工程材料及材料成型技术基础

1、工程材料及材料成型技术基础第1页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三1第2页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三2第3页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三3高压容器第4页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三4绪论材料毛坯的三大类成型方法： 铸造 焊接 锻造第5页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三5绪论第一篇 工程材料第二篇 材料成形技术目 录第6页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三6工 程 材 料第7页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三7绪 论第一

2、章 工程材料的结构与性能第二章 金属材料的凝固与固态相变第四章 金属材料热处理第五章 金属材料表面改性第六章 金属材料本篇内容第8页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三8绪论一、材料的发展史 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。1 . 石器时代 ：古猿到原始人的漫长进化过程。原料：燧石和石英石。2. 新石器时代：原始社会末期开始用火烧制陶器。3. 青铜器时代：夏(公元前2140年始)以前就开始了4. 铁器时代：春秋战国时期(公元前770221年)开始大量使用铁器第9页，共139页，2022

3、年，5月20日，20点4分，星期三95. 钢铁新时代 十八世纪前人们对材料的认识是非理性的,只停留在工匠和艺人的水平上 。而其后西欧和俄国工业迅速发展，钢铁需求急剧增加，推动发展出一门新学科金属学。人们才开始理性的认识材料。6. 二十世纪以来的现代 支撑人类文明大厦的四大支柱技术： 材料科学与技术、生物科学与技术 能源科学与技术、信息科学与技术 二十世纪五、六十年代钢铁基本达到鼎盛时期,其它新材料快速发展。有机合成材料、复合材料、陶瓷材料、功能材料等等。出现了很多新材料学科。第10页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三10材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家技术和国防力

4、量的重要标志之一。据粗略估计，目前世界的材料达36万多种，今后每年还将以5的增长率增加。第11页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三11二、工程材料学的任务工程材料： 制造工程结构和机器零件使用的材料工程材料学： 是材料学的实用部分,主要阐述结构材料的成分、组织、性能及应用等方面的一般规律。第12页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三12学习工程材料课程基本要求（教学目标）：1. 了解常用工程材料的成分、结构、组织和性能的关系及变化规律。2. 掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。对典型的机器零件和工具等会合理正确地选用工程材料。3. 具有正确选择一

5、般零件热处理工艺方法及确定热处理工序位置的初步能力。4. 对不同材料零件的失效，具有一定的分析问题和解决问题的能力。第13页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三13 三材料的分类 1、金属材料 黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等) 有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。 2、高分子材料 塑料主要指工程塑料。又分热塑性和热固性塑料。 合成纤维由单体聚合而成再经过机械处理成纤维材料。 橡胶经硫化处理，弹性优良的聚合物。 分通用和特种橡胶 胶粘剂分树脂型、橡胶型和混合型。第14页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三143陶瓷材料 普通陶瓷主要为硅、铝氧化

6、物的硅酸盐材料. 特种陶瓷高熔点的氧化物、碳化物、氮化物 等烧结材料。 金属陶瓷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。第15页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三15本部分重点1)工程材料的概念 制造工程结构和机器零件使用的材料2)工程材料的分类金属材料 钢铁材料 有色金属及其合金有机高分子材料塑料橡胶等陶瓷材料复合材料第16页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三16第一章 工程材料的结构与

7、性能1-1 材料原子(或分子)的相互作用 当大量原子(或分子)处于聚集状态时，它们之间以键合方式相互作用。由于组成不同物质的原子结构各不相同，原子间的结合键性质和状态存在很大区别。 第17页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三171-1 材料原子(或分子)的相互作用 1、离子键 当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，通过外层电子的重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，故称这种结合键为离子键。 离子晶体硬度高，强度大，脆性大。如氯化钠，陶瓷。 第18页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三182、共价键 当两个相同的原子或性质相差不大的原子相

8、互接近时，它们的原子间不会有电子转移。此时原子间借共用电子对所产生的力而结合，这种结合方式称为共价键。 结合力很大，硬度高，强度大，脆性大，熔点高，沸点高，挥发性低。如金刚石、SiC、BN等第19页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三19 3、金属键 金属自由原子结构的特点是具有较少的外层电子，并且电离能很小。这就决定了它们与其它元素结合时，易失去外层价电子而成为阳离子的倾向较大。金属正离子与自由电子间的静电作用，使金属原子结合起来形成金属整体，这种结合方式称为金属键。 有良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数，不透明，有特有的金属光泽，有良好的塑性变形能力，强韧性好。第2

9、0页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三204、分子键 自由原子状态已经形成稳定电子壳层的惰性气体He、Ne、Ar等和分子状态的H2、N2、02等在低温时都能结合成液态或固态，在此结合过程中，并不给出或接受电子。这种存在于中性的原子或分子之间的结合力称为分子键。 硬度低，熔点低，良好的绝缘性。如高分子材料塑料。第21页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三215、氢键 氢键是一种特殊的分子间作用力。当两种负电性大而原子半径较小的原子与氢原子结合时，氢原子与一种原子之间形成共价键，与另一种原子之间形成氢键。如FHF，OHO，NHO等。氢键的本质是静电吸引力，

10、具有饱和性和方向性。第22页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三22 晶体结合的强度用结合能表示，是指晶体分解为单个原子(或分子)所作的功，或单个原子凝聚形成晶体所放出的能量，用Jmol表示。 共价键晶体和离子键晶体的结合能约为10 5(Jmol)数量级；金属键晶体的结合能约为104(Jmol)数量级；分子键晶体的结合能约为103(Jmol)数量级。 因此，共价键晶体和离子键晶体结合最强，金属键晶体次之，分子键晶体最弱。第23页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三23晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。非晶体 原子无规则堆积，也

11、称为 “过冷液体”。非晶体 ： 蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体1-2 晶体材料的原子排列第24页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三24121 金属的晶体结构1) 晶体(从宏观上看） 晶体的特点：其原子在空间作有规律的排列。晶体的性能：具有一定的熔点和凝固点，呈各向异性。第25页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三25原子（离子）的刚球模型原子中心位置 晶体结构第26页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三26晶胞点阵（晶格）模型第27页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三27晶胞XYZabc晶格常数

12、a，b，c第28页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三28 金属晶体中的晶面和晶向XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc第29页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三292）晶格和晶胞（从微观上看） 晶格：用些假想的几何线条将晶体中原子的振动中心连接起来所构成的空间格子 。 晶胞：晶格的一个基本单元。第30页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三303）常见金属晶格形式体心立方晶格 特点：具有相当高的强度和较好的塑性。这种晶格的金属有：铬、钼、钨、钒和铁（0 912， Fe ）等。第31页，共139

13、页，2022年，5月20日，20点4分，星期三31晶格常数：a=b=c； =90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa2第32页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三32面心立方晶格 特点：塑性良好。这种晶格的金属有：铝、钢、镍和铁（912 1394，Fe)等。 第33页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三33晶格常数：a=b=c； =90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向4第34页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三

14、34密排六方晶格 属于密排六方晶格的金属有C（石墨） Be、Mg、Zn、Cd、-Co、Ti等。第35页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三35晶格常数： 底面边长a 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第36页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三361.2.2 实际晶体结构1)单晶体和多晶体 单晶体结晶方位完全一致的晶体，如单晶Si半导体。多晶体由许多外形不规则的晶体颗粒 (简称晶粒)所组成。这些晶粒内仍保持整齐的晶胞堆积。各晶粒之间的界面晶界。第37页，共139页，2022年，5月20日，20点

15、4分，星期三37 晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，其直径一般在10.001mm之间。 在多晶体中，由于各晶粒的位向不同，使其各向异性受到了抵消，造成各向性能接近相同的现象，称为各向同性 晶粒体积越大，强度、韧性等综合力学性能越差。 晶粒体积越小，强度、韧性等综合力学性能越好。第38页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三382)晶体缺陷 (1)点缺陷 是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。 空位 包括：间隙原子 置换原子等第39页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三39（2）线缺陷 是指在三维空间两维方向的尺寸较

16、小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。属于这类缺陷的主要是各种类型的位错。 位错是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。 位错最基本的形式有： 刃型位错 螺型位错第40页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三40（3）面缺陷 是指在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。 最常见的面缺陷是金属中的晶界和亚晶界。 第41页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三41实际金属中的缺陷对材料力学性能的影响:点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性，增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低;面缺陷能提高金属材料的

17、强度和塑性;细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段;第42页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三42本节重点晶体、晶格和晶胞三种典型晶格类型晶粒大小和性能的关系晶体缺陷类型第43页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三431-4 合金的晶体结构 合金由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素通过熔炼、烧结或其他结合生成的具有金属特性的物质。 如：铁碳合金、铜合金、铝合金等。第44页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三44 合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、 强

18、磁性、耐蚀性等。 组成合金的元素或稳定化合物组元。 由几种元素构成即为几元合金第45页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三45相具有相同化学成分、 相同晶体结构，并由明显分界面隔开的各个均匀组成部分。1.4.1 合金的相、组织及其关系组织用金相显微镜观察法,在金属及合金内部看到的涉及各相(晶体或晶粒)大小、方向、形状排列状况等组成关系和构造情况的微观形貌。第46页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三46合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。不同组织具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。同一种钢经过不同的热处理可以获得

19、不同的组织，从而获得不同的性能。第47页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三47 1.4.2 固溶体固溶体分类 置换固溶体 间隙固溶体 固溶体有些合金组元在凝固后溶质原子溶入溶剂晶格而形成的单一均匀的晶体第48页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三48 溶质与溶剂以任何比例都能互溶，固溶度达100，则称为无限固溶体，否则为有限固溶体。 溶质原子有规则地占据溶剂结构中的固定位置，溶质与溶剂原子数之比为一定值时，所形成的固溶体称为有序固溶体。否则为无序固溶体。-18第49页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三49间隙固溶体溶质原子与溶剂原

20、子直径之比应小于059方可。直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大。过渡族元素(溶剂)与尺寸较小的元素C 、N、H、B等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小,所以间隙固溶体都是有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。间隙固溶体都是无序固溶体。第50页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三50置换固溶体无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。置换固溶体也可以是有限固溶体和无序固溶体。两组元晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。无限固溶体形成条件两组元晶体结构相同是必要条件。溶剂原子半径rA与溶质原子半

21、径rB的相对差(rArB)rA小于8%左右时。两元素间的电负性相差越小越好。第51页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三511.4.3 金属化合物金属化合物合金各组元相互化合而形成的一种新的物质。 性能特点：具有明显的金属的性质。具有自己特殊的晶格，与各组元不同。具有较高的熔点、较大的脆性和较高的硬度。第52页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三521.4.4 合金性能1、固溶强化 溶剂的晶格发生畸变，使固溶体的强度和硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金力学性能的重要途径之一。2、第二相强化 化合物作为第二相可以提高合金材料强度的现象。 性能特

22、点：取决于化合物的数量、形状、大小与分布状况等。第53页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三53本节重点合金、相、组织的基本概念。固溶体和金属化合物的概念及其类型。固溶体和金属化合物对合金性能的影响。固溶强化概念及其强化原理。第54页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三541-5 高聚物的结构 高聚物分子中含原子数很多、分子量很大的物质。是由一种或几种简单的低分子聚合而成的大分子链结构。又称高分子化合物。在长链中结构相同的重复单元链节 如：在聚乙烯中，CH2CH2即为一个链节。链节的重复数量称为聚合度。由若干个链节所组成的具有独立运动能力的最小运动单元链

23、段。第55页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三551.5.1 大分子链的形态高聚物的结构形式，按其大分子链的几何形状，可分为：线型结构是由许多链节联成一条长链。体型结构是分子链与分子链之间有许多链节相互交联在一起，形成网状或立体结构。 第56页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三561.5.2 大分子链的构象及柔顺性由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象，称为大分子链的构象。由于大分子链构象的频繁变化，使得大分子链既可扩张伸长，又可卷曲收缩。大分子这种能由构象变化获得不同卷曲程度的特性称为大分子链的柔顺性。 影响大分子链柔顺性

24、的因素主要有主链结构和取代基两个方面。第57页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三571.5.3 高聚物的聚集态结构 是指高分子材料内部大分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构。 高聚物按照大分子排列是否有序，分为结晶型和无定型两类。 结晶型高聚物的分子排列规整有序，无定型高聚物的分子排列杂乱不规则。第58页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三581-6 陶瓷的结构 陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶固体物质。它实际上是各种无机非金属材料的统称。 在室温下，陶瓷的典型组织是由： 晶相 组成 玻璃相 气相 各相的结构、数量、形状与分布，

25、都对陶瓷的性能有直接的影响。 第59页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三591-7 工程材料的性能金属材料的性能包括:力学性能物理性能化学性能工艺性能如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。如铸造性、锻压性、焊接性、热处理性和切削加工性等。 第60页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三601.7.1 力学性能 力学性能 指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。作用：材料检验、零件设计计算、材料选择、评定工艺质量的重要依据。内容：强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。第61页，共139页，

26、2022年，5月20日，20点4分，星期三611、强度1）强度的概念 指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。2）强度的分类： 抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。3）强度测定方法 拉伸试验4）试验设备安装拉伸试棒绘制拉伸曲线第62页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三625）标准试样GB22887试样形状（圆、板、管）试样标距6）拉伸曲线第63页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三637）常用的强度指标(1)弹性极限 材料能保持弹性变形的最大应力 ePe/Fo (MPa) Pe试样保持弹性变形的最大拉力，N； Fo 试样的最初截面积，mm2 。第6

27、4页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三64 (2)屈服点 材料开始产生屈服时的应力 sPs/Fo (MPa) Ps试样产生屈服时的拉力，N； Fo 试样的最初截面积，mm2 。屈服强度0.2 大多数金属材料没有明显的屈服点，规定以产生02塑性变形时的应力作为屈服点。脆性材料的情况拉伸时几乎不发生塑性变形，无屈服现象。第65页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三65(3)抗拉强度 材料能承受最大载荷时的应力 b Pb /Fo (MPa) Pb试样在拉断前的最大拉力，N。颈缩现象第66页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三66 8）疲劳

28、强度 概念材料在无数次交变应力作用下不发生疲劳断裂所能承受的最大应力。用-1表示 材料规定应力循环基数钢铁材料，应力循环次数为106107有色金属，应力循环次数为107 108第67页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三672、塑性 1）概念塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。2）塑性指标 延伸率（伸长率) 端面收缩率 第68页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三68伸长率（ ）l1-l0l0100%=l1试样拉断后的标距,mm;l0试样的原始标距,mm。第69页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三69断面收缩率（ ）

29、S0-S1S0=100%S0试样原始横截面积,mm2；S1颈缩处的横截面积,mm2 。第70页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三703、硬度 1）概念 材料抵抗硬物体压入其表面的能力。 衡量金属材料软硬程度的指标。2）常用方法 布氏硬度法 洛氏硬度法 维氏硬度法3）试验方法原理 压痕法第71页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三71(1)布氏硬度布氏硬度试验机硬度表示方法以符号HB表示测量特点：先测得压痕的直径d，根据d查表确定HB的值。 HBS压头为淬火钢球，适用于布氏硬度值在450以下的材料。HBW压头为硬质合金球，适用于布氏硬度值在650以下的材

30、料。第72页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三72 特点测出硬度值准确、可靠；压痕大，不宜成品检验；测量过程速度慢。 布氏硬度值与抗拉强度的关系（低碳钢） b 3.53HBS第73页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三73 (2)洛氏硬度洛氏硬度试验机洛氏硬度三种标尺 表示方法60HRC 特点试验简便、方便。压痕小，适用成检。测出硬度值不很准确。数字：硬度值HR：洛氏硬度C：标尺第74页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三74（3）维氏硬度 为了从软到硬的各种金属材料有一个连续一致的硬度标度，因而制定了维氏硬度试验法。 测定维氏硬度

31、的原理基本上和布氏硬度相同，区别在于压头采用锥面夹角为1360的金刚石正四棱锥体，压痕是四方锥形 。第75页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三75特点：所用载荷小，压痕深度浅，适用于测量零件薄的表面硬化层、表面镀层及薄片金属的硬度。对软、硬材料均适用，测定范围01000HV。第76页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三76两点结论三种硬度值不能直接进行比较，但可以采用特制的表格进行换算。硬度也是材料重要的力学性能指标，它影响到材料的耐磨性。一般说来，硬度高，耐磨性也好。第77页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三774、冲击韧度(韧

32、性)1）概念 材料抵抗冲击载荷的能力。2）试验方法一次性摆锤弯曲冲击试验。3）冲击韧度指标 以材料受冲击断裂时单位面积上所消耗的能量来表示的。 ak Ak /F (J/mm2 )ak值越小,表明材料的韧性越低，脆性越大。第78页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三781.7.2 物理性能和化学性能物理性能有密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。机械零件用途不同，对其物理性能的要求也有所不同。化学性能指在室温或高温时抵抗各种化学作用的能力。主要有耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。第79页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三791.7.3 工艺性能工艺性能

33、是指金属材料适应这些加工工艺要求的能力。内容铸造性锻压性焊接性热处理性和切削加工性等良好的工艺性能有利于保证质量和降低成本。第80页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三80第二章 金属材料的凝固与固态相变2.1纯金属的结晶2.1.1 凝固的基本概念 一切物质从液态到固态的转变过程 1、晶体的结晶 通过凝固能形成晶体结构 1）平衡结晶温度 第81页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三812）过冷与过冷度 必须冷却到低于Tm以下的某一个温度T1才能结晶。这种现象称为过冷。 理论结晶温度Tm与实际结晶温度T1之差称为过冷度。第82页，共139页，2022年，5

34、月20日，20点4分，星期三82冷却速度越大，则过冷度越大。第83页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三832、非晶体的凝固 在非晶体的凝固中熔体实质是粘滞系数连续加大的过程，非晶固态可以看作粘滞系数很大的“熔体”。所以，非晶体的凝固是在个温度范围内逐渐完成的。 第84页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三842.1.2 纯金属的结晶 1、结晶及结晶过程结晶 金属从液体状态转变成晶体状态(固态)的过程。结晶过程 分为两个阶段： 晶核(结晶核心)的形成 晶核的成长第85页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三85液态金属形核晶核长大完全结

35、晶形核和晶核长大的过程第86页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三86（1）形核过程自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。第87页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三87（2）晶核长大过程两种长大方式 平面生长 树枝状生长。平面生长树枝状生长第88页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三882、影响形核和长大的因素 （1）过冷度的影响（2）难熔杂质的影响 第89页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三893、晶粒大小及控制 （1）晶粒度的概念 晶粒

36、度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目Z。或单位面积上晶粒的数目ZJ表示。也可以用晶粒的平均线长度(或直径)表示。 第90页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三90晶粒度分8级晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（m）2501771258862443122细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较： 细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化-强度、硬度，塑性、韧性第91页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三912）晶粒大小的控制（1）增大过冷度（2）变质处理 变质剂的作用：

37、作为非自发形核的核心， 或阻碍晶粒长大。（3）振动，搅拌 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加， 晶粒细化。第92页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三922.1.3 同素异构转变1）概念 少数金属由于温度改变而晶格也改变的现象称为同素异构转变。纯铁的冷却曲线 t015381394912768液体无磁性有磁性FeFeFe2）转变过程 与液态金属的结晶很相似。3）有关结论 转变时，体积也发生变化。 是钢铁材料能够通过各种热处理工艺改变其组织和性能的内因和根据。第93页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三93小结重点要求

38、1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 晶粒大小的控制方法。一般要求 1. 同素异构转变。第94页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三942.2 合金的凝固2.2.1 二元合金相图与凝固相图的概念 是表达温度、成分和相之间的关系，表明合金系中不同合金在不同温度下，由哪些相组成以及这些相之间平衡关系的图形（又称平衡图或状态图）第95页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三95（1）配置不同成分的CuNi合金（2）作出各合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点（转折点和平台）的温度值；（3）画出温度成分坐标系，在相应成分垂直线上标出临界点温度；（4）将

39、物理意义相同的点连成曲线。第96页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三961、匀晶相图匀晶相图 两组元在液态和固态均能无限互溶时所构成的相图。(1)结晶过程第97页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三97（2）杠杆定律第98页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三98第99页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三992 共晶相图共晶相图 两组元在液态无限互溶，在固态有限溶解，并发生共晶转变时所构成的相图。共晶转变在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程。 （1）相图分析第100页，共139页，2

40、022年，5月20日，20点4分，星期三1003、共析相图共析相图是二元合金中具有固态转变 的相图，这种相图可以看成是双层相图，上层为匀晶相图，下层类似共晶相图。 共析转变在高温时的某一成 分的单相固溶体在冷至某一温 度时，又发生分解而形成两个 与母相不同的固相，这种由某 一固相同时析出两种新固相的 转变，称为共析转变。第101页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三101小结重点要求 1. 相图的总类及分析 2. 杠杆定律及其应用。一般要求 1. 相图的获得。第102页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三102作业P632426第103页，共139页，2

41、022年，5月20日，20点4分，星期三1032.3 铁碳合金平衡态的相变基础 铁碳合金由铁和碳两种主要元素组成的合金。如：碳钢、铸铁231 Fe-Fe3C相图第104页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三1041、铁碳合金的基本组织与性能1）铁素体 F碳溶于Fe中形成的间隙固溶体。性能特点 性能近似于纯铁，即强度、硬度低（b=180280Mpa） ，塑性、韧性（=30%50%）好。第105页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三1052) 奥氏体 A 碳溶于Fe 中形成的固溶体。 性能特点： 强度、硬度并不高，但塑性很好。第106页，共139页，2022

42、年，5月20日，20点4分，星期三1063）渗碳体 Fe3C概念 铁和碳结合成的化合物(具有复杂晶格)。性能特点 渗碳体的硬度很高，为800HB，塑性、韧性很差，几乎等于零，所以渗碳体的性能特点是硬而脆。硬度很高，很耐磨，但又很脆，塑性、韧性几乎为零。第107页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三1075）莱氏体Ld和低温莱氏体 Ld概念 奥氏体（珠光体）和渗碳体的机械混合物。性能特点 含有大量硬而脆的渗碳体，所以硬度很高，但很脆。第108页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三1082.3.4 Fe-Fe3C相图的应用1、在选材上的应用2、在铸造工艺制订

43、上的应用3、在塑性加工工艺制订上的应用4、在热处理工艺制订上的应用第109页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三109 改善金属材料的性能的方法： 细晶强化 合金化 进行热处理 冷变形强化第110页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三110奥氏体的形成过程及影响因素1、奥氏体的形成过程 共析钢加热到Ac1 以上时， P A 共析钢A化过程 形核 、长大、 Fe3C 完全溶解、C的均匀化。第111页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三111 亚（过）析钢的A化 : PA 后，先共析 F 或 Fe3C 溶解。亚共析钢加热到Ac1以上时，组

44、织中的珠光体先转变为奥氏体，而组织中的铁素体只有在加热到Ac3以上时才能全部转变为奥氏体。同样，过共析钢只有加热到Accm以上时才能得到均匀的单相奥氏体组织。 第112页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三112奥氏体晶粒的长大及影响因素加热温度，保温时间 晶粒尺寸合金元素除Mn、P外 晶粒尺寸合金碳化物，C% 晶粒尺寸第113页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三113奥氏体晶粒度 晶粒度是表示晶粒大小的一种指标，奥氏体晶粒度有三种不同的概念起始晶粒度 是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时 其晶粒的大小实际晶粒度 是指钢在某个具体热处理或热加工 下所获得的

45、奥氏体晶粒的大小本质晶粒度 表示钢在规定条件下奥氏体晶粒的长 大倾向第114页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三114根据奥氏体晶粒在加热时长大的倾向性不同，将钢分为两类一类是晶粒长大倾向小的钢，称本质细晶粒钢另一类是晶粒长大倾向大的，称本质粗晶粒钢第115页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三1152.5 钢在冷却时的转变热处理的冷却方式可分为两种： 一种是将奥氏体迅速冷至Ar1以下某个温度，等温停留一段时间，再继续冷却，通常称之为“等温冷却”，图曲线1 另一种是将奥氏体以一定的速度冷却，如水冷、油冷、空冷、炉冷等，称为“连续冷却”, 图中曲线2第1

46、16页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三116过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）1）过冷奥氏体等温转变曲线（TTT图）的建立 共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法配合测量硬度的方法建立，有时需用磁性法和膨胀法给予补充和校核。第117页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三117（2）贝氏体类型的组织贝氏体是铁素体及其弥散分布着的碳化物所形成的亚稳组织。奥氏体向贝氏体的转变属半扩散型转变，铁原子基本不扩散而碳原子还有一定扩散能力。第118页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三118贝氏体的两种类型： 上贝氏体(B上) 550350 下贝氏

47、体(B下) 350Ms第119页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三119上贝氏体(B上)：在光学显微镜下呈羽毛状第120页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三120下贝氏体(B下)：在光学显微镜下呈暗黑色针叶状第121页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三121贝氏体的力学性能完全取决于显微组织结构和形态。上贝氏体中铁素体较宽，塑性变形抗力较低。同时渗碳体分布在铁素体之间，容易引起脆断，在工业生产上应用价值较低。第122页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三122下贝氏体组织中的片状铁素体细小，碳的过饱和度大，位错密度高。而且碳化物沉淀在铁素体内弥散分布，因此硬度高、韧性好，具有较好的综合力学性能。生产中常采用等温淬火的方法获得下贝氏体组织。第123页，共139页，2022年，5月20日，20点4分，星期三123（3）马氏体类型的组织 马氏体转变钢从奥氏体状态快速冷却到Ms温度以下，则发生马氏体转变。由于温度很低，碳来不及扩散，全部保留在-Fe中，