【精品】工程材料的分类

1、工程材料的分类材料（metals）是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础，反映人类社会文明的水平。材料、 生物、能源、信息是支撑人类文明大厦的四大支柱技术。人类经历了石器时代（古猿到原始人的漫长进化过程，使用燧石和石英石原料），新石器时代（原始社会末期开始用火烧制陶器）， 青铜器时代（公元前2140年开始），铁器时代（春秋战国时期开始大量使用铁器），钢铁新时代（18世纪后）,二十世纪五、六十 年代钢铁基本达到鼎盛时期，现在进入了有机合成材料、复合材料、陶瓷材料、功能材料等新材料快速发展的时期。工程材料主要是用来制造工程构件和机械零件，一般将t程材料分为金属材

2、料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等四大类。1. 金属材料 黑色金屈一铁和以铁为基的合金（钢、铸铁等）。（2）有色金属一黑色金属以外的所有金属及其合金。2. 高分子材料 塑料一主要指工程塑料，又分热塑性和热固性塑料。（2）合成纤维一由单体聚合而成再经过机械处理成的纤维材料。（3）橡胶一经硫化处理，弹性优良的聚合物，分通用橡胶和特种橡胶。胶粘剂一分树脂型、橡胶型和混合型。3. 陶瓷材料普通陶瓷一主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料。（2）特种陶瓷一高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等烧结材料。（3）金属陶瓷一用生产陶瓷的工艺来制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品。4. 复合材料：是由两种或两种以上的材

3、料组合而成的材料。按基体相种类分：聚合物基、金属基、陶瓷基、石墨基等。按用途分：结构、功能、智能复合材料。1三种常见的金属晶体结构金属材料结构与组织2. 固态物质按其原了的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体，晶体指的是材料的原了（离了、分了）在三维空间呈规则的周期性 排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、 玻璃等。在一定的条件下品体和非品体可以互相转化（12-1）。晶体结构是品体中原子（离子或分子）规则排列的方式。品格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。能 反映晶格特征的最小组成单元称为品胞（12

4、-2）。晶格常数指的是品胞的三个棱边的长度a, b, co常见的金属晶体结构有体心立方晶格（bcc一body-centered cube）,典型代表为钳（mo）、钩、车凡、铅、饥、a-fc等，八个原子处于立方体的角上, 一个原了处于立方体的中心，如图2所示。面心立方晶格（fccface-centered cube）,典型代表为铝、铜、银、金、银、y-fe等，原子分布在立方体的八个角上和六 个面的中心，如图1所示。密排六方晶格（hcphexagonal close-packed）典型代表为镁、镉（cd）、锌、皱（be）等。12个原子分布在六方体的12个 角上，上下底面屮心各分布一个原子，上下底面

5、之间均匀分布3个原子，如图3所示。kubisch fldchonzentriortogitterzelle (kf)kubisch raumzentrierte gitterzelle (kr)hexagonale gitterzelle (hex)kf-gitterzellokr - gitterzellghex gitterzelle图1面心立方晶格图2体心立方晶格图3密排六方晶格原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子z间距离的一半，致密度指的是晶胞屮所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积z比。 体心立方模型与品胞示意图（12-3） 一,在体心立方晶格中如图4：图4晶格常数:a=b=c； a

6、=b=g=90° 晶胞原子数：2a原子半径：4 致密度：0.68面心立方模型与晶胞示意图（12-4）,在面心立方晶格中如图5：晶格常数:a=b=c； a=b=g=90° 晶胞原子数：4原子半径：4 致密度：0. 74密排六方模型与晶胞示意图（12-5）,在密排六方晶格屮如图1-6：图 6底面边长& 底面间距c 侧面间角120° 侧面与底面夹角90。晶胞原子数：6 原子半径：a/2 致密度:0. 74三种晶胞类型的模型对比示意图（i 2-6）。2. 金属晶体的特性金屈晶体区别于非晶体是其具有确定的熔点。在晶体屮，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而

7、金属晶体不同方向上的 性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性，而非晶体则是各向同性的。但是对于实际的金属，具内部是由许多的晶粒组成，每个晶粒 在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。3. 实际金属中的晶体缺陷实际金属的结构屮存在许多不同类型的缺陷，按几何特征可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。点缺陷如图7,指的是三维尺度上都很小，不超过几个原了直径的缺陷。它包括空位、间隙原了、异类原了。当晶格中某些原了由于 某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而 使材料的性能发生变化，如屈服强

8、度提高和电阻增加等。晶格空位图7 点缺陷示意图线缺陷指的是原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很人，而在其余两个方向上的尺寸很小。女恥位错。位错可认为是晶格屮一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线，电子显微镜下 的位错（12-7）。出于品休中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图8a为一种最简单的 “刃型位错”。因为相对滑移 的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入品体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。图8b为一种“螺型位错”, 晶体右边上部相对于下部晶面发生错动。正刃型位错(a)舞彤位错(b)位锚线上的 念子的螺祓變排

9、列螺软位儁示盘图负刃型位错图8b螺型位错示意图图8a刃型位错示意图刃型位错与螺型位错的形成动画(m2-1)。晶体屮存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。位错密度指单位体积屮 位错线的总长度或单位面积上位错线的根数，由于位错线附近的原子偏离了平衡位置，使晶 格发生了畸变，对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明：晶体的强度和位错密度 有如图9的对应关系，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很高；相反在品体中位错密度很 高时，其强度也很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的 要求。而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大人提高，这为材料强度的提高提 供途径

10、。图9 金属强度与位错密度的关系面缺陷指的是原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小的缺陷，包括晶界（晶粒与晶粒之间的 接触界面）和亚晶界（亚晶粒之间的边界）两种。如图10所示。显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较 晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越人，且位错密度愈人， 晶体的强度愈咼。图io面缺陷 t ; 位險差（剣t）合金的晶体结构1. 固溶体一种金属元素同另一种或儿种其它元索，通过熔化或其它方法结合在一起所形成具有金属特性的物质叫合金，组成合金独立的、最基 本的单元叫组元。

11、而相指的是化学成分和晶体结构相同，且有界血与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相一一固溶体和化合物。合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体，按溶质原子在溶剂晶格中的位置可分为置 换固溶体和间隙固溶体，按溶质原子在溶剂中的溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体，按溶质原子在固溶体中分布是否规律可分为 无序固溶体和有序固溶体。由于溶质原子溶入固溶体导致晶格发生畸变，晶格畸变随着溶质原子浓度的增大而增大，位错运动的阻力也随之增大，使金属的滑移 变形变得困难，从而提高合金的强度和硬度，这种现彖就是固溶强化，是金属强化的一种重要形式。2金属化合物合金组元形成

12、晶格类型与任一组元都不相同的新相称为金属化合物，化合物类型包括正常价化合物、屯子化合物、间隙化合物三种， 间隙化合物按非金属原子半径与金属原子半径的比值可分为间隙相和复朵结构的间隙化合物。正常价化合物按化合价规律形成，如，mg2si o电子化合物按电子浓度规律形成，如，cu3al o间隙化合物过渡金属+小半径非金属元素。当r非金0.59时，形成简单晶格的间隙相，如wc、tic、vc；当r非金0.59时, 形成复杂结构的间隙化合物，如fe3c、cr23c6o间隙化合物 熔点高、硬度高，脆性大。是高合金钢和硬质合金屮的重要组成相。金属材料的组织组织指的是在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌

13、，与相是两个不同的概念。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的 各种相构成。金属材料的性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的 性能，如45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织，从而获得不同的性能。所以，金属材料 的成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。纯金属的结晶1.纯金属结晶的条件通过实验，测得液体金属在结晶时的温度一时间曲线（冷却曲线）如图1。左边图表示理论结晶温度曲线，右边图表示实际结晶温度 曲线，从图1看出实际金属结晶开始温度低于理论结晶温度。所以把这种结晶时实际结晶温度t1总

14、是低于理论结晶温度to的现象称 为过冷。曲线上水平阶段是由于结品时放出结品潜热，抵消了向外界散发的热量。过冷度:?t-to-t1 （冷却速度t ->?t t ），也就是实际结晶温度与理论结品温度的差值。过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷 度越大。过冷是结晶的必要条件，也是结晶的动力。2. 纯金属结晶过程液态金属结晶是有生核和长人两个基本过程来实现的，晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长 大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。结晶过程如图2所示。图2结晶过程晶核的形成，两种方式： 自发形核一从液体结构内部有金属本事源自发

15、长出的结晶核心。 非自发形核一实际金属中的杂质能够促进晶核在其表面上生成，故这种依附于杂质而生成的晶核叫做非口发形核 口发形核与非自发形核同时存在，非自发形核起主导作用。晶体的长人 平面长大一在冷却速度较小的情况下纯金属晶体主要一其表面向前平行推移的方式长大，进行平面式的长大。在实际金属的结品中 是很少见的，如图3。 树枝状长人一当冷却速度较人特别是存在朵质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体 往往以树枝状的形式长大，如图4。实际金属结晶主要以树枝状长大，其原因是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生2快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴等等，

16、树枝间最后被填充。树枝状长大的显微照片（i3t） o树枝品示意图图3平面长大图4树枝长大可用显微电镜拍摄晶核的树枝状长大过程，金属与冰晶核树枝状长大的树枝晶对比（13-2）。同素异构转变眩烈蠶姦蠶态卜随温度的改变,由种晶格转变为另种晶格的现彖。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似,以纯铁为例，图1为纯铁在结晶时的冷却曲线。pwn图1纯铁结晶冷却曲线恢在固态冷却过程屮有两次晶体结构变化，艾变化为:y- ft*以不同的晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同素异晶体，如图中§-fe、 y-fe (13-4)、a-fe(i3-3)均为纯铁的同素界 晶体。因为同索异构转变时，金属晶

17、格发生改变，导致金属的体积发生变化，转变时会产生较大的内应力，例如，y-fe转变为a-fe,铁的 体积会膨胀约1%。细化铸态金属晶粒的措施晶粒的大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。对于纯金属，决定其性能的主要结构因素是晶粒大小。晶粒越小，金属的强 度、塑性和韧性越好。细化晶粒的主耍方式有：俎冷庾"图1成核速率、长人速度与过冷度关系1 增大金属的过冷度 由结晶过程可知，成核速率越人，则结晶后晶粒越多，晶粒越细；晶核长人速度越快，晶粒越粗。成核速率、长人速度与过冷度密切 相关，如图1,则希望成核速率与长人速度的比值越大，晶粒越小。増人过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度，采用

18、冷却能力强的模具。但是对人铸件或厚薄差别大的铸件，冷速过快会导致铸 件变形、开裂,故只适用于小铸件。2. 变质处理由于人铸件以及形状复朵铸件获得大的过冷度是比较困难的。所以常用变质处理來细化晶粒。变质处理一在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以细化品粒和改善组织，变质剂的作用在于增加品核的数量或者阻碍品核长大。钢中 常用的变质剂为v,ti,alo 变质处理常用于大铸件，实际效果较好。3. 振动与搅拌方式有机械振动、超声振动，或电磁搅拌等，作用是使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。铸锭的结构1.铸锭结构铸锭可以设想为一种形状简单的大铸件，具有最典型的铸造结构，整个体积明显的分为三个品区，如图1。图1

19、铸锭结品组织 细等轴晶区一外层金属过冷度大，生成大屋晶核，晶粒很细。 柱状晶区一锭模温度升高，冷却速度降低，过冷度减少。结晶时，晶核向液体内部平行长大，形成柱状晶区。 粗等轴品区一一冷却速度降低很多，过冷度大大减小，温度差趋于均匀化，品核向各个方向均匀长大，形成粗大的等轴晶区。2 铸锭晶粒形状影响因素柱状晶由外往里顺序结晶的，晶质较密。饮、银及其合金含朵质,不希望生成柱状晶。铝、铜有色金展希望得到柱状晶。柱状晶性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高。铸造温度高，冷却速度大，利于形成。采用定向结晶方法获得柱状晶。利于形成。采用振动，搅拌方法获得。3.铸锭的缺陷缩孔一凝固时体积收缩，顺序结品

20、时，最后凝固的地方发生收缩，如得不到液休补充则形成缩孔，为集中缩孔，一般要切除。疏松一即分散缩孔，是树枝晶结晶时不能保证液体供给形成细小分散缩孔。提高浇注液面，改善液体补给条件。气孔一金属液体比固态溶解的气体多，凝固时要析出气体，铸型中水分，浇注液体流动产生气体，这些气体没及时排出，就会留在金属内部，形成气泡。表面附近气孔为皮下气孔，铸锭轧制时造成微细裂纹起皱，严重影响金屈质量图1二元相图1发生匀晶反应的合金的结晶二元合金的结晶合金的结晶过程用合金相图来分析。相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相z间关系的一种简明示图（13-5）。平衡是 指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相成分和

21、相对质量不在变化所达到的一种状态。常压下，二元合金相状态决定于温度和成分，采用热分析法建立起來。因此二元相图可用温度一成分坐 标系的平面图來表示，如图1。两纽元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图，cuni相图为典型的匀晶相图如图2 o相图分析：l为液相，是cu、ni形成的液溶体；a为固相，是cu和ni形成的无限固溶体，图中有两个单相区，一个双相区。结晶过程分析：以kk线成分合金为例，在1点温度以上，合金为液相l。缓慢冷却至14之间时，合金发生匀晶反应:l->a,从液相中逐渐结晶出a 固溶体。4点以下，合金全部结品为a固溶体。匀品结品特点： 固溶体从液相中结晶出來的过程也

22、包括生核和长大两个过程，树枝状长大。 变温结晶过程. 在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的（即ni的质量分数）。 在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的 固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时源自扩散充分，形成成分均匀的固溶体，若冷区较快，原子扩散不充分，形成成分不均匀的固溶体，先结晶的树枝晶轴含熔点高的组元较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组 元较多，结果造成一个晶粒内化学成分分布不均，这种现象称为枝晶偏析。枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性、工艺性能都不利。 生产上把合金加热到高温，低于固相线100°c,进行长时间保温，是原子扩散充分，得到均匀固溶体，这种处理称为扩散退火

23、。杠杆定律：处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。以cu-ni合金为例推导杠杆定律: cu-ni匀晶相图如图3所示。确定两平衡相的成分：设合金成分为乙过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度方的。点作水平线，其与液固相线交点日、方所 对应的成分x > x2即分别为液相和固相的成分。a图3 cu-ni匀品相图确定两平衡相的相对重量:设合金的重量为1,液相重量为ql,固相重量为qa。则0+如1qlx+qa 也二 x解方程组得，cuxj x x2ni图4 杠杆原理图式屮的x2-x、x2xl >旷幻即为相图屮线段xx2 (ob) > %1

24、 a2 (cza) > xl*自o)的长度。 因此两相的相对重屋百分比为：qi =¥2 abab两相的重量比为:图5共品相图咅弋或2苗。小上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称z为杠杆定律，如图4所示。即合金 在某温度下两平衡和的重量比等于该温度下与各自和区距离较远的成分线段之 比。在杠杆定律屮，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两 组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。2. 发生共晶反应的合金的结晶 两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。相图分析：合金系有三种相：pb与sn形成的液溶体l。sn溶于pb的有

25、限固溶体a相，pb溶于sn的有限固溶体b相。图中有三个单相（l、 b）,三个双相区（l+ a、l+b、a+b）, 条l+a+b的共存线水平线mex。图中e点为共晶点。pbsn合金相图为典型共晶相图如图5oaa、结晶过程分析：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。le?am+bx 合金i的平衡结晶过程如图6所示：液态合金冷却到1点温度后发生匀晶结晶过程，至2点温度完全结晶成a固溶体，随后23点 间冷却，a相不变。从3点温度开始，随着sn在a固溶体中的溶解度沿mf线下降，从a中析出p ii,到室温吋a相中sn的质量分数逐渐变为f点，最后合金得到组织为a+ 0 ii。hh220304

26、0 旳 找 m 80 so m图6 合金i的平衡结晶过程 合金ii的平衡结晶过程如图7所示：合金ii为共晶合金，合金从液态冷却到e点后发生共晶反应。le?am+bx共晶结束后，随温度下降，日和方的成分分别沿cf线和dg线变化，并从共晶日中析出力ii,从共晶方中析出刃i,由于共晶组织细, 小i与共晶a结合，方ii与共晶方结合，共晶合金的室温组织仍为q+方）共晶体。50)图7 合金ii的平衡结晶过程pb和sn牛成的共晶组织（13-6） ° 合金iii的结晶过程如图8所示：合金iii是亚共晶结晶，合金冷却到1点温度时，由匀晶反应生成a固溶体，初生固溶体。从1点到 2点冷却过程屮，初生a沿a

27、c线变化，液相成分沿ae线变化，到2点温度时，合金由m点的a固溶体和已点的液相组成。然后液相 进行共晶反应，合金转变为q+b）共晶体。温度继续下降，将从一次日和共品日中析出方ii,从共晶力中析出日ii。其室温组织为日i +（日+方）+11 o图8亚共品结品相图过共品合金结品过程与亚共品合金相似，不同的是一次相为b,二次相为all,室温组织为bi+q+b)+aii。 综合上述儿种合金成分的结品过程后，各成分冷却到室温的组织组成物的标注如图9所示。0ga* b（a0）图9各成分组织组成物3. 发生包晶反应的合金结晶当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，发生包品反应。ptag合金具有包晶相图如

28、图10所示。相图分析：相图中存在三种相：pt与ag形成的液溶体l相，ag溶于pt的有限固溶体a相，pt溶于ag的有限固溶体卩相。c为包 晶点。结晶过程分析： 合金t的结晶过程：合金t冷却到1点时结晶出a固溶体l相成分沿ac线变化，a相沿ad线变化，合金冷却到e点前由d点的a 相和c点的液相组成。在e点温度时发生包晶反应厶c+ad?e, b相包围a相而形成，反应结束后，i相与a相正好耗尽。形成e点成 分的b固溶体，温度下降，从b屮析岀“口。叫 x 100图10包晶相图4. 发生共析反应的合金的结晶共析反应（共析转变）是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析岀两个成分和结构完全不同的新固相的过程。

29、如图11其下半部为共 析相图。l3b x 100相图分析：c点成分的合金从液相经过匀晶反应生成丫相后，继续冷却到c点温度，在此恒温卜发生共析反应，同时析出d点的a相和e点的b相，yc?ad+be,即由一种固相转变成两种完全不同的相互关联的固相, 此两相混合物称为共析体。温. 度 p图11共析反应相图5 含有稳定化合物的合金的结晶在某些二元合金屮，常形成一种或儿种稳定化合物。这些化合物具有一定的化学成分、固定的熔点，月熔化前不分解，也不发生其他 的化学反应，分析这类相图时，可把稳定化合物看成一个独立的组元，并将整个相图分割成儿个简单相图。合金的性能与相图的关系1合金的使用性能与相图的关系如图1表

30、示具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性能随成分而变化的一般规律。固溶体中溶质浓度t -强度、硬度t组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。对两相机械混合物的合金，其强度与硬度性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如： s 混-sa0 ?q b胁混二hba?5+hbb ?qb2. （qg、00为两相相对重虽）b, %b a合金的使用性聽与相图的关系（示董图4i 1 1 i f l2理a b, %图1合金的使用性能与相图的关系2 合金的工艺性能与相图的关系如图2表示合金的铸造性能与相图的关系。纯组元和共晶成分的合金流动性最好，缩孔集中，铸造性能好。相图屮液相线和

31、固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，流动性好，不易形成分散缩孔，对浇注和铸造质量有利。合金液相、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大。铸造合金常选用共晶或结晶共晶的成分。分散集中孑合金的铸造性能与相图的关系c示意图）合金的铸造性能与相图的关系另外，单相成分合金的锻造性能好。shi金的结晶铁碳相图铁碳合金相图如图1所示。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看待。含碳量大于fe3c成分 (6.69%)时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是fe- fe3c相图。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具, 是研究碳钢和铸铁的成分

32、、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。(1) fe-fe3c相图的组元: fe性能特点一强度低、硕度低、韧性、塑性好。抗拉强度ob二180230mpa；延伸率5=30%50%；断面收缩率屮二70%80%；破度 50hbs80iibso fe3c (cem, cm)性能特点一熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。抗拉强度。b=30mpa；硬度800hbso(2) fe-fe3c相图中的相和组织共有五种相和五种组织，包括： 液相l 6相 高温铁素体(c固溶到5 - fe中的间隙式固溶体) a相 铁素体f (c固溶到ci-fe中的间隙式固溶体)特点为强度、硬

33、度低、塑性好(室温含碳量：c%二0. 0008%, 727度时的含碳量: c%二0. 0218%) y相(c固溶到y-fe中的间隙式固溶体)强度低，易塑性变形。 fe3c,性能特点一熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。五种组织： 铁素体，显微组织（13-7）。性能特点一强度低、硬度低、韧性、塑性好。抗拉强度ob=180230mpa；延仲率5=30%50%；断 面收缩率m=70%80%；硬度50hbs80hbs。 渗碳体，显微组织（13-8）。性能特点一熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 奥氏体（a）显微组织（13-9）。：强度低，易塑性变形。 珠光体p （铁素体和渗碳体的共析混合物），显微组

34、织（13-10）。ao. 77->f0. 0218+fe3c抗拉强度ob二770mp&,延伸率5=20%35%,硬度180hbs,断面收缩率屮二40%60% 莱氏体，显微组织（13-11）。l4. 3 a2 11+ fe3c高温莱氏体le （奥氏体和渗碳体的共晶混合物）和低温莱氏体lez ,硬而脆，塑性、韧性儿乎为零。?2?)q (0.0008.a+fe3cc%fe3c铁碳合金相图2. 相图中重要的点和线(dj为包晶点一合金在平衡结晶冷却到1495°c时b点成分的l与h点成分的o发生包晶反应生成j点成分的a ( y ),恒温进行，三 相共存。c点为共晶点一合金在平衡结晶

35、冷却到1148°c时，c点成分的l发生共晶反应，生成e点成分的a和fe3c。恒温进行，三相共存。 奥氏体和渗碳体的混合物即莱氏体。(3) s点为共析点一合金在平衡结晶冷却到727°c时，s点成分的a发生共析反应，生产p点成分的f和fe3c,恒温进行，三和共存。铁 素体和渗碳体的共析混合物，称为珠光体。相图中abcd为液相线，ahjecf为固相线。水平线hjb为包晶反应线，碳质量分数为0. 09%-0. 53%的铁碳合金在平衡结晶时均发生包品反应。水平线ecf为共晶反应线，碳质量分数在2. 11%-6. 69%的铁碳合金在平衡结晶时均发生共晶反应。水平线psk为共析反应线，碳

36、质量分数在0. 0218%-6. 69%的铁碳合金在平衡结晶时均发生共析反应。gs线是合金冷却时a中开始析出f的临界温度线，称为a3线。es线是碳在a屮的固溶线称为acm线，由于在1148°c时溶碳量达2. 11%,在冷却到727°c时溶碳量为0. 77 %,故冷却时，将从a屮 析出fe3c,称为二次渗碳体fe3cii。pq线是碳在f中的固溶线,在727°c时f中溶碳量达0. 0218%,室温时仅为0. 0008%,故冷却时将从f中析出fe3c,称为三次渗碳体 fe3ciil fe3ciii极少,予以忽略。3. 典型铁碳合金的平衡结晶过程根据铁碳合金相图，铁碳合金

37、可分为三类：工业纯铁 w0. 0218%钢0. 0218%<c%w2 11%亚共析钢< 0.77%共析钢=0.77%过共析钢0.77%白 口铸铁2. 11%< c%<6. 69%亚共晶白口铁<4. 3%共晶白口铁=4.3% 过共晶白口铁4. 3%工业纯铁如图2所示：以碳质量分数为0. 01%的铁碳合金为例，合金在1点以上为液相l, 1一2点间结品出。相，从3点起，。逐渐转变为a, 至4点全部转变为a, 45间冷却不变，从5点起，a屮析岀f,至6点完全为f, 67点冷却不变，78点从f中析出fe3ciii。f 呈白色块状。fe图2工业纯恢平衡结晶过程(2)共析钢(c

38、% 二 0.77% )共析钢冷却曲线与平衡相图如图3所示。合金冷却时，于1点起从l中析出a,至2点全部结晶；23点间a冷却不变；至3点a发 生共析反应生成p。冷却至室温组织不变，皆为p,p呈片状。珠光体屮的渗碳体称共析渗碳体。p中齐相的相对量：fe3c%二(0. 77 - xf)/(6. 69 - xf) 0 77/6. 69=12%f%1 - 12% 二 88%(3)亚共析钢(0. 0218%vc%v0. 77%)图3共析钢冷却结晶过程以碳质量分数为04%的铁碳合金为例，冷却曲线与平衡结晶过程如图4所示。合金冷却时，从1点起至l屮结晶出。，至2点时，l 的成分变为c%二0.53%, o成分变

39、为c%=0. 09%,发生包晶反应生成a0. 17,结束后尚有多余的l。至3点l小完全结晶为a。在34间 冷却不变，4点起，a屮析出f, f在a的晶界处优先生核并长大，而a和f分别沿gs和gp线变化，至5时，a的成分变为c%二0. 77%, f的成分变为c%=0. 0218%,此时a发生共析反应，转变为p, f不变。从曰 点冷却，室温剩下组织为p+f。f为白色块状，p为层片状。 放大倍数不高时呈黑色块状，质量分数大t 0. 6%的亚共析钢，宗温平衡组织中f呈白色网状包|韦|在p周用。其结晶过程动画(m3-1) 可描述组织转变过程，最终冷却到室温得到的显微组织(13-12) °c%二0

40、. 4%的亚共析钢的组织组成物为f和p,它们的质量分数为：p%= (0. 4 - 0. 0218)/(0. 77 - 0. 0218) 51%f%1 - 51%二49%此钢的组成相为f和fe3c,它们的质量分数为：fe3c%"0. 4/6. 69=6%f%"1 -6% 二 94%亚共析钢的屮碳的质量分数可由其室温平衡组织来估算。c%=p%x0. 77%(4) 过共析钢(0. 77%<c%<2. 11%)以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例，冷却曲线和平衡结晶过程如图5所示。合金冷却时，从1点起自l中结晶出a,至2点全部结 晶完。，2至3点冷却，从3点开始，由a析

41、出fe3cii, fe3c ii呈网状分布在a晶界上。至4点时a中碳的质量分数降为0.77%,发 生共析反应生成p,之后冷却至室温。室温平衡组织为p+fe3cii。，fe3cii呈网状分布在层片状p的周围。最终冷却到室温得到的显 微组织(13-13)。c%二1. 2%的过共析钢的组织组成物为p和fc3c ii,组织组成相为f和fc3c。它们的相对质量分数为：fe3cli%二(1. 2 - 0. 77)/(6. 69 - 0. 77) 7%p%1 - 7%=93%此钢的组成相为f和fe3c,它们的质虽分数为:fe3c%1.2/6.69 二 18%f%1 - 18% 二 82%图5过共析钢冷却结晶

42、过程（5）共晶白口铁（c%二4.3% ）如图6所示，合金在1点发生共晶反应,由l转变为高温莱氏体lea+ fe3co 1 2点间le中的a不断析出fe3cii。到2点时a碳 质量分数降为0. 77%,并发生共析反应转变为p。高温莱氏体转变为低温莱氏体lep+fe3cii+fe3c,室温平衡组织为le',由黑色条状或粒状p和白色fe3c基体组成。最终冷却到室 温得到的显微组织（13-14）。图6共晶共晶白口铸铁结晶过程示意图白口铸铁冷却结晶过程(6) 亚共晶白口铁(2. 11vc%v43%)以碳质量分数为0.3%的铁碳合金为例，如图7所示。合金自1点起，从l屮结晶出初生a,至2点时l成分

43、变为c%=4. 3%,发生共晶 反应转变为le,而a不参与。至3点时a发生共析反应转变为p,高温莱氏体转变为低温莱氏体。最终冷却到室温得到的显微组织(13-15)。亚共晶白口铸铁结晶过程示意图图7亚共晶白口铸铁冷却结晶过程(6 )过共晶白口铸铁(4. 3%<c%=3%)过共晶白口铸铁室温平衡组织为le7和fe3c i。结晶过程如图8。fec%图8过共晶白口铸铁冷却结晶过程1-2点间从液相屮析出fc3c,这种渗碳体称一次渗碳体，用fc3ci表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到c点并转变为lc。 2点以下,fc3c i成分重量不再发生变化,lc变化同共晶合金,其室温组织为fc3c i

44、 +lc'。最终冷却到室温得到的显微组织(13-16)。根据以上对铁碳合金的结晶过程分析可将组织标注在铁碳相图屮如图9所示。金结晶过程组 织图9铁碳合fsn 4 bvp i3ef+pjp i4.铁碳合金的成分-组织-性能关系按照恢碳相图，恢碳合金在室温下组织借由f和fc3c两相组成，两相 的相对质量分数由杠杆定律确定。相图的形状与合金的性能之间存在一定的对应关系。铁碳合金的性能与 成分的关系如图10所示。0.0218 0. 772. 1 14.36.69w(c)/%100图10铁碳合金的成分-组织-性能的对应关系由图10可知：硬度一主要决定于组织组成相或组成物的便度和相对数量，而受它们

45、 的形态影响较小，随着碳质量分数的増加，便度高的fe3c增多，硬度 低的f减少，故合金换度呈直线关系増大。强度一对于组织形态很敏感的性能。随碳质量分数的增加,2.01.60.80.4亚共析钢屮的p增多而f减少。p的强度较高，其大小与细密程度有关。组织越细密，强度值越高。故亚共析钢的强度随碳质量分 数增加而增加，但当碳质量分数超过共析钢后，由于强度 很低的fe3cii出现，合金强度增加变慢，碳质量分数约为0.9 %时，fe3c ii沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。塑性-fe3c是铁碳合金中极脆的和，没有塑性。合金塑 性变形全部由f提供，故随着碳质量分数增加，合金的變 性连续下降。白口铸铁时，塑

46、性儿乎为零。碳钢的硬度、强度、塑性和碳质量分数的共析如图11。应 用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可 根据成分或组织做如下估算：硬度280x3 (f)+180x3 (p)或硬度80xo (f) +800 x 3 (fe3c) hb强度2230x3 (f) +770x3 (p) mpa延伸率5oxs (f) +20x3 (p)图11碳钢的硬度、强度、塑性和碳质量分数的共析5.铁碳相图的应用(1)钢铁材料的选用 建筑结构和各种型钢需塑性、韧性好的材料，因此选用碳质量分数较低的钢材。 各种机械零件需要强度、犁性、韧性都较好的材料，应选用中碳钢。 各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则

47、选用高碳钢。 纯铁的强度低，不宜做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料 根据相图确定浇注温度，一般在液相线以上50°c-100°co白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，不能锻造，但耐磨性好，铸滑移方向的转动造性能优良，适于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。(2)在铸造工艺方面的应用 从相图上看，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们凝固区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可获得致密的铸件。 铸钢生产中，碳质量分数在0. 15%-0.6%z间碳钢结晶温度区间较小，铸造性能较好。在热锻、热轧工艺方面应用钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性，因此锻造或轧制选在单项

48、奥氏 体区内进行。热处理方面应用退火、淬火、正火的加热温度都依据铁碳相图确定的。金属的塑性变形1. 单晶体的塑性变形单晶体犁性变形的基本方式一一滑移和李生(1)滑移如图1所示，在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分 沿一定品面(滑移面)的一定方向(滑移方向)发生相对的滑动。 滑移的特点： 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不 同。图1滑移示意图 滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密度最人的晶面和其上密度最人的晶向进行。滑移系(滑移面和该面上的一个滑移方向)，滑移系数n t, 材料塑性仁 滑移方向t ,材料塑性t

49、o如fcc和bcc的滑移系为12个，hcp为3个,fcc的滑移方向多于bcc,金属塑性如cu (fcc) >fe (bcc) >zn (hcp)。 滑移时晶体伴随有转动，如图2所示。图2滑移中的转动（2）李生在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（挛生面）和晶向（挛生方向）发生切变。如图3所示。挛生示意图图3 李生金属品休中变形部分与未变形部分在挛生面两侧形成镜面对称关系。一发生李生的（切变部分）称为李生带或挛品。挛生借助于切变 进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生。2. 多晶体的塑性变形多晶体由许多晶粒组成，齐个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。

50、细晶强化一通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现彖。强化原理：晶界原子排列较不规则一缺陷多一滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。晶粒越细小，单位体积晶粒多一变形分散一减少应力集中，晶粒越细小，晶界多一不利于裂纹的传播一断裂前承受较大的犁性变形, 则塑性越好。由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需耍消耗较大的功。因而韧性也较好。3. 塑性变形对金属组织和性能的影响（1）塑性变形对金属组织的影响 形成纤维组织一晶粒变形，沿变形方向被拉长为细条状，形成纤维组织。 形成亚结构 产生形变织构一当金属数性变形到很大的程度时，晶粒转动，使各晶粒的位向趋于

51、一致，形成特殊的择优取向，此有序化的结构称 为形变织构。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现彖，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢 片的导磁率，如图4所示。无有各向异性导致的铜板“制耳"图4形变形变织构与制耳示意图纯铁在塑性变形前后的显微组织变化如图5所示。图5纯铁塑性变形前后组织对比(2) 塑性变形对金属性能的影响产生加工硬化一金屈发生塑性变形，随变形度的增大,英强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现彖。女口：冷轧薄钢板冷拔钢丝等。其原因主要有随变形量增加，位错密度增加，由于位错z间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。随变形量增加，亚结 构细

52、化，另外随变形量增加，空位密度增加。由于加工硬化，使己变形部分发生硬化而停止变形，而未变形部分开始变形。没有加工硬 化，金属就不会发生均匀塑性变形。加t硬化是强化金属的重耍手段对丁不能热处理强化的金属和合金尤为重要。 由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生齐向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向。 使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。易变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度。塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化金属经冷变形后，组织处于不稳定状态，有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温卜，原子扩散能力小，不稳定状态可长时间维持。 加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生

53、回复、再结晶和晶粒长大。如图1所示。图1 金属的冋复、再结品和晶粒长大示意图1. 回复变形后的金属在较低温度进行加热，发生回复过程。t回复二(0.250.3) t熔点。(1) 变化一因加热温度不髙，原子扩散能力不大，只是晶粒内部位错、空位。间隙原子等缺陷通过移动复合消失大大减少，而晶粒仍 保持变形后状态。回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大降低。(2) 应用一工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。2. 再结晶变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增人，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该 过程称

54、为再结晶。t再二(0. 350.4) t熔点应用变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现彖被消除。t业上利用再结晶过程对变形后金屈进行再结晶退火来消除加丁硬化现彖，恢复金属的塑性和韧性。以利于后而的变形加丁。影响再结晶温度的因素为:（1）金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大，再结晶温度越低。当变形度达到一定值斤，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。（2）金属的纯度：金属中的微量杂质或合金元索，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高.（3）再结晶加热速度和加热时间：提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生，延长

55、加热时间，使原子扩散充分，再结晶温度 降低。生产屮，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100-200°co3. 晶粒长大在结晶完成后晶粒是细小的，如果继续加热，加热温度过高或保温时间过长时，晶粒就会明显长大，如图2所示，得到粗大的组织，是金屈强度、硬度、塑性、韧性显著降低。应避免。图2再结晶后的晶粒长人趋势金属材料的热加工与冷加工1. 金属的热加工及其对组织、性能的影响在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加t称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。 如fe的再结晶温度为45tc,其在400°c 以下的加工仍为冷加工。而sn的再结晶温度为-71°c,则其在室温下的加工为热加 工。热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工破化效果。热加工可使铸态金属与合金屮的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶