教学课件 金属学与热处理-崔忠圻

1、金属学与热处理A Metallography and heat-treatment 多媒体教学课件课 时：56 教 材：金属学与热处理 1 课程研究的对象、目的及要求 一 研究对象、任务和目的 1 研究的对象 金属和合金。 什么是金属？什么是合金？ （1）金属的性质 * 高的导电性和导热性； * 金属光泽； * 良好的延展性(塑性)； * 不透明绪论 即：具有正的电阻温度系数。* * *电阻随温度升高而升高 金属与非金属的本质差别 t=0 (1+T)T非金属金属 某些纯金属在绝对零度附近的超导电性(2) 金属与合金的定义金属定义：具有正的电阻温度系数的物质。合金定义：一种金属元素与另一种或几种

2、其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。 试用金属键模型解释： 金属特性(3) 金属中原子的结合方式 在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子, 所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有, 所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用而使金属原子结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为金属键。非金属中：离子键、共价键等结合键强, 具饱和性较高硬度结合键极强、方向性很高硬度、无塑性2 本课程的主要任务： 研究金属与合金的化学成分、加工工艺、组织结构和性能四要素及四要素之间的关系与变化规律。 此亦为材料科学的研究内容

3、 实际中我们最关心的是性能 举例： b(MPa)铝合金 400600铜合金 60070040钢(退火态) 50040钢(调质态) 800性能取决于什么因素呢？ 化学成分不同，性能不同 纯铝 40 纯铜 60 纯铁 200 化学成分相同，处理方式不同，性能不同0.8C 的钢锯条800，冷却方式不同 一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断； 另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲90 不断。 又如： 石墨和金刚石均由碳原子构成， 但性能迥异。 原因：碳原子的空间排列方式不同 即内部组织结构不同提高材料性能的主要途径： 一方面改变材料的化学成分，另一方面改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。*材

4、料科学研究的四要素及相互关系线： 性 能Performance加工工艺Process化学成分Composition组织结构Construction内因外因 （1）原子结构：取决于原子种类什么是组织结构？材料不同层次的结构（2）晶体结构：原子在空间的排列方式合金相形貌金属多晶体结构 显微组织（3）组织结构（显微组织）： 在不同放大倍数放大镜、显微镜下观察到的金属的内部形貌原子种类;内部原子排列的方式;合金元素的存在方式;内部不同尺度的各种结构缺陷 材料的组织结构取决于:3 目的 利用上述四要素关系和规律：（1）进行科学研究；（2）指导生产实践；（3）研制新合金材料。二、本课程内容 1 金属材料科

5、学研究内容： 成分、组织结构、工艺、性能 其课程体系： 金属学、金属热处理、金属材料学、 金属性能、材料分析技术与方法等 2 本课程主要内容: 金属学： 第一 第八章 金属热处理：第九 第十章 金属材料学：第十一章 第十三章 (1)掌握金属材料的基本概念、基本理论与基本实验方法；(2)掌握金属材料的成分、组织结构、工艺、性能间关系的一般规律；(3)了解金属材料常用的分析方法，主要是金相分析方法。四 参考文献：(1)材料科学基础, 西安交通大学, 石德珂(2)工程材料, 朱张校，清华大学出版社, 2000 (3)工程材料, 丁厚福，武汉理工大学出版社, 2001三 要求：一、金属材料性能的种类2

6、 金属材料力学性能 金属材料加工过程： 冶炼铸造铸锭板棒型管焊接机加工冷轧冷拔深冲锻件铸件机加工：车、铣、刨、磨零件或构件热轧热锻工艺性能使用性能故材料性能包含使用性能与工艺性能两方面：1 使用性能 ：在使用条件下所表现的性能 力学性能(强度、硬度、塑性、韧性等)； 物理性能（光、电、磁等）； 化学性能 (抗氧化性、抗腐蚀性等)； 其它性能(耐磨性、热硬性、消振性等)；2 工艺性能： 材料制备、加工过程中所表现的 铸造性能（流动性、收缩、偏析等)； 压力加工性能、冷加工性能、锻造性能等； 切削加工性； 焊接性； 热处理性能； 等等二、力学性能： 工程材料在外力作用下所反应出来的性能 又称机械性

7、能 主要包括：强度、塑性、硬度、韧性等强度与塑性的测定借助应力应变曲线结构材料最重要、最基本的性能应力: = P/A0 (MPa)应变: = L/L1 =(L1-L0)/L01 应力应变曲线 拉伸实验测定 变形三阶段： (1) 弹性变形、 (2) 塑性变形、 (3) 断裂弹性变形塑性变形断裂 低碳钢的应力应变曲线应变应力低碳钢应力应变曲线(1) 弹性变形:特点： 应力撤消后, 变形消失； 应力与应变成正比关系； 总变形量很小：1% 主要性能指标： 弹性极限e ：保持弹性变形的最大应力，MPa 弹性模量E： =E(2 ) 塑性变形: 应力撤消后, 变形仅部分消失，存在残余、永久性的变形。特点：(

8、1)变形具永久性、不可逆性(2)应力与应变非正比关系；(3)变形量较大可以塑性加工的原因残余变形量弹性变形量sb塑性变形中的重要指标: 承受的应力大小： 断裂前塑性变形量的大小: 抗拉强度(b): 抵抗最大均匀塑性变形的应力值屈服强度(s): 抵抗微量塑性变形的应力值断后伸长率()、断面收缩率( )三、力学性能及指标（一）强度 材料抵抗变形或断裂的能力称为。1 弹性极限(e ) ：规定弹性极限r0.012 屈服强度：材料开始发生明显塑性变形时的应力值 (s ), Mpa 。 (1) 实质是抵抗微量塑性变形的抗力。 (2) 无明显屈服现象时采用条件屈服极限0.2 规定残余伸长率为0.2%时对应的

9、应力值s0.2bbe 低碳钢与铸铁的应力应变曲线 断裂与塑性变形是材料失效的形式3 抗拉强度：材料在破断前所承受的最大应力值（ b ） , Mpa 。 产生最大均匀塑性变形的抗力。 存在颈缩现象不均匀塑性变形注意： 塑性变形中: s 2 （二）塑性 材料断裂前发生永久不可逆变形的能力。 (1) 伸长率（ ）：试样拉断后标距的增长量与原始标距长度之比; = (L断后-L原始)/ L原始%=L / L0 % (2) 断面收缩率（ ）：试样拉断处横截面积的缩减量与原始横截面积之比. = (A原始- A断后)/ A原始%=A / A0 % 、越高，材料的塑性越好 通常 5% 脆性材料 塑性的意义： 成

10、形 安全（三）硬度 材料抵抗另一硬物压入其内的能力，即受压时抵抗表面局部塑性变形的能力。 衡量材料软硬程度的指标 硬度与强度间存在一定关系(1) 布氏硬度(HB)较软材料有色金属 (2) 洛氏硬度(HR)硬度中等钢铁材料 具体：HRA、HRB、HRC 其中HRC：软硬范围较宽，应用最广 维氏硬度(HV) 较硬材料显微硬度(HV) 测定材料内部微区的相、组织的硬度球面压痕单位表面积上所承受的平均压力值较软材料：有色金属、灰口铸铁等 布氏硬度(HB)通常碳素钢：bHB测定压痕深度 HR=(k-h)/0.002 注：h: 压痕深度 k:常数，0.2或0.26mm;0.002mm: 一个洛氏硬度单位适

11、合测量的材料HRA：硬质合金 ； HRC: 淬火钢HRB: 低碳钢、铜合金、铁素体可锻铸铁 洛氏硬度：维氏硬度： 压痕单位表面积上所承受的平均压力值金刚石正四棱锥体压头 硬度表示方法：HBS200 HBW400HRA55 HRB30 HRC45HV900 HV1100F（四）韧性 当加载速度极快时，不能用静载荷下的 s、 b作失效判据。1 引入冲击韧性(k) : 材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力用破坏材料时所消耗的功衡量,是强度与塑性的综合指标 ，k；或，kk =Ak/s金属的k与温度直接相关：（1）T，k（2）存在韧脆转变温度Tk ：当T Tk 时，金属为脆性状态k 脆性区韧性区当材料内部

12、存在裂纹缺陷时： 2 断裂韧度KIc裂纹尖端产生应力集中应力被放大 当、a达到某临界值时,裂纹失稳扩展，此时的KI称为断裂韧度KIc 材料抵抗裂纹失稳扩展的性能引入应力场强度因子：应力大小裂纹尺寸裂纹形状工程材料：制造工程构件和机械零件、 工具、特 殊性能材料(耐蚀、耐高温) 分类：按原子间结合键的性质分一、金属材料： 黑色金属：铁和以铁为基的合金 纯铁、钢、铸铁、铁合金 占工程材料的90 有色金属：黑色金属以外所有金属、合金 轻金属、难熔金属、贵金属等 金属键(过渡金属含少量共价键)3 工程材料的分类二、 陶瓷材料陶瓷定义： 由一种或多种金属元素(含半金属元素如Si等)同一种非金属元素形成的

13、化合物。 CaO、TiO2、Al2O3、SiC、Si3N4 CaTiO3、MgAl2O4、 传统：硅酸盐类材料 现今：各种无机非金属材料的统称 不含碳氢氧结合的化合物离子键为主硬度高、脆 普通陶瓷：硅、铝氧化物的硅酸盐材料 特种陶瓷：高熔点的氧化物、碳化物、氮 化物、硅化物等的烧结材料 金属陶瓷：金属与碳化物或其他化合物的粉末冶金制品 发展：纳米技术陶瓷增韧三、高分子材料： 有机合成材料、聚合物 大分子化合物：共价键、分子键 较高强度、良好的塑韧性、 较强的耐腐蚀性、优良的绝缘性 工程塑料、合成纤维、合成橡胶 四、复合材料： 金属基复合材料、非金属基复合材料 目前非金属材料的应用：5%6% 金

14、属材料仍是最主要的工程材料思考题 1 简述本课程的主要内容以及本课程的基本任务； 2 金属材料的性能与哪三大因素有关，提高材料性能的两条主要途径是什么？ 3 材料的性能包括哪两个方面？说明下列符号所表示的意义及量纲： e、s、b、0.2、ak 、HB、HRC、Hv； 4 什么是强度？塑性？硬度？韧性？第六章金属的塑性变形和再结晶 6.1 金属的变形特性6.2单晶体的塑性变形6.3多晶体的塑性变形6.4塑性变形对金属组织与性能的影响6.5冷变形金属的回复与再结晶6.6金属的热加工6.7超塑性6.2单晶体的塑性变形滑移滑移系滑移的位错机制刃位错的运动螺位错的运动混合位错的运动孪生6.3多晶体的塑性

15、变形不同时性不均匀性协调性只有处在有利位向（取向因子最大）的晶粒的滑移系才能首先开动每个晶粒的变形量各不相同，而且由于晶界的强度高于晶内，使得每一个晶粒内部的变形也是不均匀的。多晶体的塑性变形是通过各晶粒的多系滑移来保证相互协调性。根据理论推算，每个晶粒至少需要有五个独立滑移系。6.3多晶体的塑性变形不同时性不均匀性协调性6.4塑性变形对金属组织与性能的影响形成纤维组织6.4塑性变形对金属组织与性能的影响形成形变织构6.4塑性变形对金属组织与性能的影响形成形变织构6.4塑性变形对金属组织与性能的影响亚结构细化点阵畸变严重随着变形量的增加，位错交织缠结，在晶粒内形成胞状亚结构，叫形变胞金属在塑性

16、变形中产生大量点阵缺陷（空位、间隙原子、位错等），使点阵中的一部分原子偏离其平衡位置，而造成的晶格畸变。6.4塑性变形对金属组织与性能的影响各向异性形变强化形成了纤维组织和变形织构变形过程中，位错密度升高，导致形变胞的形成和不断细化，对位错的滑移产生巨大的阻碍作用6.5冷变形金属的回复与再结晶6.5冷变形金属的回复与再结晶6.5冷变形金属的回复与再结晶3）杂质与合金元素退火温度越高，再结晶晶粒越粗4）变形温度5）退火温度杂质与合金元素，细化晶粒变形温度越高，再结晶晶粒越粗再结晶晶粒大小的控制1）冷变形程度变形度越大，晶粒越细小2）原始晶粒尺寸原始晶粒越细，再结晶晶粒越细T再（K）= (0.35

17、0.4) T熔（K）6.6金属的热加工改善铸态组织缺陷出现纤维组织可使铸态组织中的气孔、疏松及微裂纹焊合，提高金属致密度，某些高合金钢中的莱氏体和大块初生碳化物可被打碎并使其分布均匀等。在热加工过程中铸态金属的偏析、夹杂物、第二相、晶界等逐渐沿变形方向延展，在宏观工件上勾画出一个个线条，这种组织也称为纤维组织。6.6金属的热加工第二章 纯金属的结晶 结晶 ： 金属由液态转变为晶体金属的过程 金属生产的第一步 本章目的： 1 介绍金属结晶的基本概念和基本过程 2 阐明金属实际的结晶组织及其控制一、结晶的概念与现象 结晶概念: 物质由液态转变为具有晶体 结构的固相的过程称为1 金属的结晶 纯金属结

18、晶时的热分析曲线特点： 冷却曲线( T-t )低于熔点才发生结晶存在结晶平台1 金属结晶的宏观现象： (1) 过冷现象 金属在低于熔点的温度结晶的现象 (2) 结晶过程伴随潜热释放 结晶潜热：液相结晶为固相时释放的热量。2 金属结晶的微观过程:金属结晶的微观过程: （1）形核 从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核)的过程 （2）长大 晶核由小变大长成晶粒的过程 实际金属最终形成多晶体注： 单个晶粒由形核长大 多个晶粒形核与长大交错重叠 * 当只有一个晶核时 单晶体 * 晶核越多，最终晶粒越细二 金属结晶的条件1 热力学条件 热力学：研究系统转变的方向和限度 转变的可能性 热力学第二定律：

19、在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。 即G = G(转变后) G(转变前) S固结晶时只有存在T 才 能 保 证：G V= GS GL r0 时， 系统的G 0 结晶过程可发生； 形成稳定晶核 随 r ， G 晶核长大为系统自由能降低过程； 晶核可长大r0当 r 0, 热力学上结晶不可发生，但液相中结构起伏的稳定状态不同： 当 r rk 时， 随 r ， G 晶胚尺寸减小为自发过程会瞬间离散, 只能保持结构起伏状态，不能长大。r0 当 rk r r0时， 随 r ， G 晶胚长大为自发过程 即该尺寸区域的晶胚不再瞬间离散，而为稳定且可长大的 。r0注意

20、： 实际当rk r 0, 按热力学理论LS不能发生，然而: rk ：为临界晶核尺寸 原因:过冷液体中存在能量起伏, 其中高能区可能使G 0, 此时：结晶总阻力 形核功：过冷液体形核时的障碍 Gk 1/3 (4r2k) 1/3 Sk 代入球形晶胚自由能表达式可得： 事实上，只要 r rk, 即为稳定晶核。原因： 液体中除结构起伏外，还存在能量起伏 故形核功可以依靠能量起伏来补偿结论： 除结构起伏外，形核还借助能量起伏条件 形核功的影响因素 ：随T ，G即：增大过冷度，可显著降低形核阻力 （3） 形核率（N = cm -3 s 1）： 单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。 意义: N 越大，结

21、晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。形核率控制因素: N = N1 N2 N 1 受形核功影响的因子；(T, N 1) N 2 受扩散控制的因子。(T, N 2) T对N的影响矛盾、复杂实际纯金属： 随T, N; 且T =0.2Tm金属玻璃2 非均匀形核（非自发形核）： 晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。见教材50：公式222图211非均匀形核特点： 形核功； T=0.02Tm 远小于均匀形核 结晶时形核要点1、必须要有过冷度T，晶胚尺寸rrK。2、rK与T成反比。T rK。3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏 液体中的自然现象。4、结晶必须在一定温度下进行(扩

22、散条件)5、在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀形核进行。 均匀形核T=0.2Tm 非均匀形核T=0.02Tm 二 晶核的长大 1 液固界面类型 光滑界面 粗糙界面 为原子尺度当显微观察时， 恰好相反小平面界面非小平面界面光滑界面: 液固界面截然分开 粗糙界面: 液固界面犬牙交错 金属多为粗糙界面 2 晶核长大的机制 光滑界面有两种机制：(1) 二维晶核长大机制 速度很慢 (2) 晶体缺陷长大机制 结构上存在台阶时 如螺型位错速度较 (1) 快 粗糙界面主要有一种机制：(3) 垂直长大机制（连续长大） 界面上所有位置均为生长点： 垂直界面连续长大； 长大速度远较(1)(2)快； 金属晶体长大

23、的主方式 3 晶体的生长形态（1）液固界面前沿温度分布 正温度梯度温度分布: 液相温度随至界面距离增加而提高。靠近模壁处负温度梯度温度分布: 液相温度随至界面距离增加而降低。（2） 晶体的生长形态 (一) 正温度梯度下 光滑界面: 易于形成具有规则形状的晶体。(100)密排面(简单立方中)，长大速度慢(101)非密排面，长大速度快最终外表面为密排面 粗糙界面: “平面长大”方式平面晶 (二) 负温度梯度下 “枝晶生长”方式树枝晶常见 会解释树枝晶形成 1 粗糙界面 2 光滑界面 多为小平面树枝状晶体 有时为规则外形晶体三、晶粒大小及控制 1 晶粒大小对材料性能的影响 常温下，金属的晶粒越细小，

24、强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。 但高温下晶界为弱区，晶粒细小强度反而下降，但晶粒过于粗大会降低塑性 。此时须采用适当粗晶粒度。 2 铸造中晶粒大小的控制 形核率越大，长大速度越小，则单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。 单位体积中的晶粒数目为： ZV=0.9（N / G）3 / 4 细化晶粒： 提高形核率N， 降低晶核长大速度G工业上常用的方法：（1）增加过冷度 过冷度增大，N、G均增大，但N提高的幅度远高于G增加过冷度 加大冷却速度（2）变质处理 添加固相微粒或表面非均匀形核 变质处理定义：在浇注前往液体中加入变质剂(孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶核，该工艺称为。孕育剂选择原则： 点

25、阵匹配：即结构相似、尺寸相当。 孕育剂熔点远高于金属本身 如- Fe为 f c c 结构 a0.3652nm Cu也为 f c c 结构 a0.3688nm 在液体Cu中加入少量Fe，可促进形核。 又如 Zr 能促进 Mg 的非均匀形核 Ti 能促进 Al 的非均匀形核。（3）振动、搅动： 机械方法、电磁波搅拌、 超声波搅拌等。2 金属铸锭的组织与缺陷 1、铸锭三晶区1表层细晶区2中间柱状晶区3中心等轴晶区铸锭结构图（一）表层细晶区 形成原因： （1）过冷度T大。 （2）模壁作为非均匀形核的位置。特点：晶粒细小，组织致密， 机械性能好， 薄，无实用意义（二）柱状晶区 形成原因： (1) 细晶区

26、形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度T较低，不易形成新的晶核； (2) 细晶区中某些取向有利的晶粒可以显著长大； (3)晶体沿垂直于模壁 (散热最快)相反方向择优生长成柱状晶。特点：组织粗大而致密； 为“铸造织构”铸造织构：铸造过程中形成的一种晶体学位向一致的铸态组织称为。 又称“结晶织构”注意：晶粒外形(外貌)与晶粒取向的差别另有：形变织构细晶区中：晶粒的无序取向柱状晶区中：晶粒的一致取向最大散热方向（三）中心等轴粗晶区 形成原因： （1）液体温度全部降到结晶温度以下，可同时形核。 （2）未熔杂质、冲断的枝晶分枝可作为非均匀形核的核心。 （3）散热失去了方向性，各方向长大速度相差不大。 长成

27、等轴晶。 由于过冷度T不大，晶粒较粗大。 等 轴 晶 柱 状 晶优点： 无方向性，无明显弱面，热加工性能好。缺点： 显微缩孔多，致密性差。优点：结构致密缺点： 1、由于结晶位向一致，性能有方向性，热加工性能差 2、两个不同方向柱状晶的结合处杂质多、强度低，称为弱面，热轧时易破断。 等轴晶和柱状晶体性能比较2 铸锭组织的控制 一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某些情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。塑性好金属铝、铜等发展柱状晶塑性相对较低的金属、钢等发展等轴晶（一）促进柱状晶生长的方法： 总体：(1) 加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力 促进散热的方向性(2) 降低液相内部非均匀形核的可能性

28、具体： (1) 提高铸锭模的冷却能力。 如： 金属模代替砂型模； 增加金属铸模的厚度等 注意：此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件 原因：若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率）。 例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器， 连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。（2）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。 具体：提高浇注温度与浇注速度。（3）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。 熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。例如： 1、磁性铁合金方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方向。 发展柱状晶，获得

29、最好的磁学性能。 2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的强度。 使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用柱状晶制备燃气轮机叶片定向凝固生产技术与装置叶片感应加热炉 单晶制备方法（三）、发展等轴晶，限制柱状晶的方法 降低浇注温度和浇注速度，减小液体过热度，在液体中保留较多非均匀形核核心； 小铸件：可用过冷度的方法形核率； 大铸件：变质处理；3、金属铸锭组织缺陷自学 缩孔 气孔 夹杂物 小结: 具有临界晶核尺寸的晶胚驱动力GS-GL阻 力S能量起伏与结构起伏类似，是一种自然存在，瞬时出现，大小不等形核功具有临界晶核尺寸的晶胚(液相)转变为晶

30、核(固相)时须外界提供的阻力，第二章 习题与思考题1 什么是晶体，什么是非晶体？简述二者在结构与性能上的差别。2 金属常见的晶体结构由哪几种，Fe、Cu、Al、Ni、Pb、W、Mo、V、Ti、Zn、Mg等各属于哪种晶体结构？3 在体心立方晶胞中画出以下晶面或晶向： （121）（101）（321）（121）， 121101321121 4 金属结晶包括哪两个过程，结晶的条件是什么？什么叫过冷度？5 晶粒大小对材料的机械性能有何影响，影响铸态晶粒大小的主要因素是什么？铸造实际中如何控制金属晶粒大小？何谓变质处理？6 金属铸锭的组织有何特点，存在哪些缺陷？7 讨论：什么是金属材料的组织结构？金属的实

31、际结构是怎样的？金属中晶体缺陷主要有哪些？这些缺陷是否是性能上的缺陷？第三章 二元合金的相结构与相图 本章目的： 1 讨论合金中的相概念及其类型； 2 介绍各种类型的基本二元相图； 3 说明相图与合金性能间的对应关系本章要求：1 组元、相、组织、组织组成物等基本概念；2 固溶体和化合物的本质区别和性能特点；3 掌握分析相图的基本方法；4 正确运用杠杆定律。 合金: 一种金属元素与另一种或几种其它元素，经熔炼或其它方法结合而成的具有金属特性的物质。 Pb-Sn合金, 钢（Fe-C）, 锡青铜(Cu-Sn(14%)）1 合金的相结构组元组成合金最基本的、能独立存在的物质。 Fe-C合金：Fe(组元

32、一)-Fe3C(组元二)合金系由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系统。例：Fe-C: 90%Fe-10%C、 80%Fe-20%C、 50%Fe-50%C、 20%Fe-80%C Fe-Cr-C根据组元数分为： 二元合金 、三元合金 、 多元合金。 合金相 指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。(phase) 金属或合金均由相构成单相合金、多相合金。 用、等表示例：纯铁、钢中的相 纯铁：-Fe； 钢：铁素体()渗碳体(Fe3C)；相相Fe3C 相纯铁0.45%C 钢 相结构，实指合金的晶体结构（一）固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均

33、匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体。（二）金属化合物 定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物。一、相的分类二 合金的相结构 （一）固溶体 1、固溶体的分类 * 按溶质原子在晶格中所占的位置分类 置换固溶体（1）置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体代位固溶体 90 Cu-10Ni合金 例： C 固溶于Fe中形成间隙固溶体 铁素体 C 固溶于Fe中形成间隙固溶体 奥氏体（2）间隙固溶体 溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。间隙固溶体 * 按固溶度分类 （1）有限固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度

34、就不再溶解，这个限度称为固溶度。 （2）无限固溶体溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。按溶质原子在固溶体中分布是否有规律分类（1）无序固溶体 溶质原子随机地分布于溶剂晶格中。 （2）有序固溶体 溶质原子按一定的规律分布在溶剂晶格中。CuAu中Cu原子：简单四方晶系亚点阵Cu3Au中Cu原子：体心四方晶系亚点阵有序固溶体特点： 溶质原子可形成自己的亚点阵 一定条件下固溶体可在有序和无序间相互转化： 温度、成分例：Fe-Al合金室温下, 成分变化时： a. FeAl (25%atm)合金 无序相：相 b. FeAl (25%35%atm)合金 有序相：Fe3Al c. FeAl(3

35、5%50atm)合金 有序相：FeAl成分固定，温度变化时： Fe3Al： 950：完全无序固溶体Fe3Al金属间化合物新材料2 置换固溶体及影响因素 金属元素之间一般都能形成置换固溶体，但固溶度往往相差很大。 如Cu: Ni无限互溶， Zn最大溶解度为39%， Pb几乎不溶解于铜。 受元素间原子尺寸、化学亲和力、结构类型等影响。（1）原子尺寸因素 组元间原子半径越相近，固溶度越大。 原因：溶质原子引起溶剂晶格的点阵畸变，产生畸变能，晶格畸变能越高，晶格越不稳定，当畸变能高到一定程度，溶质原子将不再能溶入固溶体，只能形成其它新相。溶剂与溶质原子的尺寸差别可用r/r 衡量： r/r =(r溶剂

36、- r溶质)/ r溶剂 （2）负电性 S原子、Al原子与Fe原子大小相差接近， 但Al在Fe中溶解度大负电性因素 负电性: 指元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力。 可衡量元素间的化学亲和力，即形成化合物的倾向性 取决于两元素在周期表中的位置，相距越远，负电性相差越大，越易形成化合物。 元素间负电性相差越小，越易形成固溶体，而且固溶体的固溶度也较大。r/r分别为：0.12、0.18dAl=2.85; dS=2.08；dFe=2.54（3）晶体结构因素 晶体结构相同，溶解度较大。 无限固溶体溶质的晶体结构与溶剂的晶体结构一定相同( 如Cu-Ni合金等) 例Fe合金： Ni、Co、Cr、

37、V与Fe原子尺寸差别 B.C.C 中； c. 间隙固溶体只能是有限固溶体。4 固溶体的结构特点 (1) 保持着溶剂的晶格类型； (2) 晶格发生畸变 (3) 偏聚与（短程）有序 (4) 有序固溶体（长程有序化） 当固溶体发生偏聚或有序化时，强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。5 固溶体的性能 （1）固溶体强硬度高于组成它的纯金属，塑韧性低于组成它的纯金属; （2）物理性能方面，随着溶质原子的，固溶体的电阻率，电阻温度系数，导热性。 固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象 固溶强化 金属材料的主要强化手段或途径之一 例如：南京长江大桥采用廉价的16Mn，其中含1.2%1.

38、6%Mn，抗拉强度较相同碳含量的普通碳素钢提高60；*固溶强化的特点： (1) 溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大； (2) 间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。 （3）综合机械性能好。适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。固溶体的应用：（1） 结构材料的基体相；（2）精密电阻、电热材料等 材料种类b(MPa)HBS(%)纯Cu2204470Cu+19%Ni单相固溶体3907050(二)、金属化合物1 正常价化合物 特点：成分固定不变，可用化学式表示。 如Mg2Si、Mg2Sn、Mg

39、S、MnS等。具有较高的硬度，脆性较大。常作为有色金属的强化相。2 电子化合物 不遵守原子价规律，而是按一定的电子浓度的比值形成的化合物。电子浓度不同，化合物的晶格类型也不同。 硬、脆，有色金属强化的相 特点：虽用化学式表示，但成分可变 FeAl (Al：36.5%50atm); 有序化现象 其它： NiAl; CuZn; CuAl 3 间隙相和间隙化合物 过渡族元素和原子半经较小的氢、氮、碳、硼组成。 r非 / r金 0.59时，形成复杂晶体结构的化合物间隙化合物。 (1) 间隙相 性能：极高的熔点和硬度。 如：VC; TiC; W2C 用途：硬质合金和高硬度工模具的重要组织组成。 (2)

40、间隙化合物 如钢中的 Fe3C、Cr23C6、Fe3W3C等。 性能：很高的熔点和硬度，但不如间隙相用途：钢中的重要强化相。固溶体间隙固溶体置换固溶体有限固溶体无序固溶体有限固溶体无限固溶体无序固溶体有序固溶体小 结金属化合物正常价化合物电子化合物间隙化合物间隙相间隙式金属化合物 2 二元合金相图的建立 给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包含哪些相，这由内、外因条件决定，外因是温度和压力，内因则是化学成分 用相图来表示它们之间的关系。 几个概念： 相图: 表示合金系中的状态(相)与温度，成分之间关系的图解。又称状态图或平衡图 相变：相与相之间的转变；相平衡与平衡相： 合金系统在一定的外界条

41、件下(温度、压力)，经历任意长时间后，合金中各相的成分都是均匀、不变的，且各相的相对重量也不变，则各相处于平衡状态，称之为相平衡；这时的相称为这种条件下的平衡相。如纯铁，在常压下： 1538以上 L为平衡相。 在1538时 L和相两相平衡状态 一、二元相图的表示方法 在常压下， 直角坐标系； 合金成分； 温度； 相状态。组元组元成分线结晶或相变起始点结晶或相变终止点B点相状态: 单相A点相状态: L +两相Cu-Ni二元合金相图LL +二、二元相图的建立 热分析法； 金相法； 膨胀法； 电阻法等。热分析法 3 典型相图分析一、匀晶相图 1 定义：两组元在液态和固态均无限互溶的二元合金相图。 如

42、CuNi、AgAu、CrMo等合金系 2 相图分析 3 合金结晶过程 4 相律 5 二元相图的杠杆定律 液相线 固相线 CuNi二元相图 冷却曲线点：A：纯Cu理论熔点; B：纯Ni理论熔点线：AB: 液相线; AB: 固相线； 区间：两个单相区：L 相、相 一个两相区：L+相区匀晶转变式： L 原始成分为k的合金： Tt1: L (100%) T= t1: L(开始)注： L(100%)+(0%) T= t2: L注： L+ T= t4: L(结束)注：L(0%)+(100%) T t4 : (100%) 单相区: 实际座标点两相区: 液(固)相成分在温度水平线与液(固)相线的交点处相成分判

43、定方法液(固)相线的意义: (1) 表征了各成分合金的结晶起始(终止)温度;(2)表征了各温度下液固两相达到平衡时液(固)相的成分 4 相律（P7374）相律表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和相数之间的关系。数学表达式：f = c - p +2系统自由度系统组元数平衡相数恒压条件下： f = c - p +1* 二元合金系最多存在三相平衡* 二元合金系相邻相区的相数相差1 5 杠杆定律 用于确定二元相图中两相区各相的相对含量。証明: 设液相质量为 WL ， 固相的质量为W， 则合金的总质量为 WL+ W有: WLCL+ WC=(WL+ W) C W(C-C)= WL(C- CL)arb

44、 若将合金成分C的 r 点看做支点，将WL、W看做作用于a 和 b 的力，则相当于力学中的杠杆定律形象的比喻。 W= ( ar / ab )W0 WL = ( rb / ab )W0 杠杆定律只适用于二元相图的两相区arb 6 固溶体合金的结晶特点 与纯金属相比, 固溶体结晶特点： (1) 异分结晶 结晶出的晶体与母相化学成分不同，这种结晶称为或选择结晶。 (2) 结晶需要在一定的温度范围内进行结论：（1）匀晶转变式：L；（2）单相区相成分与合金原始成分一致， 即坐标点成分；两相区成分：液相成分在液相线上，固相成分在固相线上(与温度水平线的相交点)；（3）与纯金属不同，合金的结晶过程是在一定温

45、度范围内进行的，不同温度下两平衡相的成分不相同，量也不同，两相的相对量可依据杠杆定律计算得出。5 枝晶偏析 现象：枝晶内部化学成分不均匀 枝晶偏析理论上：冷却速度无限缓慢时，扩散使先凝固与后凝固的固溶体成分均匀一致，即固溶体晶体的长大过程是平衡不平衡平衡循环往复直到最后相图规定的平衡成分。 原因： 合金凝固：L时在一定温度范围内结晶，树枝晶主干在较高温度先凝固，枝及边部在较低温度后凝固；实际上： 冷却过程非无限缓慢，扩散不完全 枝晶内部中心区域与边部区域化学成分不均匀称之为枝晶偏析影响晶内偏析的因素（1）分配系数k0 k0 = k / kL : 一定温度下液固两平衡相中的溶质浓度之比值。k0

46、1时, k0越小偏析越小。 实质是与液相线和固相线间的水平距离或成分间隔有关间隔越小，偏析越小。k0 1 k0 1 晶内偏析对合金的机械性能不利。 可用高温扩散退火(固相线下100200)的方法减轻或消除又称均匀化退火（2）溶质原子扩散能力：扩散能力大偏析小（3）冷却速度：一般V小，偏析小 但V过大时，因晶粒细小而成分均匀6 区域偏析: 固溶体合金由于不平衡结晶造成大范围内化学成分不均匀的现象 应用：区域提纯7 成分过冷 过冷度：Tm-T实际 由T实际改变引起的过冷 热过冷相图成分分布成分过冷区（1）成分过冷定义： 固溶体结晶过程中，尽管液相实际温度分布一定，但由于液相中溶质分布发生变化，改变

47、了液相的熔点，这种由成分变化引起的过冷现象称为。（2）成分过冷对晶体成长形状和铸锭组织的影响 金属一般为粗糙界面: 纯金属: 取决于液固前沿温度分布 正温度梯度平面晶； 负温度梯度树枝状 固溶体： 取决于液固前沿温度分布+成分过冷 负温度梯度树枝状但正温度梯度下： 随成分过冷程度增大分别形成平面晶、胞状晶和树枝晶。G1：仍为正温度梯度； 平面晶G2：小的成分过冷区； 胞状晶G3：相当于负温度梯度； 树枝晶Al-Cu合金三种晶粒组织平面晶胞状晶树枝晶平面晶所需过冷度较大，工业实际中通常达不到，故金属、固溶体合金铸件组织一般为树枝晶组织。二 二元共晶相图 1 定义：两组元在液态无限互溶，在固态时相

48、互有限互溶，发生共晶转变，形成共晶组织的二元系相图称为二元共晶相图。 Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Pb-Bi 等合金系相图都是二元共晶相图。 共晶转变式： L （液）（固）+ （固）2 相图分析液相线: AEB ； 固相线: ACEDB固溶体溶解度线： FC, GD共晶线： CED 水平线；共晶点：E 点EABCDFG相 区： 单相区 ：L、 两相区： L+、L+、+ 三相区： L+共晶转变式： LE M + N3 结晶过程分析 (1) 成分(共晶成分)结晶过程EABCDFG冷却曲线结晶过程示意图 E : 共晶点(包含共晶的成分与温度)共晶转变式：LE C+ DEABCDFGLLLEC

49、 + DLE F + G实际转变过程复杂：注意：(1) 共晶转变产物(+) 多相邻间隔协同长大，称为共晶体或共晶组织；CF+GDG+F(2)共晶体中随后析出的二次相多依附于原共晶体生长，故往往观察不到。EABCDFG亚共晶成分： CE亚共晶转变式： L c + (C +D)+ LC + LE C+ (C+D)L成分F+G+(F+G)先共晶相共晶体(组织) (2) 成分(亚共晶成分)结晶过程EABCDFGL + ( LE + D ) (C +D) +DL成分 (F+ G) +G 过共晶成分： ED过共晶转变式： D + (C +D)先共晶相共晶组织 (3) 成分(过共晶成分)结晶过程EABCDF

50、G 成分为匀晶转变 (A-C; D-B)L ( L + ) F+GL成分 (4) 成分(匀晶成分)结晶过程 其它形状共晶相图4 合金的组织构成EABCDFG 亚共晶合金： + 成分在FG之间的合金均由 +相构成；但不同合金中两相的形成过程与形貌各不相同。共晶合金与过共晶合金呢？(先共晶和共晶) (和共晶)各成分合金的组织构成EABCDFG先共晶+ +(+)共晶先共晶+ +(+)共晶(+)共晶+例题：计算Pb-30%Sn合金冷却到室温时的相构成与组织构成，共晶体中各相所占的比例以及的百分含量。EABCDFG4问题：共晶体中两相所占的比例如何计算?5 共晶组织形态 共晶体(共晶组织)定义： 由共晶

51、反应形成的细密的两相或多相机械混合物共晶组织形态：见 P 91层片状棒状球状针状共晶组织形态针状螺旋状蛛网状放射状Pb-Sn共晶合金Pb-Sn亚共晶合金Pb-Sn过共晶合金Pb-Sn合金的显微组织6 共晶系合金的不平衡结晶现象（1）伪共晶 定义：由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为 形成条件： 过冷度或冷却速度控制在右图阴影区（2）离异共晶 定义：当先共晶相数量较多而共晶组织较少时，先共晶相形成后，共晶组织中与先共晶相相同的那一相会依附在先共晶相上上生长， 形成条件：成分控制在M或N附近致使另一相单独存在于晶界，从而失去共晶组织的特征，这种两相分离的共晶称为 Al-4%Cu合金的铸态组织 均

52、匀退火后三 包晶相图 1 定义：两组元在液态无限溶解，在固态相互有限溶解，并发生包晶转变的二元合金系相图。 PtAg、SnSb、CuSn、CuZn 包晶转变式： L + 单相区 L、；两相区 L、L、三相区 P D C（包晶转变线） 包晶转变2 相图分析 液相线 A C B 固相线 A P D B 溶解度曲线： P E、D FPtAg合金+ L(P + LC)DLDF+E组织组成：+PtAg合金组织组成：+ LP + LCP+ DLDP+(P+LC)PtAg合金 组织组成： + LP + LCLC + DLDLC+(P+LC)+ 实际中受扩散条件限制，包晶转变往往不完全 非平衡态共晶、包晶、共

53、析反应图型与反应式比较共析转变： 一个固相中同时析出两个新的固相稳定化合物的相区呈直线 Mg2Si Fe3C四 相图与合金性能之间的关系（一）机械性能和物理性能固溶体强硬度较纯金属高纯金属导电性较固溶体高线性共晶成分附近性能突变（二） 铸造性能铸造缺陷： 偏析、疏松、缩孔等 结晶的温度范围、成分范围越大，偏析、缩孔等越严重。铸造性能取决于结晶区间：液固相线之间距离越大(温度和成分的间距)，铸造性能越差。结论： 纯金属、共晶体铸造性能最好流动性好偏析倾向小减少分散缩孔为集中缩孔偏析倾向（三） 锻造、压力加工及切削加工性能 单相固溶体的锻造与压力加工性能较佳，但切削加工性能不好； 合金为两相混合物

54、时，切削加工性能较好，但锻造与压力加工性能较差。总体： 单相固溶体不宜制作铸件而适于承受压力加工；铸造材料应当选用共晶体尽可能多的合金 关于相构成与组织构成：第三章 习题与思考题1 解释下列名词： 合金 组元 相 组织 2 什么是固溶体？什么是金属间化合物？二者在结构、性能与应用上各有何不同？3 什么是固溶强化？该强化方式有何特点？Mn和C在钢中的强化效果哪个大？为什么？4 有形状相同的两个Cu-Ni合金铸件，一个含50Ni，一个含10Ni，铸件自然冷却后，哪一个铸件的偏析严重？5 为什么铸造合金常选用共晶成分的合金？6 讨论：Pb-Sn合金相图如下所示：(1) 试标出各区域的组织；(2) 指

55、出组织中含最多和最少的成分；(3) 指出组织中含共晶体（）最多和最少的成分，(4) 指出最容易和最不容易产生枝晶偏析的成分；(5) 含30Sn的Pb-Sn合金在183刚结束共晶反应时和室温时，各具有何种相构成与组织构成？第四章 铁碳合金 本章是本课程的重点章 本章目的： 1 介绍铁碳相图的基本组元和基本相； 2 分析铁碳相图，讲解各种典型成分铁碳合金的结晶过程和其成分组织性能间关系；说明铁碳相图的基本应用； 3 介绍各种碳钢的牌号及应用。本章重点：（1）重要概念：铁素体 奥氏体 珠光体 莱氏体 共晶渗碳体 共析渗碳体 二次渗碳体（2）熟记铁碳相图，弄清重要温度与成分点、重要线意义；铁碳合金中各

56、种相的本质与特征；（3）典型铁碳合金的结晶过程分析，室温平衡组织中相及组织组成物相对量的计算；熟悉各组织特征（4）掌握铁碳合金的成分组织性能之间的关系 1 铁碳合金与铁碳相图铁碳合金应用最广泛的合金 一 铁碳合金中的基本相和基本组织 (一) 纯铁的晶体结构与性能 1 纯铁冷却中晶体结构的变化： 1538 1394 912 L Fe Fe Fe bcc fcc bcc 纯铁在冷却中经历两次同素异构转变A4A3A2(770)居里点(顺磁性与铁磁性转变温度)具有固态相变是钢铁材料能够热处理的前提与原因之一2 纯铁的显微组织 单相的Fe3 纯铁(工业纯铁)的性能 强度低(b=180230MPa); 硬

57、度低(50HBS80HBS)、软; 塑性好(:3050； :70 80 ) 铁磁性4 应用： 仪器仪表用软磁铁芯（二） 铁碳合金中的基本相和基本组织 1 基本组元： Fe、C 2 基本相： （1）铁素体(或 F ) ： 定义: C在体心立方Fe中的间隙固溶体 但C在Fe中的溶解度极小: 0.0008% (20) 0.0218% (727) 性能: 强硬度低(50HBS80HBS)， 塑韧性好(:70 80 ; Ak=160J ) 与工业纯铁同良好塑韧性钢中基体相（2）奥氏体(或 A ) 定义：C在面心立方Fe中的间隙固溶体 溶碳量较大： 0.77% (727) 2.11% (1148) 性能:

58、 强硬度较低； 塑性较好, 变形抗力较低, 易于锻压成形; 顺磁性。 热加工(塑性变形) 相 合金化后成为室温基体相(无磁性)；（3）渗碳体(Fe3C) Fe与C形成的金属化合物，含6.69%C， 复杂正交晶系。 性能 强度低：b= 30MPa; 硬度高：800HB 无塑性：=0; =0; Ak=0 弱的铁磁性(0.9%后，强度反而下降；原因： 与构成相或组织的性能有关。 铁素体相: 软韧相， 渗碳体相：硬脆相； 珠光体组织的性能介与两者之间: 强韧 F P Fe3Cb(MN/m2) 230 750 30 (%) 50 20 0 a k (J/cm2) 160 30 0 HB 80 200 8

59、00 硬度： 非组织敏感性能 主要取决于相构成，包括组成相的硬度和相对数量，而受它们的形态的影响相对较小。 相构成： FFe3C 随碳含量增加，高硬度的Fe3C增多而低硬度的F减少，故合金硬度线性增大，从80HBS(100%F)增大到800HBW(100%Fe3C) 亚共析钢硬度与相构成或碳含量关系： HB80w(F) % + 800w(Fe3C) %强度： 对组织形态很敏感。故不仅与相构成有关，更主要的与组成相的形态、分布即组织构成有极大关系。亚共析钢： F先+P构成，均为韧性组织，强度与硬度一致。随碳含量增加，钢中强韧的P组织数量增加，而强硬度很低的F先不断下降，故合金强度随硬度增大而增大

60、；b (0.30.4)HB HRC 40 b 8.61103/(100-HRC)HRC 40过共析钢： Fe3C先+P，为韧性组织脆性组织 与脆性组织(Fe3C先)的形态直接相关： C0.9%1.0%后，随C而陡降。出现网状Fe3CFe3C为沿晶粒状塑韧性： Fe3C极脆相，无塑、韧性；合金塑性变形完全由 F 提供，随C%增高， F不断减少，故塑韧性不断下降。思考题： 试从化学成分、相构成、组织构成等方面对工业纯铁、钢、白口铸铁的机械性能进行分析、比较、解释。 (三) 对工艺性能的影响 1 切削加工性能 材料的硬度太软,容易粘刀,切削热大,影响表面粗糙度; 材料的硬度太硬,刀具磨损严重。 钢的