KJ11263_机械工程材料2版资料

1、机械工程材料主编 赵程 杨建民多媒体制作 赵海霞 绪绪 论论第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能第二章第二章 工程材料的基础知识工程材料的基础知识第三章第三章 金属的塑性变形与再结晶金属的塑性变形与再结晶第四章第四章 钢的热处理钢的热处理第五章第五章 金属材料金属材料第六章第六章 非金属材料和复合材料非金属材料和复合材料第七章第七章 常用机械工程材料的选用常用机械工程材料的选用绪 论1.1 1.1 材料与人类文明材料与人类文明1.2 1.2 工程材料的分类工程材料的分类1.3 1.3 课程性质与任务课程性质与任务1.1 1.1 材料与人类文明材料与人类文明 材料是人类作来制作各种

2、产品的物质，是先于人类存在的，为材料是人类作来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，为 人类生活和生产的物质基础。人类生活和生产的物质基础。一、材料一、材料二、二、人类发展与材料人类发展与材料人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：人们按照在使用中占主导地位的材料划分历史：石器时代石器时代陶器陶器青铜器青铜器铁器铁器钢铁（资本主义大工业时期）钢铁（资本主义大工业时期）合成材料（合成材料（2020世纪）世纪）复合材料（复合材料（2020世纪世纪4040年代）年代）三、三、材料科学技术材料科学技术现代文明的支柱之一现代文明的支柱之一 人与动物的区别：人与动物的区别： 1 1、制造工具（本质）、制

3、造工具（本质） 2 2、能源的利用、能源的利用 3 3、信息的传播和保存、信息的传播和保存支撑人类文明大厦的四大支柱技术：支撑人类文明大厦的四大支柱技术：材料科学与技术材料科学与技术生物科学与技术生物科学与技术能源科学与技术能源科学与技术信息科学与技术信息科学与技术1.2 1.2 工程材料的分类工程材料的分类一、按来源分为天然材料和人工材料一、按来源分为天然材料和人工材料二、接用途分为功能材料和结构材料二、接用途分为功能材料和结构材料 三、按化学性质分为三、按化学性质分为： 金属材料金属材料 陶瓷材料（离子键和共价键，离子键为主）陶瓷材料（离子键和共价键，离子键为主）高分子材料（共价键、分子键

4、和氢键，共价键高分子材料（共价键、分子键和氢键，共价键为主）为主）。四、工程材料的常见分类四、工程材料的常见分类 1 1 无机材料无机材料（金属、（金属、 金属间化合物、无机非金属材金属间化合物、无机非金属材料（料（ 玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷）玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷） 2 2 有机材料有机材料（有机天然材料、有机合成高分子材料）（有机天然材料、有机合成高分子材料） 3 3 复合材料复合材料 （金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化（金属基、陶瓷基、树脂基、金属间化合物基）合物基） 1.3 1.3 课程性质与任务课程性质与任务1 1、性质、性质 在机械设计过程中不可避免地要对工程材料的选在机械设计过程中不可

5、避免地要对工程材料的选择、应用与加工等问题进行科学系统的分析并予以择、应用与加工等问题进行科学系统的分析并予以全面正确的解决。全面正确的解决。“机械工程材料机械工程材料”课程正是为实现课程正是为实现这一目标而设置的。这一目标而设置的。 2 2、任务、任务 通过本课程的学习使学生在获得工程材料一般知通过本课程的学习使学生在获得工程材料一般知识的基础上，识的基础上，了解常用材料成分、组织、性能和加了解常用材料成分、组织、性能和加工工艺之间的关系及其用途，从而使其初步具备合工工艺之间的关系及其用途，从而使其初步具备合理选择材料和使用材料、正确选择加工方法及安排理选择材料和使用材料、正确选择加工方法及

6、安排制定加工工艺路线的能力，制定加工工艺路线的能力，也为后继有关课程的学也为后继有关课程的学习奠定必要的材料学基础。习奠定必要的材料学基础。第一章第一章 工程材料的力学性能工程材料的力学性能 本章内容本章内容 1.1 1.1 材料的强度与塑性材料的强度与塑性1.2 1.2 材料的硬度材料的硬度1.3 1.3 材料的冲击韧性材料的冲击韧性1.4 1.4 材料的疲劳强度材料的疲劳强度1.5 1.5 材料的断裂韧度材料的断裂韧度 重点掌握重点掌握 各种力学性能指标（强度各种力学性能指标（强度, , 塑性；冲击韧性；硬度塑性；冲击韧性；硬度HBHB，HRCHRC，HVHV；疲劳强度，断裂韧性。）的物理

7、意；疲劳强度，断裂韧性。）的物理意义和单位。义和单位。1.1材料的强度与塑性材料的强度与塑性1.拉伸试验及拉伸曲线2.拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义一、静载单向静拉伸应力一、静载单向静拉伸应力应变曲线应变曲线 1.1.拉伸试样拉伸试样：长试样：长试样：L L0 0= =1010d d0 0短试样：短试样：L L0 0= =5 5d d0 0LF0 0低碳钢拉伸曲线低碳钢拉伸曲线脆性材料拉伸曲线脆性材料拉伸曲线2.2.拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：拉伸机上，低碳钢缓慢加载单向静拉伸曲线：纵坐标为应力纵坐标为应力 单位单位 MPa(MN/mm )MPa(MN/mm )， 横坐标为应变

8、横坐标为应变 其中：其中：=F/S=F/S 表示材料抵抗变形和断裂的能力表示材料抵抗变形和断裂的能力（L L1 1-L-L0 0）/L/L0 03.3.曲线分为四阶段：曲线分为四阶段： 1 1）阶段）阶段I I（opeope）弹性变形阶段弹性变形阶段 p: Fpp: Fp ，e: Fe e: Fe （不产生永久变形的最大抗力）（不产生永久变形的最大抗力） opop段：段：L PL P 直线阶段直线阶段 pepe段：极微量塑性变形（段：极微量塑性变形（0.001-0.005%)0.001-0.005%) 2 2）阶段）阶段IIII（essess）段）段屈服变形屈服变形 S: S: 屈服点屈服点

9、FsFs 3 3）阶段）阶段IIIIII（sbsb）段）段均匀塑性变形阶段均匀塑性变形阶段 b:b: Fb Fb材料所能承受的最大载荷材料所能承受的最大载荷 4 4）阶段）阶段IV(bK) IV(bK) 段段局部集中塑性变形颈缩局部集中塑性变形颈缩 铸铁、陶瓷：只有第铸铁、陶瓷：只有第I I阶段阶段 中、高碳钢：没有第中、高碳钢：没有第IIII阶段阶段二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义二、拉伸曲线所确定的力学性能指标及意义1 1刚度和弹性刚度和弹性 刚度刚度材料在受力时，抵抗弹性变形的能力材料在受力时，抵抗弹性变形的能力。 E=/ E=/ 杨氏弹性模量杨氏弹性模量 GPa, MPaGPa,

10、 MPa 本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组本质是：反映了材料内部原子结应力的大小，组织不敏感的力系指标。织不敏感的力系指标。 弹性弹性：材料不产生塑性变形的情况下，所能承受材料不产生塑性变形的情况下，所能承受的最大应力。的最大应力。 比例极限比例极限：p=Fp/Aop=Fp/Ao 应力应力应变保持线性应变保持线性关系的极限应力值关系的极限应力值 弹性极限弹性极限：e=Fe/Ao e=Fe/Ao 不产永久变形不产永久变形的最大抗力。的最大抗力。2.2.强度：强度：材料在外力作用下抵抗材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。变形和破坏的能力。 屈服强度屈服强度 s s：材料发生微量塑性变形

11、：材料发生微量塑性变形时的应力值。即时的应力值。即在拉伸试验过程中，载在拉伸试验过程中，载荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。荷不增加，试样仍能继续伸长时的应力。 条件屈服强度条件屈服强度 0.20.2：高碳钢等无屈服点，高碳钢等无屈服点，国家标准规定以国家标准规定以残余变形量为残余变形量为0.2%0.2%时的时的应力值作为它的条件屈服强度，以应力值作为它的条件屈服强度，以0.20.2来表示来表示 抗拉强度抗拉强度 b b：材料断裂前所承受的最：材料断裂前所承受的最大应力值。大应力值。（材料抵抗外力而不致断裂（材料抵抗外力而不致断裂的极限应力值）。的极限应力值）。 s0.2 延伸率延伸率 延伸

12、率与试样尺寸有关；延伸率与试样尺寸有关；5 5、1010 (L (L0 0=5d,10d)=5d,10d) 断面收缩率断面收缩率 = =A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100%A/Ao=(Ao-Ak)/Ao x 100% 时，无颈缩，为脆性材料表征；时，无颈缩，为脆性材料表征； KIC时，裂纹失稳扩展，发生脆断。时，裂纹失稳扩展，发生脆断。KIKIC时，裂纹处于临界状态时，裂纹处于临界状态KIKIC时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。时，裂纹扩展很慢或不扩展，不发生脆断。KIC可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能可通过实验测得，它是评价阻止裂纹失稳扩展能力的力学性能指标

13、。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应指标。是材料的一种固有特性，与裂纹本身的大小、形状、外加应力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。力等无关，而与材料本身的成分、热处理及加工工艺有关。4 4应用应用断裂韧性是强度和韧性的综合体现。断裂韧性是强度和韧性的综合体现。（1 1）探测出裂纹形状和尺寸，根据）探测出裂纹形状和尺寸，根据K KICIC ，制定零件工作，制定零件工作是否安全是否安全K KK KICIC，失稳扩展。，失稳扩展。（2 2）已知内部裂纹）已知内部裂纹2a2a，计算承受的最大应力。，计算承受的最大应力。（3 3）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部

14、宏观）已知载荷大小，计算不产生脆断所允许的内部宏观裂纹的临界尺寸。裂纹的临界尺寸。5.Titanic沉没原因沉没原因I第二章 工程材料的基础知识对材料的认识：宏观；微观。对材料的认识：宏观；微观。材料结构材料结构-微观认识。如：晶体结构微观认识。如：晶体结构 重点掌握重点掌握 1. 1. 有关晶体结构的基本概念：金属键，晶面，晶向，有关晶体结构的基本概念：金属键，晶面，晶向，晶体，晶格，晶粒，单晶体，晶体，晶格，晶粒，单晶体，三种常见的金属晶格三种常见的金属晶格。实际晶体的缺陷实际晶体的缺陷；2. 2. 合金相结构的基本类型：合金相结构的基本类型：固溶体、化合物及混合物，固溶体、化合物及混合物

15、，以及这些合金相结构的结构特点与性能特点。以及这些合金相结构的结构特点与性能特点。3.3.金属的金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律及其影响因素；其影响因素；4.4.二元合金相图的基本概念：二元合金相图的基本概念：相、组织、组元、相图、相、组织、组元、相图、合金、合金系等；合金、合金系等； 5.5.二元合金相图的分析方法，二元合金相图的分析方法，熟悉几种最基本的二元熟悉几种最基本的二元合金相图；合金相图；6.6.杠杆定律及其应用。杠杆定律及其应用。7.7.纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变；8.8.铁碳合金的基本组织；铁碳合金的基本组织；铁素体、奥

16、氏体、渗碳体、珠铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体光体、莱氏体的结构和性能特点及显微组织形貌；的结构和性能特点及显微组织形貌；9 9. .铁碳合金相图中各点、线、区的含义，了解成份、温铁碳合金相图中各点、线、区的含义，了解成份、温度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析度、组织、相之间的关系和变化规律，根据相图，分析各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；各种典型成份的铁碳合金的结晶过程；10.10.铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系；铁碳相铁碳合金的成份、组织与性能之间的关系；铁碳相图的应用。图的应用。 一般要求一般要求 1.1.晶格的致密度，晶体的各向异性；晶格的致密度，晶体的各向

17、异性；2.2.金属中的扩散。金属中的扩散。 3.3.复习并进一步熟悉强度，塑性等机械性能指标复习并进一步熟悉强度，塑性等机械性能指标 4.4.形成稳定化合物的相图；形成稳定化合物的相图；5.5.合金相图与性能的关系；合金相图与性能的关系；6.6.各类特殊性能铸铁的成分，组织，性能特点和应用；各类特殊性能铸铁的成分，组织，性能特点和应用；7.7.白口铁的组织与性能白口铁的组织与性能教学内容2.1 2.1 金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织 2.2 2.2 合金的相结构合金的相结构2.3 2.3 纯金属的结晶纯金属的结晶2.4 2.4 合金的结晶合金的结晶2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金

18、相图2.1金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织1.晶体与非晶体晶体与非晶体3.实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构4.晶体中的扩散晶体中的扩散2.金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体1.晶体晶体：指原子呈规则、指原子呈规则、周期性周期性排列的固体。排列的固体。常态下金属主要以常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体非晶体：原子原子呈呈无规则堆积，和液体相似，亦称为无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。2. 2.

19、 区别区别(a)(a)是否具有周期性、对称性是否具有周期性、对称性(b)(b)是否长程有序是否长程有序(c)(c)是否有确定的熔点是否有确定的熔点(d)(d)是否各向异性是否各向异性金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态Si2O的结构的结构二、二、金属的晶体结构金属的晶体结构1.1.金属的晶体结构金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。式。1 1）理想晶体理想晶体实际晶体的理想化实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界三维空间无限延续，无边界严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。原

20、子在其平衡位置静止不动原子在其平衡位置静止不动2 2）理想晶体的晶体学抽象）理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子空间规则排列的原子刚球模型刚球模型晶格（刚球抽象为晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小晶胞（具有周期性最小组成单元）组成单元） 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空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间格架。直线的交点（即原子中心）称。直线的交点（即原子中心）称结点结点。由结点形成由结点形成的空间的阵列称的空间的阵列称空间点阵空间点阵。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

21、规律的最小几何单元. .3）晶胞的描述 晶体学参数：a,b,c,晶格常数：a,b,c4)晶系：晶系：根据晶胞参数不同，根据晶胞参数不同， 将晶体分为七种晶系。将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c, = =90 , =120 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5）原子半径：）原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原晶胞中原子密度最大方向上相邻原 子间距的一半。子间距的一半。6)晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。一

22、个晶胞内所包含的原子数目。7)配位数配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的晶格中与任一原子距离最近且相等的 原子数目。原子数目。8)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。2.三种典型的金属晶体晶胞三种典型的金属晶体晶胞1）体心立方晶胞）体心立方晶胞BCCBodyCenteredCube晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、 W、Mo、V、Nb等等b）面心立方晶胞FCC Face-Centere Cube 晶格常数：晶格常数：

23、aa42r ：原原子子半半径径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、 Cu、Pb等等c)密排六方晶胞密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等（d）BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶 胞 原子数 配位数 致密度 FCC a=b=c,= =90o 2 8

24、68% BCC a = b = c , =900 4 12 74% HCP a=b c,c/a=1.633, =90o, =120o a/2 6 12 74% 3、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶体中各方位上的原子面称晶面晶面各方向上的原子列称各方向上的原子列称晶向晶向1）晶面指数晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：其确定步骤为：确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。坐标轴上的截距。取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，取三个截距值的倒数并按比例化为

25、最小整数，加圆括弧，形式为加圆括弧，形式为（hkl）。XYZ例一、例一、求截距为求截距为1, , 晶面的指数。晶面的指数。截距值取倒数为截距值取倒数为1,0,0，加圆括弧得（，加圆括弧得（100）例二、例二、求截距为求截距为1，2，3晶面的指数。晶面的指数。取倒数为取倒数为1，1/2，1/3，化为最小整数加圆括弧得，化为最小整数加圆括弧得(632)例三、例三、画出（画出（221）晶面。）晶面。取三指数的倒数取三指数的倒数1/2，1/2，1，化成最小整数为化成最小整数为1,1,2，即为，即为X，Y，Z三坐标轴上的截距。三坐标轴上的截距。2）晶向指数晶向指数表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号

26、称晶面指数。其确定步骤为：其确定步骤为：确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。平行线。求直线上任一点的坐标值求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为方括弧。形式为uvw。例一、例一、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。例二、例二、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，连接原点与该点的直坐标点，连接原点

27、与该点的直线即所求晶向。线即所求晶向。l(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。那些指数虽然不同，那些指数虽然不同，但原子排列完全相同但原子排列完全相同的晶向和晶面称作的晶向和晶面称作晶晶向族向族或或晶面族晶面族。分别。分别用用hkl和和表示。表示。立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：111111111111XZY说明：说明：在立方晶系中，在立方晶系中，指指数相同的晶面与晶向数相同的晶面与晶向相互垂直相互垂直。遇到负指数，遇

28、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，如晶向具有方向性，如110与与110方向相反。方向相反。XZY(221)2211101104）密排面和密排方向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密排面或或密排方向密排方向。三种常见晶格的密排面和密排方向为：三种常见晶格的密排面和密排方向为：密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方

29、晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线3体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面三实际金属的晶体结构三实际金属的晶体结构理想晶体理想晶体+ +晶体缺陷晶体缺陷实际晶体实际晶体 实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体 单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。：内部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶体多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向 异性异性 1 1晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中存实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的

30、部分和规则性的部分 a. a. 点缺陷点缺陷晶格结点处晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体或间隙处，产生偏离理想晶体的变化的变化 空位空位晶格结点处无原子晶格结点处无原子置换原子置换原子晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据间隙原子间隙原子原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙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态，使晶格发生扭曲，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称称晶格畸变晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。下降。 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错b.线缺陷线缺陷(位错位错)二维尺

31、度很小，另一维尺度很大的原子错排 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：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滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错位错。有有刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错两种类型。两种类型。刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出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，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表示。表示。半

32、原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“”表示。表示。位错密度位错密度：单位体积内所：单位体积内所包含的位错线总长度。包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)金属中的位错密度为金属中的位错密度为1041012/cm2 。位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从从 - 关系可以看出，减少或增加位错密度都可以关系可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金

33、中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)c. c. 面缺陷面缺陷一维尺度很小，而二维尺度较大的原子一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等晶界、亚晶界、表面等 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510510个原子间个原子间 距，距，位向差一般为位向差一般为20402040。位向差很小（。位向差很小（10 2 10 2 ) )的的 小晶块为小晶块为亚晶粒亚晶粒。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。亚晶 界也可看作界也可看作位错壁位错壁。四、晶体中的扩散四、晶体中的扩散1.1.扩散扩散

34、原子在晶体中移动距离超过其平均原子原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象间距的迁移现象 扩散扩散热激活过程（以克服晶格约束）热激活过程（以克服晶格约束）2 2影响扩散的因素影响扩散的因素：(1)(1)温度温度 原子能量提高原子能量提高 （最主要因素）（最主要因素） D=Doexp(-Q/RTD=Doexp(-Q/RT） Do:Do:扩散系数扩散系数(cm2/s),(cm2/s), Q Q：扩散激活能：扩散激活能 DoDo，Q Q与温度无关，决定于晶体的成分和结构与温度无关，决定于晶体的成分和结构 温度提高温度提高10-1510-15度，度，D D提高一倍。提高一倍。(2)(2)晶体结

35、构晶体结构 致密度小致密度小克服的能垒小克服的能垒小扩散容易扩散容易( (3)3)表面及晶体缺陷表面及晶体缺陷 晶格畸变晶格畸变高能态原子高能态原子激活能小（体扩散的激活能小（体扩散的0.6-0.70.6-0.7）扩散快扩散快100-1000100-1000倍倍2.2合金的相结构合金的相结构合金合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。非金属。组成合金的元素相互作组成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相

36、合金所谓所谓相相是指金属或合金中凡成分是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。有界面分开的均匀组成部分。显微组织显微组织实质上是指在显微镜下实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布形态、数量、大小和分布的组合。的组合。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化合物属化合物两类。两类。1、固溶体、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元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之一相同的固相称为固溶体A（B）。

37、）。A：溶剂：溶剂B：溶质：溶质分类分类a.a.按溶质原子的位置分按溶质原子的位置分置换固溶体置换固溶体 其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的 固溶体。固溶体。晶格类型相同晶格类型相同, ,原子半径相差原子半径相差 不大不大, ,电化学性质相近电化学性质相近. .间隙固溶体间隙固溶体溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位 置中的固溶体，置中的固溶体， 原子半径较小。原子半径较小。b.b.按溶解度分按溶解度分 有限固溶体有限固溶体 无限固溶体无限固溶体c.c.按分布有序度分按分布有序度分 有序固溶体有序固溶体 无序固溶体无序固溶体 固溶强

38、化固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。 溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错运动阻力上升位错运动阻力上升金金属塑性变形困难属塑性变形困难强度、硬度升高。强度、硬度升高。金属化合物金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同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的固相称金属化合物金属化合物。金属化合物具有金属化合物具有较高的熔点、较高的熔点、硬度和脆性硬度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其组成。其组成。当合金中出现金属化合

39、物时，可当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C正常价化合物正常价化合物符合正常原子价规律。如符合正常原子价规律。如Mg2Si。电子化合物电子化合物符合电子浓度规律。如符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度电子浓度为价电子数与原子数的比值。为价电子数与原子数的比值。间隙化合物间隙化合物由过渡族元素与由过渡族元素与C、N、B、H等小原子等小原子半径的非金属元素组成。半径的非金属元素组成。 间隙相：间隙相：r非非/r金金 0.59时形时形

40、 成的具有简单晶格结构的间隙化合物。成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如如:Fe4N、Fe2N、 W2C、TiC、VC、TiN等。等。Fe3C的晶格的晶格如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。其中其中Fe3C称称渗碳体，渗碳体，是钢中重要组是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。形成以化合物为基的固溶体。2.3 2.3 金属与合金的结晶金属与合金的结晶 1 .1 .结晶与凝固的区别结晶与凝固的区别 2.2.纯金属的冷却曲线和过冷现象纯金属的冷却曲线和过冷现象 3.3.纯金属的结晶过程纯金属的

41、结晶过程 4. 4. 金属晶粒的大小与控制金属晶粒的大小与控制雾凇雾凇一、结晶与凝固的区别一、结晶与凝固的区别 凝固凝固：LSLS S S可以是非晶可以是非晶 结晶结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一 种原子规则排列状态（晶态）的转变过程种原子规则排列状态（晶态）的转变过程 一次结晶一次结晶：LSLS晶态晶态 二次结晶二次结晶：SSSS晶态晶态二、纯金属的冷却曲线和过冷现象二、纯金属的冷却曲线和过冷现象 1.1.结晶驱动力结晶驱动力 F0F0 （不是过冷度（不是过冷度TT） 自然界的自发过程进行的热力学条件都是自然界的自发过程进行的热力学条件

42、都是F0F0 体系中各种能量的总和叫做内能体系中各种能量的总和叫做内能UU，其中可以对外，其中可以对外 做功或向外释放的能量叫自由能做功或向外释放的能量叫自由能FF，F=U-TSF=U-TS（熵）（熵） a.a.当温度当温度TTTT0 0时，时，FsFFsFL L, , 液相稳定液相稳定 b.b.当温度当温度TTTT0 0时，时，FsFFsL+-+II相组成物：相组成物：,组织组成物：组织组成物：,相相对量相相对量： 组织相对量组织相对量： 合金合金IIII：（：（ 共晶合金）共晶合金）LdgacbeL-L+(ac+e)-ac+e-af+bII+g+aIIPb-Sn共晶合金组织共晶合金组织19

43、.2室温下：相组成物室温下：相组成物，；相对量如：相对量如： 合金合金IIIIII：（：（ 亚共晶合金）亚共晶合金）L-L+a初初 -L+a 初初 +（ a c + e )- a 初初 +（ ac + e )-a +II +（ a+） 亚共晶合金组织组织组成物：（组织组成物：（+）共晶体（）共晶体（+）%=100% %=100% 组织相对量组织相对量： 在共晶温度时在共晶温度时： 室温下室温下：a初初-+II室温下：相组成物室温下：相组成物，相的相对量相的相对量：合金合金IV（过共晶合金）（过共晶合金）过共晶合金的结晶过程过共晶合金的结晶过程与亚共晶合金相似，不与亚共晶合金相似，不同的是一次相

44、为同的是一次相为 ，二二次相次相为为 。其室温组织为其室温组织为 +( + )+ 。组织标注相图组织标注相图3、二元包晶相图、二元包晶相图当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图包晶相图。以以Pt-Ag相图为例简要分析。相图为例简要分析。1）相图分析）相图分析单相区：单相区：L, ,二相区：二相区：L+ , L+ , + 三相区：三相区：L+ + （水平（水平线线PDC）L+L+L +水平线水平线PDC称称包晶线包晶线，与该线成分对应的合金在该温与该线成分对应的合金在该温度下

45、发生包晶反应：度下发生包晶反应：LC+P D。该反应是液相。该反应是液相L包包着固相着固相，新相，新相在在L与与的界面上形核，并向的界面上形核，并向L和和两两个方向长大的过程。个方向长大的过程。在一定温度下，由一个在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成液相包着一个固相生成另一新固相的反应称另一新固相的反应称包包晶转变晶转变或或包晶反应包晶反应。2）合金的结晶过程合金的结晶过程合金（合金（包晶成分合金）：包晶成分合金）：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。室温组织为室温组织为+II。合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶二次析出二次析出。室温组织为。室温组织为+II+II。合金：合金：匀晶匀晶包晶包晶匀晶

46、匀晶二次析出二次析出。室。室温组织为温组织为+II。 L+L+ +111222L3所谓所谓共析反应（转变）共析反应（转变）是指在一定温度下，由一定是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。固相的过程。共析转共析转变也是固态相变。变也是固态相变。最常见的共析转变是最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体铁碳合金中的珠光体转变转变: S P+Fe3C。4、具有共析反应的二元相图、具有共析反应的二元相图铁碳合金相图铁碳合金相图共析反应的产物是共析反应的产物是共析体共析体（铁碳合金中的共析体称（铁碳合金中的共析体称珠光体），

47、也是珠光体），也是两相的机械混合物两相的机械混合物。与共晶反应不同的是，与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而共析反应的母相是固相，而不是液相。不是液相。l另外，由于固态转另外，由于固态转变过冷度大，因而变过冷度大，因而共析组织比共晶组共析组织比共晶组织细。织细。珠光体珠光体5、二元相图的分析步骤、二元相图的分析步骤实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。分清相图中包括哪些基本类型相图分清相图中包括哪些基本类型相图确定相区确定相区1、相区接触法则、相区接触法则相邻两个相区的相数差为相邻两个相区的相数差为1。2、单相区的确定、单相区的

48、确定液相线以上为液相区；液相线以上为液相区；Fe- Fe3C相图相图靠纯组元的封闭区是以该组元为基的单相固溶体区靠纯组元的封闭区是以该组元为基的单相固溶体区；相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线；是相区分界线； 相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；单相固溶体区； 相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。3、两相区的确定：、两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻

49、单相区的相组成。该两相区的相由两相邻单相区的相组成。4、三相区的确定：、三相区的确定：二二元相图中的水平线元相图中的水平线是三相区，其三个是三相区，其三个相由与该三相区点相由与该三相区点接触的三个单相区接触的三个单相区的相组成。的相组成。恒温下由一个固相同时恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同析出两个成分结构不同的固相。的固相。 +共析反应共析反应恒温下由一个液相包着恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新一个固相生成另一个新的固相。的固相。L+ 包晶反应包晶反应恒温下由一个液相同时恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不结晶出两个成分结构不同的固相。同的固相。L L + 共晶反应共晶反应

50、说明说明反应式反应式图形特征图形特征反应名称反应名称常见三相等温水平线上的反应常见三相等温水平线上的反应四四、合金性能与相图的关系合金性能与相图的关系1 1、合金的使用性能与相图的关系合金的使用性能与相图的关系溶质元素溶质元素晶格畸变晶格畸变大大强度、硬度强度、硬度，（50%50%最大）最大）复相组织区域内（如复相组织区域内（如共晶转变范围内），共晶转变范围内），合金的强度和硬度随合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关成分的变化呈直线关系，大致是两相性能系，大致是两相性能的算术平均值。的算术平均值。HB=HBa HB=HBa * * a% + HB a% + HB * * % %对组织较敏感的性

51、对组织较敏感的性能能强度，与组成相强度，与组成相或组织组成物的形态或组织组成物的形态有很大关系。组成相有很大关系。组成相或组织组成物越细密，或组织组成物越细密，强度越高（共晶点处，强度越高（共晶点处，共晶组织呈细小、均共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，匀细密的复相组织，强度可达最高值。）强度可达最高值。）2、合金的工艺性能合金的工艺性能 铸造性能铸造性能液态合金的流动液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。向性等。 液固相线距离愈小液固相线距离愈小，结晶，结晶温度范围愈小温度范围愈小合金的流动合金的流动性好性好有利于浇注。有利于浇注。 液固相线距离大液固相线距离

52、大枝晶偏析枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，愈大，使铸造性能恶化，所所以铸造合金的成分常取共晶以铸造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或选择成分和接近共晶成分或选择结晶温度间隙最小的成分结晶温度间隙最小的成分。b.b.锻造、轧制性能锻造、轧制性能 单相固溶体合金单相固溶体合金 单相组织变形抗力小，变形单相组织变形抗力小，变形 均匀，不易开裂，塑性好均匀，不易开裂，塑性好2.5 2.5 铁碳合金相图铁碳合金相图1.1.铁碳合金的组元和相铁碳合金的组元和相2.2.铁碳合金相图分析铁碳合金相图分析 3.3.

53、典型铁碳合金结晶过程及其组织典型铁碳合金结晶过程及其组织 5.5.铁碳相图的应用及局限铁碳相图的应用及局限铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本工具工具，是研究碳钢和，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础理论基础，是，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺的依据依据。4.4.含碳量对铁碳合金组织和性能的影响含碳量对铁碳合金组织和性能的影响一、铁碳合金的组元和相一、铁碳合金的组元和相1、组元：、组元：Fe、Fe3C2、相、相铁素体：铁素体：碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶

54、体称铁素体铁素体，用，用F或或 表示。表示。碳在碳在-Fe中的固溶体称中的固溶体称-铁素体铁素体，用，用表示。表示。都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，都是体心立方的间隙固溶体。铁素体的溶碳能力很低，在在727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。铁素体铁素体奥氏体奥氏体:碳在碳在 -Fe中的固溶体称中的固溶体称奥氏体奥氏体。用。用A或或 表示。表示。是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，1148时最大为时最大

55、为2.11%。组织为不规则多面体晶粒，晶界组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，较直。强度低、塑性好，钢材热钢材热加工都在加工都在 区进行区进行。碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体渗碳体：渗碳体：即即Fe3C，含碳，含碳6.69%，用，用Fe3C或或Cm表示。表示。Fe3C硬度高、脆性大，塑性几乎为零。硬度高、脆性大，塑性几乎为零。Fe3C是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：Fe3C3Fe+C（石墨）（石墨），该反应对铸铁有重要意义。，该反应对铸铁有重要意义。由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很小，因而中的溶解度很小

56、，因而常温下碳在铁碳常温下碳在铁碳合金中主要以合金中主要以Fe3C或或石墨石墨的形式存在。的形式存在。二、铁碳合金相图的分析二、铁碳合金相图的分析1、特征点、特征点 LJNG +Fe3C +Fe3CL+Fe3CL+ + 2、特征线、特征线液相线液相线ABCD，固相线固相线AHJECFD三条水平线：三条水平线：HJB：包晶线：包晶线LB+H JECF：共晶线：共晶线LC E+Fe3C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。为蜂窝状，以表示。为蜂窝状，以Fe3C为基，性能硬而脆。为基，性能硬而脆。莱氏体莱氏体PSK：共析线：共析线 S FP

57、+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，称作珠光体珠光体，用用P表示。其组织特点是两相表示。其组织特点是两相呈片层相间分布，性能介于两呈片层相间分布，性能介于两相之间。相之间。PSK线又称线又称A1线线。珠光体珠光体L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C（3）其它相线其它相线GS,GP 固溶体转变线，固溶体转变线，GS又称又称A3线。线。HN,JN 固溶体转变线，固溶体转变线，ES碳在碳在 -Fe中的固中的固溶线。溶线。又称又称Ac m线。线。PQ碳在碳在-Fe中的固中的固溶线。溶线。3、相区、相区五个单相区：五个单相区：L

58、、 、 、 、Fe3C七个两相区：七个两相区：L+ 、L+ 、L+Fe3C、 + 、 +Fe3C、 + 、 +Fe3C 三个三相区：三个三相区：即即HJB (L+ + )、ECF(L+ + Fe3C)、PSK( + + Fe3C)三条水平线三条水平线 三、典型合金的平衡结晶过程三、典型合金的平衡结晶过程铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：铁碳相图上的合金，按成分可分为三类：工业纯铁工业纯铁(0.0008%;FC%L+A-A-A+F-F+Fe3CIII3Fe3C以不连续网状或片状分布于晶界。随温度下降，以不连续网状或片状分布于晶界。随温度下降，Fe3C量量不断增加，不断增加，合金的室温下组织为合

59、金的室温下组织为F+ Fe3C。室温下室温下Fe3C的最大量为的最大量为:%3 . 0%1000008. 069. 60008. 00218. 0QIII3CFe 2共析钢共析钢 C%=0.77%C%=0.77% L-L+A-A-A+P-PL-L+A-A-A+P-P相组成物相组成物：F F和和FeFe3 3C C F%= F%= Fe3C%=组织组成物组织组成物：P珠光体珠光体3亚共析钢亚共析钢0.0218%C%L+A-A-A+F-A+P+F-P+F相组成物相组成物：F，Fe3C45钢金相钢金相 F%=Fe3C%=含含0.45%C钢的组织钢的组织含含0.20%C钢的组织钢的组织含含0.60%C

60、钢的组织钢的组织亚共析钢室温下的组织为亚共析钢室温下的组织为F+P。在在0.02180.77%C 范围内珠光体范围内珠光体的量随含碳量增加而增加。的量随含碳量增加而增加。P%=F%=4过共析钢过共析钢L-L+A-A-A+Fe3CII-A+P+Fe3CII-P+Fe3CIIT12钢金相钢金相相组成物：F，Fe3CF%= Fe3C%= 组织组成物：P，Fe3CII 组织相对量：Fe3CII%= P%= 含含1.4%C钢的组织钢的组织5共晶白口铁（共晶白口铁（C%=4.3%）L-L+Le-Le(A+Fe3C共晶共晶)-Le(A+Fe3C共晶共晶+Fe3CII)-Le(P+Fe3CII+Fe3C)共晶