工程材料与机械制造基础课件：工程材料-

《工程材料与机械制造基础》

《工程材料与机械制造基础》教学目标1.理解并掌握工程材料的基础理论及基础知识。2.理解并掌握工程材料尤其是金属的结构，理解材料结构与性能之间的关系，尤其是强化工程材料性能的途径、基本原理与方法。3.掌握常用金属工程材料和复合材料的种类、结构特点、性能和应用，了解其应用范围。4.结合实例，初步具备合理选择材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。5.了解新材料、新工艺、新方法等材料科学与工程前沿知识及未来材料发展方向。教学目标1.理解并掌握工程材料的基础理论及基础知识。教学内容

1.1概述

1.2工程材料的性能1.3二元合金与铁碳合金相图

1.4金属材料1.5热处理1.6非金属材料教学内容1.1概述

1.2工程材料的性能1.3哥伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。第1章工程材料概述

哥伦比亚号航天飞机材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。第材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”号飞船成功返回国产涡喷-7涡轮喷气发动机第1章工程材料概述

材料是人类生产和生活所必须的物质基础。手锤锉刀“神舟”号飞船石器铁器石器时代青铜器时代铁器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历史学家根据人类所使用的材料来划分时代。第1章工程材料概述

铜车马石器铁器石器时代材料是人类进化的里程碑。由于材料的重要性，历

我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学家宋应星在《天工开物》一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺。这说明早在欧洲工业革命之前，我国在金属材料及热处理方面就已经有了较高的成就。

生铁炒熟铁图宋应星我国从春秋战国时期便开始大量使用铁器，明朝科学材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。

材料的发展与人类社会简图第1章工程材料概述

材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志。材料的发龙芯联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计算机技术。

第1章工程材料概述

芯片龙芯联想计算机没有半导体材料的工业化生产，就不可能有目前的计飞机发动机叶片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片第1章工程材料概述

航空航天飞机发动机叶片在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片第1章工程材料没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。

二十世纪七十年代，人们把材料与能源和信息并列，称作现代文明的三大支柱之一。

第1章工程材料概述

没有低消耗的光导纤维，也就没有现代的光纤通讯。二十世纪七十前苏联在1957年首次把人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，认识到在火箭技术上落后。此后，在十多所大学中陆续建立了材料科学研究中心，并把约2/3大学的冶金系或矿冶系改建成材料科学与工程系。其涉及的材料由金属扩展到了陶瓷和高分子材料。可见，高技术需要先进材料的支持。前苏联第一颗人造卫星及其运载火箭第1章工程材料概述

前苏联在1957年首次把人造卫星送入太空，令美国人震惊不已，中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公元前6000~5000年的新石器时代，中华民族的先人就能用黏土烧制成陶器，到东汉时期又出现了瓷器，并流传海外。第1章工程材料概述

中华民族在人类历史上为材料的发展和应用作出过重大贡献。早在公4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平。

司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高133厘米重875kg饰纹优美第1章工程材料概述

4000年前的夏朝我们的祖先已经能够炼铜，到殷、商时期，我国越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器出土于湖北江陵楚墓长55.7厘米剑锷锋芒犀利锋能割断头发第1章工程材料概述

越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器第1章工程材料概述古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古已有之这是古代剑刃截面图古代剑刃制造中的特殊技术春秋战国时代的梯度材料古已有之这是古第1章工程材料概述

原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天等都说明了我国在材料的开发、研究及应用等方面有了飞跃的发展。第1章工程材料概述原子弹、氢弹的爆炸，卫星、飞船的上天我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地，钢产量由1949年的l5.8万t上升到5.5亿t，已连续十三年成为世界上钢产量第一大国第1章工程材料概述

我国建起了鞍山、宝钢等大型钢铁基地，钢产量由1949年的l5材料发展的历程示意图第1章工程材料概述

材料发展的历程示意图第1章工程材料概述1.1.1工程材料的分类1.1.2材料的结合方式1.1.3金属的晶体结构第1节概述

1.1.4金属的结晶1.1.1工程材料的分类1.1.2材料的结合方式1.工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构材料。按组成与结合键分：

1、金属材料

2、陶瓷材料

3、高分子材料

4、复合材料1.1.1工程材料的分类工程材料是用于制造工程结构和机械零件并主要要求力学性能的结构金属材料

以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛黑色金属有色金属—轻金属,重金属,贵金属,稀有金属

1.1.1工程材料的分类金属材料以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达12亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。

1.1.1工程材料的分类铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达12亿吨金属材料制品1.1.1工程材料的分类金属材料制品1.1.1工程材料的分类陶瓷材料以共价键和离子键为主熔点高、硬度高、耐腐蚀、脆性大分为传统陶瓷、特种陶瓷和金属陶瓷三类1.1.1工程材料的分类陶瓷材料以共价键和离子键为主1.1.1工程材料的分类传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。

特种陶瓷又称精细陶瓷，是以人工合成材料为原料的陶瓷，常用作工程上的耐热、耐蚀、耐磨零件。

陶瓷制品陶瓷发动机1.1.1工程材料的分类传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为高分子材料

以分子键和共价键为主塑性、耐蚀性、电绝缘性、减振性好，密度小包括塑料、橡胶及合成纤维等

分子键共价键1.1.1工程材料的分类高分子材料以分子键和共价键为主分子键共价键1.1.1工高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化学、交通运输、航空航天等工业中被广泛应用。

烯丙酰氯-苯乙烯1.1.1工程材料的分类高分子材料在机械、电气、纺织、汽车、飞机、轮船等制造工业和化复合材料包括：金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料是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。玻璃纤维增强高分子复合材料1.1.1工程材料的分类复合材料包括：是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧化物粒子弥散强化的镍基合金复合材料。很多高级游艇、赛艇及体育器械等是由碳纤维复合材料制成的，它们具有重量轻，弹性好，强度高等优点。

航空发动机1.1.1工程材料的分类现代航空发动机燃烧室温度最高的材料就是通过粉末冶金法制备的氧物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。分为金属键，离子键，共价键和分子键。C601.1.2材料的结合方式物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。C1金属键以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛1.1.2材料的结合方式1金属键以金属键结合为主1.1.2材料的结合方式2共价键如金刚石3离子键如NaCl4分子键（氢键）1.1.2材料的结合方式2共价键1.1.2材料的结合方式金属的结构晶态非晶态SiO2的结构1、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。1.1.3金属的晶体结构金属的结构晶态非晶态SiO2的结构1、晶体与非晶体1.1.3⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。2、晶格与晶胞⑴晶格：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。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。1.1.3金属的晶体结构⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。2、晶格与晶⑷晶系：根据晶胞参数不同，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。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜⑶晶格常数：晶胞个边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。1.1.3金属的晶体结构⑷晶系：立方六方四方菱方正交单斜三斜⑶晶格常数：晶胞个边⑸原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。⑹晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。⑺配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。1.1.3金属的晶体结构⑸原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。13、晶面和晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶向。⑴晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：1.1.3金属的晶体结构3、晶面和晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。1.1.①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。②取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。例一.求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二.求截距为2、3、晶面的指数取倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧得（320）例三.画出（112）晶面

取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距①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。①确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。②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[uvw]。⑵晶向指数表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：1.1.3金属的晶体结构①确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。⑵晶向例一、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。将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。例二、已知晶向指数为[110],画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。[110][234]1.1.3金属的晶体结构例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线⑶晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。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{hkl}和<uvw>表示。1.1.3金属的晶体结构⑶晶面族与晶向族1.1.3金属的晶体结构立方晶系常见的晶面为：1.1.3金属的晶体结构立方晶系常见的晶面为：1.1.3金属的晶体结构{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY1.1.3金属的晶体结构{110}（110）（110）（101）（101）（011）立方晶系常见的晶向为：1.1.3金属的晶体结构立方晶系常见的晶向为：1.1.3金属的晶体结构<111>[111][111][111][111]XZY1.1.3金属的晶体结构<111>[111][111][111][111]XZY1.说明：①在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③

晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]1.1.3金属的晶体结构说明：--③晶向具有方向性，XZY(221)[221][14、纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。1.1.3金属的晶体结构4、纯金属的晶体结构价电子云正离子金属键示意图具有良好的导热体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：1.1.3金属的晶体结构体心立方晶格原子个数：2晶格常数：a(a=b=c)原子半径：

a42r=：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格1.1.3金属的晶体结构a42r=：原子半径原子个数：4晶格常数：a面心立方晶格a21r=：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633

密排六方晶格1.1.3金属的晶体结构a21r=：原子半径原子个数：6晶格常数：底面边长a和高1.1.3金属的晶体结构1.1.3金属的晶体结构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晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面对角线31.1.3金属的晶体结构三种常见晶格的密排面和密排方向密排面数量密排方向数量体心立方体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面1.1.3金属的晶体结构体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面1.1.①点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子1.1.3金属的晶体结构5、实际金属的晶体结构①点缺陷空位1.1.3金属的晶体结构5、实际金属的晶a.

空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.

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。体心立方的四面体和八面体间隙1.1.3金属的晶体结构a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。体心立方的四面体和八c.

置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子大置换原子小置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。1.1.3金属的晶体结构c.置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。空位②线缺陷—晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。刃型位错

螺型位错1.1.3金属的晶体结构②线缺陷—晶体中的位错刃型位错螺型位错1.1.3金属刃型位错：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，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴

”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬

”表示。1.1.3金属的晶体结构刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2位错对性能的影响：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。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2)

加工硬化态(1011-1012/cm2)

1.1.3金属的晶体结构位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。③面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。1.1.3金属的晶体结构③面缺陷—晶界与亚晶界1.1.3金属的晶体结构亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。1.1.3金属的晶体结构亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位晶界的特点：①原子排列不规则。②熔点低。③

耐蚀性差。④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。⑥是相变的优先形核部位。显微组织的显示1.1.3金属的晶体结构晶界的特点：显微组织的显示1.1.3金属的晶体结构6、合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜1.1.3金属的晶体结构6、合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金1.1.3金属的晶体结构单相合金两相合金所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界⑴固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的

相称固溶体。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体1.1.3金属的晶体结构⑴固溶体相称固溶体。习惯以、、表示。Cu-Ni置①置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织1.1.3金属的晶体结构①置换固溶体黄铜置换固溶体组织1.1.3金属的晶体结构②间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金

属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。1.1.3金属的晶体结构②间隙固溶体属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般③固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。1.1.3金属的晶体结构③固溶体的性能与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性⑵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的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。1.1.3金属的晶体结构⑵金属化合物铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，①正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si②电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。③间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物1.1.3金属的晶体结构①正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2SiAl-Mga.间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构1.1.3金属的晶体结构a.间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构b.具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。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。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C61.1.3金属的晶体结构b.具有复杂结构的间隙化合物Fe3C的晶格高温合金中的Cr物质由液态转变为固态的过程称为凝固。物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变。因而结晶过程是相变过程。玻璃制品水晶1.1.4金属的结晶1、结晶的概念物质由液态转变为固态的过程称为凝固。玻璃制品水晶1.1.4冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。

纯金属的冷却曲线1.1.4金属的结晶冷却曲线纯金属的冷却曲线1.1.4金属的结晶2、过冷与过冷度纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。雾凇2、过冷与过冷度雾凇液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。1.1.4金属的结晶液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。1.1.42、结晶过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶胚。T0T1ΔT液体和晶体自由能随温度变化晶核的大小也即晶核半径与ΔG有密切关系

在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶胚将会长大，称为晶核。1.1.4金属的结晶2、结晶过程T0T1ΔT液体和晶体自由能随温度变化晶核的大小晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。1.1.4金属的结晶晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。均匀形核1.1.4金属的结晶晶核的形成方式均匀形核1.1.4金属的结晶晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大树枝状长大的实际观察1.1.4金属的结晶晶核的长大方式均匀长大树枝状长大的实际观察1.1.4金属实际金属结晶主要以树枝状长大。这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。负温度梯度1.1.4金属的结晶实际金属结晶主要以树枝状长大。负温度梯度1.1.4金属的树

枝

状

结

晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶1.1.4金属的结晶树

枝

状

结

晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树3、晶粒大小及其控制1）影响晶核形成和长大的因素表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。1.1.4金属的结晶3、晶粒大小及其控制1）影响晶核形成和长大的因素标准晶粒度共晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。过冷度对N、G的影响单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。1.1.4金属的结晶晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。过冷度对N、G的影2）铸态金属晶粒细化的方法⑴控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。⑵变质处理：有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂。1.1.4金属的结晶2）铸态金属晶粒细化的方法⑴控制过冷度：随过冷度增加，Al-Si合金组织缓冷快冷未变质变质1.1.4金属的结晶Al-Si合金组织缓冷快冷未变质变质1.1.4金属的结晶铸铁孕育处理前后的组织处理前处理后孕育处理使组织细化。孕育剂为硅铁或硅钙合金。1.1.4金属的结晶铸铁孕育处理前后的组织处理前处理后孕育处理使组织细化。孕育剂⑶

振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图1.1.4金属的结晶⑶振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠气轮机转子的宏观组织(纵截面)细晶的熔模铸件(上)普通铸件(下)1.1.4金属的结晶气轮机转子的宏观组织(纵截面)细晶的熔模铸件(上)普通铸件(

挑战者号爆炸事故55亿1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机在升空后73秒之后发生爆炸坠毁，起因只是由于一个小密封圈出现故障，造成液态氢泄漏，最终引发大爆炸该航天飞机的造价为45亿美元，在用于事故调查、错误纠正、损失装置更换的费用也花费了10亿美元挑战者号爆炸事故55亿1986年1月28日，“挑战者”使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。第2节工程材料的性能

使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。外力去处后能够恢复的变形称为弹性变形。外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形。五万吨水压机1.2.1静载时材料的力学性能

材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化，称为变形。五万吨水压拉伸试样拉伸试验机应力

=P/F0应变

=(l-l0)/l01.2.1静载时材料的力学性能

1、拉伸试验与应力应变曲线拉伸试样拉伸试验机应力=P/F01.2.1静载时材2、刚度与强度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变形时的应力。

在应力应变曲线中，OA段为弹性变形阶段，A点所对应的应力为材料承受最大弹性变形时的应力，称为弹性极限，用e表示。其中，OA’部分为斜直线，应力应变成比例关系，A’点所对应的应力为保持这种比例关系的最大应力，称为比例极限，用p表示。对大多数材料来讲，A、A’几乎重合，故一般不做区分。1.2.1静载时材料的力学性能

2、刚度与强度弹性：指标为弹性极限e，即材料承受最大弹性变弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外，其他强化材料的手段如热处理、冷热加工、合金化等对弹性模量的影响很小。可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。

刚度：材料受力时抵抗弹性变形的能力。指标为弹性模量E。1.2.1静载时材料的力学性能

弹性模量的大小主要取决于材料的本性，除随温度升高而逐渐降低外强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。BC段，发生塑性变形而应力不增加，这种现象叫做屈服。B点对应的应力称为屈服强度，用s表示。有的材料的屈服强度不明显，规定使用条件屈服强度0.2（残余变形量为0.2%时的应力值）来标定。0.2

屈服强度反映材料抵抗永久变形的能力，是最重要的零件设计指标。1.2.1静载时材料的力学性能

强度：材料在外力作用下抵抗变形和破坏0.2屈服强抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。CD段为均匀塑性变形阶段，应力随着应变增加而增加，产生应变强化。超过D点后，式样开始发生局部塑性变形，即出现颈缩，随应变增加应力明显下降，并在E点迅速断裂。D点所对应的应力为抗拉强度b。抗拉强度反映材料抵抗断裂破坏的能力，也是零件设计的材料评价的重要指标。1.2.1静载时材料的力学性能

抗拉强度b：材料断裂前所承受的最大应力值。抗拉强度反映材料塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

指标为：

伸长率：断面收缩率：断裂后拉伸试样的颈缩现象1.2.1静载时材料的力学性能

3、塑性塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力。

指标为：说明：①用面缩率表示塑性比伸长率更接近真实变形。②直径d0相同时，l0，。只有当l0/d0为常数时，塑性值才有可比性。当l0=10d0时，伸长率用表示；当l0=5d0时，伸长率用5表示。显然5>③

>时，无颈缩，为脆性材料表征

<时，有颈缩，为塑性材料表征1.2.1静载时材料的力学性能

说明：1.2.1静载时材料的力学性能4、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度HB布氏硬度计1.2.1静载时材料的力学性能

4、硬度材料抵抗表面局部塑性变形的能力。布氏硬度计1.2.1压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料。压头为硬质合金球时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在650以下的材料。符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值,符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。布氏硬度压痕1.2.1静载时材料的力学性能

布氏硬度压头为钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在4布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。缺点：压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。适于测量退火、正火、调质钢,

铸铁及有色金属的硬度。材料的b与HB之间的经验关系：

对于低碳钢:b(MPa)≈3.6HB

对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB

对于铸铁：b(MPa)≈1HB或b(MPa)≈0.6(HB-40)HBb(MPa)钢黄铜球墨铸铁1.2.1静载时材料的力学性能

布氏硬度的优点：测量误差小，数据稳定。HBb(MPa)钢黄h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度洛氏硬度用符号HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，常用的标尺为A、B、C。1.2.1静载时材料的力学性能

h1-h0洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计洛氏硬度洛氏硬度用符号符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量高硬度材料,如硬质合金、表淬层和渗碳层。HRB用于测量低硬度材料,如有色金属和退火、正火钢等。HRC用于测量中等硬度材料，如调质钢、淬火钢等。洛氏硬度的优点：操作简便，压痕小，适用范围广。缺点：测量结果分散度大。钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕1.2.1静载时材料的力学性能

符号HR前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。HRA用于测量特别提示

零(构)件服役的环境是多种多样的，对于工程上的零部件绝大多数是承受动载荷的作用，如汽车发动机里的连杆、曲轴等部件就是这种情况。因此。研究材料的动载力学性能才能接近实际情况。以便为解决实际工程问题提供了更适合的评价方法。特别提示零(构)件服役的环境是多种多样的，对于工程上1、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲击韧性值ak(通过冲击实验测得)。1.2.2材料的动载力学性能

冲击试验测定原理1、冲击韧性是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。指标为冲2、多次冲击在实际中，零件经过一次冲击即发生断裂的情况极少。许多零件总是在很多次冲击之后才会断裂，且所承受的冲击能量也远小于一次冲断的能量。这种冲击称做多次冲击。大能量一次冲击时，其冲击抗力主要取决于塑性；而小能量多次冲击时，其多冲抗力则主要取决于强度。1.2.2材料的动载力学性能

2、多次冲击1.2.2材料的动载力学性能3、疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。随材料承受的交变应力值的下降，其断裂时应力循环次数N值增加。材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。对称循环交变的疲劳极限用-1表示。钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。疲劳应力示意图1.2.2材料的动载力学性能

3、疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。疲1-疲劳源、2-疲劳裂纹扩展区和3-瞬时断裂区疲劳断口示意图金属的疲劳极限受到很多因素的影响，主要有工作条件、表面状态、材质、残余内应力等。改善零件的结构形状，避免应力集中，降低零件表面粗糙度值以及采取各种表面强化的方法，都能提高零件的疲劳极限

1.2.2材料的动载力学性能

1-疲劳源、2-疲劳裂纹扩展区和3-瞬时断裂区特别提示零(构)件服役的环境是多种多样的，如有的零件在高温下工作，有的零件在低温下工作，那么在室温下测定的性能指标就不能代表它在高温或低温下的性能。屈服强度与抗拉强度与温度有很大关系，一般温度升高，材料强度降低。特别提示零(构)件服役的环境是多种多样的，如有的零件在高温下蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。由于蠕变变形而最后导致金属材料的断裂称为蠕变断裂蠕变极限是指在给定温度T(单位℃)下和规定的试验时间t(单位h)内，使试样产生一定蠕变伸长量所能承受的最大应力。持久强度是指材料在给定温度T(单位℃)和规定的持续时间t(单位h)内引起断裂的最大应力值，1．高温机械性能1.2.3材料的高、低温力学性能蠕变是指材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的冷脆：脆性断裂有以下特征：脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力往往远低于材料的屈服极限；一般都发生在较低的温度，通常发生脆断时的材料的温度均在室温以下20℃；脆断发生前，无预兆，开裂速度快，为音速的1/3；发生脆断的裂纹源是构件中的应力集中处。2．低温机械性能1.2.3材料的高、低温力学性能冷脆：脆性断裂有以下特征：脆断都是属于低应力破坏，其破坏应力韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内冲击韧性值急剧下降的现象称韧脆转变。发生韧脆转变的温度范围称韧脆转变温度。材料的使用温度应高于韧脆转变温度。韧体心立方金属具有韧脆转变温度，而大多数面心立方金属没有。1.2.2材料的动载力学性能

韧脆转变温度材料的冲击韧性随温度下降韧体心立方金属具有韧脆转TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直接有关1.2.2材料的动载力学性能

TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果Titanic近代船用钢板1.2.2材料的动载力学性能

Titanic号钢板（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试

材料中总是存在缺陷，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，裂纹将发生扩展，一旦扩展失稳，就会发生低应力脆性断裂。材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力称为断裂韧性。1943年美国T-2油轮发生断裂裂纹扩展的基本形式

工程上有时会出现材料在远低于抗拉强度的情况下发生断裂的现象。1.2.4材料的断裂韧性

材料中总是存在缺陷，常见的缺陷是裂纹。在应力作用下，裂纹引入一个描述裂纹尖端附近应力场强度的指标应力强度因子研究表明，断裂应力c与裂纹长度2ac之间的关系为C为断裂应力，aC为临界裂纹半长，单位为随或a的增加，K1增加，当K1增大到一定值时，裂纹便失稳扩展，材料发生断裂。这个K1的临界值就是裂纹扩展的阻力，称作断裂韧度，K1c与s一样是材料本身的一种力学性能指标。1.2.4材料的断裂韧性

引入一个描述裂纹尖端附近应力场强度的指标应力强度研究表明，断1.3.1二元合金的结晶1.合金的相结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜第3节二元合金相图与铁碳合金相图

1.3.1二元合金的结晶1.合金的相结构Al-Cu两相合2.固溶体和金属化合物合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固

相称固溶体。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体1.3.1二元合金的结晶2.固溶体和金属化合物相称固溶体。习惯以、、表示①置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织1.3.1二元合金的结晶①置换固溶体黄铜置换固溶体组织1.3.1二元合金的结晶②

间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金

属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。1.3.1二元合金的结晶②间隙固溶体属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般③固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。1.3.1二元合金的结晶③固溶体的性能与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性⑵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的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。1.3.1二元合金的结晶⑵金属化合物铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，①正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si②电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。③间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物1.3.1二元合金的结晶①正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2SiAl-Mga.

间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构1.3.1二元合金的结晶a.间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构b.具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。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。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C61.3.1二元合金的结晶b.具有复杂结构的间隙化合物Fe3C的晶格高温合金中的Cr合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。相图通常以温度和成分为独立变量。1.3.2二元合金相图

1、相图的相关概念合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析。相图通常以温度合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素。但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元,如Fe-C合金中的Fe3C。Cu-Ni合金相图L成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi1.3.2二元合金相图

合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。1.3.2二元合金相图

几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规1.3二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]1.配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2.将临界点标在温度—成分坐标中的成分垂线上。3.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。相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。2、二元相图的建立1.3.2二元合金相图

二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]2、二4、二元合金相图两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图。以Cu-Ni合金为例进行分析。

Cu-Ni合金相图1）发生匀晶反应的合金的结晶1.3.2二元合金相图

4、二元合金相图两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。相图被两条线分为三个相区，液相线以上为液相区L，固相线以下为固溶体区，两条线之间为两相共存的两相区（L+）。

LL+成分（wt%Ni）温度（℃）CuNi液相线固相线1.3.2二元合金相图

相图由两条线构成，上面是液相线，下面是固相线。LL+成分⑴合金的结晶过程除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合金为例说明。当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结晶出成分为1的固溶体，其Ni含量高于合金平均成分LL+1.3.2二元合金相图

⑴合金的结晶过程当液态金属自高温冷却到t1温度时，开始结随温度下降，固溶体重量增加，液相重量减少。同时，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。这种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。1.3.2二元合金相图

随温度下降，固溶这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变

成分变化是通过原子扩散完成的。

当合金冷却到t3时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时固溶体的成分又变回到合金成分3上来。液固相线不仅是相区分界线,也是结晶时两相的成分变化线；匀晶转变是变温转变。1.3.2二元合金相图

成分变化是通过原子扩散完1.3.2二元合金相图⑵杠杆定律处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t

的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。12t1.3.2二元合金相图

⑵杠杆定律分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，则QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程组得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。②确定两平衡相的相对重量设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。1.3.2二元合金相图

则QL+Q=1式中的x2-x、x2-x1、x-x因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：1.3.2二元合金相图

因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：1.3.2二上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。例（如图）1.3.2二元合金相图

上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在

合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，结晶时固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素（如Cu-Ni合金中的Ni）,后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。⑶枝晶偏析1.3.2二元合金相图

合金的结晶只有在缓慢冷却条件下才能得到成分均匀的固溶体Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温，以使原子充分扩散、成分均匀，消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。1.3.2二元合金相图

Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织在一个枝晶范2）发生共晶反应的合金的结晶

当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。以Pb-Sn相图为例进行分析。Pb-Sn合金相图（wt%Sn）温度（℃）PbSn1.3.2二元合金相图

2）发生共晶反应的合金的结晶当两组元在液态下完全互溶，在固⑴相图分析①相：相图中有L、、三种相,是溶质Sn在Pb中的固溶体，是溶质Pb在Sn中的固溶体。②相区：相图中有三个单相区：L、、；三个两相区：L+、L+、+；一个三相区：即水平线CED。AB1.3.2二元合金相图

⑴相图分析AB1.3.2二元合金相图④固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分别为Sn在Pb中和Pb在Sn中的固溶线。固溶体的溶解度随温度降低而下降。③液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B分别为Pb、Sn的熔点。AB1.3.2二元合金相图

④固溶线:溶解度点的连线称固溶线。相图中的CF、DG线分在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相同的新固相的转变称作共晶转变或共晶反应。。

⑤共晶线：水平线CED叫做共晶线。在共晶线对应的温度下（183℃），E点成分的合金同时结晶出C点成分的固溶体和D点成分的固溶体，形成这两个相的机械混合物：LE

⇄(C+D)AB1.3.2二元合金相图

在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出两个成分和结构都不相共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共晶反应的温度称共晶温度。代表共晶温度和共晶成分的点称共晶点。Pb-Sn共晶组织共晶体长大示意图Sn原子扩散Pb原子扩散1.3.2二元合金相图

共晶反应的产物，即两相的机械混合物称共晶体或共晶组织。发生共

具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共

晶点以右的合金称过共晶合金。凡具有共晶线成分的合金液体冷却到共晶温度时都将发生共晶反应。L+CDAB1.3.2二元合金相图

具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡成分位于共⑵合金的结晶过程①含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程在3点以前为匀晶转变，结晶出单相固溶体，这种直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。.21.3.2二元合金相图

⑵合金的结晶过程.21.3.2二元合金相图温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。形成二次相的过程称二次析出,是固态相变的一种。H1.3.2二元合金相图

温度降到3点以下，固溶体被Sn过饱和，由于晶格不稳，开由于二次相析出温度较低，一般十分细小。由析出的二次用Ⅱ

表示。随温度下降，和相的成分分别沿CF线和DG线变化，Ⅱ的重量增加。1.3.2二元合金相图

室温下Ⅱ的相对重量百分比为：由于二次相析由析出的二次用Ⅱ表示。1.3.2Ⅰ合金室温组织为

+Ⅱ

。成分大于D点合金结晶过程与Ⅰ合金相似，室温组织为

+

Ⅱ。ABCDEFG1.3.2二元合金相图

Ⅰ合金室温组织为+Ⅱ。成分大于D点合金结晶过程与②共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程液态合金冷却到E点时同时被Pb和Sn饱和,发生共晶反应：LE⇄(C+D)。19.2wt%Sn温度,℃1’1.3.2二元合金相图

②共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程19.2wt%Sn温度,℃层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织析出过程中两相相间形核、互相促进、共同长大，因而共晶组织较细，呈片、棒、点球等形状。1.3.2二元合金相图

层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截在共晶转变过程中，L、、三相共存,三个相的量在不断变化，但它们各自成分是固定的。共晶组织中的相称共晶相.共晶转变结束时，和相的相对重量百分比为：E(61.9)D(97.5)C(19.2)1.3.2二元合金相图

在共晶转变过程中，L、、三相共存,三个相的量在不共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶中析出Ⅱ

，从共晶中析出Ⅱ

，由于共晶组织细，Ⅱ与共晶结合，Ⅱ与共晶

结合，共晶合金的室温组织仍为(+)共晶体。Pb-Sn共晶合金组织试问：室温下两相的相对重量百分比是多少？1.3.2二元合金相图

共晶结束后，随温度下降，和的成分分别沿CF线和DG③亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到C点，液相成分变化到E点,此时两相的相对重量为：1.3.2二元合金相图

③亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程1.3.2二元合金相图在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：

L⇄(+)

，转变为共晶组织，共晶体的重量与转变前的液相重量相等,即QE=QL反应结束后，在共晶温度下、

两相的相对重量百分比为：1.3.2二元合金相图

在2点，具有E点成分的剩余液体发生共晶反应：1.3.2二温度继续下降，将从一次

和共晶

中析出Ⅱ，从共晶

中析出Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。亚共晶合金的结晶过程1.3.2二元合金相图

温度继续下降，将从一次和共亚共晶合金的结晶过程1.3.2④过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为

,二次相为Ⅱ室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。Pb-Sn合金的结晶过程1.3.2二元合金相图

④过共晶合金结晶过程Pb-Sn合金的结晶过程1.3.2

组织组成物之间的差别主要在形态上，相与相之间的差别主要在结构和成分上。如Ⅰ、Ⅱ和共晶的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。Pb-Sn亚共晶组织⑶组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。1.3.2二元合金相图

组织组成物之间的差别主要在形态上，相与相之间的差别主要在组织组成物在相图上的标注1.3.2二元合金相图

组织组成物在相图上的标注1.3.2二元合金相图3）发生包晶反应的合金的结晶

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包晶相图。以Pt-Ag相图为例简要分析L+L+L+⑴相图分析单相区：L、、β二相区：L+、L+、+三相区：L++

（水平线PDC）1.3.2二元合金相图

3）发生包晶反应的合金的结晶当两组元在液态下完全互溶，在固在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。水平线PDC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P⇄βD

。该反应是液相L包着固相,新相β在L与α的界面上形核，并向L和两个方向长大。1.3.2二元合金相图

在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包⑵合金的结晶过程①

包晶成分合金：晶包晶二次析出。室温组织为β+II1.3.2二元合金相图

⑵合金的结晶过程1.3.2二元合金相图②PD成分合金：匀晶包晶二次析出。室温组织为+βII+β+II时间温度1.3.2二元合金相图

②PD成分合金：匀晶包晶二次析出。时间温度1.3.2③DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出室温组织为β+II。时间温度1.3.2二元合金相图

③DC成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出时间温度1.3共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S⇄

P+Fe3C。4）发生共析反应的合金的结晶

共析反应(共析转变)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固相的过程。PS(—奥氏体，—铁素体，Fe3C—渗碳体)1.3.2二元合金相图

共析转变也是固态相变。4）发生共析反应的合金的结晶共析反应共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点(S点)、共析温度、共析成分、共析合金(共析成分合金)、亚共析合金(共析线上共析点以左的合金)、过共析合金(共析线上共析点以右的合金)。铁碳合金相图1.3.2二元合金相图

共析相图与共晶相图相似，对应的有共析线(PSK线)、共析点金共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两相的机械混合物（铁素体+渗碳体)。与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。珠光体1.3.2二元合金相图

共析反应的产物是共析体（铁碳合金中的共析体称珠光体），也是两⑴相图与合金力学性能、物理性能的关系①两相机械混合物的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：混=∙Q

+β∙Qβ

HB混=HB

∙Q

+HBβ∙Qβ(Q

、Qβ为两相相对重量)1.3.3合金的性能与相图的关系

⑴相图与合金力学性能、物理性能的关系1.3.3合金的②单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，σ、HB、增加，塑性下降。③形成稳定化合物的合金：性能-成分曲线出现拐点。1.3.3合金的性能与相图的关系

②单相固溶体的合金：1.3.3合金的性能与相图的关系⑵相图与铸造性能的关系

①固溶体合金液固相线间距越大、偏析倾向大,树枝晶发达,流动性降低,补缩能力下降,分散缩孔增加。②共晶合金结晶温度低，流动性好，缩孔集中，偏析小，铸造性能