1、第一章第一章 材料的分类材料的分类与性能与性能 工程材料:主要是指用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域中的材料，用来制造工程构件和机械零件，也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蚀、耐高温等)的材料。当今世界材料五花八门，分类也不尽相同。按用途分：主要是利用其强度、硬度、塑 性、韧性等力学性能主要利用其声、光、电、磁、热等性能材料结构材料功能材料1.1 工程材料的分类工程材料的分类 按结合键(离子键、共价健、金属键和分子键四种)分：这种分类来介绍材料世家的成员，比较科学，脉络比较清楚。工程材料金属材料功能材料高分子材料复合材料1.1 工程材料的分类工程
2、材料的分类 金属材料主要以金属键结合，为主要的工程材料,在自然界中存在的109种化学元素中有87种是金属，20世纪几乎所有的金属都被研究过，几乎所有有用的金属都在为人类服务，金属材料不愧是人类最紧密、最忠实、最可靠的朋友，是因为金属具有如下突出的优点：所有的金属材料可分为两大家：钢铁和有色金属。目前，世界的钢铁总年产量8亿吨，而有色金属年产量约5000万吨，钢铁产量占金属总量约为94%，因此钢铁仍然是金属材料中的主力军，但是非铁金属由于它们的特殊性能，在工业中仍有不可替代的重要用途。钢铁材料的基础是铁和碳的合金。1、铸铁：含碳量 2.11%；2、碳钢：含碳量2.11%；3、合金钢：有目的的加入
3、各种适量的合金元素如Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、B 等，达到诸如高强度、高硬度、高耐磨性、耐热性及抗腐蚀性能等要求，“工业维生素”之称。除了钢铁等黑色金属外，铝、铜、钛、镁、金、银、铂等80多种金属统称为有色金属。有色金属家族庞大，各有神通。其中有许多成员的比重很小，如镁、锂、铝、钛等；有的成员导热导电性能极好，如铜、银、金等；有的成员化学性质比较稳定，且耐腐蚀，工艺性能好，如金、银、铂等；有的成员不仅化学性质特别稳定，而且高温抗氧化性特好，如金、银、铂等，还有的成员耐高温，如铂、铱、钼、钨等，其中钨的熔点高达3420，这就是为什么人们总是用钨丝作电灯泡灯丝的原因了。所以
4、，有色金属是现代工业和科学技术中不可缺少的材料，在机械、化工、电子、仪表、交通、航天、航海和日常生活中较广泛应用。密度低、比强度、导电性好、加工性好和抗大气腐蚀 现代航空工业的基础 据统计，目前世界各国的飞机总数达数十万架。一架现代化超音速战斗机上，铝合金的重量已占总重量的70以上。据称，英、法联合研制的“协和”式飞机，每架用铝220吨。看来，铝被称为“飞行金属”是当之无愧!镁合金 汽车轻量化的材料 减少油耗 密度低、比强度和比刚度较高。镁合金汽缸盖 镁合金方向盘骨架 比强度高，耐高、低温，耐腐蚀，质轻，无毒，生物相容性好。应用 航空航天 海洋、化工 生物医学 镧、铈、钷、钇、铒等17种元素。
5、“工业味精”的美名 稀土与生命 稀土之光 外部压力：内部压力：高分子材料 陶瓷材料 复合材料 能源、资源和环境 1、对已有金属材料提高质量，挖掘潜力，使其产生最大效益。2、开拓金属材料新的功能，以适应更高的使用要求。（先进的冶炼技术、加工技术、先进的热处理技术等）（如高温合金、超导合金、形状记忆合金、储氢合金、纳米金属、非晶态合金等）神秘的形状记忆合金(a)原始形状(b)拉 直(c)加热后恢复 形状记忆效应简易演示实验 形状记忆合金是能记住自己在某一温度下的外部形状的合金材料，即在一定温度下，形状记忆合金内部的微观结构会发生晶相转变，宏观就表现为自身形状的改变。提起陶瓷，大家并不陌生，我们每天
6、都在与陶瓷 打交道：吃饭的碗，喝水的茶杯，贴墙的瓷砖，建筑水泥，玻璃 陶瓷是我国古代劳动人民的一大发明。陶瓷诞生 的确切年月，已无从考证。从现有的考古材料看，可 以断定陶瓷与中华文明几乎同时诞生。在英文单词 中，“china”一词代表中国，当这个单词的开头字 母用小写字母时，则代表陶瓷器，可见中国人发明了 陶瓷乃是一件举世公认的事实。随着科学技术的发展，陶瓷已不仅仅用于人们的 日常生活和建筑业，而且在许多高新技术领域找到了 用武之地。陶瓷材料以共价键和离子键为主，熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大，分为传统陶瓷、特种陶瓷两大类。传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷
7、，主要用作水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料等建筑材料使用。特种陶瓷又称精细陶瓷，是以精致、高纯的人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。说起高分子材料，普通人也许会觉得莫测高深，其实我们身边到处都是它们的身影。无论是作为食物的蛋白质还是作为织物的棉、毛和蚕丝都是天然高分子材料，就连人体本身，基本上也是由各种生物高分子构成的。我国在开发天然高分子材料方面曾走在世界领先水平。利用竹、棉、麻纤维等高分子材料造纸是我国古代的四大发明之一。另外，利用桐油与大漆等高分子材料作为油漆、涂料制作漆制品也是我国古代的传统技术。高分子材料以分子键和共价键为主，是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子
8、量足够高的有机化合物。塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小；包括塑料、橡胶及合成纤维等。之所以称为高分子，就是因为它的分子量高。常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间，巨大的分子量赋予这类材料以崭新的物理、化学性质：u 可以压延成膜；u 可以纺织成纤维；u 可以挤铸或模压成各种形状的构件；u 可以产生强大的粘结能力；u 可以产生巨大的弹性形变；u 并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提
9、出越来越高、越来越多的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求。复合材料的研究和应用引起了人们的重视。由两种或两种以上不同性质或不同组织构成的，具有比任何单一材料更优越的综合性能的材料称为复合材料。复合材料这个看似陌生的名词，实际上与每个人都息息相关。u人的躯体是由骨骼与肌肉两种性质完全不同的“材料”组成，这可以说就是一种天然的巧夺天工的“复合材料”u 人类很早就会使用粘土和稻草的混合物来造房屋，这种房子比单纯用粘土要经久耐用得多，这是至今可知的最古老的人造建筑复合材料。u 今天最常用的钢筋混凝土，先把钢筋编成骨架，然后浇灌上水泥，凝固后变成非常坚固的工程建筑，这就是较现代化的建筑复合材料。u
10、人们普遍使用的橡胶自行车（汽车、飞机）轮胎、高压水管等都是橡胶与纺织材料（天然纤维、人造纤维或金属丝）的复合材料。材料是人类社会材料是人类社会制造制造有用有用器件的物质。器件的物质。制造：制造：指将原材料变成产品的全过程。指将原材料变成产品的全过程。材料对其所涉及的加工工艺的适应能力材料对其所涉及的加工工艺的适应能力工艺性能工艺性能有用：有用：指材料满足产品使用需要的特性指材料满足产品使用需要的特性 使用性能使用性能力学性能力学性能物理性能物理性能化学性能化学性能锻造性能锻造性能加工性能加工性能焊接性能焊接性能热处理性能热处理性能1.2 材料的使用性能材料的使用性能 力学性能力学性能是指材料在
11、受力作用下所表现出的性能。是指材料在受力作用下所表现出的性能。1.2 材料的使用性能材料的使用性能 力学性能力学性能力学性能的类型力学性能的类型1.按加载方式不同：按加载方式不同：拉伸、压缩、弯曲、扭转与剪切等拉伸、压缩、弯曲、扭转与剪切等2.按载荷变化特性：按载荷变化特性：静载荷力学性能和动载荷力学性能静载荷力学性能和动载荷力学性能一、强度一、强度 材料的强度用拉伸试验测定。材料的强度用拉伸试验测定。(拉伸加载速率较低，拉伸加载速率较低，俗称静拉伸试验俗称静拉伸试验)。金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力 常用的指标有常用的指标有:弹性、强度、塑性、硬度、弹性、强
12、度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。韧性和疲劳强度等。力学性能力学性能力学性能力学性能（a）原始试样）原始试样（b）拉伸后试样）拉伸后试样 圆形拉伸试样圆形拉伸试样 低碳钢的拉伸曲线低碳钢的拉伸曲线 OE弹性变形阶段弹性变形阶段EK弹塑变形阶段弹塑变形阶段K断裂阶段断裂阶段静拉伸试验静拉伸试验比例极限比例极限弹性极限弹性极限屈服点或屈服强度屈服点或屈服强度抗拉强度抗拉强度二、塑性二、塑性 塑性：塑性：是指金属材料在静载荷作用下，产生永久变是指金属材料在静载荷作用下，产生永久变形而不破坏的能力称为塑性。伸长率形而不破坏的能力称为塑性。伸长率和断面收缩率和断面收缩率是是表示材料塑性好坏的指标。表示材
13、料塑性好坏的指标。1.伸长率（伸长率（）伸长率是指在拉伸试验中伸长率是指在拉伸试验中,试样拉断后标距的伸试样拉断后标距的伸长量与原始标距的百分比，即长量与原始标距的百分比，即d=(L1-L0)/L0L1试样拉断后的标距伸长量试样拉断后的标距伸长量 L0试样原始标距试样原始标距 力学性能力学性能2.断面收缩率（断面收缩率（）断面收缩率断面收缩率是指试样拉断后是指试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩缩颈处截面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，即减量与原始横断面积的百分比，即 =(F0-F1)/F0F1试样断裂处的最小横断面积试样断裂处的最小横断面积 F0试样原始横断面积试样原始横断面积 特别提示：
14、特别提示：或越大，表示材料的塑性越好。力学性能力学性能三、硬度三、硬度 硬度硬度是衡量材料软硬程度的指标，是指材料抵抗其是衡量材料软硬程度的指标，是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变他硬物体压入其表面的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。形的能力。常用测量硬度的方法：常用测量硬度的方法：布氏硬度布氏硬度HB、洛氏硬度洛氏硬度HR、维氏硬度维氏硬度HV。力学性能力学性能布氏硬度计布氏硬度计 布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图 四、韧性四、韧性 1.冲击韧性（冲击韧性（k）许多机械零件和工具在工作中许多机械零件和工具在工作中,往往要受到冲击载往往要受到冲击载荷的作用荷
15、的作用,如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等，材料抵抗材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击载荷作用的能力称为冲击韧性冲击韧性 冲击功冲击功A k=m g H m g h(J)冲击韧性值冲击韧性值k就是试样缺口处单位面积上所消耗就是试样缺口处单位面积上所消耗的冲击功。的冲击功。力学性能力学性能指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力指材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力是材料强度和塑性的综合表现是材料强度和塑性的综合表现2.断裂韧性断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材
16、料的屈服强度。脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大但仍不免破坏。究其原因是构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。裂纹在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。在应力作用下可失稳而扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性断裂韧性。式中：式中：Y Y_裂纹的几何形状因子裂纹的几何形状因子;_外加应力（外加应力（N/mm
17、N/mm2 2）；）；当当K K1达到临界值达到临界值K K1C时，零件内裂纹将发生失稳时，零件内裂纹将发生失稳扩展而出现低应力脆性断裂，而扩展而出现低应力脆性断裂，而K K1K K1C时，零件安时，零件安全可靠。全可靠。a_裂纹的半长（裂纹的半长（mm）；）；K1_ 强度因子（强度因子（MPam1/21/2或或MNm-3/2-3/2）K K1C即为断裂韧度即为断裂韧度常见工程材料的断裂韧度常见工程材料的断裂韧度K1C值（值（MNm-3/2）1.2 材料的使用性能材料的使用性能 物理性能物理性能一、密度一、密度单位体积物质的质量称为该物质的密度单位体积物质的质量称为该物质的密度 金属材料金属材
18、料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料复合材料复合材料密密度度降降低低密度小于密度小于5103 kg/m3 的金属的金属称为称为轻金属。轻金属。典型代表典型代表铝铝，比刚度、比强度，比刚度、比强度高，广泛应用于飞机结构件高，广泛应用于飞机结构件比刚度、比强度低，应用受限比刚度、比强度低，应用受限最有前途的新型结构材料最有前途的新型结构材料1.3 材料的工艺性能材料的工艺性能 1.铸造性能铸造性能 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。2.锻造性能锻造性能 金属材料用锻压加工方法
19、成形的适应能力称锻造性金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑。锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。1.3 材料的工艺性能材料的工艺性能 也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。难易程度。金属材料对焊接加工的适应性称金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。焊接性。4.加工性能加工性能 5.热处理性能热处理性能 一般用切削后的表面质量一般用切削后的表面质量(以表面粗以表面粗糙度高低衡量糙度高
20、低衡量)和刀具寿命来表示。和刀具寿命来表示。具有适当的硬度具有适当的硬度(170230 HBS)和足够的脆性时切削性好和足够的脆性时切削性好 热处理热处理改变材料性能的主要手段改变材料性能的主要手段 热处理性能热处理性能材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向第第2 2章章 材料的结构与结晶材料的结构与结晶2.2 晶体结构理论2.3 2.3 晶体缺陷理论晶体缺陷理论2.4 2.4 纯金属结晶纯金属结晶2.5 2.5 合金的结晶与相图合金的结晶与相图2.6 2.6 铁碳合金相图铁碳合金相图 晶体晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈材料中的原子（
21、离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。规则，周期性排列。非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃：蜂蜡、玻璃 等等晶体：晶体：金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等等 非晶体非晶体 原子无规则堆积原子无规则堆积液体液体 晶体与非晶体晶体与非晶体2.2 2.2 晶体结构理论晶体结构理论 晶体与非晶体的根本区别不在外形，晶体与非晶体的根本区别不在外形，关键是关键是内部的原子（或离子、分子）的排列情况。内部的原子（或离子、分子）的排列情况。晶体与非晶体的特点：晶体与非晶体的特点：晶体：晶体：固定的熔点固定的熔点 在不同方向上具有不同的性能（在不同方向上具有不同的性能（各向异性各向异性）非晶体：非晶体：没有
22、固定的熔点没有固定的熔点 各向同性各向同性 晶体学基本概念晶体学基本概念晶体的结构：晶体的结构：晶体中原子（离子或分子）在空间的具体晶体中原子（离子或分子）在空间的具体 排列排列1.晶格晶格金属晶体金属晶体离子晶体离子晶体分子晶体分子晶体根据结合键类型的不同根据结合键类型的不同共价晶体共价晶体原子（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胞晶胞点阵（晶格）模型点阵（晶格）模型晶格晶格通过质点的中心划出许多空间直线形成的空间格架通过质点的中心划出许多空间直线形成的空间格架2.晶胞晶胞能够完全反映晶格特征的最小的几何单元能够完全反映晶格特征的最小的几何单元晶胞晶胞XYZab
23、c晶格常数晶格常数a，b，c 1 1.体心立方结构体心立方结构 2.面心立方面心立方结构结构 3.密排六方密排六方结构结构 金属晶体结构金属晶体结构1.体心立方晶格体心立方晶格金属原子位于立方晶胞的八个角上和立方体的体心金属原子位于立方晶胞的八个角上和立方体的体心如：如：-Fe-Fe、W W、GrGr、Mo Mo 等等1.体心立方晶格体心立方晶格体心立方体心立方晶胞晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c；=90=90 2.2.晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞内的原子数一个晶胞内的原子数3.3.原子半径：原子半径：晶胞中原子最密排的方向上相晶胞中原子最密排的方向上相邻两原子之间平衡距离的一半
24、邻两原子之间平衡距离的一半4.4.致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va/VcVa/Vc，其中其中Vc:Vc:晶胞体积晶胞体积a3a3Va:Va:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r3/3r3/3XYZabc2r2raa2 21.晶格尺寸：晶胞的大小晶格尺寸：晶胞的大小2.面心立方晶格面心立方晶格 -Fe-Fe、CuCu、NiNi、AlAl、AuAu、Ag Ag 等等面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常数：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：0.740.74XYZabc4 43.密排六方晶格密排六方晶格 C C（石墨
25、）、石墨）、MgMg、Zn Zn 等等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：0 0.74.742.3 2.3 晶体缺陷理论晶体缺陷理论实际金属晶体结构与理想结构的偏离实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。的晶体（理想晶体）。如单晶如单晶SiSi半导体。半导体。多晶体多晶体：由许多位向不同的：由许多位向不同的晶粒晶粒构成的晶体。构成的晶体。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体
26、）晶体缺陷类型晶体缺陷类型（1 1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子（2 2）线缺陷：位错）线缺陷：位错（3 3）面缺陷：晶界与亚晶界）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷晶体缺陷 在实际金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样在实际金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，不可避免的或多或少的存在一些原子偏离规则规则和完整，不可避免的或多或少的存在一些原子偏离规则排列的区域排列的区域1.1.点缺陷点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为异类原子异类原子（杂质原子）（杂质原子）空位空位 间隙原子间隙原子2.2.线缺陷线缺陷刃型位错与
27、螺旋位错刃型位错与螺旋位错刃型位错刃型位错 刃型位错刃型位错 螺旋位错螺旋位错3.3.面缺陷面缺陷晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）晶界晶界亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。强度和塑性越高。晶体晶体液体液体结晶结晶结晶：结晶：液体液体-晶体晶体凝固：凝固：液体液体-固体（晶体或非晶体）固体（晶体或非晶体）液态液态固态固态气态气态长程无序长程无序短程有序短程有序一、纯金属的结晶条件一、纯金属的结晶条件二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程三、晶粒大小及控制三、晶粒大小及控制四、同素异构转变四、同素异构转变2.4
28、 纯金属的结晶纯金属的结晶一、纯金属的结晶条件一、纯金属的结晶条件热分析法：热分析法：把纯金属置于坩锅内加热成均匀熔体，而后使把纯金属置于坩锅内加热成均匀熔体，而后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定温度变化，直至结晶完毕后冷却到室温。定温度变化，直至结晶完毕后冷却到室温。冷却曲线冷却曲线tTTmTn T过冷度过冷度T=T0 -Tn平衡结晶温度平衡结晶温度实际结晶温度实际结晶温度 T越大越大Tn越越低低过冷度的大小与金属的本性和纯度的不同过冷度的大小与金属的本性和纯度的不同以及冷却速度有关以及冷却速度有关2.2.冷却速度愈大，过冷度冷却速度愈大，
29、过冷度TT愈大。愈大。1.1.同一种金属，纯度越高，过冷度同一种金属，纯度越高，过冷度TT愈大。愈大。注意：注意：若极其缓慢的进行冷却，过冷度若极其缓慢的进行冷却，过冷度TT几几 乎接近于零，但是不管冷却速度有多乎接近于零，但是不管冷却速度有多 慢，都无法在理论结晶温度进行结晶。慢，都无法在理论结晶温度进行结晶。实际金属总是在过冷条件下结晶，实际金属总是在过冷条件下结晶，由热力学条件决定由热力学条件决定自然界的一切自发转变过程，总是由一种能量较高的状态自然界的一切自发转变过程，总是由一种能量较高的状态趋向于能量较低的状态，能量最低的状态最稳定。趋向于能量较低的状态，能量最低的状态最稳定。固、液
30、处固、液处于动平衡于动平衡高于高于Tm，液态比固态自由，液态比固态自由能低，金属处于液态更稳定能低，金属处于液态更稳定低于低于Tm，金属处于固态更稳定，金属处于固态更稳定二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程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液体液体尺寸大的原子集尺寸大的原子集团变得稳定，成团变得稳定，成为结晶核心为结晶核心晶核按各自方向晶核按各自方向吸收液体中的金吸收液体中的金属原子而变大属原子而变大1.1.形核过程形核过程两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核自发形核自发形核由液体金属内部原子聚
31、集尺寸超过临界晶核尺寸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。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。2.2.晶核长大过程晶核长大过程两种长大方式两种长大方式 平面生长平面生长 与与 树枝状生长。树枝状生长。平面生长平面生长树枝状树枝状生长生长三、细化金属晶粒的措施三、细化金属晶粒的措施晶粒度晶粒度 表示晶粒大小，分表示晶粒大小，分8级（级（p111)。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
32、化固溶强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性（1 1）提高过冷度）提高过冷度形核率形核率N、长大速度长大速度G 与与 过冷度过冷度T 的关系的关系TG，NGN细化晶粒的措施细化晶粒的措施（2 2）变质处理）变质处理在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂(孕育剂孕育剂)，以细化晶粒和，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。改善组织的工艺措施。变质剂的作用变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。粒长大。（3 3）振动结晶）振动结晶振动的作用振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。细化。机械振动、超声振动
33、，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。四、同素异构转变四、同素异构转变 金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C C912 C C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C C纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线Tt15381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，fcc770铁磁性一、合金相结构一、合金相结构二、二元合金相图二、二元合金相图2.5 合金的结晶与相图合金的结晶与相图1匀晶相图匀晶相图2共晶相图共晶相图3共析相图共析相图
34、一、合金相结构一、合金相结构1.合金的基本概念合金的基本概念v合金合金 通过通过熔炼，烧结熔炼，烧结或其它方法，将或其它方法，将一种金属元素同一一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起种或几种其它元素结合在一起所形成的具有所形成的具有金属金属特性特性的新物质，称为合金。的新物质，称为合金。v组元组元 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。v相相在金属或合金中，凡在金属或合金中，凡成分相同、聚集状成分相同、聚集状态相同、结构相同并与其它部分有界态相同、结构相同并与其它部分有界面分开面分开的均匀组成部分，称之为相。的均匀组成部分，称之为相。v组织组织 在
35、金属和合金中，在显微镜下能观察到在金属和合金中，在显微镜下能观察到的的微观形貌、图象微观形貌、图象称为组织，它是由称为组织，它是由单相物质或多相物质组合单相物质或多相物质组合成的，具有成的，具有一定形态特征的一定形态特征的聚合体聚合体。v固溶体固溶体 2.合金中的相结构合金中的相结构溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的形成的固溶体，即间隙固溶体，固溶体，即间隙固溶体，间隙固溶体仍保持着溶间隙固溶体仍保持着溶剂金属的晶格类型。剂金属的晶格类型。置换固溶体置换固溶体 溶质原子代替
36、溶剂晶格结点上的一部分原溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子子而组成的固溶体称置换固溶体。而组成的固溶体称置换固溶体。按溶质原子在金属溶按溶质原子在金属溶剂晶格中的位置分类剂晶格中的位置分类两种类型的固溶体两种类型的固溶体 置换固溶体置换固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 2.合金中的相结构合金中的相结构无限固溶体无限固溶体 当两组元在固态无限溶解时，所形成的固当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体溶体有限固溶体有限固溶体 当两组元在固态部分溶解时，所形成的固当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体溶体按溶质原子在金属溶剂中的溶解度分类：按溶质原子在金属溶剂中的溶解度分类：固溶体的性能固溶体的性
37、能无论置换固溶体，还是间隙固溶体无论置换固溶体，还是间隙固溶体，由于溶质原子的存在都会使，由于溶质原子的存在都会使晶格发生晶格发生畸变畸变，使其性能不同于原纯金属。，使其性能不同于原纯金属。当溶质元素的含量极少时，固溶体当溶质元素的含量极少时，固溶体的性能与溶剂金属基本相同。随的性能与溶剂金属基本相同。随溶质含溶质含量的升高量的升高，固溶体的性能将发生明显改，固溶体的性能将发生明显改变，其一般情况下，变，其一般情况下，强度、硬度逐渐升强度、硬度逐渐升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，导电性逐渐下降等。高，导电性逐渐下降等。固溶强化：由于外来原子（溶质原子）
38、溶入基体中固溶强化：由于外来原子（溶质原子）溶入基体中形成固溶体而使其强度、硬度升高的现象。形成固溶体而使其强度、硬度升高的现象。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v金属化合物金属化合物若若新相的晶格结构不同于任一组成新相的晶格结构不同于任一组成元素元素，则新相是组成元素间相互作用而生，则新相是组成元素间相互作用而生成的一种具有成的一种具有金属特性金属特性的新物质，称金属的新物质，称金属化合物，如碳钢中的化合物，如碳钢中的Fe3C，黄铜中的，黄铜中的相相（CuZn）。）。金属化合物一般具有金属化合物一般具有复杂的晶格结构复杂的晶格结构，熔点高，硬
39、而脆，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属化。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。耐磨性。二、二元合金相图二、二元合金相图1.相图的意义及相关概念相图的意义及相关概念v 1.合金系合金系由由两个或两个以上组元两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。不同成分的合金，称为合金系。v 2.相图相图用来表示用来表示合金系中各个合金的结晶过程合金系中各个合金的结晶过程的简明图解的简明图解称为相图，又称称为相图，又称状态图或平衡图状态图或平衡图。相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获相图上
40、所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是得的，都是接近平衡状态的组织接近平衡状态的组织。2.二元合金状态图的建立二元合金状态图的建立热分析法测定合金状态图热分析法测定合金状态图：以以Cu-Ni合金相图测定为合金相图测定为例例(1)配制不同成分的合金试样，如配制不同成分的合金试样，如纯铜；纯铜；75%Cu+25%Ni；50%Cu+50%Ni；合金；合金25%Cu+75%Ni；：纯：纯Ni。(2)测定各组试样合金的测定各组试样合金的冷却曲线冷却曲线并确定其并确定其相变临界点相变临界点；(4)将图中将图中具有相同含义的临界点具有相同含义的临界点连接起来，即得到连接起来，即得到Cu-Ni合金相
41、图。合金相图。(3)将各临界点绘在将各临界点绘在温度温度合金成分坐标图合金成分坐标图上；上；3.3.匀晶相图匀晶相图 两组元在两组元在液态和固态下均无限互溶液态和固态下均无限互溶时所构成的相时所构成的相图称二元匀晶相图。以图称二元匀晶相图。以Cu-Ni合金合金为例进行分析。为例进行分析。l相相图由两条线构成，图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。上面是液相线，下面是固相线。l相图被两条线分为三个相区，相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区液相线以上为液相区L，固相线以下为，固相线以下为 固溶体区，两条线之间为两相共固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（存的两相区（L+）。）。铜铜
42、-镍合金匀晶相图镍合金匀晶相图CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+纯铜熔纯铜熔点点纯镍熔点纯镍熔点液相线液相线固相线固相线液相区液相区固相区固相区液固两相区液固两相区 结晶时由液相结晶出单相的固溶结晶时由液相结晶出单相的固溶体的结晶过程，称为匀晶转变体的结晶过程，称为匀晶转变匀晶转变的特点：匀晶转变的特点：1.结晶过程也包括形核和晶核长大两个过程。结晶过程也包括形核和晶核长大两个过程。2.匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，匀晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的熔点，而是在液、固相线划定的温区内进行结晶。而是
43、在液、固相线划定的温区内进行结晶。匀晶合金的结晶过程匀晶合金的结晶过程abcdT,CtL L L匀晶转变匀晶转变 L 冷却曲线冷却曲线CuNiNi%T,C2040608010010001100120013001400150010831455L L+4.4.共晶相图共晶相图PbSnSn%T,C铅铅-锡合金共晶相图锡合金共晶相图液相线液相线L固相线固相线 +L+L+固溶线固溶线 固溶线固溶线两组元在液态无限互溶、固态有限互溶，并发生共晶两组元在液态无限互溶、固态有限互溶，并发生共晶转变形成共晶组织的二元系相图转变形成共晶组织的二元系相图共晶转变分析共晶转变分析PbSnT,CL +L+L+共晶反应线
44、共晶反应线表示从表示从c点到点到e点点范围的合金，在范围的合金，在该温度上都要发该温度上都要发生不同程度上的生不同程度上的共晶反应。共晶反应。ce共晶点共晶点表示表示d点成分的合点成分的合金冷却到此温度金冷却到此温度上发生完全的共上发生完全的共晶转变。晶转变。dLd c+e共晶反应要点共晶反应要点PbSnT,CL +L+L+183ced 共晶转变在恒温下进行。共晶转变在恒温下进行。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。成分
45、在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。X1合金结晶过程分析合金结晶过程分析cefgX1T,CtL L LL+冷却曲线冷却曲线 +1234PbSnT,CL +L+L+183cedX1合金结晶特点合金结晶特点T,CtL L LL+冷却曲线冷却曲线 +1.没有共晶反应过程，没有共晶反应过程，而是经过匀晶反应而是经过匀晶反应形成单相形成单相 固相。固相。2.要经过脱溶反要经过脱溶反应，室温应，室温 组织组组织组成物为成物为 +组织组成物组织组成物组织中，由一定的相构成的，具有一定形态特征的组成部分。X2合金结晶过程分析合金结晶过程分析（共晶合金共晶合金）X2T,CtL(+)L(+)LL(+)共晶体共晶体
46、冷却曲线冷却曲线(+)PbSnT,CL +L+L+183cedX3合金结晶过程分析合金结晶过程分析（亚共晶合金）（亚共晶合金）X3T,CtLL+(+)+12(+)+PbSnT,CL +L+L+183cedL+(+)+标注了组织组成物的相图标注了组织组成物的相图5.共析相图共析相图共析转变共析转变：(+)共析体共析体ABT,C +cedL+L2.6 2.6 铁铁 碳碳 合合 金相图金相图v1 1 纯铁和铁碳合金中的相纯铁和铁碳合金中的相v2 2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析v3 3 铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用铁碳合金成分、组织与性能的关系及应用 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线Tt15
47、381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，fcc770铁磁铁磁性性v1 1 纯铁和铁碳合金中的相纯铁和铁碳合金中的相一、纯一、纯铁及其同素异构转变铁及其同素异构转变工业纯铁含杂质：工业纯铁含杂质：0.10.10.20.2碳含量很低，碳含量很低，硬度和强度很低，硬度和强度很低，工程上应用很少。工程上应用很少。常用铁碳合金常用铁碳合金 碳在碳在 中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体，面心立方晶格面心立方晶格。用用A或或 表示。溶碳能力比铁素体大，表示。溶碳能力比铁素体大，1148时最大时最大为为2.11%。强度低、塑性好。强度低、塑性好。碳在碳在 中形成的间隙固溶体中形成的间隙固溶体，
48、体心立方晶体心立方晶格格。用用F 或或 表示。铁素体的溶碳能力很低表示。铁素体的溶碳能力很低,在在727时最时最大为大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。性能与纯铁相性能与纯铁相似似。FeFe二、铁碳合金的相结构二、铁碳合金的相结构1.铁素体铁素体2.奥氏体奥氏体3.渗碳体渗碳体 渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有渗碳体是铁和碳相互作用形成的具有复杂晶格的间复杂晶格的间隙化合物隙化合物，分子式，分子式Fe3C。含碳含碳6.69%，Fe3C硬度高、硬度高、强度低、脆性大，强度低、脆性大，塑性几乎为零。塑性几乎为零。一、相图分析一、相图分析v2 2 铁碳合金相图分析铁碳合金相图分
49、析n1.相图上重要的点、相图上重要的点、线、区线、区液相线液相线ABCD固相线固相线AHJECFD五个单相区：五个单相区：L液相区液相区 高温铁素体相高温铁素体相区区 奥氏体相区奥氏体相区 铁素体相区铁素体相区Fe3C渗碳体相渗碳体相区区七个两相区七个两相区:L+、L+、L+Fe3C、+、+Fe3C、+、+Fe3C（1）HJB：包晶线转变：包晶线转变线线 LB+H J n2.三个重要恒温转变三个重要恒温转变三条重要的水平线：三条重要的水平线：HJB线、线、ECF线、线、PSK线线共晶产物是共晶产物是 与与Fe3C的机械混合物，称作的机械混合物，称作莱氏体莱氏体，用用Le表示。表示。为蜂窝状，为
50、蜂窝状，以以Fe3C为为基，性能硬而脆。基，性能硬而脆。（2）ECF：共晶转：共晶转变线变线 LC E+Fe3C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，称作的机械混合物，称作珠光体，用珠光体，用P表示。表示。珠光体的组织特点珠光体的组织特点是两相呈是两相呈片层相间片层相间分布分布,起强化作用，起强化作用，强度和硬度高，但强度和硬度高，但塑性差。塑性差。（3）PSK：共析转变线：共析转变线 S FP+Fe3Cn3.三条重要的特征线三条重要的特征线ES碳在碳在 -Fe中的溶中的溶解度曲线（固溶线）。解度曲线（固溶线）。又称又称Ac m线线PQ碳在碳在-Fe中的固溶线。中的固溶线
