[理學(xué)]金工第123章金屬材料性能晶格狀態(tài)圖.ppt

1、金屬工藝學(xué),金屬工藝學(xué)是一門研究金屬性質(zhì)、鑄造、鍛壓、焊接和切削加工的綜合性的專業(yè)基礎(chǔ)課。通過(guò)對(duì)金屬工藝學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)，了解和掌握金屬材料及機(jī)械零件加工工藝的基礎(chǔ)知識(shí)，為學(xué)習(xí)后續(xù)有關(guān)課程，并為以后從事涉及機(jī)械設(shè)計(jì)與制造方面的工作打下良好的基礎(chǔ)。,工科院校學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的目的和意義:,金屬工藝學(xué)的主要內(nèi)容,機(jī)械工程材料基礎(chǔ),熱加工工藝基礎(chǔ),機(jī)械加工工藝基礎(chǔ),金屬材料與熱處理,鑄造、鍛壓與焊接,切削加工、表面加工,工業(yè)技術(shù)學(xué)課程基本要求,1、了解機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和機(jī)械制造廠的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。 2、了解常用金屬材料的性能、用途和牌號(hào)。 3、了解各種主要加工方法的工藝特點(diǎn)及其基本原理。 4、了解機(jī)械制造廠各種

2、主要設(shè)備和工具的工作原理和應(yīng)用范圍。,機(jī)械的種類,機(jī)器：由零件裝成、能運(yùn)轉(zhuǎn)、能變換能量或產(chǎn)生有用的功的裝置。 機(jī)械：利用力學(xué)原理組成的各種裝置、杠桿、滑輪、機(jī)器以及槍炮等都是機(jī)械。 機(jī)械按其功能可分為三類： 1、產(chǎn)生機(jī)械能的機(jī)械。它可將其它種類的能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，稱為原動(dòng)機(jī)，例如蒸汽機(jī)、柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)等。 2、轉(zhuǎn)變機(jī)械能的機(jī)械。和前者相反，它可將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌N類的能，稱為變換機(jī)，例如發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)等。 3、利用機(jī)械能的機(jī)械。它用來(lái)改變?cè)牧匣蚬ぜ男再|(zhì)、狀態(tài)、形態(tài)和位置等，稱為工作機(jī)，例如各種機(jī)床、鍛錘、農(nóng)業(yè)機(jī)械、采掘機(jī)、汽車等。,機(jī)械產(chǎn)品制造的過(guò)程,產(chǎn)品設(shè)計(jì),工藝設(shè)計(jì),選 材,熔 煉,

3、鑄 造,下 料,鈑金加工,下 料,機(jī)械加工,焊 接,鍛 壓,熱 處 理,機(jī)械加工,或表面處理 最終熱處理,裝配檢驗(yàn),包裝出廠,機(jī)械零件常規(guī)制造工藝流程,設(shè)計(jì) 真正的設(shè)計(jì)是一門藝術(shù) 設(shè)計(jì)是一種構(gòu)思。設(shè)計(jì)一般是根據(jù)用戶的需要，由技術(shù)部門來(lái)完成的一項(xiàng)先行工作。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，必須是技術(shù)要先進(jìn)，機(jī)械化（盡量不用手工操作）和自動(dòng)化（數(shù)控、自動(dòng)線、流水線）程度要高；性能要好（無(wú)噪音、平穩(wěn)）；工作可靠和安全；以及成本低,設(shè)計(jì)過(guò)程一般有三個(gè)階段：,a、確定極限參數(shù)；例如設(shè)計(jì)一部車床，首先就要確定最大車削長(zhǎng)度，和最大回轉(zhuǎn)直徑兩個(gè)重要參數(shù)。 b、受力分析和計(jì)算；確定參數(shù)后，就要進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，根據(jù)草圖進(jìn)行受力

4、部分的分析和計(jì)算，以便選取不同的材料，保證受力零件在工作過(guò)程中安全可靠。 c、繪制機(jī)械總圖、各個(gè)部件裝配圖和零件工作圖，編制技術(shù)說(shuō)明書(shū)。,課程性質(zhì)、任務(wù)和學(xué)習(xí)要求,課程性質(zhì) 專業(yè)基礎(chǔ)課(為學(xué)習(xí)管理等專業(yè)課打基礎(chǔ)) 學(xué)習(xí)任務(wù)和要求 1）掌握常用金屬材料的主要性能； 2）掌握零件的加工工藝知識(shí)； 3）了解零件加工工藝所涉及的基本設(shè)備。,材料導(dǎo)論,金屬材料的作用 材料與人類的出現(xiàn)和進(jìn)化有著密切的聯(lián)系，因而它們的名字已經(jīng)作為人類文明的標(biāo)志。例如，石器時(shí)代、青銅時(shí)代和鐵器時(shí)代。 公元前16世紀(jì)以前的殷商時(shí)代，已大量使用青銅，并已具有高超的冶鑄技術(shù)和精湛的藝術(shù)造詣；公元前4世紀(jì)以前的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期出現(xiàn)了鐵器

5、，鑄鐵的生產(chǎn)比歐洲約早一千多年。 我國(guó)的鋼產(chǎn)量在1996年突破了一億噸，達(dá)到世界第一。,世界四大材料：鋼鐵、木材、塑料、水泥 (如生產(chǎn)一根“軸”),材料分：金屬材料、非金屬材料、復(fù)合材料,金屬材料指鋼鐵、有色金屬等材料,非金屬材料無(wú)機(jī)高分子材料（陶瓷、水泥、 木材等），有機(jī)高分子材料（如塑料、橡膠）， 復(fù)合材料-玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料、硼纖維材料。,現(xiàn)在新材料-納米材料、智能材料,材料、信息、能源稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱, 材料按物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同分： 金屬材料、非金屬材料（有機(jī)高分子材料和陶瓷料)、復(fù)合材料 材料按用途不同分： 機(jī)械工程材料、土木工程材料、電工材料、電子材料 材料按功能不同分： 結(jié)構(gòu)

6、材料、功能材料、磁性材料等,材料發(fā)展概括, 天工開(kāi)物明朝科學(xué)家：宋應(yīng)星 箸, 石器時(shí)代,陶器時(shí)代,銅器時(shí)代：,司母戊鼎（公元前1116世紀(jì)）11307801100,戰(zhàn)國(guó)編鐘（前475221年）65個(gè) 總重2500Kg,天然石，獸骨，樹(shù)枝,泥巴（日曬原始陶器；火燒瓷器用具）,鐵器時(shí)代 滄州大獅（公元953年 ）重50T ,長(zhǎng)5.3m,寬3m,人工復(fù)合材 料,塑料、橡膠、陶瓷、鈦合金、碳纖維、納米等,本草綱目,農(nóng)政全書(shū),李時(shí)珍,徐光啟, 智能材料,通寬5.35米，身長(zhǎng)6.30米，身高6.6米，體寬3.0米，重約40噸，素有“獅子王”的美譽(yù),滄州鐵獅子,工業(yè)生產(chǎn)中所使用的材料主要包括金屬材料、無(wú)機(jī)非

7、金屬材料、有機(jī)高分子材料和復(fù)合材料四大類。 金屬材料是現(xiàn)代制造機(jī)械的最主要材料。主要是由于它具有制造機(jī)器所需要的物理、化學(xué)和力學(xué)性能： 1、優(yōu)良的工藝性能，包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、機(jī)加工性能等。 2、較好的使用性能，包括物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能等。（第一章）,金屬材料以合金為主，很少使用純金屬。 合金是以一種金屬為基礎(chǔ)，加入其它金屬或非金屬，經(jīng)過(guò)熔煉、燒結(jié)或其它方法制成的具有金屬特性的材料。 最常用的合金，有以鐵為基礎(chǔ)的鐵碳合金；有以銅或鋁為基礎(chǔ)的銅合金和鋁合金。,第1章 金屬材料的主要性能,教學(xué)重點(diǎn)：金屬材料的力學(xué)性能 教學(xué)難點(diǎn)：-曲線特點(diǎn),第1節(jié) 金屬材料的力學(xué)性

8、能,力學(xué)性能是指金屬材料在受外力作用時(shí)所反映出來(lái)的性能。力學(xué)性能指標(biāo)，是選擇、使用金屬材料的重要依據(jù)。 金屬材料的力學(xué)性能主要有：強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度等。,一、強(qiáng)度與塑性,L0,LK,d0,拉斷前試樣,拉斷后試樣,試樣按GB639786制取，分長(zhǎng)試樣L0=10d0,短試樣 L0=5d0,說(shuō)明：,b,k,s,e,拉伸力 F,O,伸長(zhǎng)量 L,Fs,Fb,Fe,低碳鋼的力伸長(zhǎng)曲線,F,F,拉伸過(guò)程經(jīng)歷四個(gè)階段：,1. 彈性變形（OS） Oe段：直線階段，完全彈性變形 eS段：極微量塑性變形,2屈服（s點(diǎn)）,彈性變形：去除外力后能完全恢 復(fù)到原來(lái)的形狀。 塑性變形：外力消除后仍存在的

9、永久變形。,3均勻塑性變形階段：（sb） 4縮頸（bk）-局部集中塑性變形,應(yīng)力:=F/A0 （MPa） 應(yīng)變:=L/L0,抗拉強(qiáng)度b： 金屬材料被拉斷前所能承受的最大應(yīng)力。 b=F b/A 0,強(qiáng)度:是指金屬抵抗永久變形和斷裂的能力。 屈服強(qiáng)度s： 材料開(kāi)始明顯塑性變形的抗力 ，即產(chǎn)生屈服現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力。 s=F s/A 0,彈性極限e： 材料在外力作用下，保持彈性變形的最大應(yīng)力。 e=F e/A 0,1、強(qiáng)度（strength）,說(shuō)明： 單位面積上的內(nèi)力稱應(yīng)力。讀sigm,L長(zhǎng)度 Length 單位：mm,A截面積 Area 單位：mm2,F外力 Force 單位：N,s屈服點(diǎn)的值（選擇鍛壓

10、設(shè)備外力的依據(jù)） 單位 ：MPa（兆帕）mega pascal,屈服點(diǎn),概念：力不增加仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)時(shí)的應(yīng)力。用符號(hào)：s 表示,抗拉強(qiáng)度試樣拉斷前所承受的最大拉應(yīng)力。用b表示,補(bǔ)充：bb 表示抗彎強(qiáng)度,注：s 、 b 是設(shè)計(jì)與選材的重要依據(jù) b校核零件安全的依據(jù),另：e 表示彈性極限。在外力作用下產(chǎn)生彈性變形時(shí)所承受的最大拉應(yīng)力。,中、高碳鋼和其他脆性金屬材料無(wú)明顯屈服現(xiàn)象，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以產(chǎn)生0.2%塑性變形的應(yīng)力來(lái)表示屈服強(qiáng)度，即： 0.2=F0.2/A0,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在設(shè)計(jì)機(jī)械和選擇、評(píng)定金屬材料時(shí)有重要意義 。 機(jī)械零件多s以作為強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)。對(duì)于脆性材料在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，則以b為依據(jù)。,

11、2、塑性 plasticity,概念：在外力作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。,判據(jù)：斷后伸長(zhǎng)率 、斷后斷面收縮率,斷后伸長(zhǎng)率 Percentage elongation after fracture,概念：試樣斷后標(biāo)準(zhǔn)的伸長(zhǎng)量與標(biāo)準(zhǔn)的百分比。用符號(hào) 表示，讀作 代兒特,其中：Lk斷后試樣長(zhǎng)度 Lo試樣原始長(zhǎng)度,斷后斷面收縮率,概念：斷后截面處面積的最大縮減量與原始截面面積百分比。用符號(hào) 表示， 讀作撲灑哎,說(shuō)明：伸長(zhǎng)率和收縮率在實(shí)際應(yīng)用中，一般是用表示塑性大小。,、 越大，材料的塑性越好。通常認(rèn)為5%脆性材料。,塑性較早的解釋：,塑性:是指金屬產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。 (1) 伸長(zhǎng)率

12、= （L1-L0）/L0 100% 式中： L0試樣原標(biāo)距的長(zhǎng)度（mm） L1試樣拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）,(2) 斷面收縮率 斷面收縮率是指試樣拉斷后斷面處橫截面積的相對(duì)收縮值。 = （A0-A1）/A0 100% 式中：A0試樣的原始截面積（mm2） A1試樣斷面處的最小截面積（mm2） 和愈大，則塑性愈好。良好的塑性是金屬材料進(jìn)行塑性加工的必要條件。,二、硬度（hardness）,硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)。它直接影響到材料的耐磨性及切削加工性。 硬度測(cè)定方法有壓入法、劃痕法、回彈高度法等。 金屬材料的硬度可用專門儀器來(lái)測(cè)試，常用的有布氏硬度機(jī)、洛氏硬度機(jī)等。,1.布氏硬度

13、,布氏硬度試驗(yàn)原理圖,式中：F試驗(yàn)力，N； D壓頭的直徑,mm,HBS表示用淬火鋼球作為壓頭測(cè)出的硬度值。 HBW表示用硬質(zhì)合金球作為壓頭測(cè)出的硬度值。,適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。,布氏硬度試驗(yàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量值較準(zhǔn)確，數(shù)據(jù)重復(fù)性強(qiáng)，特別與 b之間存在一定的關(guān)系。 經(jīng)驗(yàn)公式：低碳鋼b 0.36HB 高碳鋼b 0.34HB 調(diào)質(zhì)合金鋼b 0.325HB 缺點(diǎn)：由于淬火鋼球本身存在變形問(wèn)題，不能測(cè)量硬度HB450的材料，不能測(cè)太薄試樣，以及壓痕較大，容易損壞成品表面。,根據(jù)壓頭形式和載荷不同有三種標(biāo)度（HRA, HRB,HRC） ，能夠測(cè)試從軟到硬各種硬度的材

14、料，HRC應(yīng)用最廣，可用于測(cè)硬度很高的材料。,HRC=100-(h2-h1)/0.002,當(dāng)硬度在200600HB, HRC1/10HB,硬度一般不標(biāo)單位，如200HB, 55HRC,2洛氏硬度(HR) （以壓痕深度表示）,洛氏硬度試驗(yàn)方法優(yōu)缺點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：操作迅速、簡(jiǎn)便，可以直接得出硬度值，壓痕小，不損壞工件表面，可以測(cè)量極硬或軟薄的材料。 缺點(diǎn)：硬度值不夠準(zhǔn)確，由于試驗(yàn)印痕小，當(dāng)金屬材料組織不均勻時(shí)，有可能打在硬的組織上，也有可能打在軟的組織上，這樣得不出正確的數(shù)據(jù)來(lái)。HR10HB,3.布氏硬度與洛氏硬度的特點(diǎn)比較,布氏硬度的特點(diǎn)： 布氏硬度因壓痕面積較大，HB值的代表性較全面，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

15、的重復(fù)性也好，但由于淬火鋼球本身的變形問(wèn)題，不能試驗(yàn)太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。 由于壓痕較大，成品檢驗(yàn)也有困難。 通常用于測(cè)定鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等材料的硬度。,洛氏硬度的特點(diǎn)： 洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且壓痕很小，幾乎不損傷工件表面，故在鋼件熱處理質(zhì)量檢查中應(yīng)用最多。 但洛氏硬度由于壓痕較小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或組織不均的情況，則所測(cè)硬度值的重復(fù)性也差。,三.沖擊韌度（ak）,金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力叫做沖擊韌度。常用一次擺錘沖擊試驗(yàn)來(lái)測(cè)定金屬材料的沖擊韌度(大能量、一次沖斷）。 試驗(yàn)表明，在沖擊載荷不太大的情況下，金屬

16、材料承受多次重復(fù)沖擊的能力，主要取決于強(qiáng)度。 沖擊值對(duì)組織缺陷很敏感，因此沖擊試驗(yàn)是生產(chǎn)上用來(lái)檢驗(yàn)冶煉、熱加工、熱處理等工藝質(zhì)量的有效方法。,沖擊試驗(yàn)機(jī) 1.試驗(yàn)原理,式中：Ak折斷試樣所消耗的沖擊功（J） A試樣斷口處的原始截面積（cm2）,對(duì)于脆性材料試樣一般不開(kāi)缺口,沖擊韌度K =AK/A,四.疲勞強(qiáng)度,當(dāng)金屬材料在無(wú)數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，叫做疲勞強(qiáng)度。 材料的疲勞強(qiáng)度通常在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)定。 在循環(huán)載荷作用下，材料承受一定的循環(huán)應(yīng)力和斷裂時(shí)相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系可以用曲線來(lái)描述,-N曲線,無(wú)數(shù)次應(yīng)力循環(huán)，對(duì)于鋼材為107，有色金屬和某些超高強(qiáng)

17、度鋼常取108。,疲勞強(qiáng)度:,金屬材料抵抗交變載荷的作用而不 破壞的能力。常用的指標(biāo)有疲勞強(qiáng)度(-1) 。 零件發(fā)生疲勞破壞是沒(méi)有預(yù)兆而突然斷裂，此時(shí)發(fā)生疲勞破壞的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至比屈服強(qiáng)度還小，非常危險(xiǎn)。 小結(jié)：金屬材料的力學(xué)性能是在外力作用下表現(xiàn)出的力學(xué)性能，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。,思 考 題,1 將鐘表發(fā)條拉成一直線，問(wèn)這是彈性變形還是塑性變形？怎樣判斷它的變形性質(zhì)？,2 疲勞破壞有什么危害？在什么情況下發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生原因是什么？如何提高零件的疲勞強(qiáng)度？,第2節(jié)、金屬材料的物理、化學(xué)及工藝性能,一、金屬的物理性能 1 密度 2 熔點(diǎn) 3 導(dǎo)熱性 4 導(dǎo)電性 5 熱膨脹性

18、 6 磁性,二、金屬的化學(xué)性能, 它是金屬材料在室溫或高溫時(shí)抵抗各種化學(xué)作用的能力，主要是指抵抗活潑介質(zhì)的化學(xué)侵蝕能力。 1. 耐腐蝕性(如耐酸性、耐堿性等) 2抗氧化性 3化學(xué)穩(wěn)定性,三、金屬的工藝性能,工藝性能是物理、化學(xué)、力學(xué)性能的綜合。按工藝方法的不同，可分為鑄造性能、可鍛性、焊接性和切削加工性等 1、鑄造性能 金屬在鑄造成形過(guò)程中獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力稱為鑄造性能。鑄造性能包括流動(dòng)性、吸氣性、收縮性和偏析等。在金屬材料中灰鑄鐵和青銅的鑄造性能較好。 2、鍛造性能 金屬材料利用鍛壓加工方法成形的難易程度稱為鍛造性能。鍛造性能的好壞主要同金屬的塑性和變形抗力有關(guān)。塑性越好，變形

19、抗力越小，金屬的鍛造性能越好。,3、焊接性能 焊接性能是指材料在限定的施工條件下焊接成按規(guī)定設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件，并滿足預(yù)定服役要求的能力。 4、切削加工性能 切削加工性能是指金屬在切削加工時(shí)的難易程度。,第2章 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu),一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念,1.晶體與非晶體 概念：原子按一定幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列的 固體物質(zhì)稱晶體；非晶體則反之。,特點(diǎn)：晶體有熔點(diǎn)；具有各向異性。如：食鹽，冰，金剛石，金屬等。 非晶體無(wú)熔點(diǎn)；各向同性。如：玻璃，松香，瀝青等。,各向異性,晶體的各向異性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物

20、理化學(xué)特性也不同，這就是晶體的各向異性。 晶體的各向異性具體表現(xiàn)在晶體不同方向上的彈性膜量、硬度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、電阻率、電位移矢量、電極化強(qiáng)度、磁化率和折射率等都是不同的。各向異性作為晶體的一個(gè)重要特性具有相當(dāng)重要的研究?jī)r(jià)值。常用密勒指數(shù)來(lái)標(biāo)志晶體的不同取向。,各向同性,亦稱均質(zhì)性。物理性質(zhì)不隨量度方向變化的特性。即沿物體不同方向所測(cè)得的性能，顯示出同樣的數(shù)值。如所有的氣體、液體（液晶除外）以及非晶質(zhì)物體都顯示各向同性。 例如，金屬和巖石雖然沒(méi)有規(guī)則的幾何外形，各方向的物理性質(zhì)也都相同，但因?yàn)樗鼈兪怯稍S多晶粒構(gòu)成的，實(shí)質(zhì)上它們是晶體，也具有一定的熔點(diǎn)。由于晶粒在空間方位上排列是無(wú)規(guī)則的，

21、所以金屬的整體表現(xiàn)出各向同性。,二、常見(jiàn)的晶格類型,1. 體心立方晶格 bodycentered cubic lattice,特點(diǎn)：b 較好。如：912 Fe, Cr, Mo, V等。,體心立方晶格,含有2個(gè)原子體積組成。,2. 面心立方晶格 facecentered cubic lattice,特點(diǎn)： 較好。 如： 912 Fe , Cu, Al 等金屬。,含有4個(gè)原子體積組成。,面心立方晶格,2. 晶格與晶胞,晶格：表示晶體中原子排列形成的空間格子。 晶胞：組成晶格最基本的幾何單元。,a,b,c,晶 胞 示意圖,原子,3. 晶格常數(shù)a ,b , c,a=b=c且互垂直,表示晶胞幾何形狀大小

22、,晶體中的原子排列,晶面,結(jié)點(diǎn),形成的原因：各原子之間相互吸引力與排斥力相平衡結(jié)果。,3. 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice,特點(diǎn)：硬度高、脆性大。如：鋅(Zn) , 鎂(Mg), 鎘(Cd)等金屬。,a,b,C,a=bc,4. 晶格致密度,原子排列的緊密程度。,致密度= = ,原子體積,晶胞體積,4,3, r3,a3,結(jié)果：體心=0.68,面心=0.74,六方=0.74,原子半徑 r =,a,2.1.3 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) P14,（一）多晶體結(jié)構(gòu),晶粒,晶界,多晶體 示意圖,由多個(gè)單晶粒組成的晶體為多晶體,通常：鋼鐵材料晶粒尺寸 為 0.10.001

23、mm, 顯微組織：在顯微鏡下觀察到其形態(tài)、大小、分布不同的組成物。,（二）晶格缺陷 1、點(diǎn)缺陷：在長(zhǎng)、寬、高方向尺寸都有很小變化的一種缺陷。 ,間隙原子,晶格空位,2、線缺陷 ：在晶格中呈線狀分布的缺陷。，,3、面缺陷：呈面狀分布的缺陷。 ，,線 缺 陷,面缺陷,2.3合金的相結(jié)構(gòu),一、有關(guān)合金的基本概念,1、合金 alloy 由兩種或兩種以上金屬元素或者金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。,2、組元 constituent 組成合金的最基本的獨(dú)立的物質(zhì)稱組元，簡(jiǎn)稱“元”。如：黃銅 CuZn；硬鋁 AlCu 等都稱二元合金。,3、合金系 system 由給定組元可以按不同比例配制一系

24、列成分不同的合金，簡(jiǎn)稱：“系”。,4、相圖 ：表示合金系中合金狀態(tài)與溫度、成分之間的關(guān)系的圖解。 如：鐵碳合金狀態(tài)圖,5、相 phase ：指同一化學(xué)成分，同一結(jié)構(gòu)并以界面互相分開(kāi)的均勻組成部分。如 固相、液相等。,6、組織 structure ：借助于放大鏡、顯微鏡下觀察到具有某種形態(tài)、形貌特征的組成部分。,二、合金的相結(jié)構(gòu),1、固溶體 solid solution, 概念：溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中所形成的一種均勻固體。如；糖水 水溶劑，糖溶質(zhì)。,固溶體 P18,固溶體:有些合金組元在固態(tài)時(shí),具有一定的互相溶解能力.例如,一部分碳元子能夠溶解到鐵的晶格內(nèi),此時(shí),鐵是溶劑,碳是溶質(zhì),合金的晶格仍

25、保持鐵的原有晶格類型., 分類： 按溶質(zhì)原子在溶劑中分布情況不同， 分 置換固溶體和間隙固溶體兩類,置換固溶體溶質(zhì)原子替換晶格上的原子間隙固溶體溶質(zhì)原子溶入晶格原子間隙,a)間隙固溶體 b)置換固溶體,特征：晶格類型不變，化學(xué)成分有限，性能發(fā)生變化, 特征：,（1）晶格仍保持原晶格（溶劑）。,（2）化學(xué)成分在一定范圍內(nèi)可改變。,（3）性能隨化學(xué)成分改變而逐漸變化。,性能：,造成晶格畸變，強(qiáng)度、硬度上升。這種現(xiàn)象稱固溶強(qiáng)化。,若溶質(zhì)原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)（含量）適當(dāng)，其力學(xué)性能高。,2、金屬化合物 compound, 概念：合金元素之間發(fā)生相互作用而生成的一種具有金屬特性的新相。如 Fe與CFe3C, 特

26、征,（1）具有一定的化學(xué)成分。 （2）與任一組元成分不同。 （3）熔點(diǎn)高脆性大硬度高。, 性能,晶格復(fù)雜斜方， 、HB，、ak，脆性大,3、機(jī)械混合物 mixture, 概念：兩相按固定比例構(gòu)成的組織（復(fù)合相），稱機(jī)械混合物。如 鐵碳合金中 F與Fe3C結(jié)合為P, 特征：各相保持自己的晶格類型、性能特點(diǎn)。 強(qiáng)度、硬度適中，目前鋼鐵材料中大 部分是這種組織。,2.2. 純 金 屬 的 結(jié) 晶,一、結(jié)晶的概念,1、結(jié)晶 crystallization 由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶體的過(guò)程。,或者描述為：原子由不規(guī)則排列到有規(guī)則排列過(guò)程。,或者描述為：晶體結(jié)構(gòu)形成的過(guò)程。如水冰,2、冷卻曲線與過(guò)冷度,T,T0

27、T1,時(shí)間,O,冷卻曲線,平臺(tái)：,結(jié)晶過(guò)程時(shí)間。是結(jié)晶時(shí) 放出的熱（潛熱）造成的。, T0理論結(jié)晶溫度,T1實(shí)際結(jié)晶溫度,T0T1= T 過(guò)冷度,過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件！,Ttemperation,冷卻曲線：,溫度,時(shí)間,O,1538,1394,912,Lliquid,結(jié)晶過(guò)程,Fe 體心立方晶格,Fe 面心立方晶格,Fe體心立方晶格,轉(zhuǎn)變式： Fe Fe Fe,912,1394,體心 面心 體心,或者： Fe Fe,912,臨界轉(zhuǎn)變溫度,面心 體心,體心2個(gè)原子體積面心4個(gè)原子體積,結(jié)論：冷卻速度T 或者說(shuō)： T F（結(jié)晶能量） 結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力結(jié)晶傾向,二、純 金 屬的結(jié)晶過(guò)程,過(guò)程：不斷形核和晶

28、核不斷長(zhǎng)大的過(guò)程。,三、晶粒大小與性能的關(guān)系,晶粒越細(xì)小，力學(xué)性能越高。,F,F,結(jié)果：小雞蛋不易碎， 大雞蛋容易碎,舉例：兩組大小不同的雞蛋受力情況,細(xì)化晶粒方法 P17,（1）增加過(guò)冷度,(T) 晶粒數(shù)目 （2）孕育處理（變質(zhì)處理）,加細(xì)小變質(zhì)劑,如在鑄鐵液中加硅鐵粉使晶粒變細(xì) （3）附加振動(dòng)或攪拌,使枝晶破碎.,2.4 合金的結(jié)晶 P24,描述合金的結(jié)晶過(guò)程用“二元相圖”解釋,一、二元合金相圖的建立： 用熱分析法繪制,如：CuNi合金,Cu,Ni,成分變化：Cu由100%0%； Ni由0%100%,0,100,溫度,A,B,1083,1452,L-liquid,S-solid,L+S,W

29、Ni%,結(jié)晶過(guò)程分析：,70%Cu+30%Ni 合金,1,2,1點(diǎn)以上為液體 L,到1點(diǎn)開(kāi)始結(jié)晶出固體 S,12間為兩相 區(qū) L+S,到2點(diǎn)時(shí)全為固體 S,2點(diǎn)以下為固體,A,B,Cu,Ni,1,2,L,S,AB上線液相線,AB下線固相線,二、 合金結(jié)晶的特點(diǎn)：,1、一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，有兩個(gè)相變點(diǎn)（因?yàn)楹辖鹩袃山M元 ）。,2、結(jié)晶出的固相成分與液相成分不同（液相成分不斷改變）。,3、形成單相、兩相混合物、單相與兩相混合物。,L+S,t,O,1,2,L,LS（L+S）,S,冷卻曲線,第3章 鐵碳合金 Ferrocarbon alloy,一、鐵碳合金狀態(tài)圖,1、狀態(tài)圖的建立,通過(guò)熱分析法獲得,Fe與C形成：,Fe,C,Fe3C Fe2C FeC,-Wc=6.69% -Wc=9.3% -Wc=17.8%,Fe3C,Fe2C,FeC,說(shuō)明：GB310293規(guī)定W稱為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下標(biāo)為含某元素,W-weight 分量、重量,FeFe3C 簡(jiǎn)化狀態(tài)圖,二、狀態(tài)圖作用：,（1）研究鋼鐵的成分、組織和性能之間關(guān)系理論基礎(chǔ)。 （2）制定熱加工工藝的依據(jù)。,簡(jiǎn)化 FeFe3C 狀態(tài)圖,三、基本組織,1、鐵素體 F Ferrite 碳在Fe中所形成的間隙固溶體。 特點(diǎn)：塑性、韌