。12 tl则则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得解方程组得121122xxxxQxxxxQLl式中的式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段即为相图中线段xx2 (ob)、x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。的长度。l 确定两平衡相的相对重量确定两平衡相的相对重量l设合
21、金的重量为设合金的重量为1，液相重量为液相重量为QL，固相重量为固相重量为Q 。l因此两相的相对因此两相的相对重量百分比为：重量百分比为：abaoxxxxQabobxxxxQL2112122112)(xxQxxQaoobxxxxQQLL或l上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杠杆定律杆定律。即。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。l在杠杆定律中，在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求
22、的两平衡相端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）（或两组织组成物）的成分。的成分。l杠杆定律只适用于两相区杠杆定律只适用于两相区。l例例（如图）（如图）%5 .61%10045. 058. 045. 053. 0 Q%5 .38%10045. 058. 053. 058. 0 LQl铁碳合金铁碳合金碳钢碳钢和和铸铁铸铁，是工业应用，是工业应用最广的合金。最广的合金。l含碳量为含碳量为0.0218% 2.11%的称的称钢钢l含碳量为含碳量为 2.11% 6.69%的称的称铸铁铸铁。l铁和碳可形成一系列稳定化合物：铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC，它们都可以作为纯组元
23、看待。，它们都可以作为纯组元看待。l含碳量大于含碳量大于Fe3C成分（成分（6.69%）时，合金太脆，）时，合金太脆，已无实用价值。已无实用价值。l实际所讨论的铁碳合金相图是实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图相图。FeFe3CFe2C FeCCC%(at%) l碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称 -铁素体铁素体，用，用 表示。表示。 l都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低都是体心立方间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。l铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似性能与纯
24、铁相似。铁素体铁素体l 组元：组元：Fe、 Fe3Cl 相相l 铁素体：铁素体：l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称铁素体铁素体, 用用F 或或 表示。表示。 l 奥氏体奥氏体:l碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。l是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，大，1148时最大为时最大为2.11%。l组织为不规则多面体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。晶粒，晶界较直。强强度低、塑性好度低、塑性好，钢材钢材热加工都在热加工都在 区进行区进行.l碳钢室温组织中无奥碳钢室温组织中无奥氏体。氏体。奥氏体
25、奥氏体l 渗碳体：渗碳体：即即Fe3C, 含碳含碳6.69%, 用用Fe3C或或Cm表示。表示。lFe3C硬度高硬度高、强度低强度低( b 35MPa), 脆性大脆性大, 塑性几乎为零塑性几乎为零lFe3C是一个亚稳相，在一是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反该反应对铸铁有重要意义。应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度中的溶解度很小，因而很小，因而常温下碳在铁常温下碳在铁碳合金中主要以碳合金中主要以Fe3C或或石石墨墨的形式存在的形式存在。 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体l 特征点特征点 LJNG
26、 +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + l 特征线特征线l 液相线液相线ABCD， 固相线固相线AHJECFD l 三条水平线：三条水平线：lHJB：包晶线：包晶线LB+H J lECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3Cl共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械的机械混合物，称作混合物，称作莱氏体莱氏体, 用用Le表示。表示。为蜂窝状为蜂窝状, 以以Fe3C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体lPSK：共析线：共析线 S FP+ Fe3Cl共析转变的产物是共析转变的产物是 与与Fe3C的机械混合物，称的机械混合物，称作作珠光体珠光体，用，用P表示。表示。珠光体珠光体L+L+
27、L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3Cl珠光体的组织特点是珠光体的组织特点是两相呈片层相间分布两相呈片层相间分布,性能介于两相之间。性能介于两相之间。 PSK线又称线又称A1线线 。l 其它相线其它相线lGS,GP 固溶体固溶体转变线转变线, GS又称又称A3 线。线。lHN,JN 固溶体固溶体转变线，转变线，lES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。又称又称Ac m线。线。lPQ碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。l 三个三相区：三个三相区：即即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 l 相区相区l 五个单相
28、区：五个单相区： L、 、 、 、Fe3C l 七个两相区七个两相区: L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C l 钢钢(0.02182.11%C)高温组织为单相高温组织为单相 l 亚共析钢亚共析钢 (0.02180.77%C)l 共析钢共析钢 (0.77%C)l 过共析钢过共析钢 (0.772.11%C)l铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：l 工业纯铁工业纯铁(0.0218% C) 组织为单相铁素体。组织为单相铁素体。亚共析钢亚共析钢共析钢共析钢过共析钢过共析钢共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁过共晶白口铁亚共晶白口铁亚共
29、晶白口铁工业纯铁工业纯铁l 白口铸铁白口铸铁 (2.116.69%C) 铸造性能好铸造性能好, 硬而脆硬而脆l 亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁 (2.114.3%C)l 共晶白口铸铁共晶白口铸铁(4.3%C)l 过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁 (4.36.69%C)l工业纯铁的工业纯铁的结晶过程结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间转变为点间转变为 ，3-4点间点间 ，5-6点间点间 。到到7点，从点，从 中中析出析出Fe3C。NSJBH L+ + + l工业纯铁的结晶过程工业纯铁的结晶过程 随温度下降，随温度下降，Fe3C量不断量不断增加，增加，合金的合金的室温下组织为室温下组织为F+ Fe
30、3C。l室温下室温下Fe3C最大量为最大量为: %3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0III3CFe Ql从铁素体中析出的渗碳体称从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，三次渗碳体，用用Fe3C表示。表示。 Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。以不连续网状或片状分布于晶界。l 共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程 l合金液体在合金液体在1-2点间转变点间转变为为 。到。到S点点发生共析转发生共析转变：变： S P+Fe3C, 全部转变全部转变为为珠光体。珠光体。l共析钢的结晶过程共析钢的结晶过程l珠光体珠光体在光镜下呈指纹状在光镜下呈指纹状.l变结束时，珠光体中相的
31、变结束时，珠光体中相的相对重量百分比为：相对重量百分比为：l珠光体中的渗碳体称珠光体中的渗碳体称共析共析渗碳体渗碳体。lS点以下，共析点以下，共析 中析出中析出Fe3C，与共析，与共析Fe3C结合结合不易分辨。不易分辨。室温组织为室温组织为P.%.%.%Q,%.PKSKQC Fe321188810088802180696770696 珠光体珠光体Ql室温下，珠光体中室温下，珠光体中两两相的相对重量百分比相的相对重量百分比是多少？是多少？%.%.%Q%.QLLQC Fe3511588100588000806967706964 Q43219l 亚共析钢的结晶过程亚共析钢的结晶过程l0.090.53
32、%C亚共析钢亚共析钢冷却时发生包晶反应冷却时发生包晶反应.l以以0.45%C的钢为例的钢为例l合金在合金在4点以前通过匀点以前通过匀晶晶包晶包晶匀晶反应全匀晶反应全部转变为部转变为 。到。到4点，由点，由 中析出中析出 。到。到5点点, 成分沿成分沿GS线变到线变到S点，点， 发生发生共析反应转变为珠光体。温度继续下降，共析反应转变为珠光体。温度继续下降， 中析出中析出Fe3C，由于与共析，由于与共析Fe3C结合结合, 且量少且量少, 忽略不计忽略不计. +Fe3CGSPABJHl利用平衡组织中珠光体所利用平衡组织中珠光体所占的面积百分比，可以近占的面积百分比，可以近似估算亚共析钢的含碳量似估
33、算亚共析钢的含碳量:C%=P面积面积%0.77% (忽略忽略 中含碳量，中含碳量，P面积面积%=QP)共析温度下相的相对重量为：共析温度下相的相对重量为： %PKKQ%,PKPQCFe100510053 组织组成物的相对重量为：组织组成物的相对重量为： %PSSQ%PSPQP10051005 ，Sl室温下相的相对重量室温下相的相对重量百分比为：百分比为：l室温下组织组成物的相对重量百分比为：室温下组织组成物的相对重量百分比为：CFeCFeQ%QLLQ%.CQLQQ33100610000080696000806 PPQ%QS SQ%,.CQSQQ 100610000080770000806 Sl
34、亚共析钢室温下的组织亚共析钢室温下的组织为为F+P。l在在0.02180.77%C 范围范围内内珠光体的量随含碳量珠光体的量随含碳量增加而增加增加而增加。含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C钢的组织钢的组织l 过共析钢的结晶过程过共析钢的结晶过程 l合金在合金在12点转变为点转变为 , 到到3点点, 开始析出开始析出Fe3C。从奥氏从奥氏体中析出的体中析出的Fe3C称称二次渗碳体二次渗碳体, 用用Fe3C表示表示, 其其沿晶沿晶界呈网状分布界呈网状分布.l温度下降温度下降, Fe3C量增加。量增加。到到4点，点， 成分成分沿沿ES线变化到线变化到S点
35、，余下的点，余下的 转变为转变为P。在共析温度下在共析温度下FeFe3 3C C的相对量？的相对量？l过共析钢过共析钢室温组织为室温组织为P+ Fe3C 。lFe3C量随含碳量而增加量随含碳量而增加, 含碳量为含碳量为2.11%时时, Fe3C量最大：量最大：%6 .22%10077. 069. 677. 011. 23 IICFeQ含含1.4%C钢的组织钢的组织l室温下两相的相对室温下两相的相对重量百分比：重量百分比： Q%QLQQ%.C.QLLQCFe 10051000008069669653l室温下两组织组成物室温下两组织组成物的相对重量百分比：的相对重量百分比：12345SPCFePQ
36、%L S SQ%,.C.L SLQ 100510077069669653l 共晶白口铁的结晶过程共晶白口铁的结晶过程 l合金冷却到合金冷却到C点发生共晶反应全部转变为莱氏体点发生共晶反应全部转变为莱氏体(Le),莱氏体是共晶莱氏体是共晶 与共晶与共晶Fe3C的机械混合物的机械混合物, 呈蜂窝状呈蜂窝状.Fe3C l共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为共晶转变结束时，两相的相对重量百分比为:%.Q%.%.QCFe847252100112696346963 ， lC点以下点以下, 成分沿成分沿ES线变化，共晶线变化，共晶 将析出将析出Fe3C。 Fe3C与共晶与共晶Fe3C 结合，不易分辨。结合
37、，不易分辨。12 Fe3Cl温度降到温度降到2点点, 成分达到成分达到0.77%, 此时此时, 相的相对重量相的相对重量: l在在2点点, 共晶共晶 发生共析反应，转变为珠光体，这种发生共析反应，转变为珠光体，这种由由%.Q%.%.QCFe659440100770696346963 ， P与与 Fe3C组成的组成的共晶体称共晶体称低温莱低温莱氏体氏体, 用用Le表示表示. 2 点以下，共晶点以下，共晶体中体中P 的变化同的变化同共析钢。共析钢。Sl共晶白口铁室共晶白口铁室温组织为温组织为Le (P+ Fe3C), 它它保留了共晶转保留了共晶转变产物的形态变产物的形态特征。特征。l室温下两相的室
38、温下两相的相对重量百分相对重量百分比为：比为： %3 .64%7 .35%100%7 .35%1000008. 069. 63 . 469. 63 CFeQQ l 亚共晶白口铁的结晶过程亚共晶白口铁的结晶过程l合金在合金在12点间析出点间析出 。到。到2点，液相成分变到点，液相成分变到C点点,并转变为并转变为Le。23点间从点间从 中析出中析出Fe3C，一次，一次 的的Fe3C被共晶被共晶 衬托出来。到衬托出来。到3点，点， 转变为转变为P。l亚共晶白口铁亚共晶白口铁室温组织室温组织为为P+Fe3C+Le。l室温下组织组成物相对室温下组织组成物相对重量百分比为重量百分比为 ：IIIICFeLe
39、CFeLeLeQQ%Q.ECCQECEQQ3310077069677011222 ECFD1234N室温下相的相对重量百分比室温下相的相对重量百分比?l 过共晶白口铁的结晶过程过共晶白口铁的结晶过程l12点间点间从液相中析出从液相中析出Fe3C, 这种渗碳体这种渗碳体称称一次渗碳一次渗碳体体，用用 Fe3C表示，呈粗条片状。表示，呈粗条片状。到到2点，余下的液点，余下的液相成分变到相成分变到C点并转变为点并转变为Le。DFK3Fe3C124l2点以下点以下, Fe3C成分重量不再成分重量不再发生变化发生变化, Le变化同共晶合金变化同共晶合金,其其室温组织为室温组织为Fe3C+Le。 l组织组
40、成物与相组织组成物与相组成物标注区别组成物标注区别主要在主要在 + Fe3C和和 +Fe3C两个相区两个相区. + Fe3C相区中相区中有有四个组织组成物四个组织组成物区，区， +Fe3C相区相区中中有七个组织组有七个组织组成物区。成物区。l 组织组成物在铁碳合金相图上的标注组织组成物在铁碳合金相图上的标注 + Fe3C + Fe3C FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度l四、
41、碳对铁碳合金组织和性能的影响四、碳对铁碳合金组织和性能的影响l 含碳量对室温平衡组织的影响含碳量对室温平衡组织的影响 l含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为：含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为： 钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口 铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.
42、36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体l 含碳量对力学性能的影响含碳量对力学性能的影响l亚共析钢亚共析钢随含碳量增加，随含碳量增加，P 量增加，量增加，钢的强度、硬度钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。升高，塑性、韧性下降。l0.77%C时，时，组织为组织为100% P, 钢的性能即钢的性能即P的性能。的性能。l0.9%C，Fe3C为晶界为晶界连续网状，连续网状，强度下降强度下降, 但但硬度仍上升。硬度仍上升。l2.11%C，组织中有以组织中有以Fe3C为基的为基的Le,合金太脆合金太脆.l 含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响l 切削性能切削性能: 中碳钢合适中碳钢合适l 可
43、锻性能可锻性能: 低碳钢好低碳钢好l 焊接性能焊接性能: 低碳钢好低碳钢好l 铸造性能铸造性能: 共晶合金好共晶合金好l 热处理性能热处理性能: 第六章介绍第六章介绍铸铸造造焊缝组织焊缝组织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨l1. 为选材提供成分依据l2. 为制订热加工工艺提供依据图 2-40 相图与铸锻工艺的关系l一、硫的影响增大钢的热脆性l二、磷的影响增大钢的冷脆性l三、硅的影响量少起强化作用，量多增大钢的脆性l四、锰的影响量少起强化作用，量多增大钢的脆性l五、氧的影响增大钢的脆性l六、氢的影响增大钢的脆性l在实际生产中，液态金属被在实际生产中，液态金属被浇注
44、到锭模中便得到铸锭，浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则而注入到铸型模具中成型则得到铸件。得到铸件。l铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。着直接的影响。一、镇静钢锭的组织一、镇静钢锭的组织l 表层细晶区：表层细晶区：浇注时，浇注时，由于冷模壁产生很大的过由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等使表面形成一层很细的等轴晶粒区。轴晶粒区。l 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加
45、上使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。方向生长而形成柱状晶区。l中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。l 缩孔：缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩孔是由于液态金
46、属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除.l2、铸造缺陷、铸造缺陷l铸造缺陷的类型铸造缺陷的类型较多，常见的有较多，常见的有缩孔缩孔、气孔、疏气孔、疏松松、偏析偏析、夹渣夹渣、白点白点等，它们对等，它们对性能是有害的性能是有害的.缩孔缩孔l偏析：偏析：合金中各部分化合金中各部分化学成分不均匀的现象称为学成分不均匀的现象称为偏析偏析。铸锭。铸锭(件件)在结晶时在结晶时,由于各部位结晶先后顺序由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元不同，合
47、金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造素偏聚于最终结晶区，造成成宏观上的成分不均匀，宏观上的成分不均匀，称称宏观偏析宏观偏析。适当控制浇。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果l气孔气孔: 气孔气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件件)中的气泡中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸件中的气孔铸件中的气孔孔需要切除。铸件中出现气孔需要切除。铸件中出现气孔
48、则只能报废。孔则只能报废。缩松缩松金属材料在外力作用下发生的一种塑性变形过程。（工业生产上将钢锭锻造、挤压、轧制、拉拔成各种型钢、钢板、钢管或者钢丝等规定尺寸和形状的零件和产品的过程。）压力加工（1）获得规定形状和尺寸的零件和产品（2）改变钢的组织和性能目的材料：工业纯铁状态：压缩变形30%侵蚀：4%硝酸酒精倍数：250X滑滑移移带带滑移带滑移线200nm20nm滑移带：对于适量塑性变形滑移带：对于适量塑性变形的试样，在光学显微镜下观察到的试样，在光学显微镜下观察到的相互平行的线条叫滑移带。的相互平行的线条叫滑移带。滑移线：滑移带是由许多密滑移线：滑移带是由许多密集的相互平行的更细的滑移线和集
49、的相互平行的更细的滑移线和台阶组成的。台阶组成的。滑移是金属最主要的一种塑性滑移是金属最主要的一种塑性变形方式。变形方式。晶体滑移并不是，在切应力作晶体滑移并不是，在切应力作用下，一部分相对于另一部分沿一定用下，一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对的整体移动。晶面和晶向发生相对的整体移动。滑移和孪生滑移和孪生滑移的实质是位错运动滑移的实质是位错运动滑移滑移台阶台阶75变形变形细条状纤维细条状纤维组织组织50变形变形拉长或压拉长或压扁的晶粒扁的晶粒25变形变形滑移线滑移线未变形未变形原始晶粒原始晶粒（1）随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压）随着应变量的增加，晶粒被拉长或者压扁，呈细条状或
50、者纤维状；扁，呈细条状或者纤维状；（2）晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增）晶粒破碎，晶格扭曲，位错密度急剧增加。加。晶粒被拉长或者压扁细条状纤维组织等轴晶粒变形度增加塑性变形过程中材料内部的晶格畸变，晶粒破碎，晶体缺陷特别是位错密度增加，会使晶体的性能发生明显的变化。l强度、硬度增加l塑性、韧性降低力学性能力学性能冷塑性变形导致金属材料的强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象称为加工硬化或形变强化。物理性能物理性能电阻增加抗腐蚀性能降低抗腐蚀性能降低l70冷轧变形后，纯铁及低碳钢的b可提高400500MPa；l80冷变形后，细片状P的wC1.0%高碳钢b可提高11001200MPa；l90冷拔
