1、第第 页页第第 页页第第 页页第第 页页第一章第一章 工程材料工程材料 材料是现代文明的三大支柱（材料、能源和信息）之一,是发展国民经济特别是机械工业的重要物质基础;是生产活动的基本投入。材料的利用标志着人类生活的进展，历史上有“石器时代”、“青铜器时代”和“铁器时代”。当前，材料总数有50万余种之多，而且新材料每年以5%左右的速度递增。材料的质量、品种和数量已成为衡量一个国家科技、经济水平和国防力量的重要标志之一。11.1 1.1 概概 述述第第 页页第第 页页以汽车工业为例：一辆轿车，需用800多种材料，动画1是轿动画1 轿车车身部分的材料2车车身部分所采用的材料。第第 页页第第 页页 工
2、程材料按其化学组成可分为：金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料。工程材料按其使用性能可分为：结构材料和功能材料两种。(1)结构材料。主要强调强度、硬度、塑性、韧性等力学性能，用来制造机器零件和工程构件的材料。(2)功能材料。是指具有特殊的电、磁、光、热、声、力、化学性能和理化效应新材料。用于对信息和能量的感受、计测、传导、显示、发射转换和变换的目的，是现代技术发展的物质基础。工程材料的划分3第第 页页第第 页页 人类早在6000年以前就掌握了金属冶炼。公元前4000年，古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含镍7.5%的陨石铁做
3、成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月，只是到了蒸汽机的发明以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪到18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础。1.1.1 1.1.1 金属材料的发展金属材料的发展4第第 页页第第 页页 19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。从1949年到2004年，全世界的钢产量由1.58亿吨增加到10.56亿吨。而我国2004年钢产量达到2.725亿吨，居全球钢产量首位。在钢铁材料发展的同时，有色金属也得到发展。
4、人类自1866年发明电解铝生产工艺以来，铝已成为用量仅次于钢铁的金属。1910年纯钛的制取，满足了航空工业发展的需求。钢铁材料的发展5第第 页页第第 页页1.1.2 1.1.2 非金属材料及复合材料的发展非金属材料及复合材料的发展 非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久。进入到20世纪后，更是取得了重大的进展。人工合成高分子材料从20世纪20年代至今,发展最快、产量之大、应用之广可与钢铁材料相比。20世纪60年代到70年代，有机合成材料生产量每年以14%的速度增长，而金属材料年生产增长率仅4%。1986年世界高分子材料年产量为9840万吨，其中5850万吨为塑料，合成橡胶为540万吨，合
5、成纤维1140万吨。20世纪90年代，塑料产量已逾亿吨。2002年我国塑料产量达到2200万吨，出口；量达到1228万吨。6第第 页页第第 页页陶瓷材料近几十年的发展也十分引人注目。陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技术领域已成为耐高温、耐腐蚀的结构材料和多种功能材料的主要用材。随着航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求。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。玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用。7第第 页页第第 页页 随着社会的发展和科学技术的进步，新材料
6、的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类改造自然的能力提高到一个新的水平。1.1.3 1.1.3 新材料的发展趋势新材料的发展趋势动画2 材料比强度的进展 工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。动画2为材料比强度（强度与密度之比）随时间的进展，由图可知当代先进材料强度比早期材料增长50倍。8第第 页页第第 页页新材料主要在以下几方面获得发展：9 (1)先进复合材料。由基体材料（高分子材料、金属或陶瓷）和增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异性能的新型材料。(2)光电子信息材料。包括量子材料、生物
7、光电子材料、非线性光电子材料等。(3)低维材料。指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。(4)新型金属材料。如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、Al-Li合金金属间化合物等。(5)纳米材料。又称超微细材料，指至少在一维方向上受纳米尺度（0.1100nm）调制的各种固体超细材料。第第 页页第第 页页1.2 1.2 金属材料简介金属材料简介1.2.11.2.1金属材料的种类金属材料的种类 传统金属材料是能源、通信、交通运输、建筑、家用电器等行业中最基本的构成物质。金属材料是工程材料中广泛应用的大类。金属材料可分为黑色金属和有色金属两类。除了黑色金属以外的
8、其他金属材料统称为有色金属，如铜、铝及其合金、轴承合金、硬质合金等。常用的黑色金属材料分为碳钢和铸铁两大类。10第第 页页第第 页页1.碳 钢 碳钢按质量分可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢等。按化学成分分可分为：(1)低碳钢（wC0.25%）。(2)中碳钢（wC0.25%0.6%）。(3)高碳钢（wC0.6%）。(4)合金钢（低合金钢、中合金钢、高合金钢）等。按用途分可分为结构钢（工程结构钢、机器零件用钢等）、工具钢（制造刃具、模具、量具等）、特殊性能钢（如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等）。11第第 页页第第 页页2.铸 铁 铸铁可分为一般工程应用铸铁和特殊性能铸铁。在一般工程
9、应用铸铁中，碳主要以石墨存在。按照石墨形貌的不同，这类铸铁又可分为灰口铸铁（碳以粗片状石墨形式出现）、可锻铸铁（碳以团絮状石墨形式出现）、球墨铸铁（碳以球状石墨形式出现）和蠕墨铸铁（碳以蠕虫状石墨形式出现）。特殊性能铸铁既有含石墨的和不含石墨的（白口铸铁铁碳合金中的碳以Fe3C形式出现）。这类铸铁的合金元素含量较高（wMe3%），可应用于高温、有腐蚀或磨料磨损的工况条件。（如耐磨铸铁代号KmTB、冷硬铸铁代号LT、耐热铸铁代号RT、耐蚀铸铁代号ST等。）12第第 页页第第 页页 表1 常用的黑色金属材料 13名名称称分类分类/标准号标准号编编 号号 方方 法法用用 途途举举 例例说说 明明碳碳
10、钢钢碳素结构钢GB/T700-1988Q235-A F屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢 一般以型材供应的工程结构件，制造不太重要的机械零件及焊接件优质碳素结构钢GB/T699-1999 45表示平均wC=0.45%的优质碳素结构钢 用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件碳素工具钢GB/T1298-1986T8T8A表示平均wC=0.8%的碳素工具钢，A表示高级优质 制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等一般工程铸造碳钢GB/T5613-1995ZG200-400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢 适用于铸造成形的钢质零件，（ZG20
11、0-400为低碳铸钢，ZG310-570为中碳铸钢，ZG340-640为高碳铸钢）第第 页页第第 页页续表14名名称称分类分类/标准号标准号编编 号号 方方 法法用用 途途举举 例例说说 明明合合金金钢钢合金结构钢GB/T699-199940Cr 表示平均wC为万分之40，主加元素为Cr。40Cr为调质钢，用于承受弯曲、扭转、拉压、冲击等复杂应力的重要件，如传动轴、曲轴等高合金刃具钢GB/T9943-1988 W18Cr4V wC=0.70%1.65%，wW=17.5%18.5%，wCr=3.8%4.4%，wV=1.00%1.40%用于淬透性好、红硬性高，截面尺寸不大的刃具 灰灰铸铸铁铁灰口铸
12、铁GB/T9439-1988HT200表示试样直径为30mm，平均抗拉强度200MPa的灰口铸铁承受较大载荷和较重要的零件，如汽缸、齿轮、底座、飞轮、床身等可锻铸铁GB/T9440-1988KTZ450-06平 均 抗 拉 强 度 不 小 于450MPa,伸长率不小于6%的珠光体可锻铸铁 制造负荷较高的耐磨损零件，如曲轴、连杆、齿轮、凸轮轴等薄壁小铸件球墨铸铁GB/T1348-1988QT450-10表示抗拉强度大于450MPa,伸长率10%的球墨铸铁承受冲击振动的零件如曲轴、蜗杆等第第 页页第第 页页续表名名称称分分 类类编编 号号 方方 法法用用 途途举举 例例说说 明明灰灰铸铸铁铁蠕墨铸
13、铁GB/T5612-1985RuT340表示平均抗拉强度大于450MPa的蠕墨铸铁 制造大截面复杂铸件，主要用来代替高强度灰口铸铁、合金铸铁特特殊殊性性能能铸铸铁铁抗磨铸铁GB/T8263-1999KmTBMn5W3中锰球墨铸铁，具有一定的强度和韧性，耐磨料磨损 可制造承受干摩擦及为磨料磨损条件下工作的零件，在矿山、冶金、电力、建材和机械制造等行业有广泛的应用耐热铸铁 GB/T9437-1988RQTSi4Mo 在铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，使铸铁在高温下表面形成一层致密的氧化膜，保护内层不被继续氧化 可制造在高温工况下工作的零件 耐蚀铸铁 GB/T8491-1987STSi11Cu2C
14、rR 合金元素的作用是提高铸铁基体组织的电位，使铸铁表面形成一层致密的保护膜 可制造在腐蚀工况下工作的零件,广泛用于化工等行业15第第 页页第第 页页1.2.2 1.2.2 金属材料的性能金属材料的性能 固体材料主要性能力学性能物理性能化学性能工艺性能 力学性能即材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种载荷如动画3所示。16第第 页页第第 页页动画3 常见的各种外载荷17第第 页页第第 页页1.强 度 18 强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前单位面积上所能承受的最大应力即应力，以低碳钢拉伸试验为例：=F/S0 (单位：
15、N/m2)式中:F作用力（N）；S0试样原始截面积（m2）。强度包括弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指屈服强度和抗拉强度。第第 页页第第 页页 ：应力 ：应变P：比例极限e：弹性极限s：屈服极限b：强度极限 E ：材料弹性模量（E=/）1 1）强度指标）强度指标 材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。动画4为低碳钢的应力应变图。19动画4 低碳钢的应力应变图第第 页页第第 页页 (1)弹性变形，即当产生变形的外力撤除后，变形随即消失。(2)弹性模量E 指引起单位弹性变形所需要的应力。工程上把弹性
16、模量E称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力。弹性模量E主要取决于材料的化学成分，而合金化、热处理、冷热加工对它的影响很小。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。2 2）弹性和弹性模量）弹性和弹性模量 20第第 页页第第 页页 大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB228-87要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2%时的应力，02.02.0SF3）条件屈服强度）条件屈服强度21为F0.2，它与面积之比，记为p0.2，作为屈服强度指标,称为条件屈服强度，也可用0.2表示(见动画5)。动画5 条件屈服强度第第 页页第第 页页 载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留
17、一部分残余变形。产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率和断面收缩率表示。10000lll10000SSS2.塑 性 金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并使零件在使用中偶然过载时，产生一定的塑性变形，而不致于突然断裂，提高零件使用的可靠性。22 第第 页页第第 页页3.硬 度 硬度是表征金属材料软硬程度的一种性能。硬度试验方法：以压入法最为普遍，它是表示材料抵抗更硬物体压入其内的能力。常见的硬度表示方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度三种。(1)布氏硬度。压痕单位面积上的试验力。测量如视频1和动画6所示。布氏硬度表示方法示例：120HBS10/1000/30；450HB
18、W5/1500。教学视频1 布氏硬度的测量(点击画面启动视频点击画面启动视频)23第第 页页第第 页页动画7 洛氏硬度测量 (2)洛氏硬度。以主试验力下产生的塑性变形压痕深度来度量。压头常用金刚石圆锥或钢球，如动画7，视频2所示。24动画6 布氏硬度测量第第 页页第第 页页 68HRA；84HRB；60HRC。HRA测定硬质合金、表面淬火层。HRB测定有色金属、退火钢、正火钢。HRC测定淬火钢、调质钢。洛氏硬度表示方法示例：教学视频2 洛氏硬度测量25第第 页页第第 页页 动画8是维氏硬度测定方法的示意。维氏硬度可采用统一的硬度指标，可以测量很软到很硬的材料的硬度，但测量麻烦。维氏硬度表示方法
19、示例：600HV30/20。(3)维氏硬度。以压痕单位面积上的试验力来度量。26动画8 维氏硬度测定第第 页页第第 页页4.冲击韧度 将带有缺口的标准冲击试样，安放在冲击试验机的支座上,把重量为G的摆锤从一定高度H 落下，将试样冲断，之后摆锤仍继续摆动升至高度h，设：AkG（Hh）。冲击韧度值：k=Ak/S(J/cm2)。式中S 为试样缺口处的截面积(cm2)。27动画9 冲击试验 冲击韧度是评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标，通常采用一次摆锤冲击弯曲试验进行测定，如动画9所示。第第 页页第第 页页5.疲劳强度 许多机械零件如弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，即交变应力低于屈服强度，但
20、在若干次循环后还会发生断裂。图1为轴的疲劳试验示意。图1 轴的疲劳试验28第第 页页第第 页页 实验证明，金属材料能承受的交变应力与断裂前应力循环次数 N 有如动画10所示的规律。由图可知，当低于某一值时，曲线与横坐标平行，表示材料可经无限次循环而不断裂，这一应力称疲劳强度或疲劳极限。用1表示光滑试样对称弯曲疲劳强度。一般钢的循环次数为107，有色金属为108。疲劳强度（续）29动画10 疲劳强度曲线 第第 页页第第 页页 (1)应力水平低,往往远低于屈服极限S。(2)断裂前无明显形变。2 2）疲劳极限疲劳极限r 对称弯曲循环疲劳极限用-1表示。(1)疲劳曲线(N)有明显的水平线段，则水平线段
21、对应的应力为-1。(2)疲劳曲线没有明显的水平线段，则在规定的疲劳寿命内不存在疲劳破坏所对应的最大应力。1 1）疲劳破坏的主要特点疲劳破坏的主要特点30第第 页页第第 页页6.断裂韧度 在生产实践中，一些大型、重型或高强度材料零件或构件的突然断裂事故，如大型铁桥、万吨轮船、飞机机翼突然断裂和高压容器爆炸等。这种在材料所承受的应力低于许用应力的情况下，发生的无明显塑性变形的脆性断裂，称为低应力脆断。研究表明，低应力脆断总是由材料中宏观裂纹的扩展引起的。这种裂纹可能是气孔、缩松、夹杂物等冶金缺陷，也可能是在加工和使用过程中形成，因而是难以避免的。材料在外力作用下，其中裂纹长度达到某一临界尺寸时，会
22、发生失稳扩展，导致构件断裂。断裂韧度便是指材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗低应力脆断的能力。31第第 页页第第 页页 如动画11所示，材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力的作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，产生严重的应力集中，形成裂纹尖端应力集中场。动画11 低应力脆断示意图32第第 页页第第 页页7.高温下的力学性能 材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。许多机械零件在高温下工作，所以在室温下测定的性能指标不能代表其在高温下的性能。一般来说，随着温度的升高，弹性模量E、屈服极限S、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。蠕变是指金属在高温长
23、时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象。33第第 页页第第 页页 在9.11恐怖事件中，美国纽约世界贸易中心大楼完全倒塌(见视频3)。恐怖分子劫持的客机撞击大楼中上部，为何会造成整栋大楼完全倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？这里可能部分牵涉到材料在高温下的力学性能问题。教学视频3 世界贸易中心大楼倒塌 纽约世贸大楼曾是世界第一高楼，它高411m，单个塔楼的重量约5104t。撞击大楼的波音757飞机起飞重量104t，波音767飞机起飞重量156t。它们的飞行速度大约是每小时1000km。从速度比这小得
24、多的汽车相撞事故，可以想象大型客机撞击大楼的冲击力有多么的巨大。世贸大楼倒塌34第第 页页第第 页页教学视频4 倒塌原因分析 这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35t燃油，波音767飞机可载51t燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它的满满一油箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，并燃起了熊熊大火。但据幸存者描述，飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1m，但整幢大楼无论是内部还是外部并没有严重塌落，这是大量楼内工作人员得以逃生的关键（见视频4）。35第第 页页第第 页页 长时间猛烈的大火烧软
25、了飞机所撞击的那几个楼层的钢材，数千吨到上万吨重的上部楼层自然就会落下来，像一个巨大的铁锤，砸向下面的楼层，对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时重力，下面的楼层结构自然难以承受，于是一层层垂直地垮塌下来。北京时间9月11日晚20点45分另一架撞击世贸大楼北部塔楼接近顶部的位置。因其所载燃油较少，加上撞击位置较高，上层压力较小，所以直到北京时间9月11日晚22点28分，即大火燃烧了1小时43分后，世贸大楼北部塔楼才倒塌。北京时间9月11日晚21点03分撞击世贸大楼的南部塔楼。因其所载燃油量大，加上撞击位置较低，上层压力很大，所以北京时间9月11日晚22点05分，大火燃烧了1小时02分后，
26、南部塔楼反而率先倒塌。撞击世贸大楼的受力分析36第第 页页第第 页页1.3 1.3 晶体的结构晶体的结构1.3.11.3.1晶体与非晶体晶体与非晶体 固体可分为晶体和非晶体两类。晶体中原子按一定规则排列。最普通的非晶体是玻璃，它的原子排列较不规则。非晶体的结构比晶体结构更难确定。1.晶体的空间点阵和晶系 如果把所有具有相同环境的原子或原子群作为一个质点，则晶体结构可以抽象为这些质点在空间上的、周期性规则排列的空间点阵。37第第 页页第第 页页2.晶格、晶胞和晶格常数动画12 晶体中原子排列示意图 在空间点阵中取一单位体积（通常为平行六面体）作为点阵的最小组成单元，称为晶胞。晶胞的大小和形状以晶
27、胞的棱边长a、b、c 和棱边之间的夹角、来表示(见动画12)。38第第 页页第第 页页 根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵，如图2所示。常见的三种晶格类型：体心立方晶格；面心立方晶格；密排六方晶格。3.常见的晶格类型39图2 布喇菲空间点阵第第 页页第第 页页 （1）体心立方晶格结构(见动画13)。40动画13 体心立方晶胞第第 页页第第 页页 （2）面心立方晶格结构(见动画14)。41动画14 面心立方晶胞第第 页页第第 页页 （3）密排六方晶格结构(见动画15)。42动画15 密排六方晶胞第第 页页第
28、第 页页 1.多晶体与亚结构 结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”，如图3所示。单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，如图4所示，多晶体呈现各向同性。1.3.2 1.3.2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 图3 单晶体图4 多晶体43第第 页页第第 页页 由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子的排列规则受到破坏，存在偏离理想结构的区域，称为晶格
29、缺陷。晶格缺陷对金属的许多性能有极重要的影响，与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关系，特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性的作用。晶格缺陷可分为三类：点缺陷；线缺陷；面缺陷。2.晶格缺陷44第第 页页第第 页页1 1）点缺陷）点缺陷 点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”（见动画16）。间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子；置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换；晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位。45动画16 点缺陷示意图第第 页页第第 页页 线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形
30、式是各种类型的位错，如动画17所示。较简单的一种是“刃型位错”，好像沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样。多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“”表示；位于晶体的下部称为“负刃型位错”，用符号“”表示。2 2）线缺陷）线缺陷动画17 刃型位错结构示意图 46第第 页页第第 页页 面缺陷主要指金属中的晶界和亚晶界(见图5)。(1)晶界：指晶粒之间形成的交界面。(2)亚晶界：指亚晶粒之间形成的交界面。亚晶粒是由被称为镶嵌块的小晶粒组成的。3 3）面缺陷）面缺陷 晶界、亚晶界是晶体缺陷中的面缺陷。所有这些缺陷，都将导致周围的晶格发生明显的畸变，从而对金属的力学性能
31、、化学性能产生显著的影响。47图5 面缺陷第第 页页第第 页页 (1)存在短程有序现象，即液体中微小体积范围内存在着紧密接触规则排列的原子团，瞬间又变成另外的原子团。(2)存在结构起伏现象，即液态金属中的原子集团此起彼伏地不断产生与消失的现象。此现象也称为相起伏。(3)存在成分起伏现象，即固溶体合金的液体中微小体积范围内偏离液相平均成分现象。(4)在一定条件下形成长程有序，即晶体中大范围原子有序稳定排列。1.4 1.4 金属的结晶金属的结晶1.4.1 1.4.1 结晶的概念结晶的概念 1.液体的金属结构特点48第第 页页第第 页页2.纯金属结晶时的冷却曲线 曲线2表示实际的结晶过程。在实际结晶
32、时，实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度Tm，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。即TmTnT。金属结晶的过冷度与冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度就越大。动画18 纯金属结晶时的冷却曲线 49 金属在结晶过程中（见动画18）。将液态金属放在炉中缓慢冷却，得到冷却曲线 1。由于结晶时放出潜热，结晶在恒温下进行。在无限缓慢冷却条件下的平衡结晶温度Tm称为理论结晶温度。第第 页页第第 页页 金属熔液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体，（见动画19，视频5）。金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。1
33、.4.2 1.4.2 金属结晶过程金属结晶过程教学视频5 金属的结晶50动画19 金属的结晶第第 页页第第 页页 金属结晶后的晶粒愈细小，晶界的面积就愈大。晶界面积愈大，晶体缺陷就愈多，则对金属的力学性能影响愈大。一般情况下，细晶粒组织的强度、硬度、塑性和韧性都比粗晶粒组织好。获得细晶粒的方法通常有:增加过冷度；变质处理；附加振动。1.4.3 1.4.3 铸态晶粒的大小铸态晶粒的大小 51第第 页页第第 页页1.过冷度对晶粒大小的影响 晶粒大小是成核速率N（成核数目/cm3s）和生长速率G（cm3/s）的函数。成核速率愈大，生长速率愈小，则晶粒愈细。随着过冷度的增加，晶核的形成速率增加，同时晶
34、核的长大速度也增加。但是，成核速率N大大高于生长速率G，因此增加过冷度能获得细晶粒组织。动画20为N、G与T 的关系。动画20 N、G与T 的关系 52第第 页页第第 页页2.变质处理细化晶粒 晶核形成方式可分成匀质形核和异质形核两种。匀质形核是由熔液自发形成新晶核的过程，亦称自发形核。而实际金属并不很纯，凝固时晶核往往首先依附在未熔质点的表面而形成，这种形核方式称为异质形核。利用异质形核可使晶核大量增加，从而使晶粒细化。变质处理就是利用异质形核的原理，在浇注前在金属液中加入某些高熔点的物质作为结晶核心，以获得细晶粒组织，也称孕育处理。加入的物质称为变质剂，也称孕育剂。53第第 页页第第 页页
35、3.附加振动细化晶粒58 生产中还常以机械振动、超声波振动、电磁振动等方法，使熔融金属在铸型中产生运动，从而使晶体在长大过程中不断被破碎，最终获得细晶粒组织。用细化晶粒强化金属的方法称为细晶强化，它是强化金属材料的基本途径之一。54第第 页页第第 页页1.4.4 1.4.4 金属的同素异构金属的同素异构 某些金属在不同温度和压力下呈不同的晶体结构。同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷却时发生由一种稳定状态转变成另一种不同的晶体结构稳定状态，这种转变，称为同素异构转变（见动画21）。此时除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构特性。动画21
36、 纯铁的同素异构转变 55第第 页页第第 页页 铁在结晶后继续冷却至室温的过程中，将发生两次晶格转变，其转变过程如动画21所示。铁在1394以上时具有体心立方晶格，称为-Fe；冷却至1394912之间，转变为面心立方晶格称为-Fe；继续冷却至912以下，又转变为体心立方晶格，称为-Fe。2.金属的同素异构转变 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似。转变时遵循结晶的一般规律，如具有一定的转变温度。转变过程包括形核、长大两个阶段等。因此，同素异构转变也可以看作是一种结晶，有时也称为重结晶。通过同素异构转变可以使晶粒得到细化。1.纯铁的同素异构转变过程56第第 页页第第 页页 由两种或两种以上
37、的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种相所组成。一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可以分为固溶体和化合物两类。1.5 1.5 二元合金的晶体结构二元合金的晶体结构57第第 页页第第 页页 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金相称为固溶体。
38、固溶体的点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只引起晶格参数的改变。当两组元在固态无限溶解时，所形成的固溶体称为连续固溶体或无限固溶体；当两组元在固态部分溶解时，所形成的固溶体称为有限固溶体或端际固溶体。按照溶质原子在固溶体中所处的位置，固溶体又可分为间隙固溶体和置换固溶体。间隙固溶体中的溶质元素多半是原子半径较小的非金属元素；对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素，只能形成置换固溶体。1.5.1 1.5.1 固溶体固溶体58第第 页页第第 页页 间隙固溶体是由一些原子半径小于1 的非金属元素，如:H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成
39、间隙固溶体。溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体（见动画22）。1.间隙固溶体 溶入单位固溶体中溶质原子的量，称为固溶体的浓度。在一定条件下，溶质原子在固溶体中的极限浓度，称为溶质原子在固溶体的溶解度。间隙固溶体的溶解度与溶质原子半径及溶剂的晶格类型有关。溶质原子半径愈小，溶解度愈大，溶剂晶格类型不同，具有的间隙大小不同，溶解度也不同。59动画22 间隙固溶体 第第 页页第第 页页 对于溶质和溶剂原子大小比较接近的元素，只能形成置换固溶体（见动画23）。2.置换固溶体 置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称
40、有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这叫无限互溶，形成无限置换固溶体。溶质原子与溶剂原子的原子半径相差愈小，则溶解度愈大。若溶剂元素与溶质元素在元素周期表中位置靠近，则晶格类型相同，往往可以按任意比例配制，形成无限固溶体。60动画23 置换固溶体 第第 页页第第 页页 溶质原子溶入溶剂晶格,将使晶格发生畸变,从而使合金的强度、硬度上升（见动画24）。这种由于形成固溶体而引起强度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化合金的基本途径之一。如果溶质浓度适当，固溶体亦具有良好的塑性和韧性。1.5.2.1.5.2.固溶体的性能固溶体的性能动画24 晶格畸
41、变61第第 页页第第 页页 铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金。一般将碳的质量分数为0.0218%2.11%的铁碳合金称为碳钢，碳的质量分数大于2.11%的称为铸铁。1.6 1.6 铁碳合金铁碳合金1.6.1 1.6.1 铁碳合金基本组织铁碳合金基本组织 1铁素体 铁素体是碳在-Fe中的固溶体，用符号“F”表示。其组织结构与组织形态如图6所示。62图6 铁素体第第 页页第第 页页 (1)在727有最大溶解度，wC=0.0218%。(2)强度和硬度低，韧性塑性好。力学性能如表2所示。1 1）铁素体的特点）铁素体的特点 2 2）纯铁（）纯铁（0.02%0.02%）的力学性能）的力学性能(如表如表3
42、 3所示所示)以上性能与晶粒大小、杂质含量有关。63b 180280MN/m270%80%0.2100170MN/m230%50%硬度5080HBSak1.82.5MJ/m2b250MN/m285%0.2120MN/m250%硬度80HBSak2.0MJ/m2表2 铁素体的力学性能表3 纯铁的力学性能第第 页页第第 页页 奥氏体是碳在-Fe中的固溶体，用符号“A”表示。高温奥氏体的显微组织如图7所示。奥氏体的特点：(1)在1148时有最大溶解度wC=2.11%，727时wC=0.77%。(2)其力学性能与碳含量及晶粒大小有关，一般硬度约在170220 HBS，=40%50%。(3)形变能力好，
43、形变抗力小。2奥氏体64图7 奥氏体第第 页页第第 页页 渗碳体是铁和碳的化合物，碳含量为6.67%，用“Fe3C”或“Cem”(Cementite)表示。渗碳体的特点：3渗碳体65硬度近800HBW塑性几乎为零一般认为其熔点1600（有资料介绍其计算值为1227）第第 页页第第 页页 铁碳合金相图是研究钢铁材料的成分、相和组织的变化规律以及与性能之间关系的重要工具。铁碳合金相图如动画25所示。1.6.2 1.6.2 铁碳合金相图铁碳合金相图66动画25 铁碳合金相图第第 页页第第 页页1 1）相区区域）相区区域67动画26 铁碳合金相区分析第第 页页第第 页页2 2）各特性线）各特性线68动
44、画27 铁碳合金相图特性线第第 页页第第 页页3 3）主要特性点）主要特性点69特特性性点点温温度度w wC C100100含含 义义特特性性线线含含 义义ACDEFGKPSQ1538114812271148114891272772772760004.36.692.116.6906.690.02180.770.0057纯铁的熔点纯铁的熔点共晶点共晶点渗碳体的熔点渗碳体的熔点碳在奥氏体中的最大溶解度碳在奥氏体中的最大溶解度渗碳体的成分渗碳体的成分-Fe-Fe转变点转变点渗碳体的成分渗碳体的成分碳在铁素体中最大溶解度碳在铁素体中最大溶解度共析点共析点碳在铁素体中的溶解度碳在铁素体中的溶解度 ACC
45、DAEGSGPESPQECFPSK液相线，液态合金开始结晶出奥氏体液相线，液态合金开始结晶出奥氏体液相脱溶线，液相开始脱溶出液相脱溶线，液相开始脱溶出Fe3C固相线，即奥氏体结晶终了线固相线，即奥氏体结晶终了线奥氏体转变为铁素体开始线，即奥氏体转变为铁素体开始线，即A3 3线线奥氏体转变为铁素体终了线奥氏体转变为铁素体终了线脱溶线，奥氏体脱溶出脱溶线，奥氏体脱溶出Fe3 3C，(Acmcm线线)脱溶线，铁素体开始脱溶出脱溶线，铁素体开始脱溶出Fe3 3C共晶转变线，共晶转变线，L LC EFe3C共析转变线，共析转变线，S PFe3C，即，即A1线线(注注:本表是指冷却过程中相变的含义本表是指
46、冷却过程中相变的含义)表4 铁碳合金的特性点第第 页页第第 页页2.典型铁碳合金平衡结晶过程分析 铁碳合金相图上的各种合金，一般分为三类：(1)工业纯铁（w C 0.02%），室温组织为固溶体。(2)钢（w C=0.02%2.11%）,根据室温组织不同，分为：70亚共析钢（wC 0.77%），（见动画29）；共析钢（wC 0.77%），（见动画28）；过共析钢（wC 0.77%），（见动画30）。(3)白口铸铁(w C=2.11%6.67%)，根据室温的不同，分为：亚共晶白口铸铁（wC 4.3%），（见动画32）；共晶白口铸铁（wC 0.43），（见动画31）；过共晶白口铸铁（wC 4.3%）
47、，（见动画33）。第第 页页第第 页页1 1）共析钢结晶过程）共析钢结晶过程71动画28 共析钢结晶过程第第 页页第第 页页2 2）亚共析钢结晶过程）亚共析钢结晶过程动画29 亚共析钢结晶过程72第第 页页第第 页页3 3）过共析钢结晶过程）过共析钢结晶过程动画30 过共析钢结晶过程73第第 页页第第 页页4 4）共晶白口铸铁结晶过程）共晶白口铸铁结晶过程118动画31 共晶白口铸铁结晶过程74第第 页页第第 页页5 5）亚共晶白口铸铁结晶过程）亚共晶白口铸铁结晶过程动画32 亚共晶白口铸铁结晶过程75第第 页页第第 页页6 6）过共晶白口铸铁结晶过程）过共晶白口铸铁结晶过程动画33 过共晶白
48、口铸铁结晶过程76第第 页页第第 页页 随着合金中碳的质量分数的增加，在合金的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化，因此合金的力学性能也相应变化（见图8）。1.6.3 1.6.3 铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律铁碳合金室温组织性能随成分的变化规律77图8 铁碳合金室温组织性能变化规律第第 页页第第 页页 钢的热处理是将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。热处理应伴随固态相变或扩散。1.7 1.7 钢的热处理钢的热处理1.7.1 1.7.1 概述概述 在机床工业中，有60%70%的工件需要热处理。汽车、拖拉机工业中，有70%80%的
49、工件要进行热处理;而滚动轴承和工模具则几乎100%需要进行热处理。教学视频6 热处理概述78第第 页页第第 页页 在图9的Fe-Fe3C相图中，A1、A3和Accm是碳钢在极其缓慢地加热或冷却时的转变温度，是平衡临界点。在实际生产中，不可能极其缓慢地加热和冷却，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。如图9所示，实际加热时各临界点分别用Ac1、Ac3和Accm线表示，而实际冷却时临界点位置分别用Ar1、Ar3和Arcm线表示。(1)过热:加热时高于合金相图临界温度才发生相变的现象。(2)过冷:冷却时低于合金相图临界温度才发生相变的现象。1.7.2 1.7.2 钢在加热时的转变钢在加热时的转变79图
50、9 Fe-Fe3C相图第第 页页第第 页页 钢加热时奥氏体的形成也是通过形核及长大过程来实现的。现以共析钢为例说明奥氏体形成的三个步骤（见动画34）：(1)奥氏体晶核的形成和长大。(2)残余渗碳体的溶解。(3)奥氏体成分均匀化。亚共析钢与过共析钢的奥氏体形成过程与共析钢基本相同。80动画34 共析钢奥氏体形成过程第第 页页第第 页页 奥氏体晶粒形成后，继续加热或恒温保持，它们将聚集长大，即由小晶粒合并为较粗大的晶粒。由热力学原理可知，这是一种必然发生的过程，因为晶粒合并将使晶界总面积减少，从而使总晶界能降低。(1)奥氏体转变刚完成时的细小晶粒称为起始晶粒度。(2)在给定温度下的奥氏体晶粒度称为
