机械工程材料第1章

1、LOGO机械工程材料机械工程材料 陈刚陈刚哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(威海威海)，材料科学与工程学院，材料科学与工程学院 材料材料材料是可用于制造器皿、结构的原料。材料是具有结构、光、磁、电的用途的物质。材料是能为人类社会经济制造有用器材(或物品)的物质。肖纪美肖纪美.材料的定义及材料学的划分材料的定义及材料学的划分.材料科学与工程学报材料科学与工程学报.2006/04材料是人类从事生产和生活的物质基础。旧石器时代石器旧石器时代石器新石器时代石器新石器时代石器石器时代石器时代铲铲斧斧锄锄青铜武器青铜武器青铜鼎青铜鼎青铜货币青铜货币青铜农具青铜农具青铜时代青铜时代铁器时代铁器时代材料的发展与人

2、类社会简图材料的发展与人类社会简图材料的发展水平和利用程度是人类文明进步的标志材料的发展水平和利用程度是人类文明进步的标志按组成与结合键分：按组成与结合键分： v 1、金属材料、金属材料v 2、高分子材料、高分子材料v 3、陶瓷材料、陶瓷材料v 4、复合材料、复合材料机械工程材料机械工程材料是用于机械工程、电器工程、是用于机械工程、电器工程、建筑工程等领域的材料。建筑工程等领域的材料。LOGO高分子材料高分子材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料v以金属键结合为主以金属键结合为主 v良好的导电性、导热性、良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽延展性和金属光泽 v用量最大、应用最广泛用

3、量最大、应用最广泛黑色金属：铁、锰、铬及其合金等黑色金属：铁、锰、铬及其合金等 有色金属：轻金属有色金属：轻金属,重金属重金属,贵金属贵金属,稀有金属稀有金属 金属材料金属材料带材带材异形材异形材板材板材管材管材v以共价键和离子键为主以共价键和离子键为主v熔点高、硬度高、耐腐熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大蚀、脆性大 v分为传统陶瓷、特种陶分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类瓷和金属陶瓷三类 陶瓷材料陶瓷材料车用陶瓷灯座及绝缘体车用陶瓷灯座及绝缘体陶瓷制品陶瓷制品陶瓷发动机陶瓷发动机v以分子键和共价键为主以分子键和共价键为主v耐蚀性、电绝缘性、减耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小振性好，密度小

4、v包括塑料、橡胶及合成包括塑料、橡胶及合成纤维等纤维等 分子键分子键共价键共价键烯丙酰氯烯丙酰氯- -苯乙烯苯乙烯土木工程用有机纤维土木工程用有机纤维米其林干性车胎米其林干性车胎米其林中性车胎米其林中性车胎米其林雨胎米其林雨胎v金属基复合材料金属基复合材料v陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料v高分子复合材料高分子复合材料 玻璃纤维增强高分子复合材料玻璃纤维增强高分子复合材料把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料。F1赛车底盘为碳纤维复合材料赛车底盘为碳纤维复合材料材料的材料的性

5、能性能包括包括使用性能和工艺性能使用性能和工艺性能使用性能：在服役条件下，能保证安全可靠工作所使用性能：在服役条件下，能保证安全可靠工作所必备的性能；指机械性能、物理性能和化学性能必备的性能；指机械性能、物理性能和化学性能等；等；工艺性能：材料的可加工性；包括锻造性能、铸造工艺性能：材料的可加工性；包括锻造性能、铸造性能、焊接性能、热处理及切削性能。性能、焊接性能、热处理及切削性能。性能性能车身车身构件用钢构件用钢较好的冷较好的冷冲压性能冲压性能增压柴油机曲轴增压柴油机曲轴高的疲劳极限、高的疲劳极限、冲击冲击韧性和韧性和表面的耐磨性。表面的耐磨性。曲轴曲轴轴类用钢轴类用钢化学成分化学成分：组成

6、材料各元素在材料中的组成和浓度。：组成材料各元素在材料中的组成和浓度。加工工艺：加工工艺：车、铣、磨车、铣、磨：调整材料形状、尺寸精度：调整材料形状、尺寸精度压力加工：调整材料形状、尺寸精度，可改变组织压力加工：调整材料形状、尺寸精度，可改变组织及结构及结构焊接：材料连接，也需考虑焊接部位的组织及结构焊接：材料连接，也需考虑焊接部位的组织及结构铸造：调整材料形状、尺寸精度，可改变组织铸造：调整材料形状、尺寸精度，可改变组织热处理：可改变组织及结构热处理：可改变组织及结构组织组织：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的：用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的金属内部的情景。金属内部的

7、情景。v习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到的组织称低倍组低倍组织或宏观组织织或宏观组织。v放大放大100 2000倍的组织称倍的组织称高倍组织或显微组织高倍组织或显微组织。v在电子显微镜下放大几千在电子显微镜下放大几千 几十万倍的组织称几十万倍的组织称精细组织精细组织或电镜组织或电镜组织。钢锭的宏观组织钢锭的宏观组织显微组织显微组织电镜组织电镜组织钢的宏观组织、显微组织和电镜组织Al的高分辨透射电镜象的高分辨透射电镜象纯铁晶体的纯铁晶体的X-射线衍射谱射线衍射谱结构结构：材料中各原子的具：材料中各原子的具体组合状态。一般通过体组合状态。一般通过X-射线

8、衍射或透射电镜研究。射线衍射或透射电镜研究。含碳量对性能的影响含碳量对性能的影响亚共析钢随含碳量亚共析钢随含碳量增加，钢的增加，钢的强度、强度、硬度升高，塑性、硬度升高，塑性、韧性下降韧性下降。含碳量对工艺性能的影响含碳量对工艺性能的影响 切削性能切削性能: 中碳钢合适中碳钢合适 可锻性能可锻性能: 低碳钢好低碳钢好 焊接性能焊接性能: 低碳钢好低碳钢好 铸造性能铸造性能: 共晶合金好共晶合金好FeFe3CSQPNKJHGFEDCBAA+ Fe3CA+FL+AA+ L+ F ALL+ Fe3CF+ Fe3CA+ Fe3CA+ Fe3C+LeLeLe+ Fe3CLe+ Fe3CLeP+ Fe3C

9、+LeP+ Fe3CP+FPF+ Fe3CC%温度温度Steel with 0.4%C 化学成分确定后，加工工艺可改变材料组织和性能化学成分确定后，加工工艺可改变材料组织和性能研究材料的化学成分、加工工艺、组织、结构与性能(以力学性能为主)之间关系。课程目的课程目的：建立建立化学成分化学成分、组织结构组织结构、加工加工工艺工艺与与性能性能之间的关系，能够合理选材并设之间的关系，能够合理选材并设计零件加工工艺。计零件加工工艺。1、设计中应该考虑哪些问题？、设计中应该考虑哪些问题？2、按照什么顺序进行考虑？、按照什么顺序进行考虑？例：齿轮的选材及加工工艺例：齿轮的选材及加工工艺工作条件工作条件：高

10、速运转齿轮间存在较大的高速运转齿轮间存在较大的弯曲应力、接触弯曲应力、接触应力（应力集中于某点）、摩擦力应力（应力集中于某点）、摩擦力齿轮工作的失效形式：齿轮工作的失效形式：齿根断裂、弯曲疲劳、齿根断裂、弯曲疲劳、接触疲劳、剥落与磨损接触疲劳、剥落与磨损。性能要求性能要求：1、齿轮工作表面应坚硬耐磨（、齿轮工作表面应坚硬耐磨（针针对对接触疲劳、剥落与磨损接触疲劳、剥落与磨损）；）；2、心部应具有良好的韧性和塑性（、心部应具有良好的韧性和塑性（针对针对齿根齿根断裂、弯曲疲劳断裂、弯曲疲劳）。）。选材与加工工艺：选材与加工工艺：(1)低碳钢渗碳淬火；低碳钢渗碳淬火；(2)中碳钢感应加热表面淬火；中

11、碳钢感应加热表面淬火；(3)中碳钢调质处理加氮化处理；中碳钢调质处理加氮化处理；(4)热处理后再加表面冷塑性变形热处理后再加表面冷塑性变形(如喷丸等如喷丸等)强化。强化。设计中主要考虑：设计中主要考虑：1、根据零件的、根据零件的工作条件工作条件判断出它的判断出它的失效形失效形式式，并由此指定零件需要达到的，并由此指定零件需要达到的性能指标性能指标；2、材料的合理选取材料的合理选取(成分，结构，组织成分，结构，组织)；3、材料的、材料的加工工艺和路径加工工艺和路径。v主要参考书：主要参考书： 机械工程材料机械工程材料 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社v成绩评定方法：成绩评定方法：平时成绩

12、占平时成绩占20%(出勤出勤+作业或随堂测试作业或随堂测试)，课程结束时的期末考试，课程结束时的期末考试成绩占成绩占80%。v随机点名，两次不到，平时成绩为随机点名，两次不到，平时成绩为0；v三次旷课，本门课成绩以三次旷课，本门课成绩以0分计！分计！第一篇第一篇 金属材料基础金属材料基础第二篇第二篇 工业用钢工业用钢第三篇第三篇 铸钢与铸铁铸钢与铸铁第四篇第四篇 有色金属材料有色金属材料第五篇第五篇 非金属材料非金属材料第一篇第一篇 金属材料基础金属材料基础第一章第一章 纯金属的晶体结构与组织纯金属的晶体结构与组织第二章第二章 二元合金的相结构与组织二元合金的相结构与组织第三章第三章 金属的塑

13、性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶 应力、介质作用下的性能指标应力、介质作用下的性能指标第四章第四章 评定金属材料在评定金属材料在第一章第一章 纯金属的晶体结构与组织纯金属的晶体结构与组织第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构第二节第二节 纯金属的结晶与组织纯金属的结晶与组织第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构一、晶体结构一、晶体结构根据原子聚集态，金属包括：晶体、非晶、准晶根据原子聚集态，金属包括：晶体、非晶、准晶体体非晶体：无周期性和对称性的固体，原子或分子非晶体：无周期性和对称性的固体，原子或分子无规则排列。无规则排列。晶体：结构具有周期性和对称性的固体，原子或晶体：

14、结构具有周期性和对称性的固体，原子或分子排列规则。分子排列规则。准晶：原子或分子排列的规则程度介于晶体与非准晶：原子或分子排列的规则程度介于晶体与非晶体之间。晶体之间。 晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构原子结构模型假设：原子原子结构模型假设：原子静止不动，且为刚性小球静止不动，且为刚性小球刚性小球堆积刚性小球堆积晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。的三维空间格架。晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶胞晶胞l晶格常数：晶胞各边晶格常数：晶胞各边的尺寸的尺寸 a、b、cl各

15、棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、 表示表示l晶胞以晶胞以a、b、c为周为周期，分别沿期，分别沿X、Y和和Z方向平移，即得到方向平移，即得到该晶胞的空间点阵该晶胞的空间点阵晶胞晶胞立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜体心立方：室温下的纯铁、铬、钨等面心立方：铜、铝及911-1392oC时的铁等密排六方：铍、镁、锌等金属晶体的三种典型晶胞金属晶体的三种典型晶胞l晶胞形状和大小：晶胞形状和大小：棱边长度和夹角。棱边长度和夹角。l原子半径：原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。间距的一半。l晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内所包含的

16、原子数目。一个晶胞内所包含的原子数目。l配位数：配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。子数目。l致密度：致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。晶胞中原子本身所占的体积百分数。描述晶胞的参数描述晶胞的参数原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：配位数：配位数：致密度：致密度：晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)体心立方体心立方a/43常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等280.68原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：配位数：配位数：致密度：致密度：晶格常数：晶格常数： a(a=b=c)面心立方面心立方常见金属：常见金属：

17、-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等a/420.74 124原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：配位数：配位数：致密度：致密度：晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633密排六方密排六方a/2常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等0.74126晶格类型体心立方晶格 bcc面心立方晶格fcc密排六方晶格hcp晶胞结构晶胞常数abc 90oabc 90oab；c/a1.633 90o；120o晶胞内原子数原子半径致密度0.680.740.74配位数81212典型金属-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb

18、Mg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Cov面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格密排六方晶格的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABABAB面心立方晶格面心立方晶格的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABCABCABC多晶型多晶型-Fe -Fe -Fe比容比容:单位质量晶体的体积。单位质量晶体的体积。v晶面晶面v晶体中各方位上的晶体中各方位上的原子面称原子面称晶面晶面。v表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数。晶面指数。晶面与晶向晶面与晶向(立方晶系立方晶系)v 确定原点，建立坐标系，确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三求出所求晶面在三个坐标轴上的截距个坐

19、标轴上的截距。v 取三个截距值的倒数并按比例取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，化为最小整数，加圆括弧加圆括弧，形式为（，形式为（hkl）。）。v求截距为求截距为 、1、 晶面的指数晶面的指数 (1)截距值取倒数为截距值取倒数为0、1、0(2)加圆括弧得（加圆括弧得（010）v画出（画出（112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为化成最小整数为2、2、1，即为，即为X(a)、Y(b)、Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距v 晶向晶向v晶体中各晶体中各方向上的方向上的原子列称原子列称晶向晶向。v表示晶向的符号称表示晶向的符号称晶向指数晶向指数。v 确定原点，

20、建立坐标系，过原点作所求晶确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。向的平行线。v 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为小整数，加方括弧。形式为uvw。已知晶向指数为已知晶向指数为110, 画出该晶向。画出该晶向。找出找出1、1、0坐标点坐标点,连连接原点与该点的直线接原点与该点的直线即所求晶向。即所求晶向。110234已知某过原点晶向上一点的坐标为已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。acbv指数虽然不同，但

21、原子排列完全相同的晶向和晶面称作指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用晶向族或晶面族。分别用hkl和和表示。表示。)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、111111111111XZY说明：说明： 在立方晶系中，指数在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相相同的晶面与晶向相互垂直。

22、互垂直。1XZY(221)221110110 遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号号放在该指数的上方。放在该指数的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如 0 0与与110110方方 向相反。向相反。1v三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向密排面或密排方向。密排面密排面密排方向密排方向体心立方晶格体心立方晶格110面心立方晶格面心立方晶格111密排六方

23、晶格密排六方晶格六方底面六方底面底面对角线底面对角线三种常见晶格的密排面三种常见晶格的密排面和密排方向和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格实际金属的晶体结构为多晶实际金属的晶体结构为多晶纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图单晶体：单晶体：其内部晶格方位完全一其内部晶格方位完全一致的晶体。致的晶体。多晶体：多晶体：实际使用的金属材料是实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为成，这些小晶体称为晶粒晶粒。二、晶体缺陷二、晶体缺陷宏观组织宏观组

24、织v晶体缺陷：晶体缺陷： 偏离晶体完整性的微观区域，偏离晶体完整性的微观区域，或晶格的或晶格的不完整部位不完整部位。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即形状可分三类，即点、线、面缺陷点、线、面缺陷。 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都很空间三维尺寸都很小的缺陷小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子v空位：未被原子占据的晶格结点。空位：未被原子占据的晶格结点。v间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方

25、的四面体和八面体间隙置换原子：取代原来原子位置置换原子：取代原来原子位置的外来原子称的外来原子称置换原子置换原子。空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲态，使晶格发生扭曲(晶格局部晶格局部弹性变形弹性变形)，称，称晶晶格畸变格畸变。位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分为：分为：刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错

26、 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错v刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。的边缘就是刃型位错。v半原子面在上方时，称正位错，用半原子面在上方时，称正位错，用“ ”表示。表示。v半原子面在下方时，称负位错，用半原子面在下方时，称负位错，用“ ”表示。表示。平面示意图平面示意图v位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)v金属的位错密度为金

27、属的位错密度为1041012/cm2透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线) 面缺陷面缺陷晶界、亚晶界及孪晶界晶界、亚晶界及孪晶界晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为个原子间距，位向差一般为2040。单晶体多晶体晶界：晶粒之间的交界晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面。晶粒越细小，晶界面积越大。面积越大。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁v亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2

28、)的小晶块。的小晶块。v亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶界。亚晶界也可看作。亚晶界也可看作位错壁。位错壁。金属中晶体两部分沿某一公共面构成镜面对称的位金属中晶体两部分沿某一公共面构成镜面对称的位向关系，公共晶面为向关系，公共晶面为孪晶面孪晶面。孪晶马氏体，又称针状马氏体孪晶马氏体，又称针状马氏体实际金属的强度远远小于理想金属实际金属的强度远远小于理想金属(理论值理论值)晶体缺陷带来晶体缺陷带来晶格能量增加晶格能量增加随金属缺陷的随金属缺陷的增加，金属强增加，金属强度先降后增度先降后增。金属材料的金属材料的物理化学性能随缺陷增加也产生物理化学性能随缺陷增加也产生变化变化例如：冷

29、加工后位错密度增加，晶格畸变很大，例如：冷加工后位错密度增加，晶格畸变很大，给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使给自由电子的运动造成一定程度的干扰，从而使电阻有所增加电阻有所增加；由于位错密度增大，晶体处于高；由于位错密度增大，晶体处于高能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使能量状态，金属易与周围介质发生化学反应，使抗腐蚀性能降低抗腐蚀性能降低。晶界晶界光学显微镜下工业纯铁的组织光学显微镜下工业纯铁的组织晶界晶界晶面晶面光学显微镜光学显微镜物镜物镜经经过过物物镜镜的的漫漫射射光光线线v一一. 纯金属结晶的温度条件纯金属结晶的温度条件v二二. 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程v三三.

30、影响金属铸态组织的因素影响金属铸态组织的因素第二节第二节 纯金属的结晶与组织纯金属的结晶与组织v物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为凝固凝固。v物质由液态转变为晶态的过程称为物质由液态转变为晶态的过程称为结晶结晶。v物质由一个相转变为另一个相的过程称为物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变相变。结晶过程是相变过程。结晶过程是相变过程。S常熟pVTG纯金属液固两相体积自由能与温度关系 T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T0T1一、纯金属冷却的温度条件一、纯金属冷却的温度条件当温度大于或小于当温度大于或小于T0时，相变才可能发生。时，相变才可能发生。v

31、液态金属在理论结晶温度以下开始结晶液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称的现象称过冷过冷。v理论结晶温度与实际结晶温度的差理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称称过冷度过冷度 T= T0 T1 热分析法热分析法v金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关系曲线称系曲线称冷却曲线冷却曲线。v曲线上水平阶段所对应的温曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度度称实际结晶温度T1。v曲线上水平阶段是由于结晶曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。时放出结晶潜热引起的。 纯金属的冷却曲纯金属的冷却曲线线v过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。过

32、冷度越大。金属原子在结晶过程中的自由能变化 GLGSGA二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程液相中先形成液相中先形成微小的晶体，微小的晶体，即晶核；随后即晶核；随后晶核长大而结晶核长大而结晶。晶。固体固体金属结晶过程包括：金属结晶过程包括：形核与长大形核与长大形核方式形核方式自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）非均质形核：依附于未溶非均质形核：依附于未溶的固态杂质表面而形核。的固态杂质表面而形核。均质形核：只靠液态金属本均质形核：只靠液态金属本身在一定过冷度下形成晶核。身在一定过冷度下形成晶核。晶体生长方式晶体生长方式注：注：v纯金属结晶后由晶粒组纯金属结晶后由晶粒组成；形核越多，

33、晶粒越成；形核越多，晶粒越细小。细小。v每个晶粒以每个晶粒以“枝晶方式枝晶方式”长成；最后晶粒的规则长成；最后晶粒的规则形状被破坏。形状被破坏。 枝干会发生偏斜或折断枝干会发生偏斜或折断而产生缺陷。而产生缺陷。v初期，结晶加速进行。初期，结晶加速进行。v晶粒相互接触后，结晶过程趋于缓慢。晶粒相互接触后，结晶过程趋于缓慢。02468Time/s转变量转变量/%v形核率形核率(N)：单位时：单位时间内单位体积液体中间内单位体积液体中形成晶核的数量。形成晶核的数量。v生长速度生长速度(G)：单位：单位时间内晶核生长的线时间内晶核生长的线长度。长度。N越大，越大，G越小，晶越小，晶粒越小。粒越小。影响

34、纯金属铸态组织的因素：影响纯金属铸态组织的因素：N、 G受受过冷度和杂质过冷度和杂质影响；影响；外来杂质增加形核率，同外来杂质增加形核率，同时阻碍晶体生长。时阻碍晶体生长。细化晶粒的方法细化晶粒的方法增加冷却速度，导致增加冷却速度，导致结晶过冷度增加，使结晶过冷度增加，使得得N较大，从而实现较大，从而实现细化晶粒。细化晶粒。变质处理变质处理：液态金属中加入：液态金属中加入难熔固体颗粒难熔固体颗粒增加形增加形核率，而细化晶粒的方法。核率，而细化晶粒的方法。细化晶粒的方法细化晶粒的方法变质剂变质剂机械振动等措施也能细化晶粒。机械振动等措施也能细化晶粒。电磁含Cu4%的铝合金，凝固后的合金组织。(a

35、)无搅拌；(b)搅拌后不锈钢钢锭的宏观组织。(a)无超声振动；(b)超声振动机械振动等措施也能细化晶粒。机械振动等措施也能细化晶粒。第二章第二章 二元合金的相结构与组织二元合金的相结构与组织第一节第一节 合金的相结构合金的相结构第二节第二节 二元合金相图二元合金相图基本类型及相图分析基本类型及相图分析第四节第四节 铁碳合金相图铁碳合金相图第三节第三节 二元合金相图的二元合金相图的纯金属机械性能差，故工业上广泛应用的是合金纯金属机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。材料。例如：例如： Fe: b=250MPa C: b =0 Fe-C合金合金(0.45%C) 正火态正火态: b =610MP

36、a通过合金化改善纯金属的机械性能。通过合金化改善纯金属的机械性能。铝硅合金显微组织（硅铝分别铝硅合金显微组织（硅铝分别为合金组元）为合金组元）v合金合金是由两种或两种以上金属元素或金属和非是由两种或两种以上金属元素或金属和非金属组成的具有金属特性的物质。金属组成的具有金属特性的物质。v组元组元是指组成合金的是指组成合金的最简单、最基本、能最简单、最基本、能够独立存在的物质。够独立存在的物质。v合金化合金化是采用合金元是采用合金元素来改变金属性能的素来改变金属性能的方法。方法。第一节第一节 合金的相结构合金的相结构v合金中凡成分相同、结构相同、合金中凡成分相同、结构相同、聚集态相同，并与其它部分

37、有界聚集态相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为面分开的均匀组成部分称为相相。v组元、相及组织的关系？组元、相及组织的关系？v固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金金属间化合物属间化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金固溶体固溶体：合金中组元互相：合金中组元互相溶解溶解而形成的均匀固而形成的均匀固相；习惯以相；习惯以 、 、 表示。表示。l每种固溶体仅有一种结构；与合金晶体结构相同每种固溶体仅有一种结构；与合金晶体结构相同的元素称的元素称溶剂溶剂。其它元素称。其它元素称溶质溶质。一、固溶体一、固溶体l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固溶体置换

38、固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子v置换固溶体置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。位置所形成的固溶体。v溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体无序固溶体; 呈有序呈有序分布的称分布的称有序固溶体有序固溶体。间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。固溶体。l形成间隙固溶体的一般规律为形成间隙固溶体的一般规律为r质质/r剂剂0.59。l间隙固溶体都是无序固溶体。间隙固溶体都

39、是无序固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属原子半径较小的非金属元素元素，如如C、N、B等，而溶剂元素一等，而溶剂元素一般是过渡族元素。般是过渡族元素。v固溶体的溶解度：溶质原子在固溶体中的极限固溶体的溶解度：溶质原子在固溶体中的极限浓度。浓度。v溶解度有一定限度的固溶体称溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体有限固溶体；组；组成元素无限互溶的固溶体称成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体无限固溶体。v组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的型相同的置换固溶体置换固溶体，才有可能形成无限固溶，才有可能形成无限固

40、溶体。体。 v间隙固溶体都是间隙固溶体都是有限固溶体有限固溶体。间隙式间隙式置换式置换式固溶强化：固溶体固溶强化：固溶体中晶格畸变较大，中晶格畸变较大，随溶质原子增加合随溶质原子增加合金强度和硬度提高。金强度和硬度提高。塑性和韧性降低。塑性和韧性降低。Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶体固溶体固溶体化合物化合物二、金属间化合物二、金属间化合物l合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称同的固相称金属间化合物金属间化合物。l金属间化合物可用化学式表示，如：金属间化合物可用化学式表示，如：MnXm，但，但一般不遵循化合价规

41、律。一般不遵循化合价规律。l金属金属间间化合物化合物熔点高、硬度高，很脆，弥散分布熔点高、硬度高，很脆，弥散分布的金属间化合物可提高合金强度、硬度和耐磨性，的金属间化合物可提高合金强度、硬度和耐磨性，但降低塑性但降低塑性。l金属化合物主要有金属化合物主要有正常价化合物、电子化合物、正常价化合物、电子化合物、间隙相和具有复杂晶格的间隙化合物间隙相和具有复杂晶格的间隙化合物等。等。正常价化合物正常价化合物：符合正常原子价规律的化合物。：符合正常原子价规律的化合物。Al-Mg-Si合金中的合金中的Mg2Si成分固定不变成分固定不变如：如：Mg2Si、MnS等等v电子化合物：符合电子浓度规律的化合物。

42、电子化合物：符合电子浓度规律的化合物。如如CuZn等。等。PbPb基轴承合金中的电子化合物基轴承合金中的电子化合物价电子浓度为价电子数与原子价电子浓度为价电子数与原子数的比值数的比值。如：如： CuZn中，中，Cu价电子数价电子数为为1，而，而Zn价电子数为价电子数为2，所以所以CuZn价电子密度为价电子密度为3/2v电子浓度为电子浓度为3/2的电子化合物通常呈现体心的电子化合物通常呈现体心立方的立方的 相或密排六方结构；相或密排六方结构；v电子密度为电子密度为21/13的电子化合物呈现复杂立的电子化合物呈现复杂立方结构的方结构的相；相；v电子密度为电子密度为7/4的电子化合物多具有密排六的电

43、子化合物多具有密排六方的方的 相。相。间隙相间隙相由过渡族元素与由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非等小原子半径的非金属元素组成。金属元素组成。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。定。形成间隙相的尺寸条件是非金属原子半径与金属形成间隙相的尺寸条件是非金属原子半径与金属原子半径的比值原子半径的比值0.59。WCWC、VCVC、TiCTiC、ZrCZrC等属于间隙相。等属于间隙相。VC的的结结构构v如如Fe3C称渗碳体，是钢称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂中重要组成相，具有复杂斜方晶格。斜方晶格。Fe3C的晶格的晶格v除正常价化合

44、物外，其他类型金属间化合物的成除正常价化合物外，其他类型金属间化合物的成分可变；也可形成以金属间化合物为基的固溶体。分可变；也可形成以金属间化合物为基的固溶体。 如：化合物如：化合物AnBm晶格保持不变，过剩的晶格保持不变，过剩的B置换置换A，形成缺位固溶体；形成缺位固溶体；C也可置换也可置换A或或B，形成置换，形成置换固溶体。固溶体。 以固溶体为基，弥散分布金属间化合物，可以固溶体为基，弥散分布金属间化合物，可提高强度、硬度和耐磨性，即提高强度、硬度和耐磨性，即第二相质点强第二相质点强化或称弥散强化化或称弥散强化。第二节第二节 二元合金相图二元合金相图v相图相图是用来表示合金系中各合金在是用

45、来表示合金系中各合金在缓冷条件缓冷条件下下结晶过程的简明图解。又称结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图状态图或平衡图。v也是也是用图解方法表示不同成分、温度下合金中用图解方法表示不同成分、温度下合金中相的平衡关系相的平衡关系（组成相的关系）。（组成相的关系）。热分析法热分析法 二元相图的建立步骤为：二元相图的建立步骤为：v1. 配制配制不同成分不同成分的合金，测出各合金的冷却曲的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的线，找出曲线上的临界点临界点（停歇点或转折点）。（停歇点或转折点）。v2. 将临界点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。v3. 将垂线上相

46、同意义的点连接起来，并标上相将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。应的数字和字母。v温度在液相线以上时，合温度在液相线以上时，合金为液态金为液态(L);温度在固相温度在固相线以下时，合金为固态线以下时，合金为固态();温度在固相线和液相温度在固相线和液相线之间的区域，为固液混线之间的区域，为固液混合区合区(+L)。v结晶开始点连线叫结晶开始点连线叫液相线液相线。结晶终了点连线为。结晶终了点连线为固相线固相线。二元合金相图：匀晶相图、共晶相图和包晶相图二元合金相图：匀晶相图、共晶相图和包晶相图匀晶相图匀晶相图 LL+ 成分（成分（wt%Ni）温度（温度（）CuNi液相线固相线tA

47、tB12从液相中结晶出单一固相的转变称为从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变或匀晶反应匀晶转变或匀晶反应。两组元在液两组元在液态和固态下态和固态下完全互溶，发完全互溶，发生匀晶反应生匀晶反应时所构成的时所构成的相图称作相图称作匀匀晶相图晶相图。第三节第三节 二元合金相图的基本类型及相图分析二元合金相图的基本类型及相图分析 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线两者差别？两者差别？某成分合金任意温度下固相量和液相量？固相或某成分合金任意温度下固相量和液相量？固相或液相内溶质浓度？液相内溶质浓度？v处于两相区的合金，由相图可知道两平衡相的成处于两相区的合金，由相图可知道两平衡相的成分，用分，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。12 t 确定两平衡相的成分：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，与液固相线交点与液固相线交点a、b所对