《工程材料學(xué)》全冊配套完整教學(xué)課件2

《工程材料學(xué)》全冊配套完整教學(xué)課件22第1章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

3§1-1金屬的晶體結(jié)構(gòu)§1-1-1晶體基礎(chǔ)①晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。②非晶體：材料的原子（離子、分子）無規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為“過冷液體”或“無定形體”(amorphous)。區(qū)別(a)是否具有周期性、對稱性(b)是否長程有序(c)是否有確定的熔點(d)是否各向異性(1)晶體與非晶體4§1-1-2典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)(1)基本概念晶體結(jié)構(gòu)：晶體中原子（離子）規(guī)則排列的方式。晶格：假想的晶體中的空間格架。晶胞：晶格的最小幾何組成單元。結(jié)點5三條棱邊長a,b,c（晶格常數(shù)， 金屬的晶格常數(shù)大多為0.1～0.7nm）；三條棱之間的夾角α,β,γ。(2)晶胞的幾何特征描述現(xiàn)代X射線結(jié)構(gòu)分析表明，絕大多數(shù)金屬為體心立方、面心立方、密排六方等三種典型結(jié)構(gòu)。6體心立方結(jié)構(gòu)8個角＋體的中心。典型金屬：-Fe,Cr,Mo,W,V等。7面心立方結(jié)構(gòu)8個角＋6個面的中心。典型金屬：-Fe,Cu,Al,Ni,Pt等。8純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化(體心立方)(體心立方)(面心立方)9密排六方結(jié)構(gòu)12個角＋上下底面的中心＋兩底面間3個均勻分布的間隙里。晶格常數(shù)用正六邊形底面的邊長a和晶胞的高度c來表示，兩者比值c/a≈1.633。典型金屬：Be,Mg,Zn,Cd等。10§1-1-3金屬晶體結(jié)構(gòu)的重要概念(1)基本概念晶格尺寸：指晶胞的大小，可用晶格常數(shù)表達(dá)。晶胞原子數(shù)：指一個晶胞內(nèi)所含有的原子數(shù)目。原子半徑：晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半。配位數(shù)：晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目。（等距離、最近鄰）致密度：11(2)體心立方晶格晶胞原子數(shù)：原子半徑：配位數(shù)：8(a)模型(b)晶胞(d)配位數(shù)(c)晶胞原子數(shù)

12(3)面心立方晶格(a)模型(b)晶胞配位數(shù):12(d)配位數(shù)晶胞原子數(shù)：(c)晶胞原子數(shù)原子半徑：13(4)密排六方晶格晶胞原子數(shù)：(a)模型(b)晶胞(c)晶胞原子數(shù)配位數(shù):12(d)配位數(shù)原子半徑：14§1-1-4晶面與晶向的表示方法(1)基本概念晶面：晶體中不同方位的原子面（通過原子中心的平面）稱為晶面。晶向：晶體中不同方向的原子列（通過原子中心的方向）稱為晶向。15選定不在預(yù)定晶面上的晶格中任一結(jié)點為坐標(biāo)原點，以與該點連接的三條棱邊為坐標(biāo)軸，即OX,OY,OZ；以晶格常數(shù)a作為坐標(biāo)軸上的度量單位，求出欲定晶面在3個坐標(biāo)軸上的截距(截距負(fù)值時，在指數(shù)上方加“－”)；求3個截距的倒數(shù)，化為最小整數(shù)；將3個整數(shù)加圓括號，整數(shù)間不加標(biāo)點，如(hki)。錯誤寫法：(0,1,0)(0-10)。(2)立方晶系的晶面表示方法010晶面采用晶面指數(shù)的方式表達(dá)。O(010)16隨堂練習(xí)截距111

??取倒數(shù)111

加圓括號(111)

截距

取倒數(shù)化整數(shù)102

加圓括號(102)

?17晶面族(hki)是以某個特定晶面求得的晶面指數(shù)，由于坐標(biāo)系可平移，此晶面指數(shù)實際代表原子排列相間的所有平行晶面的晶面指數(shù)。某些晶面雖彼此不平行，但原子排列情況相同，這些晶面稱為晶面族。將hkl加以大括號｛hkl｝，即表示晶面族的晶面指數(shù)。晶面族{111}表示正八面體的面：18(3)立方晶系的晶向表示方法晶向用晶向指數(shù)來表示。通過坐標(biāo)原點引一直線，使其平行于所求的晶向。求出該直線上任一結(jié)點的3個坐標(biāo)值。將3個坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號，即為所求的晶面指數(shù)，其一般形式為[uvw]。指數(shù)為負(fù)值時，在指數(shù)上方加“－”號。

ZYXA010O[010]A’19隨堂練習(xí)ZYXZYXB[111]C??過原點引直線,平行于所求晶向?qū)?yīng)結(jié)點3個坐標(biāo)值加方括號*指數(shù)看特征*正負(fù)看走向OO20晶向指數(shù)[uvw]所表示的不僅僅是一條直線的位向，實際表示一組原子排列相同的平行晶向。若兩組晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同，符號相反，則它們相互平行或為同一原子列，但方向相反。晶向族原子排列相同，但空間位向不同（即不平行）的所有晶向稱為晶向族，以<uvw>表示。

<100>=[100]+[010]+[001]

[110]21(4)晶面及晶向的原子密度不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。下頁兩表給出了體心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和緊密程度。體心立方晶格中，原子密度最大的晶面族為{110}，稱密排面；原子密度最大的晶向族是<111>，稱密排方向。面心立方晶格中，密排面為{111}，密排方向為<110>。

222324§1-2-1晶體基礎(chǔ)理想晶體+晶體缺陷(偏離晶體完整性的微觀區(qū)域)

——實際晶體實際晶體——單晶體和多晶體單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致

——各向異性多晶體：由許多位向各不相同的 單晶體塊(晶粒)組成,晶粒之間 由晶界隔開——各向同性

§1-2實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)25(1)點缺陷在三維尺寸上不超過幾個原子直徑的缺陷。①晶格中某個原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點，稱為空位。②某個晶格間隙擠進(jìn)了原子，稱為間隙原子。③材料中總存在著一些其它元素的雜質(zhì)，這些原子稱為異類原子。它們可形成間隙原子，也可能取代原來原子的位置，成為置換原子。

§1-2-2實際金屬晶體缺陷26(2)線缺陷晶體中最普通的線缺陷是位錯，它是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。①刃型位錯：因某種原因，晶體的一部分沿一定晶面，相對于晶體的未動部分，逐漸發(fā)生了一原子間距的滑移，產(chǎn)生了一個多余的半原子面。這個多余的半原子面猶如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線。27②螺型位錯：晶體右邊的上部的點相對于下部的點向后錯動一個原子間距，即右邊上部相對于下部晶面發(fā)生錯動。將錯動區(qū)的原子用線連接起來，具有螺旋型特征。因局部區(qū)域切變而產(chǎn)生的螺型位錯螺型位錯的結(jié)構(gòu)28面缺陷包括晶界和亞晶界。晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時適應(yīng)相鄰兩個晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上。(3)面缺陷晶界示意圖29晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒。亞晶粒尺寸比晶粒小2~3個數(shù)量級，通常為10-8~10-6m。亞晶粒的邊界稱為亞晶界。激光燒結(jié)銅合金晶粒/亞晶粒圖片出自：D.D.Gu,etal.PowderMetallurgy,2006,49(3):258-264.30金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)（晶態(tài)）的過程稱為結(jié)晶。(1)純金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬結(jié)晶由形核和長大兩個密切聯(lián)系的基本過程實現(xiàn)。§1-3-1金屬的結(jié)晶§1-3純金屬的結(jié)晶與鑄錠組織晶核枝晶31①晶核的形成

1）自發(fā)形核從液態(tài)內(nèi)部由金屬本身原子自發(fā)長出結(jié)晶核心的過程叫做自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做自發(fā)晶核。

2）非自發(fā)形核依附于雜質(zhì)而生成晶核的過程叫做非自發(fā)形核，形成的結(jié)晶核心叫做非自發(fā)晶核。32②晶體的長大1）平面長大：在冷卻速度較小的情況下，純金屬晶體主要以其表面向前平行推移的方式長大?！井?dāng)界面上偶有突出長大部分伸入到T較高的L中時，其長大速度會↓，甚至?xí)Ｖ?。而周圍晶體很快趕上來，突出部分消失，恢復(fù)平面狀態(tài)?！?）樹枝狀長大：當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在有雜質(zhì)時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負(fù)溫度梯度，這時金屬晶體往往以樹枝狀的形狀長大?！驹陂L大中如有突出部分，必然伸到T較低的L中而繼續(xù)長大，它的長大速度比周圍更迅速，而且又會生長出新的枝晶，導(dǎo)致枝晶方式長大?！?3枝晶長大方式示意圖散熱散熱34(2)結(jié)晶溫度液體金屬在結(jié)晶時的溫度－時間曲線稱為冷卻曲線。

理論結(jié)晶溫度Tm

與開始結(jié)晶溫度Tn

之差叫做過冷度

(Undercooling)，用ΔT表示。

ΔT=Tm－Tn

純金屬的冷卻曲線35恒溫、恒壓條件下，單位體積的液體與固體的自由能之差為：

式中，負(fù)號表示由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)自由能降低；Lm為熔化潛熱。

體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能，其中可以對外做功或向外釋放的能量叫自由能。自然界的自發(fā)過程進(jìn)行的熱力學(xué)條件都是自由能≤0?！窘Y(jié)論】結(jié)晶的熱力學(xué)條件就是必須有一定的過冷度【可見】過冷度越大，結(jié)晶驅(qū)動力就越大；過冷度為0，ΔGv也為0，沒有驅(qū)動力，結(jié)晶不能進(jìn)行。過冷度用來克服界面能。36激光燒結(jié)銅合金的枝晶組織圖片出自：D.D.Gu,etal.JournalofAlloysandCompounds,2007,438:184–189.37激光燒結(jié)不銹鋼的枝晶組織多樣性圖片出自：潘琰峰.南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.38★表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。工業(yè)生產(chǎn)上采用晶粒度等級來表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度共分八級，一級最粗，八級最細(xì)。通過100倍顯微鏡下的晶粒大小與標(biāo)準(zhǔn)圖對照來評級?！锍叵?，金屬晶粒越細(xì)小， 晶界面積越大，它的強度、 硬度越高；對外應(yīng)力的分散使 塑性和韌性提高，即細(xì)晶強化?！?-3-2晶粒大小39★晶粒細(xì)化:

粒的大小取決于晶核的形成速度和長大速度。單位時間、單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目叫形核率(N)。單位時間內(nèi)晶核生長的長度叫長大速度(G)。

N/G比值越大，晶粒越細(xì)小。①提高過冷度過冷度△T↑，N↑↑（形核速率），G↑（長大速率），

N/G增大，晶粒越細(xì)小。過冷度對N、G的影響40Fe基形狀記憶合金顯微組織圖片出自：王河廷.南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.41②變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。③振動，攪拌等對正在結(jié)晶的金屬進(jìn)行振動或攪動，一方面可靠外部輸入的能量來促進(jìn)形核，另一方面也可使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。42

4μm不同La2O3含量下激光燒結(jié)試樣腐蝕后的顯微組織圖片出自：D.D.Gu,etal.J.Phys.D:Appl.Phys.41(2008)09530843§1-3-3金屬鑄錠組織及其控制

(1)鑄錠三區(qū)表層細(xì)晶區(qū)（強過冷,非均勻形核）柱狀晶區(qū)（純金屬:過冷度減小,形核困難,沿散熱方向生長;

合金:成分過冷,一次軸發(fā)達(dá),沿散熱方向生長。）中心等軸晶區(qū)（均勻散熱、液相區(qū)成分過冷、熔體對流導(dǎo)致細(xì)晶漂移或枝晶破碎。）

12344

(2)組織控制

受澆鑄溫度、冷卻速度、化學(xué)成分、變質(zhì)處理、機械振動與攪拌等因素影響。

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(3)鑄錠缺陷①宏觀偏析:整個鑄錠范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象。

②微觀偏析

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③夾雜與氣孔

夾雜：外來夾雜和內(nèi)生夾雜。氣孔：析出型和反應(yīng)型。④縮孔和疏松

形成：凝固時體積縮?。a縮不足－形成縮孔。分類：集中縮孔（縮孔、縮管）和分散縮孔

（疏松，枝晶骨架相遇，封閉液體，造成補縮困難 形成。）

47第2章合金的相結(jié)構(gòu)與二元合金相圖

48§2-1固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)合金：由兩種或以上金屬元素或金屬與非金屬組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的獨立的最基本的單元（一般是一種元素或一種穩(wěn)定的化合物）。相：

具有相同化學(xué)成分、相同晶體結(jié)構(gòu)和相同的物理或化學(xué)性能，并與該合金系統(tǒng)其它部分有明顯分界的均勻組成部分。組織：用顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌。49組織相1：Ni相2：Cu-10Sn明顯的分界合金組元1：Cu組元2：Sn圖片出自：胥橙庭,沈以赴,顧冬冬.稀有金屬材料與工程,2005,34:341-344.50按照合金中組元原子的存在方式，合金可分為兩類基本的相結(jié)構(gòu)：固溶體和金屬間化合物。(1)

固溶體

組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。

A：溶劑；B：溶質(zhì)。51①固溶體的分類——無序固溶體

——有序固溶體

分布有序度——無限固溶體

——有限固溶體溶解度原子半徑較小間隙固溶體

晶格類型相同，原子半徑相差不大，電化學(xué)性質(zhì)相近置換固溶體

溶質(zhì)原子的位置52置換固溶體示意圖間隙固溶體示意圖53②固溶強化由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸變，以及對位錯的釘扎作用，阻礙了位錯的運動，而造成材料強度、硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。溶質(zhì)原子溶入→晶格畸變→位錯運動阻力上升→金屬塑性變形困難→強度、硬度升高。形成固溶體時的晶格畸變54圖片出自：W.P.Tong,

N.R.Tao,Z.B.Wang,

J.Lu,

K.Lu.NitridingIronatLowerTemperatures.SCIENCE299(2003)686-688.固溶強化SCIENCE

納米化表層(10μm)FeN2ε-Fe2~3N相(顆粒)固溶強化55(2)金屬間化合物金屬間化合物是合金組元相互作用而形成的具有金屬特性，而晶格類型和特性又完全不同于任一組元的化合物——中間相。兩組元有一定比例，可用化學(xué)式AmBn表示。特點：金屬間化合物一般有較高的熔點、較高的硬度和較大的脆性。合金中出現(xiàn)化合物時，可提高強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。56①正常價化合物

周期表上相距較遠(yuǎn)、電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素容易形成正常價化合物。其特點是符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定，并可用化學(xué)式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS，SiC等。正常價化合物具有高的硬度和脆性。當(dāng)其在合金中彌散分布于固溶體基體中時，將起到強化相的作用，使合金強化。

57SiC-particulatereinforcedAlmetalmatrixcomposite(MMC)Ni-P/SiCCo-P/SiC圖片出自：EwaRudnik.Surf.CoatTechnol.202(2008)2584.58②電子化合物

電子化合物是由第Ⅰ族或過渡族元素與第Ⅱ至第Ⅴ族元素結(jié)合而成的。它們不遵循原子價規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律。電子濃度是指合金中化合物的價電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。電子化合物具有高的熔點和硬度，但塑性較低，一般只能作為強化相存在于合金（特別是有色金屬合金）中。

電子化合物的結(jié)構(gòu)取決于電子濃度，當(dāng)電子濃度為3/2時，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格，稱為β相；電子濃度為21/13時，晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜立方晶格，稱為γ相；電子濃度為7/4時，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格，稱為ε相(Epsilon)。5960③間隙化合物

間隙化合物是由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物。根據(jù)組成元素原子半徑比值及結(jié)構(gòu)特征的不同，可將間隙化合物分為兩類：

61(A)間隙相：r非/r金0.59時形成的具有簡單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如：M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。VC的結(jié)構(gòu) VC面心立方晶格，V原子占據(jù)晶格正常位置，而C原子規(guī)則分布在晶格的空隙之中。

這類化合物還可相互溶解，結(jié)構(gòu)相同的兩種化合物之間甚至可以形成無限互溶，如ZrC-TiC，TiC-VC，ZrC-NbC。62間隙相具有極高的熔點、硬度和脆性，而且十分穩(wěn)定，是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。拋光WC斷口WC拋光WC-1VC斷口WC-1VC拋光WC-4VC拋光WC-12VC圖片出自：S.G.Huang.Int.J.RefractoryMetalHardMater.26(2008)256.63純Ti表面合成TiC-ZrC涂層圖片出自：D.Ferro.Surf.CoatTechnol.202(2008)1455.64(B)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)0.7>r非/r金>0.59時形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要強化相，具有復(fù)雜斜方晶格。Fe3C的晶格65類型簡單結(jié)構(gòu)間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物化學(xué)式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔點/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227鋼中常見間隙化合物的硬度及熔點66§2-2二元合金相圖的建立組元：組成合金的獨立的最基本的單元。一般是一種元素（如Pb-Sn合金中的Pb和Sn）

或一種穩(wěn)定的化合物（如Fe3C）

。合金系：

由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金（如Pb-Sn系，F(xiàn)e-Fe3C系）。相圖：用來表示合金系中各個合金的結(jié)晶過程的簡明圖?！?-2-1名詞涵義67相圖上所表示的組織都是在非常緩慢冷卻的條件下獲得的，都是接近平衡狀態(tài)的組織，也稱為平衡圖。相圖是用圖解的方法表示合金系中各種合金狀態(tài)與溫度和成分之間關(guān)系，也稱為狀態(tài)圖。Cu-Ni相圖相圖的意義：分析合金組織的重要參考資料；制定熱加工工藝的重要依據(jù)。Cu-Sn相圖68本科學(xué)習(xí)的相圖理論，管用！——再先進(jìn)的制備及加工工藝，背后隱藏的基本機理，也許還要回歸到經(jīng)典理論?！窘o我印象最深刻的一句評審意見，美國礦物、金屬和材料學(xué)會（TMS）主辦的國際著名期刊MetallurgicalandMaterialsTransactionsB】Theauthorsarerecommendedtouserelevantphasediagramstoexplaintheirresults.Thiswouldbeusefulevenifthelasersinteredmaterialsarenotinequilibrium.

69現(xiàn)代激光加工工藝中涉及的冶金機理借助傳統(tǒng)合金相圖作合理解釋70相圖用縱坐標(biāo)表示溫度變化，橫坐標(biāo)表示成分變化。一般采用熱分析法。原理是凝固時釋放凝固潛熱。以Cu-Ni合金為例，說明熱分析法建立相圖的步驟：1）配制不同成分的Cu-Ni合金。2）將合金熔化后，測定它們的冷卻曲線，并找出曲線上臨界點（即轉(zhuǎn)折點和停歇點）。3）將上述數(shù)據(jù)引入相應(yīng)成分的溫度-成分坐標(biāo)圖中。4）將物理意義相同的臨界點連成曲線，即得Cu-Ni合金相圖?！?-2-2相圖的建立71Ⅰ：純銅Ⅱ：75%Cu+25%NiⅢ：50%Cu+50%NiⅣ：25%Cu+75%NiⅤ：純Ni金屬和合金在冷卻到該溫度時發(fā)生了冷卻速度的突然改變?！驹颉拷饘俸秃辖鹪诮Y(jié)晶（相變）時有結(jié)晶潛熱釋放，抵消了部分或全部熱量的散失。結(jié)晶開始結(jié)晶中了72§2-3-1勻晶相圖分析

兩組元在液態(tài)和固態(tài)下均能以任何比例相互溶解，冷卻時發(fā)生勻晶轉(zhuǎn)變的合金系的相圖是勻晶相圖。§2-3勻晶相圖Cu-Ni合金勻晶相圖點：A，B線：液相線固相線區(qū)：L

α

L+α73§2-3-2合金的平衡結(jié)晶過程 以Ⅰ點成分的Cu-Ni合金（Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%）為例分析結(jié)晶過程。 勻晶結(jié)晶特點：①固溶體結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，即為一個變溫結(jié)晶過程。②在兩相區(qū)內(nèi)，溫度一定時，兩相的成分（即Ni含量）是確定的。③先結(jié)晶出的固溶體和后結(jié)晶出的固溶體成分不同。平衡結(jié)晶條件下，可通過原子擴散使成分均勻化，最終獲得與原合金成分相同的單相α固溶體。④與純金屬一樣，α固溶體從液相中結(jié)晶出來的過程中，包括有生核與長大兩個過程，但固溶體更趨向于樹枝狀長大。74§2-3-3杠桿定律及應(yīng)用勻晶相圖合金的結(jié)晶過程QLQa75QL×ab=Qa×bc

杠桿定律杠桿的兩個端點為給定溫度時兩相的成分點，而支點為合金的成分點。杠桿定律與力學(xué)比喻QLQa76【證明】Q合金，其中Ni含量b%；T1溫度時，L相中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)a%，a相中Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)c%。Q0×b%=QL×a%+Qa×c%又因為Q0=QL+Qa

所以（QL+Qa）×b%=QL×a%+Qa×c%Q0合金總質(zhì)量，QL液相質(zhì)量，Qa固相質(zhì)量。77由杠桿定律可算出T1時液相和固相在合金中質(zhì)量分?jǐn)?shù)：運用杠桿定律時注意，它只適用于相圖中的兩相區(qū)，并且只能在平衡狀態(tài)下使用。杠桿定律的應(yīng)用：①確定某一溫度下兩平衡相的成分；②確定某一溫度下兩平衡相的相對量。78實際金屬的結(jié)晶主要以樹枝狀長大：這是由于當(dāng)冷卻速度較大，特別是存在有雜質(zhì)時，晶體與液體界面的溫度會高于近處液體的溫度，形成負(fù)溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸……，樹枝間最后被填充?！?-3-4非平衡結(jié)晶與固溶強化79樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶80固溶體結(jié)晶時成分是變化的，如果冷卻較快，原子擴散不能充分進(jìn)行，則形成成分不均勻的固溶體。一個晶粒中先結(jié)晶的樹枝晶晶枝含高熔點組元較多，后結(jié)晶的樹枝晶晶枝含低熔點組元較多，結(jié)果造成在一個晶粒內(nèi)化學(xué)成分的分布不均，這種現(xiàn)象稱為枝晶偏析。消除枝晶偏析的方法采用擴散退火（或均勻化退火）。性能不均勻成分不均勻組織不均勻富Ni區(qū)富Cu區(qū)81 勻晶相圖與固溶強化 有限溶解的兩組元勻晶反應(yīng)，隨溫度下降，兩組元溶解度也會下降，通過原子擴散，使溶質(zhì)組元從溶劑組元中析出。但若冷速較快，原子擴散受抑制，溶質(zhì)組元析出來不及完成，室溫可獲得高濃度溶質(zhì)組元合金，破壞了成分平衡，引起溶劑晶格較大畸變，使合金強度上升，塑性、韌性下降，產(chǎn)生固溶強化。82§2-4二元共晶相圖§2-4-1相圖分析Pb－Sn合金相圖這種由一種液相在恒溫下同時結(jié)晶出兩種固相的反應(yīng)叫做共晶反應(yīng)。所生成的兩相混合物叫共晶體。水平線ced為共晶反應(yīng)線。83①組元:

Pb，Sn②相:

L，α，β（α是Sn在Pb中的有限固溶體；β是Pb在Sn中的有限固溶體）③點、線：a，b，c，d，e液相線：

aeb固相線：

acedb

共晶反應(yīng)線：ced，在共晶溫度發(fā)生共晶反應(yīng)，轉(zhuǎn)變過程中是三相（L，，）共存。溶解度線：cf

，

Sn在α相中的溶解度線，或稱α相的固溶線；

α固溶體中Sn的溶解度極限曲線；

dg

，

Pb在β相中溶解度線，或稱β相的固溶線；

β固溶體中Pb的溶解度極限曲線。共晶相圖：兩組元液態(tài)時彼此無限互溶，固態(tài)下彼此部分固溶，并發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的合金系形成的相圖。84

④相區(qū)：三個單相區(qū)：L、α、β（α、β是有限固溶體）三個雙相區(qū)：L+α、L+β、α+β三相區(qū)：L+α+β（水平線）⑤共晶體：共晶反應(yīng)產(chǎn)生共晶體（α+β）。85(1)合金IV的平衡結(jié)晶過程溫度降低，固溶體溶解度下降。從固態(tài)α相中析出富Sn的β相稱為二次β，常寫作βⅡ。這種二次結(jié)晶可表示為α→βⅡ。由于固溶體中溶解度的減少而析出另一固相的反應(yīng)叫二次析出反應(yīng)或脫溶過程?！?-4-2典型合金的結(jié)晶過程01234勻晶不變析出富Sn的β相在冷卻過程中，當(dāng)超過其固溶度時，會析出低Sn的αⅡ相，β→αⅡ。86室溫組織：α+βII合金IV冷卻曲線及結(jié)晶過程二次相通常沿初生相的晶界析出，也可在晶內(nèi)沿缺陷處析出。87運用杠桿定律，兩相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：合金IV室溫組織由α和βⅡ兩相組成。88（共晶合金）Le→αc+βd合金室溫組織全部為共晶體，即只含一種組織組成物（即共晶體）；而其組成相仍為α和β兩相。(2)合金I的平衡結(jié)晶過程89

共晶合金組織的形態(tài)(機械混合物，兩相交替分布，黑色片層為富Pb的α相，白色基體為富Sn的β相）室溫時：合金的室溫組織為共晶體,即只含一種組織組成物;其組成相仍為α和β相。共晶轉(zhuǎn)變溫度時：相組成物α，β共晶轉(zhuǎn)變溫度以下：共晶體中α和β二次結(jié)晶,從α中析出βII,從β中析出αII。α成分由c→f,β成分由d→g。兩種相的相對重量依杠桿定律變化。βII和αII

同β和α相連在一起,共晶體形態(tài)和成分不發(fā)生變化。90（亞共晶合金）結(jié)晶過程分三個階段，即勻晶反應(yīng)+共晶反應(yīng)+二次結(jié)晶反應(yīng)。

L→α初+L→α初+（αc+βd)→α初+βII+（α+β）【共晶組織中二次相的析出忽略】合金室溫組織：初生α+βⅡ+(α+β)，合金組成相：α和β。(3)合金II的平衡結(jié)晶過程91Pb－Sn亞共晶組織黑色斑狀組織（三維形態(tài)為粗大樹枝晶）為初生相α共晶組織(α+β)二次相βⅡ92室溫下，組成相(α，β)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

93組織組成物質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

①在共晶溫度時94②室溫下初生α+βⅡ+(α+β)，次生相與初生相成分和結(jié)構(gòu)完全相同，是同一種相；但形貌特征、分布完全不同，屬于兩種組織。95位于共晶點e點右側(cè)和d點以左的合金稱為過共晶合金。(4)合金III的平衡結(jié)晶過程（過共晶合金）合金III結(jié)晶過程與合金II相似，只是勻晶產(chǎn)物為初晶，二次結(jié)晶產(chǎn)物為。室溫組織為+（+）+。96組織標(biāo)注相圖填寫組織組成物的Pb－Sn相圖97§2-4-3時效強化當(dāng)次生相以細(xì)小粒狀形式分布在較軟的固溶體基體上時，由于次生相對位錯運動的阻礙作用，使材料的強度提高的現(xiàn)象稱沉淀強化。由于固溶處理時抑制了過飽和固溶體的析出過程，形成溶質(zhì)原子富集區(qū)，引起固溶體畸變，使位錯運動受到阻礙，從而提高了強度。隨時間的延長作用強化效果進(jìn)一步提高，所以稱為時效強化。T↓→固溶體的溶解度↓→脫溶轉(zhuǎn)變→析出沉淀相T↓→固溶體的溶解度↓→次生相來不及析出→過飽和固溶體冷卻速率足夠緩慢快冷固溶處理98§2-5其他二元相圖§2-5-1二元共析相圖在二元合金中，若合金冷卻到固態(tài)時，還能發(fā)生由一個固相同時分解形成兩個新的固相，這種相圖叫共析相圖。此兩相混合物稱為共析體。與共晶反應(yīng)不同點：1）共析反應(yīng)是固態(tài)反應(yīng)，原子的擴散困難，組織更細(xì)。2）因母相與子相的比容不同，反應(yīng)后易引起較大的內(nèi)應(yīng)力。99具有共析反應(yīng)的二元合金相圖100§2-5-2包晶反應(yīng)的合金相圖

Pt－Ag合金相圖包晶L+101勻晶L

共晶L+

共析+

包晶L+102二元合金兩相平衡時，兩相成分均隨溫度而變化。其具體數(shù)值可由恒溫水平線與兩相區(qū)相界線的交點來確定。溫度變化時，兩平衡相成分也分別沿兩條相界線相應(yīng)變化。二元相圖的三相平衡區(qū)是一條水平線。它與三個單相區(qū)均以點接觸。從三個單相區(qū)的相互位置，可以判斷三相平衡的性質(zhì)。分析復(fù)雜相圖時，首先要弄清單相區(qū)，然后找出三相區(qū)、三相點，再弄清三相平衡轉(zhuǎn)變類型。牢記：兩個單相區(qū)之間必有一個由這兩相組成的兩相區(qū)隔開，而不能以一條直線接界；兩個兩相區(qū)之間必須以一個單相區(qū)或三相區(qū)隔開。相區(qū)接觸法則：相圖中相鄰相區(qū)相數(shù)之差均為1（點接觸除外）。二元合金相圖小結(jié)103

§2-6相圖與性能間的關(guān)系

合金性能取決于其成分和組織，而相圖表明不同成分合金在室溫下的平衡組織，合金性能與相圖之間存在一定聯(lián)系?！?-6-1合金的使用性能與相圖的關(guān)系勻晶相圖：溶質(zhì)元素→晶格畸變大→強度、硬度↑，電阻率↑共晶相圖：在單相區(qū)與勻晶相圖相同。復(fù)相組織區(qū)（如共晶轉(zhuǎn)變范圍），合金的強度、硬度和物理性能隨成分的變化呈直線關(guān)系，大致是兩相性能的算術(shù)平均值。HB=HBα×α%+HBβ×β%對組織較敏感的性能（強度），與組成相或組織組成物的形態(tài)關(guān)系密切。組成相或組織組成物越細(xì)密，強度越高。共晶點處，共晶組織呈細(xì)小、均勻細(xì)密的復(fù)相組織，強度達(dá)最高值。104§2-6-2合金的工藝性能與相圖的關(guān)系(1)鑄造性能◆液態(tài)合金的流動性以及產(chǎn)生縮孔、縮松和偏析傾向等。◆液固相線距離愈小，結(jié)晶溫度范圍愈小→合金的流動性好→有利于澆注?！粢汗滔嗑€距離大→枝晶偏析傾向愈大，合金流動性愈差，形成分散縮孔的傾向也愈大，使鑄造性能惡化。◆因此鑄造合金的成分常取共晶成分和接近共晶成分或選擇結(jié)晶溫度間隙最小的成分。這種成分合金流動性好，易形成集中縮孔，鑄件致密，鑄造性能最好。(2)鍛造、軋制性能單相固溶體合金變形抗力小，變形均勻，不易開裂，塑性、韌性好，所以共晶線兩側(cè)的合金適合于鍛壓。單相固溶體的硬度較低，切削加工性較差。105第3章

鐵碳合金106§3-1鐵碳合金的組元分析(1)純Fe組元

δ-Fe(bcc)γ-Fe(fcc)α-Fe(bcc)

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

韌性、塑性好;

強度低、硬度低。912℃1394℃純鐵的冷卻曲線及晶體結(jié)構(gòu)變化(體心立方)(體心立方)(面心立方)1583℃107(2)滲碳體(Fe3C)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，F(xiàn)e原子與C原子之比3：1。Fe3C熔點高（1227℃），不發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。Fe3C硬而脆，塑性、韌性幾乎為零。室溫平衡狀態(tài)下，鐵碳合金中的碳大多以Fe3C形式存在。108§3-2Fe-Fe3C相圖分析§3-2-1五個基本相SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%109Fe-Fe3C五個基本相之一(1)液相L液相L是鐵與碳的液溶體。110(2)δ相碳在δ-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格，在1394℃以上存在。稱為δ固溶體，又稱高溫鐵素體。碳在δ-Fe中的最大溶解度為1495℃時的0.09%（H點）。Fe-Fe3C五個基本相之二111Fe-Fe3C五個基本相之三(3)γ相

碳在γ-Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格。常稱奧氏體，用符號A表示.奧氏體中碳的固溶度較大，在1148℃時碳溶量最大達(dá)2.11%（E點）。奧氏體的強度較低，硬度不高，易于塑性變形。112(4)α相碳在α-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格。也稱鐵素體，用符號F或α表示。碳在α-Fe中的最大溶解度為727℃時的0.0218%（P點）。強度、硬度低；塑性好。Fe-Fe3C五個基本相之四113(5)Fe3C相是一個化合物相，滲碳體根據(jù)生成條件不同有條狀、網(wǎng)狀、片狀、粒狀等形態(tài)，是鋼中主要的強化相，對鐵碳合金的力學(xué)性能有很大影響。由于Fe3C是穩(wěn)定化合物，F(xiàn)e3C相區(qū)在碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69%的成分垂線上（DFK）。Fe-Fe3C五個基本相之五114SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%§3-2-2特性點

【A點】115A點溫度：1538℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0%；意義：純鐵的熔點。116SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【B點】117B點溫度：1495℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.53%；意義：包晶轉(zhuǎn)變時（LB+H→AJ）液相合金的成分。118SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【C點】119C點溫度：1148℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：4.30%；意義：共晶點，

LC

→AE+Fe3C120SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【D點】121D點溫度：1227℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：6.69%；意義：Fe3C的熔點。122SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【E點】123E點溫度：1148℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：2.21%；意義：碳在γ-Fe中的最大溶解度。124SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【G點】125G點溫度：912℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0%；意義：γ-Fe→α-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。126SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【H點】127H點溫度：1495℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.09%；意義：碳在

-Fe中的最大溶解度。128SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【J點】129J點溫度：1495℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.17%；意義：包晶點，

LB+H→AJ130SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【N點】131N點溫度：1394℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0%；意義：-Fe→γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點。132SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【P點】133P點溫度：727℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.0218%；意義：碳在α-Fe中的最大溶解度。134SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%【S點】135S點溫度：727℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.77%；意義：共析點，

AS→FP+Fe3C 136SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDαFeFe3CC%Q【Q點】137Q點溫度：600℃；碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：0.0057%；意義：600℃時碳在α-Fe中的溶解度。（室溫，0.0008%，室溫時碳在

α-Fe中的溶解度）138(1)三條水平線(三個重要點)§3-2-3特性線SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDFeFe3CC%Qα【線1】139①包晶點J與包晶轉(zhuǎn)變線HJB1495℃，C%=0.17％LB+δH→AJ

即L0.53+δ0.09→A0.17包晶反應(yīng)生成碳在γ-Fe中的間隙固溶體，即奧氏體組織，用A表示。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.09%～0.53%的鐵碳合金在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生包晶反應(yīng)。140SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDFeFe3CC%Qα【線2】141②共晶點C與共晶轉(zhuǎn)變線ECF1148℃，C%=4.3%，

LC→AE+Fe3CF（共晶滲碳體）L4.3

→A2.11+Fe3C6.69共晶反應(yīng)產(chǎn)物是奧氏體(A)與滲碳體(Fe3C)的機械混合物，稱為萊氏體組織(Ld)。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.11%～6.69%間的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共晶反應(yīng)。142SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDFeFe3CC%Qα【線3】143③共析點S與共析轉(zhuǎn)變線PSK——A1線727℃，C%=0.77%AS→FP+Fe3C（共析滲碳體）A0.77→F0.0218+Fe3C共析反應(yīng)產(chǎn)物是鐵素體與滲碳體的機械混合物，稱珠光體，以P表示。在顯微鏡下珠光體形態(tài)呈片狀。在放大倍數(shù)很高時，可清楚看到相間分布的滲碳體片（窄條）與鐵素體（寬條）。珠光體的強度較高，塑性、韌性和硬度介于Fe3C和F之間。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.0218%～6.69%的鐵碳合金，在平衡結(jié)晶過程中均發(fā)生共析反應(yīng)。PSK線亦稱A1線。144(2)液固相線固相線AHJECFSPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDFeFe3CC%Qα液相線ABCD145(3)溶解度線SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDFeFe3CC%Qα【ES線】146

ES線：碳在奧氏體A中的固溶線——Acm1148℃，2.11%（E）；727℃，0.77%（S）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃的過程中，將從A中析出Fe3C，稱為二次滲碳體（Fe3CⅡ）。147SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDFeFe3CC%Qα【PQ線】148

PQ線：碳在鐵素體F中的固溶線727℃，0.0218%室溫，0.0008%。鐵碳合金自727℃冷至室溫的過程中，將從F中析出Fe3C，稱為三次滲碳體（Fe3CⅢ）。Fe3CⅢ數(shù)量極少，往往予以忽略。

149(4)GS線——A3線

合金冷卻時自奧氏體A中開始析出鐵素體F的開始線；或者，加熱時F溶入A的終了線。SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3Cα+Fe3CKFDFeFe3CC%Qα150§3-3鐵碳合金平衡結(jié)晶分析§3-3-1鐵碳合金的分類根據(jù)Fe-Fe3C相圖，鐵碳合金可分為三類：

(1)工業(yè)純鐵[wc≤0.0218%]

(2)鋼[0.0218%<wc

≤2.11%(3)白口鑄鐵[2.11%<wc<6.69%]

151工業(yè)純鐵室溫平衡組織為鐵素體（F），呈白色狀。強度低、硬度低，不宜用作結(jié)構(gòu)材料。鋼的共同特點：高溫下都有塑性良好的奧氏體（A）組織，適合于壓力加工。白口鑄鐵因為在高溫時都有脆性的共晶萊氏體，所以不能進(jìn)行鍛壓；但共晶成分合金的流動性好，適合于鑄造。152§3-3-2典型合金的結(jié)晶(1)工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵wc≤0.0218%①153SPNJHGECBAγ+Fe3Cα+γL+γγ+L+γLL+Fe3CKFDFeFe3CQα①

wc=0.01%1234567勻晶轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)螡B碳體Fe3CIIFe3CIII154

相組成物：

Fe3C；F

相相對量：

組織組成物：F（等軸晶）和Fe3CIII（小片狀）155工業(yè)純鐵組織金相圖156(2)共析鋼②

wc=0.77%123勻晶轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變157相組成物：F和Fe3C

組織組成物：

P(層片狀)100%共析鋼金相組織圖158(3)亞共析鋼(0.0218%<C%<0.77%)③wc=0.45%【簡化處理】不考慮包晶反應(yīng)。1以上1－22－33－44－4’γ相中析出α相共析反應(yīng)：鐵素體＋Fe3C先共析鐵素體先共析F＋P159亞共析鋼組織金相圖先共析鐵素體珠光體160相組成物：F，F(xiàn)e3C相相對量：組織組成物：F、P161(4)過共析鋼(0.77%<C%<2.11%)④wc=1.2%沿A晶界析出Fe3CII共析反應(yīng)：鐵素體＋Fe3C

(P)162Fe3CIIP過共析鋼組織金相圖163相組成物：F，F(xiàn)e3C

組織組成物：P，F(xiàn)e3CII組織相對量：

164(5)共晶白口鑄鐵(C%=4.3%)⑤12L→Ld(A+Fe3C共晶)→A+Fe3C共晶+Fe3CII

→變態(tài)萊氏體Ld’

(P+Fe3C共晶+Fe3CII)165共晶白口鐵組織金相圖166相組成物：F，F(xiàn)e3C

組織組成物：Ld'167(6)亞共晶白口鑄鐵(2.11%<C%<4.3%)

⑥wc=3.0%123168亞共晶白口鐵組織金相圖PLd’沿邊界分布的Fe3CII169室溫相組成物：F，F(xiàn)e3C相相對量：

170室溫組織組成物：P，Ld’，F(xiàn)e3CII初晶γ：Ld：第1步：171第2步：從初晶γ相中析出的Fe3CII和P:第3步：室溫下，Ld’%=Ld%Fe3CII和P不變172(7)過共晶白口鑄鐵(4.3%<C%<6.69%)

⑦

wc=5.0%123173過共晶白口鐵組織金相圖Fe3CILd’174相組成物：

組織組成物：Ld’，F(xiàn)e3C

175【總結(jié)鐵碳合金相圖】

點：成分、溫度組織組成物標(biāo)注相區(qū)標(biāo)注線：液固相線、水平線、固溶線、固溶體轉(zhuǎn)變線A1538℃D1227℃N1394℃G912℃PSK727℃ECF1148℃HJB1495℃FeFe3CSQPNJHGECBAA+Fe3CA+FL+AA+L+FALL+Fe3CF+Fe3CA+Fe3CⅡA+Fe3CⅡ+LdLdLd+Fe3CⅠLd’+Fe3CⅠLd’P+Fe3CⅡ+Ld’P+Fe3CⅡP+FPF+Fe3CⅢKFDC%176§3-4鐵碳相圖的應(yīng)用(1)在鋼鐵材料選用方面的應(yīng)用

●建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼需用塑性、韌性好的材料，因此選用碳含量較低的鋼材?！窀鞣N機械零件需用強度、塑性及韌性都較好的材料。應(yīng)選用碳含量適中的中碳鋼。各種工具需用硬度高和耐磨性好的材料，則選碳含量高的鋼種?！窦冭F磁導(dǎo)率高，矯頑力低，可作軟磁材料使用，例如做電磁鐵的鐵心等?！癜卓阼T鐵硬度高、脆性大，不能切削加工，也不能鍛造，但其耐磨性好，鑄造性能優(yōu)良，適用于作要求耐磨、不受沖擊、形狀復(fù)雜的鑄件，例如拔絲模、冷軋輥、貨車輪、犁鏵、球磨機的磨球等。177(2)在鑄造工藝方面的應(yīng)用根據(jù)Fe-Fe3C相圖可以確定合金的澆注溫度。澆注溫度一般在液相線以上50～100℃。(3)在熱緞、熱軋工藝方面的應(yīng)用鍛造或軋制要求好的塑性、變形抗力，選在單相奧氏體區(qū)內(nèi)進(jìn)行。(4)在熱處理工藝方面的應(yīng)用Fe-Fe3C相圖對制定熱處理工藝具有重要意義。一些熱處理工藝如退火、正火、淬火的加熱溫度都是依據(jù)Fe-Fe3C相圖確定的。在運用Fe-Fe3C相圖時應(yīng)注意以下兩點：①Fe-Fe3C相圖只反映鐵碳二元合金中相的平衡狀態(tài)，如含有其它元素，相圖將發(fā)生變化。②Fe-Fe3C相圖反映的是平衡條件下鐵碳合金中相的狀態(tài)，若冷卻或加熱速度較快時，其組織轉(zhuǎn)變就不能只用相圖來分析。178碳鋼又稱碳素鋼，含碳量低于2.11%的鐵碳合金。§3-5碳鋼及其牌號§3-5-1雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響鋼中雜質(zhì)一般指Mn、Si、P、S和氣體元素H、O等。(1)錳

——有益（通常<0.80%，高含錳量碳鋼1.0-1.2%）

a.脫氧劑：

降低FeO→↓脆性

b.脫硫劑：

Mn+S→MnS(降低S的有害作用)↑熱加工性能

c.固溶強化：

使性能更優(yōu)。179(2)硅

——有益

a.脫氧→↓脆性

b.固溶強化(3)磷

——有害

P能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降→冷脆(4)硫

——有害

989℃時產(chǎn)生共晶體（Fe+FeS）→分布于A晶界→加熱至1000－1200℃進(jìn)行壓力加工時，低熔點共晶熔化→鋼晶粒邊界開裂→加入Mn→Mn與S形成高熔點的MnS(1620℃)，可消除硫的有害作用（除硫）熱脆脫氧用硅鐵180(5)

氣體元素O、N、HO——鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源，↓機械性能，強度、塑性降低，有害元素N——鋼中過飽和N在常溫放置過程中會發(fā)生時效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時效傾向，有害元素鋼中白點H——原子態(tài)的過飽和氫時將降低韌性,引起氫脆；當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時，會產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱白點或發(fā)裂。有害元素181(1)按冶煉方法分轉(zhuǎn)爐煉鋼平爐煉鋼平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼按爐別分沸騰鋼：澆鑄前脫氧不充分，使大量FeO存在于鋼液。澆注時C與FeO反應(yīng)，鋼液中不斷溢出CO氣泡而引起鋼液表面劇烈沸騰。這種鋼成材率高，但不致密。鎮(zhèn)靜鋼：脫氧充分，組織致密，成材率低。半鎮(zhèn)靜鋼：介于前兩者之間。按脫氧程度分§3-5-2碳鋼的分類電弧爐煉鋼182鋼類碳素鋼合金鋼PSPS普通鋼≤0.045≤0.050≤0.045≤0.045優(yōu)質(zhì)鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.030≤0.020≤0.025≤0.025特級優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.015≤0.025≤0.015(2)按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，各質(zhì)量等級鋼的磷、硫含量如下：183(3)按用途分

工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛機器零件用鋼齒輪、軸、螺母、彈簧碳素結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼碳素工具鋼(4)按化學(xué)成分分

中碳鋼

0.25~0.6%C高碳鋼

≥0.6%C低碳鋼

≤0.25%C碳素鋼齒輪刀具184§3-5-3碳鋼的牌號、性能及用途★我國鋼材的編號是采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法。★采用漢語拼音字母表示鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表鋼產(chǎn)品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個字母。185常用鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號（GB/T221—2000）名稱符號位置名稱符號位置碳素結(jié)構(gòu)鋼Q頭橋梁用鋼q尾低合金高強度鋼Q頭鍋爐用鋼g尾易切削鋼Y頭焊接氣瓶用鋼HP尾碳素工具鋼T頭車輛車軸用鋼LZ頭(滾珠)軸承鋼G頭機車車軸用鋼JZ頭焊接用鋼H頭沸騰鋼F尾鉚螺鋼ML頭半鎮(zhèn)靜鋼b尾船用鋼國際符號鎮(zhèn)靜鋼Z尾汽車大梁用鋼L尾特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ尾壓力容器用鋼R尾質(zhì)量等級ABCDE尾186(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼①普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q+最低屈服強度值+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號Q表示“屈服強度”；屈服強度值單位是MPa；質(zhì)量等級符號為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。脫氧方法符號：沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ。如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號表示為

Q235AF、Q235BZ。187

成分：<0.4%C，P、S量較多。 性能：可焊性、塑性好。 熱處理：熱軋空冷態(tài)下使用。 使用狀態(tài)下組織：F+P熱軋鋼板

用途：常以熱軋型材使用，約占鋼材總量的70%。用于建筑結(jié)構(gòu)，適合焊接、鉚接、栓接等。188②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號為兩位數(shù)字（或加字母Mn）這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分之幾如45—其平均含碳量為萬分之四十五（即0.45%C）制作各種機器零件，一般進(jìn)行熱處理。

08F

塑性好，冷沖壓件

10，20

冷沖壓件，焊接件，滲碳處理。

35，45，40，50

齒輪、軸類

60，65

彈簧189【說明】①對于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，普通含Mn量（0.35~0.8%

），牌號中Mn不標(biāo)出；較高含Mn量（0.7~1.2%）時，在含碳量數(shù)字后加元素符號“Mn”，如40Mn。②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號后分別加字母F和b，如08F、10b。190(2)碳素工具鋼

牌號為T+數(shù)字“T”表示——“碳素工具鋼”數(shù)字表示——鋼平均含碳量的千分之幾如T8——其平均含碳量為千分之八（0.8%C）碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)以上質(zhì)量的;

高級優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號后加字母A，如T12A、T10A、T8A。191碳素工具鋼共有七個牌號：T7~T13①成分特點高碳（0.65~1.35%C）含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韌性下降。硫、磷雜質(zhì)含量低，限制嚴(yán)格。

銼刀手錘②熱處理熱處理：淬火+低溫回火目的：保證足夠的硬度和耐磨性。192木工鑿手錘圓沖③用途

T7、T8鋼：適宜制造耐磨性要求較低，承受沖擊和要求韌性較高的工具，如木工工具：沖子、鑿子、錘子等。193T9~T11鋼：制造沖擊振動較?。ǖ退伲┒邢髁^大的工具，如鉆頭、絲錐、手工鋸條等。T12~T13鋼：制造不承受沖擊而耐磨性高的工具，如銼刀、刮刀等。絲錐銼刀鉆頭銼刀194第4章金屬材料的塑性變形與再結(jié)晶195§4-0材料的性能§4-0-1靜載時材料的力學(xué)性能拉伸機上,低碳鋼緩慢加載單向靜拉伸曲線相對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變圖196斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象197荷載伸長量拉伸圖四個階段：(1)——彈性階段(2)——屈服階段(3)——強化階段(4)——局部變形階段198為了消除掉試件尺寸的影響，將試件拉伸圖轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧系膽?yīng)力——應(yīng)變曲線圖。A

—原始橫截面面積

—名義應(yīng)力l—原始標(biāo)距—名義應(yīng)變1991.強度強度是指材料在外力作用下抵抗變形和斷裂的能力。（1）彈性極限σe和彈性模量E彈性極限σe

是指材料在不產(chǎn)生塑性變形的情況下所能承受的最大應(yīng)力。彈性模數(shù)E是指材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值σ/ε（單位GPa）。E=σ/εE標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。200（2）屈服強度σs

屈服強度σs(屈服極限）是指材料在外力作用下開始發(fā)生塑性變形的最低應(yīng)力值 （單位MPa(MN/mm2)）。σs=Fs/So

σ0.2條件屈服強度

中高碳鋼、無屈服點，國家標(biāo)準(zhǔn)，以產(chǎn)生一定的微量塑性變形的抗力的極限應(yīng)力值來表示。

σ0.2=F0.2/So

201（3）抗拉強度σb抗拉強度σb是指材料被拉斷前所承受的最大應(yīng)力值（材料抵抗外力而不致斷裂的極限應(yīng)力值）。σb=Fb/So脆性材料：σb=σs

灰口鑄鐵（4）斷裂強度σk斷裂強度σk是材料拉斷時最大載荷所對應(yīng)的強度。σk=Fk/So2022.塑性塑性是指材料發(fā)生塑性變形的能力。1)伸長率δ表示試樣拉伸斷裂后的相對伸長量。式中，l0為標(biāo)距原長，lk為斷裂后標(biāo)距長度。2