工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)(1-5章)

1、 主講：周主講：周 明明 健健 單位：巢湖學(xué)院單位：巢湖學(xué)院 電子工程與電氣自動化學(xué)院電子工程與電氣自動化學(xué)院 工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)工程材料及其成形技術(shù)基礎(chǔ)聯(lián)系方式：聯(lián)系方式： QQ: 245721466 郵箱：郵箱：245721466 考試成績考試成績= =平時成績（平時成績（30-4030-40）%+%+（70-60)%70-60)% 緒緒 論論 本課程是研究材料及其成形方法的技術(shù)基礎(chǔ)課。它是機械類及近機類各專業(yè)必修的一門課程。n2 2 學(xué)習(xí)目的學(xué)習(xí)目的 (1)獲得常用工程材料及各類成形方法和加工工藝知識，能合理地選材、正確地制定材料的加工程序。 (2)初步了解與本科程有關(guān)的新技術(shù)、新

2、材料和新工藝，為學(xué)習(xí)其它相關(guān)課程及以后從事機械設(shè)計和加工制造方面的工作奠定必要的理論基礎(chǔ)。 緒緒 論論 (1)常用的工程材料及其成形方法和加工工藝。 (2)各類成形方法對零件結(jié)構(gòu)和材料的工藝性要求。n4 4 了解機械制造業(yè)總流程了解機械制造業(yè)總流程 緒緒 論論n5 5 主要知識框架主要知識框架工程材料及工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)成形技術(shù)基礎(chǔ)工程材料工程材料成形技術(shù)成形技術(shù)基礎(chǔ)基礎(chǔ)n 6 6 參參 考考 書書n(1)(1)材料成形技術(shù)基礎(chǔ)材料成形技術(shù)基礎(chǔ) 何紅媛主編，東南大學(xué)出版社。何紅媛主編，東南大學(xué)出版社。n(2)(2)材料成型工藝基礎(chǔ)材料成型工藝基礎(chǔ) 沈其文主編，華中理工大學(xué)出版社。沈其文主編

3、，華中理工大學(xué)出版社。n(3)(3)工程材料及應(yīng)用工程材料及應(yīng)用 周鳳云主編，華中科技大學(xué)出版社。周鳳云主編，華中科技大學(xué)出版社。n(4)(4)材料成型技術(shù)基礎(chǔ)材料成型技術(shù)基礎(chǔ) 胡亞民主編，重慶大學(xué)出版社。胡亞民主編，重慶大學(xué)出版社。n(5)(5)熱加工工藝基礎(chǔ)熱加工工藝基礎(chǔ) 任福東主編，機械工業(yè)出版社。任福東主編，機械工業(yè)出版社。復(fù)合材料復(fù)合材料非金屬非金屬材料材料金屬材料金屬材料機械機械工程材料工程材料工程材料工程材料 用于機械、電子、建筑、 化工和航空航天 等領(lǐng)域的材料統(tǒng)稱為工程材料。機械工程材料機械工程材料 用來制造各種機電產(chǎn)品的材料統(tǒng)稱為機械工程材料。概概 述述概概 述述材料的材料的

4、 石斧石斧青銅鼎青銅鼎神舟飛船神舟飛船 滄州鐵獅子滄州鐵獅子石器時代石器時代銅器時代銅器時代鐵器時代鐵器時代復(fù)合材料復(fù)合材料概概 述述工程材料的工程材料的材料的發(fā)展主要圍繞著機械制造業(yè)，因此，主要發(fā)展以一般力學(xué)性能為主的金屬材料金屬材料壓力容器向高強度方向發(fā)展更快，發(fā)展了高強度低合高強度低合金鋼金鋼由于航空、空間機械和動力機的發(fā)展對材料提出了更苛刻的要求。如高溫、高壓、高的比強度和比模量高溫、高壓、高的比強度和比模量。 新材料特別是非金屬人工合成材料非金屬人工合成材料如陶瓷材料、高分子材料及復(fù)合材料快速發(fā)展。高功能化、超高性能化高功能化、超高性能化復(fù)合輕量化、智能化復(fù)合輕量化、智能化第一章第一

5、章 零件對材料的性能要求零件對材料的性能要求金屬材料金屬材料有機高分子材料有機高分子材料復(fù)合材料復(fù)合材料 陶瓷材料陶瓷材料黑色金屬黑色金屬 有色金屬有色金屬輕有色金屬輕有色金屬 重有色金屬重有色金屬稀有金屬稀有金屬 鑄鐵鑄鐵碳鋼碳鋼合金鋼合金鋼 塑料塑料合成橡膠合成橡膠 合成纖維合成纖維 有機膠粘劑及涂料有機膠粘劑及涂料硅酸鹽材料硅酸鹽材料 新型陶瓷新型陶瓷 非金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料 金屬基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料 機機械械工工程程材材料料 功能材料：用于制造實現(xiàn)其他功能的零件的材料功能材料：用于制造實現(xiàn)其他功能的零件的材料 結(jié)構(gòu)材料：用于制造實現(xiàn)運動和傳遞動力的零件結(jié)構(gòu)材料：用于制造實

6、現(xiàn)運動和傳遞動力的零件 機械機械工程工程材料材料金屬材料：具有良好的金屬材料：具有良好的導(dǎo)電性導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性、在具有、在具有較高的強度較高的強度 的同時，具有的同時，具有良好的塑性成形性良好的塑性成形性、鑄造性鑄造性、切削切削 加工加工和和電加工性電加工性等加工性能；通過等加工性能；通過熱處理熱處理及及表面表面 改性改性可以大幅度可以大幅度(成倍）改變其性能；成倍）改變其性能； 1.2 1.2 工程材料的特征工程材料的特征有機高分子材料：有機高分子材料：密度小、強度低（比強度高，高于鋼鐵）密度小、強度低（比強度高，高于鋼鐵） 較高的彈性較高的彈性，良好的電絕緣性能良好的電絕緣性能，優(yōu)良的

7、優(yōu)良的 減摩減摩、耐磨和自潤滑性能耐磨和自潤滑性能，優(yōu)良的耐腐蝕優(yōu)良的耐腐蝕 性能（超過不銹鋼），優(yōu)良的透光性和隔性能（超過不銹鋼），優(yōu)良的透光性和隔 熱、隔音性熱、隔音性，加工性好，成本低加工性好，成本低，但是易，但是易老化老化。注：注：老化作用老化作用：高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由：高分子材料在加工、貯存和使用過程中，由于受各種環(huán)境因素的作用而導(dǎo)致性能逐漸變壞，以致喪失使于受各種環(huán)境因素的作用而導(dǎo)致性能逐漸變壞，以致喪失使用價值的現(xiàn)象。用價值的現(xiàn)象。【輪胎發(fā)生的龜裂、玻璃纖維（起毛）輪胎發(fā)生的龜裂、玻璃纖維（起毛）】陶瓷材料：是無機非金屬材料，是有一種或多種金屬或非金屬元素陶瓷材

8、料：是無機非金屬材料，是有一種或多種金屬或非金屬元素 形成的具有強離子鍵或共價鍵的化合物。形成的具有強離子鍵或共價鍵的化合物。 優(yōu)點：熔點高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性高，彈性模量大，具有優(yōu)點：熔點高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性高，彈性模量大，具有 耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣、熱膨脹系數(shù)小；耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、絕緣、熱膨脹系數(shù)??； 缺點：但是抗壓不抗拉，脆性大，不易加工成形；缺點：但是抗壓不抗拉，脆性大，不易加工成形；復(fù)合材料：能充分發(fā)揮其組成材料的各自長處，同時在一定程度上復(fù)合材料：能充分發(fā)揮其組成材料的各自長處，同時在一定程度上 克服它們的弱點；克服它們的弱點；1.3 1.3 金屬材料的主要性能金屬

9、材料的主要性能 機械零件在使用過程中，要受到機械零件在使用過程中，要受到諸如拉伸、壓諸如拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切以及縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切以及熱負(fù)荷熱負(fù)荷諸如高溫蠕變、熱應(yīng)力產(chǎn)諸如高溫蠕變、熱應(yīng)力產(chǎn)生的熱疲勞和生的熱疲勞和環(huán)境介質(zhì)的作用環(huán)境介質(zhì)的作用諸如腐蝕、摩擦損失，并且還諸如腐蝕、摩擦損失，并且還要傳遞力和能。要傳遞力和能。 因此，作為構(gòu)成機械零件的金屬材料，應(yīng)具備良好的力因此，作為構(gòu)成機械零件的金屬材料，應(yīng)具備良好的力學(xué)性能、物理性能、和化學(xué)性能以防止零件早期失效，同時學(xué)性能、物理性能、和化學(xué)性能以防止零件早期失效，同時還要有良好的工藝性能還要有良好的工藝性能 。1.3.1 1.3.1

10、 金屬的力學(xué)性能金屬的力學(xué)性能 金屬的力學(xué)性能：材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如彈性、塑性、強度、硬度和韌性等。 表征和判定金屬力學(xué)性能所用的指標(biāo)和依據(jù)稱為金屬力學(xué)性能的判據(jù)。高溫蠕變高溫蠕變疲勞強度疲勞強度低應(yīng)力低應(yīng)力脆斷脆斷彈性彈性強度強度韌性韌性硬度硬度剛度剛度塑性塑性金屬金屬力學(xué)性能力學(xué)性能1 1 彈性彈性： 即物體在外力作用下改即物體在外力作用下改變其形狀和尺寸，當(dāng)外變其形狀和尺寸，當(dāng)外力卸除后物體又回復(fù)到力卸除后物體又回復(fù)到原始形狀和尺寸的特性。原始形狀和尺寸的特性。彈性的判據(jù)可通過彈性的判據(jù)可通過來測定。來測定。圖圖1 11 1 拉伸曲線及拉伸試樣拉伸曲線及拉伸試樣 拉伸試驗拉

11、伸試驗:即靜拉伸力對試樣即靜拉伸力對試樣軸向拉伸軸向拉伸, ,測量力和相應(yīng)的伸測量力和相應(yīng)的伸長長, ,一般拉至斷裂以測定其力一般拉至斷裂以測定其力學(xué)性能的試驗。學(xué)性能的試驗。 圖12 低碳鋼拉伸曲線 彈性極限：彈性極限：即金屬材料不產(chǎn)生塑性即金屬材料不產(chǎn)生塑性變形時所能承受的最大應(yīng)力。拉伸曲變形時所能承受的最大應(yīng)力。拉伸曲線線p p點對應(yīng)的應(yīng)力點對應(yīng)的應(yīng)力pp為彈性極限：為彈性極限： pp= = FpFp/So/So 式中式中 pp 彈性極限（彈性極限（MPaMPa）；）； FpFp 試樣產(chǎn)生完全彈性變形時的試樣產(chǎn)生完全彈性變形時的最大外力（最大外力（N N）；）； So So 試樣原始橫截

12、面積（試樣原始橫截面積（mmmm2 2）。）。 2 2 剛度：剛度：即材料抵抗彈性變形的能力。即材料抵抗彈性變形的能力。 剛度的大小以彈性模量來衡量，彈性模量在拉伸剛度的大小以彈性模量來衡量，彈性模量在拉伸曲線上表現(xiàn)為曲線上表現(xiàn)為oeoe段的斜率，即：段的斜率，即： E=E=/ 式中式中 EE彈性模量（彈性模量（MPaMPa）；）； 應(yīng)力（應(yīng)力（MPaMPa）；）； 應(yīng)變。應(yīng)變。3 3 強度：強度：即金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。即金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。 （1 1）屈服點）屈服點 屈服點：即試樣在拉伸過程中力不斷增加（保持恒定）仍屈服點：即試樣在拉伸過程中力不斷增加（保持恒定）仍能繼續(xù)

13、伸長（變形）時的應(yīng)力。在拉伸曲線能繼續(xù)伸長（變形）時的應(yīng)力。在拉伸曲線上上s s點對應(yīng)的點對應(yīng)的應(yīng)力為屈服點。應(yīng)力為屈服點。 s=Fs/S0s=Fs/S0 式中式中 ss屈服點（屈服點（ MPaMPa ）；）； FsFs試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的（試樣開始產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時的（N N）；）； S0S0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（ mmmm2 2）。）。(2) (2) 抗拉強度：即試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。抗拉強度：即試樣拉斷前承受的最大標(biāo)稱拉應(yīng)力。 如圖如圖1-21-2所示，拉伸曲線上所示，拉伸曲線上b b點對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強度。點對應(yīng)的應(yīng)力為抗拉強度。 b b=Fb/S0=Fb/S0

14、 式中式中 b b抗拉強度（抗拉強度（MPaMPa）；）； FbFb試樣斷裂前所能承受的最大拉（試樣斷裂前所能承受的最大拉（N N）；）； S S0 0試樣原始橫截面積（試樣原始橫截面積（mmmm2 2 ）。）。4 4 塑性塑性 即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。即斷裂前材料發(fā)生不可逆永久變形的能力。 常用的塑性判據(jù)是伸長率和斷面收縮率。常用的塑性判據(jù)是伸長率和斷面收縮率。（1 1）伸長率）伸長率 即試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。即試樣拉斷后標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比。 =(L=(L1 1 - L - L0 0)/ L)/ L0 0 100%100% 式中式中 伸長率伸長率（%

15、）；）； L L1 1試樣拉斷后標(biāo)距（試樣拉斷后標(biāo)距（mm)mm)； L L0 0 試樣原始標(biāo)距試樣原始標(biāo)距（mm)mm)。 （2 2） 斷面收縮率：即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大斷面收縮率：即試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始的橫截面積的百分比?？s減量與原始的橫截面積的百分比。 =（S0-S1S0-S1）/S0/S0100%100%式中式中 斷面收縮率（斷面收縮率（% %）；）； S1S1試樣的原始截面積（試樣的原始截面積（ mmmm2 2） S0S0試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積（試樣拉斷后縮頸處的最小橫截面積（mmmm2 2 ) )。5 5 硬度硬度 即材料抵抗局部變形的能

16、力。即材料抵抗局部變形的能力。 硬度是材料抵抗塑性變形、壓痕的能力，是衡量金屬軟硬度是材料抵抗塑性變形、壓痕的能力，是衡量金屬軟硬的判據(jù)，也是表征力學(xué)性能的一項綜合指標(biāo)。硬的判據(jù)，也是表征力學(xué)性能的一項綜合指標(biāo)。（1 1）布氏硬度試驗布氏硬度試驗 動畫演示布氏硬度試驗： 用一定直徑的球體（鋼球或硬質(zhì)合金球）以相應(yīng)的實驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時間后卸除實驗力，用測量的表面壓痕直徑計算硬度的一種壓痕硬度試驗。 布氏硬度的（2）洛氏硬度試驗（動畫演示) 即在初始試驗力及總試驗力先后作用下，將壓頭壓入試樣表即在初始試驗力及總試驗力先后作用下，將壓頭壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的殘余

17、壓痕深度面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，用測量的殘余壓痕深度增量計算硬度的一種壓痕硬度試驗。增量計算硬度的一種壓痕硬度試驗。n6 6 韌性韌性 即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。常采用夏比沖擊試即金屬在斷裂前吸收變形能量的能力。常采用夏比沖擊試驗來測定材料的韌性。驗來測定材料的韌性。 (h1-h2)/A 式中式中 沖擊韌度（沖擊韌度（J/cmJ/cm2 2） 試樣的沖擊吸收功（試樣的沖擊吸收功（J)J) 缺口底部橫截面積缺口底部橫截面積(mm(mm2 2 ) ) 擺錘重量擺錘重量(Kg) (Kg) h h1 1擺錘舉起高度擺錘舉起高度(m)(m) h h2 2擊斷試樣后升起高度擊斷試樣后升起高

18、度(m)(m)圖圖3 3 夏比沖擊試驗夏比沖擊試驗 金屬材料的物理、化學(xué)性能金屬材料的物理、化學(xué)性能包括密度、熔點、導(dǎo)電性、包括密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、磁性、熱膨脹性、耐熱性和耐蝕性、光學(xué)性能耐熱性和耐蝕性、光學(xué)性能等。等。 機械零件的用途不同，對機械零件的用途不同，對材料的物理、化學(xué)性能要求材料的物理、化學(xué)性能要求也不同也不同 。光學(xué)光學(xué)性能性能耐腐蝕耐腐蝕導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性磁性磁性耐熱性耐熱性熱膨熱膨脹性脹性導(dǎo)電性導(dǎo)電性熔點熔點密度密度金屬的金屬的理化性能理化性能1.3.2 1.3.2 金屬材料的物理、化學(xué)性能金屬材料的物理、化學(xué)性能n金屬的工藝性能金屬的工藝性能：即

19、金屬即金屬材料對加工工藝的適應(yīng)性材料對加工工藝的適應(yīng)性。n 按加工方法不同，可按加工方法不同，可分為鑄造性能、塑性成形分為鑄造性能、塑性成形性、焊接性、切削加工性、性、焊接性、切削加工性、熱處理工藝性等。熱處理工藝性等。 金屬的各種工藝性能將金屬的各種工藝性能將在以后的有關(guān)章節(jié)中作詳在以后的有關(guān)章節(jié)中作詳細(xì)介紹。細(xì)介紹。鑄造性鑄造性塑性成形性塑性成形性焊接性焊接性金屬的金屬的工藝性能工藝性能1.3.3 1.3.3 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能1.1.常用的力學(xué)性能判據(jù)各用什么符號表示？它們的物常用的力學(xué)性能判據(jù)各用什么符號表示？它們的物 理含義各是什么？理含義各是什么？2.2.測定下列

20、材料或零件的硬度宜采用何種硬度指標(biāo)？測定下列材料或零件的硬度宜采用何種硬度指標(biāo)？ 熱軋鋼坯 青銅鑄件 淬硬鋼齒輪 薄鋁板 灰鑄鐵思思 考考 題題33金屬材料金屬材料高分子材料高分子材料復(fù)合材料復(fù)合材料陶瓷材料陶瓷材料固體固體材料材料第二章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能本章主要講解本章主要講解 金屬材料金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能2.1 2.1 固體材料的分類固體材料的分類2.2 2.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 按原子排列的特征，可將固體金按原子排列的特征，可將固體金屬物質(zhì)分為屬物質(zhì)分為 晶體晶體 和非晶體兩大類。和非晶體兩大類。n晶體：晶體： 物質(zhì)內(nèi)部的

21、原子是按一定的物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定的次序有規(guī)律排列的。如金剛石、石墨次序有規(guī)律排列的。如金剛石、石墨等，等，固態(tài)金屬固態(tài)金屬一般屬于晶體。一般屬于晶體。n非晶體：非晶體內(nèi)部的原子則是無規(guī)非晶體：非晶體內(nèi)部的原子則是無規(guī)則排列的，如玻璃、松香和瀝青等。則排列的，如玻璃、松香和瀝青等。晶體晶體的特點：具有固定熔點，各向異性（單晶）特的特點：具有固定熔點，各向異性（單晶）特 征；征；非晶體非晶體的特點：無固定熔點，其是在一個溫度范圍的特點：無固定熔點，其是在一個溫度范圍內(nèi)熔化，各方向上原子聚集密度大致相同，所以表現(xiàn)內(nèi)熔化，各方向上原子聚集密度大致相同，所以表現(xiàn)各向同性；各向同性；晶體晶體與與非晶體

22、非晶體在一定條件下互相轉(zhuǎn)化。在一定條件下互相轉(zhuǎn)化。2.2.1 2.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n晶格晶格：為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近似地將晶體為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近似地將晶體中每一個原子看成是一個點，并將各點用假想的線連接起來，就得到一中每一個原子看成是一個點，并將各點用假想的線連接起來，就得到一個空間骨架，簡稱晶格，如圖個空間骨架，簡稱晶格，如圖1-4(b)1-4(b)所示。所示。n晶胞晶胞：即晶格中最小的幾何單元。即晶格中最小的幾何單元。圖圖4 4 晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格晶格晶胞晶胞常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有、和等三種

23、類型。. .體心立方晶格體心立方晶格 體心立方的晶格是一個體心立方的晶格是一個立方體立方體，其中心和八個角上各有一，其中心和八個角上各有一個原子，如圖個原子，如圖1 15 5所示。所示。 屬于這類晶格的金屬有屬于這類晶格的金屬有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。它們都具有較好的塑性和較大的強度。等。它們都具有較好的塑性和較大的強度。圖圖5 5 體心立方球體模型及其晶格體心立方球體模型及其晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是面心立方晶格的晶胞也是一個立方體，其六個面中心和一個立方體，其六個面中心和八個角上各有一個原子，如圖八個角上各有一個原子，如圖1 15 5所示。

24、屬于這類晶格的金所示。屬于這類晶格的金屬有屬有 -Fe -Fe 、CuCu、AlAl、NiNi等。等。n它們都具有較好的塑性。它們都具有較好的塑性。 圖圖1 16 6 面心立方球體模型及其晶胞面心立方球體模型及其晶胞. .密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一個六密排六方晶格的晶胞是一個六方柱體，其上下底面的中心和十方柱體，其上下底面的中心和十二個角上各有一個原子，且在六二個角上各有一個原子，且在六方柱體的中間還有三個原子，如方柱體的中間還有三個原子，如圖圖1 17 7所示。屬于這類晶格的金所示。屬于這類晶格的金屬有屬有g(shù) g 、n n 、d d 、e e等。等。n 這類金屬塑性較差

25、。這類金屬塑性較差。圖圖1 17 7 密排六方球體模型及其晶胞密排六方球體模型及其晶胞 實際金屬實際金屬結(jié)構(gòu)并不結(jié)構(gòu)并不像晶體那像晶體那樣規(guī)律和樣規(guī)律和完整，存完整，存在在晶體缺晶體缺陷陷?？瘴?、間隙原子和置換原子（點缺陷）空位、間隙原子和置換原子（點缺陷）: 導(dǎo)致金屬的強度、電阻等增加，塑性下降，導(dǎo)致金屬的強度、電阻等增加，塑性下降， 是是固溶強化固溶強化的主要原因。的主要原因。錯位（線缺陷）：高密度的線缺陷是導(dǎo)致錯位（線缺陷）：高密度的線缺陷是導(dǎo)致加工硬化加工硬化 的主要原因之一；的主要原因之一； 無數(shù)的位錯滑動無數(shù)的位錯滑動導(dǎo)致晶體產(chǎn)生導(dǎo)致晶體產(chǎn)生 宏觀塑性變形宏觀塑性變形。晶界（面缺陷

26、）：晶界處的能量較高，穩(wěn)定性差，熔晶界（面缺陷）：晶界處的能量較高，穩(wěn)定性差，熔點低，易受腐蝕；在常溫下晶界對位錯的移動有阻礙點低，易受腐蝕；在常溫下晶界對位錯的移動有阻礙作用。晶粒越細(xì)（晶粒細(xì)化），晶界對塑性變形的抗作用。晶粒越細(xì)（晶粒細(xì)化），晶界對塑性變形的抗力越大，同時晶粒的變形越均勻，致使力越大，同時晶粒的變形越均勻，致使強度、硬度越強度、硬度越高，塑性、韌性越好；在高溫下的穩(wěn)定性差，晶粒越高，塑性、韌性越好；在高溫下的穩(wěn)定性差，晶粒越細(xì)，高溫性能就越差。細(xì)，高溫性能就越差。實際實際金屬金屬結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.2.2 2.2.2 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程、金屬的結(jié)晶、金屬的結(jié)晶n 即液態(tài)金

27、屬凝固時原子即液態(tài)金屬凝固時原子占據(jù)占據(jù)晶格的規(guī)定位置形成晶體的晶格的規(guī)定位置形成晶體的過程。過程。 純金屬的結(jié)晶過程可通過熱分析實驗法得到的溫度與時間純金屬的結(jié)晶過程可通過熱分析實驗法得到的溫度與時間的關(guān)系曲線，即的關(guān)系曲線，即冷卻曲線冷卻曲線來表示，如圖來表示，如圖1-81-8所示。所示。圖圖1-8 1-8 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線T0 T0 理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度TnTn實際結(jié)晶溫度實際結(jié)晶溫度TT過冷度過冷度T溫度溫度T0Tn時間時間2 2、過冷、過冷：即熔融金屬冷卻到平衡的凝固點以下而沒有發(fā)生凝固即熔融金屬冷卻到平衡的凝固點以下而沒有發(fā)生凝固, ,而是必須而是必須冷卻至理論

28、結(jié)晶溫度以下的某個溫度開始結(jié)晶的現(xiàn)象。冷卻至理論結(jié)晶溫度以下的某個溫度開始結(jié)晶的現(xiàn)象。 過冷度過冷度: 理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差值稱為過冷度。理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差值稱為過冷度。 即：即： T=T0-TnT=T0-Tn式中式中 TT過冷度（過冷度（）；）； T0 T0 金屬的理論結(jié)晶溫度（金屬的理論結(jié)晶溫度（）；）； TnTn 金屬的實際結(jié)晶溫度（金屬的實際結(jié)晶溫度（）。）。 每一種純金屬的理論結(jié)晶溫度是恒定的。金屬的過冷度每一種純金屬的理論結(jié)晶溫度是恒定的。金屬的過冷度不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越快，過冷度也不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。冷卻速度越快，過冷度也越大。

29、越大。 3 3、金屬的結(jié)晶過程、金屬的結(jié)晶過程 動畫演示金屬的結(jié)晶過程包括形核和晶核長大兩個階段，并持續(xù)到液金屬的結(jié)晶過程包括形核和晶核長大兩個階段，并持續(xù)到液相全部轉(zhuǎn)變成固相為止。相全部轉(zhuǎn)變成固相為止。金屬的結(jié)晶過程動畫演示了金屬從形核、晶體長大直至結(jié)晶金屬的結(jié)晶過程動畫演示了金屬從形核、晶體長大直至結(jié)晶完畢整個過程。完畢整個過程。（1 1）形核）形核：又稱成核，是過冷金屬液中生成晶核的過程，又稱成核，是過冷金屬液中生成晶核的過程，是結(jié)晶的初始階段。形核包括均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩是結(jié)晶的初始階段。形核包括均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩種方式。種方式。 1 1）均質(zhì)形核）均質(zhì)形核：又稱自發(fā)形核，是熔融

30、金屬內(nèi)僅因過冷而又稱自發(fā)形核，是熔融金屬內(nèi)僅因過冷而產(chǎn)生晶核的過程。在一定過冷度下，金屬液中的一些原產(chǎn)生晶核的過程。在一定過冷度下，金屬液中的一些原子自發(fā)聚集在一起，按晶體的固有規(guī)律排列起來形成晶子自發(fā)聚集在一起，按晶體的固有規(guī)律排列起來形成晶核。核。 2 2）非均質(zhì)形核）非均質(zhì)形核：又稱非自發(fā)形核，是以熔融金屬內(nèi)原有又稱非自發(fā)形核，是以熔融金屬內(nèi)原有的或加入的異質(zhì)點作為晶核或晶核襯底的形核過程。的或加入的異質(zhì)點作為晶核或晶核襯底的形核過程。形核形核（2 2）晶核長大）晶核長大：即金屬結(jié)晶時，即金屬結(jié)晶時，晶粒晶粒長大成為晶體的過程。長大成為晶體的過程。結(jié)晶過程中，已經(jīng)形成的晶核不斷長大，同時

31、液態(tài)金屬結(jié)晶過程中，已經(jīng)形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬中又會不斷地產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直至液態(tài)金屬全部中又會不斷地產(chǎn)生新的晶核并不斷長大，直至液態(tài)金屬全部消失、長大的晶體互相接觸為止。消失、長大的晶體互相接觸為止。 晶粒晶粒：多晶體材料內(nèi)，晶體學(xué)位向（即原子排列的位向）多晶體材料內(nèi)，晶體學(xué)位向（即原子排列的位向）基本相同的小晶體稱為晶粒?；鞠嗤男【w稱為晶粒。 晶界：相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。晶界：相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。4 4、晶粒度及其控制、晶粒度及其控制 晶粒度晶粒度：指多晶體內(nèi)晶粒的大小，可用晶粒號、晶粒指多晶體內(nèi)晶粒的大小，可用晶粒號、晶粒平均直徑、單位面積或單位體積

32、的晶粒數(shù)目來定量表征。平均直徑、單位面積或單位體積的晶粒數(shù)目來定量表征。（1 1）晶粒度對金屬力學(xué)性能的影響）晶粒度對金屬力學(xué)性能的影響 通常，金屬的晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好。晶粒細(xì)，晶通常，金屬的晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好。晶粒細(xì)，晶界就多，晶粒間犬牙交錯，相互楔合，從而加強了金屬內(nèi)界就多，晶粒間犬牙交錯，相互楔合，從而加強了金屬內(nèi)部的結(jié)合力。部的結(jié)合力。（2 2）細(xì)化晶粒的方法）細(xì)化晶粒的方法 生產(chǎn)中常采用加入形核劑、增大過冷度生產(chǎn)中常采用加入形核劑、增大過冷度 、動力學(xué)法等、動力學(xué)法等來細(xì)化晶粒，以改善金屬材料性能。來細(xì)化晶粒，以改善金屬材料性能。1)1)加入形核劑加入形核劑 加入金屬液中能作

33、為晶核，或雖未能成為晶核但能與液加入金屬液中能作為晶核，或雖未能成為晶核但能與液態(tài)金屬中某些元態(tài)金屬中某些元 素相互作用產(chǎn)生晶核或有效形核質(zhì)點的添加素相互作用產(chǎn)生晶核或有效形核質(zhì)點的添加劑。劑。2 2）增大過冷度）增大過冷度 形核率和晶核長大速度都隨著過冷度的增大而增大，但形核率和晶核長大速度都隨著過冷度的增大而增大，但形核率的增長比長大速率的增加要快，過冷度形核率的增長比長大速率的增加要快，過冷度TT越大，單位越大，單位體積中晶核的數(shù)目越多，故能使晶粒細(xì)化。冷卻速度越大，體積中晶核的數(shù)目越多，故能使晶粒細(xì)化。冷卻速度越大，過冷度也就越大，故可通過增加冷卻速度的方法來使晶粒細(xì)過冷度也就越大，故

34、可通過增加冷卻速度的方法來使晶粒細(xì)化。化。）動力學(xué)法）動力學(xué)法通過機械振動、電磁攪拌等方式使金屬中產(chǎn)生對通過機械振動、電磁攪拌等方式使金屬中產(chǎn)生對流，從而使生長中的晶核折斷而增加晶核數(shù)目，細(xì)化流，從而使生長中的晶核折斷而增加晶核數(shù)目，細(xì)化晶粒。晶粒。）其它方法）其它方法 熱處理、塑性變形等方法也能使金屬細(xì)化。熱處理、塑性變形等方法也能使金屬細(xì)化。2.2.3 2.2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨溫度的變化改變其晶格類型金屬在固態(tài)下隨溫度的變化改變其晶格類型的過程稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。如純鐵的同

35、素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。二次結(jié)晶二次結(jié)晶:金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程很金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬的結(jié)晶過程很相似，也有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度，同樣包括晶核的形成相似，也有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷度，同樣包括晶核的形成和晶核的長大兩個過程，故常稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。和晶核的長大兩個過程，故常稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。2.2.4 2.2.4 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：合金：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素所組成的是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元素所組成的 金屬材料。金屬材料。組元：組元：組成合金的最基本的、獨立的單元稱為組元。按照組元的數(shù)組成合金的最基本的、獨立

36、的單元稱為組元。按照組元的數(shù) 目，合金可以分為二元合金、三元合金。目，合金可以分為二元合金、三元合金。 合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間作用合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間作用方式不同，可以形成固溶體、金屬化合物和機械混合物三種結(jié)構(gòu)。方式不同，可以形成固溶體、金屬化合物和機械混合物三種結(jié)構(gòu)。組元組元1 1組元組元2 2組元組元3 3合合 金金 1.1.固溶體固溶體 (1) (1)固容體的類型固容體的類型n間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子很小時，只間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子很小時，只能處于溶劑原子的間隙中，稱為間隙能處于溶劑原子的間隙中，稱為間隙固溶體。固溶體。 如

37、圖如圖1-10a1-10a所示。如所示。如C C、H H、O O等等 原子易形成間隙固溶體。原子易形成間隙固溶體。n置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)和溶劑的原子直置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)和溶劑的原子直徑較接近時，只能替代一部分溶劑原徑較接近時，只能替代一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點位置，子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點位置，稱為置換固溶體。稱為置換固溶體。 如圖如圖1-10b 1-10b 所示。如所示。如Fe-NiFe-Ni、Cu-Cu-NiNi等等。圖圖1-10a 1-10a 間隙固溶體間隙固溶體圖圖1-10b 1-10b 置換固溶體置換固溶體(2)(2)固溶強化固溶強化n固溶強化：固溶強化：通過溶入某種

38、溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強度、硬度升高的現(xiàn)象。n如圖1-10c、1-10d所示。1-10c 1-10c 間隙固溶體晶格畸變間隙固溶體晶格畸變1-10d 1-10d 置換固溶體晶格畸變置換固溶體晶格畸變2 2、金屬化合物、金屬化合物：即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互化合即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互化合而形成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。而形成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。 金屬化合物具有與各組元完全不同的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，金屬化合物具有與各組元完全不同的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，通常具有較高的熔點和硬度，且脆性較大。碳鋼中的通常具有較高的熔點和硬度，且脆性較大。碳鋼中的FeFeC C、合金鋼中的合金

39、鋼中的TiCTiC、WCWC、VCVC等均屬于金屬化合物。等均屬于金屬化合物。 FeFeC C的晶的晶格如圖格如圖1-11b1-11b所示。所示。圖圖1-11a 1-11a 石墨的晶格石墨的晶格圖圖1-11b 1-11b 滲碳體的晶格滲碳體的晶格3 3、機械混合物：、機械混合物：即由純金屬、固溶體或化合物按一定的重即由純金屬、固溶體或化合物按一定的重量比組成的物質(zhì)。量比組成的物質(zhì)。 機械混物各組成物的原子仍然按自己原來的晶格形式結(jié)機械混物各組成物的原子仍然按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，在顯微鏡下可明顯區(qū)別出各組成物的晶粒。合成晶體，在顯微鏡下可明顯區(qū)別出各組成物的晶粒。 機械混合物的機械混合

40、物的通常介于各組成物之間，并取決于通常介于各組成物之間，并取決于各組成物的各組成物的含量含量、性能性能、分布分布和和形態(tài)形態(tài)。如碳鋼中的珠光體就是。如碳鋼中的珠光體就是由化合物由化合物和固溶體和固溶體組成的機械混合物，組成的機械混合物，其力學(xué)性能介于二者之間。其力學(xué)性能介于二者之間。1.1.何謂金屬結(jié)晶？純金屬結(jié)晶有哪些基本規(guī)律？何謂金屬結(jié)晶？純金屬結(jié)晶有哪些基本規(guī)律？2.2.生產(chǎn)中常用那些方法細(xì)化晶粒？各類方法使晶粒生產(chǎn)中常用那些方法細(xì)化晶粒？各類方法使晶粒 細(xì)化的機理是什么？細(xì)化的機理是什么？3.3.試分析純鐵的結(jié)晶過程，并指出金屬的同素異構(gòu)試分析純鐵的結(jié)晶過程，并指出金屬的同素異構(gòu) 轉(zhuǎn)變

41、與液態(tài)結(jié)晶的異同點。轉(zhuǎn)變與液態(tài)結(jié)晶的異同點。二元合金結(jié)晶圖（自學(xué)）二元合金結(jié)晶圖（自學(xué)）n相圖（狀態(tài)圖或平衡圖）相圖（狀態(tài)圖或平衡圖）：用圖解的方法表示不同溫度、壓力及成分用圖解的方法表示不同溫度、壓力及成分下合金系中各相的平衡關(guān)系。下合金系中各相的平衡關(guān)系。 合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，可以看做平衡的結(jié)晶過合金在極其緩慢冷卻的條件下的結(jié)晶過程，可以看做平衡的結(jié)晶過程。狀態(tài)取決于程。狀態(tài)取決于溫度溫度和和成分。成分。 1 1、二元相圖的建立：合金的加入使其結(jié)晶溫度變?yōu)橐粋€范圍。、二元相圖的建立：合金的加入使其結(jié)晶溫度變?yōu)橐粋€范圍。 2 2、二元均晶相圖：凡二元系中的、二元均晶相圖：凡

42、二元系中的兩組元兩組元在在液態(tài)液態(tài)和和固態(tài)固態(tài)下均能下均能無限互無限互溶溶時，其所構(gòu)成的相圖；時，其所構(gòu)成的相圖； 3 3、二元共晶相圖：當(dāng)兩個組元液態(tài)能無限互溶，但、二元共晶相圖：當(dāng)兩個組元液態(tài)能無限互溶，但固態(tài)固態(tài)只能只能有限互有限互溶溶并且發(fā)生共晶反應(yīng)時，其所構(gòu)成的相圖；并且發(fā)生共晶反應(yīng)時，其所構(gòu)成的相圖； 4 4、二元包晶相圖：若兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時形成有限、二元包晶相圖：若兩組元在液態(tài)時無限互溶，在固態(tài)時形成有限固溶體而且發(fā)生包晶反應(yīng)，其所構(gòu)成的相圖。固溶體而且發(fā)生包晶反應(yīng)，其所構(gòu)成的相圖。332.3 2.3 鐵碳合金鐵碳合金 n鐵碳合金鐵碳合金：以鐵為基體，以鐵為基體，

43、有不同碳含量的合金，稱有不同碳含量的合金，稱為鐵碳合金。碳主要影響為鐵碳合金。碳主要影響鐵碳合金性能的成分。鐵碳合金性能的成分。（鐵（鐵- -碳合金的含碳量最高碳合金的含碳量最高不超過不超過5%5%）；）； 鐵碳合金是工業(yè)上應(yīng)用鐵碳合金是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的合金。最廣泛的合金。2.3.1 2.3.1 鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織（1）鐵碳合金中，固態(tài)時可形鐵碳合金中，固態(tài)時可形成成、（2 2）鐵碳合金的基本組織有）鐵碳合金的基本組織有鐵鐵素體素體、奧氏體奧氏體、滲碳體滲碳體、珠珠光體光體和和萊氏體萊氏體。（3 3）純鐵純鐵：熔點：熔點15381538，有同有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；（4

44、 4）碳碳：在鐵碳合金中的存在：在鐵碳合金中的存在形式有形式有固溶體、金屬化合物、固溶體、金屬化合物、石墨石墨。奧氏體奧氏體珠光體珠光體萊氏體萊氏體滲碳體滲碳體鐵素體鐵素體鐵碳合金鐵碳合金1.1.鐵素體鐵素體 鐵素體鐵素體 ：即即- Fe鐵中溶入碳元素構(gòu)成的固溶體，用鐵中溶入碳元素構(gòu)成的固溶體，用符號符號 F或或 表示。它仍保持溶劑表示。它仍保持溶劑- Fe的的的的體心立方體心立方晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)。 由于由于- Fe內(nèi)原子間的空隙比較小，故溶碳能力極內(nèi)原子間的空隙比較小，故溶碳能力極小，在小，在727時溶碳能力達(dá)到最大，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時溶碳能力達(dá)到最大，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為為0.02%。隨著溫度下

45、降，溶碳量逐步減少，在室溫。隨著溫度下降，溶碳量逐步減少，在室溫時只能溶解微量。時只能溶解微量。 力學(xué)性能力學(xué)性能：強度、硬度低，塑性、韌性好。：強度、硬度低，塑性、韌性好。 2.2.奧氏體奧氏體 奧氏體奧氏體：即：即( (- Fe- Fe) )中溶入碳元素構(gòu)成的固溶體，中溶入碳元素構(gòu)成的固溶體，用符號用符號 A A 或或 表示。它仍保持表示。它仍保持- Fe- Fe的晶體結(jié)構(gòu)。的晶體結(jié)構(gòu)。由于由于- Fe- Fe內(nèi)原子間的空隙比內(nèi)原子間的空隙比- Fe- Fe大，故溶碳能力大，故溶碳能力也較大，在也較大，在11481148時的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)時的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)2.11%2.11%。 力學(xué)性

46、能力學(xué)性能：具有一定的強度，塑性很好。易鍛壓：具有一定的強度，塑性很好。易鍛壓成形。成形。3. 3. 滲碳體滲碳體 滲碳體滲碳體 :化學(xué)式為化學(xué)式為FeFe3 3C C的金屬化合物。滲的金屬化合物。滲碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%,6.69%,晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)復(fù)雜。復(fù)雜。 滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般以片狀、滲碳體在鋼和鑄鐵中，一般以片狀、網(wǎng)狀或球狀存在。它的形狀和分布對鋼網(wǎng)狀或球狀存在。它的形狀和分布對鋼的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強的性能影響很大，是鐵碳合金的重要強化物?；?。力學(xué)性能力學(xué)性能：硬度很高：硬度很高 (HV=9501050)(HV=9501050)；而脆性

47、大，塑性極差，不能單獨應(yīng)用；而脆性大，塑性極差，不能單獨應(yīng)用；在鐵碳合金中起強化作用在鐵碳合金中起強化作用。 圖圖1-12 1-12 滲碳體晶格滲碳體晶格4.4.珠光體珠光體 ( (金相組織金相組織珠光體珠光體 : :鐵素體薄層鐵素體薄層( (片片) )與滲碳薄層與滲碳薄層( (片片) )交替重疊組成的交替重疊組成的共析組織共析組織, ,用符號用符號 P P 表示表示, ,其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.770.77。珠。珠光體通常是由奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體形成的。光體通常是由奧氏體中同時析出鐵素體和滲碳體形成的。力學(xué)性能力學(xué)性能：介于鐵素體和滲碳體之間：介于鐵素體和滲碳體之間,

48、, 強度較高強度較高, ,塑性較差。塑性較差。萊氏體萊氏體 :即鑄鐵或高碳高合金鋼中由奧氏體即鑄鐵或高碳高合金鋼中由奧氏體( (或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)或其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物物) )與滲碳體組成的共晶組織，屬于與滲碳體組成的共晶組織，屬于機械混合物機械混合物，其碳的，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%4.3%。 萊氏體通常在高溫下由奧氏體和滲碳體組成，萊氏體通常在高溫下由奧氏體和滲碳體組成，727727以下以下由珠光體和滲碳體組成由珠光體和滲碳體組成, ,分別用符號分別用符號LdLd和和LdLd表示。表示。力學(xué)性能力學(xué)性能：與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差。：與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差。鐵碳相圖：鐵碳相圖：是用

49、縱坐標(biāo)表示溫度是用縱坐標(biāo)表示溫度, ,橫坐標(biāo)表示碳的量分?jǐn)?shù)的橫坐標(biāo)表示碳的量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金不同相的鐵碳合金不同相的平衡圖平衡圖, ,如圖如圖1 -13 1 -13 所示。所示。用途用途： 鐵碳相圖是用實驗方法作出的鐵碳相圖是用實驗方法作出的, ,是研究鋼和鑄鐵的是研究鋼和鑄鐵的成分、溫度與組織之間關(guān)系的重要工具，是選材和制定成分、溫度與組織之間關(guān)系的重要工具，是選材和制定鋼鐵材料鑄造、鍛造和熱處等熱加工工藝的基本依據(jù)。鋼鐵材料鑄造、鍛造和熱處等熱加工工藝的基本依據(jù)。相圖中的主要特性點的含義 鐵碳合金相圖中用字母標(biāo)出的點都表示一定的特性,故稱為特性點,主要含義見表1-1（下一幻燈片）。相圖中主要

50、線的含義：ACD線液圖圖1-13 1-13 鐵碳相圖鐵碳相圖1.1.鐵碳相圖及其各成分組織示意圖鐵碳相圖及其各成分組織示意圖符號符號溫度溫度含碳量含碳量%(重量重量)特性特性A15380 0純鐵的熔點純鐵的熔點C11484.34.3共晶反應(yīng)點共晶反應(yīng)點D12276.696.69滲碳體的熔點滲碳體的熔點E11482.112.11碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度F11486.696.69滲碳體滲碳體G9120 0-Fe-Fe與與-Fe-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變點同素異晶轉(zhuǎn)變點K7276.696.69滲碳體滲碳體N13940 0 -Fe-Fe與與-Fe-Fe同素異晶轉(zhuǎn)變點同素異晶轉(zhuǎn)變點P72

51、70.02180.0218碳在碳在-Fe-Fe中的最大溶解度中的最大溶解度S7270.770.77共析反應(yīng)點共析反應(yīng)點Q6000.0080.008600600時碳在時碳在-Fe-Fe中的最大溶度中的最大溶度 表表1 11 1 相圖中主要特性點的含義相圖中主要特性點的含義（）工業(yè)純鐵（）工業(yè)純鐵 即即w(C) 0.0218%w(C) 0.0218%的鐵碳的鐵碳合金。合金。室溫組織室溫組織： 為鐵素體和極少量的三次為鐵素體和極少量的三次滲碳體。滲碳體。鋼鋼白口鑄鐵白口鑄鐵工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵鐵碳合金鐵碳合金（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)）(2) (2) 鋼鋼n鋼：即鋼：即0.0218%w(C)2.11%

52、0.0218%w(C)2.11% 的鐵碳合金。的鐵碳合金。 按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，鋼可分為按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，鋼可分為共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼共析鋼、亞共析鋼和過共析鋼三類。三類。過共析鋼過共析鋼亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼鋼鋼 1)1)共析鋼共析鋼 即即W(C)=0.77%,W(C)=0.77%,室溫組織為珠光體。室溫組織為珠光體。 2)2)亞共析鋼亞共析鋼 即即W(C)0.77%,W(C)0.77%,W(C)0.77%,室溫組織為珠光體和二次滲碳室溫組織為珠光體和二次滲碳體體。 (3)(3)白口鑄鐵白口鑄鐵 即即2.11%w (C)6.69%2.11%w (C)6.69%的的鐵鐵碳合金。碳

53、合金。 按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，白按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，白口鑄鐵可分為共晶白口鑄鐵、口鑄鐵可分為共晶白口鑄鐵、亞共晶白口鑄鐵和過共晶白口亞共晶白口鑄鐵和過共晶白口鑄鐵三類。鑄鐵三類。亞共晶亞共晶白口鑄鐵白口鑄鐵過共晶過共晶白口鑄鐵白口鑄鐵共晶共晶白口鑄鐵白口鑄鐵白口鑄鐵白口鑄鐵1 1）共晶白口鑄鐵）共晶白口鑄鐵 W (C)W (C)4.3%4.3%，室溫組織為萊氏體（室溫組織為萊氏體（d d）。）。2 2）亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵 W(C)4.3% W(C)4.3%W(C)4.3%，室溫組織為萊氏體（室溫組織為萊氏體（d d）和一次滲和一次滲碳體。碳體。3.3.典型鐵碳合金的結(jié)晶過程典型鐵碳合金

54、的結(jié)晶過程(1)(1)共析鋼結(jié)晶過程共析鋼結(jié)晶過程 動畫演示 當(dāng)液態(tài)金屬冷卻到1點溫度時，開始結(jié)晶出奧氏體。隨著溫度的下降，奧氏體數(shù)量不斷增多，剩余的液體量逐漸減少。 當(dāng)冷卻到2溫度時，剩余的液體全部轉(zhuǎn)化為單一均勻的奧氏體，結(jié)晶完畢。溫度在2與3之間時，組織不發(fā)生變化。 L L+A L L+A A A P P（F+FeF+Fe3 3C C） 動畫演示 溫度在1點和3點之間的結(jié)晶過程與共析鋼相同。 當(dāng)冷卻到3溫度時，從奧氏體中開始析出鐵素體，隨著溫度的下降，鐵素體量不斷增多，奧氏體量不斷減少。 當(dāng)冷卻到4點溫度時，剩余的奧氏體w(C) 增至0.77%，達(dá)到共析 L L+A L L+A A A A

55、+F A+F P+F P+F 動畫演示動畫演示 溫度在1點與3點之間的轉(zhuǎn)變和共析鋼相同。 當(dāng)冷卻到3點溫度時，開始沿奧氏體晶界析出滲碳體。隨著溫度下降，滲碳體的量不斷增多，剩余奧氏體中的溶碳量逐漸減少。 L L+A L L+A A A A+ Fe A+ Fe3 3C C P+FeP+Fe3 3C C 動畫演示動畫演示 當(dāng)液態(tài)合金冷卻到1點以下溫度時，發(fā)生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體，隨著溫度的下降，碳在澳氏體中的溶解度不斷下降。由奧氏體中不斷析出滲碳體。 當(dāng)冷卻到2點溫度時，萊氏體中奧氏體的含碳量減少至0.77%，達(dá)到共析成分，發(fā)生共L LL Ld d（A+FeA+Fe3 3C C） L Ld d（

56、A+FeA+Fe3 3C+FeC+Fe3 3C C） LLd d（P+ FeP+ Fe3 3C+FeC+Fe3 3C C） 動畫演示動畫演示 當(dāng)液態(tài)合金冷卻到1點溫度時，開始結(jié)晶出奧氏體。隨著溫度的降低，奧氏體量不斷增多，而剩余的液體量不斷減少。 當(dāng)冷卻到2點溫度時，剩余的液體w(C)增至4.3%，達(dá)到共晶成分，發(fā)生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏 L L+A L L+A L Ld d+A +A L Ld d+A+Fe+A+Fe3 3C C LLd d+P+Fe+P+Fe3 3C C 動畫演示動畫演示 當(dāng)液態(tài)合金冷卻到1點溫度時，開始結(jié)晶出滲碳體。隨著溫度的下降，滲碳體的數(shù)量不斷增多，剩余液體量逐漸減少。

57、 當(dāng)冷卻到2點溫度時，剩余液體的w(C)減至4.3%，達(dá)到共晶成分，發(fā)生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槿R氏體。 L L+ FeL L+ Fe3 3C C L Ld d+ Fe+ Fe3 3C C LLd d+ Fe+ Fe3 3C C（當(dāng)當(dāng)w(c)0.9%w(c)0.9%w(c)0.9%時時，隨著碳含量的不斷增加，鋼的硬，隨著碳含量的不斷增加，鋼的硬度仍不斷升高，但強度和塑性不斷下降，這是由于網(wǎng)狀度仍不斷升高，但強度和塑性不斷下降，這是由于網(wǎng)狀滲碳體明顯形成并不斷增多所致。滲碳體明顯形成并不斷增多所致。（3 3）在白口鑄鐵部分在白口鑄鐵部分，隨著含碳量增加，硬度不斷增加，隨著含碳量增加，硬度不斷增加，強度不

58、斷下降，而塑性則幾乎為零。這是由于萊強度不斷下降，而塑性則幾乎為零。這是由于萊 氏體或一次滲碳體等脆硬組織不斷增多所致。氏體或一次滲碳體等脆硬組織不斷增多所致。1.比較鐵碳合金各種基本組織的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。比較鐵碳合金各種基本組織的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。2.碳鋼與鑄鐵在成分與組織上有哪些區(qū)別？碳鋼與鑄鐵在成分與組織上有哪些區(qū)別？3.試分析試分析W(C)分別為分別為0.2%、0.77%、1.3%的鐵碳合的鐵碳合 金自高溫緩慢冷卻至室溫的組織轉(zhuǎn)變過程。金自高溫緩慢冷卻至室溫的組織轉(zhuǎn)變過程。44第三章第三章 改變材料性能的主要途徑改變材料性能的主要途徑1 1）金屬熱處理）金屬熱處理： 采用適當(dāng)?shù)姆?/p>

59、式對金屬材采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM(jìn)行加熱、保溫和冷料或工件進(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織、結(jié)構(gòu)與卻以獲得預(yù)期的組織、結(jié)構(gòu)與性能的工藝。性能的工藝。 圖圖1-511-51所示溫度時間曲所示溫度時間曲線描述了其基本過程。線描述了其基本過程。 圖圖1-51 1-51 熱處理工藝曲線示意圖熱處理工藝曲線示意圖2 2）金屬熱處理的目的：）金屬熱處理的目的：n不改變工件的形狀，通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)來改變性能；不改變工件的形狀，通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu)來改變性能；n消除毛坯缺陷，改善工藝性能，以利于進(jìn)行冷、熱加工；消除毛坯缺陷，改善工藝性能，以利于進(jìn)行冷、熱加工；n充分發(fā)揮材料的潛力，顯著

60、提高其力學(xué)性能。充分發(fā)揮材料的潛力，顯著提高其力學(xué)性能。3 3）應(yīng)用：）應(yīng)用：n機床工業(yè)中，有機床工業(yè)中，有60607070的零件需要熱處理；的零件需要熱處理；n汽車、拖拉機工業(yè)中，有汽車、拖拉機工業(yè)中，有70708080的零件需要熱處理；的零件需要熱處理；n各類工具、模具幾乎都要進(jìn)行熱處理。各類工具、模具幾乎都要進(jìn)行熱處理。 金屬在固態(tài)下可相變、溶解度可變，或處于金屬在固態(tài)下可相變、溶解度可變，或處于不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（諸如：整體熱處理、表面熱不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)（諸如：整體熱處理、表面熱處理），或表面可滲入其它元素的材料（化學(xué)熱處理），或表面可滲入其它元素的材料（化學(xué)熱處理）。處理）。普通熱處理