1材料基础学习课件-精心整理

1、材料概论第1章 材料科学基础知识努力第1章 材料科学基础知识1.11.1绪论绪论1.1.11.1.1材料与材料科学材料与材料科学 材料是可以用来制造有用的构件、器件或物材料是可以用来制造有用的构件、器件或物品的物质。品的物质。 什么是材料？材料是什么？什么是材料？材料是什么？什么是材料科学？什么是材料科学？ 材料科学是有关材料成分、组织与工艺流程对材料科学是有关材料成分、组织与工艺流程对于材料性能与用途的影响规律的知识与运用。于材料性能与用途的影响规律的知识与运用。 努力第第1 1章章 材料科学基础知识材料科学基础知识 材料科学研究材料的材料科学研究材料的成分（结构）成分（结构）（compos

2、ition or microstructure）、合成）、合成（工艺流程）（工艺流程）（synthesis or processing）、性能）、性能（properties）和效能）和效能（performance）以及它）以及它们之间的关系。们之间的关系。 成分（结构）成分（结构）合成（工艺流程）合成（工艺流程）性能性能效能效能努力第1章 材料科学基础知识1.1.21.1.2工程材料概述工程材料概述 用途用途p结构材料：主要利用其力学性能结构材料：主要利用其力学性能p功能材料：主要利用其物理、化学性能功能材料：主要利用其物理、化学性能成分成分金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复金属材料、无

3、机非金属材料、高分子材料、复合材料合材料 努力第1章 材料科学基础知识1 1、金属材料、金属材料 金属材料是至今为止最重要的工程材料，金属材料是至今为止最重要的工程材料，包括钢铁（黑色金属）、有色金属（轻金属）及包括钢铁（黑色金属）、有色金属（轻金属）及其合金。由于金属材料具有良好的力学性能、物其合金。由于金属材料具有良好的力学性能、物理性能、化学性能及工艺性能，生产工艺成熟，理性能、化学性能及工艺性能，生产工艺成熟，能采用比较简便和经济的工艺方法制成各种构件能采用比较简便和经济的工艺方法制成各种构件和零件，因此是目前应用最广泛的工程材料。和零件，因此是目前应用最广泛的工程材料。努力第1章 材

4、料科学基础知识2 2、无机非金属材料、无机非金属材料 无机非金属材料主要是陶瓷材料、水泥、无机非金属材料主要是陶瓷材料、水泥、玻璃、耐火材料等。这类材料具有不可燃性、玻璃、耐火材料等。这类材料具有不可燃性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性以及高的高耐热性、高化学稳定性、不老化性以及高的硬度和良好的耐压性，且原材料丰富，日益受硬度和良好的耐压性，且原材料丰富，日益受到工程行业的关注。到工程行业的关注。努力第1章 材料科学基础知识3 3、高分子材料、高分子材料 高分子材料因其原料丰富、成本低、加工方高分子材料因其原料丰富、成本低、加工方便等优点，发展极其迅猛。工程上通常根据高分子便等优点，发展极其

5、迅猛。工程上通常根据高分子材料的机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和材料的机械性能和使用状态将其分为塑料、橡胶和合成纤维。合成纤维。 工程塑料具有一系列优异的性能和很高的使工程塑料具有一系列优异的性能和很高的使用价值，能在较宽的温度范围内承受机械应力和较用价值，能在较宽的温度范围内承受机械应力和较苛刻的物理化学环境中使用。工程塑料易成型加工，苛刻的物理化学环境中使用。工程塑料易成型加工，可调节性和可配制性强，品种繁多。目前工程塑料可调节性和可配制性强，品种繁多。目前工程塑料正朝着高性能化、高功能化、多用途和低成本方向正朝着高性能化、高功能化、多用途和低成本方向发展。发展。努力第1章 材料科学

6、基础知识4 4、复合材料、复合材料 用原有的金属材料、无机非金属材料和高分用原有的金属材料、无机非金属材料和高分子材料等作为组分，通过一定的工艺方法将它们复子材料等作为组分，通过一定的工艺方法将它们复合在一起，制成既能保留原有材料组分的特征，又合在一起，制成既能保留原有材料组分的特征，又可以克服组分材料的不足，还能显示出某些新性能可以克服组分材料的不足，还能显示出某些新性能的材料。的材料。 复合材料也可以分为结构复合材料和功能复复合材料也可以分为结构复合材料和功能复合材料两大类，有金属基复合材料、陶瓷基复合材合材料两大类，有金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料以及碳料、树脂基复合材料

7、以及碳/ /碳复合材料。由于复碳复合材料。由于复合材料具有性能可设计性、材料与构件制造的一致合材料具有性能可设计性、材料与构件制造的一致性和优异的物理化学性能，从而比传统材料具有无性和优异的物理化学性能，从而比传统材料具有无可比拟的优越性。可比拟的优越性。努力第1章 材料科学基础知识1.2 1.2 材料中的晶体结构材料中的晶体结构1.2.11.2.1晶体学基础晶体学基础1 1、晶体与非晶体、晶体与非晶体固体材料按照原子（原子团、分子）的排列固体材料按照原子（原子团、分子）的排列晶体晶体 和和 非晶体非晶体晶体晶体非晶体非晶体原子按某种特定方式在三维空间原子按某种特定方式在三维空间内周期性地规则

8、重复排列。原子内周期性地规则重复排列。原子排列是有序的排列是有序的 非晶体内部原子的排列是无序的。非晶体内部原子的排列是无序的。 努力第1章 材料科学基础知识 晶体材料的性能表现为各向异性，有确定的熔晶体材料的性能表现为各向异性，有确定的熔点（凝固点）；而非晶体各向性能基本相同，也点（凝固点）；而非晶体各向性能基本相同，也没有确定的熔点。没有确定的熔点。 实际晶体材料大都是多晶体，由很多晶粒组实际晶体材料大都是多晶体，由很多晶粒组成。成。 材料的组织就是指各种晶粒的相对量、尺寸大材料的组织就是指各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征，是一个影响材料性能的小、形状及分布等特征，是一个影响材

9、料性能的极为敏感而重要的结构因素。极为敏感而重要的结构因素。努力第1章 材料科学基础知识2 2、空间点阵和晶胞、空间点阵和晶胞实际晶体的原子排列可能有无限多种方式实际晶体的原子排列可能有无限多种方式 努力第1章 材料科学基础知识“晶格晶格”或或“点阵点阵” ” “晶胞晶胞” ” 晶向和晶面晶向和晶面 努力第1章 材料科学基础知识石墨结构石墨结构 金刚石结构金刚石结构 C 努力第1章 材料科学基础知识3 3、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 bbcbbcCr、Mo、W、V、 -Fe、 -Ti 努力第1章 材料科学基础知识3 3、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体

10、结构（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fccfccAl、Cu、Ni、Pb、Ag、Au、 -Fe 努力第1章 材料科学基础知识3 3、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构（2 2）密排六方晶格）密排六方晶格 hcpMg、Zn、Be、 -Ti、Cd 努力第1章 材料科学基础知识4 4、离子晶体的结构、离子晶体的结构离子键结合离子键结合 硬度高、强度大、熔点和沸点较高、硬度高、强度大、熔点和沸点较高、热膨胀系数较小，但脆性大热膨胀系数较小，但脆性大 良好的绝缘体，往往是无色透明的良好的绝缘体，往往是无色透明的 Al2O3 CaF2 Fe3O4 SnS2 NaCl努力第1章 材料科学基础知识5 5、

11、共价晶体的结构、共价晶体的结构 由同种非金属元素的原子或异种元素的原子由同种非金属元素的原子或异种元素的原子以共价键结合而成的无限大分子以共价键结合而成的无限大分子 原子晶体原子晶体 强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低，结构比较稳定，导电能力较差和挥发性低，结构比较稳定，导电能力较差 金刚石型（单质型）、金刚石型（单质型）、ZnSZnS型（型（ABAB型）和型）和SiOSiO2 2型（型（ABAB2 2型）型） ZnSSiO2金刚石金刚石努力第1章 材料科学基础知识1.2.21.2.2晶体缺陷晶体缺陷1.2 1.2 材料中的晶体结构材料中的晶

12、体结构努力第1章 材料科学基础知识努力第1章 材料科学基础知识1.2.3 1.2.3 相结构与相图相结构与相图1.2 1.2 材料中的晶体结构材料中的晶体结构构成材料最基本的、独立的物质称为组元，简称元。构成材料最基本的、独立的物质称为组元，简称元。 多多组元组元金属材料称为合金，两个组元构成的合金金属材料称为合金，两个组元构成的合金称为二元合金，三个组元的称为三元合金称为二元合金，三个组元的称为三元合金 组元组元可以是纯元素，如可以是纯元素，如Cu、Fe、C、Al等，也可等，也可以是化合物，如以是化合物，如Fe3C、Al2O3、SiO2、ZrO等。等。 二元合金：二元合金：Fe-C Cu-Z

13、n Al-Si Al-LiFe-C Cu-Zn Al-Si Al-Li三元合金三元合金: Fe-C-Mn Fe-C-Cr Fe-Cr-Ni Cu-Pb: Fe-C-Mn Fe-C-Cr Fe-Cr-Ni Cu-Pb-Si-Si努力第1章 材料科学基础知识1.2.3 1.2.3 相结构与相图相结构与相图1.2 1.2 材料中的晶体结构材料中的晶体结构1 1、材料的相结构、材料的相结构 相相是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和是合金中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。 材料的材料的性能性能与各组成与各组成相相的性质、形态和数

14、量直接的性质、形态和数量直接相关。相关。 不同的不同的相相具有不同的具有不同的晶体结构晶体结构，根据其特点可，根据其特点可以归纳为两大类：以归纳为两大类：固溶体固溶体与与中间相。中间相。 努力第1章 材料科学基础知识（1 1）固溶体）固溶体 以合金中某一组元作为以合金中某一组元作为溶剂溶剂，其他组元为，其他组元为溶质溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相称为化的固相称为固溶体固溶体。 固溶体固溶体可在一定成分范围内存在，性能随成分可在一定成分范围内存在，性能随成分变化而连续变化。变化而连续变化。 置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙

15、固溶体努力第1章 材料科学基础知识（2 2）中间相（金属间化合物）中间相（金属间化合物） 固溶体固溶体的溶解有一个的溶解有一个限度限度，当溶质含量超过这，当溶质含量超过这一限度后便会形成一种新一限度后便会形成一种新相相，称为，称为中间相中间相。 中间相的中间相的晶体结构晶体结构和和性能性能完全不同于其构成组完全不同于其构成组元中的任一元中的任一组元组元。 以以金属键金属键为主导的中间相具有一定的金属性，为主导的中间相具有一定的金属性，称为称为金属间化合物金属间化合物； 主要以主要以离子键离子键结合的化合物，如结合的化合物，如FeSFeS、MnSMnS等，等，没有金属性，常作为没有金属性，常作为

16、非金属夹杂非金属夹杂处理。处理。 努力第1章 材料科学基础知识 金属间化合物金属间化合物一般具有高的一般具有高的熔点熔点及及硬度硬度，可，可使使合金合金的的强度强度、硬度硬度、耐磨性耐磨性及及耐热性耐热性提高。提高。 具有具有特殊的物理、化学性能特殊的物理、化学性能的的中间相中间相，其中，其中不少正在开发应用中，如性能远远优于硅半导体不少正在开发应用中，如性能远远优于硅半导体材料的材料的GaAsGaAs；具有形状记忆效应的；具有形状记忆效应的NiTiNiTi、CuZnCuZn合合金；新一代能源的储氢材料金；新一代能源的储氢材料LaNi5LaNi5等。等。 努力第1章 材料科学基础知识努力第1章

17、 材料科学基础知识2 2、二元相图、二元相图 相图是描述系统的状态、温度、压力和成分相图是描述系统的状态、温度、压力和成分之间关系的一种图形。之间关系的一种图形。 利用相图可以知道不同成分的材料在不同温利用相图可以知道不同成分的材料在不同温度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变度下存在哪些相、各相的相对量、成分及温度变化时所可能发生的变化。化时所可能发生的变化。 典型的二元合金基本相图典型的二元合金基本相图 努力第1章 材料科学基础知识3 3、相图与性能的关系、相图与性能的关系 努力第1章 材料科学基础知识1.3 1.3 高分子材料的结构高分子材料的结构 1.3.11.3.1高分子材料的基

18、本概念高分子材料的基本概念 努力第1章 材料科学基础知识1.3 1.3 高分子材料的结构高分子材料的结构 1.3.1 1.3.1 高分子材料的基本概念高分子材料的基本概念 高分子化合物是指由一种或多种简单低分高分子化合物是指由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物，所以又称聚合物或高聚物，通常把相对分物，所以又称聚合物或高聚物，通常把相对分子质量小于子质量小于50005000的称为低分子化合物，而大于的称为低分子化合物，而大于50005000的则称为高分子化合物。的则称为高分子化合物。 （1 1）高分子化合物）高分子化合物努力第1章

19、 材料科学基础知识 高分子化合物的每个大分子都是由一种或几高分子化合物的每个大分子都是由一种或几种简单的低分子化合物，通过聚合反应连接起来种简单的低分子化合物，通过聚合反应连接起来的。这些能够聚合成高分子化合物的低分子化合的。这些能够聚合成高分子化合物的低分子化合物称为单体。物称为单体。（2 2）单体）单体 单体是合成聚合物的起始原料。单体是合成聚合物的起始原料。乙烯（乙烯（CH2=CH2CH2=CH2）是聚乙烯的单体）是聚乙烯的单体氯乙烯（氯乙烯（CH2=CHCHCH2=CHCH）是聚氯乙烯的单体）是聚氯乙烯的单体 努力第1章 材料科学基础知识 高分子化合物的分子呈长链形，因此常称为大高分子

20、化合物的分子呈长链形，因此常称为大分子链或分子链。大分子链截面一般不到一个纳米，分子链或分子链。大分子链截面一般不到一个纳米，长度可达数百纳米，是由许许多多结构相同的基本长度可达数百纳米，是由许许多多结构相同的基本单元重复连接构成的。组成大分子链的这种特定的单元重复连接构成的。组成大分子链的这种特定的结构单元叫作链节。结构单元叫作链节。（3 3）链节）链节聚乙烯大分子链的结构式为：聚乙烯大分子链的结构式为：CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2简写为简写为 CH2CH2CH2CH2n n 聚乙烯的链节聚乙烯的链节努力第1章 材料科学基础知识 高分子

21、化合物的大分子链中链节的重复次数高分子化合物的大分子链中链节的重复次数称为聚合度。一个大分子链的相对分子质量称为聚合度。一个大分子链的相对分子质量M M，等于链节的相对分子质量等于链节的相对分子质量m m和聚合度和聚合度n n的乘积，即的乘积，即M = n M = n m m。聚合度反映了大分子链的长短和相。聚合度反映了大分子链的长短和相对分子质量的大小。对分子质量的大小。 （4 4）聚合度）聚合度链段是指大分子链中可以独立运动的结构单元。链段是指大分子链中可以独立运动的结构单元。 （5 5）链段）链段努力第1章 材料科学基础知识1.4 1.4 材料的力学性能材料的力学性能 1.4.1 1.4

22、.1 常规性能指标常规性能指标 拉伸试验、性能拉伸试验、性能 努力第1章 材料科学基础知识1 1、强度指标、强度指标 1.4.1 1.4.1 常规性能指标常规性能指标 屈服极限屈服极限屈服点屈服点 s 工程屈服强度工程屈服强度 0.2 抗拉强度（强度极限）抗拉强度（强度极限） b 2 2、塑性指标、塑性指标 伸长率伸长率 K 5 10 断面收缩率断面收缩率 %10000lllKK%10000FFFK努力第1章 材料科学基础知识3 3、硬度、硬度 硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。硬度是衡量材料软硬程度的一种性能指标。 硬度是表征材料的弹性、塑性、形变强化、强硬度是表征材料的弹性、塑性、形变

23、强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标，不是一个单纯的物理量。指标，不是一个单纯的物理量。 一般可以认为硬度是材料表面抵抗局部压入变一般可以认为硬度是材料表面抵抗局部压入变形（金属）或刻划破裂（陶瓷）的能力。形（金属）或刻划破裂（陶瓷）的能力。 努力第1章 材料科学基础知识（1）布氏硬度）布氏硬度HBW 通常用于测试有色金属，调质和正火、退火通常用于测试有色金属，调质和正火、退火态的黑色金属。态的黑色金属。 350HBW5/750 （2）洛氏硬度）洛氏硬度HR HRA、HRB和和HAC HRC 通常用于淬火钢、高硬度铸件、珠光体通常

24、用于淬火钢、高硬度铸件、珠光体可锻铸铁可锻铸铁 。60HRBW 表面洛氏硬度表面洛氏硬度 努力第1章 材料科学基础知识（3）维氏硬度及显微硬度）维氏硬度及显微硬度HV 640HV30 显微硬度：可测定金属箔、极薄的表面层的硬显微硬度：可测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金中各组成相的硬度。度以及合金中各组成相的硬度。 （4）肖氏硬度）肖氏硬度HS 里氏硬度里氏硬度HL 肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行肖氏硬度只能在相同弹性模量的材料之间进行硬度对比。硬度对比。 手提式（便携式），使用方便，可在现场测量手提式（便携式），使用方便，可在现场测量大型工件的硬度。大型工件的硬度。 努力第1章

25、 材料科学基础知识1.4.2 1.4.2 疲劳强度疲劳强度 1 1、疲劳抗力、疲劳抗力 材料抵抗交变应材料抵抗交变应力作用的能力。力作用的能力。 f ffff努力第1章 材料科学基础知识2 2、疲劳抗力指标及性质、疲劳抗力指标及性质 （1） 疲劳极限疲劳极限 应力循环变化无限次材料不发应力循环变化无限次材料不发生疲劳破坏的最大应力生疲劳破坏的最大应力 r r r n（2）条件疲劳极限）条件疲劳极限 （疲劳强度）承受大于（疲劳强度）承受大于51075108次应次应力循环而不破坏的最大应力力循环而不破坏的最大应力 （3）疲劳破坏的持久值）疲劳破坏的持久值 在一定的应力水平下在一定的应力水平下 （

26、r），试件破坏前的应力循环次数），试件破坏前的应力循环次数 努力第1章 材料科学基础知识1.4.3 1.4.3 材料韧性材料韧性 低应力脆性断裂低应力脆性断裂 ? ?努力第1章 材料科学基础知识1.4.3 1.4.3 材料韧性材料韧性 低应力脆性断裂低应力脆性断裂 u 通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设 计是安全的计是安全的u 脆断通常发生在比较低的工作温度下脆断通常发生在比较低的工作温度下u 脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构 或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等u 厚截面

27、、高应变速率促进脆断厚截面、高应变速率促进脆断 ? ? 韧性是材料从变形到断裂全过程中吸韧性是材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现收能量的大小，是强度和塑性的综合表现 努力第1章 材料科学基础知识1 1、冲击韧度、冲击韧度 在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是在材料测试和工程实践中应用比较广泛的是缺口冲击实验缺口冲击实验。常用的冲击试样有。常用的冲击试样有夏氏夏氏V型型和和梅氏梅氏U型缺口试样型缺口试样，用冲击试样的，用冲击试样的断裂功断裂功AK（J）或或ak（J/cm2）作为材料的作为材料的韧性韧性指标。指标。 努力第1章 材料科学基础知识 工程上常用的结构钢在工

28、程上常用的结构钢在一定的温度一定的温度TT以下均会产生以下均会产生脆性断裂。温度脆性断裂。温度TT称为材料称为材料的冷脆转变温度，或称韧脆的冷脆转变温度，或称韧脆转变温度。转变温度。2 2、冷脆、冷脆 用材料的脆性转变温度用材料的脆性转变温度TT作为防止脆断发生的作为防止脆断发生的安全判据，设计时根据构件的工作温度来选取具有安全判据，设计时根据构件的工作温度来选取具有合适脆化温度合适脆化温度TT的材料的材料 。TTAK（J）T（oC）努力第1章 材料科学基础知识3 3、断裂韧度、断裂韧度 裂纹体的断裂裂纹体的断裂 应力场强应力场强度因子度因子KI ？aYKI断裂韧度断裂韧度KIC aYKI K

29、IC 安全判据安全判据努力第1章 材料科学基础知识1.5 1.5 相变与热处理相变与热处理 1.5.1 1.5.1 材料的凝固材料的凝固 吉布斯自由能吉布斯自由能 G温度温度 TGSGL G= GS - - GLOTm 在非平衡温度，存在在非平衡温度，存在液固两相自由能差液固两相自由能差 G，产，产生凝固或熔化驱动力。生凝固或熔化驱动力。 Tm是理论熔点或凝固点。是理论熔点或凝固点。 物质在物质在实际凝固实际凝固过程中，只有在过程中，只有在低于低于Tm的温的温度才能开始凝固，这一现象称为度才能开始凝固，这一现象称为过冷过冷，实际凝固，实际凝固温度与理论温度的差值称为温度与理论温度的差值称为过冷

30、度。过冷度。 努力第1章 材料科学基础知识2 2、金属的结晶、金属的结晶（1 1）金属的结晶过程）金属的结晶过程 努力第1章 材料科学基础知识（2 2）晶粒尺寸的控制）晶粒尺寸的控制 a. 提高冷却速度提高冷却速度 b. 化学变质法化学变质法 c. 振动和搅拌振动和搅拌 3 3、凝固技术的应用、凝固技术的应用 （1 1）单晶的制备）单晶的制备（2 2）定向凝固）定向凝固 （3 3）区域熔炼（提纯）区域熔炼（提纯） 努力第1章 材料科学基础知识1.5.2 1.5.2 铁碳合金相图铁碳合金相图 图图1-18 Fe-Fe3C相图相图 努力第1章 材料科学基础知识（1）铁素体（）铁素体（F） 碳原子溶

31、入碳原子溶入 -Fe形成的间隙固形成的间隙固溶体。溶体。1 1、铁碳合金的相和组织、铁碳合金的相和组织 铁素体的力学性能与纯铁相近，强度极限铁素体的力学性能与纯铁相近，强度极限 b=250MPa，屈服极限，屈服极限 s=140MPa，延伸率，延伸率 =40%50%，冲击韧度，冲击韧度aK=200J/cm2，布氏硬度，布氏硬度80HBW。 铁素体具有优良的塑性和韧性，但强度、硬铁素体具有优良的塑性和韧性，但强度、硬度较低，在铁碳合金中属于软韧相。度较低，在铁碳合金中属于软韧相。 努力第1章 材料科学基础知识（2）奥氏体（）奥氏体（A） 碳原子溶入碳原子溶入 -Fe中形成的间中形成的间隙固溶体。隙

32、固溶体。 奥氏体是在奥氏体是在727 C以上的高温平衡相，具有以上的高温平衡相，具有极好的塑性，所以碳钢具有优良的轧、锻等热极好的塑性，所以碳钢具有优良的轧、锻等热加工工艺性能。加工工艺性能。 奥氏体中固溶的碳比铁素体的固溶量大得奥氏体中固溶的碳比铁素体的固溶量大得多，在多，在1148 C时可达时可达2.11% 。（铁素体最大溶。（铁素体最大溶碳碳0.0218%， 727 C ，室温时几乎为，室温时几乎为0）努力第1章 材料科学基础知识（3）渗碳体（）渗碳体（Fe3C，Cem） 渗碳体是铁与碳原渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物，子结合形成的具有金属性质的复杂间隙化合物，

33、分子式为分子式为Fe3C，w(C)为为6.69%。 渗碳体硬度很高，约渗碳体硬度很高，约800 HV，但极脆，塑性，但极脆，塑性和韧性几乎为零，强度和韧性几乎为零，强度 b约为约为30MPa 。 在铁碳合金中属于强化相。不能作为基体相在铁碳合金中属于强化相。不能作为基体相或单独作为合金相使用。或单独作为合金相使用。努力第1章 材料科学基础知识（4）珠光体（）珠光体（P） 铁素体与渗碳体的机械混合铁素体与渗碳体的机械混合物，非单一相，是共析反应的产物，成分物，非单一相，是共析反应的产物，成分w(C)为为0.77%。 铁素体与渗碳体一般成片状交替分布，有时铁素体与渗碳体一般成片状交替分布，有时渗碳

34、体也成球状。渗碳体也成球状。 珠光体综合了铁素体和渗碳体的性能特点，珠光体综合了铁素体和渗碳体的性能特点，因而具有优良的综合机械性能，是钢铁合金中的。因而具有优良的综合机械性能，是钢铁合金中的。基本组织基本组织 。努力第1章 材料科学基础知识1.5.3 1.5.3 固态相变固态相变 1 1、钢在加热时的转变、钢在加热时的转变 按照钢的含碳量，可以把钢分为亚共析钢按照钢的含碳量，可以把钢分为亚共析钢w(C)0.77%、共析钢、共析钢w(C)=0.77%和过共析钢和过共析钢w(C)0.77% 。加热时，奥氏体加热时，奥氏体 转变。转变。努力第1章 材料科学基础知识a 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 起始

35、晶粒度起始晶粒度珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度 实际晶粒度实际晶粒度具体热处理或工艺条件下所获得的奥具体热处理或工艺条件下所获得的奥氏体晶粒大小（实际）氏体晶粒大小（实际） 。本质晶粒度本质晶粒度表示钢在规定条件下奥氏体表示钢在规定条件下奥氏体长大倾长大倾向性向性的高低的高低 。本质粗晶粒钢本质粗晶粒钢 本质细晶粒钢本质细晶粒钢 晶粒尺寸晶粒尺寸温度温度 T努力第1章 材料科学基础知识2 2、钢在冷却时的转变、钢在冷却时的转变 （1 1）珠光体类型转变）珠光体类型转变 努力第1章 材料科学基础知识（2 2）贝氏体类型转变）贝氏体类型转变 上贝氏体（上贝氏体（B

36、U，B上上）。形成温度）。形成温度550350 oC。塑变抗力低，易引起脆断。工程上不用。塑变抗力低，易引起脆断。工程上不用。 下贝氏体（下贝氏体（BL，B下下）。约在）。约在350 oCMs形成。形成。 强度、韧性和塑性强度、韧性和塑性高，具有优良的综合力高，具有优良的综合力学性能，在工业中得到学性能，在工业中得到广泛应用。贝氏体钢，广泛应用。贝氏体钢，陶瓷。陶瓷。 努力第1章 材料科学基础知识 当奥氏体获得极大过冷时（如共析碳钢过冷至当奥氏体获得极大过冷时（如共析碳钢过冷至230 oC以下），将转变为马氏体类型组织。马氏体以下），将转变为马氏体类型组织。马氏体是碳在是碳在 -Fe中的过饱和

37、固溶体，用符号中的过饱和固溶体，用符号M表示。表示。 （3 3）马氏体类型转变）马氏体类型转变板条马氏体板条马氏体 低碳马氏体低碳马氏体 片状马氏体片状马氏体 高碳马氏体高碳马氏体 薄片马氏体薄片马氏体 努力第1章 材料科学基础知识 马氏体性能马氏体性能。马氏体的。马氏体的硬度硬度主要取决于马氏主要取决于马氏体的体的含碳量含碳量。随着含碳量增加，马氏体硬度增高，。随着含碳量增加，马氏体硬度增高，含碳量达倒含碳量达倒w(C)0.6%时，硬度接近最高值，进一时，硬度接近最高值，进一步增加碳含量，硬度变化趋于平缓。步增加碳含量，硬度变化趋于平缓。 钢中的钢中的合金元素合金元素对马氏体硬度几乎没有影响

38、，对马氏体硬度几乎没有影响，但可以显著影响其强度。但可以显著影响其强度。 低碳马氏体低碳马氏体具有相当高的塑性和韧性，因而具有相当高的塑性和韧性，因而具有具有优良的综合力学性能优良的综合力学性能。片状马氏体的塑性和。片状马氏体的塑性和韧性很差，但硬度较高。韧性很差，但硬度较高。 努力第1章 材料科学基础知识1.5.4 1.5.4 材料热处理材料热处理 1 1、过冷奥氏体转变曲线图、过冷奥氏体转变曲线图 温度温度/oC时间时间/sA1MSVK等温转变等温转变C曲线（曲线（TTT图）图） 连续转变曲线图（连续转变曲线图（CCT图）图） 用处很大用处很大努力第1章 材料科学基础知识2 2、热处理工艺

39、、热处理工艺 将工件加热到适当温度，保温一定时间，加将工件加热到适当温度，保温一定时间，加热得到的组织均匀化后缓慢冷却（一般为随炉冷热得到的组织均匀化后缓慢冷却（一般为随炉冷却）的工艺称为退火处理。却）的工艺称为退火处理。 （1 1）退火）退火完全退火 铸、锻件和轧制型材，焊件，降低铸、锻件和轧制型材，焊件，降低硬度、细化组织，便于切削加工硬度、细化组织，便于切削加工 球化退火 高碳钢的锻、轧件，降低硬度、改善高碳钢的锻、轧件，降低硬度、改善切削加工性，后续热处理作组织准备切削加工性，后续热处理作组织准备 努力第1章 材料科学基础知识等温退火 与完全退火和球化退火相同，但周期缩与完全退火和球化

40、退火相同，但周期缩短，工艺易于控制，特别适合于大件及短，工艺易于控制，特别适合于大件及合金钢件的退火合金钢件的退火 均匀化退火扩散退火 合金钢铸锭、铸件、锻件或锻坯，消合金钢铸锭、铸件、锻件或锻坯，消除偏析和组织不均匀。扩散退火后再除偏析和组织不均匀。扩散退火后再进行完全退火或正火进行完全退火或正火 去应力退火 无相变退火。消除各类制件的残余应无相变退火。消除各类制件的残余应力，提高尺寸稳定性，防止变形开裂力，提高尺寸稳定性，防止变形开裂 努力第1章 材料科学基础知识（2 2）正火）正火 加热至加热至Ac3或或Acm以上以上3050oC，然后在空气，然后在空气中均匀冷却的热处理工艺。中均匀冷却的热处理工艺。 正火后的组织，亚共析钢为正火后的组织，亚共析钢为F+S，共析钢为，共析钢为S，过共析钢为过共析钢为S+Fe3C 。 正火目的：正火目的：对普碳钢、低合金钢和力学性能要对普碳钢、低合金钢和力学性能要求不高的结构件，作为求不高的结构件，作为最终热处理最终热处理；用于低碳钢或；用于低碳钢或低合金钢的低合金钢的预先热处理预先热处理，以调整硬度，改善切削加，以调整硬度，改善切削加工性能；用来